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JPH07233475A - Method for forming diamond-like thin film - Google Patents

Method for forming diamond-like thin film

Info

Publication number
JPH07233475A
JPH07233475A JP2284394A JP2284394A JPH07233475A JP H07233475 A JPH07233475 A JP H07233475A JP 2284394 A JP2284394 A JP 2284394A JP 2284394 A JP2284394 A JP 2284394A JP H07233475 A JPH07233475 A JP H07233475A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
diamond
gas
vacuum chamber
plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2284394A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuhiko Imashiro
信彦 今城
Yuzo Shigesato
有三 重里
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP2284394A priority Critical patent/JPH07233475A/en
Publication of JPH07233475A publication Critical patent/JPH07233475A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】第1の真空室1においてアーク放電プラズマを
発生させ、該アーク放電プラズマを第2の真空室2に導
き、第2の真空室2において該アーク放電プラズマ5中
にダイアモンド状薄膜形成用原料ガスを供給して該原料
ガスを励起、分解し、基体上にダイアモンド状薄膜を形
成する。 【効果】大面積の基体上に均一な膜厚の高品質なダイア
モンド状薄膜を高速にかつ効率的に形成することが可能
になる。
(57) [Summary] [Structure] An arc discharge plasma is generated in the first vacuum chamber 1, the arc discharge plasma is guided to the second vacuum chamber 2, and the arc discharge plasma 5 is introduced in the second vacuum chamber 2. A diamond-like thin film forming raw material gas is supplied to the substrate to excite and decompose the raw material gas to form a diamond-like thin film on the substrate. [Effect] It becomes possible to efficiently form a high-quality diamond-like thin film having a uniform film thickness on a large-area substrate at high speed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐擦傷性、高透過性、
高熱伝導性を有する薄膜として、各種の応用が期待され
るダイアモンド状薄膜の形成方法に関するものである。
The present invention relates to scratch resistance, high permeability,
The present invention relates to a method for forming a diamond-shaped thin film, which is expected to have various applications as a thin film having high thermal conductivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、耐擦傷性を有する薄膜として
は、ダイアモンド状薄膜やc−BN膜等が、各種冶工具
類へのオーバーコート膜、各種基板の耐擦傷性を改善す
る膜として応用研究がなされてきた。この中でもダイア
モンド状薄膜は、化学的・熱的安定性を有するために、
このような用途を中心に用いられてきている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as thin films having scratch resistance, diamond thin films and c-BN films have been applied as overcoat films for various jigs and tools, and films for improving scratch resistance of various substrates. Research has been done. Among them, the diamond-like thin film has chemical and thermal stability,
It has been mainly used for such purposes.

【0003】ダイアモンド状薄膜を堆積する方法として
は、気体原料として、ハイドロカーボン系のガスを出発
原料とする各種のCVD法による方法が挙げられる。例
えば、非平衡(低温)プラズマを用いる方法としては、
通常のp−CVD法(図2参照)、ECR条件を満足す
る磁場中でマイクロ波を印加し、ECRプラズマを発生
させる方法、2.45GHzの商用周波数を用いるマイ
クロ波プラズマ法等が知られている。これらの方法は、
各方法により発生させたプラズマにより、原料ガスを励
起分解する方法である。
As a method for depositing a diamond-like thin film, various CVD methods using a hydrocarbon-based gas as a starting material as a gas material can be mentioned. For example, as a method using non-equilibrium (low temperature) plasma,
Known are a normal p-CVD method (see FIG. 2), a method of generating ECR plasma by applying microwaves in a magnetic field satisfying ECR conditions, a microwave plasma method using a commercial frequency of 2.45 GHz, and the like. There is. These methods are
In this method, the source gas is excited and decomposed by the plasma generated by each method.

【0004】また同様の原料ガスを供給し、熱分解プロ
セスにより、ダイアモンド状薄膜を堆積する方法として
は、基板近傍に設置した熱フィラメントにより、原料ガ
スを熱分解し所望の膜を堆積する方法や通常の熱分解反
応のみを用いる熱CVD法等が報告されている。一方、
PVD法としては、主としてイオンを用いた成膜法が取
られており、イオンビーム蒸着法、イオンビームスパッ
タ法等が知られている。また特開平2−73962号公
報には、高効率シートプラズマを利用したCVDプロセ
スによる薄膜形成方法が記載されている。
Further, as a method of supplying a similar source gas and depositing a diamond-like thin film by a thermal decomposition process, a method of thermally decomposing the source gas with a hot filament installed in the vicinity of the substrate and depositing a desired film, A thermal CVD method or the like using only a usual thermal decomposition reaction has been reported. on the other hand,
As the PVD method, a film forming method using ions is mainly used, and an ion beam vapor deposition method, an ion beam sputtering method and the like are known. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-73962 describes a thin film forming method by a CVD process using high efficiency sheet plasma.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のp−
CVD法、ECRCVD法等の非平衡プラズマを用いた
場合や熱CVD法等の場合には、膜質としては良好な膜
が堆積できるものの、成膜速度が遅いことや大面積の基
板等に安定に良好な薄膜を堆積できないという問題があ
った。このために、量産性の点で問題があり、低コスト
化への阻害要因になっていた。またPVD法を用いた場
合においても原料ガスの反応性を向上するために用いて
いるイオン源の大面積化が困難であるといった問題があ
った。
However, the conventional p-
When non-equilibrium plasma such as CVD method or ECRCVD method is used, or in the case of thermal CVD method, a film having good film quality can be deposited, but the film formation speed is slow and the film is stably formed on a large-area substrate. There is a problem that a good thin film cannot be deposited. For this reason, there is a problem in terms of mass productivity, which is an obstacle to cost reduction. Further, even when the PVD method is used, there is a problem that it is difficult to increase the area of the ion source used to improve the reactivity of the source gas.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題を
解決すべくなされたものであり、第1の真空室において
アーク放電プラズマを発生させ、該アーク放電プラズマ
を第2の真空室に導き、第2の真空室において該アーク
放電プラズマ中にダイアモンド状薄膜形成原料ガスを供
給して該原料ガスを励起、分解し、基体上にダイアモン
ド状薄膜を形成することを特徴とするダイアモンド状薄
膜の形成方法を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. Arc discharge plasma is generated in a first vacuum chamber, and the arc discharge plasma is generated in a second vacuum chamber. A diamond-like thin film, characterized in that a diamond-like thin film-forming raw material gas is supplied into the arc discharge plasma in a second vacuum chamber to excite and decompose the raw material gas to form a diamond-like thin film on a substrate. The present invention provides a method for forming the same.

【0007】図1は、本発明のダイアモンド状薄膜の形
成方法を行うための装置の一例の概略断面図である。図
1において、1は第1の真空室、2は第2の真空室、3
はダイアモンド状薄膜を形成するための基体、4は基体
ホルダー、5はプラズマ流、6はプラズマガン、7は陽
極、10は第1の真空室と第2の真空室との間の仕切り
バルブ、11は、第1の真空室で発生したプラズマを第
2の真空室に導くための磁場を形成するためのコイルで
ある。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of an apparatus for carrying out the method for forming a diamond-like thin film of the present invention. In FIG. 1, 1 is a first vacuum chamber, 2 is a second vacuum chamber, 3
Is a substrate for forming a diamond thin film, 4 is a substrate holder, 5 is a plasma flow, 6 is a plasma gun, 7 is an anode, 10 is a partition valve between the first vacuum chamber and the second vacuum chamber, Reference numeral 11 is a coil for forming a magnetic field for guiding the plasma generated in the first vacuum chamber to the second vacuum chamber.

【0008】本発明においてアーク放電プラズマとは、
減圧の雰囲気における、数10〜数100アンペア、数
10〜100ボルト程度の、大電流、低電圧放電による
プラズマを言う。かかるプラズマを発生させるために用
いるプラズマガン6の具体的な構成としては、ガン部分
に対向して配置される陽極7との間でアーク放電を起こ
し、アーク放電プラズマ流を生成し得るものが好まし
く、特に、複合陰極型プラズマガン、圧力勾配型プラズ
マガンあるいは両者を組み合わせた物が望ましい(真空
第25巻 第10号参照)。
In the present invention, arc discharge plasma means
It refers to plasma generated by high-current, low-voltage discharge of several tens to several hundred amperes and several tens to 100 volts in a reduced pressure atmosphere. As a specific configuration of the plasma gun 6 used for generating such plasma, one that can generate an arc discharge plasma flow by causing an arc discharge with the anode 7 arranged facing the gun portion is preferable. In particular, a composite cathode type plasma gun, a pressure gradient type plasma gun, or a combination of both is desirable (see Vol. 25, No. 10).

【0009】ここで、複合陰極型プラズマガンは、熱容
量の小さいタングステン・タンタル・モリブデン等の高
融点金属からなるコイル状またはパイプ状の補助電極と
ホウ化ランタンからなる主陰極とを有し、上記補助電極
に初期放電を集中させ、それを利用して主陰極を加熱
し、主陰極が最終陰極としてのアーク放電を行うように
したものであり、補助電極が2500℃以上の高温にな
って、寿命に影響する前に主陰極が1500〜1800
℃に加熱されて大電子流放出が可能な状態になり、補助
陰極のそれ以上の温度上昇が回避されるという利点を有
する。
Here, the composite cathode type plasma gun has a coil-shaped or pipe-shaped auxiliary electrode made of a refractory metal having a small heat capacity such as tungsten, tantalum, molybdenum, and a main cathode made of lanthanum boride. The initial discharge is concentrated on the auxiliary electrode, the main cathode is heated by using it, and the main cathode performs arc discharge as the final cathode. When the auxiliary electrode reaches a high temperature of 2500 ° C. or higher, The main cathode is 1500-1800 before it affects the life.
It has an advantage that it is heated to 0 ° C. and becomes capable of emitting a large electron flow, and further temperature rise of the auxiliary cathode is avoided.

【0010】また圧力勾配型プラズマガンは、陰極と陽
極との間に中間電極を介在させ、陰極領域を1Torr
程度に、一方、陽極領域を10ー3Torr程度に保って
放電を行うものであり、陽極領域からのイオン逆流によ
る陰極の損傷がない上に、中間電極のない放電形式に比
べて、放電電子流を作り出すためのキャリヤガスのガス
効率が飛躍的に高く、大電流放電が可能であるという利
点を有する。
In the pressure gradient type plasma gun, an intermediate electrode is interposed between the cathode and the anode, and the cathode region is set to 1 Torr.
On the other hand, on the other hand, the discharge is carried out while maintaining the anode region at about 10 −3 Torr, and there is no damage to the cathode due to the ion backflow from the anode region, and the discharge electron is compared to the discharge type without the intermediate electrode. The gas efficiency of the carrier gas for creating the flow is remarkably high, and there is an advantage that a large current discharge is possible.

【0011】このため、上述した複合陰極型プラズマガ
ンと圧力勾配型プラズマガンを組み合わせたプラズマガ
ンを構成するようにすれば、上述した利点を同時に得る
ことができるので、本発明において使用するプラズマガ
ンとして望ましい。また、プラズマを発生させるために
プラズマガンに導入する放電ガスとしては、放電効率等
の点から言えば、水素ガス、希ガス、または両者の混合
ガスを用いることができるが、本発明のダイアモンド状
薄膜の形成過程においては多量の水素を供給することが
重要であるため、水素ガスのみ、もしくは水素ガスと希
ガスの混合ガスを放電ガスとして用いることが好まし
い。
Therefore, if the plasma gun is constructed by combining the above-mentioned composite cathode type plasma gun and pressure gradient type plasma gun, the above-mentioned advantages can be obtained at the same time. Therefore, the plasma gun used in the present invention can be obtained. As desirable. Further, as the discharge gas to be introduced into the plasma gun for generating plasma, from the viewpoint of discharge efficiency, hydrogen gas, rare gas, or a mixed gas of both can be used. Since it is important to supply a large amount of hydrogen in the process of forming the thin film, it is preferable to use only hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen gas and a rare gas as the discharge gas.

【0012】さらに、第1の真空室から引き出したプラ
ズマ流をシート状にし成膜することにより、膜厚分布の
良い成膜ができる。この際のシート化手段としては、プ
ラズマガンにより生成されたプラズマ流を変形させるも
のであればよく、具体的には、マグネットやコイル等で
プラズマ流を両側から押し潰す磁界を形成できるように
構成することが望ましい。
Further, by forming the plasma flow drawn from the first vacuum chamber into a sheet and forming a film, a film having a good film thickness distribution can be formed. The sheet forming means at this time may be any one that deforms the plasma flow generated by the plasma gun. Specifically, it is configured to form a magnetic field that crushes the plasma flow from both sides with a magnet, a coil, or the like. It is desirable to do.

【0013】さらにプラズマガンの取付については、成
膜真空室(すなわち第2の真空室)のいずれの部分につ
けてもかまわないが、プラズマガンの交換作業性を考慮
すると、成膜真空室の外部に仕切バルブ10を介してプ
ラズマガンを着脱自在に取り付けるようにすることが望
ましい。
Further, the plasma gun may be attached to any part of the film forming vacuum chamber (that is, the second vacuum chamber), but in consideration of the workability of exchanging the plasma gun, the outside of the film forming vacuum chamber is considered. It is desirable that the plasma gun be detachably attached via the partition valve 10.

【0014】また従来技術の問題点の1つであった大面
積化に関しては、前述したプラズマガンを複数個同一平
面上に隣接させ、シートプラズマを同時に同一平面上に
形成することで対応できる。
The increase in area, which is one of the problems of the prior art, can be dealt with by arranging a plurality of plasma guns adjacent to each other on the same plane and simultaneously forming sheet plasma on the same plane.

【0015】また原料ガスとしては、ダイアモンド状薄
膜の主骨格を形成するための出発原料となるものを含む
ものであればよく、その例としては、炭素と水素の化合
物(たとえばメタン系炭化水素、エチレン系炭化水素、
アセチレン系炭化水素等の鎖式化合物など)、炭素と水
素と酸素の化合物(各種のアルコール類や、カルボニル
基などの酸素を含む特性基を有する化合物(たとえばケ
トン類等)など)、炭素と水素と窒素の化合物(アミノ
基などの窒素を含む特性基を含む化合物等)、炭素と水
素と酸素と窒素の化合物(窒素を含む特性基と酸素を含
む特性基とを有する化合物(たとえばカルボン酸アンモ
ニウム塩等)など)、等が挙げられるが、特にこれに限
定されるわけではない。
The source gas may be any gas containing a starting material for forming the main skeleton of the diamond-like thin film, and examples thereof include a compound of carbon and hydrogen (for example, methane-based hydrocarbon, Ethylene hydrocarbons,
Chain compounds such as acetylene hydrocarbons), compounds of carbon, hydrogen and oxygen (various alcohols, compounds having characteristic groups containing oxygen such as carbonyl groups (eg ketones)), carbon and hydrogen And a compound of nitrogen (a compound containing a characteristic group containing nitrogen such as an amino group), a compound of carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen (a compound containing a characteristic group containing nitrogen and a characteristic group containing oxygen (for example, ammonium carboxylate) (Salt etc.)), etc., but are not particularly limited thereto.

【0016】本発明において、「ダイアモンド状薄膜」
とは、「多結晶性を有するダイアモンド状薄膜」と、
「結晶性の低いダイアモンド状薄膜」の両方を含むもの
である。これらの膜は、成膜温度や供給する活性水素の
量などの成膜条件により作り分けすることが可能であ
る。
In the present invention, "diamond-like thin film"
And "a diamond-like thin film having polycrystallinity",
It includes both "a diamond-like thin film having low crystallinity". These films can be formed according to film forming conditions such as film forming temperature and the amount of active hydrogen supplied.

【0017】「多結晶性を有するダイアモンド状薄膜」
とは、それを構成する炭素のほとんどの結合がsp3結
合であり、ダイアモンド特有のごつごつした表面性状を
有するもので、ラマン測定により1333cm-1にsp
3結合由来の鋭い(半値幅の小さい)ピークのみが観測
されるものである。
"Diamond-like thin film having polycrystallinity"
Most of the carbon atoms that compose it are sp3 bonds, and have a rough surface texture peculiar to diamond. Raman measurement shows that sp is at 1333 cm -1 .
Only a sharp (small half width) peak derived from 3 bonds is observed.

【0018】一方、「結晶性の低いダイアモンド状薄
膜」とは、それを構成する炭素のsp3結合とsp2結
合がランダムに混在しており、グラファイトのような層
状構造を有しない膜である。一般にsp3結合とsp2
結合の比が1:9程度のダイアモンド様カーボン(Diam
ond Like Carbon ,DLC)膜と呼ばれているものや、
それよりsp3結合の割合が多いとされる非晶質ダイア
モンド膜などと呼ばれているものも含まれる。ラマン測
定では、sp3結合由来の1333cm-1を中心とする
非常にブロードな(半値幅の大きい)ピークが観察され
るが、sp2結合由来の強度のさらに強いブロードなピ
ークと重なって観察される。このために膜中のsp2結
合およびsp3結合状態の差を議論することは困難であ
る。そこでエネルギー損失分光法(EELS)により炭
素(1s)内殻電子励起スペクトルの評価を行うと、損
失エネルギー280eVから300eV付近に比較的鈍
い3つのピークが観察され、sp2およびsp3結合が
混在していることが確認できる。π電子由来の280e
V付近のピークは、π電子を多量に有するグラファイト
の場合と比べてかなり小さく、これによりグラファイト
と区別することができる。
On the other hand, the "diamond-like thin film having low crystallinity" is a film in which sp3 bonds and sp2 bonds of carbon constituting the film are randomly mixed and which does not have a layered structure like graphite. Sp3 binding and sp2 in general
Diamond-like carbon with a bond ratio of about 1: 9 (Diam
ond like carbon (DLC) film,
It also includes what is called an amorphous diamond film, which is said to have a higher proportion of sp3 bonds. In Raman measurement, a very broad (large half-value width) peak centered at 1333 cm −1 derived from sp3 binding is observed, but it is observed overlapping with a broader peak with higher intensity derived from sp2 binding. Therefore, it is difficult to discuss the difference between the sp2 binding state and the sp3 binding state in the membrane. Therefore, when the carbon (1s) core electron excitation spectrum is evaluated by energy loss spectroscopy (EELS), three relatively blunt peaks are observed from the loss energy of 280 eV to around 300 eV, and sp2 and sp3 bonds are mixed. You can confirm that. 280e derived from π electron
The peak near V is considerably smaller than that in the case of graphite having a large amount of π electrons, which makes it possible to distinguish it from graphite.

【0019】本発明により形成されるダイアモンド状薄
膜は、高硬度を有するため、各種のハードコートに適用
できる。ただし、多結晶性を有するダイアモンド状薄膜
は、表面がごつごつしているためヘーズがあり、ガラ
ス、レンズ、プラスチック等の透明性を要求される基体
には適さない場合もあるが、冶工具等のハードコートに
は使用できる。結晶性の低いダイアモンド状薄膜は、透
明性を要求されるような用途に使用できる。
The diamond-like thin film formed by the present invention has a high hardness and can be applied to various hard coats. However, the diamond-like thin film having polycrystallinity has a haze because the surface is rough, and may not be suitable for substrates such as glass, lenses, and plastics that require transparency. Can be used for hard coat. The diamond-like thin film having low crystallinity can be used in applications where transparency is required.

【0020】本発明の方法により、ダイアモンド状薄膜
を形成する基体としては、各種の半導体基体、ガラス等
の透明絶縁性基体、長尺のプラスチックフィルム等、特
に限定されるものではない。
The substrate for forming the diamond-like thin film by the method of the present invention is not particularly limited to various semiconductor substrates, transparent insulating substrates such as glass, long plastic films and the like.

【0021】本発明の方法においてはプラズマ密度の高
いアーク放電プラズマを用いているため、多量の活性な
水素を供給でき、これらと膜表面の結合(C−C,C−
H)との反応により、気相からダイアモンド状薄膜を形
成しようとする場合にダイアモンド状薄膜と同時に形成
される黒鉛構造を有する炭素結合(sp2)を容易に分
解し、除去することや、成膜表面などに存在する2重結
合などを開くことが可能になる。また、アーク放電プラ
ズマを制御することにより膜の成長表面に供給する水素
量を制御することもでき、これによりダイアモンド状薄
膜の作り分けも可能となる。
In the method of the present invention, since arc discharge plasma having a high plasma density is used, a large amount of active hydrogen can be supplied, and the bonding between these and the film surface (C-C, C-).
When a diamond-like thin film is formed from the gas phase by reaction with H), carbon bonds (sp2) having a graphite structure formed simultaneously with the diamond-like thin film are easily decomposed and removed, and film formation It becomes possible to open double bonds and the like existing on the surface and the like. In addition, the amount of hydrogen supplied to the growth surface of the film can be controlled by controlling the arc discharge plasma, which makes it possible to form diamond thin films separately.

【0022】また原料ガスに炭素とフッ素の化合物を混
合して用いると、活性なフッ素により、結晶成長を阻害
する成長再表面層(非晶質層)の形成を抑止し、多結晶
性を有するダイアモンド状薄膜を形成しやすくなる。ま
た、多結晶性を有するダイアモンド状薄膜と結晶性の低
いダイアモンド状薄膜のどちらの膜の形成においても、
フッ素の添加により成膜温度が低減でき、これにより、
100℃程度の低い成膜温度でも成膜が可能となり、プ
ラスチック等の耐熱性の低い基体にもダイアモンド状薄
膜を形成できること、また、大面積の基板上にダイアモ
ンド状薄膜を形成しようとする場合に基板加熱機構等の
構成を簡略化でき、装置コストの低減が可能となること
など、大きな効果が得られる。
When a mixture of carbon and fluorine is used as the raw material gas, active fluorine inhibits the formation of a growth re-surface layer (amorphous layer) which inhibits crystal growth, and has polycrystallinity. It becomes easy to form a diamond-like thin film. Further, in forming both the diamond-like thin film having polycrystalline property and the diamond-like thin film having low crystallinity,
The film formation temperature can be reduced by adding fluorine, which
It is possible to form a film even at a low film forming temperature of about 100 ° C., and it is possible to form a diamond-like thin film even on a substrate having low heat resistance such as plastic, and when a diamond-like thin film is to be formed on a large-area substrate. The substrate heating mechanism and the like can be simplified in structure, and the cost of the apparatus can be reduced.

【0023】よって、多結晶性を有するダイアモンド状
薄膜を形成する場合は、原料ガス中における炭素とフッ
素の化合物からなるガスの流量割合を50%以下とする
のが好ましい。50%より多くすると、膜のエッチング
反応が進み、成膜速度が遅くなる恐れがあるためであ
る。
Therefore, when forming a diamond-like thin film having polycrystallinity, it is preferable that the flow rate of the gas containing the compound of carbon and fluorine in the source gas is 50% or less. This is because if it is more than 50%, the etching reaction of the film may proceed and the film formation rate may be slowed.

【0024】一方、結晶性の低いダイアモンド状薄膜を
形成する場合は、原料ガス中における炭素とフッ素の化
合物からなるガスの流量割合を10%以下とするのが好
ましい。10%より多くすると、多結晶性を有するダイ
アモンド状薄膜が形成されやすくなる傾向があるからで
ある。
On the other hand, when forming a diamond-like thin film having low crystallinity, it is preferable that the flow rate of the gas containing the compound of carbon and fluorine in the source gas is 10% or less. This is because if it is more than 10%, a diamond-like thin film having polycrystallinity tends to be easily formed.

【0025】炭素とフッ素の化合物としては、活性フッ
素を供給できるものであれば特に限定されず、各種のフ
ッ化メタン類(4フッ化メタン等)やフッ化エチレン類
などを用いることができる。
The compound of carbon and fluorine is not particularly limited as long as it can supply active fluorine, and various fluorinated methanes (such as tetrafluoromethane) and fluorinated ethylenes can be used.

【0026】[0026]

【作用】本発明において使用するアーク放電プラズマ
は、従来のグロー放電型・ECR放電型のプラズマと比
較して、プラズマ密度が50〜100倍程度高く、ガス
の電離度は数十%となり、プラズマ中のイオン密度、電
子密度、中性活性種濃度も非常に高いプラズマを実現で
きる。このために供給された原料ガスの大部分は、薄膜
形成に寄与し、従来のp−CVD法では、数オングスト
ローム/秒程度の成膜速度であったものが、1桁以上改
善された10オングストローム/秒以上の成膜速度を容
易に実現できる。したがって本発明の方法によれば、従
来の方法と比較して、大面積の基体上に高品質なダイア
モンド状薄膜を高速に堆積することが可能になる。
The arc discharge plasma used in the present invention has a plasma density of about 50 to 100 times higher than that of the conventional glow discharge type / ECR discharge type plasma, and the ionization degree of gas is several tens of percent. Plasma with very high ion density, electron density, and neutral active species concentration can be realized. Most of the raw material gas supplied for this purpose contributes to thin film formation. In the conventional p-CVD method, the film forming rate was about several angstroms / sec. It is possible to easily realize a film forming rate of not less than / sec. Therefore, according to the method of the present invention, it becomes possible to deposit a high-quality diamond-like thin film on a large-area substrate at a high speed as compared with the conventional method.

【0027】さらにかかるアーク放電プラズマ中では、
プラズマ発生のために供給されている水素ガスの多く
は、反応性の高いイオン、中性活性状態や原子状態を取
っており、各種の薄膜の成長過程を制御することが可能
である。
Further, in such arc discharge plasma,
Most of the hydrogen gas supplied for generating plasma is in a highly reactive ion, neutral active state or atomic state, and it is possible to control the growth process of various thin films.

【0028】[0028]

【実施例】【Example】

[実施例1]以下、図1を参照しながら、本発明の実施
例を説明する。1は、プラズマを発生させるための第1
の真空室を、2は、原料ガスを供給し、第1の真空室か
ら導かれたプラズマ流により、励起・分解し薄膜を成膜
する第2の真空室を示す。また第1の真空室1と第2の
真空室2の間には、プラズマガン部分の交換作業を容易
にするための仕切バルブ10が設けられている。
[Embodiment 1] An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1 is a first for generating plasma
2 is a second vacuum chamber in which a raw material gas is supplied and a plasma flow introduced from the first vacuum chamber excites / decomposes the film to form a thin film. A partition valve 10 is provided between the first vacuum chamber 1 and the second vacuum chamber 2 for facilitating the replacement work of the plasma gun portion.

【0029】ダイアモンド状薄膜を成膜しようとする基
体3(本実施例ではガラス板)は、基体加熱用ヒーター
を内蔵した基体ホルダー4に設置されている。プラズマ
流5は、基体に平行に第1の真空室側から対向する陽極
7に向かって導かれており、本実施例においては、原料
ガスは、その原料ガスの流れ方向がプラズマ流に直交す
るように配置されたガス供給配管(不図示)から供給さ
れている。真空室の外側には、プラズマ流をシート状に
変形させるための磁石(不図示)が配置され、プラズマ
流を両側から押し潰す磁界を形成できるように構成して
いる。
The substrate 3 (glass plate in this embodiment) on which a diamond-like thin film is to be formed is placed on a substrate holder 4 having a heater for heating the substrate. The plasma flow 5 is guided parallel to the substrate from the first vacuum chamber side toward the facing anode 7, and in the present embodiment, the flow direction of the source gas is orthogonal to the plasma flow. Is supplied from a gas supply pipe (not shown) arranged in such a manner. A magnet (not shown) for deforming the plasma flow into a sheet shape is arranged outside the vacuum chamber so that a magnetic field for crushing the plasma flow from both sides can be formed.

【0030】第1の真空室側から、アルゴンガスと水素
ガスの1:1の混合ガスを70sccm流し、アーク放
電プラズマを発生させた。さらに真空室の外側に配置さ
れたコイルによる磁界および上述の磁石による磁界を用
いて、このプラズマ流を概略シート状に変形し第2の真
空室に導いた。プラズマ流安定後、原料ガス供給配管か
らメタンガスと四フッ化メタンガスを流量比66:33
で供給し成膜を行った。
From the first vacuum chamber side, a 1: 1 mixed gas of argon gas and hydrogen gas was flowed at 70 sccm to generate arc discharge plasma. Further, by using the magnetic field of the coil arranged outside the vacuum chamber and the magnetic field of the above-mentioned magnet, this plasma flow was transformed into a substantially sheet shape and introduced into the second vacuum chamber. After the plasma flow was stabilized, the flow rate ratio of methane gas and tetrafluoromethane gas was 66:33 from the source gas supply pipe.
To supply a film.

【0031】基体温度400℃、10分間の成膜後、基
体を取り出し、触針式膜厚計で膜厚を測定したところ、
600nmの膜が形成されていることが確認できた。ま
た同時にラマン分光法により分析を行ったところ、sp
3結合に起因すると考えられる非常に強い1333cm
-1のピークが観察されただけであり、多結晶性を有する
ダイアモンド状薄膜が形成されていることがわかった。
After film formation at a substrate temperature of 400 ° C. for 10 minutes, the substrate was taken out and the film thickness was measured with a stylus type film thickness meter.
It was confirmed that a 600 nm film was formed. At the same time, the analysis by Raman spectroscopy revealed that sp
Very strong 1333 cm that is thought to be due to 3 bonds
Only the -1 peak was observed, which indicated that a diamond-like thin film having polycrystallinity was formed.

【0032】[実施例2]次に原料ガス中の4フッ化メ
タンガスの流量割合のみを変化させ、その他の成膜条件
はすべて同じにして成膜を行った。いずれも多結晶性を
有するダイアモンド状薄膜が形成されていた。結果を表
1に示す。
[Example 2] Next, the film formation was performed under the same conditions except that the flow rate of the tetrafluoromethane gas in the raw material gas was changed. In each case, a diamond-like thin film having polycrystallinity was formed. The results are shown in Table 1.

【0033】[実施例3]実施例1と同様の装置を用い
て、同じ放電ガス組成で放電を行ったのち、原料ガス供
給配管から、メタンガスと四フッ化メタンガスを流量比
95:5で供給し、プラスチックフィルムに成膜を行っ
た。基体温度100℃、10分間の成膜後、基体を取り
出し、触針式膜厚計で膜厚を測定したところ、550n
mの膜が形成されていることが確認できた。
[Embodiment 3] The same apparatus as in Embodiment 1 was used to perform discharge with the same discharge gas composition, and then methane gas and methane tetrafluoride gas were supplied from the raw material gas supply pipe at a flow rate ratio of 95: 5. Then, a film was formed on the plastic film. After film formation at a substrate temperature of 100 ° C. for 10 minutes, the substrate was taken out and the film thickness was measured with a stylus type film thickness meter.
It was confirmed that a film of m was formed.

【0034】また同時にラマン分光法により分析を行っ
たところ、sp3結合に起因すると考えられる1333
cm-1を中心とする非常にブロードなピークが観察され
ただけであった。そこで、エネルギー損失分光法(EE
LS)により炭素(1s)内殻電子励起スペクトルの評
価を行ったところ、損失エネルギー280eVから30
0eV付近に比較的鈍い3つのピークが観察され、sp
2およびsp3結合が混在している結晶性の低いダイア
モンド状薄膜が形成されていたことが分かった。
At the same time, when analyzed by Raman spectroscopy, 1333, which is considered to be caused by sp3 bond
Only a very broad peak centered at cm -1 was observed. Therefore, energy loss spectroscopy (EE
When the carbon (1s) core electron excitation spectrum was evaluated by LS), the loss energy was 280 eV to 30
Three relatively dull peaks were observed near 0 eV, and sp
It was found that a diamond-like thin film with low crystallinity in which 2 and sp3 bonds were mixed was formed.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】[0036]

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の方法に
よれば、アーク放電プラズマを用い、気相中での原料ガ
スを反応性を高めた状態で基体上に薄膜を形成するよう
にしたことで、従来の方法と比較して、大面積の基体上
に均一な膜厚の高品質なダイアモンド状薄膜を高速にか
つ効率的に形成することが可能になる。
As described above, according to the method of the present invention, arc discharge plasma is used to form a thin film on a substrate with the reactivity of the source gas in the gas phase being enhanced. As a result, it becomes possible to form a high-quality diamond-like thin film with a uniform film thickness on a large-area substrate at high speed and efficiently as compared with the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の方法を行うための装置の一例の概略断
面図
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of an apparatus for performing the method of the present invention.

【図2】従来のプラズマCVD装置の概略断面図FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional plasma CVD apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:第1の真空室 2:第2の真空室 3:基体 4:基体ホルダー 5:プラズマ流 6:プラズマガン 7:陽極 10:仕切りバルブ 11:コイル 1: First vacuum chamber 2: Second vacuum chamber 3: Substrate 4: Substrate holder 5: Plasma flow 6: Plasma gun 7: Anode 10: Partition valve 11: Coil

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の真空室においてアーク放電プラズマ
を発生させ、該アーク放電プラズマを第2の真空室に導
き、第2の真空室において該アーク放電プラズマ中にダ
イアモンド状薄膜形成原料ガスを供給して該原料ガスを
励起、分解し、基体上にダイアモンド状薄膜を形成する
ことを特徴とするダイアモンド状薄膜の形成方法。
1. An arc discharge plasma is generated in a first vacuum chamber, the arc discharge plasma is guided to a second vacuum chamber, and a diamond-shaped thin film forming raw material gas is introduced into the arc discharge plasma in the second vacuum chamber. A method for forming a diamond-like thin film, which comprises supplying the raw material gas to excite and decompose it to form a diamond-like thin film on a substrate.
【請求項2】前記原料ガスが、炭素とフッ素の化合物か
らなるガスの少なくとも1種類を含むことを特徴とする
請求項1のダイアモンド状薄膜の形成方法。
2. The method for forming a diamond thin film according to claim 1, wherein the source gas contains at least one kind of gas composed of a compound of carbon and fluorine.
【請求項3】前記原料ガス中における炭素とフッ素の化
合物からなるガスの流量割合を50%以下として多結晶
性を有するダイアモンド状薄膜を形成することを特徴と
する請求項2のダイアモンド状薄膜の形成方法。
3. The diamond-like thin film according to claim 2, wherein a diamond-like thin film having a polycrystallinity is formed by setting a flow rate ratio of a gas containing a compound of carbon and fluorine in the raw material gas to 50% or less. Forming method.
【請求項4】前記原料ガス中における炭素とフッ素の化
合物からなるガスの流量割合を10%以下として結晶性
の低いダイアモンド状薄膜を形成することを特徴とする
請求項2のダイアモンド状薄膜の形成方法。
4. The diamond-like thin film according to claim 2, wherein the diamond-like thin film having low crystallinity is formed by setting the flow rate of the gas containing a compound of carbon and fluorine in the raw material gas to 10% or less. Method.
【請求項5】第1の真空室でプラズマを発生させるため
に用いる放電ガスが、水素ガスのみ、もしくは水素ガス
と希ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項1〜
4いずれか1項のダイヤモンド状薄膜の形成方法。
5. The discharge gas used for generating plasma in the first vacuum chamber is only hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen gas and rare gas.
4. The method for forming a diamond-like thin film according to any one of 4 above.
【請求項6】第1の真空室で発生したアーク放電プラズ
マをシート状に変形させた状態でダイアモンド状薄膜を
形成することを特徴とする請求項1〜5いずれか1項の
ダイヤモンド状薄膜の形成方法。
6. The diamond-shaped thin film according to claim 1, wherein the diamond-shaped thin film is formed in a state in which the arc discharge plasma generated in the first vacuum chamber is deformed into a sheet shape. Forming method.
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