JP5469395B2 - ダイアモンドライクカーボン膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイアモンドライクカーボン膜形成装置に関する。

非特許文献１は、大気圧付近の圧力下におけるプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によるダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の形成に関する。非特許文献１は、ＩＥＳ（Inductive Energy Storage）回路から電極対の間に直流パルス電圧を印加し、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとメタン（ＣＨ₄）ガスとの混合ガスにプラズマを発生させ、シリコン（Ｓｉ）からなる基板の表面にＤＬＣ膜を形成することに言及している。

大竹 尚登 他、５名、「シンセイシス・オブ・ダイアモンド・ライク・カーボン・フィルムス・バイ・ナノパルス・プラズマ・ケミカル・ベイパー・デポジション・アット・サブアトモスフェリック・プレッシャー（Synthesis of Diamond-like Carbon Films by Nanopulse Plasma Chemical Vapor Deposition at Subatmospheric Pressure）」、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）、日本応用物理学会、2004年、第43巻、第11A号、p.L1406-L1408

しかし、従来のＤＬＣ膜の形成においては、電極対の間に放電が発生することが期待されるピーク電圧を有する直流パルス電圧を電極対の間に印加しても、電極対の間の放電の状態が安定しない場合があった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、電極対の間の放電が安定するダイアモンドライクカーボン膜形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段を以下に示す。

第１の発明は、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。当該条件式におけるインダクタンスＬ（μＨ）は、トランスの巻線を前記誘導性素子として用いる実施の形態においては、前記電極対に接続される巻線から見た励磁インダクタンスである。

本発明によれば、電極対の間の放電の状態が安定する。

プラズマ処理装置の断面図である。 噴射体電極の斜視図である。 噴射体電極の縦断面図である。 直流パルス電圧の波形を示す図である。 ＩＥＳ電源の回路図である。 ＩＥＳ電源の回路図である。 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を示すグラフである。 ＤＬＣ膜形成体の製造の手順を示すフローチャートである。 ＤＬＣ膜形成体の断面図である。 放電の状態を調べた実験結果を示すグラフである。 放電の状態を調べた実験結果を示すグラフである。

＜１．概略＞
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。

＜２．プラズマ処理装置１００２＞
（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１に示すように、プラズマ処理装置１００２のリアクタ１００４は、処理ガスを噴射する噴射体（ノズル）を兼ねる噴射体電極（ノズル電極）１００６と、基板１９０２を支持する支持体を兼ねる支持体電極１００８と、基板１９０２を加熱するヒータ１０１０と、をチャンバ１０１２の内部に収容した構造を有する。

チャンバ１０１２の内部には、基板１９０２を処理する複数の処理部１０１４が配列される。処理部１０１４の数は、プラズマ処理装置１００２の仕様に応じて増減してもよく、１個としてもよい。

複数の処理部１０１４の各々には、噴射体電極１００６が１個ずつ設けられる。支持体電極１００８は、複数の処理部１０１４に共通となっている。複数の処理部１０１４の各々に個別の支持体電極を設けてもよい。

リアクタ１００４には、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繰り返し印加するパルス電源１０１６と、噴射体電極１００６に処理ガスを供給する処理ガス供給回路１０１８と、チャンバ１０１２の内部から排ガスを排出する排ガス排出回路１０２０と、チャンバ１０１２の内部に窒素ガス（Ｎ₂）を供給する窒素ガス供給回路１０２２と、チャンバ１０１２の内部に空気を供給する空気供給回路１０２４と、が接続される。また、リアクタ１００４には、チャンバ１０１２の内部の圧力を測定する圧力センサ１０２６と、基板１９０２の温度を測定する温度センサ１０２８と、チャンバ１０１２を冷却する冷却機構１０２６と、が設けられる。

望ましくは、パルス電源１０１６は、複数の処理部１０１４の各々に対応して１個ずつ設けられる。複数のパルス電源１０１６の各々は、対応する処理部１０１４の噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間に直流パルス電圧を印加する。これにより、複数の処理部１０１４の各々に直流パルス電圧が独立して印加され、一の噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間隙１１１８にアーク放電が発生しても、他の噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間への直流パルス電圧の印加への影響がないので、アーク放電による生産性の低下が抑制される。ただし、上述の利点は失われるものの、複数の処理部１０１４に共通のパルス電源を採用してもよい。

プラズマ処理装置１００２は、複数の処理部１０１４の各々において、噴射体電極１００６から処理ガスを噴射しつつ噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間に直流パルス電圧を印加することにより、噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間隙１１１８にある処理ガスに放電プラズマを発生させ、支持体電極１００８の支持面１１１６で支持された基板１９０２の表面を処理する。複数の処理部１０１４の各々において処理する基板１９０２は、１個であってもよいが、２個以上であってもよい。

（噴射体電極１００６）
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。

図２及び図３に示すように、噴射体電極１００６は、円柱の底面の近傍の径を底面に向かって連続的に細くした立体形状を有し、先細り部分の先端が対向面１１０２となっている。もちろん、底面の近傍だけでなく全体を先細り構造としてもよい。

噴射体電極１００６は、鉄、アルミニウム、鉄を主成分とする合金（例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等）、アルミニウムを主成分とする合金等からなることが望ましい。ただし、噴射体電極１００６の材質を変更してもよいし、噴射体電極１００６の表面をタングステン、クロム、ニッケル等でコーティングしてもよい。

図３に示すように、噴射体電極１００６の内部には、処理ガスのガスたまり１１０４と、ガスたまり１１０４から対向面１１０２へ至る処理ガスの流路１１０６と、非対向面１１０８からガスたまり１１０４へ至る処理ガスの流路１１１０とが形成される。これにより、対向面１１０２には、処理ガスの噴射孔１１１２が形成され、非対向面１１０８には、処理ガスの供給孔１１１４が形成される。「対向面」とは、噴射体電極１００６の表面のうちの支持体電極１００８の支持面１１１６と平行に対向し放電に寄与する範囲であり、「非対向面」とは、噴射体電極１００６の表面のうちの「対向面」を除く残余の範囲である。噴射体電極１００６は、対向面１１０２が水平になるように設置される。

噴射体電極１００６は、供給孔１１１４から処理ガスを受け取り、ガスたまり１１０４に処理ガスを一時的に貯留し、噴射孔１１１２から処理ガスを下方に噴射する。これにより、支持体電極１００８に支持された基板１９０２の表面に処理ガスが垂直に吹きつけられる。

なお、噴射体電極１００６の噴射孔１１１２から基板１９０２の表面に処理ガスを吹き付けることが望ましいが、噴射体電極１００６を経由しないで処理ガスをチャンバ１０１２の内部に供給してもよい。

（支持体電極１００８）
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。

支持体電極１００８も、鉄、アルミニウム、鉄を主成分とする合金（例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等）、アルミニウムを主成分とする合金等からなることが望ましい。ただし、支持体電極１００８の材質を変更してもよいし、支持体電極１００８の表面をタングステン、クロム、ニッケル等でコーティングしても良い。

支持体電極１００８は、「パンチングメタル」と称される部材である。

支持体電極１００８は、水平に設置され、支持面（上面）１１１６に載置された基板１９０２を下方から支持する。

（噴射体電極１００６及び支持体電極１００８の配置）
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及び支持体電極１００８の被覆）
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。

（処理ガス供給回路１０１８）
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。

処理ガス供給回路１０１８は、処理ガスが含有する成分ガスが合流する成分ガス合流配管１２０２と、成分ガス合流配管１２０２から噴射体電極１００６への処理ガスの流通経路となる処理ガス流通配管１２０４と、成分ガスの供給源１２０６から成分ガス合流配管１２０２への成分ガスの流通経路となる成分ガス流通配管１２０８と、処理ガス流通配管１２０４を処理ガスが流通することを許容又は阻止するバルブ１２１０と、成分ガス合流配管１２０２を成分ガスが流通することを許容又は阻止するバルブ１２１２と、成分ガス合流配管１２０２を流通する成分ガスの流量を制御する流量制御弁１２１４と、を備える。

複数の処理ガス流通配管１２０４の各々の一端は、１個の噴射体電極１００６の供給孔１１１４に接続される。複数の処理ガス流通配管１２０４の各々の他端は、成分ガス合流配管１２０２に接続される。複数の処理ガス流通配管１２０４の各々には、バルブ１２１０が１個ずつ挿入される。

複数の成分ガス流通配管１２０８の各々の一端は、１個の供給源１２０６に接続される。複数の成分ガス流通配管１２０８の各々の他端は、成分ガス合流配管１２０２に接続される。複数の成分ガス流通配管１２０８の各々には、バルブ１２１２及び流量制御弁１２１４が１個ずつ挿入される。

図１には、成分ガスの供給源１２０６として、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、水素（Ｈ₂）ガス、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）ガス及びメタン（ＣＨ₄）ガスの供給源が準備されている。もちろん、ケイ素（Ｓｉ）の原料となる成分ガスをテトラメチルシランガス以外のケイ素化合物のガスに変更してもよいし、炭素（Ｃ）の原料となる成分ガスをメタンガス以外の有機化合物のガスに変更してもよい。

処理ガス供給回路１０１８が処理ガスを供給する場合、処理ガスが含有する成分ガスが流通する成分ガス流通配管１２０８に挿入されたバルブ１２１２が開かれ、処理ガスが含有する成分ガスが流通する成分ガス流通配管１２０８に挿入された流量制御弁１２１４の開度が成分ガスの含有比が予定された含有比になるように調整され、バルブ１２１０が開かれる。これにより、予定された含有比で成分ガスを含有する処理ガスが噴射体電極１００６の噴射孔１１１２から基板１９０２の表面に向かって噴出する。

（排ガス排出回路１０２０）
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。

圧力制御弁１２２０は、排ガス流通配管１２１８に挿入され、バルブ１２２８は、排ガス流通配管１２２２に挿入される。バルブ１２３０及び流量制御弁１２３２は、希釈ガス流通配管１２２６に挿入される。

排ガス排出回路１０２０が排ガスを急速に排出する場合、バルブ１２２８が開かれ、真空ポンプ１２１６が運転される。

排ガス排出回路１０２０がチャンバ１０１２の内部の圧力を調整しながら排ガスを排出する場合、バルブ１２２８が閉じられ、チャンバ１０１２の内部の圧力が予定された圧力になるように圧力制御弁１２２０が調整され、真空ポンプ１２１６が運転される。

（窒素ガス供給回路１０２２）
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）
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。

（直流パルス電圧）
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。

グロー状のプラズマ放電を発生させる直流パルス電圧は、ピーク電圧が概ね０．１〜２０ｋＶ、半値幅ＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）が概ね１００〜５０００ｎｓ、立ち上がり時の電圧の時間上昇率ｄＶ／ｄｔが概ね０．１〜１００ｋＶ／μｓ、周波数が概ね１〜２００ｋＨｚの直流パルス電圧である。直流パルス電圧は、図４に示すように、極性が変化しない単極性の直流パルス電圧である。

グロー状のプラズマ放電が間隙１１１８に発生しているときには、図１に示すように、発光するプラズマ１９１０が間隙１１１８に観察される。

上述の説明において半値幅等の範囲を「概ね」としているのは、噴射体電極１００６及び支持体電極１００８の構造及び材質、間隙１１１８の間隔並びに処理ガスの圧力等のプラズマ処理装置１００２の構造や処理条件によっては、グロー状のプラズマ放電が発生する半値幅等の範囲が上述の範囲よりも広くなる場合があるからである。したがって、放電がグロー状のプラズマ放電になっているか否かは、実際の放電を観察して判断することが望ましい。

（パルス電源１０１６の形式）
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。

（スイッチング素子）
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。

（ＩＥＳ電源１３００）
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。

図５に示すように、ＩＥＳ電源１３００は、電気エネルギーを供給する直流電源１３０４と、直流電源１３０４の放電能力を強化するキャパシタ１３０６と、を備える。

直流電源１３０４の電圧は、ＩＥＳ電源１３００が発生させる直流パルス電圧のピーク電圧より著しく低い電圧であることが許容される。例えば、後述する昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８に発生させる１次側電圧Ｖ₁のピーク電圧が４ｋＶに達しても、直流電源１３０４の電圧は数１０〜数１００Ｖで足りる。この電圧の下限は後述するＳＩサイリスタ１３１０のラッチング電圧によって決まる。

キャパシタ１３０６は、直流電源１３０４と並列に接続される。キャパシタ１３０６は、直流電源１３０４のインピーダンスを見かけ上低下させる。

ＩＥＳ電源１３００は、さらに、昇圧トランス１３０８、ＳＩサイリスタ１３１０、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)１３１２、ゲート駆動回路１３１４及びダイオード１３１６を備える。

ＩＥＳ電源１３００では、直流電源１３０４と、昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８と、ＳＩサイリスタ１３１０のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間と、ＭＯＳＦＥＴ１３１２のドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間とが直列接続される。すなわち、昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８の一端が直流電源１３０４の正極に、昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８の他端がＳＩサイリスタ１３１０のアノードに、ＳＩサイリスタ１３１０のカソード（Ｋ）がＭＯＳＦＥＴ１３１２のドレイン（Ｄ）に、ＭＯＳＦＥＴ１３１２のソース（Ｓ）が直流電源１３０４の負極に接続される。これにより、直流電源１３０４からこれらの回路素子に電流を供給する閉回路が形成される。また、ＩＥＳ電源１３００では、ＳＩサイリスタ１３１０のゲート（Ｇ）がダイオード１３１６を介して昇圧トランス１３０８の１次側の一端と接続される。すなわち、ＳＩサイリスタ１３１０のゲート（Ｇ）がダイオード１３１６のアノード（Ａ）に、ダイオード１３１６のカソード（Ｋ）が昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８の一端（直流電源１３０４の正極）に接続される。ＦＥＴのゲート（Ｇ）・ソース（Ｓ）間には、ゲート駆動回路１３１４が接続される。

昇圧トランス１３０８は、１次側のコイル１３１８に与えられた直流パルス電圧をさらに昇圧して２次側のコイル１３２０に出力する。昇圧トランス１３０８の２次側のコイル１３２０の一端は支持体電極１００８に接続されるとともに接地され、他端は噴射体電極１００６に接続される。

ＳＩサイリスタ１３１０は、ゲート（Ｇ）に与えられる信号によりターンオン及びターンオフされる。

ＭＯＳＦＥＴ１３１２は、ゲート駆動回路１３１４から与えられる信号に応答してドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間の導通状態が変化するスイッチング素子である。ＭＯＳＦＥＴ１３１２のオン電圧ないしはオン抵抗は低いことが望ましい。また、ＭＯＳＦＥＴ１３１２の耐圧は直流電源１３０４の電圧より高いことを要する。

ダイオード１３１６は、ＭＯＳＦＥＴ１３１２がターンオフした直後にＳＩサイリスタ１３１０に蓄積されたキャリアを高速に引き抜き、ＳＩサイリスタ１３１０を高速にターンオフさせるために設けられる。

（ＩＥＳ電源１３００の動作）
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。

続いて、ゲート駆動回路１３１４からＭＯＳＦＥＴ１３１２へオン信号を与えることを中止し、ＭＯＳＦＥＴ１３１２のドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間を非導通状態にする。すると、ＳＩサイリスタ１３１０のゲート（Ｇ）からキャリアが電流駆動により高速に排出されＳＩサイリスタ１３１０のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間が非導通状態となるので、昇圧トランス１３０８の１次側のコイル１３１８への電流の流入が高速に停止される。これにより、誘導起電力が発生し、昇圧トランス１３０８の２次側のコイル１３２０に磁界の形で蓄積されたエネルギーが直流パルス電圧として放出される。

図６は、図５に示すＩＥＳ電源１３００に代えて採用されるＩＥＳ電源２３００の回路図である。図６に示すＩＥＳ電源２３００は、磁界を発生させる電流を流す１次側のコイル（誘導性素子）と直流パルス電圧を取り出す２次側のコイル（誘導性素子）１３２０とを磁気的に結合した昇圧トランス１３０８に代えて、磁界を発生させる電流が流されるとともに直流パルス電圧を取り出すコイル（誘導性素子）２３０８を備え、コイル２３０８の両端から直流パルス電圧を取り出す。

（安定したグロー状のプラズマ放電が発生する条件）
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。

そこで、安定したグロー状のプラズマ放電が発生する条件を調べたところ、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である場合は、直流パルス電圧を取り出す誘導性素子のインダクタンスＬ（μＨ）、ＤＬＣ膜の形成のときのチャンバ１０１２の内部の圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）及びＤＬＣ膜の形成のときの直流パルス電圧による投入電力を噴射体電極１００６と支持体電極１００８との対向面積で除した単位面積あたりの投入電力Ｗ（Ｗ／ｃｍ²）が以下の条件式（１）を満たせば、噴射体電極１００６と支持体電極１０１０との間のグロー状のプラズマ放電は安定することがわかった。

−１．３×Ｗ×Ｌｎ（Ｐ）＋４．２５×１０²×Ｌｎ（Ｐ）＋４．７×Ｗ−１．４×１０³≧Ｌ≧０．８×Ｐ・・・（条件式１）

プラズマ処理装置１００２が複数のパルス電源１０１６を備える場合、条件式（１）におけるインダクタンスＬ（μＨ）は、１個のパルス電源１００６が備える誘導性素子のインダクタンスである。投入電力Ｗは、１個のパルス電源１００６から投入される電力である。また、条件式（１）におけるインダクタンスＬ（μＨ）は、誘導性素子がトランスである実施の形態においては、２次側のコイル１３２０の励磁インダクタンスである。

インダクタンスＬがこの下限値より小さくなると、噴射体電極１００６と支持体電極１０１０との間の放電の状態が不安定になりやすくなる。一方、インダクタンスＬがこの上限値より大きくなると、噴射体電極１００６と支持体電極１０１０との間にアーク放電が発生しやすくなる。

直流パルス電圧による投入電力は、１秒間の直流パルス電圧の繰り返し数及び直流パルス電圧を発生させるときに直流パルス電圧を取り出す誘導性素子に蓄積されるエネルギーによって調整される。直流パルス電圧を取り出す誘導性素子に蓄積されるエネルギーは、直流電源１３０４の電圧及びＭＯＳＦＥＴ１３１２のゲートにオン信号を与える時間の長さによって調整される。

図７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である場合の条件式（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の下限値及び上限値を示すグラフである。図７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７に示すように、チャンバ１０１２の内部の圧力Ｐが５０〜３５０Ｔｏｒｒの範囲内においては、チャンバ１０１２の内部の圧力Ｐが高くなるほど、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は大きくなる傾向がある。

その一方で、チャンバ１０１２の内部の圧力Ｐが５０Ｔｏｒｒを大きく下回る高真空の圧力下においては、一般的に言って、チャンバ１０１２の内部の圧力Ｐが高くなるほど、安定したグロー状のプラズマ放電が発生する印加電圧が低下し、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は小さくなる。したがって、高真空の圧力下におけ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に関する知見から大気圧付近の圧力下における条件式（１）を導くことはできない。

なお、チャンバ１０１２の内部の圧力Ｐが高くなるほど、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が大きくなる傾向は、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でない場合も同様である。

（ヒータ１０１０）
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）
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。

（被処理物）
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。

基板１９０２の材質も特に制限されない。ただし、プラズマ処理装置１００２は、体積抵抗率が小さい物質、例えば、半導体に用いられる高純度で体積抵抗率が小さいシリコンよりも体積抵抗率がさらに小さい金属又は合金からなる導電性の基板１９０２の表面にＤＬＣ膜を形成する場合に好適に用いられる。これは、導電性の基板１９０２の表面にＤＬＣ膜を形成する場合、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からである。

半導体に用いられる高純度で体積抵抗率が小さいシリコンよりも体積抵抗率がさらに小さい金属又は合金の例は、鉄又は鉄を主成分とする合金、例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等である。ステンレス鋼には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４０等があり、ダイス鋼には、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１等があり、ハイスピード鋼には、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５５等がある。

この他、被処理物の材質の他の例として、アルミニウム又は銅を主成分とする合金があげられる。

＜３．ＤＬＣ膜形成体の製造＞
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。

（有機溶媒による洗浄）
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）。

（チャンバの内部への収容）
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。

（放電プラズマによる前処理）
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にあたっては、まず、温度センサ１０２８で基板１９０２の温度を監視しながらヒータ１０１０で基板１９０２を加熱し、基板１９０２の温度を調整する（ステップＳ１０３）。

続いて、基板１９０２の温度を維持しつつ、排ガス排出回路１０２０により基板１９０２が収容されたチャンバ１０１０の内部の圧力を調整するとともに（ステップＳ１０４）、処理ガス供給回路１０１８により基板１９０２が収容されたチャンバ１０１０の内部へ処理ガスを供給する（ステップＳ１０５）。

放電プラズマによる前処理に用いる処理ガスは、１００体積部のヘリウムガスに１体積部以上１０体積部以下のアルゴンガスを混合した混合ガスであることが望ましく、１００体積部のヘリウムガスに１体積部以上１０体積部以下のアルゴンガス及び１体積部以上１０体積部以下の水素ガスを混合した混合ガスであることがさらに望ましい。

さらに続いて、基板１９０２の温度、チャンバの内部の圧力及び処理ガスにおける成分ガスの混合比を維持しつつ、処理ガスの供給を継続しながら基板１９０２を挟んで対向する噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間に直流パルス電圧を繰り返し印加しチャンバ１０１２の内部の処理ガスにグロー状のプラズマ放電を発生させる（ステップＳ１０６）。これにより、処理ガスに放電プラズマが発生し、放電プラズマが基板１９０２の表面に作用し、基板１９０２の表面が放電プラズマにより処理される。

（炭化ケイ素膜の形成）
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にあたっては、まず、基板１９０２の温度及びチャンバ１０１２の内部の圧力を維持しつつ、処理ガス供給回路１０１８により基板１９０２が収容されたチャンバ１０１０の内部へ処理ガスを供給する（ステップＳ１０７）。

炭化ケイ素膜の形成に用いる処理ガスは、１００体積部のヘリウムガスに０．１体積部以上５体積部以下のテトラメチルシランガスを混合した混合ガスであることが望ましい。

続いて、基板１９０２の温度、チャンバ１０１２の内部の圧力及び処理ガスにおける成分ガスの混合比を維持しつつ、処理ガスの供給を継続しながら基板１９０２を挟んで対向する噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間に直流パルス電圧を繰り返し印加し、チャンバ１０１２の内部の処理ガスの中にグロー状のプラズマ放電を発生させる（ステップＳ１０８）。これにより、処理ガスに放電プラズマが発生し、基板１９０２の表面に炭化ケイ素膜が形成される。

（ＤＬＣ膜の形成）
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）。

ＤＬＣ膜の形成にあたっては、基板１９０２の温度及びチャンバ１０１２の内部の圧力を維持しつつ、処理ガス供給回路１０１８により基板１９０２が収容されたチャンバ１０１０の内部へ処理ガスを供給する（ステップＳ１０９）。

ＤＬＣ膜の形成に用いる処理ガスは、１００体積部のヘリウムガスに０．１体積部以上３０体積部以下のメタンガス及び０．０５体積部以上２．０体積部以下のテトラメチルシランガスを混合した混合ガスであることがさらに望ましい。

続いて、基板１９０２の温度、チャンバ１０１２の内部の圧力及び処理ガスにおける成分ガスの混合比を維持しつつ、処理ガスの供給を継続しながら基板１９０２を挟んで対向する噴射体電極１００６と支持体電極１００８との間に直流パルス電圧を繰り返し印加し、処理ガスにグロー状のプラズマ放電を発生させる（ステップＳ１１０）。これにより、処理ガスに放電プラズマが発生し、炭化ケイ素膜に重ねてＤＬＣ膜が形成される。

（ＤＬＣ膜形成体１９０８の構造）
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。

図９に示すように、ＤＬＣ膜形成体１９０８は、基板１９０２の表面に炭化ケイ素膜１９０４が形成され、炭化ケイ素膜１９０４の表面にＤＬＣ膜１９０６が形成された積層構造を有する。

（基板１９０２の温度）
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。

基板１９０２の温度は、放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びＤＬＣ膜の形成を通して一定に維持される必要はなく、放電プラズマによる前処理のときの基板１９０２の温度、炭化ケイ素膜の形成のときの基板１９０２の温度及びＤＬＣ膜の形成のときの基板１９０２の温度の全部又は一部を異ならせてもよい。

（処理ガスの圧力）
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。

処理ガスの圧力は、放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びＤＬＣ膜の形成を通して維持される必要はなく、放電プラズマによる前処理のときの処理ガスの圧力、炭化ケイ素膜の形成のときの処理ガスの圧力及びＤＬＣ膜の形成のときの処理ガスの圧力の全部又は一部を異ならせてもよい。

放電プラズマによる前処理、炭化ケイ素膜の形成及びＤＬＣ膜の形成をひとつのチャンバ１０１２の内部で行うことは必須ではなく、別々のチャンバ１０１２の内部で行ってもよい。この場合、ロボットアーム、搬送ベルト等により一のチャンバ１２０２から他のチャンバ１２０２へ基板１９０２が搬送される。

（投入する電力）
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。

また、直流パルスによる投入エネルギーは１パルスあたり１ｍＪ以上１０ｍＪ以下であることが望ましい。

＜４．実験＞
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。

図１０及び図１１に示すように、条件式（１）によって決まる上限値及び下限値の範囲内においては、安定したグロー放電が発生したが、当該上限値を上回ると、アーク放電が発生しやすくなる傾向があり、当該下限値を下回ると放電が不安定になる傾向があった。

＜５．その他＞
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。

１００２ プラズマ処理装置
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)

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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