平成 28 年 1 月 12 日

平成２７年度共用促進事業施設利用成果報告書
報告者組織・部署名
茨城大学工学部
1) 利用課題番号
YU15022) 利用課題名： DLC 膜の物性における装置規模の影響評価
3) 利用者名
利用課題責任者：茨城大学

尾関和秀4)利用分野：ナノ材料開発分野、学術・量子ビーム解析
5)

利用期間：2015 年 8 月 19 日～2016 年 1 月 6 日
2015 年 8 月 19 日（1 日間）RBS/ERDA 同時測定（１MV タンデトロン加速器）
2015 年 10 月 5～6 日（2 日間）高分解能イオン散乱測定（高分解能イオン散乱装置）
2015 年 10 月 20 日（1 日間）高分解能イオン散乱測定（高分解能イオン散乱装置）
2016年1月5-6日（2日間）陽電子消滅測定（放射性同位元素利用実験）

6)

利用の目的・内容

DLC 膜は sp3 炭素、sp2 炭素、未終端炭素、水素終端炭素、遊離水素同位体等から構成され、成膜方法やその条件により物性（硬度、潤滑性、耐摩耗性）が大きく変化する。また、近年では膜内に存在する欠陥が物性に大きく影響することも報告されている。産業応用では、通常、実験的に小型装置で DLC 膜を試作し、これを大型装置で展開することが一般的である。しかし、装置を大型化するほど、小型装置での作製条件とは異なってくるのが一般的で、現状では、これらの成膜条件の修正は、経験や勘に頼っており、DLC 膜の産業応用の大きな足かせとなっている。この点について、これまで系統的な研究がほとんどされていないため、装置規模が DLC 膜の構造や組成にどのような影響を与えるかほとんど明らかになっていない。このような現状の中、装置規模の異なる装置を使用し、膜を詳細に分析することで得られる情報は、産業にとっても大きな意味があると考える。

7)

成果の概要

本実験では、小型と大型の異なる２種類の成膜装置で、DLC 膜を Si 基板上に作製した。
成膜条件は、２機種共通の条件として、放電電力 500W、放電圧力 0.15、0.5、1.0Pa、原料ガスはメタンガスとし、膜厚は 200nm とした。装置規模は、チャンバーサイズの順に A 号機（700×700×700mm）、B 号機（φ1500×3000mm）と呼ぶことにする。
図１(a)、(b)に代表的な RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy)スペクトル及びERDA(Elastic Recoil Detection Analysis)スペクトルを示す。ここでは１MV タンデトロン
加速器からの 2.5MeV ４He++イオンビームを斜入射（15 度）し、後方 150 度で散乱された粒子のエネルギー解析した結果を RBS スペクトルとし、前方 30 度方向に反跳された水素粒子のエネルギー解析した結果を ERDA スペクトルとした。散乱（反跳）粒子のエネルギー解析には表面障壁型半導体検出器を用い、ERDA スペクトルの測定では、検出器前方には薄膜フィルターを用いて入射イオンの前方散乱成分を除去している。RBS スペクトル(a)では、115～200ch 付近で炭素原子のスペクトルが認められ、ERDA スペクトル(b)では 280～450ch 付
近で水素原子のスペクトルが認められた。全てのサンプルにおいて、同様の傾向が認められたことから、不純物のない DLC 膜が作製されたと考えられる。
図２には各装置で作製した DLC 膜中の水素量の分析結果を示す。図より、低圧力下では水素量はほぼ同じであるが、圧力の増大と伴に B 号機の水素量が増大し、A 号機との水素量との差が増大している。これは、チャンバー容量の大きい B 号機の方が基板上でのプラズマ密度が下がるため、DLC 中の含有水素量が増大したと考えられる。
図３には、陽電子消滅法で測定した各圧力条件で成膜した膜の S 値(Shape parameter: 陽電子と対消滅する電子の運動量が小さいほど大きな値を持ち、消滅 γ 線エネルギースペクトルの尖鋭度を示す)を示す。即ち、一般に S 値が大きいほど、空孔型の欠陥の割合が多いことを示している。A 号機では成膜圧力に対する S 値の変動はほとんど認められないのに対し、B 号機では S 値が大きく変動しており、0.5Pa で増大、1Pa で減少している。1Pa での S値の減少は上述したように、チャンバー容量の増大によりプラズマ密度が低下し、欠陥が減少したことが起因すると考えられるが、0.5Pa での S 値の増大は水素量の増大によるものなのか、その他の原因があるのか明らかではない。
70(a)

2000
1500

Yield of Recoils (count)

Yield of RBS (count)

2500

C

1000
500
0H60(b)504030201000200
400
Channel Number (ch)図１：

6000200

400
600
Channel Number (ch)(a)RBS スペクトル及び(b)ERDA スペクトル（A 号機 0.15Pa）

800

55

水素量(at.%)

50A号機

45B号機

403530252000.2

0.40.60.8

11.2

圧力(Pa)

図２：

各機器で作製した DLC 膜中の水素量の原料ガス圧力依存性0.504

S parameter

0.503
0.502
0.5010.500

A号機

0.499

B号機

0.498
00.2

0.40.60.8

11.2

圧力(Pa)
図３：

各機器で作製した DLC 膜のＳ値の原料ガス圧力依存性

図４には、高分解能イオン散乱法を用いて得られたスペクトルを示す。サンプルは A 号機 0.15Pa で、Si｛100｝基板上に作製した膜厚 5nm の DLC 膜である。この実験では、600keVHe+イオンをサンプル表面に 45 度の＜110＞軸方向に沿って入射し、散乱角 110 度へ散乱された He+を測定した。図より、DLC の構成成分である C と基板の成分である O と Si 原子が観測されていることがわかる。このスペクトルから、深さ方向の分布を算出した結果を図５に示す。図より C 原子が Si 基板内部にまで侵入し、DLC 界面で Si、C、O のミキシング層を形成していることがわかる。この傾向は、全てのサンプルで認められ、各装置での違いは認められなかった。

2500
Si

Yield (counts)

2000
1500
C1000

O

5000200

図４：

250

300
350
Energy (keV)

400450A 号機(0.15Pa)で作製した 5nm 厚の DLC 膜の高分解能イオン散乱スペクトル

1Atomic ratio

0.8

Si

0.6

O
0.4C

0.2
0050

100150200

Depth from the surface (Ǻ)
図５：A 号機(0.15Pa)で作製した 5nm 厚の DLC 膜構成原子の深さ分布2508)

本研究の波及効果など

本実験結果から、DLC 成膜における装置規模が、膜性状に与える影響が大きいことが明らかになった。特に水素量への影響は大きく、大型装置の方が水素量が増大する傾向が認められた。小型の試験装置から大型の生産装置に移行する際に、配慮すべき点であることが示された。また、膜の欠陥については、装置規模の影響だけで議論することが難しく、更なる実験を進める必要があると考えられる。成膜装置を変更することで起こる DLC 膜の性状の変化に関して、水素量で確認することが出来た点は、今後の産業応用の上で有用な情報となったと考えられる。