JP4510186B2

JP4510186B2 - カーボン薄膜製造方法

Info

Publication number: JP4510186B2
Application number: JP27379099A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 佳宏山本; 正人木内
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: JP2001098358A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカーボン薄膜の技術分野にかかり、特に高硬度のカーボン薄膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、カーボン薄膜は四配位であり、ダイヤモンド構造に類似した構造となり、硬度が高いことから保護膜や潤滑膜等に使用されている。
【０００３】
図２の符号１０２は、カーボン薄膜を形成するための従来技術の成膜装置である。この成膜装置１０２は、真空槽１１０と、プラズマ生成部１１４と、導波管１３１と、マイクロ波発生器１３２とを有している。
【０００４】
プラズマ生成部１１４は管状であり、その一端は真空槽１１０に接続され、他端部分はセラミックス窓１１５を介して導波管１３１の一端に接続されている。導波管１３１の他端はマイクロ波発生器１３２に接続されており、マイクロ波発生器１３２が出力するマイクロ波は、セラミックス膜１１５を介して導波管１３１からプラズマ生成部１１４内に伝達され、真空槽１１０内に導かれるように構成されている。
【０００５】
真空槽１１０内部には、ホルダ１１７とヒータ１１８とが配置されており、真空槽１１０壁面には、取り出し窓１１３が設けられている。
【０００６】
この成膜装置１０２を使用する場合、取り出し窓１１３を開けて成膜対象の試料を真空槽１１０内に搬入し、試料台１１７上に載置し、取り出し窓１１３を閉じる。
【０００７】
真空槽１１０には、真空排気系１２１とガス導入系１２２とが接続されており、真空排気系１２１を動作させ、真空槽１１０内部を真空排気すると、真空槽１１０とプラズマ生成部１１４内が真空状態になる。プラズマ生成部１１４と導波管１１４とはセラミックス窓１１５で仕切られているため、プラズマ生成部１１４内が真空雰囲気になっても導波管１３１内は大気圧である。
【０００８】
真空排気によって真空槽１１０内が１０^-6Torr以下の圧力に到達した後、マイクロ波発振器１３２を起動しマイクロ波をプラズマ生成部１１４内に導入する。
【０００９】
このとき、ガス導入系１２２を操作し、プラズマ生成部１２２内にカーボン薄膜の原料ガスを導入すると原料ガスが電離し、プラズマが生成される。
【００１０】
プラズマ生成部１１４の近傍には、ソレノイドコイル１０５が配置されており、プラズマを生成する際にソレノイドコイル１０５に通電しておき、プラズマ生成部１１４の内部と真空槽１１０の内部に磁界を形成しておく。
【００１１】
原料ガスのプラズマは、その磁界によってホルダ１１７上の試料１１９表面に導かれ、試料１１９上にカーボン薄膜が形成される。
【００１２】
上記のような成膜装置１０２では、原料ガスとしてメタン等の有機化合物ガスが用いられており、そのため、カーボン薄膜形成中に膜中に水素原子が混入してしまう。
【００１３】
そこで上記成膜装置１０２では、カーボン薄膜の形成を、ヒータ１１８によって試料１１９を加熱しながら行っており、カーボン薄膜を加熱することで膜中に混入した水素原子を真空槽１１０内に放出させ、真空排気系１２１によって排出するようにしている。
【００１４】
しかしながら上記従来技術の成膜装置１０２では、カーボン薄膜中に取り込まれる水素原子の量が多いため、加熱によって放出させても、水素原子がカーボン薄膜中に残存してしまい、その結果、カーボン薄膜の硬度が低下してしまうという問題があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、高硬度のカーボン薄膜を形成できる技術を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、カーボン薄膜製造方法であって、水素原子数よりも炭素原子数の方が多い有機化合物をカーボン薄膜の原料とし、該カーボン薄膜の原料を溶媒に溶解させて液体原料とし、該液体原料の蒸気を生成し、該蒸気を電離した後、成膜対象物が配置された真空槽内に放出し、前記カーボン薄膜の原料を前記成膜対処物の表面に付着させ、カーボン薄膜を形成し、前記溶媒に揮発性のアルコールを用い、前記有機化合物として下記化学式(１)に示す構造のＣ₂₄Ｈ₁₂を用いることを特徴とする。
【００１７】
【化４】

【００１８】
一般に、カーボン薄膜の原料には、炭素原子と水素原子で構成される気体状の原料ガスが用いられているが、従来の原料では、炭素原子の数よりも水素原子の数の方が多く、カーボン膜中に水素原子が混入する原因となっていた。
【００１９】
有機化合物は、水素原子数に比べて炭素原子数が多くなると、気体ではなく液体又は固体になる。そこで本発明では、カーボン薄膜を形成するために、水素原子と炭素原子で構成された有機化合物を溶媒に溶解させ、その蒸気を真空雰囲気中で電離して成膜対象物表面に到達させ、カーボン薄膜を形成している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号２は本発明の一例の成膜装置であり、真空槽１０と、プラズマ生成部１４と、原料容器２０とを有している。
【００２１】
プラズマ生成部１４は管状になっており、その一端は真空槽１０内部に気密に導入され、他端はバルブ１５を介して原料容器２０に接続されている。
真空槽１０壁面には取り出し窓１３が設けられており、真空槽１０内部には、ホルダ１７とヒータ１８とが配置されている。
【００２２】
この成膜装置２を用いてカーボン薄膜を形成する場合、取り出し窓１３を開け、成膜対象物を真空槽１０内に搬入し、ホルダ１７上に載置する。符号１９は、その成膜対象物を示している。
【００２３】
真空槽１０壁面には、真空排気系２１が接続されており、取り出し窓１３を閉じ、真空排気系２１を起動し、真空槽１０内部を真空排気する。このとき、真空槽１０内部を真空排気しながらヒータ1８に通電し、成膜対象物１９を予め所定温度に昇温させておく。
【００２４】
原料容器４内には、カーボン薄膜の液体原料５が充填されている。この液体原料５は、アルコール等の揮発性の溶媒と、該溶媒中に溶解された有機化合物(カーボン薄膜の原料)とで構成されている。ここでは有機化合物として、下記化学式(１)で示されるコロネン(Coronene:Hexabenzobenzene Ｃ₂₄Ｈ₁₂ , mp 438〜440℃ , bp 525℃)がカーボン薄膜の原料である有機化合物として用いられている。溶媒には、メチルアルコールが用いられている。
【００２５】
【化５】

【００２６】
原料容器４にはヒータ９が配置されており、予めヒータ９に通電し、原料容器４を加熱し、液体原料５を昇温させておく。真空槽１０内が１０^-6Torr以下の圧力まで到達した後、バルブ１５を開けると、液体原料５の蒸気をプラズマ生成部１４内に導入する。
【００２７】
プラズマ生成部１４内には針状の電極７が配置されている。この電極７は真空槽１０やプラズマ生成部１４とは電気的に絶縁されており、真空槽１０外に配置された直流電圧源８に接続されている。
【００２８】
真空槽１０やプラズマ生成部１４は接地電位に置かれており、直流電圧源８によって、電極７には、接地電位に対して正電圧を印加できるように構成されている。
【００２９】
この電極７に予め高電圧が印加し、電極７周辺に強電界を形成しておく。プラズマ生成部４内に導入された原料蒸気が電極７に到達すると、その強電界によって原料蒸気中に含まれる溶媒と、該溶媒中に溶解された有機物質が電離される。コロネンはＣ₂₄Ｈ₁₂ ⁺の正イオンとなる。
【００３０】
プラズマ生成部１４内部では圧力差が生じており、プラズマ生成部４内で電離した溶媒とコロネンは、プラズマ生成部１４の真空槽１０側の先端部に向けて移動する。
【００３１】
プラズマ生成部１４の先端部分には、ノズル部６が設けられ、真空槽１０内部に配置されている。該ノズル部６は、くびれと開口部分とから成っている。開口部分はラッパ状に広げられており、ホルダ１７(成膜対象物１９)に向けられている。
【００３２】
溶媒及び電離されたコロネンがノズル部６から真空槽１０内に放出されると、溶媒は揮発し、真空槽１０内を拡散するため、真空排気系２１によって真空槽１０外に排出される。
【００３３】
他方、コロネン等の有機化合物は分子量が大きいため、そのイオンがノズル部６から真空槽内に放出されると成膜対象物１９に向けて直進し、成膜対象物１９表面に付着する。成膜対象物１９は加熱されており、付着したコロネンによってカーボン薄膜が形成される。
【００３４】
特にコロネンの場合、１分子中には炭素原子が２４個含まれるのに対し、水素原子は１２個しか含まれておらず、水素原子に比べて炭素原子が非常に多くなっている。従って、コロネンによってカーボン薄膜を形成した場合、膜中に混入する水素原子は非常に少なくなる。
【００３５】
更に、成膜対象物１９はヒータ１８によって加熱されているため、コロネンによってカーボン薄膜が形成される際に水素原子は薄膜中から除去される。
【００３６】
なお、以上は有機化合物としてコロネンを用いた。コロネンは、炭素原子と水素原子から成る有機化合物であって、炭素原子数の方が水素原子数よりも多い。
【００３７】
また、溶媒はメチルアルコールに限定されるものではなく、揮発性があり、カーボン薄膜の原料となる有機化合物を溶解させることができればよい。また、溶媒は、不純物を発生させないために、炭素原子と水素原子で構成されるものが望ましい。
【００３８】
【発明の効果】
水素原子の含有量が少ないカーボン薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカーボン薄膜の成膜装置の一例
【図２】従来技術のカーボン薄膜の成膜装置
【符号の説明】
２……成膜装置４……原料容器５……液体原料７……電極１０……真空槽

Claims

水素原子数よりも炭素原子数の方が多い有機化合物をカーボン薄膜の原料とし、
該カーボン薄膜の原料を溶媒に溶解させて液体原料とし、
該液体原料の蒸気を生成し、
該蒸気を電離した後、成膜対象物が配置された真空槽内に放出し、
前記カーボン薄膜の原料を前記成膜対処物の表面に付着させ、カーボン薄膜を形成し、
前記溶媒に揮発性のアルコールを用い、前記有機化合物として下記化学式(１)に示す構造のＣ₂₄Ｈ₁₂を用いることを特徴とするカーボン薄膜製造方法。