JPS61238962A - 膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はキャリアガスとモノマーガスの単体もしくは混
合ガスをプラズマ化し、プラズマ中のイオン種を加速し
つつ基体に噴射して膜を形成するプラズマＣＶＤ法及び
その製造装置に関するものである。

従来の技術 急速に進歩しており、高分子薄膜の形成やシリコンウェ
ハのエツチングは工業的に実用化されている。最近では
硬度、摩擦係数、熱伝導率、光透過率、比抵抗等の諸特
性がダイヤモンドに近い特性を示す高硬度炭素膜を、プ
ラズマを利用して形成することも報告されている。（瀬
高他「応用物理学会学術講演会予稿集昭５７年秋Ｊ３０
ｐ−Ｙ−８他）高硬度炭素膜は諸特性がダイヤモンドに
近いことから固体潤滑膜、半導体のパッシベーション膜
。

光学部品の保護膜等への応用が期待されるが、まだ研究
室の試作段階で実用化にはいたっていない。

以下に高硬度炭素膜の形成を例にとって従来の方法及び
装置について説明する。

従来から報告されているプラズマを利用した硬高度炭素
膜形成方法はＰＶＤ法とＣＶＤ法に大別される。第４図
にＣＶＤ法の一例であるプラズマＣＶＤ法の従来例を示
す。（手塚他［第４５回応用物理学会学術講演会予稿集
Ｊ、１９８４年、　Ｉ）２１４　）この従来例ではモノ
マーガスとしてアセチレンガス２１を使用し、ガラス管
１４内に導入して適当な圧力に保持する。負電極１６と
正電極１了との間に直流電源１９により直流電圧を印加
し直流グロー放電プラズマを発生させると共に、フィラ
メント１６によるアセチレンガス２１の熱分解およびフ
ィラメント１６から放出される熱電子とによってプラズ
マ化を促進している。この従来例では基体１８上で熱エ
ネルギにより炭素−水素結合を分解し形成膜中の残留水
素を減らして膜特性を向上させるために、基体加熱用電
源２０により基体１８をＳＯＯ〜１ｏｏＱ℃に通電加熱
している。

またこの従来例で形成する膜の成膜速度は約４００Ａ／
ｍｉｎ　である。

第６図にＰＶＤ法の一例であるイオン化蒸着法の概略を
示す。（熊田他「応用物理学会学術講演予稿集」昭６６
年秋、９ａ−Ｔ−４）。この従来ス 例ではモノマーガとしてメタンガスを使用し、加１熱し
たフィラメント２６及びフィラメント２６が放出する熱
電子により熱分解、イオン化を行なう。

この時フィラメント２６の外部に設けた外部コイル２７
で磁界を発生させることにより熱電子はら旋状に運動す
るためイオン化は促進する。こうしてイオン化された粒
子は上部の網目状電極２４に負のバイアスを印加するこ
とで加速され、基体２９上に膜を形成する。本従来例に
おいても形成膜中の残留水素を取り除くために基体２９
をヒーター２２により加熱している。加えて高速に加速
されたイオン粒子が基体２９に衝突することでも基体２
９温度は上昇し、４００〜７００　’Ｃにも達する。

発明が解決しようとする問題点 従来の高硬度炭素膜形成方法の中には、極めてダイヤモ
ンドに近い特性、構造をもった膜の形成が報告されてい
る。しかしいずれも研究室段階のレベルであり、実用化
については数々の問題点がある。以下にその問題点を述
べる。

第１の問題点は基体の温度上昇である。これはＣＶＤ法
、ＰＶＤ法に共通した問題で、特にＣＶＤ法では先に述
べたように熱エネルギによりＣ−Ｈ結合を熱分解する必
要があり、通電加熱、ヒーターあるいはフィラメント等
により基体温度を７００℃以上に加熱昇温しでいる。ま
だＰＶＤ法でも形成膜中の残留水素を減らす手段として
基体の加熱昇温を行なっているか、あるいはＰＶＤ法の
多くは基体もしくは基体付近に設けた電極に負のバイア
ス電圧を印加してイオン化した粒子を基体方向に加速さ
せており、加速した粒子が基体に衝突することで必然的
に基体温度は上昇する。このように従来の方法では基体
温度が高くなるため使用で、きる基体材料は限定され、
応用分野は極めて狭くなる。

第２の問題点は成膜速度が小さいことである。

従来の高硬度炭素膜形成方法では外部コイルによる磁場
の印加、フィラメントの熱電子利用等によりプラズマ化
を促進しているが、その成膜速度は数１０〜数１００　
、Ａ／’ｍｉｎがほとんどで、最大のものでも１０００
Ａ／’ｍｉｎ　であり工業化には苦しい。

第３の問題点はキャリアガスとして水素を使用すること
である。従来の方法では形成膜中の残留水素の除却、プ
ラズマ中の活性種の反応促進、ダイヤモンドの成長と同
時に進行する黒鉛状炭素の抑制などを目的として水素ガ
スを導入する。水素ガスは酸素ガスとの反応で爆発する
危険性があり、真空容器からの漏れ、残留空気等の管理
を十分に行なわなければならず、排気処理も「不活性ガ
スを混入して爆発濃度以下にして排気するｊなどの特殊
処理が必要となる。

第４の問題点は装置構成が複雑になることである。先に
述べたように水素という爆発性のある気体を使用するた
め防爆対策などの特殊構造が必要になる。また、ＰｖＤ
法ではプラズマ中のイオンを十分加速させるため少なく
とも１０Ｔｏｎ以上の高真空装置が必要となる。ＣＶＤ
法では先に述べたように基板加熱用装置（例えばヒータ
ー）が必要になるなど装置構成が複雑になる。以上のよ
うに従来の高硬度炭素膜形成装置では構成が複雑になり
工業化には適していない。

また、従来の装置では基体全体をプラズマ中にさらすだ
め局部的に成膜することはむずかしく、しかも既存の真
空装置（例えば蒸着装置、スパンタリング装置等）にそ
の機能をそこなうことなく応用設置することができない
。そのため既存の生産ラインに高硬度炭素膜形成工程を
導入する場合には、全く新しい専用の真空装置が必要と
なり模大な設備費用が必要となる。

以上の問題点を解決するために、我々は新しい高硬度炭
素膜の形成方法及びその装置を考案した。

これは一つの真空容器内にプラズマ発生部、プラズマ中
のイオンを加速するプラズマ加速部、加速したイオンを
含むプラズマを基体に噴射するプラズマ噴射部を備え、
プラズマ発生部、プラズマ噴射部に少なくとも一つ以上
の加速電極を設けて、加速電極と基体・基体設置台間も
しくは、加速電極間に電位差を設けた構成の加速方法に
よシプラズマ中のイオンを加速し基体に噴射するもので
ある。この時真空容器中のプラズマ流が粘性流であるた
め、加速イオンと共に電子、中性種、活性種も噴射され
膜を形成する。我々はこの成膜方法をプラズマ・インジ
ェクションＣＶＤ法と称している（以下Ｐ　ｌ−ＣＶＤ
と略称する）・第６図にＰＩ−ＣＶＤ法の実施例を示す
。キャリアガスとしてアルゴンガス、モノマーガスとし
て炭化水素ガス（例えばＣＨ４ガス）を使用し、これを
第１真空容器３１中に導入する。第１真空容器３１の外
部に巻回した励起コイル３ｏに高周波電源３アから高周
波電力を印加することにより導入ガスをプラズマ化する
。プラズマ発生部又は噴射部に設けた加速電極３３と基
体３４又は基体設置台３５との間に、加速電極３３が接
地電位、基体３４・基体設置台３５が負電位の電位差を
もうけ、プラズマ中のイオンを基体３４方向に加速する
。この時第１真空容器３１中のプラズマ流は粘性流のた
め、電子、中性種を含んだプラズマが加速されたイオン
とともに基体３４に噴射され膜を形成する。この方法で
形成された膜は基体３４・基体設置台３５の負電位値に
より膜質が大きく変化し、第７図に示すように負電位値
が大きいほど硬くなる。加速電極４と基体３９間の電位
状態を第８図に示す。電位勾配は加速電極（接地電位）
４１と基体３９との間で一定ではなく基体３９の近傍で
急激に犬きくなる。（一般に電位勾配が急激に大きくな
る領域をシース域と称している）。

従ってプラズマ中のイオンも基体３９近傍で急激に吸引
加速され基板３４に衝突して膜を形成する。

しかしながらこの方法でも下記に述べる問題点があった
。第１の問題点は、負電位を印加する基体３４・基体設
置台３６が第２真空容器３２中に設置されるため、加速
電極３３と同電位である第２真空容器内壁と基体３４・
基体設置台３５との間に放電が発生しやすくなり、十分
な負電位を印加することが困難になることである。第２
の問題点は成膜速度が遅くなることである。これは励起
コイル３０とプラズマ噴射部３８との間に加速電極３３
が設置されるため、高周波電力は噴射部３８に届かずこ
れによるプラズマも発生しないことに加え、プラズマ発
生部で生じたプラズマ中のイオン、中性種等の一部が加
速電極３３にトラップされるだめである。

本発明は前記問題点−を解決するもので、先に説明した
Ｐ　ｌ−ＣＶＤ法の利点を生かしつつ、基体・基体設置
台と第２真空容器内壁との間の放電を発生しにくくシ、
成膜速度のより速い新しいＰＩ−ＣＶＤ法及び装置を提
供するものである。

問題点を解決するだめの手段 上記問題点を解決する本発明の技術的手段は、２つの真
空容器からなる装置構成とし、非磁性材料で構成した第
１真空容器中に、炭化水素ガス。

アルゴンガスを主成分とする混合ガスを励起するプラズ
マ発生部と、プラズマ中のイオンを加速する加速部と、
第２真空容器中に設置した基体にプラズマを噴射するプ
ラズマ噴射部を備えたことであり、加速電極と基体との
間に励起コイルの少なくとも一部が位置する構成の加速
手段によシ、加速されたイオンを含むプラズマ流をもれ
なく基体に噴射することで高硬度炭素膜等を形成するも
のである。

作　　用 本発明は上記装置構成にすることで、プラズマ発生部で
励起されたプラズマ中のイオンを加速しつつ基体にプラ
ズマを損失なく噴射することにより高能率で均質な高硬
度炭素膜等を形成することができる。また基板全体がプ
ラズマにさらされないため基体温度上昇が少なく、プラ
ズマ噴射部の形状を変えることで任意の範囲で成膜する
ことができる。また第１真空容器内にプラズマ発生部。

プラズマ加速部、プラズマ噴射部を備えることで、２つ
の真空容器を分離可能にしておけば第１真空容器を単一
ユニットとして取扱うことが可能となり、既存の真空装
置にもその機能を損うことなく簡単に応用設置すること
ができる。

実施例 第１図は本発明のＰ　ｌ−ＣＶＤ装置の実施例を示す概
略図である。第２真空容器２の内部の基体設置台１２に
膜を形成しようとする基体１１を配置し、ニードルパル
プ７ａ　、７ｂを閉じた状態で真空ポンプを作動させ、
非磁性材料からなる第１真空容器および第２真空容器の
内部を真空に排気する。真空度が少なくとも１０Ｐａ程
度に達しだ後に、プラズマ化しようとするガス（キャリ
アガス５．モノマーガス６）を第１真空容器１内に導入
する。実施例においてはキャリアガスとしてアルゴンガ
ス、モノマーガスとして炭化水素ガスを使用し、必要に
応じてニードルパルプ７ａ、７ｂを調節することにより
単独もしくは同時に供給することができる。所定のガス
導入により第１真空容器内のガス圧を１０〜２０Ｐａ程
度の圧力とした後、高周波電力８から励起コイル３に高
周波電力を印加すると、誘導結合によって第１真空容器
１内のガスが励起されプラズマ化する。

この状態で直流電源１ｏによシ第１真空容器１内に配置
された加速電極９（例えば網目状の電極）と基体１１・
基体設置台１２との間に数百７以上の電位差を設けると
、プラズマ中のイオンが基体１１に向って加速され、プ
ラズマ噴射部から噴射されて基体１１表面に衝突する。

この時、プラズマガスは粘性流の状態であり、イオンと
共にプラズマ中の電子、中性種、活性種も同時に基体１
１の表面に到達する。

第１真空容器１内の加速電極８は、励起コイル３の少な
くとも一部が加速電極８とプラズマ噴射部１３との間に
位置するように配置するのが望ましい。これは加速電極
９を励起コイル３とプラズマ噴射部１３の間に位置する
よう配置した時、加速電極９とプラズマ噴射部１３の間
では加速電極９により高周波がしゃ断され＼ガスが励起
されにくくなるとともに、励起コイル３で生じたプラズ
マ中のイオン、活性種の一部が加速電極９にトラップさ
れることで成膜速度が遅くなることを防５ぐためである
。第２図に本実施例において例えばアルゴンガス圧５．
０Ｐａ、炭化水素ガス５．ＯＰａ、加速電極９と基体１
１との間の電位差をｏ、ｓＫＶに設定し、加速電極９の
位置を変えた時の高周波電力と成膜速度との関係を示す
。

第２図から明らかなように、加速電極９を励起コイル３
とプラズマ噴射部１３との間に配〔セる場合、高周波電
力を増加しても成膜速度は変化しな−いのに対し、励起
コイル３の少なくとも一部が加速電極９とプラズマ噴射
部１３との間に位置するように加速電極９を配置すると
、高周波電力の増加に伴なって成膜速度は大きくなり数
十Ｗ以上で一定となる。この時の成膜速度は、加速電極
９を励起コイル３とプラズマ噴射部１３との間に配置す
る構成に比べ約１．５　倍になる。

また、加速電極９と基体１１または基体設置台１２との
間に電位差を設ける時、基体１１．基体設置台１２は接
地電位が望ましい。これは先に述べたように、基体１１
・基体設置台１２が負■電位をもつと第２真空容器２内
壁との間で放電が発生しやすくなり、加速電極９との電
位差を十分に設定できないからである。第３図に、加速
電極９と基体１１との間に基体１１を接地電位として電
位差を設けた時の電位勾配を示す。励起コイル３で発生
したプラズマ中のイオンは、シース域で加速電極９との
クーロン反発力により基体１１方向へ急激に加速され、
その後エネルギーを徐々に損失しつつも基体１１に衝突
する。また、この時プラズマガスは粘性流の状態であり
、イオンの加速にも助長されイオンと共にプラズマ中の
電子。

中性種、活性種も同時に基体１１の表面に到達し成膜す
る。このようにアルゴン、炭化水素の混合ガスのプラズ
マをプラズマ中のイオンを加速しつつ基体１１の表面に
噴射すると、基体１１上にはアルゴン、水素を微量に含
む炭素膜が形成され、その結合は巨視的に見れば非晶質
であるが微視的にはダイヤモンドに近い結合を含み、極
めて高い硬度を有する。本実施例においてはマイクロビ
ッカース硬さ３０００　ｋＬｊ／、−以上の高硬度炭素
膜を形成することができた。また膜は透明で屈折率２．
０〜２．４（波長６３２８人）であった。

成膜速度は先に述べたように２０００〜３０００Ｖ分で
、従来のＣＶＤ法、ＰＶＤ法に対して２〜１゜倍程度高
くなっており、成膜処理中の基体１１は温度上昇がほと
んど認められず（１０分間の成膜時間で約５℃上昇）室
温状態を保っている。本実施例では混合ガスのプラズマ
化の手段として高周波による誘導結合を用いたが、他に
直流グロー放電、マイクロ波放電でもかまわない。

以上のようにこの実施例では高硬度炭素膜の形成にづい
て説明したが、他にも気体状態から膜を形成する（例え
ばＳ　Ｉ　Ｈ４ガス＋ＣＨ４ガス→ＳｉＣ膜、ＴＬＣｔ
ガス十ＮＨ３ガス→Ｔｉ３Ｎ４膜など）場合には本発明
のＰ　Ｉ　−ＣＶＤ法は有効である。

発明の効果 以上述べたように、本発明によれば高硬度炭素膜を基体
を加熱することなくかつ高能率で形成することができる
と共に、既存の真空装置にその機能を損なうことなく容
易に設置することができ、実用的に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における膜形成装置の原理図、
第２図は同実施例を用いて実験を行なった時の一結果を
示す特性図、第３図は同実施例における第１真空容器中
の電位状態を示す特性図、第４図は従来のＣＶＤ装置の
一例を示す原理図、第５図は従来のＰＶＤ装置の一例を
示す原理図、第６図は従来のＰ　ｌ−ＣＶＤ装置の一実
施例を示す原理図、第７図は従来のＰ　ｌ−ＣＶＤ装置
の実施例を用いて実験を行なった時の一結果を示す特性
図、第８図は従来のＰ　ｌ−ＣＶＤ装置の実施例におけ
る第１真空容器中の電位状態を示す特性図である。 １・・・・・・第１真空容器、２・・・・・・第２真空
容器、３・・・・・・励起コイル、９・・・・・・加速
電極、１１・・・・・・基体、１３・・・・・・プラズ
マ噴射部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 高周波電力（Ｗン 第４図 第５図 第　６　区 真空ポンプへ 第７図 基本６番体設置台電位（ＫＶ） 第８図 （１岡１１１」＝ヒノ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）キャリアガス、モノマーガスをイオン種、ラジカ
   ル種、中性種及び電子を含むプラズマ状態に励起し、プ
   ラズマ中のイオン種を加速しつつ基体に噴射し膜を形成
   する膜形成方法。
2. （２）イオン種の加速方法としてクーロン反撥力を利用
   する特許請求の範囲第１項記載の膜形成方法。
3. （３）第１真空容器と、この第１真空容器の外部に巻回
   した励起コイルと、前記第１真空容器に導入するキャリ
   アガス及びモノマーガスを高周波の誘導結合によりプラ
   ズマ化するプラズマ発生部と、このプラズマ発生部で発
   生したプラズマ中のイオン種を加速する加速手段と、第
   ２真空容器とこの第２真空容器中に設置した基体にプラ
   ズマを噴射するための基体と対向するプラズマ噴射口と
   を備えた膜形成装置。
4. （４）プラズマ中のイオン種を加速する加速手段が、プ
   ラズマ発生部中にプラズマ噴射口と対向する加速電極を
   設け、この加速電極と基体又は基体設置台との間に加速
   電極が高電位となるよう電位差を設ける構成の特許請求
   の範囲第３項記載の膜形成装置。
5. （５）加速電極と基体又は基体設置台との間に、励起コ
   イルの少なくとも一部が位置するよう加速電極を配置す
   る構成の特許請求の範囲第４項記載の膜形成装置。
6. （６）基体又は基体設置台を接地電位に設定した特許請
   求の範囲第４項記載の膜形成装置。