JP2001516947A - マイクロ波の入射によりプラズマを発生させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、マイクロ波を入射させることによりプラズマを発生させる方法に関し、この場合プロセスガスを容器に導入しかつマイクロ波の入射によりプラズマを点弧する。本発明によれば、入力結合されたマイクロ波ビームをパルス化する。それにより、同じプロセス結果でマイクロ波ビームの減少が可能であるので、こうしてプロセス温度を低下させることができる。さらに、効果的に同じ入力結合した出力でプロセス速度の上昇が可能であり、ひいてはプロセス時間が短縮されかつ該方法は大きなチャージ量に高スケーリングすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来の技術 本発明は、プロセスガスを容器に導入し、放射源によりマイクロ波ビームを発
生させかつこのマイクロ波ビームを容器に入射させて、プラズマを点弧すること
により、マイクロ波を入射させることによりプラズマを発生させる方法に関する
。

【０００２】 マイクロ波ビームを発生させかつそれによりプラズマを点弧するプロセスは公
知でありかつ種々の分野で使用される。独自のプロセス及び種々の異なるプロセ
スのシーケンスの一部が問題になる。マイクロ波ビームで発生したプラズマは、
別のプラズマの点弧のためにも利用することができる。

【０００３】 重要な適用範囲は、表面の処理である。このうちには、被着する方法並びにま
た被着しない方法、例えば剥離する又は活性化する方法が包含される。被着方法
では、プラスチック及び硬化した鋼の硬質磨耗保護層での被覆が特に重要である
。このような磨耗保護層は、例えば硬質のアモルファス炭素層（ａ−Ｃ：Ｈ）で
あってもよい。

【０００４】 この種の方法は、ドイツ国特許出願第１９５１３６１４号明細書、米国特許第
５,４２７,８２７号明細書及び米国特許第４,８６９,９２３号明細書から公知で
ある。ドイツ国特許出願第１９５１３６１４号明細書には、印加された双極的に
パルス化されたバイアスでの炭素層の堆積が記載されている。米国特許第５,４ ２７,８２７号明細書は、５０℃の基板温度での連続的マイクロ波ＥＣＲプラズ マ内での光学的に透明なダイヤモンド様炭素層の堆積に関し、この場合にはサイ
ン状ＲＦ交流電圧を印加する。プラズマ発生と層堆積とが空間的に分離して２つ
の室内で進行するいわゆるダウンストリーム（downstream）法が記載されている
。米国特許第４,８６９,９２３号明細書は、プラズマをマイクロ波の連続的入射
により発生させるが、但し双極的にパルス化したバイアスを用いない方法に関す
る。これらの方法の欠点は、硬質の、厚さ数μｍの層を堆積させるためのには高
い堆積速度では典型的なプロセス温度は約１８０〜２２０℃であることにある。
この高い温度は、基板においては硬度損失を惹起することがある。プラスチック
基板の被着は、この方法ではそのままでは不可能である。それというのも、プラ
スチックは温度負荷に基づき軟化するので、基板はその形を変化するからである
。確かに、入射マイクロ波ビームを減少させることにより対策を講じることがで
きる。しかしまた、それにより被着速度も低下するので、プロセス時間もまた延
長される。もう１つの対策は、イオンの加速のために双極基板パルス間に休止時
間を挿入することである。この対策はもちろん堆積速度の低下をもたらし、かつ
、このことは極めて重大なことであるが、層硬度の低下を惹起する。

【０００５】 別の公知の方法では、プラズマの発生もまた基板へのイオン加速も基板での高
周波数のサイン状の交流電圧により惹起される。この場合、プロセス温度は約１
５０℃である。しかし、この方法の欠点は、技術的理由から例えば工業的に慣用
のチャージ量のような大きなチャージ量へのスケーリングがそのままでは不可能
であることにある。

【０００６】 本発明の利点 前記の方法に対して、プラズマを発生させるためにパルス化したマイクロ波ビ
ームを使用する本発明による方法は、プロセス温度を２００℃未満に調整するこ
とができかつ大きなチャージ量へのスケーリングが可能であるという利点を有す
る。従って、本発明による方法は、特に温度に敏感な基板の処理及び工業的の慣
用のチャージ量の処理ために適当である。

【０００７】 プロセス温度の低下は、パルス化したマイクロ波ビームの入力結合出力をパル
ス化されていないマイクロ波ビームの必要な出力のに比較して同じプロセス結果
で低下させることができることにより可能になる。本発明による方法は、マイク
ロ波ビームにより発生したプラズマが抽出可能でありかつ基板に作用させること
ができるイオン電流密度はマイクロ波ビームの入力結合した出力に対して過剰比
例で上昇するという認識に基づく。従って、入力結合マイクロ波ビームの出力を
２倍にすると、イオン電流は同様に、しかし２倍より多く上昇する。従って、従
来の技術の水準においては、連続的マイクロ波ビームの出力は、所望のイオン電
流密度が達成されるまで低下せしめられる。本発明による方法では、この代わり
にマイクロ波ビームの高い出力から出発しかつプラズマをパルス化した励起によ
り点弧する。従って、マイクロ波ビームの最初の出力を例えば２倍にし、かつ、
マイクロ波発生器が動作状態の５０％が“オン”でありかつ動作状態の５０％が
“オフ”であるパルス周波数を選択すれば、有効に最初２倍にした出力を半分に
することができる。この１００％から５０％への“デューティーサイクル”の半
分化は、イオン電流の半分化を惹起する。しかしながら、イオン電流の初期値は
、開始時に行われた２倍化によりパルス化されていない場合に比較すると既に、
しかも２倍より大に高められている。

【０００８】 従って、同じ有効マイクロ波出力で、より大きな効果、この場合にはまたより
高いイオン電流を得ることができる。従って、元来所望のイオン電流を得るため
には、マイクロ波発生器の運転時間をなお一層短縮しなければならない。従って
、同じ効果、即ちマイクロ波ビームの減少させた有効出力で、同じ効果が得られ
る。

【０００９】 同じプロセス結果でのマイクロ波ビームの有効出力の減少は、プロセス温度の
低下をもたらす。従って、本発明による方法は温度に敏感な基板の処理のため
に特に好適である。他面、マイクロ波ビームの効果的に同じ入力結合した、マイ
クロ波ビームの出力においてプロセス速度が高められる。従って、プロセス時間
が短縮される。よって、該方法は、高速及び廉価であり、かつひいては大きなチ
ャージ量が可能である。

【００１０】 マイクロ波ビームの低い出力（例えば約０．５ｋＷ）で、さらに、従来公知方
法では不可能であるような、プラズマの安定化が観察される。パルス化されてい
ないプラズマは、一般に一定の出力未満では運転されず、消弧する。それに対し
て、本発明による方法においては、この限界値未満の小さいマイクロ波出力でも
持続運転が可能である。

【００１１】 従属請求項に記載された手段により、請求項１に記載の方法の有利な実施態様
及び改良が可能である。

【００１２】 本発明による方法は、当然あらゆるマイクロ波アシステッドプロセスにおいて
適用することができる。この場合、固有のプロセスが問題になる。しかしまた、
異なったプロセスのシリーズの一部であってもよい。該プロセスとは、被着され
るか又は被着されなくてもよい表面処理のためのプロセスである。被着しないプ
ロセスにおいては、剥離するプロセスと、剥離しない、例えば活性化するプロセ
スとが区別される。

【００１３】 マイクロ波ビームは、粒子、電磁放射又は粒子放射のための別の源、例えばス
パッタリング源、蒸着源又はアーク源と組み合わせることができる。

【００１４】 マイクロ波プラズマ自体は、使用されるその都度のプロセスに基づき、例えば
プラズマ源として又はイオン源として種々の形成で使用することができる。これ
らのイオンは、負の基板電圧を用いて基板に加速することができる。

【００１５】 しかしまた、該マイクロ波プラズマは、別のプラズマのための点弧補助手段と
して利用することができる。

【００１６】 以下に、図面を参照して実施例により本発明を詳細に説明する。

【００１７】 図１は、再度如何にして本発明による方法により同じプロセス結果でマイクロ
波ビームの有効出力が減少されるかを示す。この場合には、０．８４ｋＷの出力
を有するマイクロ波ビームでプロセスガスとしてアルゴンを用いて圧力ｐ＝１×
１０³ｍｂａｒでマイクロ波プラズマを発生させた。プラズマ内に存在する基板 に対する負のバイアス供給の印加により、基板イオン電圧を測定した。出発状態
はパルス化されていないマイクロ波ビームの１００％に相当する、即ち放射源の
運転時間中には、これは専ら運転状態“オン”であった。これはいわゆる１（１
００％）の“デューティサイクル”に相当する。今や、マイクロ波ビームを系統
的に高めた。それと共に上昇するイオン電流をマイクロ波ビームのパルス化によ
り減少させた。従って、パルス内のマイクロ波ビームの出力は高いままである。
しかし、放射源はもはや連続的運転状態“オン”でなく、時間的に運転状態“オ
フ”である。これは１未満（１００％未満）の“デューティサイクル”に相当す
る。デューティサイクルのための値と乗算したパルスの当たりのビーム出力から
、マイクロ波ビームの有効出力が計算される。これは、イオン電流密度、従って
基板でのバイアス電流が出発値に減少されかつ一定に保持されるように調整する
。プロットから、パルス出力を高めると同じ効果で有効マイクロ波ビームの減少
が可能であることが認識される。

【００１８】 図２及び３は、本発明による方法を実施するための装置１を図式的に示す。装
置１は、約７０ｃｍの直径を有する横断面が円形の容器２を有する。容器２内に
、基板３が設置されている。この場合、鋼基板を問題とする。この場合には、図
３における矢印Ａ及びＢの方向でそれ自体並びにまた容器２の中心点を中心とし
て回転する二重回転する基板３が設置されている。基体３は電圧源４に接続され
ているので、パルス化することもできる負のバイアス電圧を印加することができ
る。 容器２は開口５を有し、該開口を通して電圧源６により発生されたマイク
ロ波ビームを入力結合することができる。プロセスガスを導入するための供給接
続管７及び必要な減圧を構成するための調節弁９を備えた吸引接続管８を有する
。さらに、容器２は２つの別の放射源１０及び１１、この実施例の場合には２つ
のスパッタリングカソードを有する。

【００１９】 本発明による方法を、以下のようにして実施した： まず、公知方法で、Ａｒプラズマを基板に印加された負の電圧で点弧すること
により、基板のプラズマ浄化を実施した。これは浄化及び引き続いて被着すべき
層の付着力の上昇に役立つ。

【００２０】 次の工程として、公知方法により、引き続き被着すべき機能層の付着力の上昇
を惹起する金属層を被着する。

【００２１】 機能層は、以下の方法で堆積させる：供給接続管片７を介して、アセチレンを
プロセスガスとして容器２内に導入した。圧力は、３×１０^-3ｍｂａｒに調整し
た。プラズマ１２が点弧されるように、１．１ｋＷの出力（＝パルス化されてい
ない出力１００％）を有するマイクロ波ビームを入力結合させた。パルス化する
ために、マイクロ波ビームの出力を１１０％に高めかつパルス周波数を５ｋＨｚ
に調整した。放射源６の“デューティサイクル”は５０％であった、即ち電圧源
６は全運転中５０％が運転状態“オン”であった。

【００２２】 基板に、双極バイアス電圧を印加した。基板電圧の時間的平均値は−２００Ｖ
であった。

【００２３】 該実施例では、容器１は２つのスパッタリング源１０，１１と結合されていた
。こうして、被着プロセスの他にスパッタリングプロセスを使用することができ
る。蒸着源及びアーク源のような電磁又は粒子ビームの他の別の源との結合も考
えられる。

【００２４】 パルス化されないプロセス（１．１ｋＷの出力を有する被パルス化ビーム）の
温度は、約２２０℃であった。パルス化後に、２００℃未満への温度の低下が観
察された。パルス化プロセス及び非パルス化プロセスの場合には、匹敵する速度
、及び測定精度の範囲内で、同じ硬度及び摩擦学的特性を有するアモルファス炭
素層（ａ−Ｃ：Ｈ）が堆積した。製造された層の特性は、 −金属付着層を有するアモルファスの、炭素含有炭素層（ａ−Ｃ：Ｈ） −層厚さ２〜３μｍ −層硬度２０００〜４０００ＨＶ −鋼に対する摩擦値０．１ であった。

【００２５】 前記の実施例は、多種多様に変更することができる。有利であるのは、パルス
化したプラズマ発生と基板電圧供給との組合せである。この組合せは、分離され
たプラズマ発生及び基板に対する帯電した粒子の加速、ひいては層特性の意図し
た影響を可能にする。基板電圧供給としては、 −ＤＣ電圧供給 −特に電気的絶縁層のための交流周波数 が考えられる。

【００２６】 この場合交流周波数の周波数は、マイクロ波の周波数より小さい、同じ又は大
きくてよい。周波数が同じ場合には、バイアスパルスとマイクロ波パルスの間の
位相を規定して調整するのが有利なこともある。交流周波数としては、サイン状
の時間的電圧経過、パルス状単極電圧及び個々の電圧パルスの間に休止期を有す
るか又は有しないパルス状の双極電圧が該当する。

【００２７】 マイクロ周波数は、工業用周波数範囲内、例えば２．４５ＧＨｚ，１．２２５
ＧＨｚ及び９５０ＧＨｚであってよい。例えば、メガヘルツ範囲内に達するパル
ス周波数も考えられる。０．１〜１００ｋＨｚの周波数は、現在技術的理由から
好ましい、その際２〜１０ｋＨｚの周波数スペクトルを特に容易に多大な装置的
費用をかけずに達成することができる。

【００２８】 その都度の使用に基づき、マイクロ波出力を有するパルスの効率を上昇させる
ことができる。マイクロ波ビームの出力の上限は、使用される放射源の出力限界
と同じである。０．５ｋＷの下限が推奨される。特に好ましいのは、１ｋＷ以上
もしくは３ｋＷ以上の値である。

【００２９】 種々の種類のマイクロ波プラズマを使用することができる。一面では、純粋な
マイクロ波プラズマを圧力範囲＞１０^-2ｍｂａｒで、又は付加的磁界ではＥＣＲ
マイクロ波プラズマとして圧力範囲＞１０^-4で使用することができる。

【００３０】 本発明による方法は、あらゆる種類の被着するマイクロ波プラズマのために適
当である。Ｃ含有層を被着するためには、例えばメタン及びアセチレンをプロセ
スガスとして使用することができる。ケイ素含有層を製造するためには、シラン
類、例えばシラン、又はケイ素有機化合物、例えばＨＭＤＳ，ＨＭＤＳ（Ｏ），
ＨＭＤＳ（Ｎ）又はＴＭＳがプロセスガスとして適当である。しかしまた、当業
者に公知の別のプロセスガス、例えば金属有機化合物も使用可能である。該方法
は、プラズマポリマー層の堆積のためにも適当である。同様に、異なるガスの組
合せによる層系の堆積も可能である。

【００３１】 記載の方法に基づき堆積すべき層を別の層、特に、公知方法に基づき堆積され
るものと組合せることも可能である。該組合せは、例えば複数層もしくはマルチ
層で行うことができる。

【００３２】 パルス休止期において、各プラズマパルスが新鮮なプロセスガスで行われるよ
うに、プロセスガスの交換も可能である。このことは場合により複雑な幾何学的
関係を有する基板の処理及び被着のために重要である。

【００３３】 基板は定置、回転又は直線運動していてもよい。この方法は、もちろんバッチ
式装置又は連続式装置又はばら物装置におけるような別のタイプに装置で実施す
ることができる。

【００３４】 さらに、本発明による方法は、表面活性化のための被着しないプロセス、表面
のプラズマ微細浄化又は表面のプラズマ構造化のために適当である。これらの場
合も、有利に低い処理温度又は高速のプロセス、即ちプロセス時間の短縮を可能
にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 基板上の一定の平均イオン電流に関するマイクロ波ビームの平均出力の、マイ
クロ波パルス当たりの出力に対する依存性を示すグラフである。

【図２】 本発明による方法を実施するための装置の略示図である。

【図３】 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線の沿った断面図である。

【符号の説明】

１ プラズマ発生装置、 ２ 容器、 ３ 基板、 ４ 電圧源、 ５ 開口
、 ６ 電圧源、 ７ 供給接続管片、 ８ 吸引接続管片、 ９ 調節弁、
１０ 放射源、 １１ 放射源、 Ａ，Ｂ 回転方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨハネス フォイクト ドイツ連邦共和国 レオンベルク シュテ ックホーフシュトラーセ 47 (72)発明者 ズザンネ ルーカス ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ベ ラウシュトラーセ ９

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスガスを容器に導入し、放射源によりマイクロ波ビー
   ムを発生させかつこのマイクロ波ビームを容器に入射させて、プラズマを点弧す
   ることにより、マイクロ波を入射させることによりプラズマを発生させる方法に
   おいて、プラズマの点弧及び運転のためにパルス化したマイクロ波ビームを使用
   することを特徴とする、マイクロ波の入射によりプラズマを発生させる方法。
2. 【請求項２】 少なくとも約０．１ｋＨｚ、好ましくは１ｋＨｚ〜１０ｋＨ
   ｚのパルス周波数を有するマイクロ波ビームを使用する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 放射源の有効運転時間（デューティサイクル）が自由に選択
   可能である、好ましくはプロセス時間の３０〜７０％に調整可能である、請求項
   １又は２記載の方法。
4. 【請求項４】 時間的に確認される量、例えば基板イオン電流、又はパルス
   化されたプロセス（デューティサイクル＜１００％）のための被着速度が、時間
   的平均において減少されるマイクロ波出力で、パルス化されないプロセス（デュ
   ーティサイクル１００％）における量と同じである、請求項１から３までのいず
   れか１項記載の方法。
5. 【請求項５】 時間的に確認される量、例えば基板イオン電流、又はパルス
   化されたプロセス（デューティサイクル＜１００％）のための被着速度が、時間
   的平均おいて同じマイクロ波出力でパルス化されないプロセス（デューティサイ
   クル１００％）おける量よりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載
   の方法。
6. 【請求項６】 パルス休止期においてプロセスガスの交換を行う、請求項１
   から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 少なくとも約０．５ｋＷ、特に１ｋＷより大もしくは３ｋＷ
   より大の入力出力を有するマイクロ波ビームを使用する、請求項１から６までの
   いずれか１項記載の方法。
8. 【請求項８】 ギガヘルツ範囲内の周波数、好ましくは２．４５ＧＨｚ，１
   ．２２５ＧＨｚ又は０．９５ＧＨｚを有するマイクロ波ビームを使用する、請求
   項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 【請求項９】 プロセス温度を２００℃未満に調整する、請求項１から８ま
   でのいずれか１項記載の方法。
10. 【請求項１０】 プラズマを低圧でＥＣＲプラズマとして構成する、請求項
    １から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 【請求項１１】 プラズマをプラズマ源として又はイオン源として使用する
    、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 【請求項１２】 基板の表面の処理又は被着のためのプロセスにおいて使用
    する、請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 被着するプラズマを発生させるために使用する、請求項１
    ２記載の方法。
14. 【請求項１４】 表面活性化のための被着しないプロセスのために使用する
    、請求項１２記載の方法。
15. 【請求項１５】 以下の層： 炭素含有層、特にアモルファスの水素含有炭素ａ−Ｃ：Ｈ、 ケイ素含有層、特にアモルファスの水素含有ケイ素ａ−Ｓｉ：Ｈ又は プラズマポリマー層 を堆積させる、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 【請求項１６】 剥離する表面処理、特に表面のプラズマ浄化及び／又はプ
    ラズマ構造化のためのプロセスで使用する、請求項１２記載の方法。
17. 【請求項１７】 処理すべき又は被着すべき部分をバイアス電位、好ましく
    は負のバイアス電位に印加する、請求項１２から１６までのいずれか１項記載の
    方法。
18. 【請求項１８】 バイアスを、特にパルスの間に休止期を有するか又は有し
    ない、特に単極パルス化バイアス、双極パルス化バイアスにパルス化する、請求
    項１７記載の方法。
19. 【請求項１９】 高周波数、特にｋＨｚ又はＭＨｚ範囲内のバイアスを使用
    する、請求項１７記載の方法。
20. 【請求項２０】 マイクロ波ビームを粒子、電磁放射又は粒子放射のための
    別の源と組み合わせる、請求項１から１９までのいずれか１項記載の方法。
21. 【請求項２１】 プラズマを別のプラズマの点弧のために使用する、請求項
    １から１１までのいずれか１項記載の方法。
22. 【請求項２２】 定置又は移動される基板の被着を行う、請求項１から２１
    までのいずれか１項記載の方法。
23. 【請求項２３】 請求項１から２２までのいずれか１項記載の方法の、バッ
    チ装置又は連続装置又はばら物装置における使用。