JP2002212740A - ハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 三次元形状を持つ被蒸着部材の表面により均
一で密着性のよい被膜を迅速に形成することができるハ
イブリッドパルスプラズマ蒸着装置および方法を提供す
ること。 【解決手段】 反応容器１０中に拡散したガスをプラズ
マ化して成膜を行なう際には、被蒸着物ＷＯを載置する
支持台ＳＴに１ｋＶ〜４０ｋＶ程度のピーク電圧ＶＰの
高電圧パルスが印加されて、プラズマ中の陽イオンが比
較的高エネルギーで被蒸着物ＷＯに入射する。これによ
り、イオンミキシング効果を利用した成膜が行なわれ
る。また、高電圧印加に際して、支持台ＳＴが絶対値で
電圧ＶＰよりも十分小さな５ｋＶ程度以下のバイアス電
圧ＶＢとなって、プラズマ中の陽イオンが比較的低エネ
ルギーで被蒸着物ＷＯに入射する。この場合、高電圧パ
ルスの合間にも成膜を進行させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンド状カ
ーボン膜、有機金属を用いた各種酸化物、窒化物、炭化
物被膜等の形成に用いられるハイブリッドパルスプラズ
マ蒸着装置であって、複雑形状品や穴などの狭い空間を
持つ部材に均一に製膜でき、耐摩耗部材、耐腐食部材へ
の被膜形成、抗菌、触媒、絶縁、装飾などの機能膜の形
成に利用されるハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスプラズマ蒸着法では、間欠的にプ
ラズマを点火するとともに、これに同期して被蒸着物に
高電圧を印加することにより、原料ガスを活性化して被
蒸着物の表面に被膜を形成する。本方法の起源は、例え
ば米国特許第４７６４３９４号公報、特開平４−２６４
３４６号公報、及び特開平４−２８００５５号公報に開
示されている。また、その改良発明が特開平１１−２９
７４９３号に開示されている。

【０００３】上記ようなパルスプラズマ蒸着法では、間
欠的なパルス状のプラズマ点火を利用して比較的狭い空
間にも効率的にプラズマを入り込ませることができるの
で、従来の物理蒸着法（ＰＶＤ法）に較べ、三次元形状
表面を持つ複雑な部材の表面あるいは穴の内面にも均一
に被膜を形成できると言われている。通常、ＰＶＤ法で
被蒸着物表面に均一に被膜を形成する場合には、被蒸着
物を回転させながら被覆処理を行う必要があるが、パル
スプラズマ蒸着法では、回転させずに均一な被膜形成が
可能になるので、各種部品を大量に被覆処理する上で非
常に有利であると考えられる。

【０００４】また、パルスプラズマ蒸着法の別の特長と
して、反応室内に置かれた被蒸着物にパルス状の負の高
電圧を印加するので、被蒸着物表面に１０〜４０ｋＶの
高エネルギーイオンが照射され、被蒸着物表面の物質と
入射イオンとのミキシングが生じミキシング層が形成さ
れると言われている。その上に継続して被膜を形成する
と、このミキシング層が被蒸着物と被膜とを強力に接着
する中間層となって、付着強度の高い被覆部材を製造す
ることができると考えられる。

【０００５】さらに、上記パルスプラズマ蒸着法では、
正または負の電圧をパルス的に印加できるので、被処理
物表面をパルス的に加熱することができ、内部を低温に
保持したまま表面のみを焼き入れしたり、浸炭や窒化が
できるという特徴も持っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
パルスプラズマ蒸着法は、その期待に十分に応えていな
いのが現状である。すなわち、上記蒸着法では、パルス
状に被蒸着物に電圧を印加するので、被蒸着物に電圧が
印加されていないときには、ミキシング効果が生じず、
期待した特性を有しない膜が形成されることになる。ま
た、パルス状に被蒸着物に電圧を印加するので、蒸着時
間がパルスのデューティ比で制限されることになり、蒸
着速度が上がらず、原料ガスが不蒸着時間も流れること
になるので、原料ガスが浪費されるという問題点があ
る。

【０００７】そこで、本発明は、三次元形状を持つ被蒸
着部材の表面に所望の膜のみを密着性良く均一に形成す
ることができるハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置を
提供することを目的とする。

【０００８】また、本発明は、三次元形状を持つ被蒸着
部材の表面に少ない原料ガスの消費量で所望の膜を迅速
に形成することができるハイブリッドパルスプラズマ蒸
着装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置は、
反応容器中に原料ガスを供給する原料供給手段と、高周
波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前記原
料ガスを励起する励起手段と、前記反応容器に収容され
た被蒸着物に高電圧パルスを印加する電圧印加手段と、
前記高電圧パルスに所定の電圧を重畳させるバイアス手
段とを備える。

【００１０】上記蒸着装置では、バイアス手段が前記高
電圧パルスに所定の電圧を重畳させるので、硬質の膜を
形成することができ、さらに成膜レートを上げることが
でき、或いは三次元形状の被蒸着物に付き回り性の良い
成膜が可能になる。例えば、バイアス手段が前記高電圧
パルスに対して負の比較的低い電圧を重畳させると、高
電圧パルスの合間にも原料ガスのイオンが被蒸着物に入
射してイオンミキシング効果が生じ、硬質で良好な付着
性を有する膜を形成することができる。また、高電圧パ
ルスの合間にも成膜が進行することになるので、原料ガ
スの浪費を低減して成膜レートを上昇させることができ
る。一方、バイアス手段が前記高電圧パルスに対して正
の比較的低い電圧を重畳させると、被蒸着物の穴や窪み
に集まった電子に導かれてここのプラズマ密度が高まり
ホローカソード効果が助長されるので、多様な形状の被
蒸着物の表面に均一な成膜を行なうことができる。な
お、高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入する
ことにより、反応容器中の原料ガスのプラズマ密度を高
めることができ、高電圧パルスの印加によって形成され
るプラズマシースを薄くすることができ、均一で付き回
り性の良い成膜が可能になる。

【００１１】また、上記装置の具体的態様では、前記励
起手段が、前記高周波及びマイクロ波の投入タイミング
を、前記被蒸着物に印加する前記高電圧パルスに同期さ
せる。この場合、プラズマ発生に同期して被蒸着物に高
電圧が印加されるので、発生したプラズマを効率的に被
蒸着物に入射させることができる。

【００１２】また、上記装置の別の具体的態様では、前
記高電圧パルスの印加に連動して、前記反応容器内に原
料ガスをパルス的に導入するガス供給機構をさらに備え
る。この場合、原料ガスを被蒸着物の周囲に十分拡散さ
せた状態でプラズマ化することができ、目的とする膜を
より均一に形成することができる。また、軟質な膜の形
成を抑制することができる。

【００１３】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置は、反応容器中に常温で液体の有機金属
ガスを含む原料ガスを供給する原料供給手段と、高周波
及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前記原料
ガスを励起する励起手段と、前記反応容器に収容された
被蒸着物に高電圧パルスを印加する電圧印加手段とを備
える。

【００１４】上記蒸着装置では、ガス供給装置が反応容
器中に常温で液体の有機金属ガスを含む原料ガスを供給
するので、常温で液体の有機金属ガスを効率的にプラズ
マ化した成膜が可能になり、従来にない多様な成膜が可
能になる。なお、高周波及びマイクロ波を前記反応容器
中に投入することにより、反応容器中の有機金属ガスの
プラズマ密度を高めることができ、高電圧パルスの印加
によって形成されるプラズマシースを薄くすることがで
き、均一で付き回り性の良い成膜が可能になる。

【００１５】また、上記装置の具体的態様では、前記反
応容器を加熱する容器加熱手段をさらに備える。この場
合、一旦気化した有機金属ガスが反応容器内壁に付着し
て成膜レートが下がったり、膜質が劣化することを防止
できる。

【００１６】また、上記装置の具体的態様では、前記高
電圧パルスに所定の電圧を重畳させるバイアス手段をさ
らに備える。この場合、硬質の膜を形成することがで
き、さらに成膜レートを上げることができ、或いは三次
元形状の被蒸着物に付き回り性の良い成膜が可能にな
る。例えば、バイアス手段が前記高電圧パルスに負の比
較的低い電圧を重畳させると、硬質で良好な付着性を有
する膜を形成することができ、成膜レートを上昇させる
ことができる。また、バイアス手段が前記高電圧パルス
に正の比較的低い電圧を重畳させると、多様な形状の被
蒸着物の表面に均一な成膜を行なうことができる。

【００１７】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置は、反応容器中に原料ガスを供給する原
料供給手段と、前記反応容器中のガスを排気する真空排
気手段と、高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投
入して、前記原料ガスを励起する励起手段と、前記反応
容器に収容された被蒸着物に高電圧パルスを印加する電
圧印加手段と、前記反応容器と真空排気手段との間に設
けられてガス排気流量を調整するバルブとを備える。

【００１８】上記蒸着装置では、前記反応容器と真空排
気手段との間に設けられたバルブがガス排気流量を調整
するので、原料ガスの消費量を節約することができる。
さらに、前記反応容器中の圧力制御がより確実になり、
三次元形状の被蒸着物の表面に目的とする膜を付き回り
性よく効率的に形成することができる。なお、高周波及
びマイクロ波を前記反応容器中に投入することにより、
反応容器中の原料ガスのプラズマ密度を高めることがで
き、高電圧パルスの印加によって形成されるプラズマシ
ースを薄くすることができ、均一で付き回り性の良い成
膜が可能になる。

【００１９】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置は、有機金属ガスを含む反応ガスを供給
するガス源と、ガス源からの前記反応ガスの流量を調節
する質量流量調節計と、前記質量流量調節計から送られ
た前記反応ガスを加熱蒸発させるバッファータンクと、
当該バッファータンクと反応容器との間に配置される高
速応答型のバルブとを有し、前記反応ガスを原料ガスと
してパルス的に前記反応容器中に供給する原料供給手段
と、高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入し
て、前記原料ガスを励起する励起手段とを備える。

【００２０】上記蒸着装置では、ガス源、質量流量調節
計、バッファータンク、高速応答型のバルブ等を備える
原料供給手段が前記原料ガスをパルス的に前記反応容器
中に供給するので、有機金属ガスを含む原料ガスを前記
反応容器中に適当なタイミング及び量で供給することが
でき、有機金属ガスを用いた成膜の均一性を高め、得ら
れた膜の膜質を向上させることができる。なお、高周波
及びマイクロ波をパルス的に前記反応容器中に投入する
ことにより、反応容器中に拡散した原料ガスを効率よく
プラズマ化することができるので、均一で付き回り性の
良い成膜が可能になる。

【００２１】また、上記装置の具体的態様では、前記原
料供給手段が、前記質量流量調節計、前記バッファータ
ンク、及び前記バルブの間に設けた配管を周囲から加熱
する配管加熱手段をさらに備える。この場合、有機金属
ガスが気化した状態で安定に供給されるので、成膜レー
トが変動したり、膜質が劣化することを防止できる。

【００２２】また、上記装置の別の具体的態様では、前
記反応容器中の被蒸着物若しくは当該被蒸着物を載置す
る支持台に１ｋＶ以上４０ｋＶ以下の高電圧パルスを印
加する。この場合、高電圧パルスによってプラズマ中の
イオンが適度に加速されて被蒸着物に入射するので、よ
り付着強度が高く、より硬質の膜を形成することができ
る。

【００２３】また、上記装置の別の具体的態様では、前
記反応容器中の被蒸着物若しくは当該被蒸着物を載置す
る支持台に１ｋＶ以上４０ｋＶ以下の高電圧パルスを印
加するとともに、当該高電圧パルスに正又は負の５ｋＶ
以下の直流電圧を重畳する。この場合、高電圧パルスに
よってプラズマ中のイオンが適度に加速されて被蒸着物
に入射するので、より付着強度が高く、より硬質の膜を
形成することができる。さらに、前記高電圧パルスに負
の５ｋＶ以下の電圧を重畳させると、高電圧パルスの合
間にも原料ガスのイオンが被蒸着物に入射して硬質で良
好な付着性を有する膜を形成することができ、成膜レー
トを上昇させることができる。また、前記高電圧パルス
に正の５ｋＶ以下の電圧を重畳させると、適度なホロー
カソード効果が生じ、多様な形状の被蒸着物の表面に均
一な成膜を行なうことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
ハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置について説明す
る。

【００２５】図１は、実施形態のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置の全体構造を説明するブロック図であ
る。この蒸着装置は、被蒸着物ＷＯを載置する支持台Ｓ
Ｔを収容する反応容器１０と、この反応容器１０中に原
料ガスを供給するための原料供給手段である原料ガス供
給装置２０と、高周波を反応容器１０中に投入して原料
ガスを電離する高周波電離装置３０と、マイクロ波を反
応容器１０中に投入して原料ガスを電離するマイクロ波
電離装置４０と、支持台ＳＴ上の被蒸着物ＷＯに高電圧
をパルス状に印加するための電圧印加手段である高圧電
源装置５０と、反応容器１０中のガスを外部に排出する
ガス排出装置６０と、原料ガス供給装置２０、高周波電
離装置３０、マイクロ波電離装置４０、高圧電源装置５
０等の動作タイミングを調整するタイミング制御装置８
０とを備える。なお、高周波電離装置３０及びマイクロ
波電離装置４０は、原料ガスを励起する励起手段として
機能する。

【００２６】反応容器１０は、真空容器になっており、
周囲に設けた加熱手段である温水循環装置７０及び配管
１１によって所望の温度に保持される。このように、反
応容器１０を温水循環装置７０によって加熱することに
より、反応容器１０に導入された原料ガスが反応容器１
０の内壁面に付着することを防止できる。なお、配管１
１はヒータに、温水循環装置７０は給電装置に置き換え
ることができる。

【００２７】この反応容器１０の内部に設けた支持台Ｓ
Ｔ上には、二次元若しくは三次元の任意形状の被蒸着物
ＷＯが載置される。支持台ＳＴは、反応容器１０から絶
縁された電極として高圧電源装置５０からの電圧の供給
を受けており、支持台ＳＴ上の被蒸着物ＷＯにも高電圧
パルスが印加される。

【００２８】原料ガス供給装置２０は、反応ガスのうち
特に有機金属ガスを供給する有機金属ガス源２１と、そ
の他の反応ガスを供給する反応ガス源２２と、両ガス源
２１、２２から反応容器１０中への反応ガスの供給量を
制御するガス供給機構であるガス供給制御装置２３とを
備える。有機金属ガス源２１は、例えばＴＥＯＳ（テト
ラエトキシシラン）を蒸気化してガス供給制御装置２３
に供給する。一方、反応ガス源２２は、アルゴンガス
（Ａｒ）、水素ガス（Ｈ₂）、窒素ガス（Ｎ₂）、酸素ガ
ス（Ｏ₂）、炭化水素ガス（Ｃ_xＨ_y）等をガス供給制御
装置２３に供給する。ガス供給制御装置２３は、各種反
応ガスを混合するとともにガス供給量を制御して、反応
容器１０にパルス状に原料ガスを供給する。

【００２９】図２は、ガス供給制御装置２３の具体的な
構造の一例を説明する図である。ガス供給制御装置２３
は、有機金属ガス源２１（図１参照）からのガス化した
ＴＥＯＳや反応ガス源２２（図１参照）からのＯ₂、
Ｎ₂、Ａｒ等のガスを一時的に貯留するバッファータン
ク２３ａと、バッファータンク２３ａ中のガスを適当な
タイミングで反応容器１０中に導く高速応答型の電磁バ
ルブ２３ｂと、バッファータンク２３ａへのガスの流量
を調節する質量流量調節計であるマスフローコントロー
ラ２３ｃ〜２３ｆとを備える。バッファータンク２３
ａ、電磁バルブ２３ｂ、及びこれらに接続される配管
は、ヒータ２３ｇによって一定温度に加熱されており、
バッファータンク２３ａ等を通過するＴＥＯＳガスの再
液化を防止する。制御駆動装置２３ｈは、ヒータ２３ｇ
への通電量、各マスフローコントローラ２３ｃ〜２３ｆ
における流量設定、電磁バルブ２３ｂの開閉タイミング
等を制御する。なお、電磁バルブ２３ｂの開閉タイミン
グは、タイミング制御装置８０からのパルス信号に基づ
いて設定される。

【００３０】原料ガス供給装置２０の動作について説明
すると、有機金属ガス源２１（図１参照）からのＴＥＯ
Ｓガスは、マスフローコントローラ２３ｃを介してバッ
ファータンク２３ａに導かれる。同様に、反応ガス源２
２からの各反応ガスも、マスフローコントローラ２３ｄ
〜２３ｆを介してバッファータンク２３ａに導かれる。
バッファータンク２３ａに貯留されたガスは、電磁バル
ブ２３ｂを適当なタイミングで開放することによって反
応容器１０にパルス状に導入される。なお、バッファー
タンク２３ａの内部容積は、反応容器１０の内部容積を
考慮して設定されており、バッファータンク２３ａが所
定圧まで上昇した状態で電磁バルブ２３ｂを瞬間的に開
放することにより、反応容器１０の内圧を所望圧以上に
瞬時に上昇させることができる。

【００３１】なお、以上説明した原料ガス供給装置２０
は、酸化シリコン等を成膜するために反応容器１０にＴ
ＥＯＳを供給するものであったが、例えばダイヤモンド
状カーボン膜を成膜する場合、ＴＥＯＳに代えてアセチ
レン、メタン、トルエン等を上記のようなガス供給制御
装置２３に供給することになる。アセチレンやメタンを
原料ガスとする場合、液化を気にすることなく高密度で
供給することができるので、バッファータンク２３ａは
必ずしも必要ない。

【００３２】図１に戻って、高周波電離装置３０は、高
周波を発生する高周波電源３１と、この高周波電源３１
からの高周波電力を反応容器１０中のガスに供給してプ
ラズマ化するための環状の高周波アンテナ３２と、高周
波電源３１から高周波アンテナ３２への高周波電力の供
給に際してマッチングをとる高周波マッチングボックス
３３とを備える。なお、高周波電力の発生タイミング
は、タイミング制御装置８０からのパルス信号に基づい
て設定される。

【００３３】マイクロ波電離装置４０は、マイクロ波を
発生するマイクロ波電源４１と、マッチング用のマイク
ロ波マッチングボックス４２と、マイクロ波を反応容器
１０中に導く導波管４３と、マイクロ波を反応容器１０
中に投入するための窓４４とを備える。導波管４３を介
して反応容器１０中に投入されたマイクロ波は、反応容
器１０中のガスをプラズマ化する。なお、マイクロ波の
発生タイミングは、タイミング制御装置８０からのパル
ス信号に基づいて設定される。

【００３４】以上のように、高周波電離装置３０とマイ
クロ波電離装置４０とを用いて反応容器１０中の原料ガ
スをプラズマ化することにより、被蒸着物ＷＯの周囲の
プラズマ密度を上げることができる。よって、被蒸着物
ＷＯにパルス電圧を印加した際に、被蒸着物ＷＯの表面
に形成されるプラズマシースの厚さを薄くすることがで
き、被蒸着物ＷＯの表面を、窪みや穴の内面を含めて均
一に被膜を形成することができる。なお、高周波のみで
プラズマ密度を上げようとすると、電極となる支持台Ｓ
Ｔのスパッタや反応容器１０の内壁のスパッタ現象が大
きくなり、実用上問題になる。また、マイクロ波のみで
プラズマ密度を上げようとすると、動作圧力が高いの
で、被蒸着物ＷＯに高電圧を印加したときに異常放電を
引き起こすという問題がある。

【００３５】高圧電源装置５０は、支持台ＳＴ上の被蒸
着物ＷＯに正又は負の高電圧をパルス状に印加する。ま
た、高圧電源装置５０は、バイアス手段として、高電圧
パルスに負のバイアス電圧を重畳させることができる。

【００３６】高圧電源装置５０を用いて支持台ＳＴ上の
被蒸着物ＷＯに高電圧パルスを印加することにより、反
応容器１０中のプラズマ中のイオンが被蒸着物ＷＯの表
面に所望のエネルギーで入射するので、入射イオンのミ
キシング効果によって被蒸着物ＷＯの表面に形成された
膜の密着性や均一性を高めることができ、硬質の膜を得
ることができる。また、被蒸着物ＷＯに正または負の電
圧をパルス的に印加するので、被蒸着物ＷＯの表面をパ
ルス的に加熱することができる。つまり、被蒸着物ＷＯ
の内部を低温に保持したままで表面のみに焼き入れした
り、浸炭や窒化ができる。

【００３７】また、この高電圧パルスに負のバイアス電
圧を重畳させることにより、パルス電圧による間欠的な
成膜の間にもプラズマイオンを引き寄せることができ、
パルス電圧が印加されていないときにも蒸着を進行させ
て成膜レートを高めることができる。さらに、この高電
圧パルスに正のバイアス電圧を重畳させることにより、
被蒸着物ＷＯの穴や窪みにプラズマイオンが入り込むホ
ローカソード効果を助長するので、多様な形状の被蒸着
物ＷＯの表面に均一な成膜を行なうことができる。

【００３８】ガス排出装置６０は、反応容器１０中を真
空排気するターボ分子ポンプ６１と、ターボ分子ポンプ
６１に接続されるドライポンプ６２と、ドライポンプ６
２から排出されたガスを浄化する排ガス処理装置６３
と、反応容器１０及びターボ分子ポンプ６１の間に配置
されてターボ分子ポンプ６１に排出されるガスの流量を
制御する流量調節バルブ６４と、その他開閉バルブ６５
とを備える。ターボ分子ポンプ６１及びドライポンプ６
２は、真空排気手段として、ガス供給制御装置２３によ
って反応容器１０中にパルス状に導入された原料ガスを
排気して反応容器１０内を漸次減圧する。排ガス処理装
置６３は、反応容器１０に導入されたＴＥＯＳガス等の
有害ガスを無毒化して外部に排出することができる。流
量調節バルブ６４は、原料ガスが反応容器１０中にパル
ス状に導入され、この原料ガスがプラズマ化されるまで
は、閉じた状態にあり、原料ガスのプラズマ化の後すな
わち蒸着後には、開いた状態となる。なお、流量調節バ
ルブ６４の開閉タイミングは、タイミング制御装置８０
からのパルス信号に基づいて設定される。

【００３９】タイミング制御装置８０は、パルスジェネ
レータ等を含み、パルス周期、デューティ比、ディレイ
タイム等を任意に設定したパルスを発生させることがで
きる。ここで発生したパルス信号は、原料ガス供給装置
２０のガス供給制御装置２３と、高周波電離装置３０の
高周波電源３１と、マイクロ波電離装置４０のマイクロ
波電源４１と、高圧電源装置５０と、ガス排出装置６０
の流量調節バルブ６４とに出力され、これらを適当なタ
イミングで駆動するために利用される。

【００４０】その他、図示を省略しているが、図１の蒸
着装置には、反応容器１０の温度、真空度等をモニター
し、装置の稼動状態を制御する標準的な設備も設けられ
ている。

【００４１】図３は、ガス供給制御装置２３、高周波電
源３１、マイクロ波電源４１、高圧電源装置５０、ガス
排出装置６０及び流量調節バルブ６４の動作タイミング
を説明する図である。

【００４２】図３（ａ）は、ガス供給制御装置２３に設
けた電磁バルブ２３ｂの開閉タイミングの制御信号を説
明するグラフである。信号がＯＦＦの際には、電磁バル
ブ２３ｂが閉止されてバッファータンク２３ａ中にガス
が貯留され、信号がＯＮに切り替わると、電磁バルブ２
３ｂが開放されてバッファータンク２３ａ中のガスが反
応容器１０中に噴出されて反応容器１０内部に拡散す
る。

【００４３】図３（ｂ）は、高周波電源３１の動作タイ
ミングの制御信号を説明するグラフである。信号がＯＮ
の際には、高周波アンテナ３２に高周波電力が供給さ
れ、反応容器１０中に拡散したガスがプラズマ化する。
なお、反応容器１０に原料ガスを供給する際には、高周
波電源３１の動作信号がＯＦＦとなる。

【００４４】図３（ｃ）は、マイクロ波電源４１の動作
タイミングの制御信号を説明するグラフである。信号が
ＯＮの際には、導波管４３を介して反応容器１０中にマ
イクロ波が供給され、反応容器１０中に拡散したガスが
プラズマ化する。なお、マイクロ波電源４１の動作信号
と、高周波電源３１の動作信号とは同期させている。

【００４５】図３（ｄ）は、高圧電源装置５０が発生す
る電圧を説明するグラフである。反応容器１０中に拡散
したガスをプラズマ化して成膜を行なう際には、被蒸着
物ＷＯを載置する支持台ＳＴに１ｋＶ〜４０ｋＶ程度の
ピーク電圧ＶＰの高電圧パルスが印加されて、プラズマ
中の陽イオンが比較的高エネルギーで被蒸着物ＷＯに入
射する。これにより、イオンミキシング効果を利用した
成膜が行なわれることになる。また、この高電圧パルス
には、絶対値で電圧ＶＰよりも十分小さな５ｋＶ程度以
下のバイアス電圧ＶＢが重畳されているので、高電圧パ
ルスの合間にも支持台ＳＴに電圧ＶＢが印加され、プラ
ズマ中の陽イオンが比較的低エネルギーで被蒸着物ＷＯ
に入射する。この場合、高電圧パルスの合間にも成膜を
進行させることができる。

【００４６】なお、支持台ＳＴに印加されるバイアス電
位ＶＢは、絶対値で電圧ＶＰよりも十分小さな正の値と
することもでき、この場合、被蒸着物ＷＯの凹所に集ま
った電子によってこの凹所にプラズマイオンが引き寄せ
られるので、ホローカソード効果を助長して被蒸着物Ｗ
Ｏの表面に均一な成膜を行なうことができる。

【００４７】ここで、高電圧パルスを印加するタイミン
グは、高周波やマイクロ波の投入タイミングよりも、Δ
ｔだけ遅れるように設定している。これは、高周波やマ
イクロ波によって十分な密度のプラズマが発生した状態
で、被蒸着物ＷＯに高電圧パルスを印加して成膜を進行
させることを意味する。高周波やマイクロ波の投入周期
は、例えば１Ｈｚとすることができ、その際、パルス幅
は０.５ｓ程度となり、Δｔは０.０５ｓ程度となる。

【００４８】図３（ｅ）は、ガス排出装置６０に設けた
流量調節バルブ６４の開閉タイミングの制御信号を説明
するグラフである。信号がＯＦＦの際には、流量調節バ
ルブ６４に設けた電磁バルブが閉止されて、原料ガスが
被蒸着物ＷＯの周囲及び内部に均一に拡散してここに保
持される。信号がＯＮに切り替わると、流量調節バルブ
６４に設けた電磁バルブが開放されて反応容器１０内部
のガスが排出される。この場合、反応容器１０の内部が
徐々に減圧されるので、様々なサイズの窪みに均一な膜
を形成することができる。例えば雰囲気圧が高い場合、
細い穴状の部分にホローカソード効果が生じ易く、雰囲
気圧が低い場合、太い穴状の部分にホローカソード効果
が生じ易いので、圧力変化の過程で様々なサイズの窪み
にプラズイオンが回り込み、表面全体に均一な膜を形成
することができる。

【００４９】以上のような成膜工程を、経時的に順を追
って説明すると、まず、電磁バルブ２３ｂを開放して、
バッファータンク２３ａ中の原料ガスを反応容器１０中
に噴出されて反応容器１０内部に拡散させる。この際、
流量調節バルブ６４が閉止状態となって、反応容器１０
内部の原料ガスが保持される。このように拡散した原料
ガスは、被蒸着物ＷＯの凹部に回り込んで均一に分布す
る。

【００５０】次に、原料ガスが反応容器１０中に十分に
拡散したタイミングで、電磁バルブ２３ｂを閉止すると
ともに、高周波電力を高周波アンテナ３２を介して反応
容器１０に導入し、反応容器１０内に拡散した原料ガス
をプラズマ化する。さらに、マイクロ波電力を反応容器
１０に導入し、反応容器１０内に拡散した原料ガスを効
率良くプラズマ化する。このようにプラズマ化した原料
ガスは、被蒸着物ＷＯに効率的に付着する。この際、流
量調節バルブ６４を開放状態とし、被蒸着物ＷＯを載置
する支持台ＳＴに１ｋＶ〜４０ｋＶ程度の負の高電圧パ
ルスを印加するので、プラズマ中の陽イオンが比較的高
エネルギーで被蒸着物ＷＯに入射し、イオンミキシング
効果により、密着性の良い膜が形成される。また、高電
圧パルスの合間にも、支持台ＳＴが５ｋＶ程度以下の負
のバイアス電圧ＶＢとなって、プラズマ中の陽イオンが
比較的低エネルギーで被蒸着物ＷＯに入射するので、高
電圧パルスによる成膜の合間にも比較的良質な膜を形成
することができる。

【００５１】以下、具体的な実施例について説明する。 （実施例１）本実施例では、図１のハイブリッドパルス
プラズマ蒸着装置を用いて被蒸着物ＷＯの表面にＳｉＯ
₂膜の成膜を行った。

【００５２】原料ガスにはＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）
₄）と酸素ガスとを用いた。被蒸着物ＷＯとしてＳｉ板
を用い、これを一辺が５０ｍｍの立方体の各面に取り付
けて、支持台ＳＴ上に保持した。

【００５３】まず、反応容器１０の壁部に設けた配管１
１に８０℃の温水を供給しつつ反応容器１０内を１×１
０^-3Ｐａまで引いた後、ＴＥＯＳ：０.１ｍｌ／ｍｉ
ｎ、酸素：１００ｓｃｃｍの流量で供給し、流量調節バ
ルブ６４を調節して反応容器１０内を０.５Ｐａの圧力
に保った。このとき、ＴＥＯＳを液体流量調節計を用い
て蒸発タンク（図示を省略）に供給し、バッファータン
ク２３ａ内で１５０℃にて加熱気化したものを、電磁バ
ルブ２３ｂを介して反応容器１０へ供給した。次いで、
高周波電離装置３０からの高周波を反応容器１０内へ供
給し原料ガス中にプラズマを生成した後、マイクロ波を
投入しプラズマ強度をさらに高めた。

【００５４】支持台ＳＴには、電圧−１０ｋＶ、パルス
幅１０μｓ、繰り返し１ｋＨｚのパルスに−０.５ｋＶ
の直流電圧を重畳した電圧を印加した。さらに、高周波
電源３１、マイクロ波電源４１、高電圧電源装置５０、
および電磁バルブ２３ｂ、流量調節バルブ６４は、タイ
ミング制御装置８０からの信号によりパルス幅０.５
ｓ、周波数１ＨｚでＯＮ／ＯＦＦ制御され、時間的には
図３に示すようにガス導入、高周波、マイクロ波、ガス
排気開始、被蒸着物電圧の順にＯＮ制御された。

【００５５】これにより、３０分の蒸着を行ったとこ
ろ、Ｓｉ板表面にはＳｉＯ₂膜（厳密にはＳｉＯ_x膜）が
形成された。立方体形状の試料取付台に張り付けられた
Ｓｉ板表面に蒸着された膜の厚さから成膜の均一性の評
価を行った。平均的にはＳｉＯ_x膜の膜厚は約１.５μｍ
であり、最も厚い上面と最も薄い下面の膜厚の比は約
１．１となり、本装置を用いれば三次元形状を持つ物体
の表面に均一に被覆できることが判った。比較例とし
て、従来の方法のように被蒸着物に印加する高電圧パル
スのみをＯＮ／ＯＦＦ制御でパルス化した場合、膜厚比
は１.３となり、本発明の装置を用いる方法に較べ膜厚
の均一性がやや低くなることが判った。

【００５６】（実施例２）本実施例では、図１の蒸着装
置を用いて深穴を持つ基材からなる被蒸着物ＷＯの穴の
内面への蒸着を行った。被蒸着物ＷＯには実施例１と同
じＳｉＯ₂膜を成膜した。原料ガスにはＴＥＯＳと酸素
ガスを用いた。被蒸着物ＷＯとしては、一辺が１５０ｍ
ｍの直方体の鋼材ＳＣＲ４２０に直径１０ｍｍ、深さ１
００ｍｍの穴を明け、穴内部の膜厚分布が調査できるよ
うに、穴の中心線を通る線で２分割されたものを用い
た。

【００５７】まず、反応容器１０の配管１１に８０℃の
温水を供給しつつ反応容器１０を１×１０^-3Ｐａまで引
いた後、ＴＥＯＳ：０.１５ｍｌ／ｍｉｎ、酸素：１２
０ｓｃｃｍの流量で供給し、流量調節バルブ６４を調節
して反応容器１０内を０.７Ｐａの圧力に保った。この
とき、ＴＥＯＳを液体流量調節計を用いて蒸発タンクへ
供給し、バッファータンク２３ａ内で１５０℃にて加熱
気化したものを、電磁バルブ２３ｂを介して反応容器１
０へ供給した。次いで、高周波電離装置３０からの高周
波を反応容器１０内へ供給し原料ガス中にプラズマを生
成した後、マイクロ波を投入しプラズマ強度をさらに高
めた。

【００５８】支持台ＳＴには、電圧−１２ｋＶ、パルス
幅１０μｓ、繰り返し１ｋＨｚのパルスに＋０.５ｋＶ
の直流電圧を重畳した電圧を印加した。さらに、実施例
１同様にガス導入、高周波、マイクロ波、ガス排気開
始、被蒸着物電圧の順にＯＮ／ＯＦＦ制御された。

【００５９】これにより、１時間の蒸着を行い、被蒸着
物ＷＯの穴内面に蒸着されたＳｉＯ ₂膜（厳密にはＳｉ
Ｏ_x膜）の厚さを測定し、従来のパルスプラズマ法で、
高周波とマイクロ波の重畳ならびに被蒸着物に印加する
負の高電圧パルスに正の直流電圧を重畳しない場合と比
較した。評価法として、穴の入口に蒸着されたＳｉＯ_x
膜の膜厚を基準に、ＳｉＯ_x膜の膜厚が１／２になる穴
深さを測定した。その結果、本実施例の方法では、入り
口から３０ｍｍで１／２膜厚になるのに対し、従来のパ
ルスプラズマ法を模擬して行った試験では入口から１０
ｍｍで１／２膜厚となった。

【００６０】このように、本方法は、穴内部の蒸着、ひ
いては多くの基板を充填した状態での均一蒸着に有利で
あるということが立証された。

【００６１】（実施例３）本実施例では、図１の蒸着装
置を用いてＴｉＯ_x膜の成膜を行った。原料ガスにはテ
トライソプロポキシチタン：Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃Ｈ₇）₄
と酸素ガスとを用いた。被蒸着物ＷＯとして一辺が５０
ｍｍのステンレス板を用い、これを支持台ＳＴ上に５０
ｍｍ間隔で上方に向かって立てた状態で保持した。

【００６２】まず、反応容器１０の配管１１に９０℃の
温水を循環しつつ反応容器１０内を１×１０^-3Ｐａまで
真空に引いた後、テトライソプロポキシチタン：０.１
ｍｌ／ｍｉｎ、酸素：８０ｓｃｃｍの流量で供給し、流
量調節バルブ６４を調節して反応容器１０内を０.３Ｐ
ａの圧力に保った。このとき、テトライソプロポキシチ
タンは液体流量調節計を用いて蒸発タンクへ供給し、バ
ッファータンク２３ａ内で１８０℃にて加熱気化したも
のを、電磁バルブ２３ｂを介して反応容器１０内へ供給
した。次いで、高周波ならびにマイクロ波を投入し反応
容器１０内に強いプラズマを生成せしめた。

【００６３】支持台ＳＴには、電圧−１２ｋＶ、パルス
幅２０μｓ、繰り返し５００Ｈｚの負のパルスに−０.
４ｋＶの直流電圧を重畳した電圧を印加した。さらに、
実施例１同様にガス導入、高周波、マイクロ波、ガス排
気開始、被蒸着物電圧の順にＯＮ／ＯＦＦ制御した。

【００６４】これにより、１時間の蒸着を行ったとこ
ろ、ステンレス板表面にはＴｉＯ_x膜が形成された。膜
の厚く付く上部と薄く付く下部のステンレス板の膜厚比
は１.２となり、従来法の高電圧パルスのみをＯＮ／Ｏ
ＦＦ制御でパルス化した場合の膜厚比１．５に較べ大幅
に改善されることが判った。また、負の高電圧パルスに
負の直流電圧を重畳したことにより、成膜速度が約２０
％改善され、良質な膜すなわちＴｉＯ_xのＸが２に近づ
くことが判った。

【００６５】以上、実施形態に即して本発明を説明した
が、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記本発明のハイブリッドパルスプラズマ蒸着
装置において原料として有機金属を用いることにより、
酸化物だけでなく、窒化物、炭化物等を成膜することが
できる。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置によれば、バイ
アス手段が前記高電圧パルスに所定の電圧を重畳させる
ので、硬質の膜を形成することができ、さらに成膜レー
トを上げることができ、或いは三次元形状の被蒸着物に
付き回り性の良い成膜が可能になる。

【００６７】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置によれば、ガス供給装置が反応容器中に
常温で液体の有機金属ガスを含む原料ガスを供給するの
で、常温で液体の有機金属ガスを効率的にプラズマ化し
た成膜が可能になり、従来にない多様な成膜が可能にな
る。

【００６８】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置によれば、前記反応容器と真空排気手段
との間に設けられたバルブがガス排気流量を調整するの
で、原料ガスの消費量を節約することができる。さら
に、前記反応容器中の圧力制御がより確実になり、三次
元形状の被蒸着物の表面に目的とする膜を付き回り性よ
く効率的に形成することができる。

【００６９】また、本発明の別のハイブリッドパルスプ
ラズマ蒸着装置によれば、ガス源、質量流量調節計、バ
ッファータンク、高速応答型のバルブ等を備える原料供
給手段が前記原料ガスをパルス的に前記反応容器中に供
給するので、有機金属ガスを含む原料ガスを前記反応容
器中に適当なタイミング及び量で供給することができ、
有機金属ガスを用いた成膜の均一性を高め、得られた膜
の膜質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッドパルス
プラズマ蒸着装置の全体構造を説明する図である。

【図２】図１の蒸着装置に組み込まれているガス供給制
御装置の具体的な構造を説明する図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は、図１の蒸着装置の動作を説
明するタイミングチャートである。

【符号の説明】 １０ 反応容器 ２０ 原料ガス供給装置 ２１ 有機金属ガス源 ２２ 反応ガス源 ２３ ガス供給制御装置 ２３ａ バッファータンク ２３ｂ 電磁バルブ ２３ｃ〜２３ｆ マスフローコントローラ ２３ｇ ヒータ ２３ｈ 制御駆動装置 ３０ 高周波電離装置 ３１ 高周波電源 ３２ 高周波アンテナ ４０ マイクロ波電離装置 ４１ マイクロ波電源 ４４ 窓 ５０ 高圧電源装置 ６０ 水循環装置 ６１ ターボ分子ポンプ ６３ 排ガス処理装置 ６４ 流量調節バルブ ８０ タイミング制御装置 ＳＴ 支持台 ＷＯ 被蒸着物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000253019 澁谷工業株式会社 石川県金沢市大豆田本町甲58番地 (71)出願人 593165487 学校法人金沢工業大学 石川県石川郡野々市町扇が丘７番１号 (71)出願人 591040236 石川県 石川県金沢市広坂２丁目１番１号 (71)出願人 592029256 福井県 福井県福井市大手３丁目17番１号 (74)上記１名の代理人 100091731 弁理士 高木 千嘉 （外３名） (72)発明者 神田 一隆 富山県富山市不二越本町１−１−１ 株式 会社不二越内 (72)発明者 粟津 薫 石川県金沢市片町２−２−15 財団法人北 陸産業活性化センター内 (72)発明者 作道 訓之 石川県松任市八束穂３−１ 金沢工業大学 高度材料科学研究開発センター内 (72)発明者 岡▲崎▼ 健一 石川県能美郡寺井町字大長野ト65 フジタ 技研株式会社内 (72)発明者 長谷川 祐史 石川県能美郡根上町吉原町ワ13 株式会社 オンワード技研内 (72)発明者 池永 訓昭 石川県金沢市若宮２−232 澁谷工業株式 会社内 (72)発明者 南保 幸男 福井県福井市文京４−23−１ 日華化学株 式会社内 (72)発明者 佐治 栄治 福井県福井市川合鷲塚町61字北稲田10 福 井県工業技術センター内 (72)発明者 安井 治之 石川県金沢市戸水町ロ１ 石川県工業試験 場内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 EA01 FA01 JA05 JA17 KA20 KA22 KA25 KA41

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器中に原料ガスを供給する原料供
   給手段と、 高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前
   記原料ガスを励起する励起手段と、 前記反応容器に収容された被蒸着物に高電圧パルスを印
   加する電圧印加手段と、 前記高電圧パルスに所定の電圧を重畳させるバイアス手
   段と、を備えるハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置。
2. 【請求項２】 前記励起手段は、前記高周波及びマイク
   ロ波の投入タイミングを、前記被蒸着物に印加する前記
   高電圧パルスに同期させることを特徴とする請求項１記
   載のハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置。
3. 【請求項３】 前記高電圧パルスの印加に連動して、前
   記反応容器内に原料ガスをパルス的に導入するガス供給
   機構をさらに備えることを特徴とする請求項１及び請求
   項２いずれか記載のハイブリッドパルスプラズマ蒸着装
   置。
4. 【請求項４】 反応容器中に常温で液体の有機金属ガス
   を含む原料ガスを供給する原料供給手段と、 高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前
   記原料ガスを励起する励起手段と、 前記反応容器に収容された被蒸着物に高電圧パルスを印
   加する電圧印加手段と、を備えるハイブリッドパルスプ
   ラズマ蒸着装置。
5. 【請求項５】 前記反応容器を加熱する容器加熱手段を
   さらに備えることを特徴とする請求項４記載のハイブリ
   ッドパルスプラズマ蒸着装置。
6. 【請求項６】 前記高電圧パルスに所定の電圧を重畳さ
   せるバイアス手段をさらに備えることを特徴とする請求
   項４及び５のいずれか記載のハイブリッドパルスプラズ
   マ蒸着装置。
7. 【請求項７】 反応容器中に原料ガスを供給する原料供
   給手段と、 前記反応容器中のガスを排気する真空排気手段と、 高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前
   記原料ガスを励起する励起手段と、 前記反応容器に収容された被蒸着物に高電圧パルスを印
   加する電圧印加手段と、 前記反応容器と真空排気手段との間に設けられてガス排
   気流量を調整するバルブと、を備えるハイブリッドパル
   スプラズマ蒸着装置。
8. 【請求項８】 有機金属ガスを含む反応ガスを供給する
   ガス源と、当該ガス源からの前記反応ガスの流量を調節
   する質量流量調節計と、当該質量流量調節計から送られ
   た前記反応ガスを加熱蒸発させるバッファータンクと、
   当該バッファータンクと反応容器との間に配置される高
   速応答型のバルブとを有し、前記反応ガスを原料ガスと
   してパルス的に前記反応容器中に供給する原料供給手段
   と、 高周波及びマイクロ波を前記反応容器中に投入して、前
   記原料ガスを励起する励起手段と、を備えるハイブリッ
   ドパルスプラズマ蒸着装置。
9. 【請求項９】 前記原料供給手段は、前記質量流量調節
   計、前記バッファータンク、及び前記バルブの間に設け
   た配管を周囲から加熱する配管加熱手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項８記載のハイブリッドパルスプ
   ラズマ蒸着装置。
10. 【請求項１０】 前記反応容器中の被蒸着物若しくは当
    該被蒸着物を載置する支持台に１ｋＶ以上４０ｋＶ以下
    の高電圧パルスを印加することを特徴とする請求項１乃
    至９記載のハイブリッドパルスプラズマ蒸着装置。
11. 【請求項１１】 前記反応容器中の被蒸着物若しくは当
    該被蒸着物を載置する支持台に１ｋＶ以上４０ｋＶ以下
    の高電圧パルスを印加するとともに、当該高電圧パルス
    に正又は負の５ｋＶ以下の直流電圧を重畳することを特
    徴とする請求項１乃至９のいずれか記載のハイブリッド
    パルスプラズマ蒸着装置。