JP2000054148A

JP2000054148A - 薄膜形成方法及び成膜装置

Info

Publication number: JP2000054148A
Application number: JP10226723A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Nishino; 仁西野; Haruyuki Nakaoka; 春雪中岡; Takamitsu Fujii; 隆満藤井; Atsuhiko Masuda; 敦彦増田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2000-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】導電性材料からなる円筒状の被処理物の内側
面に、均質な膜質で薄膜形成可能で、前記内側面の特定
部分のみに薄膜形成可能な容量結合型のＲＦプラズマＣ
ＶＤ法による薄膜形成方法を提供する。【解決手段】被処理物７を、アノード電極５とカソー
ド電極６間に形成されるプラズマ発生領域内に配置し、
プラズマ発生領域内に供給された原料ガスが被処理物７
の内側面７ａで囲まれた内部空間７ｂに流通可能に支持
し、且つ、カソード電極６と電気的に接触した状態にお
いて、原料ガスをプラズマ発生領域内に供給するととも
に、カソード電極に高周波電圧を印加してプラズマ発生
領域内にプラズマを発生させ、被処理物７の内側面７ａ
に所定の薄膜を形成する。更に好ましくは、カソード電
極６と同電位の柱状カソード電極６ａを、内側面７ａか
ら所定の距離を隔てて、内部空間７ｂに所定長さ分挿入
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容量結合型のＲＦ
プラズマＣＶＤ法により、導電性材料からなる筒状の被
処理物の内側面に薄膜形成する薄膜形成方法及び成膜装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の薄膜形成方法によって、
導電性材料からなる円筒状の被処理物の内側面に薄膜形
成する場合、円筒内部の中心軸上に細長い線状のカソー
ド電極を設け、前記被処理物をアノード電極として、前
記被処理物の内部空間に原料ガスを流通させるととも
に、前記線状のカソード電極に高周波電圧を印加して前
記線状のカソード電極と前記被処理物の内側面との間、
即ち前記内部空間内に放電を起こし、その放電によって
発生したプラズマにより前記原料ガスから薄膜形成用材
料となり得る活性な化学種を発生させ、その化学種を前
記内側面に成長堆積させることによって、前記内側面に
所定の薄膜を形成していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、上記した従来
の薄膜形成方法では、前記活性な化学種は、通常プラズ
マ発生空間で発生した高エネルギ状態から、薄膜形成用
材料としての比較的安定した状態に変移しながら前記ア
ノード電極である前記内側面に到達し、静かに薄膜が成
長するものと考えられ、更に、前記内側面に向かって移
動する前記活性な化学種の運動方向及び速度は、前記両
電極間の電界方向並びに電界強度に依存して制御される
ものと考えられる。しかしながら、上記した従来の薄膜
形成方法では、前記線状のカソード電極の位置によっ
て、かかる前記両電極間の電界方向並びに電界強度が前
記内側面の全面に対して均等にならず、均質な膜質で薄
膜形成するのが困難であった。また、前記内側面の一部
分のみに薄膜形成することもできなかった。

【０００４】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、上記問題点を解消し、導電性
材料からなる円筒状の被処理物の内側面に均質な膜質で
薄膜形成可能な薄膜形成方法及び成膜装置、更に、前記
内側面の特定部分のみに薄膜形成可能な薄膜形成方法及
び成膜装置を提供する点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る薄膜形成方法の第一の特徴構成は、特許
請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、容量結合型
のＲＦプラズマＣＶＤ法により、導電性材料からなる筒
状の被処理物の内側面に薄膜形成する薄膜形成方法であ
って、前記被処理物を、アノード電極とカソード電極間
に形成されるプラズマ発生領域内に配置し、前記プラズ
マ発生領域内に供給された原料ガスが前記被処理物の前
記内側面で囲まれた内部空間に流通可能に支持し、且
つ、前記カソード電極と電気的に接触した状態におい
て、前記原料ガスを前記プラズマ発生領域内に供給する
とともに、前記カソード電極に高周波電圧を印加して前
記プラズマ発生領域内にプラズマを発生させ、前記被処
理物の内側面に所定の薄膜を形成する薄膜形成工程を行
う点にある。

【０００６】同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加え
て、前記カソード電極と同電位の柱状カソード電極を、
前記内側面から所定の距離を隔てて、前記内部空間に所
定長さ分挿入した状態で、前記薄膜形成工程を行う点に
ある。

【０００７】同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項３に記載した如く、上記第一または第二の特徴
構成に加えて、前記原料ガスが炭化水素と水素で、形成
される薄膜が硬質炭素膜である点にある。ここで、硬質
炭素膜とは、ＳＰ³ 結合を主体とする炭素膜で、ダイア
モンド状炭素（ＤＬＣ：ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅｃ
ａｒｂｏｎ）とも呼ばれているものである。

【０００８】この目的を達成するための本発明に係る成
膜装置の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に
記載した如く、容量結合型のＲＦプラズマＣＶＤ法によ
り、導電性材料からなる筒状の被処理物の内側面に薄膜
を形成する成膜装置であって、カソード電極が、前記被
処理物をその内部空間に原料ガスが流通可能に支持し、
且つ、電気的に接触可能な構造を有し、前記被処理物の
前記内側面から所定の距離を隔てて前記内部空間に挿入
可能な前記カソード電極と同電位の柱状カソード電極を
備えてなる点にある。

【０００９】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る薄膜形成方法の第一の特徴構成によれば、両電極
間で放電が発生し、前記内部空間内でプラズマが発生す
る。更に、前記内部空間内に原料ガスが存在するため、
その原料ガスが前記プラズマによって高エネルギの活性
な化学種に変換される。通常、この化学種は両電極に向
かって移動するが、その内の正イオンは発生初期におい
てはカソード電極である前記内側面に向かって高速移動
して衝突し易く、その結果、前記内側面が前記化学種の
衝突によりエッチングされ易くなる。これは放電プラズ
マによるエッチング技術として利用されるのであるが、
このようなエッチング作用は、前記内側面に対する薄膜
形成用材料の蒸着作用と同時に進行するものであり、そ
の両作用の反応速度のバランスを前記蒸着作用側に偏ら
せることのできる条件下では、前記カソード電極側へも
前記化学種を薄膜形成用材料に変換しつつ薄膜形成が可
能となるのである。また、正イオンの前記化学種が前記
内側面に衝突することにより、エッチング作用と同時に
新たに電子が放出されるため、前記内側面近傍ではプラ
ズマ密度が高くなり、且つ、当該近傍域に閉じ込められ
る結果、前記蒸着作用がより促進されることになるので
ある。また、前記内側面近傍では当該近傍域で発生した
活性な化学種によって前記蒸着作用が促進されるため、
上記した従来の薄膜形成方法のように、アノード電極の
位置の影響を直接受けることなく、前記内側面に対して
均質な膜質の薄膜形成が可能となるのである。

【００１０】同第二の特徴構成によれば、前記内側面と
前記柱状カソード電極に挟まれた空間及びその近傍で
は、そこで発生した前記正イオンの化学種の一部は前記
柱状カソード電極に向かって移動し、その全てが前記内
側面に向かって移動して衝突しないため、更には、当該
領域での実質的なプラズマ発生空間が減少することから
相対的に電子と原料ガスの粒子が衝突する頻度が低下す
るため、当該領域における放電開始電圧が高くなり、上
記第一の特徴構成による薄膜形成が抑制されることにな
る。従って、前記柱状カソード電極から所定距離以上離
れた前記内側面だけに選択的に前記薄膜形成を行うこと
ができるのである。

【００１１】同第三の特徴構成によれば、従来の容量結
合型のＲＦプラズマＣＶＤ法による薄膜形成方法では、
前記被処理物の内側面への前記硬質炭素膜の形成が不可
能或いは困難であった材質についても、前記硬質炭素膜
の形成が可能となり、或いは、薄膜形成速度を大幅に改
善できるのである。例えば、前記従来の薄膜形成方法で
は、前記硬質炭素膜の形成が不可能であった真鍮製の被
処理物の内側面に対しても、前記硬質炭素膜を均質に形
成することができるのである。

【００１２】本発明に係る成膜装置の特徴構成によれ
ば、上記第一及び第二の特徴構成を有する薄膜形成方法
によって薄膜形成が可能となるため、上記第一及び第二
の特徴構成と同様の作用効果を発揮し得るのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に係る薄膜形成方法及び成
膜装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１に示すように、本発明に係る成膜装置
１は、原料ガス導入部２及びガス排出部３を備えた反応
容器４の内壁面４ａを電気的に接地してアノード電極５
とし、前記反応容器４内にカソード電極６を設け、前記
両電極５、６間、つまり、前記反応容器３内でプラズマ
を発生可能な構成としている。前記カソード電極６は導
電性材料からなる筒状の被処理物７を載置可能な平板状
をしており、その中央部に上方に向けて突出した円柱状
の柱状カソード電極６ａを有している。前記柱状カソー
ド電極６ａの大きさ及び形状は、前記筒状の被処理物７
の薄膜形成の対象となる内側面７ａで囲まれた内部空間
７ｂ内に挿入可能なように、前記被処理物７に合わせて
適宜設定する。また、前記カソード電極６は、整合回路
８を介して定格出力が最大１ｋＷの高周波電源９に接続
されており、直流バイアスで負電圧にバイアスされた１
３．５６ＭＨｚの高周波電圧が印加される。また、前記
ガス排出部３には真空ポンプ１０が接続されており、前
記反応容器４内を所定の反応圧力まで低下させる。

【００１５】ここで、前記被処理物７は前記カソード電
極６上に載置されることで、前記カソード電極６と同電
位となり、前記内側面７ａがプラズマ発生に関して前記
カソード電極６として作用することになる。ところで、
前記被処理物７の下端部が全周にわたって前記カソード
電極６上に接触する場合は、前記内部空間７ｂ内に下方
から原料ガスが供給されず、薄膜形成の対象となる前記
内側面７ａの近傍への原料ガスの供給が不十分となる虞
が有る。かかる場合には、前記被処理物７を前記カソー
ド電極６の載置面６ｂより浮上させて支持する支持部
（図示せず）を設け、その支持部が前記被処理物７と電
気的に接触することによって前記カソード電極６と前記
被処理物７を電気的に導通させ、前記内側面７ａを前記
カソード電極６として作用させる。また、前記カソード
電極６の配置を前記アノード電極５との間隔がパッシェ
ン（Ｐａｓｃｈｅｎ）の法則によって規定される放電可
能な電極間距離の最小値より十分短くなるように設定す
ることで、前記載置面６ｂより上方でのみプラズマ発生
可能とすることができる。

【００１６】以下に、前記被処理物７の一例として円筒
形状で真鍮製のガスコンセント１１の内側面１１ａに、
前記成膜装置１を使用して、容量結合型のＲＦプラズマ
ＣＶＤ法により、硬質炭素膜を蒸着堆積させてコーティ
ングする方法について説明する。図２に示すように、前
記ガスコンセント１１の前記内側面１１ａで囲まれた内
部空間１１ｂは直径１２ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒状
で、前記ガスコンセント１１の下端より数ｍｍの一部に
切り欠き部１１ｃを有するため、前記カソード電極６の
載置面６ｂに直接載置しても前記切り欠き部１１ｃを通
して原料ガスが前記内部空間１１ｂ内に流通するため、
前記ガスコンセント１１を前記載置面６ｂから浮上させ
て支持する必要はない。また、前記内部空間１１ｂは上
下に貫通しているため、上部の開口部からも原料ガスが
前記内部空間１１ｂ内に流通する。前記柱状カソード電
極６ａは、直径４ｍｍ、高さ１５ｍｍの円柱体で、その
形状及び大きさは、前記ガスコンセント１１の前記内部
空間１１ｂの形状及び大きさに合わせて設定してある。
前記ガスコンセント１１を前記載置面６ｂに前記柱状カ
ソード電極６ａと前記内部空間１１ｂの両中心軸を一致
させて載置した場合、前記柱状カソード電極６ａの側壁
と前記内側面１１ａまでの間隙は４ｍｍとなり、前記ガ
スコンセント１１は前記カソード電極６と同電位とな
り、前記内側面１１ａは前記カソード電極６として作用
する。

【００１７】次に、硬質炭素膜の形成条件について説明
する。前記高周波電源９の高周波出力は５０Ｗである。
硬質炭素膜の形成前に前処理として、母材となる前記真
鍮製のガスコンセント１１の洗浄を行った後に、水素ガ
スを流量１００ｓｃｃｍで前記原料ガス導入部２から前
記反応容器４内に供給し、反応圧力は０．３Ｔｏｒｒで
プラズマを発生させた。この前処理により、前記ガスコ
ンセント１１は洗浄され、２００℃〜３００℃に昇温さ
れる。引き続き、前記反応容器４を開放することなく、
硬質炭素膜の形成を開始する。この時の条件は、導入ガ
スがメタンガス２０％と水素ガス８０％の混合ガスに変
更される以外は、前記前処理と同じである。

【００１８】かかる条件下において、前記反応容器４内
でプラズマを発生させると、前記ガスコンセント１１の
前記内側面１１ａの近傍及び外壁面近傍においてメタン
がラジカル等の活性種に変換され、更に、脱水素が進行
してダイアモンドの結晶となりながら前記カソード電極
６として作用する前記内側面１１ａ及び前記外壁面に硬
質炭素膜が蒸着してコーティングされる。前記内側面１
１ａだけをコーティングする場合は、予め前記外壁面を
コーティング防止材で被覆することで前記外壁面のコー
ティングを抑制することができる。前記コーティング防
止材としてアルミ箔等が使用できる。

【００１９】ここで、前記柱状カソード電極６ａの側壁
と前記内側面１１ａとで挟まれた領域及びその近傍で
は、既に説明したように、前記柱状カソード電極６ａの
存在によって前記内側面１１ａからの正イオンの衝突に
よる電子の放出が抑制されるため、局部的にプラズマ発
生に係る放電開始電圧が上昇しプラズマが発生せず、結
果として、前記ガスコンセント１１の下端より２０ｍｍ
の範囲では硬質炭素膜が均一にコーティングされなかっ
た。また、上記の実施例に追加して、同一条件下で前記
柱状カソード電極６ａの高さを５ｍｍと１０ｍｍに変化
させた比較実験例では、前記ガスコンセント１１の下端
より夫々１０ｍｍ、１５ｍｍ以上の位置に硬質炭素膜が
コーティングされ、前記柱状カソード電極６ａの高さを
変化させることにより、コーティングされる範囲を自在
に変更できることが判明した。

【００２０】以下に別実施形態を説明する。〈１〉上記実施形態では、硬質炭素膜の原料ガスとして
メタンガスと水素ガスを使用したが、メタン以外の炭化
水素であってもよい。例えば、ベンゼンを使用する場
合、ベンゼン４％と水素９６％を混合して使用するのが
好ましい。

【００２１】〈２〉本発明に係る薄膜形成方法及び成膜
装置でコーティングする薄膜は硬質炭素膜に限定される
ものではない。例えば、チタニアをコーティングする場
合は、原料ガスとして、４塩化チタン５％、アルゴン７
５％、水５％をを混合したものを、総流量１００ｓｃｃ
ｍで前記原料ガス導入部２から前記反応容器４内に供給
するのが好ましい。他の条件は硬質炭素膜を形成する場
合と同様である。

【００２２】〈３〉原料ガスの組成及び総流量、前記反
応容器４内の反応圧力及び温度、前記高周波電源９の高
周波出力及び周波数等は、形成する薄膜や前記被処理物
７の性状に応じて適宜変更可能である。

【００２３】〈４〉上記実施形態では、前記内側面７
ａ、１１ａの一部だけに薄膜形成するために、前記成膜
装置１の前記カソード電極６に前記柱状カソード電極６
ａを設けてあるが、前記柱状カソード電極６ａを設けず
に、前記内側面７ａ、１１ａの全面に薄膜形成しても構
わない。また、前記内側面７ａ、１１ａの中央部分のみ
に薄膜形成する場合は、前記柱状カソード電極６ａを追
加して２個設け、前記内部空間７ｂ、１１ｂに上下両方
向から夫々挿入するようにしても構わない。更に、前記
被処理物７及び前記柱状カソード電極６ａの形状及び大
きさも、上記実施形態のものに限定されるものではな
い。

【００２４】〈５〉前記被処理物７は前記ガスコンセン
ト１１に限定されるものではない。導電性材料からなる
筒状体であれば、本発明に係る薄膜形成方法、成膜装置
を使用して、その内側面に所定の薄膜を形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成膜装置の一実施の形態を示す概
略図

【図２】本発明に係る薄膜形成方法の一実施の形態を示
す説明図

【符号の説明】

１成膜装置２原料ガス導入部３ガス排出部４反応容器４ａ内壁面５アノード電極６カソード電極６ａ柱状カソード電極６ｂ載置面７被処理物７ａ、１１ａ内側面７ｂ、１１ｂ内部空間８整合回路９高周波電源１０真空ポンプ１１ガスコンセント１１ｃ切り欠き部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井隆満京都府京都市下京区中堂寺南町17 株式会社関西新技術研究所内 (72)発明者増田敦彦京都府京都市下京区中堂寺南町17 株式会社関西新技術研究所内Ｆターム(参考） 4K030 AA02 AA09 AA10 AA17 AA24 BA27 BA46 CA01 CA15 FA03 KA15 KA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容量結合型のＲＦプラズマＣＶＤ法によ
り、導電性材料からなる筒状の被処理物の内側面に薄膜
形成する薄膜形成方法であって、前記被処理物を、アノード電極とカソード電極間に形成
されるプラズマ発生領域内に配置し、前記プラズマ発生
領域内に供給された原料ガスが前記被処理物の前記内側
面で囲まれた内部空間に流通可能に支持し、且つ、前記
カソード電極と電気的に接触した状態において、前記原料ガスを前記プラズマ発生領域内に供給するとと
もに、前記カソード電極に高周波電圧を印加して前記プ
ラズマ発生領域内にプラズマを発生させ、前記被処理物
の内側面に所定の薄膜を形成する薄膜形成工程を行う薄
膜形成方法。
【請求項２】前記カソード電極と同電位の柱状カソー
ド電極を、前記内側面から所定の距離を隔てて、前記内
部空間に所定長さ分挿入した状態で、前記薄膜形成工程
を行う請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項３】前記原料ガスが炭化水素と水素で、形成
される薄膜が硬質炭素膜である請求項１または２記載の
薄膜形成方法。
【請求項４】容量結合型のＲＦプラズマＣＶＤ法によ
り、導電性材料からなる筒状の被処理物の内側面に薄膜
を形成する成膜装置であって、カソード電極が、前記被処理物をその内部空間に原料ガ
スが流通可能に支持し、且つ、電気的に接触可能な構造
を有し、前記被処理物の前記内側面から所定の距離を隔てて前記
内部空間に挿入可能な前記カソード電極と同電位の柱状
カソード電極を備えてなることを特徴とする成膜装置。