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JP2539990B2 - Method for forming titanium compound film - Google Patents
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JP2539990B2 - Method for forming titanium compound film - Google Patents

Method for forming titanium compound film

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JP2539990B2
JP2539990B2 JP4107420A JP10742092A JP2539990B2 JP 2539990 B2 JP2539990 B2 JP 2539990B2 JP 4107420 A JP4107420 A JP 4107420A JP 10742092 A JP10742092 A JP 10742092A JP 2539990 B2 JP2539990 B2 JP 2539990B2
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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、プラズマCVD法によ
りチタン化合物被膜を形成する方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a titanium compound coating film by a plasma CVD method.

【0002】[0002]

【従来の技術】各種の低温プラズマを用いた被膜の形成
方法、例えばイオンプレ―ティング法等の物理的気相成
長法(PVD法)では、化学的気相成長法(CVD法)
と比較して低温においてチタン化合物被膜などのセラミ
ック薄膜を形成することが可能である。しかしながら、
PVD法では立体形状基材に対する被膜の付き回り性が
低いという問題があった。特に、大型の複雑立体形状基
材では前記付き回り性の低下が顕著となるため、実質的
にPVD法を適用することは困難であった。
2. Description of the Related Art In a film forming method using various low temperature plasmas, for example, a physical vapor deposition method (PVD method) such as an ion plating method, a chemical vapor deposition method (CVD method) is used.
It is possible to form a ceramic thin film such as a titanium compound film at a low temperature as compared with the above. However,
The PVD method has a problem that the covering power of the coating film on the three-dimensional base material is low. In particular, in the case of a large-sized complex three-dimensionally shaped substrate, the throwing power is markedly reduced, so that it is practically difficult to apply the PVD method.

【0003】そこで、CVD法の良好な付き回り性とP
VD法の低温での薄膜形成という両者の長所を兼ね備え
たプラズマCVD法が開発されつつある。このプラズマ
CVD法は、原料ガスの化学反応に必要な熱エネルギ―
の一部又は全部をプラズマによる電気エネルギ―で代替
することによって低温での薄膜形成を可能としたもので
ある。かかるプラズマCVD法では、真空チャンバ内の
原料ガスをノズルを通して供給し、前記チャンバ内に配
置した立体形状基材に直流または高周波を印加してグロ
ー放電を起こさせてプラズマを発生させる。この時、前
記チャンバ内に供給された原料ガスはプラズマ中を通過
する際にイオン、ラジカル、原子、分子などの活性な励
起種となる。これらの励起種は、低温で反応が進行する
ため、前記立体形状基材上に低温で薄膜を形成すること
が可能となると考えられる。従って、プラズマCVD法
では立体基体上に付き回り性が良好な薄膜を低温で形成
することが可能となる。
Therefore, the good throwing power of the CVD method and P
A plasma CVD method which has both advantages of forming a thin film at a low temperature in the VD method is being developed. This plasma CVD method uses the thermal energy required for the chemical reaction of the source gas.
It is possible to form a thin film at low temperature by substituting a part or all of the above with electric energy by plasma. In such a plasma CVD method, a raw material gas in a vacuum chamber is supplied through a nozzle, and direct current or high frequency is applied to a three-dimensional base material arranged in the chamber to cause glow discharge to generate plasma. At this time, the source gas supplied into the chamber becomes active excited species such as ions, radicals, atoms and molecules when passing through the plasma. It is considered that these excited species are capable of forming a thin film on the three-dimensionally shaped substrate at a low temperature because the reaction proceeds at a low temperature. Therefore, the plasma CVD method can form a thin film having good throwing power on a three-dimensional substrate at a low temperature.

【0004】ところで、従来、プラズマCVD法により
窒化チタン被膜や炭化チタン被膜などのチタン化合物被
膜を形成するには、多くの成膜パラメータを変化させて
成膜実験を行い、形成された被膜の特性を調査すること
によって最適な成膜条件を設定するという経験的な手法
が採用されていた。
By the way, conventionally, in order to form a titanium compound film such as a titanium nitride film or a titanium carbide film by a plasma CVD method, a film forming experiment was conducted by changing many film forming parameters, and the characteristics of the formed film were The empirical method of setting the optimum film-forming conditions by investigating is adopted.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記調
査は膨大な実験を行う必要があり、多くの時間、費用、
努力を要する。さらに、最適な成膜条件は各種の要因に
より大きく変動する。例えば、成膜反応槽内の圧力、プ
ラズマへの供給電力、プラズマの発生方式、原料ガスの
混合比、原料ガス種、原料ガスを供給するノズルの形
状、原料ガスの流速、、反応槽の形状や材質、成膜する
基材の形状や材質、基材の温度など、多くの要因により
大きく変動する。したがって、あるプラズマCVD装置
によりある条件下によりある基材に対して求められた最
適成膜条件も、基材の形状や材質が変われば変化する。
しかも、装置が異なれば例え制御可能な成膜パラメータ
各種を先に求められた条件と同一に制御したとしても必
ずしも同一ではない。その結果、新たに最適成膜条件の
調査を実施する必要が生じる。また、同一の装置で同一
の成膜条件になるように被膜の形成を繰り返したとして
も、各種成膜パラメータの再現性が常に得られるとは限
らず、時間や成膜回数と共に徐々に成膜状態が変化する
ことが見受けられる。これらのことは、プラズマCVD
法による被膜形成の制御性、再現性を著しく低下させ、
さらにプラズマCVD法の応用、発展を妨げている。
However, the above-mentioned research requires a large amount of experiments, which requires a lot of time, cost, and cost.
It takes effort. Furthermore, the optimum film forming conditions vary greatly due to various factors. For example, the pressure in the film formation reaction tank, the power supplied to the plasma, the plasma generation method, the raw material gas mixing ratio, the raw material gas species, the shape of the nozzle for supplying the raw material gas, the speed of the raw material gas, the shape of the reaction tank. And material, the shape and material of the substrate on which the film is formed, the temperature of the substrate, and the like, which greatly vary. Therefore, the optimum film forming condition obtained for a certain base material under a certain condition by a certain plasma CVD apparatus also changes if the shape or material of the base material changes.
In addition, if the apparatus is different, various controllable film forming parameters are not necessarily the same even if they are controlled to be the same as the previously obtained conditions. As a result, it becomes necessary to newly investigate the optimum film forming conditions. Even if the film formation is repeated in the same apparatus under the same film forming conditions, the reproducibility of various film forming parameters is not always obtained. It can be seen that the state changes. These are plasma CVD
Controllability and reproducibility of film formation by the
Further, it impedes the application and development of the plasma CVD method.

【0006】本発明は、前記従来の問題点を解決するた
めになされたもので、最適なプラズマCVD成膜条件を
容易に見い出す方法を開発することにより、被膜形成の
容易性、応用性、さらに制御性、再現性を高めたプラズ
マCVD法によるチタン化合物被膜の形成方法を提供し
ようとするものである。
The present invention was made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and by developing a method for easily finding the optimum plasma CVD film forming conditions, the easiness of film formation, applicability, and further An object of the present invention is to provide a method for forming a titanium compound coating film by a plasma CVD method with improved controllability and reproducibility.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマCV
D法により基板上にチタン化合物被膜を形成する方法に
おいて、予め前記基板表面近傍またはプラズマ空間にお
けるTi+ イオンの発光強度のプラズマCVD成膜条件
依存性を測定し、前記Ti+ イオンの発光強度が直線的
に増加する際に直線性から外れ始める点(以下、折曲点
と称す)を求め、前記折曲点に基づいて前記プラズマC
VD法の最適成膜条件を設定することを特徴とするチタ
ン化合物被膜の形成方法である。
The present invention is a plasma CV.
A method of forming a titanium compound film on a substrate by Process D, is measured a plasma CVD film forming condition dependence of the emission intensity of Ti + ions in advance the substrate surface near or plasma space, emission intensity of the Ti + ions Point that starts to deviate from the linearity when increasing linearly ( hereinafter, the bending point
Is called ) and the plasma C is calculated based on the bending point.
It is a method of forming a titanium compound film, which is characterized by setting optimum film forming conditions of the VD method.

【0008】[0008]

【作用】本発明者らは、以下に説明する知見により簡単
な手法で最適なプラズマCVD成膜条件を容易に見い出
し、プラズマCVD法によりチタン化合物被膜を容易に
制御性よく、さらに再現性よく形成できる方法を発明し
た。
The inventors of the present invention can easily find the optimum plasma CVD film forming conditions by a simple method based on the knowledge described below, and easily form a titanium compound film by the plasma CVD method with good controllability and reproducibility. Invented a possible method.

【0009】すなわち、本発明者らはプラズマ診断によ
る直流グロー放電または高周波グロー放電を用いたプラ
ズマCVD法によるチタン化合物被膜の形成機構の研究
および成膜特性の各種成膜パラメータ依存性の研究を行
った。その結果、プラズマ空間、特に基材表面近傍のシ
ース部においてチタン源の原料ガスが分解、イオン化さ
れて形成されたTi+ イオンは、成膜反応過程において
重要な役割を果たすプラズマ種であることが明らかにな
った。チタン源の原料ガス、例えば四塩化チタンガスは
プラズマ中かで容易に分解されてTi原子になり、さら
にイオン化される。また、一般にプラズマCVD法にお
いて用いられるプラズマのエネルギー状態は、各種のP
VD法におけるそれよりも低く、多くのチタン原子は2
価、3価にまでイオン化されことはなく、大半は1価の
Ti+ イオンとなる。これが成膜反応仮定に重要な役割
を果たすものと考えられる。そして、形成される化合物
ごとにそれぞれ活性なプラズマ種が存在し、その両者が
被膜の前駆体分子またはイオンを形成し、前記前駆体が
基板表面において被膜形成反応を行うものと推定され
る。さらに、最適な前駆体形成状態を生成することがで
きるプラズマCVD成膜条件は、最適なチタン化合物被
膜を形成し得る成膜条件であると推定される。
That is, the inventors of the present invention conducted a research on the formation mechanism of a titanium compound film by a plasma CVD method using a direct current glow discharge or a high frequency glow discharge by plasma diagnosis, and a study on the dependence of various film formation characteristics on various film formation parameters. It was As a result, Ti + formed by decomposing and ionizing the source gas of the titanium source in the plasma space, especially in the sheath portion near the surface of the substrate It has been revealed that ions are plasma species that play an important role in the film formation reaction process. The raw material gas of the titanium source, for example, titanium tetrachloride gas, is easily decomposed in plasma to become Ti atoms and further ionized. Further, the energy state of plasma generally used in the plasma CVD method is various P
Lower than that in the VD method, many titanium atoms are 2
Is not ionized up to trivalent and trivalent, most of which is monovalent Ti + Become an ion. It is considered that this plays an important role in the assumption of the film formation reaction. It is presumed that active plasma species are present in each of the formed compounds, both of which form precursor molecules or ions of the coating film, and the precursors carry out the coating film forming reaction on the substrate surface. Furthermore, the plasma CVD film forming conditions capable of producing the optimum precursor formation state are presumed to be the film forming conditions capable of forming the optimum titanium compound film.

【0010】また、最適な前駆体形成状態は、特に基材
表面近傍のプラズマ空間に存在するTi+ イオンと目的
とする化合物とにおいて各々の存在する活性なプラズマ
種の各々の形成量、つまり密度が適正化された状態であ
ると考えられる。しかも、成膜状態を制御することが可
能な各種成膜パラメータを変化させると、それらのプラ
ズマ種の密度が変化するため、結果として成膜特性が変
化する。特に、形成される化合物の原料になるプラズマ
種の密度が過剰になると、前駆体形成状態が急激に悪化
し、その結果均一気相反応による微粉末形成が起こり、
それが被膜に付着し、被膜の耐食性が非常に劣化する
等、被膜特性に悪影響を及ぼす。さらに、被膜の付き回
り性が非常に低下する。
The optimum precursor formation state is Ti + which exists in the plasma space particularly near the surface of the substrate. It is considered that the formation amount of each active plasma species existing in each of the ions and the target compound, that is, the density is optimized. Moreover, when various film forming parameters capable of controlling the film forming state are changed, the densities of those plasma species are changed, and as a result, the film forming characteristics are changed. In particular, when the density of the plasma species used as the raw material of the compound to be formed becomes excessive, the state of precursor formation rapidly deteriorates, resulting in the formation of fine powder due to a uniform gas phase reaction,
It adheres to the coating, and the corrosion resistance of the coating is greatly deteriorated, which adversely affects the characteristics of the coating. Furthermore, the throwing power of the coating is greatly reduced.

【0011】ところが、種々のパラメータを変化させて
成膜した被膜の特性を検討し、成膜特性の結果を各種成
膜パラメータにより規定して分類すると、最も優れた成
膜条件領域は優れた被膜が形成される成膜条件領域内の
中でも特に均一気相反応による微粉末を発生する好まし
くない成膜条件領域との境界線近傍に存在することが明
らかになった。
However, when the characteristics of the film formed by changing various parameters are examined and the results of the film forming characteristics are defined by various film forming parameters and classified, the most excellent film forming condition region is the excellent film. It has been clarified that, among the film forming condition regions in which the film is formed, it exists particularly near the boundary line with the unfavorable film forming condition region where fine powder is generated by the uniform gas phase reaction.

【0012】このようなことから、Ti+ イオンの発光
強度のある成膜パラメータ依存性を測定すると、最適成
膜条件領域と好ましくない成膜条件領域の境界線におい
て、Ti+ イオンの発光強度が直線的に増加する際に直
線性から外れ始める点(折曲点)が見出され、この折曲
に基づいてプラズマCVD法の最も優れた成膜条件を
見出すことができた。さらに、各成膜パラメータを順次
変化させ、同様な測定を行うことにより、最も優れた成
膜条件領域を推測することが可能となった。
From the above, when the dependence of the emission intensity of Ti + ions on the film formation parameter is measured, the emission intensity of Ti + ions is found to be at the boundary between the optimum film formation condition region and the undesirable film formation condition region. that starts to deviate from linearity (Orikyokuten) is found when the linearly increasing, the folding
Based on the points , it was possible to find the most excellent film forming condition of the plasma CVD method. Furthermore, it was possible to estimate the most excellent film forming condition region by sequentially changing each film forming parameter and performing the same measurement.

【0013】プラズマCVD法による成膜条件に関与す
る多くの要因の中で、使用される装置自体に関与するも
のと、その装置を用いた制御に関する要因、つまり成膜
パラメータとに分けることができる。ある装置を用いた
場合には、主に後者の成膜パラメータを最適化する必要
がある。一般に、プラズマCVD法による成膜におい
て、制御可能な成膜パラメータとしてはプラズマへの供
給電力、反応槽の圧力、各原料ガスの流量、成膜時の基
材温度等である。
Of the many factors involved in the film formation conditions by the plasma CVD method, the factors related to the apparatus itself used and the factors related to the control using the apparatus, that is, the film formation parameters can be divided. . When a certain device is used, it is mainly necessary to optimize the latter film forming parameter. Generally, in the film formation by the plasma CVD method, controllable film formation parameters are power supply to plasma, pressure of reaction tank, flow rate of each source gas, substrate temperature during film formation, and the like.

【0014】所定のプラズマCVD装置を用い、所定の
形状の基材に対してチタン化合物被膜を形成するものと
する。この時、最も成膜特性に影響を与える2種の成膜
パラメータA、Bを選択し、それ以外の成膜パラメータ
を固定し、さらに成膜パラメータAをある値に固定し、
成膜パラメータBを変化させ、その際のTi+ イオンの
発光強度の折曲点を前述した方法により求める。そし
て、さらに成膜パラメータAを順次変化させてその際の
Ti+ イオンの発光強度の前記成膜パラメータ依存性を
測定し、各条件下における折曲点を測定することによっ
て、成膜パラメータA、Bで規定された、最適成膜条件
と好ましくない成膜条件領域との境界線を見出だすこと
ができる。その結果、最も優れた成膜条件領域を予め求
めることができる。また、前記条件下において予備測定
に用いた基材と同様な基材に目的とするチタン化合物被
膜の形成を行うことにより優れたと特性を有する被膜を
前記基材に良好な付き回り性で形成することが可能にな
る。
A titanium compound film is formed on a base material having a predetermined shape by using a predetermined plasma CVD apparatus. At this time, two kinds of film forming parameters A and B that most affect the film forming characteristics are selected, other film forming parameters are fixed, and further the film forming parameter A is fixed to a certain value.
The film formation parameter B is changed, and the bending point of the emission intensity of Ti + ions at that time is obtained by the method described above. Then, by further changing the film formation parameter A, the dependence of the emission intensity of Ti + ions at that time on the film formation parameter is measured, and the bending point under each condition is measured. It is possible to find the boundary line between the optimum film forming condition and the undesirable film forming condition region defined by B. As a result, the most excellent film forming condition region can be obtained in advance. Further, under the above conditions, a target titanium compound film is formed on a substrate similar to the substrate used for the preliminary measurement to form a film having excellent properties on the substrate with good throwing power. It will be possible.

【0015】従来、プラズマCVD法による被膜形成に
際しての最適成膜条件は各種成膜パラメータを変化させ
て被膜形成実験を行うことにより経験的に求めていた。
そのためには、多大な費用と労力、時間を要していた。
また、基材や装置が異なるとその最適成膜条件は大きく
変化する。さらに、求めた最適成膜条件は様々な要因に
より徐々に変化するが、その事を察知する抜本的な手段
がなかった。
Conventionally, the optimum film forming conditions for forming a film by the plasma CVD method have been empirically obtained by conducting film forming experiments by changing various film forming parameters.
For that purpose, great expense, labor, and time were required.
In addition, the optimum film forming conditions greatly change when the substrate and the device are different. Further, the obtained optimum film forming conditions gradually change due to various factors, but there is no drastic means for detecting this.

【0016】これに対し、本発明は前述したような手法
により最も優れた成膜条件領域を非常に短時間かつ容易
に見出すことができ、また求められた最適成膜条件のモ
ニタとしても活用することができる。したがって、プラ
ズマCVD法によるチタン化合物被膜形成の制御性、再
現性を向上でき、応用性も大きく拡大させることができ
る。
On the other hand, according to the present invention, the most excellent film forming condition region can be found easily in a very short time by the above-mentioned method, and it is also utilized as a monitor of the required optimum film forming condition. be able to. Therefore, the controllability and reproducibility of the titanium compound film formation by the plasma CVD method can be improved, and the applicability can be greatly expanded.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の実施例を図1を参照して詳細
に説明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to FIG.

【0018】図1は、本実施例で使用した直流プラズマ
CVD装置を示す概略図である。図中の1は、真空チャ
ンバである。この真空チャンバ1内の下部には、回転機
構を有する直流電極2が設置されている。前記直流電極
2には、直流電源3が接続されている。前記真空チャン
バ1の下部付近には、排気管4が設けられている。前記
排気管4には、前記真空チャンバ1側から圧力調節バル
ブ5、真空ポンプ6が順次連結されている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a DC plasma CVD apparatus used in this embodiment. Reference numeral 1 in the drawing is a vacuum chamber. A DC electrode 2 having a rotating mechanism is installed in the lower part of the vacuum chamber 1. A DC power supply 3 is connected to the DC electrode 2. An exhaust pipe 4 is provided near the lower portion of the vacuum chamber 1. A pressure control valve 5 and a vacuum pump 6 are sequentially connected to the exhaust pipe 4 from the vacuum chamber 1 side.

【0019】前記真空チャンバ1の外壁には、前記直流
電極2上に設置される大型立体形状基材を均一に加熱す
るための加熱ヒータ7が設けられている。前記真空チャ
ンバ1の側壁には、ガス供給ノズル8a〜8dが設けら
れ、前記ガス供給ノズル8a〜8dから供給された原料
ガスは前記直流電極2上に設置される大型立体形状基材
全体に吹き付けられるようになっている。前記各ガス供
給ノズル8a〜8dの他端は、前記真空チャンバ1の側
壁を貫通して外部に延出され、ガス導入管9に連結され
ている。前記ガス導入管9には、ガス分岐管10a〜1
0cが接続されている。前記各ガス分岐管10a〜10
cには、それぞれバルブ11a〜11cが介装されてい
る。前記バルブ11a〜11cの後端側のガス分岐管1
0a〜10cには、マスフローコントローラ12a〜1
2cがそれぞれ介装されている。前記各マスフローコン
トローラ12a〜12cには、四塩化チタン(TiCl
4)ガス、窒素(N2 )ガス、水素(H2 )ガスの供給
ラインが接続されている。
On the outer wall of the vacuum chamber 1, there is provided a heater 7 for uniformly heating the large three-dimensional base material placed on the DC electrode 2. Gas supply nozzles 8a to 8d are provided on the side wall of the vacuum chamber 1, and the raw material gas supplied from the gas supply nozzles 8a to 8d is sprayed onto the entire large three-dimensional base material installed on the DC electrode 2. It is designed to be used. The other end of each of the gas supply nozzles 8 a to 8 d penetrates a side wall of the vacuum chamber 1 and extends to the outside, and is connected to a gas introduction pipe 9. The gas introducing pipe 9 includes gas branch pipes 10 a to 1 a.
0c is connected. Each of the gas branch pipes 10a to 10
Valves 11a to 11c are respectively provided in c. Gas branch pipe 1 on the rear end side of the valves 11a to 11c
0a to 10c include mass flow controllers 12a to 1
2c are respectively interposed. Each of the mass flow controllers 12a to 12c includes titanium tetrachloride (TiCl4).
4 ) Gas, nitrogen (N 2 ) gas, and hydrogen (H 2 ) gas supply lines are connected.

【0020】前記真空チャンバ1には、前記直流電極2
上に設置される大型立体形状基材近傍またはプラズマ空
間におけるプラズマの発光を測定するための発光分光分
析システム13が配置されている。前記発光分光分析シ
ステム13は、前記真空チャンバ1の側壁に配置された
石英ガラス製の窓14を通して前記プラズマの発光を集
光するための石英ガラス製の集光レンズ15を備えてい
る。前記集光レンズ15は、光ファイバ16を通して分
光器17に接続されている。前記分光器17には、分光
後の光を受光、増感するための光電子増倍管18が設け
られている。前記光電子増倍管18は、プラズマ発光を
スペクトルとして記録するための記録計19に接続され
ている。 実施例 前述した直流プラズマCVD装置を用いて薄膜形成方法
を説明する。
In the vacuum chamber 1, the DC electrode 2
An emission spectroscopic analysis system 13 for measuring the emission of plasma in the vicinity of a large three-dimensional base material installed above or in a plasma space is arranged. The emission spectroscopic analysis system 13 includes a condenser lens 15 made of quartz glass for concentrating the emitted light of the plasma through a window 14 made of quartz glass arranged on the side wall of the vacuum chamber 1. The condenser lens 15 is connected to a spectroscope 17 through an optical fiber 16. The spectroscope 17 is provided with a photomultiplier tube 18 for receiving and sensitizing the spectrally separated light. The photomultiplier tube 18 is connected to a recorder 19 for recording the plasma emission as a spectrum. Example A thin film forming method will be described using the above-described DC plasma CVD apparatus.

【0021】まず、真空チャンバ1内の直流電極2上に
SKH51製の大型立体形状基材20を設置した。つづ
いて、真空ポンプ6を作動して排気管4を通して前記真
空チャンバ1内のガスを排気した。ひきつづき、マスフ
ローコントローラ12aで流量調整された150scc
mのTiCl4 ガス、マスフローコントローラ12bで
流量調整された500sccmのN2 ガスおよびマスフ
ローコントローラ12cで流量調整された8000sc
cmのH2 ガスからなる混合ガスを、ガス供給ノズル8
a〜8dを通して前記真空チャンバ1内に供給した。こ
の時、前記真空チャンバ1の圧力は圧力調整バルブ5に
より0.43Torrに保持し、前記大型立体形状基材
20は加熱ヒータ7により550℃に保持した。同時
に、直流電源3から前記直流電極2に−400Vの直流
電圧を印加して前記チャンバ1内に直流プラズマを発生
させた。次いで、前記大型立体形状基材20の表面近傍
のプラズマ発光を発光分光分析システム13の集光レン
ズ15で集光し、光ファイバ16を通して分光器17に
導き、光電子増倍管18および記録計19によりプラズ
マ発光スペクトルを得た。
First, a large three-dimensional base material 20 made of SKH51 was placed on the DC electrode 2 in the vacuum chamber 1. Subsequently, the vacuum pump 6 was operated to exhaust the gas in the vacuum chamber 1 through the exhaust pipe 4. Continuing, 150scc whose flow rate was adjusted by the mass flow controller 12a
m of TiCl 4 gas, 500 sccm of N 2 gas whose flow rate was adjusted by the mass flow controller 12b, and 8000 sc whose flow rate was adjusted by the mass flow controller 12c.
cm gas mixture gas consisting of H 2 gas, gas supply nozzle 8
It was supplied into the vacuum chamber 1 through a to 8d. At this time, the pressure in the vacuum chamber 1 was kept at 0.43 Torr by the pressure control valve 5, and the large-sized three-dimensional substrate 20 was kept at 550 ° C. by the heater 7. At the same time, a DC voltage of −400 V was applied from the DC power supply 3 to the DC electrode 2 to generate DC plasma in the chamber 1. Next, the plasma emission in the vicinity of the surface of the large-sized three-dimensional base material 20 is condensed by the condensing lens 15 of the emission spectroscopic analysis system 13 and guided to the spectroscope 17 through the optical fiber 16, and the photomultiplier tube 18 and the recorder 19 are collected. To obtain a plasma emission spectrum.

【0022】前記直流電極2に印加する直流電圧を徐々
に増加させながら、前記発光分光分析システム13を用
いて前述したのと同様な操作により発光スペクトルを測
定した。得られた発光スペクトル、特にチタンの一価イ
オン(Ti+ イオン)の発光に着目し、Ti+ イオンの
発光強度の直流電圧依存性を調べた。その結果を図2に
示す。
While gradually increasing the DC voltage applied to the DC electrode 2, the emission spectrum was measured by the same operation as described above using the emission spectrum analysis system 13. The obtained emission spectrum, in particular titanium monovalent ions (Ti + Focusing on the emission of ions), Ti + The DC voltage dependence of the emission intensity of ions was investigated. The result is shown in FIG.

【0023】図2から明らかなようにTi+ イオンの発
光強度は、印加する直流電圧の増加に伴って直線的に増
加し、−1800Vで直線性から外れ始める折曲点が現
れる。Ti+ イオンの発光強度は、−2200V付近で
最大値を迎え、さらに直流印加電圧を増加させると減少
に転じる。また、前記成膜条件下における成膜速度と次
式で表される被膜の付回り性を示す指数(Di)の直流
電圧依存性を調べた。その結果を図3に示す。 Di=[(平均膜厚から最大変位値−平均膜厚値)の絶
対値]/平均膜厚×100(%)
As is apparent from FIG. 2, the emission intensity of Ti + ions increases linearly with an increase in the applied DC voltage, and at 1800 V, there appears a bending point which starts to deviate from the linearity. The emission intensity of Ti + ions reaches a maximum value at around −2200 V, and starts to decrease when the DC voltage is further increased. In addition, the direct current voltage dependence of the film forming rate under the above film forming conditions and the index (Di) showing the throwing power of the film represented by the following equation was examined. The result is shown in FIG. Di = [absolute value of (maximum displacement value from average film thickness−average film thickness value)] / average film thickness × 100 (%)

【0024】図3から明らかなように印加電圧が増加す
るに伴って金白色で多少TiN被膜より硬度が劣る被膜
が形成される領域(WG)から金色を呈し、優れた特性
を有するTiN被膜が形成される最適成膜条件領域
(G)へと推移し、さらに赤みがかった金色または茶色
を呈し、均一気相反応により発生した微粉末が付着し、
耐食性に劣る被膜が形成される均一気相反応発生条件領
域(RG)へと変化する。成膜速度は、直流印加電圧の
増加と共に直線的に増加するが、前記RG領域で最大値
を迎える。また、前記Di値は前記G領域で低く、優れ
たTiN被膜の付回り性が達成されていることがわか
る。
As is apparent from FIG. 3, a TiN coating film which exhibits gold color from the region (WG) where a coating film of gold white and slightly less in hardness than the TiN coating film is formed as the applied voltage is increased and which has excellent characteristics is obtained. The transition to the optimum film forming condition region (G) is formed, and further, it exhibits a reddish gold color or brown, and the fine powder generated by the uniform gas phase reaction is attached,
It changes into a uniform gas phase reaction generation condition region (RG) where a film having poor corrosion resistance is formed. The film formation rate increases linearly with an increase in the DC applied voltage, but reaches the maximum value in the RG region. Further, the Di value is low in the G region, and it can be seen that the excellent throwing power of the TiN film is achieved.

【0025】図2および図3から、Ti+ イオンの発光
強度の直流電圧依存性において見られる折曲点での電圧
は、優れたTiN被膜が形成される前記最適成膜条件領
域(G)と均一気相反応発生条件領域(RG)の境界線
となる条件の印加電圧、つまり−1800Vと一致す
る。このように境界印加電圧をTi+ イオンの発光強度
の直流電圧依存性において見られる折曲点により求める
ことによって、前記TiN被膜の成膜に際しての最適印
加電圧を実際に数多くの成膜実験を行うことなく容易に
推定することができる。
From FIG. 2 and FIG. 3, the voltage at the bending point seen in the DC voltage dependence of the emission intensity of Ti + ions is the same as the optimum film forming condition region (G) in which an excellent TiN film is formed. The applied voltage is the same as the applied voltage of the boundary line of the uniform gas phase reaction generation condition region (RG), that is, -1800V. In this way, the boundary applied voltage is obtained from the bending point seen in the direct current voltage dependence of the emission intensity of Ti + ions, so that the optimum applied voltage at the time of forming the TiN film is actually subjected to many film forming experiments. Can be easily estimated without.

【0026】例えば、前記TiN被膜の成膜に際して前
記境界印加電圧(−1800V)より50V低い−17
50Vに印加電圧を設定したところ、成膜速度を高める
ことができると共に、前記大型立体形状基材20に良好
な付き回り性で2200Hvという高いビッカース硬
度、化学量論比の原子比(N/Ti=約1)、低い残留
塩素(1wt%以下)のTiN被膜を形成できた。
For example, when the TiN film is formed, the boundary applied voltage (-1800V) is 50V lower by -17.
When the applied voltage is set to 50 V, the film formation rate can be increased, and the large three-dimensional base material 20 has good throwing power and has a high Vickers hardness of 2200 Hv and a stoichiometric atomic ratio (N / Ti). = About 1), a TiN film with low residual chlorine (1 wt% or less) could be formed.

【0027】一方、求められた前記境界印加電圧は多く
の成膜パラメータの変化により大きく変化する。例え
ば、前述した測定の際に用いた成膜条件においてN2
ス流量のみを変化させ、同様な測定を行なってTi+
オンの発光強度の直流電圧依存性を調べると、図4に示
す結果が得られる。図4からN2 ガス流量が増加するほ
どTi+ イオンの発光強度の折曲点が現れる印加電圧、
つまり境界印加電圧は、低電流印加電圧側にシフトする
ことがわかる。図4に基づいて各N2 ガス流量における
Ti+ イオンの発光強度の折曲点が現れる直流印加電圧
を求め、各点を結ぶと、図5のようになる。この図5に
示された線は、N2 ガス流量と直流電圧によって規定さ
れた最適成膜条件領域(G)と均一気相反応発生領域
(RG)との境界線の推定結果を示すこととなる。
On the other hand, the obtained boundary applied voltage greatly changes due to changes in many film forming parameters. For example, when only the N 2 gas flow rate is changed under the film forming conditions used in the above-described measurement and the same measurement is performed to examine the DC voltage dependence of the emission intensity of Ti + ions, the results shown in FIG. 4 are obtained. can get. From FIG. 4, the applied voltage at which the bending point of the emission intensity of Ti + ions appears as the N 2 gas flow rate increases,
That is, it is understood that the boundary applied voltage shifts to the low current applied voltage side. Based on FIG. 4, the DC applied voltage at which the bending point of the emission intensity of Ti + ions at each N 2 gas flow rate appears is obtained, and when the points are connected, the result is as shown in FIG. The line shown in FIG. 5 shows the estimation result of the boundary line between the optimum film forming condition region (G) defined by the N 2 gas flow rate and the DC voltage and the uniform gas phase reaction generation region (RG). Become.

【0028】先の推定が正しいことを示すために、実際
に各N2 ガス流量および各印加電圧においてTiN被膜
形成実験を行い、得られた被膜の特性を測定すると、図
6に示す結果になる。この図6から明らかなように実際
に成膜された被膜の特性によって求められた最適条件領
域(G)と均一気相反応発生条件領域(RG)との境界
線は、前述した図5の最適条件領域(G)と均一気相反
応発生条件領域(RG)との境界線の推定結果と一致す
ることがわかる。
In order to show that the above estimation is correct, a TiN film forming experiment was actually conducted at each N 2 gas flow rate and each applied voltage, and the characteristics of the obtained film were measured. The results shown in FIG. 6 were obtained. . As is clear from FIG. 6, the boundary line between the optimum condition region (G) and the uniform gas phase reaction generation condition region (RG) obtained by the characteristics of the film actually formed is the optimum condition of FIG. It can be seen that the result agrees with the estimation result of the boundary line between the condition region (G) and the uniform gas phase reaction generation condition region (RG).

【0029】このように手法により推定された境界線近
傍の最適成膜条件領域(G)において被膜を形成する
と、成膜速度、付き回り性等のせ須磨区特性および膜質
の優れたTiN被膜を形成できることが明らかになっ
た。
When a film is formed in the optimum film forming condition region (G) near the boundary line estimated by the method as described above, a TiN film excellent in film forming rate, throwing power, and other Sesuma section characteristics and film quality is formed. It became clear that it could be done.

【0030】以上のように、Ti+ イオンの発光強度の
折れ曲り点を求める際、発光強度の直流印加電圧依存性
により求めたが、直流印加電圧を任意の値に固定し、N
2 ガス流量を変化させ、その際のTi+ イオンの発光強
度の折れ曲り点を求めることにより同様に最適条件領域
(G)と均一気相反応発生条件領域(RG)との境界線
の推定を行うことができる。
As described above, Ti + When the bending point of the emission intensity of the ions was obtained, it was obtained by the dependence of the emission intensity on the DC applied voltage. However, the DC applied voltage was fixed to an arbitrary value and N
2 Change the gas flow rate and change Ti + By obtaining the bending point of the emission intensity of the ions, the boundary line between the optimum condition region (G) and the uniform gas phase reaction generation condition region (RG) can be similarly estimated.

【0031】また、前記最適成膜条件領域の推定方法は
前記実施例とは異なった圧力下や、同様なTiN被膜を
を形成する場合でも異なった原料ガス種、例えばN2
スに代えてアンモニアガスを用いた際も非常に精度よく
実施できることが明らかになった。しかも、TiN以外
のチタン化合物被膜、例えば炭化チタン(TiC)被膜
を形成する際にも十分に精度よく実施することができ
る。
Further, the method of estimating the optimum film forming condition region is such that a different source gas species, for example, N 2 gas instead of ammonia is used under a pressure different from that in the above embodiment or when a similar TiN film is formed. It was clarified that it can be carried out very accurately even when gas is used. Moreover, it can be carried out sufficiently accurately even when forming a titanium compound coating other than TiN, for example, a titanium carbide (TiC) coating.

【0032】したがって、目的のチタン化合物被膜をプ
ラズマCVD法により形成しようとする場合、前記手法
により成膜条件の最適化を容易に行うことが可能にな
り、その条件下において目的のチタン化合物被膜を形成
すると、優れた成膜特性のもの優れた膜質の被膜を容易
に形成することが可能になる。さらに、最適成膜条件を
前記手法により随時確認することによって、常に最適成
膜条件下でチタン化合物被膜の形成を行うことが可能に
なる。
Therefore, when the desired titanium compound film is to be formed by the plasma CVD method, it is possible to easily optimize the film forming conditions by the above-mentioned method, and under the condition, the desired titanium compound film is formed. When formed, it becomes possible to easily form a film having excellent film forming characteristics and excellent film quality. Further, by confirming the optimum film forming conditions as needed by the above method, it becomes possible to always form the titanium compound film under the optimum film forming conditions.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によればチタ
ン化合物被膜をプラズマCVD法により形成しようとす
る場合、予め前記基板表面近傍またはプラズマ空間にお
けるTi+ イオンの発光強度のプラズマCVD成膜条件
依存性を測定し、前記Ti+ イオンの発光強度が直線的
に増加する際に直線性から外れ始める点(折曲点)を求
め、前記折曲点に基づいて前記プラズマCVD法の最適
成膜条件を設定することによって、成膜条件の最適化を
合理的かつ短時間で行うことができ、その条件下におい
て目的のチタン化合物被膜を形成すると、優れた成膜特
性下で優れた膜質の被膜を容易に形成することが可能に
なる。さらに、最適成膜条件の変化を常に前記手法によ
り随時確認することによって、常に最適成膜条件下でチ
タン化合物被膜の形成を行うことが可能になる。したが
って、プラズマCVD法によるチタン化合物被膜形成の
容易性、応用性、さらに制御性、再現性を高めることが
できる。
As described above in detail, according to the present invention, when the titanium compound film is to be formed by the plasma CVD method, the plasma CVD film is formed in advance near the surface of the substrate or in the plasma space with the emission intensity of Ti + ions. The condition dependence is measured, and a point (a bending point) at which the emission intensity of the Ti + ions starts to deviate from the linearity is linearly determined, and based on the bending point , the optimum composition of the plasma CVD method is determined. By setting the film conditions, the film forming conditions can be optimized in a reasonable and short time, and if the target titanium compound film is formed under these conditions, excellent film quality can be obtained under excellent film forming characteristics. The coating can be easily formed. Furthermore, by constantly checking the change in the optimum film forming conditions by the above method, it becomes possible to always form the titanium compound film under the optimum film forming conditions. Therefore, it is possible to improve the easiness, applicability, controllability, and reproducibility of the titanium compound film formation by the plasma CVD method.

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

【図1】本発明の実施例で使用した直流プラズマCVD
装置を示す概略図。
FIG. 1 is a DC plasma CVD used in an embodiment of the present invention.
Schematic which shows an apparatus.

【図2】本発明の実施例により求めたTi+ イオンの発
光強度の直流電圧依存性を示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the direct current voltage dependence of the emission intensity of Ti + ions obtained by an example of the present invention.

【図3】本発明の実施例により求めた成膜速度と被膜の
付回り性を示す指数(Di)の直流電圧依存性を示す特
性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the DC voltage dependency of an index (Di) showing the film forming rate and the throwing power of the film, which were obtained by an example of the present invention.

【図4】本発明の実施例により求めた各N2 ガス流量下
におけるTi+ イオンの発光強度の直流電圧依存性を示
す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the direct current voltage dependence of the emission intensity of Ti + ions under each N 2 gas flow rate, which is obtained by an example of the present invention.

【図5】図4の結果から求めた各N2 ガス流量における
折曲点が現れる直流印加電圧を示す特性図。
5 is a graph showing the flow rate of each N 2 gas obtained from the results of FIG.
The characteristic view which shows the direct-current applied voltage in which a bending point appears.

【図6】N2 ガス流量と直流印加電圧を変化させて成膜
を行った時の被膜の特性を示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing characteristics of a film when a film is formed by changing a N 2 gas flow rate and a DC applied voltage.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空チャンバ、2…直流電極、4…排気管、8a〜
8d…ガス供給ノズル、13…発光分光分析システム。
15…集光レンズ、17…分光器、20…大型立体形状
基材。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum chamber, 2 ... DC electrode, 4 ... Exhaust pipe, 8a ...
8d ... Gas supply nozzle, 13 ... Emission spectroscopic analysis system.
15 ... Condensing lens, 17 ... Spectrometer, 20 ... Large three-dimensional base material.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマCVD法により基板上にチタン
化合物被膜を形成する方法において、予め前記基板表面
近傍またはプラズマ空間におけるTi+ イオンの発光強
度のプラズマCVD成膜条件依存性を測定し、前記Ti
+ イオンの発光強度が直線的に増加する際に直線性から
外れ始める点を求め、この点に基づいて前記プラズマC
VD法の最適成膜条件を設定することを特徴とするチタ
ン化合物被膜の形成方法。
1. A method of forming a titanium compound film on a substrate by a plasma CVD method, wherein the dependence of the emission intensity of Ti + ions on the plasma CVD film forming conditions in the vicinity of the surface of the substrate or in the plasma space is measured in advance to obtain the Ti compound film.
A point at which the emission intensity of + ions linearly increases is found, and a point at which the ion intensity starts to deviate from the linearity is obtained.
A method for forming a titanium compound film, which comprises setting an optimum film forming condition of a VD method.
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