JPH062953B2

JPH062953B2 - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH062953B2
Application number: JP18201885A
Authority: JP
Inventors: 力三谷; 英雄黒川; 武敏米澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-08-20
Filing date: 1985-08-20
Publication date: 1994-01-12
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: JPS6260872A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、プラズマを用いて薄膜を形成する装置に関す
るものである。

従来の技術高硬度炭素膜はダイヤモンドに極めて近い特性を有し、
高硬度，低摩擦係数，高絶縁性，高熱伝導率，高光透過
率，などの諸特性を製品に応用することで、付加価値の
極めて高い製品となすことができる。従来から高硬度炭
素膜を形成する装置に関して多数の発表がなされてお
り、それらは大別してＰＶＤ装置とＣＶＤ装置がある。

第４図に高硬度炭素膜をＰＶＤ装置で形成する代表的な
一従来例であるイオンビームデポジション装置を示す
〔アイゼンベルク（AISENBERG）他「ジャーナルオブ
アプライドフィジィックス（JOURNAL OF APPLIED P
HYSICS)」４２巻（１９７１）Ｐ．2953〜Ｐ．2958〕。

以下にこの従来例の動作の概略を示す。真空容器３１は
真空ポンプ３５で排気された後、アルゴン３３をソース
チャンバー４０に導入し、２×１０^-3〜５０×１０^-3To
rrに設定される。一方、この時、真空容器３２は真空ポ
ンプ３９で排気され１０^-6Torrに設定される。この後、
炭素電極３６と炭素ターゲット３７との間に電圧を印加
しアルゴンプラズマを発生し、アルゴンプラズマ中のア
ルゴンイオンで炭素ターゲット３７をスパッタリングす
ることで炭素原子をたたき出す。このようにしてたたき
出された炭素原子は前記アルゴンプラズマ中の高速電子
により一部イオン化され炭素イオンとなる。この炭素イ
オンは、基体３８に印加した負バイアス電圧で基体３８
方向へ加速され基体３８へ到達、堆積していく。以上の
ようにしてこの従来例では基体38上に高硬度炭素膜が形
成されるが、高硬度炭素膜は高い絶縁性を示すため、成
膜が進行するに従い炭素イオンにより形成膜上に正電荷
が蓄積されていく。このままならば、基体３８に印加し
た負バイアス電圧の効果が減少し成膜速度、および膜質
が低下するが、この従来例では、適時、交流電圧を基体
３８に印加しプラズマ中の電子も形成膜上に到達させて
前記炭素イオンを中和することで、成膜速度、および膜
質の低下を抑制している。他のＰＶＤ装置として、例え
ばイオンブレーティング装置があるが、イオンプレーテ
ィング装置で高硬度炭素膜など絶縁性膜を成膜する場
合、やはり、正電荷の蓄積を中和するための特殊な中和
手段が必要である。

ＣＶＤ装置で高硬度炭素膜を形成する従来の技術も多く
ある。（例えば、手塚他「第４５回応用物理学会学術
講演会予稿集」、（１９８４）、Ｐ．２１４、あるい
は、加藤他「第４４回応用物理学会学術講演会予稿
集」、（１９８３）、Ｐ．１８８など）。ＣＶＤ装置で
高硬度炭素膜を形成する場合、成膜は活性化学種による
化学反応であり、この反応を促進するために基体は５０
０〜１０００℃程度に加熱される。

発明が解決しようとする問題点しかし、以上のような代表例を示した従来の技術では各
々長所も有するが、特に高硬度炭素膜を実用化する点で
は問題点も多い。

以下にＰＶＤ装置で高硬度炭素膜を形成する際の問題点
を記す。ＰＶＤ装置の中でも、イオンプレーテイング装
置、あるいは前記従来例に示したイオンビームデポジシ
ョン装置では、従来の技術の中では、ダイヤモンドに近
い優れた高硬度炭素膜を室温に近い基体温度で、比較的
大きい成膜速度で形成できるという点で優れている。例
えば、イオンビームデポジション装置、イオンプレーテ
ィング装置などではイオンを電界で加速し、形成されつ
つある膜表面を高速イオンで衝撃するので、基体を加熱
せずともミクロ的には高温，超高圧というダイヤモンド
の合成条件が達成されていること、および、例えば従来
の技術で広く行なわれているように炭化水素ガスのプラ
ズマから成膜する場合、膜中に取込まれた未分解炭化水
素の結合を高速イオンで切断することで高硬度炭素膜の
炭素純度を向上させること、などによってダイヤモンド
に近い特性を有する高硬度炭素膜を形成している。しか
し、基体が金属のような導体でも高絶縁性を示す高硬度
炭素膜が基体表面に形成されるためイオンにより正電荷
が蓄積し電界によるイオンの加速が十分には行なわれな
くなり、このままなら膜質の低下のみならず、成膜速度
が低下する。基体が絶縁物の場合でも同じことである。
この対策として、従来の技術では、例えば前記従来例に
記したような交流電圧の印加、または、電子銃で電子を
形成膜上へ照射することなどが行なわれているが、いず
れにしても装置の構成、操作が複雑になること、装置が
高価になることなど、工業化には問題点がある。

次にＣＶＤ装置による高硬度炭素膜形成装置の問題点を
記す。ＣＶＤでは従来の技術で記したように、活性化学
種による化学反応で成膜が進むので、反応を促進し優れ
た高硬度炭素膜を形成するために基体を５００〜１００
０℃程度に加熱する。このような基体の加熱は、すなわ
ち、高硬度炭素膜を形成する基体材質が限定され、例え
ばプラスチックフィルム，プラスチックディスクをベー
スとする磁気、あるいは、光記録媒体、プラスチックレ
ンズ、その他、金属製のマイクロメカニズムなどに対し
ては高硬度炭素膜の形成が困難となる。

また、ＣＶＤ装置では、前述のように基体を加熱するた
めの付加装置を備えているため、装置コストが増加す
る。さらに、ＣＶＤ装置による高硬度炭素膜の成膜速度
は約１００Å／min程度であり、ＰＶＤ装置による成膜
速度の５００Å／min程度に比べ小さい。このこともＣ
ＶＤ装置で高硬度炭素膜を製品に応用し工業化する点
で、はなはだ不利となる。

本発明の目的は、実用付加価値の極めて高い高硬度炭化
膜を形成する際に、以上述べたような従来の技術での問
題点を解決し、基体を加熱せず、かつ、複雑なイオンの
中和手段を用いなくても、ダイヤモンドに近い優れた特
性を有する高硬度炭素膜を、従来の技術よりも大きい成
膜速度で形成できる薄膜形成装置を提供することであ
る。

問題点を解決するための手段薄膜として例えば高硬度炭素膜を形成する際、従来の技
術にあった前記のような数々の問題点を解決する本発明
の手段は、反応性ガスとして例えば炭化水素ガスなど炭
素原子を含む混合ガスをプラズマ化し、プラズマ中の少
なくともイオンを基体方向へ加速し高速イオンとし、か
つ、この加速された高速イオンの少なくとも一部を高速
中性粒子とする加速中和手段を備えた薄膜形成装置で高
硬度炭素膜を形成することである。

作用上記のような本発明による技術的手段を用いることによ
って以下のような作用が生じ、従来の技術にあった問題
が一挙に解決できる。

イオンビームデポジション，イオンプレーティングなど
では、イオンを基体方向へ加速したまま基体に堆積する
ため基板にイオンによる正電荷が蓄積し、この正電荷の
蓄積による成膜速度、膜質の低下を抑制するため、電子
銃などの特殊な中和手段を要していた。本発明の薄膜形
成装置は、例えば以下に実施例で示すように、極めて簡
単なイオンの加速中和手段を備えたものであり、特殊な
中和手段を要しない。また、例えば本発明の薄膜形成装
置で高硬度炭素膜を形成する場合、イオンビームデポジ
ション，イオンプレーティングなどでの高速イオンと同
等の運動エネルギーをもつ高速中性粒子、および、高速
イオンが、形成されつつある膜表面を衝撃するため、基
体が室温でもダイヤモンドに近い優れた特性を有する高
硬度炭素膜を形成できる。

また、以下に実施例で詳述するように、本発明の薄膜形
成装置のイオンの中和は電子で行われるが、この電子の
一部により未分解炭化水素ガス分子の励起が促進される
ために、高硬度炭素膜の前駆体となる中性粒子，励起粒
子などが従来のPVDより著しく増加し、成膜速度がはや
くなる。

実施例第１図に本発明の薄膜形成装置で高硬度炭素膜を形成す
る場合の第１の実施例の概略図を示す。

第１の真空容器１２と第２の真空容器１は真空ポンプ１
３で予め、高真空に排気される。次に本発明で高硬度炭
素膜を形成する場合、反応性ガスとして例えばメタンガ
スなどの炭化水素ガスを用いてもよい。炭化水素ガスと
してはメタンガス以外にもアセチレンガス，エチレンガ
ス，エタンガス，ブタンガスなどでもよいことはいうま
でもない。また、反応性ガスの反応，励起を促進、安定
化させるために補助ガスを用いてもよい。補助ガスとし
ては例えばアルゴンガスが望ましい。アルゴンガスはメ
タンガスのプラズマ化を促進、安定化させるのみなら
ず、取扱いも容易で工業化に有利であり、優れた特性の
高硬度炭素膜を形成する上で望ましい。補助ガスとして
は、アルゴンガス以外にも、例えば水素ガスなども考え
られるが、水素ガスは取扱いの点で工業化には不利であ
り、好ましいとは言えない。第１図に示すように、これ
らメタンガスとアルゴンガスを含んだ混合ガスを第１の
真空容器１２内へ導入し、所定の圧力に設定する。この
混合ガスは励起コイル４と高周波電源８とによってプラ
ズマ発生部９においてプラズマ化される。プラズマ発生
手段として、高周波電源の他にも、例えばマイクロ波，
イオンビーム，電子ビーム，熱分解なども従来の技術で
は用いられていたが、プラズマ化効率が良いこと、基体
温度を上昇させにくいこと、などで、高周波電源が望ま
しい。また、本実施例では励起コイル４は第１図に示す
ようにプラズマ発生部９の外部で、第１の真空容器１２
の外部に巻回し、プラズマに直接さらされないように設
置することが望ましい。これは、励起コイルの構成材料
でプラズマが汚染されないためである。また、プラズマ
は、例えば第１図に示すように、プラズマ発生部９に第
１電極５を設置し、基体１１と第１電極５との間に正対
する第２電極１０を設けて第１電極５が高電位となるよ
うな電位差によっても発生してもかまわない。このよう
して発生したプラズマ発生部９のプラズマ中のイオン
は、例えば第１図に示すように、プラズマ発生部９に第
１電極５を設置し、基体１１と第１電極５との間に正対
する第２電極１０を設けて第１電極５が高電位になるよ
う電位差を与えると、基体１１方向へ加速される。第１
電極５の形状は、例えば第１図に示すようにメタンガス
７、アルゴンガス６を第１の真空容器１２の後方より導
入する場合、この混合ガスが第１の真空容器１２内を均
質に流れ、基体１１上に形成される膜の分布を均一にす
るため、例えばメッシュ状が好ましい。また、例えば第
２図に示すようにメタンガス１６、アルゴンガス１８を
第１の真空容器２０の側方より導入する場合では第１電
極１７は例えば平板状でもよい。前記プラズマ中のイオ
ンは第２の電極１０に対し第１の電極５が高電位となる
ような電位差によって、基体１１方向へ加速されるが、
この加速されたイオンの一部は第２電極１０に衝突して
２次電子を放出させる。この２次電子の一部により、加
速されたイオンの一部は第２電極付近で中和され高速中
性粒子となるが、加速されたイオンの運動エネルギーは
２次電子の運動エネルギーに比べ大きいため、加速され
たイオンの運動エネルギーはほとんど減少することはな
い。このため高速中性粒子は大きな運動エネルギーを持
ちつつ基体１１上へ衝突、堆積していく。また、加速さ
れて第２電極１０を通過して基体１１上へ衝突、堆積す
る高速イオンもありうるが、このイオンは第２電極から
放出された２次電子、あるいは、第２電極１０を通過し
たプラズマ中の電子によって中和される。また、一部の
２次電子により未分解炭化水素ガス分子の励起が促進さ
れるために、高硬度炭素膜の前駆体となる中性粒子、励
起粒子などが従来のＰＶＤ法より著しく増加し、成膜速
度がはやくなる。

第２電極１０と基体１１との間には第２電極10を通り抜
けたプラズマおよび未分解ガスが存在するが、第１図に
示すように第２電極１０と基体11あるいは基体ホルダー
１１′とを同電位に設定すれば、プラズマ中のイオン，
電子は第２電極１０と基体１１との間では加速されずに
分子流的に基体へ到達するので電荷蓄積が生じることは
ない。また高速中性粒子が再び電離する可能性もある
が、この電離により発生するイオンは高速中性粒子の運
動エネルギーを殆んど有しているのでそのまま基体方向
へ運動する。またイオンと同時に発生する電子はクーロ
ンカでイオンに引張られ、イオンと一緒に運動するた
め、基体１１表面に例えばイオンのみが蓄積することは
なく電荷蓄積は生じない。

以上のように本発明では、基体の電荷蓄積は生じず成膜
中の膜質劣化および成膜速度の低下の心配がないほか絶
縁性の基体にも成膜が可能になる。

次に本発明の第２実施例について説明する。第３図に本
発明の第２実施例の概略図を示す。第１の実施例では、
加速されたイオンが第２電極１０と衝突して放出する２
次電子を利用して加速イオンの少なくとも一部を高速中
性粒子に変換した。しかしながら、２次電子の放出量は
イオンの運動エネルギー量、ガス圧、電極材料などによ
り異なるため、条件によっては２次電子の数が少なく、
加速されたイオンを中和するのに不十分となることがあ
る。本発明の第２実施例はこの問題を解決するものであ
る。第２実施例の基本構成は第１図に示した第１実施例
と同じであるが、第１実施例の第２電極１０をフィラメ
ント３７に置き換えるものである。第１の真空容器２４
中にメタンガス３２、アルゴンガス３１を導入し、高周
波電源34と励起コイル３０によりプラズマ化する。第１
電極３３と、第２電極を兼ねたフィラメント３７との間
に第１電極３３が高電位となるよう直流電源２９で電位
差を設けプラズマ中のイオンを基体40方向に加速すると
共に、フィラメント加熱電源38からフィラメント３７に
電圧を印加して熱電子を放出させる。加速されたイオン
はこの熱電子で中和され高速中性粒子となるが、この時
加速されたイオンの運動エネルギーは熱電子の運動エネ
ルギーに比べてはるかに大きいため、加速されたイオン
の運動エネルギーはほとんど減少することなく高速中性
粒子の運動エネルギーとなる。加速イオンを中和する熱
電子の数は、フィラメント加熱電源３８を調整すること
で加速イオンとは無関係に制御できるため過不足なく供
給できる。このため加速されたイオンの所望数を高速中
性粒子に変換することが可能で、基体４０の電荷蓄積は
生じず成膜中の膜質劣下および成膜速度の低下の心配が
ないほか絶縁性の基体にも成膜が可能になる。また、こ
の第２実施例においても一部の熱電子により未分解炭化
水素ガス分子の励起が促進され、高硬度炭素膜の前駆体
となる中性粒子，励起粒子が従来のＰＶＤより著しく増
加し、成膜速度がはやくなる。

以上のように、本発明によればダイヤモンドに近い優れ
た特性をもつ高硬度炭素膜を、極めて簡単なイオンの加
速中和手段を用いることにより、基体のいかんにかかわ
らず、また基体を加熱することなく形成することがで
き、その成膜速度は従来技術よりも大きい。また、補助
ガスとして不活性ガス（例えばアルゴンガス）を用いて
も優れた特性をもつ高硬度炭素膜を形成できるため、従
来の技術のように水素ガスを補助ガスとして用いること
による危険性はなく、工業化が容易である。その上、本
発明は第１の真空容器内にプラズマ発生手段，加速中和
手段を備えたユニットとしての取扱いが可能であるた
め、既存の真空装置に簡単に取付けられる。

以上は本発明を高硬度炭素膜の形成に応用した実施例で
ある。本発明は高硬度炭素膜形成以外に導入ガス，印加
直流電力，印加交流電力などを選定することにより他の
薄膜形成にも応用できる。例えばTic膜を形成するには
四塩化チタンガス，メタンガスを使用し TiCl₄＋CH₄→TiC_(s)＋4HCl_(g) またSiC膜を形成するには、シランガス，メタンガスを
使用して SiH₄＋CH₄→SiC_(s)＋4H2(_2(g) のように多種多様の膜を形成することができる。

発明の効果本発明の薄膜形成装置は、前記のようにプラズマ化した
反応性ガスを含む混合ガス中の少なくともイオンを基体
方向へ加速し、かつ、このイオンの少なくとも一部を電
子（２次電子，熱電子など）で中和する構成を特徴とし
ている。この工業的効果として、従来に比べて極めて簡
単な加速中和手段によって、基体を加熱しなくても、ダ
イヤモンドに近い優れた特性を有する高硬度炭素膜を、
従来よりもはるかに大きい成膜速度で形成できる。ま
た、前記のように、本発明の薄膜形成方法、および、形
成装置は既存の真空装置にも簡単に取付けられるため、
工業化が非常に容易である。さらに加えて、本発明では
ガス種類、印加交流電力，印加直流電圧などを選択、組
合せによって、多種多様な薄膜を形成でき、その工業応
用性は極めて大きい

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図，第３図は本発明の実施例における薄膜
形成装置の原理図、第４図は従来例における薄膜形成装
置の原理図である。１……第２の真空容器、４……励起コイル、５……第１
電極、１０……第２電極、１１……基体、１２……第１
の真空容器、３６……フィラメント。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応性ガスを含む混合ガスをプラズマ化す
るプラズマ発生手段を備えた第１の真空容器と、プラズ
マ中の少なくともイオンを基体方向へ加速し、かつ、こ
の加速されたイオンの少なくとも一部を中性粒子とする
加速中和手段と、基体が設置され第１の真空容器との間
で気体が流入できるように接続された第２の真空容器と
によって構成された薄膜形成装置。