JP5469395B2 - ダイアモンドライクカーボン膜形成装置 - Google Patents
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Description
本実施形態は、DLC膜が表面に形成されたDLC膜形成体の製造に用いるプラズマ処理装置(プラズマCVD装置)1002に関する。DLC膜は、「ダイアモンド状炭素膜」「硬質炭素膜」「アモルファスカーボン膜」「iカーボン膜」等とも呼ばれる。プラズマ処理装置1002では、誘導性素子に磁界の形で蓄積されたエネルギーを直流パルス電圧として放出する誘導エネルギー蓄積型のパルス電源を用い、誘導性素子から取り出す直流パルス電圧のピーク電圧が電極対の間にグロー状のプラズマ放電が発生することが期待されるピーク電圧を大きく上回るように誘導性素子のインダクタンスを決める。これにより、電極対の間の放電が安定する。
(全体構造)
図1は、DLC膜形成体の製造に用いるプラズマ処理装置1002の模式図である。図1は、プラズマ処理装置1002のリアクタ1004の断面を示すとともに、リアクタ1004に付随する電気回路及び気体回路を示す。
図2及び図3は、噴射体電極1006の模式図である。図2は、斜め下方から見た斜視図、図3は、対向面1102に垂直な断面を示す縦断面図である。
支持体電極1008は、複数の孔を板に形成した外形形状を有する。支持体電極1008に形成された孔により、上方から下方へのガスの流れが支持体電極1008によって妨げられることが抑制される。
噴射体電極1006及び支持体電極1008は、上下に離隔して配置され、噴射体電極1006の対向面1102と支持体電極1008の支持面1116とは間隙1118を挟んで対向する。間隙1118の間隔は、1〜5mmであることが望ましい。間隙1118の間隔がこの範囲より狭くなるとアーク放電が起こりやすくなり、間隙1118の間隔がこの範囲より広くなると後述するグロー状のプラズマ放電が起こりにくくなるからである。
噴射体電極1006の対向面1102及び支持体電極1008の支持面1116は、誘電体バリアで被覆せず、導電体が露出した状態とすることが望ましい。これは、対向面1102及び支持面1116を誘電体バリアで被覆すると、放電プラズマ中をイオンが移動することが妨げられ、基板1902の表面への膜の形成が阻害されるからである。対向面1102及び支持面1116を誘電体バリアで被覆しないと、アーク放電が発生しやすくなるが、プラズマ処理装置1002では、複数の処理部1014の各々に対応してパルス電源1016を1個ずつ設けることにより、アーク放電による生産性の低下を抑制しているので、大きな問題とはならない。また、対向面1102及び支持面1116を誘電体バリアで被覆しない場合、噴射体電極1006と支持体電極1008との間に交流パルス電圧を印加すると、放電が発生しにくく、放電が発生した場合はアーク放電となってしまうことが多いが、プラズマ処理装置1002では、噴射体電極1006と支持体電極1008との間に直流パルス電圧を印加するので、大きな問題とはならない。
図1に示すように、処理ガス供給回路1018は、噴射体電極1006の供給孔1114に接続される。処理ガス供給回路1018が供給する処理ガスは、プラズマ処理装置1002が行う処理によって変化する。
排ガス排出回路1020は、チャンバ1012の下面に設けられた排出口から真空ポンプ1216の吸入口への排ガスの流通経路となる排ガス流通配管1218と、チャンバ1012の下面に設けられた排出口から排ガス流通配管1218への圧力制御弁1220を経由しない排ガスの流通経路となる排ガス流通配管1222と、排ガスを吸入して排出する真空ポンプ1216と、真空ポンプ1216の排出口から外部への排ガスの流通経路となる排ガス流通配管1224と、排ガス流通配管1224への希釈ガスの流通経路となる希釈ガス流通配管1226と、1次側の圧力を制御する圧力制御弁1220と、排ガス流通配管1222を排ガスが流通することを許容又は阻止するバルブ1228と、希釈ガス流通配管1226を希釈ガスが流通することを許容又は阻止するバルブ1230と、希釈ガス流通配管1226を流通する希釈ガスの流量を制御する流量制御弁1232と、を備える。
窒素ガス供給回路1022は、窒素ガスの供給源1234からチャンバ1012の側面に設けられた供給口への窒素ガスの流通経路となる窒素ガス流通配管1236と、窒素ガス流通配管1236を窒素ガスが流通することを許容又は阻止するバルブ1238と、窒素ガス流通配管を流通する窒素ガスの流量を調整する流量制御弁1240と、を備える。
空気供給回路1024は、空気の供給源1242からチャンバ1012の側面に設けられた供給口への空気の流通経路となる空気流通配管1246と、空気流通配管1246を空気が流通することを許容又は阻止するバルブ1248と、を備える。
パルス電源1016から噴射体電極1006と支持体電極1008との間に繰り返し印加される直流パルス電圧は、間隙1118にグロー状のプラズマ放電を発生させる立ち上がりの速い直流パルス電圧であることが望ましい。ただし、アーク放電に移行しないストリーマ放電が間隙1118の一部に発生していてもよい。
パルス電源1016は、アーク放電を発生させることなくグロー状のプラズマ放電を発生させる直流パルス電圧を出力する電源であればよいが、誘導性素子に磁界の形で蓄積したエネルギーを短時間で放出する誘導エネルギー蓄積型(IES;Inductive Energy Storage)の電源(以下では、「IES電源」という)であることが望ましい。これは、IES電源は、容量性素子に電界の形で蓄積したエネルギーを短時間で放出する静電エネルギー蓄積型(CES;Capacitive Energy Storage)の電源(以下では、「CES電源」という)と比較して、著しく大きいエネルギーを高い繰り返し頻度で投入することができるからである。典型的には、電極構造が同じならば、IES電源を採用した場合、放電プラズマを発生させる反応に使われる1パルスあたりの投入エネルギー(以下では、「1パルスエネルギー」という)は、CES電源を採用した場合よりも概ね1桁大きくなる。IES電源とCES電源とのこの相違は、IES電源が発生する直流パルス電圧は電圧の上昇が急激であるのに対して、CES電源が発生する直流パルス電圧は電圧の上昇が緩慢であることにより生じる。すなわち、IES電源を採用した場合、電圧が十分に上昇してから放電が始まり、1パルスエネルギーが十分に大きくなるとともに、面内の放電均一性が高いのに対して、CES電源を採用した場合、電圧が十分に上昇しないうちに放電が始まり、1パルスエネルギーが十分に大きくならないとともに、面内の放電均一性が悪いことがある。
IES電源としては、静電誘導型サイリスタ(以下では、「SIサイリスタ」という)を誘導性素子への電流の供給を制御するスイッチング素子として用いた電源を採用することが望ましい。SIサイリスタをスイッチング素子として用いると、立ち上がりの速い直流パルス電圧が発生するからである。SIサイリスタをスイッチング素子として用いると立ち上がりの速い直流パルス電圧が発生するのは、SIサイリスタは、ゲートが絶縁されておらずゲートから高速にキャリアが引き抜かれるので、高速にターンオフするからである。IES電源の動作原理等の詳細は、例えば、飯田克二、佐久間健:「SIサイリスタによる極短パルス発生回路(IES回路)」、SIデバイスシンポジウム講演論文集、Vol.15,Page.40−45(2002年6月14日発行)に記載されている。ただし、SIサイリスタ以外のスイッチング素子を用いてもよい。
図5は、パルス電源1016に好適に用いられるSIサイリスタ1310をスイッチング素子として用いたIES電源1300の回路図である。もちろん、図5に示す回路図は一例にすぎず、様々に変形される。
IES電源1300に直流パルス電圧を発生させる場合、まず、ゲート駆動回路1314からMOSFET1312のゲートにオン信号を与え、MOSFET1312のドレイン(D)・ソース(S)間を導通状態にする。すると、SIサイリスタ1310はノーマリオン型のスイッチング素子であってSIサイリスタ1310のアノード(A)・カソード(K)間は導通状態となっているので、昇圧トランス1308の1次側のコイル1318に電流が流れ、昇圧トランス1308の1次側のコイル1318と磁気的に結合された昇圧トランス1308の2次側のコイル1320に磁界の形でエネルギーが蓄積される。この状態においては、SIサイリスタ1310のゲート(G)に正バイアスが与えられるので、SIサイリスタ1310のアノード(A)・カソード(K)間の導通状態は維持される。
間隙1118の間隔が1〜5mmであり、DLC膜の形成に用いる処理ガスがヘリウムガスとメタンガスとテトラメチルシランガスとの混合ガスであってチャンバ1012の内部の圧力が50〜350Torrに調整される場合、DLC膜を形成するときに噴射体電極1006と支持体電極1010との間に0.5〜2.5kVのピーク電圧を有する直流パルス電圧を印加すれば噴射体電極1006と支持体電極1010との間にグロー状のプラズマ放電が発生することが期待された。しかし、DLC膜の0.5〜2.5kVを若干超えるピーク電圧を有するパルス電圧を噴射体電極1006と支持体電極1010との間に印加しても、実際には、安定したグロー状のプラズマ放電が発生しない場合がある。
ヒータ1010は、支持体電極1008の下方に設けられる。ヒータ1010は、例えば、遠赤外線を照射するセラミックヒータである。基板1902から離れて基板1902を加熱するセラミックヒータに代えて、基板1902に接触して基板1902を直接加熱するステージヒータ、シーズヒータ等を用いてもよい。
チャンバ1012は、ステンレス製の容器である。チャンバ1012の内部は、閉空間となっている。
プラズマ処理装置1002の被処理物の形状は特に制限されない。したがって、基板1902のような板形状を有する基体以外の基体、例えば、セラミックス成形用金型、切削加工用の工具、自動車用の部品等の表面にもプラズマ処理装置1002によりDLC膜が形成される。
図8は、鉄を主成分とする合金からなる基板1902を用いてDLC膜が表面に形成されたDLC膜形成体をプラズマ処理装置1002により製造する場合の製造の手順を示すフローチャートである。プラズマ処理装置1002の運転は、手動運転であってもよいし、コントローラによる自動運転であってもよいし、手動運転及びコントローラによる自動運転の混在であってもよい。
DLC膜形成体の製造にあたっては、まず、基板1902をアセトン等の有機溶媒により洗浄する(ステップS101)。
有機溶媒による洗浄の後に、チャンバ1012の内部に基板1902を収容する(ステップS102)。チャンバ1012の内部に収容された基板1902は、噴射体電極1006の下方において支持体電極1008の支持面1116に載置される。
チャンバの内部への基板1902の収容の後に、基板1902の表面を放電プラズマにより前処理し、基板1902の表面に付着した有機物、酸化膜等を除去する(ステップS103〜S106)。
放電プラズマによる前処理の後に、放電プラズマにより処理された基板1902の表面にアモルファスの炭化ケイ素膜を形成する(ステップS107,S108)。
炭化ケイ素膜の形成の後に、炭化ケイ素膜に重ねてDLC膜を形成する(ステップS109,S110)。
図9は、上述の製造の手順により製造されるDLC膜形成体1908の模式図である。図9は、DLC膜形成体1908の断面図である。
放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びDLC膜の形成のときの基板1902の温度は、150℃以上400℃以下に調整されることが望ましい。基板1902の温度がこの範囲内であれば、基体1902を損傷することなく処理が十分に行われるからである。
放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びDLC膜の形成のときの処理ガスの圧力は、50Torr以上350Torr以下に調整される。処理ガスの圧力がこの範囲を下回ると、処理の効率が低下し、この範囲を上回ると放電が不安定になるからである。なお、チャンバ1012の内部の圧力が高くなると、アーク放電が起こりやすくなるが、プラズマ処理装置1002では、複数の処理部1014の各々に対応してパルス電源1016をひとつずつ設けることにより、アーク放電による生産性の低下を抑制しているので、大きな問題とはならない。
放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びDLC膜の形成のときに直流パルスによる投入電力を噴射体電極1006の対向面1102と支持体電極1008の支持面1116とが対向する対向面積で除した単位面積あたりの投入電力は、50W/cm2以上であることが望ましい。単位面積あたりの投入電力がこの範囲内にあれば、処理が速くなり、生産性が向上するからである。
図10及び図11は、DLC膜の形成のときのチャンバ1012の内部の圧力P(Torr)及び誘導性素子のインダクタンスL(μH)を様々に変更し、噴射体電極1006と支持体電極1008との間の放電の状態を調べた実験結果を示すグラフである。図10及び図11のグラフでは、チャンバ1012の内部の圧力P(Torr)が横軸、誘導性素子のインダクタンスL(μH)が縦軸となっている。図10及び図11のグラフは、条件式(1)によって決まる安定したグロー状のプラズマ放電が発生するインダクタンスL(μH)の下限値及び上限値も示している。図10は、DLC膜の形成のときの単位面積あたりの投入電力Wが50W/cm2である場合、図11は、DLC膜の形成のときの単位面積あたりの投入電力Wが200W/cm2である場合の実験結果を示している。
この発明は詳細に説明されたが、上述の説明は全ての局面において例示であって、この発明は上述の説明に限定されない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
1006 噴射体電極
1008 支持体電極
1012 チャンバ
1016 パルス電源
1018 処理ガス供給回路
1020 排ガス排出回路
1026 圧力センサ
1902 基板
Claims (1)
- ダイアモンドライクカーボン膜を形成するダイアモンドライクカーボン膜形成装置であって、
チャンバと、
チャンバの内部にヘリウムガスとメタンガスとテトラメチルシランガスとを混合した処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
チャンバの内部の圧力を50Torr以上350Torr以下に調整する圧力調整機構と、
チャンバの内部に収容され1mm以上5mm以下の間隔の間隙を挟んで対向する電極対と、
誘導性素子に磁界の形で蓄積されたエネルギーを直流パルス電圧として放出し前記電極対に直流パルス電圧を繰り返し印加する誘導エネルギー蓄積型のパルス電源と、
を備え、
前記誘導性素子のインダクタンスL(μH)、前記チャンバの内部の圧力P(Torr)及び直流パルス電圧による投入電力を前記電極対の対向面積で除した単位面積あたりの投入電力W(W/cm2)が、
条件式:−1.3×W×Ln(P)+4.25×102×Ln(P)+4.7×W−1.4×103≧L≧0.8×P
を満たすダイアモンドライクカーボン膜形成装置。
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