JP2000080478A

JP2000080478A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2000080478A
Application number: JP10246860A
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: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理物の表面に、ＲＦプラズマＣＶＤ法に
より、被処理物の表面形状にかかわらず均一な膜厚で薄
膜形成可能な薄膜形成装置を提供する。【解決手段】被処理物６を収容可能な大きさのプラズ
マ発生領域７を内部に形成する螺旋形状の線材からなる
第１電極５と、第１電極５と同電位でない第２電極９
と、被処理物６をプラズマ発生領域７内に支持し第２電
極９と電気的に接続する支持部材８とを反応容器４内に
備え、第１電極５に高周波電圧が印加可能に構成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法により、被処理物の表面に薄膜形成する薄膜形成装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＲＦプラズマＣＶＤ法によ
り、被処理物の表面に薄膜形成する薄膜形成装置とし
て、例えば、図２に示すように、正負一対の平行平板状
のアノード電極２０とカソード電極２１を設け、その両
電極間で発生した高周波電界により放電を起こし、その
放電によって発生した容量結合型のプラズマによりその
プラズマ発生領域に注入された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
前記プラズマ発生領域に支持された被処理物２２の表面
に堆積成長させることによって所定の薄膜を形成するよ
うに構成したものがある。この場合、発生した電子及び
イオンは電界方向に沿って運動するため、電極面に平行
な方向へは薄膜成長し難いため、専ら電極面と平行に置
かれた平板状の基材状に薄膜形成するのに適しており、
立体形状の被処理物の表面への薄膜形成には使用できな
かった。例えば、円筒状の被処理物をその軸芯方向が電
極面に垂直になるように支持した場合、側面への均一な
薄膜形成が困難であるという問題があった。

【０００３】更に、かかる問題を解決すべく、立体形状
の導電性の被処理物の全面にわたって薄膜形成可能に改
良された薄膜形成装置として、例えば、図３に示すよう
に、円筒状のカソード電極３０を設け、その内部空間３
１内に同じく円筒或いは円柱状の被処理物３２を同軸に
支持するとともに前記被処理物３２をアノード電極３３
と電気的に接続して、前記円筒状のカソード電極３０の
内側面３０ａとアノード電極３３として作用する前記被
処理物３２の間で発生した高周波電界により放電を起こ
し、その放電によって発生した容量結合型のプラズマに
より前記内部空間３１内に注入された原料ガスから薄膜
形成用材料となり得る活性な化学種を発生させ、その化
学種を前記被処理物３２の側面３２ａ及び上下両底面３
２ｂに堆積成長させることによって所定の薄膜を形成す
るように構成したものがある。

【０００４】ここで、上記した従来の薄膜形成装置で
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
前記被処理物の表面に到達し、静かに薄膜が成長するも
のと考えられ、更に、前記被処理物の表面に向かって移
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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た改良型の薄膜形成装置であっても、前記カソード電極
と前記被処理物との間の相対的な位置調整が狂うと、か
かる前記両電極間の電界方向並びに電界強度が前記被処
理物の表面の全面に対して均等にならず、均一な膜厚で
薄膜形成するのが困難であった。つまり、図３に示す従
来例では、前記被処理物３２の軸芯が、前記円筒状のカ
ソード電極３０の軸芯から外れると、前記被処理物３２
の側面３２ａと前記カソード電極３０の内側面３０ａと
の間隔が周方向に均一でなくなり、周方向に対して膜厚
が不均質になるという不具合が発生する。また、この結
果、前記被処理物の表面が円筒面のように一様でなく凹
凸のある立体形状を有している場合、従来の薄膜形成装
置でその表面に均一な膜厚で薄膜形成することが原理的
に不可能である。

【０００６】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、被処理
物の表面に、被処理物の表面形状にかかわらず均一な膜
厚で薄膜形成可能な薄膜形成装置を提供する点にある。

【０００７】

【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装置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、ＲＦプラズ
マＣＶＤ法により、被処理物の表面に薄膜形成する薄膜
形成装置であって、前記被処理物を収容可能な大きさの
プラズマ発生領域を内部に形成する螺旋形状の線材から
なる第１電極と、前記第１電極と同電位でない第２電極
と、前記被処理物を前記プラズマ発生領域内に支持し前
記第２電極と電気的に接続する支持部材とを反応容器内
に備え、前記第１電極に高周波電圧が印加可能に構成さ
れている点にある。

【０００８】ここで、前記被処理物を収容可能な大きさ
とは、前記被処理物の表面の一部だけに薄膜形成する場
合は、前記被処理物の内の薄膜形成の対象となる被処理
面が収容可能であれば十分であり、前記被処理物の一部
が前記プラズマ発生領域からはみ出して支持されても構
わない。

【０００９】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、前記螺旋形状の直径が、前記被処理物のその径方向
の外形の１．５倍〜１０倍である点にある。

【００１０】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、前記螺旋形状の径方向に対して直交する
軸芯方向に沿った高さが、前記被処理物の前記軸芯方向
の外形の１．５倍〜３倍である点にある。

【００１１】同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項４に記載した如く、上記第一、第二または第三
の特徴構成に加えて、前記第１電極の線材は、前記螺旋
形状の径方向に対して直交する軸芯方向に隣り合うもの
同士が互いに接触していない点にある。

【００１２】同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項５に記載した如く、上記第四の特徴構成に加え
て、前記第１電極の線材は、前記軸芯方向に隣り合うも
の同士の間隔が１ｍｍ〜１０ｍｍである点にある。

【００１３】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、前記螺
旋形状の第１電極の両端に高周波電圧を印加した場合、
或いは、前記第１電極の一方端を解放して前記第２電極
及び前記被処理物との間の寄生容量を介してこれらと終
端し、前記第１電極の他方端に高周波電圧を印加した場
合、前記第１電極に高周波電圧を印加する方法がこれら
両方法の何れであっても、前記螺旋形状の第１電極に高
周波電流が流れるため、その周囲に前記容量結合型の高
周波電界とは別の高周波電界が誘導され、また、前記第
１電極と前記プラズマ発生領域内に前記第２電極と同電
位に支持された前記被処理物の表面と前記第１電極との
間に容量結合型の高周波電界も同時に発生し、前記誘導
高周波電界或いは前記誘導高周波電界と前記容量結合型
の高周波電界との合成高周波電界によって放電が発生
し、プラズマが誘起される。更に、ＲＦプラズマＣＶＤ
法による薄膜形成装置ではその反応容器内に原料ガスが
供給され、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。ここで、前記活性な
化学種は、通常、前記プラズマ発生領域内で発生した高
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第２電極である前記被処理
物の表面に到達し、静かに薄膜が成長するものと考えら
れるが、前記第１電極と前記被処理物の表面の間の前記
プラズマ発生領域内に発生した高周波電界が前記容量結
合型の高周波電界のみである場合は、その電界方向は局
部的に前記両電極間の対向方向に沿って発生し、その電
界強度は局部的に前記両電極間の距離に反比例するた
め、前記被処理物の表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、前記被処理物の支持位置
やその表面形状に強く依存するため、前記被処理物の表
面全面にわたって均一な膜厚の薄膜を形成することは極
めて困難であるが、本特徴構成の場合は、前記容量結合
型の高周波電界とは独立して発生する誘導高周波電界に
よって前記活性な化学種の運動方向及び速度は変調をう
けることになる。つまり、この誘導高周波電界の方向及
び強度は、前記被処理物の表面形状ではなく、前記螺旋
形状の第１電極を流れる高周波電流に強く依存するた
め、前記容量結合型の高周波電界の影響が相対的に緩和
されることになる。更に、前記高周波電流によって誘導
される高周波磁界の方向が、前記プラズマ発生領域内で
は、前記螺旋形状の軸芯方向に平行となり、前記容量結
合型の高周波電界方向とは少なくとも平行ではないた
め、前記容量結合型の高周波電界方向に沿って前記活性
な化学種が前記被処理物の表面に向かって移動した場
合、前記活性な化学種は一種の荷電粒子であるため、そ
の移動方向と前記磁界方向の両方に直交する方向に電磁
力を受けて所謂ドリフト運動を行い、更に、このドリフ
ト運動が前記両高周波電界と前記高周波磁界の両方から
高周波変調を受けるため、前記活性な化学種は前記被処
理物の表面近傍において種々の方向及び速度で運動しな
がら薄膜形成用材料として前記被処理物の表面に到達す
る。この結果、前記被処理物の表面形状や支持位置とは
無関係にその表面上に均一な膜厚の薄膜を形成できるこ
とになるのである。

【００１４】ここで、前記螺旋形状の直径が、前記被処
理物のその径方向の外形の１．５倍より小さくなると前
記第１電極と前記被処理物の表面との間隔が狭くなり、
前記被処理物の周囲にプラズマが安定して発生しなくな
り、更に、前記活性な化学種が前記被処理物の表面に到
達するまでの移動行程が相対的に短くなり、前記被処理
物の表面近傍で十分にランダムな運動にまで至らず、前
記被処理物の表面に形成された膜厚にむらが発生する虞
があり、また、前記螺旋形状の直径が、前記被処理物の
その径方向の外形の１０倍より大きくなると、前記プラ
ズマ発生領域が不必要に拡大し、また、放電開始電圧も
相対的に高くなり、薄膜形成にかかるエネルギ効率が低
下することになる。しかしながら、上記第二の特徴構成
によれば、かかる状況に陥るのを防止或いはその程度を
緩和することができ、効率よく均一な膜厚の薄膜を形成
できるのである。

【００１５】更に、前記螺旋形状の前記軸芯方向に沿っ
た高さが、前記被処理物の前記軸芯方向の外形の１．５
倍より小さくなると、前記被処理物の表面の内の前記軸
芯方向に向かう上面或いは下面側のプラズマが薄くな
り、その分反応速度が低下し、前記上面或いは下面に形
成される膜厚が前記第１電極に対向する側の表面の膜厚
に比べ薄くなる。また、前記螺旋形状の前記軸芯方向に
沿った高さが、前記被処理物の前記軸芯方向の外形の３
倍より大きくなると、前記上面或いは下面側のプラズマ
発生領域が不必要に拡大して、薄膜形成にかかるエネル
ギ効率が低下することになる。しかしながら、上記第三
の特徴構成によれば、かかる状況に陥るのを防止或いは
その程度を緩和することができ、効率よく均一な膜厚の
薄膜を形成できるのである。

【００１６】上記第四の特徴構成によれば、原料ガスが
前記第１電極を通過して前記プラズマ発生領域内に供給
されるため、原料ガスを前記螺旋形状の径方向に対して
直交する軸芯方向から供給する必要が無く、前記反応容
器の小型化が図れるのである。

【００１７】更に、前記第１電極の線材の前記螺旋形状
の径方向に対して直交する軸芯方向に隣り合うもの同士
が互いに接触していない前記第四の特徴構成の場合であ
っても、前記隣り合うもの同士の間隔が１ｍｍより小さ
くなると、前記第１電極の線材の抵抗成分によって生じ
る電圧降下により、前記隣り合う線材間で異常放電が発
生し易くなり、不要なエネルギ損失が増大する。また、
前記間隔が１０ｍｍ以上に大きくなると、前記被処理物
の周囲における前記誘導高周波電界及び誘導高周波磁界
の強度が低下し、プラズマ強度が低下する。しかしなが
ら、上記第五の特徴構成によれば、かかる状況に陥るの
を防止或いはその程度を緩和することができ、効率よく
均一な膜厚の薄膜を形成できるのである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係る薄膜形成装置の一実
施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すよう
に、本発明に係る薄膜形成装置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内に、螺旋形状の
線材からなる第１電極５を前記反応容器４と絶縁して設
け、更に、被処理物６を前記第１電極５で囲まれたプラ
ズマ発生領域７内に収容された状態で電気的に接触して
支持する支持部材８を前記反応容器４の内壁面４ａと共
通に第２電極９として電気的に接地した状態にして設
け、前記第１電極５に高周波電流を流すことにより、前
記プラズマ発生領域７内に高周波電界を誘導し、所謂誘
導結合型のプラズマを発生可能な構成としている。

【００１９】また、前記第１電極５の螺旋形状の大きさ
は、その内側に収容する前記被処理物６の大きさに応じ
て相対的に適宜変更すべきであるが、その直径が、前記
被処理物６の径方向の外形の１．５倍〜１０倍であり、
前記螺旋形状の径方向に対して直交する軸芯方向に沿っ
た高さが、前記被処理物６の前記軸芯方向の外形の１．
５倍〜３倍であり、また前記第１電極５の線材は、前記
軸芯方向に隣り合うもの同士が互いに接触せず、その間
隔が１ｍｍ〜１０ｍｍであるのが好ましい。ここで、前
記原料ガス導入部２から前記反応容器４内に供給された
原料ガスは前記第１電極５の線材の隙間から前記プラズ
マ発生領域７内に導入される。

【００２０】前記第１電極５に所定の高周波電流を流す
べく、前記第１電極５の一端側を解放した状態で、その
他端側に、前記反応容器４外に設けられた整合回路１０
を介して定格出力が最大１ｋＷの高周波電源１１が接続
されており、１３．５６ＭＨｚ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１２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。

【００２１】従って、上記要領で高周波電圧が前記第１
電極５に印加された場合、前記被処理物６の表面がアノ
ード電極として、前記第１電極５がカソード電極として
作用し、前記両電極５、９間で、前記誘導高周波電界と
ともに、別の高周波電界（容量結合型の高周波電界とい
う。）が発生する。前記誘導結合型のプラズマによっ
て、前記プラズマ発生領域７内に導入された原料ガスが
高エネルギで活性な化学種に変換され、更に、その活性
な化学種が、荷電粒子として前記二種類の高周波電界と
前記高周波電流によって誘導される高周波磁界から電磁
力を受けて、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被処理物の表面に到達して堆積し
所定の薄膜が前記被処理物６の表面に形成されるのであ
る。

【００２２】以下に、前記被処理物６の一例として、直
径２５ｍｍ、高さ３０ｍｍの円柱基材の表面に、前記薄
膜形成装置１を使用して、硬質炭素膜を蒸着堆積させて
コーティングした実施例について説明する。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。

【００２３】本実施例に使用する前記薄膜形成装置１の
前記第１電極５は、前記円柱基材の大きさに合わせて、
螺旋形状の直径が７０ｍｍ、高さが１００ｍｍ、螺旋の
巻き数が１０回のものを使用し、前記円柱基材は、前記
第１電極５の内部空間の中央部に前記支持部材８で支持
するとともに接地した。

【００２４】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１１の高周波出力は１５０Ｗであ
る。硬質炭素膜の形成の前に前処理として前記円柱基材
のクリーニングを行った。条件は水素ガス１００ｓｃｃ
ｍを前記原料ガス導入部２から前記反応容器４内に供給
し、０．３Ｔｏｒｒでプラズマを発生させた。この前処
理により、前記円柱基材はクリーニングされ、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した。条件
は、前記水素ガスをメタンガス２０％と水素ガス８０％
の混合ガスに変えた以外は、その他の条件は、前処理の
条件と同様である。

【００２５】かかる条件下において、前記プラズマ発生
領域７内でプラズマを発生させると、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アノード電極として作用する
前記円柱基材の表面に硬質炭素膜が蒸着してコーティン
グされる。この薄膜形成の結果は、硬質炭素膜の膜厚の
バラツキが最大膜厚の２０％以内であった。これに対
し、本実施例と同一条件で、図３に例示した従来型の薄
膜形成装置のように、前記第１電極を螺旋形状のものか
ら円筒形状のものに変更して、その内部に前記円柱基材
を収容して、その周囲に容量結合型のプラズマを発生さ
せて、同じく前記円柱基材の表面に硬質炭素膜を形成し
た場合は、その硬質炭素膜の膜厚のバラツキは膜厚最大
値の５０％以上であった。これより、本発明に係る前記
薄膜形成装置１を使用することとにより、均一な膜厚の
薄膜を形成できることが確認できた。

【００２６】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。

【００２７】〈２〉本発明に係る薄膜形成方法及び薄膜
形成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７５％、水５％を混合したものを、総流量１００ｓｃ
ｃｍ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。

【００２８】〈３〉前記第１電極５の螺旋形状の大きさ
及び巻き数、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１１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６の
性状に応じて適宜変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜形成装置の一実施の形態を示
す概略図

【図２】従来の薄膜形成装置の一例を示す説明図

【図３】従来の薄膜形成装置の一例を示す説明図

【符号の説明】

１薄膜形成装置２原料ガス導入部３ガス排出部４反応容器４ａ内壁面５第１電極６被処理物７プラズマ発生領域８支持部材９第２電極１０整合回路１１高周波電源１２真空ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── 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 AA03 AA09 AA10 AA17 AA24 BA28 BA46 DA03 FA03 HA07 KA15 KA18 KA30 KA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＲＦプラズマＣＶＤ法により、被処理物
の表面に薄膜形成する薄膜形成装置であって、前記被処理物を収容可能な大きさのプラズマ発生領域を
内部に形成する螺旋形状の線材からなる第１電極と、前
記第１電極と同電位でない第２電極と、前記被処理物を
前記プラズマ発生領域内に支持し前記第２電極と電気的
に接続する支持部材とを反応容器内に備え、前記第１電
極に高周波電圧が印加可能に構成されている薄膜形成装
置。
【請求項２】前記螺旋形状の直径が、前記被処理物の
その径方向の外形の１．５倍〜１０倍である請求項１記
載の薄膜形成装置。
【請求項３】前記螺旋形状の径方向に対して直交する
軸芯方向に沿った高さが、前記被処理物の前記軸芯方向
の外形の１．５倍〜３倍である請求項１または２記載の
薄膜形成装置。
【請求項４】前記第１電極の線材は、前記螺旋形状の
径方向に対して直交する軸芯方向に隣り合うもの同士が
互いに接触していないことを特徴とする請求項１、２ま
たは３記載の薄膜形成装置。
【請求項５】前記第１電極の線材は、前記軸芯方向に
隣り合うもの同士の間隔が１ｍｍ〜１０ｍｍである請求
項４記載の薄膜形成装置。