JP3236848B2

JP3236848B2 - 電気部品

Info

Publication number: JP3236848B2
Application number: JP2000129916A
Authority: JP
Inventors: 健二伊藤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JP2000336480A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学的エネルギバン
ド巾が1.0eV 以上特に1.5 〜5.5eV を有する炭素または
炭素を主成とする被膜を電気用部材の被形成面上にコー
ティングすることにより、これら固体の表面の補強材、
または機械ストレスに対する保護材を得ようとする複合
体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素膜のコーティングに関しては、本発
明人の出願になる特許願「炭素被膜を有する複合体及び
その作製方法」（特願昭56-146930 号昭和56年 9月17日
出願）が知られている。また炭素膜は耐摩耗材であると
同時に高平滑性、高熱伝導性等多くの特性を有してお
り、電気部品その他に応用が期待されている。

【０００３】被形成面上にダイヤモンド類似の硬さを有
するアモルファス（非晶質）または5 〜200 Åの大きさ
の微結晶性を有するセミアモルファス( 半非晶質) 構造
を有する炭素または炭素を主成分とする被膜を形成する
場合、被形成面を有する基板を設けた高周波印加電極の
近傍において、プラズマ中の電子が高周波印加電極に蓄
積されることによって生じるセルフバイアスにより加速
された正イオン( 例えばH ⁺) を、形成中の炭素または
炭素を主成分とする被膜に衝突させることにより、その
炭素または炭素を主成分とする被膜をより硬度の大き
な、ダイヤモンドに近い構造を持った炭素膜を作ること
を行なってきた。これは正イオンを衝突させることでＣ
＝Ｃのような二重結合を有する炭素の割合を減らしてＣ
−Ｃの結合をゆうする炭素を増やしたり、あるいは炭素
原子に結合している水素原子をなくすことにより sp²混
成軌道をもついわゆる三方炭素やsp混成軌道をもついわ
ゆる二方炭素を無くし sp³混成軌道をもったいわゆる四
方炭素の割合を増やすことによりダイヤモンド結合を生
じやすくするためである。従ってより硬度の大きい炭素
または炭素を主成分とする被膜を作成しようとするとき
は、電極間に発生するセルフバイアスを大きくして正イ
オンの加速を大きくしなければならない。このセルフバ
イアスを増加させるために行われている方法としては、
先ず第１に反応圧力を減少させる方法がある。これは炭
素または炭素を主成分とする被膜形成に使用する炭化水
素化物気体の圧力を減少させることにより単位体積中に
含まれる炭化水素化物気体分子の個数が減少するため、
相対的に気体を分解するために加えられている高周波エ
ネルギの出力が大きくなりプラズマ中の電子が増大して
高周波印加電極に蓄積されるためセルフバイアスが増大
するということに基づくものである。

【０００４】また、高周波エネルギの出力を増大させる
方法があるが、これは上述した如く、気体を分解するエ
ネルギが増大するとプラズマ中の電子が増大するため
に、高周波印加電極への電子の蓄積が増大してセルフバ
イアスが大きくなることによるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法により被形成面上に硬度の大きい炭素または炭
素を主成分とする被膜を形成しようとした場合、セルフ
バイアスを大きくすることにより成膜することになるた
め、大きなセルフバイアスで加速された大きな運動エネ
ルギを持った正イオンが成膜中の炭素または炭素を主成
分とする被膜に衝突すると同時に形成面にも衝突してし
まい被形成面をスパッタしてしまう結果硬度の大きな炭
素または炭素を主成分とする被膜を被形成面に損傷を与
えることなく形成することは困難であった。また硬度の
大きな膜は被形成面や炭素または炭素を主成分とする被
膜自体の膨張、収縮または応力等のために被形成面との
整合性が悪く剥離や脱離をおこしてしまい密着性の悪い
ものであった。

【０００６】本発明は上記のような問題点を解決し光学
的エネルギバンド巾（Egという）が1.0eV 以上、好まし
くは1.5 〜5.5eV を有し、硬度がビッカース硬度におい
て2000Kg/mm² 以上、好ましくは4500Kg/mm²以上、理想
的には6500Kg/mm²というダイヤモンドに類似の絶縁性と
硬さを有するアモルファスまたは5 〜200 Åの大きさの
微結晶性を有するアモルファス( 半非晶質) 構造を有す
る炭素またはこの炭素中に水素、ハロゲン元素が25原子
％以下またはIII 価またはＶ価の不純物が５原子％以
下、また窒素がN/C ≦0.05の濃度に添加されたいわゆる
炭素を主成分とする炭素を被形成面上に、密着性良くま
た被形成面に対して整合性良く設けることを目的として
成されたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために第１の電極と被形成面を有する基板に接し
て設けられた第２の電極との間に直流または高周波エネ
ルギを加えて、発生させたプラズマにより炭化水素化物
気体とまたはこれに加えて添加物気体とを分解反応せし
めて上記被形成面上に炭素または炭素を主成分とする被
膜を形成する方法において、炭素または炭素を主成分と
する被膜形成の際、反応圧力を減少させるあるいは高周
波エネルギを増加させるまたは添加物気体の添加量を変
化させる若しくはそれらの条件を複数併用することによ
り形成される炭素または炭素を主成分とする被膜の硬度
を被形成面側より表面に向かって増加させることとした
ものである。

【０００８】即ち本発明は被形成面上に炭素または炭素
を主成分とする被膜をコーティングし、その表面での耐
摩耗性等の機械的強度を補強しようというものであり、
そのためのダイヤモンド類似の硬さを有した炭素または
炭素を主成分とする被膜を被形成面上に直接形成させる
のではなく、被形成面に密接する部分から徐々に硬度を
上げてゆき、所望の膜厚のときに所望の硬度の炭素また
は炭素を主成分とする被膜が得られるように反応圧力を
減少あるいは高周波エネルギを増加または添加物気体の
添加量を変化させることに特徴を有する。

【０００９】被形成面上に直接ダイヤモンド類似の硬さ
を有した膜を形成させようとするとセルフバイアスを大
きくして炭素または炭素を主成分とする被膜を形成させ
ることを行わなければならず、被形成面へのスパッタは
避けることはできないが、被形成面上に密接した炭素ま
たは炭素を主成分とする被膜は、被形成面に損傷を与え
ない程度のセルフバイアスで作り得る硬さの炭素または
炭素を主成分とする被膜にしておき、徐々に硬度を上げ
た膜を積層させて、表面には所望の硬度を有した炭素ま
たは炭素を主成分とする被膜を形成すれば、被形成面と
の密接性も良くしかも大きな硬度を有した炭素または炭
素を主成分とする被膜を形成することができる。

【００１０】この場合、図６(A) に示すように硬度の小
さい膜から硬度の大きい膜を何層かに別けて積層する方
法と、図６(B) に示すように硬度を連続的に変えて、単
層の中で硬度が連続的に変化した炭素または炭素を主成
分とする被膜を形成させる方法とがある。また本発明に
おいてセルフバイアスを大きくする方法としては反応圧
力を減少させる方法、高周波エネルギを増加させる方
法、添加物気体の添加量を変化させる方法及び上記３つ
の方法を２つまたは３つ組あわせる方法がある。

【００１１】本発明に用いられる被形成面としては、Ｐ
ＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＳ、ＰＭＭ
Ａ、テフロン（登録商標）、エポキシ、ポリイミド等の
有機樹脂基体または金属メッシュ状キャリア、紙等テー
プ状キャリア、ガラス、金属、セラミック、半導体、磁
気ヘッド用部材、磁気ディスク等がある。以下に実施例
と共に本発明を具体的に説明する。

【００１２】

【実施例】〔実施例１〕図１は本発明の炭素または炭素
を主成分とする被膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装
置の概要を示す。図面において、ドーピング系(1) にお
いて、キャリアガスである水素を(2) より、反応性気体
である炭化水素気体例えばメタン、エチレンを(3) よ
り、III 価不純物のジボラン（水素希釈）(4) 、Ｖ価不
純物のアンモニアまたはフォスヒンを(5) よりバルブ
(6) 、流量計(7) をへて反応系(8) 中にノズル(9) より
導入される。このノズルに至る前に、反応性気体の励起
用にマイクロ波エネルギを(10)で加えて予め活性化させ
ることは有効である。

【００１３】反応系(8) には第１の電極(11)、第２の電
極(12)を設けた。この場合（第１の電極面積／第２の電
極面積）＜１の条件を満たすようにした。一対の電極(1
1)、(12)間には高周波電源(13)、マッチングトランス(1
4)、直流バイアス電源(15)より電気エネルギが加えら
れ、プラズマが発生する。排気系(16)は圧力調整バルブ
(17)、ターボ分子ポンプ(18)、ロータリーポンプ(19)を
へて不要気体を排気する。反応性気体には、反応空間
(20)における圧力が0.001 〜10torr代表的には0.01〜0.
5torr の下で高周波もしくは直流によるエネルギにより
0.1 〜5KW のエネルギが加えられる。特に励起源が 1GH
_Z以上、例えば2.45GH_Zの周波数にあっては、C-H 結合
より水素を分離し、さらに周波数源が0.1 〜50MH_Z例え
ば13.56MHzの周波数にあってはC-C 結合、C=C 結合を分
解し、-C-C- 結合を作り、炭素の不対結合手同志を互い
に衝突させて共有結合させ、安定なダイヤモンド構造を
局部的に有した構造とさせ得る。

【００１４】直流バイアスは-200〜600V( 実質的には-4
00〜+400V)を加える。なぜなら、直流バイアスが零のと
きは自己バイアスが-200V(第２の電極を接地レベルとし
て）を有しているためである。反応性気体は、水素で一
部を希釈した。例えばメタン：水素＝１：１とした。第
１の電極は冷却手段を有しており、被形成面上の温度を
250 〜-100℃に保持させた。

【００１５】本発明では被形成面をカソード電極に置い
た。これは被形成面をアノード側に置いたときとカソー
ド側に置いたときとの形成された炭素膜の膜質を比較し
た場合図２に示すようにカソード側に被形成面を置いた
ときの方が硬度の大きな炭素膜が速い成膜速度で得られ
るからである。尚、図２中の○は触針式表面粗さ計、◇
はエリプソメーターで測定した膜厚、△はエリプソメー
ターによる膜の屈折率を示す。また実験条件は、高周波
エネルギー６０Ｗ、圧力0.015torr メタンの流量 100S
CCM 、基板温度を室温、成膜時間 180分で行った。

【００１６】以上のようにしてプラズマにより被形成面
上にビッカース硬度2000Kg/mm²以上を有するとともに、
熱伝導度2.5W/cm deg 以上のC-C 結合を多数形成したア
モルファス構造または微結晶構造を有するアモルファス
構造の炭素を生成させた。さらにこの電磁エネルギは50
W 〜1KW を供給し、単位面積あたり0.03〜3W/cm²のプラ
ズマエネルギを加えた。

【００１７】図３には本発明に用いる装置において加え
る高周波エネルギーを変えて炭素膜を形成させたときの
成膜速度と膜のビッカース硬度を示した。加える高周波
エネルギーが大きい程、硬い膜が形成される。図４に
は、反応圧力を変化させて炭素膜を形成させたときの成
膜速度と膜のビッカース硬度とを示した。反応圧力が小
さい程、硬い膜が形成されている。図５は加える高周波
エネルギーと反応圧力及びセルフバイアスとの関係を示
したものである。高周波エネルギーが大きい程セルフバ
イアスが大きくなり、また反応圧力は小さい方がセルフ
バイアスが大きくなる。この図５と図３及び図４とによ
りセルフバイアスが大きい程形成された炭素膜も硬いも
のが得られることがわかる。

【００１８】図１に示した装置において、被形成面を有
した基板上に本発明方法により炭素膜を形成しした。
先ず反応系にノズルより水素の添加されたメタンを１０
０SCCMの流量で導入し、圧力を0.03torrに保持し、メタ
ンに対し５０Ｗの高周波エネルギを加え、セルフバイア
ス−１５０Ｖの条件で室温に保持されたSi基板上に１５
０分間膜形成を行い、第１の層を形成した。次にノズル
より水素の添加されたメタンを１００SCCMの流量で導入
し、圧力を0.015 torrに保持してメタンに対し１００Ｗ
の高周波エネルギを加え、セルフバイアス−２００Ｖの
条件で被形成面を１５０℃に保持して１５０分間膜形成
を行い第２の層とした。そして第２の層上にノズルより
水素の添加されたメタンを１００SCCMの流量で導入し、
反応系を0/015 torrに保持してメタンに対し２００Ｗの
高周波エネルギを加え、セルフバイアス−２８０Ｖの条
件で被形成面を室温に保持して６０分間膜形成を行い第
３の層とした。これら３つの層のビッカース硬度を測定
したところ第１の層は２２００Kg/mm²、第２の層は３５
００Kg/mm²、第３の層は４２００Kg/mm²、でありダイヤ
モンド類似の硬さを表面に有した炭素膜を被形成面との
密着性を良く形成させることができた。

【００１９】〔実施例２〕被形成面を有する基板の置か
れた反応系に水素の添加されたメタンを１００SCCMの流
量で導入し、圧力を0.03torrに保持し、メタンに対し５
０Ｗの高周波エネルギを加え、１５０分間膜形成を行
い、第１の層を形成した。次に第１の層の上に、メタン
に対する高周波エネルギが１５０Ｗである以外は第１の
層と同じ条件で実施し第２の層を形成した。そして第２
の層上に、高周波エネルギを３００Ｗにして６０分間成
膜する以外は第１の層と同一条件で実施した。その結
果、２２００Kg/mm²、３８００Kg/mm²、５０００Kg/m
m²、のビッカース硬度を有する第１の層、第２の層、第
３の層からなる炭素膜を形成させることができた。この
炭素膜は表面の硬度が５０００Kg/mm²とダイヤモンド類
似の硬さを有し、耐摩耗性、高熱伝導性、高平滑性に優
れたものであった。

【００２０】本実施例においては高周波エネルギの出力
のみを増加させることにより炭素膜の硬度を大きくした
が、反応圧力のみを減少させても同様な効果が得られる
ことは前述した通りである。また本実施例では各炭素膜
の層を一つの反応室を用いて作成したが、反応室を複数
接続させることにより各層をそれぞれ異なる反応室で形
成させても良い。

【００２１】〔実施例３〕本実施例においては、被形成
面上に硬度の異なる層を積層させるのではなく、高周波
エネルギを連続的に増加させることにより硬度が連続的
に変化している炭素膜を形成させた。先ず、実施例１の
第１の層を形成させるのと同一の条件で膜形成を開始
し、その後高周波エネルギを0.７〜２W/min の上昇率で
３００Ｗになるまで増加させることにより被形成面上に
炭素膜を形成させた。形成させた炭素膜は、表面におい
て４０００Kg/mm²のビッカース硬度を有する、耐摩耗
性、高熱伝導性、高平滑性に優れたものであった。

【００２２】本実施例では高周波エネルギのみを連続的
に大きくさせたが、反応圧力のみを連続的に減少させて
も良く、また高周波エネルギを連続的に大きくさせると
共に反応圧力を連続的に減少させても良い。また反応性
気体に添加する添加物の量を連続的に変化させても良
く、添加物の変化と高周波エネルギの増加若しくは反応
圧力の減少とを組み合わせても本発明の方法を実施する
ことはできる。

【００２３】〔実施例４〕本実施例は、被形成面上に炭
素膜を形成する前に、プラズマ活性にした不活性気体ま
たは水素の雰囲気に被形成面を配設することにより被形
成面の酸化物、炭化物または窒化物等の汚染物または異
物を除去した後に炭素膜を形成させた。不活性気体また
は水素をプラズマ化するための手段は、0.1 〜100MH_Z
の高周波や1 〜10GH_Zのマイクロ波を用い、加えるエネ
ルギーは10〜1000W で十分である。プラズマ化に際して
の反応系の圧力は10^-3torr以上、代表的には0.01〜200t
orr 好ましくは1 〜10torrである。以上のような条件の
下で不活性気体または水素をプラズマ活性にし、その活
性化した水素または不活性気体により被形成面上の酸化
物、汚物、水酸化物、さらにまたはこれらの局部性によ
る表面張力、物理吸着力を除去した。このような処理を
した後被形成面上に実施例１、実施例２若しくは実施例
３に従って炭素膜を形成した。得られた炭素膜は被形成
面との密着性に優れたものであった。

【００２４】

【発明の効果】以上の如く本発明の方法により作製した
炭素または炭素を主成分とする被膜は被形成面上に密接
した炭素または炭素を主成分とする被膜は、被形成面に
損傷を与えない程度のセルフバイアスで作り得る硬さの
炭素または炭素を主成分とする被膜にしておき、徐々に
硬度を上げた膜を積層させて、表面には所望の硬度を有
した炭素または炭素を主成分とする被膜を形成している
ため、被形成面との密着性に優れたダイヤモンドに類似
の硬さを有するものであり、磁気ヘッドや磁気ディスク
等一部に異種材料がその表面を摺動する電気用部材にき
わめて有効であった。

【００２５】特に得られる炭素または炭素を主成分とす
る被膜は熱伝導率が2.5W/cm deg 以上、代表的には4.0
〜6.0W/cm deg とダイヤモンドの60W/cm deg に近いた
め摩擦によって生じる熱を全体に均一に逃すことが可能
であり、更に耐摩耗性、高熱伝導性、炭素膜特有の高平
滑性等の特性を有するものであった。

【００２６】また本発明の方法は、有機樹脂、ガラス、
磁性体、金属、セラミックまたは半導体等を被形成面と
して実施することができるため、その反応は計り知れな
いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用する装置の概要を示す図。

【図２】炭素膜の膜質を示す図。

【図３】高周波エネルギの出力と成膜速度及びビッカ
ース硬度を示す図。

【図４】反応圧力と成膜速度及びビッカース硬度を示
す図。

【図５】高周波エネルギと反応圧力及びセルフバイア
スとの関係を示した図。

【図６】炭素膜の膜厚と硬度の関係を示す図。

【符号の説明】１・・・ドーピング系６・・・バルブ７・・・流量計８・・・反応系９・・・ノズル１０・・・マイクロ波エネルギ１１・・・第１の電極１２・・・第２の電極１３・・・高周波電源１４・・・マッチングトランス１５・・・直流バイアス電源１６・・・排気系１７・・・圧力調整バルブ１８・・・ターボ分子ポンプ１９・・・ロータリーポンプ２０・・・反応空間

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素または炭素を主成分とする被膜を表面
に設けた電気部品であって、前記炭素または炭素を主成分とする被膜は、該被膜の表
面に向かって連続的に硬度が増加し、且つ、前記表面が
ダイヤモンド類似の硬さであり、前記炭素または炭素を主成分とする被膜の、前記電気部
品の表面に接する面は、プラズマＣＶＤ法を用いてセル
フバイアスの絶対値を１５０Ｖ以下にして形成されたこ
とを特徴とする電気部品。
【請求項２】炭素または炭素を主成分とする被膜を表面
に設けた電気部品であって、前記炭素または炭素を主成分とする被膜は、該被膜の表
面に向かって段階的に硬度が増加し、且つ、前記表面が
ダイヤモンド類似の硬さであり、前記炭素または炭素を主成分とする被膜の、前記電気部
品の表面に接する面は、プラズマＣＶＤ法を用いてセル
フバイアスの絶対値を１５０Ｖ以下にして形成されたこ
とを特徴とする電気部品。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記炭
素または炭素を主成分とする被膜は、アモルファス構造
の被膜であることを特徴とする電気部品。
【請求項４】請求項１または請求項２において、前記炭
素または炭素を主成分とする被膜は、０．５〜２０ｎｍ
の微結晶を含む被膜であることを特徴とする電気部品。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか一におい
て、前記炭素または炭素を主成分とする被膜は、ビッカ
ース硬度が２０００Ｋｇ／ｍｍ²以上であることを特徴
とする電気部品。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれか一におい
て、前記炭素または炭素を主成分とする被膜は、窒素を
窒素／炭素≦０．０５の濃度で含むことを特徴とする電
気部品。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれか一におい
て、前記電気部品は、磁気ヘッドであることを特徴とす
る電気部品。
【請求項８】請求項１乃至請求項６のいずれか一におい
て、前記電気部品は、磁気ディスクであることを特徴と
する電気部品。