JP3207770B2 - プラズマcvd装置 - Google Patents

プラズマcvd装置

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JP3207770B2 JP30721596A JP30721596A JP3207770B2 JP 3207770 B2 JP3207770 B2 JP 3207770B2 JP 30721596 A JP30721596 A JP 30721596A JP 30721596 A JP30721596 A JP 30721596A JP 3207770 B2 JP3207770 B2 JP 3207770B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワークに皮膜を形
成するためのプラズマCVD装置に関する。
【0002】
【従来の技術】プラズマCVD、すなわちプラズマを利
用した化学蒸着は、比較的低い温度例えば室温でワーク
に皮膜を形成することができる方法として、最近注目さ
れている。このプラズマCVDを実行する装置は、例え
ば特開平5ー311448号公報に開示されている。こ
の装置では、真空槽の内部空間が金網で複数に分割され
ている。分割されたそれぞれの空間は真空槽の壁と金網
で囲われており、反応空間として提供される。真空槽と
金網は接地されている。上記各反応空間には、平板形状
の電極が収容されている。これら電極は、それぞれイン
ピーダンスマッチング回路を介して高周波電源に接続さ
れている。電極の上面にはワークが載せられる。この反
応空間内に供給された反応ガスの一部は、電極と反応空
間を画成する壁(真空槽の壁と金網で構成される)との
間に発生する高周波電界により、プラズマとなり、この
プラズマのうち負イオンすなわち電子がこの高周波電界
により激しく運動する。その結果、反応ガスの一部が分
解してラジカルが発生する。プラズマのうち正イオン
は、インピーダンスマッチング回路のバイアス機能に基
づき、ワークに向かって進み、この正イオンに伴ってラ
ジカルも同方向に進む。その結果、ワークの表面に皮膜
が形成される。
【0003】上記特開平5ー311448号公報に開示
された装置では、複数のワークを複数の狭い反応空間に
それぞれ収容し、反応空間毎にプラズマを発生させてワ
ークに皮膜を形成するようにしているため、広い反応空
間に複数のワークを収容する装置に比べて電力エネルギ
ーが小さくて済み、しかも各ワークにほぼ同一条件で皮
膜を形成できる利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平5
ー311448号公報に開示された装置では、一部の反
応空間でプラズマが発生しないことがあり、この反応空
間に収容されたワークに皮膜を形成できないことがあっ
た。また、すべての反応空間でプラズマが同時に発生し
ないことがあり、高周波電力の供給を同時に停止した
時、遅れてプラズマが発生した反応空間のワークと早く
プラズマが発生した反応空間のワークとでは、皮膜厚さ
が異なってしまい、皮膜を均等に形成できないことがあ
った。さらに、作業者が反応空間でプラズマが発生して
いるか否かを確認する場合、すべての反応空間を目視し
なければならず、確認作業が繁雑であった。なお、特願
平7−344825号の図7,図8に開示された本出願
人の装置も同様の利点と欠点を有している。この装置
は、共通の高周波電源を有している。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
(イ)互いに独立した複数の反応空間を画成するケーシ
ングと、(ロ)上記反応空間に臨みワークを支持して反
応空間内に配置させる電極と、(ハ)上記反応空間を真
空にする吸引手段と、(ニ)上記反応空間に反応ガスを
供給するガス供給手段と、(ホ)上記電極に接続され、
上記反応空間に高周波電力を供給することにより、反応
空間にプラズマを発生させる高周波電源と、(ヘ)上記
電極の中心電位を負のレベルにして上記プラズマの正イ
オンをワークに向かって引き付けるバイアス手段と、を
備えたプラズマCVD装置において、上記ケーシングに
は、上記複数の反応空間を互いに連通し、しかもプラズ
マ放電の伝播を許容する広さの連絡空間が形成されてい
ことを特徴とする。
【0006】請求項2の発明は、請求項1に記載のプラ
ズマCVD装置において、上記ケーシングは接地される
とともに、中空のベース部と、このベース部の上面に設
けられた複数のフード部とを有し、このベース部の内部
空間が上記連絡空間として提供され、上記フード部の内
部空間が上記反応空間として提供されることを特徴とす
る。請求項3の発明は、請求項2に記載のプラズマCV
D装置において、上記ケーシングのベース部は、上下に
離間して配置された水平な上壁と下壁とを有し、これら
上下の壁の離間距離すなわち上記連絡空間の高さが、プ
ラズマ放電の伝播を許容する大きさに設定され、上記
壁に上記フード部が設けられ、上壁に形成された開口を
介して上記反応空間と連絡空間が連通されており、上記
電極は、下壁を貫通し連絡空間を通って上方に延び、そ
の上端部が上記反応空間に臨んでおり、下壁には上記連
絡空間において上記電極を囲む導電性遮蔽筒が固定され
ていることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】図1、図2には、本発明の一実施
態様をなすプラズマCVD装置が示されている。このプ
ラズマCVD装置は、ほぼ円柱形状のワークWに皮膜を
形成するためのものである。このワークWは導電性であ
っても導電性でなくてもよい。このワークWの下端面W
1が後述する電極5に接する接触面となり、周面W2と上
端面W3が皮膜形成対象面となる。
【0008】上記装置は、真空槽1と、この真空槽1内
に収容されたケーシング2と、ケーシング2内に配置さ
れた電極5とを備えている。真空槽1には、真空ポンプ
3が接続されている。上記ケーシング2と電極5は、胴
やステンレスからなる導電性の材料により形成されてい
る。ケーシング2は、偏平な円盤形状をなす中空のベー
ス部10と、このベース部10の上面に着脱可能に取り
付けられるフードアッセンブリ20とを備えている。
【0009】上記ベース部10は、水平をなす円板形状
の上壁11,下壁12と、両者の周縁を連ねる円筒形状
の周壁13とで構成されている。ベース部10の内部空
間15は本発明の重要な特徴部である連絡空間として提
供されている。上壁11には4つの開口11aが形成さ
れている。これら4つの開口11aは、ベース部10の
中心から等距離離れており、周方向に等間隔をなして形
成されている。上壁11の上面には、各開口11aの周
縁と一致する取付筒16が固定されている。周壁13に
は各開口11aの近傍位置に多数の細孔からなるガス抜
き窓17(目視窓)が形成されている。真空槽1では、
複数のガス抜き窓17の一つに対応した箇所が透明材料
により形成されて目視窓(図示しない)となっている。
【0010】上記フードアッセンブリ20は、複数例え
ば4つのフード部21と、これらフード部21の上端を
連結する円板形状の水平な連結板24とを備えている。
フード部21は、円筒22と、この円筒22の上端開口
に取り付けられ内面がほぼ半球面をなすカップ23とで
構成されている。フード部21の内部空間25が反応空
間として提供される。これら4つの反応空間25は、ベ
ース部10の連絡空間15を介して互いに連通されてい
る。フードアッセンブリ20は、フード部21の円筒2
2の下端部を上記取付筒16に嵌めることにより、ベー
ス部10に着脱可能に装着される。上記ケーシング20
の連結板24は接地されており、これによりケーシング
20はゼロ電位に維持されている。上記連結板24に
は、ガス導入継手26が取り付けられている。このガス
導入継手26は真空槽1を貫く管6を介してガスボンベ
7(ガス供給手段)に接続されている。
【0011】上記ベース部10の下壁12の下面には絶
縁板30を介して導電板31が取り付けられている。導
電板31の上面には、4本の電極5が垂直に起立して固
定されている。この電極5は、ワークWとほぼ同径の円
柱形状をなし、下壁12と絶縁板30に形成された穴1
2a,30aを通ってケーシング10内に突出してい
る。すなわち、電極5は連絡空間15を通って上方に延
び、その上端部は反応空間25内に臨んでいる。
【0012】下壁12の上面には、穴12aの周縁と一
致する円筒形状の導電性遮蔽筒35が垂直に起立した状
態で固定されている。この遮蔽筒35は、連絡空間15
内で電極5を囲い、その上端は、取付筒16より若干上
方に位置している。電極5の上端部は、この取付筒16
よりもさらに上方に突出して、反応空間25に入り込ん
でいる。上記電極5,遮蔽筒35,フード部21の円筒
22は、同心をなしている。
【0013】上記導電板31は、インピーダンスマッチ
ング回路40(バイアス手段)を介して高周波電源41
に接続されている。また、導電板31には、インダクタ
ンス42を介して電圧計43が接続されており、導電板
31の中心電位,ひいては電極5の中心電位を検出でき
るようになっている。インダクタンス42と電圧計43
により、中心電位検出手段が構成されている。
【0014】上記構成をなす装置により、ワークWに非
晶質炭素の皮膜を形成する工程について説明する。ま
ず、フードアッセンブリ20をベース部10から取り外
した状態で、4つの電極5の上端面にそれぞれワークW
を載せて位置決めする。このワークWの位置決め状態に
おいて、ワークWの下端面W1と電極5の上端面が実質
的に一致し、その結果、ワークWの周面W2は電極5の
周面と面一をなしている。
【0015】上記ワークWの取り付け後に、フードアッ
センブリ20をベース部10に取り付ける。この状態に
おいて、ワークWの周面W2に対して、フード部21の
円筒22が、全周にわたって等しい距離だけ離れて平行
に対峙している。
【0016】上記フードアッセンブリ20の取り付け後
に、真空槽1を閉じ、真空ポンプ3を駆動するととも
に、ガスボンベ7から反応ガスを供給する。この反応ガ
スは、ガス導入継手26からフード部21の反応空間2
5に入る。そして、連絡空間15を経てガス抜き窓17
から真空槽1内に排出される。この状態で、高周波電源
41からインピーダンスマッチング回路40,導電板3
1を介して電極5に高周波電力を供給する。
【0017】上記高周波電力により、反応空間25内の
ガスの一部がプラズマとなる。最初は、プラズマの負イ
オンすなわち電子が、高周波電界によって主にケーシン
グ2と電極5,ワークWに至る。ケーシング2に達した
電子はアースへ逃げ、ワークW,電極5に達した電子
は、電極5を通り、インピーダンスマッチング回路41
のコンデンサに蓄えられる。その結果、ワークWと電極
5の中心電位は負となり、後述する正イオンを引き付け
る(自己バイアス)。なお、ワークWの中心電位レベル
は負の一定レベルに達して安定する。
【0018】上記電極5およびワークWの近傍では、中
心電位レベルが負の所定の閾値より低いため、プラズマ
が発生しない。また、ケーシング2の電位は接地レベル
であるため、このケーシング2の近傍でもプラズマが発
生しない。なお、このプラズマが発生しない領域をプラ
ズマシース領域と称す。プラズマは、プラズマシース領
域を除いた反応空間25で発生する。また、主にプラズ
マ中の電子の激しい運動により、ガスの一部が分解して
ラジカルが発生する。
【0019】上記プラズマの正イオンは、ワークW近傍
に生じた電位レベルの勾配により、ワークWに向かって
進み、これらに衝突する。この際ラジカルも正イオンの
流れにしたがって進みワークWに衝突する。これら正イ
オンおよびラジカルの衝突により、ワークWの面W2
3に皮膜が形成される。
【0020】上述したように、4つの比較的狭い反応空
間25に高周波電力を集中して供給しプラズマを閉じ込
めてワークWの皮膜形成を行うことができ、少ない電力
消費で皮膜を形成することができ、生産性が高い。しか
も、すべてのワークWを同一形状のフード部21内に収
容し、同一条件で皮膜形成を行うので、各ワークWの皮
膜の厚さ、付着強度のばらつきが小さい。特に本実施例
では、各ワークWの周面W2に、ケーシング2の円筒2
2が等距離をなして対峙しており、またワークWの上端
面W3にもカップ23が対峙しているため、これら面
2,W3に形成される皮膜は、厚く、付着強度も大き
い。また、周面W2に形成される皮膜の厚さを周方向に
均等にすることができる。
【0021】高周波電力を供給した初期状態において、
すべての反応空間25で同時にプラズマが発生しないこ
とがある。この場合には、プラズマ発生済みの反応空間
25から未発生の反応空間25へと、連絡空間15を経
てプラズマが流れる。プラズマ未発生の反応空間25で
は、連絡空間15からのプラズマの供給を受け、このプ
ラズマに誘発されるようにしてプラズマを発生させるこ
とができる(すなわちプラズマ放電を伝播させることが
できる)。その結果、すべての反応空間25でプラズマ
が発生し、すべてのワークWに確実に皮膜を形成するこ
とができる。また、すべての反応空間25でほぼ同時期
にプラズマが発生するので、皮膜の厚さ,付着強度のば
らつきをより一層抑制することができる。また、ベース
部10の内部空間が、反応空間25にとって1つの共通
の連絡空間15となっているので、反応空間25の間で
のプラズマ移動がより円滑に行われ、全ての反応空間2
5での同時期のプラズマ発生をより一層確実なものとす
ることができる。
【0022】作業者は、電圧計43を見て導電板31の
中心電位が負の所定レベルまで下がったことを確認する
だけで、すべての反応空間25でプラズマ発生があった
ことを確認することができる。なぜなら、少なくとも一
つの反応空間25でプラズマが発生すれば、導電板31
の中心電位が負の所定レベルまで下がるからであり、一
つの反応空間25でのプラズマ発生は、連絡空間15の
存在により、すべての反応空間25でのプラズマ発生を
保証するからである。なお、真空槽1に形成した目視窓
からケーシング2のベース部10のガス抜き窓17を介
して連絡通路15に存在する発光プラズマを直接目視す
ることによっても、すべての反応空間25でのプラズマ
発生を確認することもできる。
【0023】上述したように、連絡空間15にもプラズ
マが存在するが、この連絡空間15において電極5は遮
蔽筒35によって覆われているので、この電極5に皮膜
が形成されるのを防止することができるとともに電力の
消耗を防止することができる。
【0024】次に上記装置を用いた皮膜形成実験につい
て詳述する。この実験において、ワークWは、直径10
mm,長さ30mmの高速度鋼製の切削工具である。ワ
ークWの周面W2と円筒22との間の距離を35mmと
する。連絡空間15の高さは、5mm,10mm,30
mmにした。他の条件は、以下の通りである。 第1段階 原料ガス CH4+N2+TMS(テトラメチルシラ
ン) ガス圧力 8.67Pa 投入電力 100W(13.56MHz) ガス流量 CH4:2.4sccm N2:4sccm TM
S:1.6sccm 成膜時間 55分 第2段階 原料ガス CH4 ガス圧力 8Pa 投入電力 170W(13.56MHz) ガス流量 CH4:4sccm 成膜時間 45分 なお、「sccm」なる単位は、スタンダードキュービ
ックセンチメートル/分の略である。
【0025】上記実験の結果、連絡空間15の高さが1
0mmの場合、ワークWの周面W2に形成された皮膜の
厚さは8.5μmであり、全域にわたって皮膜の厚さは
均一であった。連絡空間15の高さが5mmの場合、プ
ラズマ放電が伝播しない。連絡空間15の高さが30m
mの場合、皮膜の厚さは均一であるものの7.5μmで
あり、皮膜生成の効率が高さ10mmの場合に比べて悪
くなる。本実験では、ケーシング2のベース部10の上
壁11,下壁12近傍でのプラズマシース厚さは、各々
約4.5mmであり、合計プラズマシース厚さは約9.0
mmであった。上記実験の結果から、連絡空間15の高
さが合計プラズマシース厚さより小さいとプラズマ放電
が伝播せず、本発明の効果を達成できないこと、および
連絡空間15の高さが必要以上に大きいと、電力エネル
ギーが無駄に消費されることが分かる。すなわち、連絡
空間15の高さは、合計プラズマシース厚さより若干量
大きい程度とするのが最上である。
【0026】本発明は上記実施例に制約されず種々の態
様が可能である。例えば、ワークは横断面矩形をなして
いてもよい。この場合、フード部の横断面も矩形をな
し、遮蔽筒も同様に横断面矩形をなす。上記プラズマ発
生の確認のための構成として、電圧計の代わりに、電圧
比較手段で負の閾値と導電板31の中心電位(電極5,
ワークWの中心電位とを比較し)、閾値より低い時に
は、ランプやブザー等の報知手段でプラズマ発生を報知
するようにしてもよい。導電板はなくてもよい。この場
合、インピーダンスマッチング回路や高周波電源が電極
毎に設けてもよい。本実施例では、ケーシングを接地電
極として用いたが、接地電極はケーシングと別体をなし
て反応空間に収容し、高周波電源側の電極と対峙させる
ようにしてもよい。本実施例では、連絡空間はすべての
反応空間に共通のものであったが、隣接する2つの反応
空間にそれぞれ連絡空間を形成するようにしてもよい。
反応空間を画成するフード部は、矩形状のベース部にマ
トリックス状に多数配置してもよいし、細長いベース部
に直線上に一列に配置してもよい。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よれば、連絡通路を介して複数の反応空間の間でプラズ
マの移動が可能となるため、全ての反応空間でほぼ同時
期にプラズマを発生させることができ、全ての反応空間
においてワークの皮膜形成を確実に行うことができ、し
かもこの皮膜厚さのワーク毎のバラツキを最小限に抑制
することができる。請求項2の発明によれば、ベース部
の内部空間が1つの共通の連絡空間となっているので、
反応空間の間でのプラズマ移動がより円滑に行われ、全
ての反応空間での同時期のプラズマ発生をより一層確実
なものとすることができる。請求項3の発明によれば、
連絡空間において、接地された導電性遮蔽筒により電極
からプラズマを遮蔽することができ、電極消費の無駄お
よび電極への皮膜形成を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例をなし、円柱形状ワークに皮
膜を形成するためのプラズマCVD装置を示す縦断面図
である。
【図2】図1中IIーII線に沿う同装置の平断面図であ
る。
【符号の説明】
W ワーク 2 ケーシング 3 真空ポンプ(真空吸引手段) 5 電極 7 ガスボンベ(ガス供給手段) 10 ベース部 11 上壁 11a 開口 12 下壁 15 連絡空間 21 フード部 25 反応空間 35 遮蔽筒 40 インピーダンスマッチング回路(バイアス手段) 41 高周波電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−260157(JP,A) 特開 平5−311448(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/31 H05H 1/46 H01L 21/205

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(イ)互いに独立した複数の反応空間を画
    成するケーシングと、 (ロ)上記反応空間に臨みワークを支持して反応空間内
    に配置させる電極と、 (ハ)上記反応空間を真空にする吸引手段と、 (ニ)上記反応空間に反応ガスを供給するガス供給手段
    と、 (ホ)上記電極に接続され、上記反応空間に高周波電力
    を供給することにより、反応空間にプラズマを発生させ
    る高周波電源と、 (ヘ)上記電極の中心電位を負のレベルにして上記プラ
    ズマの正イオンをワークに向かって引き付けるバイアス
    手段と、 を備えたプラズマCVD装置において、 上記ケーシングには、上記複数の反応空間を互いに連通
    し、しかもプラズマ放電の伝播を許容する広さの連絡空
    間が形成されていることを特徴とするプラズマCVD装
    置。
  2. 【請求項2】上記ケーシングは接地されるとともに、中
    空のベース部と、このベース部の上面に設けられた複数
    のフード部とを有し、このベース部の内部空間が上記連
    絡空間として提供され、上記フード部の内部空間が上記
    反応空間として提供されることを特徴とする請求項1に
    記載のプラズマCVD装置。
  3. 【請求項3】上記ケーシングのベース部は、上下に離間
    して配置された水平な上壁と下壁とを有し、これら上下
    の壁の離間距離すなわち上記連絡空間の高さが、プラズ
    マ放電の伝播を許容する大きさに設定され、この上壁に
    上記フード部が設けられ、上壁に形成された開口を介し
    て上記反応空間と連絡空間が連通されており、上記電極
    は、下壁を貫通し連絡空間を通って上方に延び、その上
    端部が上記反応空間に臨んでおり、下壁には上記連絡空
    間において上記電極を囲む導電性遮蔽筒が固定されてい
    ることを特徴とする請求項2に記載のプラズマCVD装
    置。
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