JP2013251367A - Plasma cvd deposition apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma CVD deposition apparatus configured to suppress deformation of electrodes due to film deposition.SOLUTION: A plasma CVD deposition apparatus includes: a chamber; an anode electrode that includes a loading surface configured to load thereon a substrate as a film formation processing object, and is disposed in the chamber; a cathode electrode that is disposed oppositely to the loading surface in the chamber and is formed of a carbon material whose surface is at least partially coated with glassy carbon; and an AC power source configured to bring process gas into a plasma state between the anode electrode and the cathode electrode by supplying an AC power between the anode electrode and the cathode electrode.

Description

本発明は、プラズマを形成して成膜を行うプラズマCVD成膜装置に関する。   The present invention relates to a plasma CVD film forming apparatus for forming a film by forming plasma.

半導体装置の製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜、エッチング、アッシングなどの処理にプラズマ処理装置が用いられている。例えば成膜装置として、平行平板を構成するカソード電極とアノード電極間にプラズマを形成して成膜処理を行うプラズマ化学気相成長(CVD)成膜装置が知られている。プラズマCVD成膜装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。例えば、複数の電極板を用意し、それぞれの電極板に基板を配置することで処理能力を向上させたプラズマCVD成膜装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In the manufacturing process of a semiconductor device, a plasma processing apparatus is used for processes such as film formation, etching, and ashing because of high-precision process control. For example, as a film forming apparatus, a plasma chemical vapor deposition (CVD) film forming apparatus is known in which a plasma is formed between a cathode electrode and an anode electrode constituting parallel plates to perform a film forming process. In the plasma CVD film forming apparatus, the raw material gas is turned into plasma by high frequency power or the like, and a thin film is formed on the substrate by a chemical reaction. For example, there has been proposed a plasma CVD film forming apparatus in which a plurality of electrode plates are prepared and a processing capacity is improved by arranging a substrate on each electrode plate (see, for example, Patent Document 1).

国際公開第02/20871号パンフレットInternational Publication No. 02/20871 Pamphlet

プラズマCVD成膜装置では、アルミニウム(Al)やその合金、ステンレス(SUS)などの金属材料がカソード電極に用いられている。   In the plasma CVD film forming apparatus, a metal material such as aluminum (Al), an alloy thereof, and stainless steel (SUS) is used for the cathode electrode.

基板に薄膜を形成する際に、基板のみならずアノード電極やカソード電極にも膜が堆積する。この堆積膜の膜厚が一定量を超えると、膜の応力によってアノード電極やカソード電極の変形や破損が生じる。その結果、膜厚分布の異常や成膜レートの低下などの問題が生じる。また、電極の変形が生じない場合でも、膜が厚く堆積するとカソード電極やアノード電極の表面の粗度が大きくなる。表面の粗度が大きくなるにつれて、成膜処理開始直後と比較してプラズマ状態が変化し、成膜レートの変動や膜質の変動などの問題が生じる。   When a thin film is formed on a substrate, the film is deposited not only on the substrate but also on the anode electrode and the cathode electrode. When the thickness of the deposited film exceeds a certain amount, deformation or breakage of the anode electrode or the cathode electrode occurs due to the stress of the film. As a result, problems such as an abnormal film thickness distribution and a decrease in film formation rate occur. Even when the electrode is not deformed, if the film is deposited thick, the roughness of the surface of the cathode electrode or the anode electrode increases. As the surface roughness increases, the plasma state changes compared to immediately after the start of the film formation process, and problems such as film formation rate fluctuations and film quality fluctuations occur.

これらの問題を回避するために、一定期間の成膜処理の後に、薬用洗浄やサンドブラストなどの機械洗浄によってカソード電極やアノード電極をクリーニングする必要がある。このクリーニング頻度が高いと、成膜装置の稼働率を下げるだけでなく、メンテナンスコストが増大する。   In order to avoid these problems, it is necessary to clean the cathode electrode and the anode electrode by mechanical cleaning such as medicinal cleaning or sand blasting after the film formation process for a certain period. When the cleaning frequency is high, not only the operation rate of the film forming apparatus is lowered, but also the maintenance cost increases.

上記問題点に鑑み、本発明は、膜の堆積に起因する電極の変形が抑制されたプラズマCVD成膜装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a plasma CVD film forming apparatus in which deformation of an electrode due to film deposition is suppressed.

本発明の一態様によれば、(イ)チャンバーと、(ロ)成膜処理対象の基板が搭載される搭載面を有し、チャンバー内に配置されたアノード電極と、(ハ)チャンバー内で搭載面と対向するように配置された、少なくとも表面の一部がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるカソード電極と、(ニ)アノード電極とカソード電極間に交流電力を供給して、アノード電極とカソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源とを備えるプラズマCVD成膜装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, (a) a chamber, (b) a mounting surface on which a substrate to be deposited is mounted, an anode electrode disposed in the chamber, and (c) A cathode electrode made of a carbon material at least partially coated with glassy carbon, disposed so as to face the mounting surface; and (d) supplying AC power between the anode electrode and the cathode electrode, There is provided a plasma CVD film forming apparatus including an AC power source for bringing a process gas into a plasma state between an electrode and a cathode electrode.

本発明によれば、膜の堆積に起因する電極の変形が抑制されたプラズマCVD成膜装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the plasma CVD film-forming apparatus with which the deformation | transformation of the electrode resulting from film deposition was suppressed can be provided.

本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のアノード電極の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the anode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の例を示す模式図であり、図4(a)は上面図、図4(b)は図4(a)のIV−IV方向に沿った断面図である。It is a schematic diagram which shows the example of the discharge structure formed in the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Fig.4 (a) is a top view, FIG.4 (b) is a figure. It is sectional drawing along the IV-IV direction of 4 (a). 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の他の例を示す模式図であり、図5(a)は上面図、図5(b)は図5(a)のV−V方向に沿った断面図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the discharge structure formed in the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Fig.5 (a) is a top view, FIG.5 (b) These are sectional drawings along the VV direction of Fig.5 (a). 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の更に他の例を示す模式図であり、図6(a)は斜視図、図6(b)は図6(a)のVI−VI方向に沿った断面図である。FIG. 6A is a schematic view showing still another example of the discharge structure formed on the cathode electrode of the plasma CVD film forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6A is a perspective view, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the VI-VI direction of FIG. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極の他の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the other structure of the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極の更に他の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the further another structure of the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置のカソード電極の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cathode electrode of the plasma CVD film-forming apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic. Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiment of the present invention has the following structure and arrangement of components. It is not something specific. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置1は、図1に示すように、チャンバー10と、成膜処理対象の基板100が搭載される搭載面200を有し、チャンバー10内に配置されたアノード電極20と、チャンバー10内で搭載面200と対向するように配置された、少なくとも表面の一部がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるカソード電極30と、アノード電極20とカソード電極30間に交流電力を供給して、アノード電極20とカソード電極30間においてプロセスガス60をプラズマ状態にする交流電源40とを備える。プラズマCVD成膜装置1によれば、プロセスガス60に含まれる原料を主成分とする薄膜が基板100上に形成される。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the plasma CVD film forming apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention has a chamber 10 and a mounting surface 200 on which a substrate 100 to be formed is mounted. The cathode electrode 30 made of a carbon material having at least a part of the surface covered with glassy carbon, and the anode electrode 20. And an AC power supply 40 that supplies AC power between the cathode electrode 30 and the process gas 60 between the anode electrode 20 and the cathode electrode 30 in a plasma state. According to the plasma CVD film forming apparatus 1, a thin film whose main component is a raw material contained in the process gas 60 is formed on the substrate 100.

カソード電極30の構造例を図2に示す。カソード電極30は、炭素材料からなる本体部31と、本体部31の表面を覆うガラス状炭素膜32からなる。本体部31は、例えばカーボンからなる。そして、カーボン粒を含有する樹脂を本体部31の表面に塗布し、高温焼成で乾燥させることなどによって、本体部31の表面がガラス状炭素膜32で被覆される。ガラス状炭素膜32の膜厚は、例えば1μm程度である。   An example of the structure of the cathode electrode 30 is shown in FIG. The cathode electrode 30 includes a main body portion 31 made of a carbon material and a glassy carbon film 32 that covers the surface of the main body portion 31. The main body 31 is made of, for example, carbon. And the surface of the main-body part 31 is coat | covered with the glassy carbon film 32 by apply | coating resin containing a carbon grain to the surface of the main-body part 31, and making it dry by high temperature baking. The film thickness of the glassy carbon film 32 is, for example, about 1 μm.

図1に示したプラズマCVD成膜装置1では、基板搭載装置がアノード電極20として使用されている。図1に示した例では、アノード電極20はチャンバー10を介して接地されている。   In the plasma CVD film forming apparatus 1 shown in FIG. 1, a substrate mounting apparatus is used as the anode electrode 20. In the example shown in FIG. 1, the anode electrode 20 is grounded via the chamber 10.

アノード電極20として使用される基板搭載装置は、例えば法線方向に複数の搭載面200が重なるように配置された構造を採用可能である。即ち、図1に示すような、搭載面200が主面にそれぞれ定義され、互いに離間し且つ平行に配置された複数の基板取り付け板201と、基板取り付け板201のそれぞれの底部を固定する固定板202とを有する基板搭載装置を採用可能である。基板搭載装置に搭載された状態で基板100がプラズマCVD成膜装置1に格納され、成膜処理後に取り出される。搭載面200は鉛直方向に延伸し、基板100はチャンバー10内で垂直に立てて保持される。図1では基板取り付け板201が2枚である例を示したが、基板取り付け板201の枚数は2枚に限られない。   The substrate mounting apparatus used as the anode electrode 20 can adopt a structure in which, for example, a plurality of mounting surfaces 200 are overlapped in the normal direction. That is, as shown in FIG. 1, a mounting surface 200 is defined as a main surface, a plurality of substrate mounting plates 201 that are spaced apart from each other and arranged in parallel, and a fixing plate that fixes the bottom of each of the substrate mounting plates 201 202 can be employed. The substrate 100 is stored in the plasma CVD film forming apparatus 1 while being mounted on the substrate mounting apparatus, and is taken out after the film forming process. The mounting surface 200 extends in the vertical direction, and the substrate 100 is held vertically in the chamber 10. Although FIG. 1 shows an example in which there are two substrate mounting plates 201, the number of substrate mounting plates 201 is not limited to two.

プラズマCVD成膜装置1では、基板100が搭載された状態のアノード電極20がチャンバー10に搬入される。その後、図示を省略したガス供給装置からチャンバー10内に成膜用の原料ガスを含むプロセスガス60が導入される。プロセスガス60を導入後、図示を省略した排気装置によってチャンバー10内の圧力が調整される。   In the plasma CVD film forming apparatus 1, the anode electrode 20 on which the substrate 100 is mounted is carried into the chamber 10. Thereafter, a process gas 60 containing a source gas for film formation is introduced into the chamber 10 from a gas supply device (not shown). After introducing the process gas 60, the pressure in the chamber 10 is adjusted by an exhaust device (not shown).

例えば、プロセスガス60はチャンバー10の下方から導入され、上方から排気される。下方からプロセスガス60を導入することにより、比重の軽いプラズマ化したガス分子、ラジカル粒子は上方流としてカソード電極30の表面を自然に流れ上がる。このため、カソード電極30の表面に均一にプロセスガスが供給される。   For example, the process gas 60 is introduced from below the chamber 10 and exhausted from above. By introducing the process gas 60 from below, the gas molecules and radical particles that have been converted into plasma with a low specific gravity naturally flow upward on the surface of the cathode electrode 30 as an upward flow. For this reason, the process gas is uniformly supplied to the surface of the cathode electrode 30.

チャンバー10内のプロセスガス60の圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源40によって所定の交流電力がカソード電極30とアノード電極20間に供給される。これにより、チャンバー10内のプロセスガス60がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板100を曝すことにより、原料ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板100の露出した表面に形成される。なお、図1に示したヒータ50によって、成膜処理中の基板100の温度を設定してもよい。成膜処理中の基板100の温度を所定の温度に設定することにより、成膜速度を速めたり、膜質を向上させたりすることができる。   After the pressure of the process gas 60 in the chamber 10 is adjusted to a predetermined gas pressure, a predetermined AC power is supplied between the cathode electrode 30 and the anode electrode 20 by the AC power source 40. Thereby, the process gas 60 in the chamber 10 is turned into plasma. By exposing the substrate 100 to the formed plasma, a desired thin film mainly composed of the raw material contained in the raw material gas is formed on the exposed surface of the substrate 100. Note that the temperature of the substrate 100 during the film forming process may be set by the heater 50 shown in FIG. By setting the temperature of the substrate 100 during the film formation process to a predetermined temperature, the film formation speed can be increased and the film quality can be improved.

プラズマCVD成膜装置1において原料ガスを適宜選択することによって、所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板100上に形成することができる。具体的には、アンモニア(NH3)ガスとシラン(SiH4)ガスの混合ガスを用いて、基板100上に窒化シリコン(SiN)膜が形成される。或いは、シラン(SiH4)ガスとN2Oガスの混合ガスを用いて、基板100上に酸化シリコン(SiOx)膜が形成される。 A desired thin film can be formed by appropriately selecting a source gas in the plasma CVD film forming apparatus 1. For example, a silicon semiconductor thin film, a silicon nitride thin film, a silicon oxide thin film, a silicon oxynitride thin film, a carbon thin film, or the like can be formed on the substrate 100. Specifically, a silicon nitride (SiN) film is formed on the substrate 100 using a mixed gas of ammonia (NH 3 ) gas and silane (SiH 4 ) gas. Alternatively, a silicon oxide (SiOx) film is formed on the substrate 100 using a mixed gas of silane (SiH 4 ) gas and N 2 O gas.

成膜処理中はプラズマCVD成膜装置1のカソード電極30は常時放電されており、連続的にカソード電極30に膜が堆積される。堆積された膜は応力を持つため、膜の応力がカソード電極30の曲げ強度を超えるほどに膜が堆積されると、カソード電極30の変形の原因となる。   During the film forming process, the cathode electrode 30 of the plasma CVD film forming apparatus 1 is always discharged, and a film is continuously deposited on the cathode electrode 30. Since the deposited film has stress, if the film is deposited so that the stress of the film exceeds the bending strength of the cathode electrode 30, the cathode electrode 30 may be deformed.

しかし、プラズマCVD成膜装置1のカソード電極30は、図2に示したように、本体部31の表面がガラス状炭素膜32で被覆された構造である。ガラス状炭素は、通常の炭素材料と同様の導電性と熱伝導性を有しながら、不浸透性、不透過性、遮断性、耐薬品反応性に優れ、且つパーティクルの発生、発塵、粉落ちが少ないという特徴を有する材料である。このため、ガラス状炭素に表面を被覆されたカソード電極30を用いて連続放電を行った場合は、ガラス状炭素は表面が化学的不活性であるため、カソード電極30の表面とその表面に堆積する膜との密着性が悪い。このため、カソード電極30の表面に堆積した膜は容易に剥離されてしまう。その結果、カソード電極30の表面に膜が厚く堆積されることがなく、堆積膜の応力によってカソード電極30が変形したり、破損したりすることが抑制される。   However, the cathode electrode 30 of the plasma CVD film forming apparatus 1 has a structure in which the surface of the main body 31 is covered with a glassy carbon film 32 as shown in FIG. Glassy carbon has the same conductivity and thermal conductivity as ordinary carbon materials, but has excellent impermeability, impermeability, barrier properties, and chemical resistance, and generates particles, generates dust, and powders. It is a material that has the characteristic of less dropping. For this reason, when continuous discharge is performed using the cathode electrode 30 whose surface is coated with glassy carbon, the surface of the glassy carbon is chemically inactive, so that the surface of the cathode electrode 30 is deposited on the surface. Adhesiveness with the film is poor. For this reason, the film deposited on the surface of the cathode electrode 30 is easily peeled off. As a result, the film is not deposited thick on the surface of the cathode electrode 30, and the cathode electrode 30 is prevented from being deformed or damaged by the stress of the deposited film.

なお、成膜処理中にはアノード電極20にも膜が連続的に堆積する。このため、アノード電極20にも堆積膜による応力が加わり、カソード電極30と同様にアノード電極20の変形が引き起こされる可能性がある。このため、アノード電極20の表面もガラス状炭素で被覆することが好ましい。具体的には、図3に示すように、例えばカーボンなどの炭素材料からなる本体部21の表面をガラス状炭素膜22によって被覆された構造を、アノード電極20に採用する。   Note that a film is continuously deposited on the anode electrode 20 during the film forming process. For this reason, stress due to the deposited film is also applied to the anode electrode 20, and the anode electrode 20 may be deformed similarly to the cathode electrode 30. For this reason, it is preferable to coat the surface of the anode electrode 20 with glassy carbon. Specifically, as shown in FIG. 3, for example, a structure in which the surface of a main body 21 made of a carbon material such as carbon is covered with a glassy carbon film 22 is employed for the anode electrode 20.

アノード電極20とカソード電極30の間隔が規定されている範囲を超えた場合は、成膜処理対象の基板100に形成される薄膜の膜厚分布異常や成膜レートの低下などの問題が生じる。しかし、アノード電極20とカソード電極30の表面をガラス状炭素で被覆することにより、アノード電極20とカソード電極30の変形が抑制され、アノード電極20とカソード電極30の間隔を所定値に保つことができる。   When the distance between the anode electrode 20 and the cathode electrode 30 exceeds the specified range, problems such as an abnormal thickness distribution of the thin film formed on the substrate 100 to be deposited and a decrease in deposition rate occur. However, by covering the surfaces of the anode electrode 20 and the cathode electrode 30 with glassy carbon, deformation of the anode electrode 20 and the cathode electrode 30 is suppressed, and the distance between the anode electrode 20 and the cathode electrode 30 can be kept at a predetermined value. it can.

また、ホローカソード放電を利用して高密度のプラズマを発生させるために、カソード電極30の表面に凹部や貫通孔などを配置して構成される凹凸形状の構造体(以下において、「放電構造体」という)を形成してもよい。放電構造体を有するホローカソード電極を用いてホローカソード放電を発生させることができる。   Further, in order to generate a high-density plasma using hollow cathode discharge, a concave-convex structure (hereinafter referred to as “discharge structure”) formed by arranging concave portions, through-holes and the like on the surface of the cathode electrode 30. May be formed. A hollow cathode discharge can be generated using a hollow cathode electrode having a discharge structure.

例えば、カソード電極30の表面に凹部を形成して放電構造体とする。具体的には、図4(a)、図4(b)に示すようにカソード電極30の表面に溝301を配置して凹部を形成してもよい。図4(a)には溝301を格子状に形成した例を示したが、溝301の配置は格子状に限られない。又は、図5(a)、図5(b)に示すようにカソード電極30の表面に複数のディンプル302を配置して凹部を形成してもよい。   For example, a recess is formed on the surface of the cathode electrode 30 to form a discharge structure. Specifically, as shown in FIGS. 4A and 4B, a groove 301 may be arranged on the surface of the cathode electrode 30 to form a recess. Although FIG. 4A shows an example in which the grooves 301 are formed in a lattice shape, the arrangement of the grooves 301 is not limited to the lattice shape. Alternatively, as shown in FIGS. 5A and 5B, a plurality of dimples 302 may be arranged on the surface of the cathode electrode 30 to form a recess.

或いは、放電構造体として、図6(a)、図6(b)に示すようにカソード電極30を厚さ方向に貫通する貫通孔303が形成された構造を採用可能である。貫通孔303の開口部は、基板取り付け板201の搭載面200と対向するようにカソード電極30の表面に形成される。図6(a)、図6(b)に示したカソード電極30の膜厚dは、例えば5mm程度である。貫通孔303の直径は、目詰まりの心配が無く、且つメンテナンスが容易であるように3.8mm〜8.0mm程度に設定され、例えば5mmである。   Alternatively, as the discharge structure, a structure in which a through-hole 303 that penetrates the cathode electrode 30 in the thickness direction as shown in FIGS. 6A and 6B can be adopted. The opening of the through hole 303 is formed on the surface of the cathode electrode 30 so as to face the mounting surface 200 of the substrate mounting plate 201. The film thickness d of the cathode electrode 30 shown in FIGS. 6A and 6B is, for example, about 5 mm. The diameter of the through hole 303 is set to about 3.8 mm to 8.0 mm so as not to be clogged and easy to maintain, and is, for example, 5 mm.

図6(a)、図6(b)に示したカソード電極30の両面にそれぞれ励起されるプラズマは、貫通孔303によって連結する。このため、カソード電極30の両面におけるプラズマ濃度の濃淡の差は自然に補正され、カソード電極30の両面に密度が均一なプラズマ空間を生成できる。したがって、カソード電極30に多数の貫通孔303を形成したマルチホローカソード構造を採用することによって、カソード電極30の両面に均一なマルチホロー放電を得ることができる。「マルチホロー放電」とは、各貫通孔303にそれぞれ生じたホローカソード放電が合わさってカソード電極30の表面に生じる放電である。これにより、カソード電極30の表面に均一な高密度プラズマを実現することができる。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に均一に薄膜が基板100上に形成される。   Plasmas excited on both surfaces of the cathode electrode 30 shown in FIGS. 6A and 6B are connected by a through hole 303. Therefore, the difference in density of the plasma concentration on both sides of the cathode electrode 30 is naturally corrected, and a plasma space having a uniform density can be generated on both sides of the cathode electrode 30. Therefore, by adopting a multi-hollow cathode structure in which a large number of through holes 303 are formed in the cathode electrode 30, uniform multi-hollow discharge can be obtained on both surfaces of the cathode electrode 30. The “multi-hollow discharge” is a discharge generated on the surface of the cathode electrode 30 by combining the hollow cathode discharges generated in the respective through holes 303. Thereby, uniform high-density plasma can be realized on the surface of the cathode electrode 30. As a result, the source gas is efficiently decomposed, and a thin film is uniformly formed on the substrate 100 in a large area at a high speed.

ところで、カソード電極30が放電構造体を有するホローカソード電極である場合は、カソード電極30に形成された凹部の表面や貫通孔303の内壁にも成膜処理中に膜が堆積する。ホローカソード放電により凹部の表面や貫通孔303の内壁に堆積した膜は、非常に硬度が高く、更に、外側に広がろうとする応力を有する。このため、カソード電極30の変形がより起こりやすい。   By the way, when the cathode electrode 30 is a hollow cathode electrode having a discharge structure, a film is also deposited on the surface of the recess formed in the cathode electrode 30 and the inner wall of the through hole 303 during the film forming process. The film deposited on the surface of the recess and the inner wall of the through-hole 303 by hollow cathode discharge has a very high hardness and further has a stress that tends to spread outward. For this reason, the cathode electrode 30 is more likely to be deformed.

これに対し、凹部の表面や貫通孔303の内壁をガラス状炭素で被覆することによって、カソード電極30の変形を抑制できる。図2では、カソード電極30の表面全体がガラス状炭素で被覆された例を示したが、例えば図7及び図8に示すように凹部の表面のみをガラス状炭素膜32で被覆したり、図9に示すように貫通孔303の内壁の表面のみをガラス状炭素膜32で被覆してもよい。   On the other hand, the deformation | transformation of the cathode electrode 30 can be suppressed by coat | covering the surface of a recessed part and the inner wall of the through-hole 303 with glassy carbon. FIG. 2 shows an example in which the entire surface of the cathode electrode 30 is covered with glassy carbon. For example, as shown in FIGS. 7 and 8, only the surface of the recess is covered with the glassy carbon film 32. 9, only the surface of the inner wall of the through hole 303 may be covered with the glassy carbon film 32.

以下に、表面をガラス状炭素で被覆したカソード電極30と、表面をガラス状炭素で被覆していない比較例のカソード電極(以下において「カソード電極30A」という。)について、プラズマCVD法による成膜工程により生じる変形の程度を調査した結果を示す。調査には、図1に示した構成のプラズマCVD成膜装置を使用した。   Hereinafter, the cathode electrode 30 whose surface is coated with glassy carbon and the cathode electrode of a comparative example whose surface is not coated with glassy carbon (hereinafter referred to as “cathode electrode 30A”) are formed by plasma CVD. The result of investigating the degree of deformation caused by the process is shown. For the investigation, a plasma CVD film forming apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was used.

調査に用いたカソード電極は、面積が200mm×200mm、厚みdが5mmのカーボン板である。そして、直径5mmの貫通孔303が6.5mmピッチで配列されたホローカソード電極を用いた。第1の実施形態に係るカソード電極30は炭素材料(G535)からなる本体部31の表面にガラス状炭素膜32を被覆した構造であり、比較例のカソード電極30Aはガラス状炭素膜32が被覆されていない炭素材料(G535)からなる。アノード電極20には、面積が200mm×200mmのカーボン板を採用した。   The cathode electrode used for the investigation is a carbon plate having an area of 200 mm × 200 mm and a thickness d of 5 mm. A hollow cathode electrode in which through holes 303 having a diameter of 5 mm are arranged at a pitch of 6.5 mm was used. The cathode electrode 30 according to the first embodiment has a structure in which a glassy carbon film 32 is coated on the surface of a main body 31 made of a carbon material (G535), and the cathode electrode 30A of the comparative example is coated with a glassy carbon film 32. It is made of carbon material (G535) that has not been made. The anode electrode 20 was a carbon plate having an area of 200 mm × 200 mm.

ヒータ50によりアノード電極20の温度を450℃に加熱し、窒化シリコン(SiNx)膜を成膜するためにプロセスガス60としてシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)の混合ガスをチャンバー10内に導入した。ガス流量は、シランガスが215sccm、アンモニアガスが950sccmである。チャンバー10内の圧力は67Paに調整し、交流電源40によって250kHzの高周波を700Wで印加して、プラズマをチャンバー10内に発生させた。 The temperature of the anode electrode 20 is heated to 450 ° C. by the heater 50, and a mixed gas of silane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) is used as a process gas 60 in the chamber 10 to form a silicon nitride (SiNx) film. Introduced. The gas flow rates are 215 sccm for silane gas and 950 sccm for ammonia gas. The pressure in the chamber 10 was adjusted to 67 Pa, and a high frequency of 250 kHz was applied at 700 W by the AC power source 40 to generate plasma in the chamber 10.

15日間の連続放電により、比較例のカソード電極30Aでは、成膜処理前には5mmであった貫通孔303の直径が3.5mm程度まで減少した。また、5mmであったカソード電極30Aの厚みdは6.5mm〜6.8mmまで増加した。成膜レートは、堆積膜が殆どない処理開始直後では105nm/分であったが、15日間連続放電後では67nm/分であり、36%減少した。   Due to the continuous discharge for 15 days, in the cathode electrode 30A of the comparative example, the diameter of the through hole 303 which was 5 mm before the film forming process was reduced to about 3.5 mm. Further, the thickness d of the cathode electrode 30A, which was 5 mm, increased from 6.5 mm to 6.8 mm. The film formation rate was 105 nm / min immediately after the start of the treatment with almost no deposited film, but it was 67 nm / min after 15 days of continuous discharge, a decrease of 36%.

一方、第1の実施形態に係るカソード電極30では、15日間の連続放電後においても貫通孔303の直径は4.5mm程度までしか減少しなかった。また、厚みdは5.3mm程度であり、堆積膜による厚みdの増加は、比較例のカソード電極30Aに比べると小さい。成膜レートについても、15日間連続放電後で103nm/分であり、処理開始直後の105nm/分から殆ど変動しなかった。このように、表面がガラス状炭素膜32で被覆されたカソード電極30は、15日間連続放電後でも処理開始直後と殆ど同じ状態であった。   On the other hand, in the cathode electrode 30 according to the first embodiment, the diameter of the through hole 303 was reduced only to about 4.5 mm even after 15 days of continuous discharge. Further, the thickness d is about 5.3 mm, and the increase in the thickness d due to the deposited film is small compared to the cathode electrode 30A of the comparative example. The film forming rate was 103 nm / min after 15 days of continuous discharge, and hardly changed from 105 nm / min immediately after the start of treatment. Thus, the cathode electrode 30 whose surface was coated with the glassy carbon film 32 was in almost the same state as immediately after the start of treatment even after 15 days of continuous discharge.

以上に説明したように、本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置1によれば、炭素材料からなるカソード電極30の表面をガラス状炭素で被覆することにより、カソード電極30に堆積される膜に起因するカソード電極30の変形が抑制される。このため、カソード電極30をクリーニングする頻度が低くなり、プラズマCVD成膜装置1の稼働率の低下やメンテナンスコストの増大を抑制できる。   As described above, according to the plasma CVD film forming apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention, the surface of the cathode electrode 30 made of a carbon material is coated with glassy carbon, whereby the cathode electrode 30 is coated. Deformation of the cathode electrode 30 due to the deposited film is suppressed. For this reason, the frequency which cleans the cathode electrode 30 becomes low, and the fall of the operation rate of the plasma CVD film-forming apparatus 1 and the increase in maintenance cost can be suppressed.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置1は、カソード電極30が炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなる。その他の構成については、図1に示す第1の実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
In the plasma CVD film forming apparatus 1 according to the second embodiment of the present invention, the cathode electrode 30 is made of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、炭素繊維により補強された炭素系材料であり、金属材料と比較して延びにくい性質を有する。したがって、カソード電極30にヤング率の高い炭素繊維強化炭素複合材料を使用することにより、カソード電極30に堆積した膜の応力によるカソード電極30の変形が抑制される。   A carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C composite) is a carbon-based material reinforced with carbon fibers and has a property that it is difficult to extend as compared with a metal material. Therefore, by using a carbon fiber reinforced carbon composite material having a high Young's modulus for the cathode electrode 30, deformation of the cathode electrode 30 due to the stress of the film deposited on the cathode electrode 30 is suppressed.

特に、カソード電極30が貫通孔303を有するホローカソード電極である場合に、カソード電極30に炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料を採用することが効果的である。既に説明したように、ホローカソード放電により貫通孔303の内壁に堆積した膜は非常に硬度が高い上に、外側に広がろうとする応力を有する。このため、カソード電極30の変形がより起こりやすい。しかし、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極30では、貫通孔303の内壁に堆積した膜による応力に起因するカソード電極30の変形が抑制される。   In particular, when the cathode electrode 30 is a hollow cathode electrode having a through-hole 303, it is effective to employ a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material for the cathode electrode 30. As already described, the film deposited on the inner wall of the through-hole 303 by hollow cathode discharge has a very high hardness and has a stress of spreading outward. For this reason, the cathode electrode 30 is more likely to be deformed. However, in the cathode electrode 30 made of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material, deformation of the cathode electrode 30 due to stress caused by a film deposited on the inner wall of the through hole 303 is suppressed.

更に、図10に示すように、最も応力が集中するカソード電極30の表面の外縁から一定の距離t以内の外周領域には、貫通孔303を配置しないことが好ましい。更に、例えば図4(a)、図4(b)や図5(a)、図5(b)に示した凹部である放電構造体についても、貫通孔303と同様に、カソード電極30の表面の外縁から一定の距離t以内の外周領域には形成しないことが好ましい。   Furthermore, as shown in FIG. 10, it is preferable not to arrange the through hole 303 in the outer peripheral region within a certain distance t from the outer edge of the surface of the cathode electrode 30 where the stress is most concentrated. Further, for example, the surface of the cathode electrode 30 is also applied to the discharge structure which is the recess shown in FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B, similarly to the through hole 303. It is preferable not to form in the outer peripheral area within a certain distance t from the outer edge.

発明者らが実験、検証を行った結果、外縁からの距離tを5mm以上にすることによって、カソード電極30の外縁部に配置された放電構造体に起因するカソード電極30の変形を抑制できることが確認された。このため、例えばカソード電極30の表面の外縁から8mm以内には貫通孔303の開口部が配置されないようにする。 As a result of experiments and verifications by the inventors, it is possible to suppress the deformation of the cathode electrode 30 due to the discharge structure disposed at the outer edge portion of the cathode electrode 30 by setting the distance t from the outer edge to 5 mm or more. confirmed. For this reason, for example, the opening of the through hole 303 is not disposed within 8 mm from the outer edge of the surface of the cathode electrode 30.

上記のように、カソード電極30の端部に放電構造体を配置しないことにより、カソード電極30の変形や破損の原因となる膜応力の集中を防ぐことができる。   As described above, by not disposing the discharge structure at the end of the cathode electrode 30, it is possible to prevent concentration of film stress that causes deformation or breakage of the cathode electrode 30.

なお、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極30を使用した場合、カソード電極30に膜が堆積されていない状態では成膜レートが低く、カソード電極30に膜が堆積されていくことで成膜レートが安定する。このため、成膜処理対象の基板100上に薄膜を形成する前に、カソード電極30に膜を堆積させる時間を設定することが好ましい。発明者らの調査により、10分間カソード電極30に膜を堆積させた後に基板100上に薄膜を形成することによって、安定した放電状態を実現できることが確認された。これにより、安定した成膜レートを得ることができる。   When the cathode electrode 30 made of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material is used, the film formation rate is low when no film is deposited on the cathode electrode 30, and the film is deposited on the cathode electrode 30. This stabilizes the film formation rate. For this reason, it is preferable to set a time for depositing the film on the cathode electrode 30 before forming a thin film on the substrate 100 to be deposited. The inventors have confirmed that a stable discharge state can be realized by forming a thin film on the substrate 100 after depositing a film on the cathode electrode 30 for 10 minutes. Thereby, a stable film formation rate can be obtained.

以下に、炭素材料(G535)からなるカソード電極30と、アルミニウム材料(A1050)からなる比較例のカソード電極(以下において「カソード電極30B」という。)について、プラズマCVD法による成膜工程により生じる変形の程度を調査した結果を示す。調査には、図1に示した構成のプラズマCVD成膜装置を使用した。   In the following, with respect to the cathode electrode 30 made of a carbon material (G535) and the cathode electrode of a comparative example made of an aluminum material (A1050) (hereinafter referred to as “cathode electrode 30B”), the deformation caused by the film forming process by the plasma CVD method. The result of investigating the degree of is shown. For the investigation, a plasma CVD film forming apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was used.

調査に用いたカソード電極には、面積が200mm×200mm、厚みdが5mmであり、直径5mmの貫通孔303が6.5mmピッチで配列されたホローカソード電極を用いた。アノード電極20には、面積が200mm×200mmのカーボン板を採用した。   As the cathode electrode used for the investigation, a hollow cathode electrode having an area of 200 mm × 200 mm, a thickness d of 5 mm, and through-holes 303 having a diameter of 5 mm arranged at a pitch of 6.5 mm was used. The anode electrode 20 was a carbon plate having an area of 200 mm × 200 mm.

ヒータ50によりアノード電極20の温度を450℃に加熱し、窒化シリコン(SiNx)膜を成膜するためにプロセスガス60としてシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)の混合ガスをチャンバー10内に導入した。ガス流量は、シランガスが215sccm、アンモニアガスが950sccmである。チャンバー10内の圧力は67Paに調整し、交流電源40によって250kHzの高周波を700Wで印加して、プラズマをチャンバー10内に発生させた。連続放電による成膜処理の後、カソード電極に堆積された膜をフッ酸によって除去し、カソード電極の変形量を測定した。 The temperature of the anode electrode 20 is heated to 450 ° C. by the heater 50, and a mixed gas of silane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) is used as a process gas 60 in the chamber 10 to form a silicon nitride (SiNx) film. Introduced. The gas flow rates are 215 sccm for silane gas and 950 sccm for ammonia gas. The pressure in the chamber 10 was adjusted to 67 Pa, and a high frequency of 250 kHz was applied at 700 W by the AC power source 40 to generate plasma in the chamber 10. After the film formation process by continuous discharge, the film deposited on the cathode electrode was removed with hydrofluoric acid, and the deformation amount of the cathode electrode was measured.

比較例のカソード電極30Aは、連続放電による成膜処理を20時間実施すると、貫通孔303内に堆積した膜の応力によって膨張し、カソード電極30Bの面積は210mm×210mmに増大した。また、平面方向においても1mm程度の反りが発生した。   The cathode electrode 30A of the comparative example was expanded by the stress of the film deposited in the through hole 303 when the film formation process by continuous discharge was performed for 20 hours, and the area of the cathode electrode 30B increased to 210 mm × 210 mm. Also, warpage of about 1 mm occurred in the planar direction.

一方、第2の実施形態に係るカソード電極30では、連続放電による成膜処理を100時間実施した後においても、カソード電極30の面積は200mm×200mmのままで変化せず、平面方向における反りも発生しなかった。   On the other hand, in the cathode electrode 30 according to the second embodiment, even after the film formation process by continuous discharge is performed for 100 hours, the area of the cathode electrode 30 remains 200 mm × 200 mm and does not change, and the warpage in the planar direction also occurs. Did not occur.

以上に説明したように、本発明の第2の実施形態に係るプラズマCVD成膜装置1によれば、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極30を使用することにより、Alなどからなる金属製のカソード電極と比べて、カソード電極30に堆積される膜に起因するカソード電極30の変形が抑制される。このため、カソード電極30をクリーニングする頻度が低くなり、プラズマCVD成膜装置1の稼働率の低下やメンテナンスコストの増大を抑制できる。なお、アノード電極20を炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料で構成してもよい。   As explained above, according to the plasma CVD film-forming apparatus 1 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, by using the cathode electrode 30 which consists of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material, from Al etc. The deformation of the cathode electrode 30 due to the film deposited on the cathode electrode 30 is suppressed as compared with the metal cathode electrode. For this reason, the frequency which cleans the cathode electrode 30 becomes low, and the fall of the operation rate of the plasma CVD film-forming apparatus 1 and the increase in maintenance cost can be suppressed. The anode electrode 20 may be made of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material.

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

1…プラズマCVD成膜装置
10…チャンバー
20…アノード電極
21…本体部
22…ガラス状炭素膜
30…カソード電極
31…本体部
32…ガラス状炭素膜
40…交流電源
50…ヒータ
60…プロセスガス
100…基板
200…搭載面
201…基板取り付け板
202…固定板
301…溝
302…ディンプル
303…貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma CVD film-forming apparatus 10 ... Chamber 20 ... Anode electrode 21 ... Main part 22 ... Glassy carbon film 30 ... Cathode electrode 31 ... Main part 32 ... Glassy carbon film 40 ... AC power supply 50 ... Heater 60 ... Process gas 100 ... Substrate 200 ... Mounting surface 201 ... Substrate mounting plate 202 ... Fixing plate 301 ... Groove 302 ... Dimple 303 ... Through hole

Claims (7)

チャンバーと、
成膜処理対象の基板が搭載される搭載面を有し、前記チャンバー内に配置されたアノード電極と、
前記チャンバー内で前記搭載面と対向するように配置された、少なくとも表面の一部がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記アノード電極と前記カソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源と
を備えることを特徴とするプラズマCVD成膜装置。
A chamber;
An anode electrode having a mounting surface on which a substrate to be deposited is mounted, and disposed in the chamber;
A cathode electrode made of a carbon material at least partially covered with glassy carbon, disposed so as to face the mounting surface in the chamber;
A plasma CVD film forming apparatus, comprising: an AC power supply that supplies AC power between the anode electrode and the cathode electrode to bring a process gas into a plasma state between the anode electrode and the cathode electrode.
前記アノード電極が、炭素材料の表面を前記ガラス状炭素で被覆された構造であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマCVD成膜装置。   The plasma CVD film forming apparatus according to claim 1, wherein the anode electrode has a structure in which a surface of a carbon material is covered with the glassy carbon. 前記カソード電極が、前記搭載面に対向する主面に形成された凹部又は前記基板にそれぞれ対向する2つの主面にそれぞれ開口部を有する貫通孔を有し、前記アノード電極との間にホローカソード放電を生じさせるホローカソード電極であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマCVD成膜装置。   The cathode electrode has a recess formed in a main surface facing the mounting surface or a through hole having an opening in each of two main surfaces facing the substrate, and a hollow cathode between the anode electrode and the anode electrode The plasma CVD film forming apparatus according to claim 1, wherein the plasma CVD film forming apparatus is a hollow cathode electrode that causes discharge. 前記カソード電極のうち、前記主面に前記凹部が形成されている場合には前記凹部の表面のみが前記ガラス状炭素で被覆されて、前記貫通孔を有する場合には前記貫通孔の内壁の表面のみが前記ガラス状炭素で被覆されていることを特徴とする請求項3に記載のプラズマCVD成膜装置。   Of the cathode electrode, when the concave portion is formed on the main surface, only the surface of the concave portion is covered with the glassy carbon, and when it has the through hole, the surface of the inner wall of the through hole The plasma CVD film forming apparatus according to claim 3, wherein only the glassy carbon is coated. チャンバーと、
成膜処理対象の基板が搭載される搭載面を有し、前記チャンバー内に配置されたアノード電極と、
前記チャンバー内で前記搭載面と対向するように配置された、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記アノード電極と前記カソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源と
を備えることを特徴とするプラズマCVD成膜装置。
A chamber;
An anode electrode having a mounting surface on which a substrate to be deposited is mounted, and disposed in the chamber;
A cathode electrode made of a carbon material or a carbon fiber reinforced carbon composite material, disposed so as to face the mounting surface in the chamber;
A plasma CVD film forming apparatus, comprising: an AC power supply that supplies AC power between the anode electrode and the cathode electrode to bring a process gas into a plasma state between the anode electrode and the cathode electrode.
前記カソード電極が、前記搭載面に対向する主面に形成された凹部又は前記基板にそれぞれ対向する2つの主面にそれぞれ開口部を有する貫通孔を有し、前記アノード電極との間にホローカソード放電を生じさせるホローカソード電極であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマCVD成膜装置。   The cathode electrode has a recess formed in a main surface facing the mounting surface or a through hole having an opening in each of two main surfaces facing the substrate, and a hollow cathode between the anode electrode and the anode electrode 6. The plasma CVD film forming apparatus according to claim 5, wherein the plasma CVD film forming apparatus is a hollow cathode electrode that causes discharge. 前記凹部又は前記貫通孔の前記開口部が、前記カソード電極の表面の外縁から5mm以内の外周領域には配置されていないことを特徴とする請求項6に記載のプラズマCVD成膜装置。   The plasma CVD film forming apparatus according to claim 6, wherein the recess or the opening of the through hole is not disposed in an outer peripheral region within 5 mm from the outer edge of the surface of the cathode electrode.
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