(57)【要約】【課題】対象物を加熱したり、対象物表面へ下地層を形成したりすることなく、低コストで炭素系膜を形成することが可能な炭素系膜の形成装置および形成方法の提供。【解決手段】炭素を含むガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ生成部５によりプラズマ化し、このプラズマから引出電極７ａ，７ｂによりイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを対象物Ｘ上へ照射することにより、対象物Ｘ表面の改質とこの対象物表面への炭素系膜の形成とを同時に行う。【選択図】図１
2008050670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含むガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
このプラズマ生成部内のプラズマからイオンビームを引き出して加速する引出電極と、
この引出電極から引き出されたイオンビームを照射することにより炭素系膜を形成する対象物を保持するホルダと
を有する炭素系膜の形成装置。
【請求項２】
前記引出電極から引き出されたイオンビームおよび対象物表面のいずれかまたは両方を電気的に中和する中和器を有する請求項１記載の炭素系膜の形成装置。
【請求項３】
前記炭素を含むガスに不活性ガスまたは窒素ガスを混合して前記プラズマ生成部内に供給する流路を有する請求項１または２に記載の炭素系膜の形成装置。
【請求項４】
前記炭素を含むガスと不活性ガスまたは窒素ガスとの混合比を調整する混合比調整手段を有する請求項３記載の炭素系膜の形成装置。
【請求項５】
炭素を含むガスをプラズマ化すること、
このプラズマからイオンビームを引き出して加速すること、
この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面に炭素系膜を形成すること
を含む炭素系膜の形成方法。
【請求項６】
炭素を含むガスと不活性ガスまたは窒素ガスとの混合ガスをプラズマ化すること、
このプラズマからイオンビームを引き出して加速すること、
この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面の改質とこの対象物表面への炭素系膜の形成とを同時に行うこと
を含む炭素系膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、ＣＮ膜や、ダイヤモンド、グラファイトまたはアモルファスその他の炭素膜等の炭素系膜を形成する炭素系膜の形成装置および形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＬＣ膜を形成する方法の一つとして、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。図７は従来のプラズマＣＶＤ装置の模式図である。図７に示すプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ１００内に互いに離間させて電極１０１，１０２を配置し、一方の電極１０１に高周波電源１０３を接続したものである。このプラズマＣＶＤ装置では、高周波電源１０３が接続された電極１０１にＤＬＣ膜を形成する基板１０４が配設される。
【０００３】
チャンバ内にアルゴンガスとメタンガスとを導入し、電極１０１に高周波電力を印加して、基板１０１にセルフバイアスが掛かるようにすると、発生した炭素を含むイオンが加速されて基板１０１をたたく。基板１０１上に薄い膜が形成されると、この膜は炭素を含むイオンがたたく衝撃によって高圧状態となり、ダイヤモンドの小さな種が形成され、このイオン衝撃が繰り返されることにより、ダイヤモンド状の炭素膜すなわちＤＬＣ膜が形成される。
【０００４】
ところで、イオン源から引き出されたイオンビームを対象物に照射して対象物表面を微細加工するイオンミリング装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。図８は従来のイオンミリング装置の模式図である。図８に示すように、このイオンミリング装置は、幅広のイオンビームを引き出すイオン源２００と、対象物２０１の保持および冷却を行うホルダ２０２と、対象物２０１およびホルダ２０２を収納する真空容器２０３と、この真空容器２０３内を真空にするための真空ポンプ２０４と、イオンビームを電気的に中和するための熱電子を供給する中性化フィラメント２０５とから構成される。
【０００５】
このイオンミリング装置では、イオン源２００を構成する容器２０６に設けられているガス導入口２０７から導入されるアルゴンガス２０８は、容器２０６の壁面で形成されるアノード２０９とカソード２１０との間に直流電流を印加することによって電離してプラズマを容器２０６内に形成し、多数の小孔を設けた引出電極２１１，２１２によってプラズマをイオンビームとして引き出し、真空容器２０３内に導く。真空容器２０３内に導かれたイオンビームは、中性化用フィラメント２０５からの熱電子により電気的に中和され、回転しているホルダ２０２に固定された対象物２０１に照射され、対象物２０１を微細加工する。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−２６１１４３号公報
【特許文献２】特公平６−２４１１１号公報
【非特許文献１】斎藤秀俊監修、大竹尚登、中東孝浩編，ＤＬＣ膜ハンドブック，エヌ・ティー・エス，２００６年６月，ページｐ．８０−９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のように、従来プラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を形成することが可能であるが、ＤＬＣ膜は密着度が弱いため、良質なＤＬＣ膜を形成するには基板表面を加熱したり、基板表面に下地となる層を形成したりすることが必要となる。従来のプラズマＣＶＤ法では、ＤＬＣ膜を形成するために基板を加熱処理している。すなわち、従来のプラズマＣＶＤ法では、ＤＬＣ膜を形成するために大きなエネルギが必要となる。また、大面積の対象物上にＤＬＣ膜を形成するには、大面積の対象物の全体を加熱するために、大きな加熱装置が必要となってしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明においては、対象物を加熱したり、対象物表面へ下地層を形成したりすることなく、低コストで炭素系膜を形成することが可能な炭素系膜の形成装置および形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の炭素系膜の形成装置は、炭素を含むガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部内のプラズマからイオンビームを引き出して加速する引出電極と、この引出電極から引き出されたイオンビームを照射することにより炭素系膜を形成する対象物を保持するホルダとを有するものである。
【００１０】
本発明の炭素系膜の形成装置では、炭素を含むガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを対象物に照射する。このようにプラズマから高エネルギの炭素を含むイオンを取り出し、対象物上に衝突させることにより、対象物上に炭素系膜を形成することができる。
【００１１】
また、本発明の炭素系膜の形成装置は、引出電極から引き出されたイオンビームおよび対象物表面のいずれかまたは両方を電気的に中和する中和器を有するものであることが望ましい。これにより、炭素を含むイオンを電気的に中和し、高エネルギを持った中性粒子として対象物上に照射し、この中性粒子により成膜させることができるので、対象物が絶縁体であっても炭素系膜を形成することが可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の炭素系膜の形成装置は、炭素を含むガスに不活性ガス（希ガス）または窒素ガスを混合してプラズマ生成部内に供給する流路を有するものであることが望ましい。この構成では、炭素を含むガスおよび不活性ガスまたは窒素ガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを対象物に照射する。これにより、不活性ガスのイオンにより対象物表面をスパッタリングして改質しながら、炭素を含むイオンまたは電気的に中和した中性粒子により炭素系膜を形成することができる。一方、窒素ガスを混合した場合には、窒素ガスがプラズマ化され、このプラズマから高エネルギの窒素を含むイオンが取り出され、この窒素を含むイオンまたは電気的に中和された中性粒子が対象物上に衝突するので、ＣＮ膜等の窒素を含む炭素系膜を形成することが可能となる。
【００１３】
ここで、本発明の炭素系膜の形成装置は、炭素を含むガスと不活性ガスまたは窒素ガスとの混合比を調整する混合比調整手段を有するものであることが望ましい。この構成によれば、混合比調整手段により炭素を含むガスと不活性ガスまたは窒素ガスとの混合比を調整することで、対象物表面の改質の度合いと炭素系膜の膜厚とを任意に調整することができ、炭素系膜の膜質を変化させることができる。
【００１４】
本発明の炭素系膜の形成方法は、炭素を含むガスをプラズマ化すること、このプラズマからイオンビームを引き出して加速すること、この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面に炭素系膜を形成することを含む。本発明によれば、プラズマから高エネルギの炭素を含むイオンを取り出し、対象物上に衝突させることにより、対象物上に炭素系膜を形成することができる。
【００１５】
本発明の炭素系膜の形成方法は、炭素を含むガスと不活性ガスまたは窒素ガスとの混合ガスをプラズマ化すること、このプラズマからイオンビームを引き出して加速すること、この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面の改質とこの対象物表面への炭素系膜の形成とを同時に行うことを含む。本発明によれば、不活性ガスのイオンにより対象物表面をスパッタリングして改質しながら、炭素を含むイオンまたは電気的に中和した中性粒子により炭素系膜を形成することができる。一方、窒素ガスを混合した場合には、窒素ガスがプラズマ化され、このプラズマから高エネルギの窒素を含むイオンが取り出され、この窒素を含むイオンまたは電気的に中和された中性粒子が対象物上に衝突するので、ＣＮ膜等の窒素を含む炭素系膜を形成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
（１）炭素を含むガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面に炭素系膜を形成する構成によって、プラズマから高エネルギの炭素を含むイオンを取り出し、対象物上に衝突させることにより、従来のプラズマＣＶＤ法のように対象物を加熱したり、対象物表面へ下地層を形成したりすることなく、低コストで炭素系膜を形成することが可能となる。
【００１７】
（２）引出電極から引き出されたイオンビームおよび対象物表面のいずれかまたは両方を電気的に中和する中和器を有する構成により、炭素を含むイオンを電気的に中和し、高エネルギを持った中性粒子として対象物上に照射し、この中性粒子により成膜させることができるので、対象物が絶縁体であっても炭素系膜を形成することが可能となる。
【００１８】
（３）炭素を含むガスと不活性ガスとの混合ガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物表面の改質とこの対象物表面への炭素系膜の形成とを同時に行う構成によって、一つの装置により、不活性ガスのイオン衝撃により対象物表面をスパッタリングして改質しながら、炭素を含むイオンまたは電気的に中和した中性粒子により炭素系膜を形成することが可能となる。また、不活性ガスのイオン衝撃によって、炭素系膜中への水素混入が軽減されるうえ、緻密な構造の膜を形成することが可能となる。
【００１９】
（４）炭素を含むガスと窒素ガスとの混合ガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを照射することにより、ＣＮ膜等の窒素を含む炭素系膜を形成することが可能となる。
【００２０】
（５）炭素を含むガスと不活性ガスとの混合比を調整する混合比調整手段を有する構成により、混合比調整手段により炭素を含むガスと不活性ガスとの混合比を調整することで、対象物表面の改質の度合いと炭素系膜の膜厚とを任意に調整して、任意の膜質の炭素系膜を形成することが可能となる。また、炭素を含むガスと窒素ガスとの混合比を調整すれば、任意の膜質のＣＮ膜等の窒素を含む炭素系膜を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の実施の形態における炭素系膜としてのＤＬＣを形成するＤＬＣ膜形成装置の概略構成図、図２は図１の真空容器内のシャッタを開いた状態を示す図、図３はＤＬＣ成膜の様子を示すイメージ図、図４は高エネルギを持ったメタンの中性粒子が対象物へ衝突する様子を示すイメージ図である。
【００２２】
図１において、本発明の実施の形態におけるＤＬＣ膜形成装置は、真空容器１内にＤＬＣを形成する対象物Ｘを保持するホルダ２と、ＤＬＣの原料となる炭素を含むガスとしてのメタン（ＣＨ4）ガスを供給する第１のガス供給路３と、対象物Ｘの表面を改質するための不活性ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを供給する第２のガス供給路４と、第１および第２のガス供給路３，４から供給されるガスをプラズマ化するプラズマ生成部５と、第１および第２のガス供給路３，４を集合してメタンガスにアルゴンガスを混合してプラズマ生成部５内に供給する流路６とを有する。
【００２３】
また、このＤＬＣ膜形成装置は、プラズマ生成部５内のプラズマからイオンビームを引き出して加速する引出電極７ａ，７ｂと、引出電極７ａ，７ｂから引き出されたイオンビームおよび対象物表面を電気的に中和する中和器としてのニュートラライザ８と、対象物Ｘへのイオンビームの照射を遮蔽するシャッタ９と、真空容器１内を真空引きするためのターボポンプ１０およびロータリポンプ１１と、ロータリポンプ１１による排気を制御する排気制御装置１２と、イオン源電源１３と、排気制御装置１２やイオン源電源１３等を自動制御する自動制御装置１４とを有する。
【００２４】
ホルダ２は、当該ホルダ２上に保持する各対象物Ｘをそれぞれ回転させる（各対象物Ｘの自転）とともに当該ホルダ２自身が回転（各対象物Ｘの公転）可能となっている。また、ホルダ２は、当該ホルダ２自身の回転軸に対して傾斜させて設けられている。第１および第２のガス供給路３，４には、それぞれメタンガスとアルゴンガスとの混合比を調整するための混合比調整手段としての流量調整弁３ａ，４ａが設けられている。流量調整弁３ａ，４ａは、自動制御装置１４により自動制御される。
【００２５】
プラズマ生成部５、熱電子衝撃型イオン源である。プラズマ生成部５は、磁石５ａ、フィラメント５ｂおよびアノード５ｃを有する。図３に示すように、プラズマ生成部５では、フィラメント５ｂから放出された熱電子５０がアノード５ｃに到達する間に流路６から供給されたメタン分子およびアルゴン分子と衝突し、プラズマを生成する。そして、多数の小孔が設けられた引出電極７ａ，７ｂによって、このプラズマはイオンビームとして引き出され、加速される。
【００２６】
なお、引出電極７ａはイオンビームの加速用電極、引出電極７ｂは減速用電極であり、それぞれの引出電極７ａ，７ｂの電圧を制御することで、イオンビームの加速度合いを調整する。引出電極７ａ，７ｂによって引き出され、加速されたイオンビームは、ニュートラライザ８から供給される熱電子５１によって電気的に中和され、ホルダ２上の対象物Ｘへと照射される。
【００２７】
上記構成のＤＬＣ膜形成装置では、図２に示すように真空容器１内のシャッタ９を開き、ターボポンプ１０およびロータリポンプ１１により真空容器１内を１０-5Ｐａ以下まで真空引きする。次に、流路６からメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスをプラズマ生成部５内へ供給し、プラズマを発生させる。
【００２８】
そして、引出電極７ａ，７ｂによりこのプラズマからイオンビームを引き出して加速し、ニュートラライザ８により電気的に中和し、高エネルギを持った中性粒子としてホルダ２上の対象物Ｘへと照射する。これにより、対象部Ｘ上では、アルゴンガスのイオン衝撃により表面がスパッタリングされて改質されながら、高エネルギを持ったメタンの中性粒子の衝撃によりＤＬＣ膜５２（図３参照。）が形成される。
【００２９】
このとき、図４に示すように、高エネルギを持ったメタンの中性粒子は、対象物Ｘに衝突した際、この衝突のエネルギにより水素が離散し、炭素のみが対象物Ｘの表面に付着し、ＤＬＣ膜５２を形成する。なお、ＤＬＣ膜５２を形成する場合のメタンの中性粒子のエネルギは、１００〜３００ｅＶであることが好ましい。１００ｅＶ未満の場合には衝突のエネルギが不足し、３００ｅＶ超ではスパッタリングが支配的となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態におけるＤＬＣ膜形成装置では、メタンガスとアルゴンガスとの混合ガスをプラズマ化し、このプラズマからイオンビームを引き出して加速し、この引き出されたイオンビームを照射することにより対象物Ｘ表面の改質とこの対象物Ｘ表面へのＤＬＣ膜の形成とを同時に行うことができる。すなわち、本実施形態におけるＤＬＣ膜形成装置では、一つの装置により、アルゴンガスのイオン衝撃により対象物Ｘ表面をスパッタリングして改質しながら、炭素を含むイオンを電気的に中和した中性粒子によりＤＬＣ膜を形成することが可能である。また、このＤＬＣ膜形成装置では、アルゴンガスのイオン衝撃によって、ＤＬＣ膜中への水素混入が軽減されるうえ、緻密な構造の膜を形成することが可能である。
【００３１】
また、本実施形態におけるＤＬＣ膜形成装置では、プラズマから高エネルギの炭素を含むイオンを取り出し、これを電気的に中和した中性粒子を対象物Ｘ上に衝突させることにより、従来のプラズマＣＶＤ法のように対象物Ｘを加熱することなく、対象物Ｘ上にＤＬＣ膜を形成することができるので、低コストでＤＬＣ膜を形成することが可能である。
【００３２】
また、このＤＬＣ膜形成装置では、引出電極７ａ，７ｂから引き出されたイオンビームをニュートラライザ８により電気的に中和し、高エネルギを持った中性粒子として対象物Ｘ上に照射し、成膜させるので、対象物Ｘが絶縁体であってもＤＬＣ膜を形成することが可能である。
【００３３】
また、このＤＬＣ膜形成装置では、流量調整弁３ａ，４ａによりメタンガスとアルゴンガスとの混合比を調整することで、対象物Ｘ表面の改質の度合いとＤＬＣ膜の膜厚とを任意に調整して、任意の膜質のＤＬＣ膜を形成することが可能である。図５は所定のメタンガスとアルゴンとの混合比における成膜時間とＤＬＣ膜厚との関係を示している。また、図６はメタンガスとアルゴンガスとの混合比とＤＬＣ膜厚との関係を示している。
【００３４】
図５に示すように、アルゴンガスの混合量が多い程、同じ膜厚を得るまでの成膜時間は長くなる。また、図６に示すように、メタンガスとアルゴンガスとを混合する場合には、ＣＨ4／Ａｒ＝６０％以上としなければＤＬＣ膜は形成されない。
【００３５】
なお、本実施形態においては、ＤＬＣ膜を形成する原料としてメタンガスを用いた例について説明したが、メタンガス以外の炭素を含むガスとして、例えば、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガスやプロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス等を用いることも可能である。また、アルゴンガスに代えて他のヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスを用いることも可能である。また、メタンガスと窒素（Ｎ）ガスとの混合ガスを用いれば、ＣＮ膜を形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、対象物表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、ＣＮ膜や、ダイヤモンド、グラファイトまたはアモルファスその他の炭素膜等の炭素系膜を形成する炭素系膜の形成装置および形成方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態における炭素系膜としてのＤＬＣを形成するＤＬＣ膜形成装置の概略構成図である。
【図２】図１の真空容器内のシャッタを開いた状態を示す図である。
【図３】ＤＬＣ成膜の様子を示すイメージ図である。
【図４】高エネルギを持ったメタンの中性粒子が対象物へ衝突する様子を示すイメージ図である。
【図５】所定のメタンガスとアルゴンとの混合比における成膜時間とＤＬＣ膜厚との関係を示す図である。
【図６】メタンガスとアルゴンガスとの混合比とＤＬＣ膜厚との関係を示す図である。
【図７】従来のプラズマＣＶＤ装置の模式図である。
【図８】従来のイオンミリング装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  真空容器
２  ホルダ
３，４  ガス供給路
３ａ，４ａ  流量調整弁
５  プラズマ生成部
５ａ  磁石
５ｂ  フィラメント
５ｃ  アノード
６  流路
７ａ，７ｂ  引出電極
８  ニュートラライザ
９  シャッタ
１０  ターボポンプ
１１  ロータリポンプ
１２  排気制御装置
１３  イオン源電源
１４  自動制御装置
５０，５１  熱電子
５２  ＤＬＣ膜
【図１】
2008050670.tif 000003
【図２】
2008050670.tif 000004
【図３】
2008050670.tif 000005
【図４】
2008050670.tif 000006
【図５】
2008050670.tif 000007
【図６】
2008050670.tif 000008
【図７】
2008050670.tif 000009
【図８】
2008050670.tif 000010