JP2009144237A

JP2009144237A - 成膜装置

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Publication number: JP2009144237A
Application number: JP2008247728A
Authority: JP
Inventors: Takao Saito; 隆雄齊藤; Tatsuya Terasawa; 達矢寺澤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: US20100199913A1; CN101809197B; CN101809197A; JP5280784B2

Abstract

【課題】体積抵抗率がシリコンよりも小さい金属材料からなる被処理物をプラズマ中のイオンの移動を伴って生成される膜で被覆して得られる製品を歩留まりよく量産する。
【解決手段】２つの電極を含みこの２つの電極間にプラズマを発生させて基板９０をＤＬＣ膜で被覆する成膜部５４と、この成膜部５４が複数設置されたチャンバ１２と、これら複数の成膜部５４にそれぞれ一つずつ設けられ成膜部５４の支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加する電気回路６２を有するパルス電源部６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置に関する。

従来より、固体誘電体で被覆した電圧印加電極とそれに対向する対向電極とを備え、これらの電極間に処理ガスを導入して誘電体バリア放電により発生するグロー放電プラズマを被処理基材に接触させて処理する放電プラズマ処理装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の放電プラズマ処理装置では、少なくとも一方に固体誘電体の設けられている２つの電極間に処理ガスを導入し電界を印加してプラズマを発生する放電プラズマ発生ユニットが３台設置されている。これら３台の放電プラズマ発生ユニットは、１つの制御ユニットによりパルス電界が印加される。
特許３９１４０９３号公報

ところで、炭化水素ガスをプラズマ化してダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を複数の被処理物に同時に生成したいというＤＬＣ膜の量産化の要望がある。その場合に、特許文献１に記載した放電プラズマ処理装置を利用することが考えられる。しかしながら、ＤＬＣ膜はプラズマ中をイオンが移動することにより生成されるので、電極を固体誘電体で被覆しているとイオンが移動せずＤＬＣ膜を生成することができない。かといって、固体誘電体で被覆していないと電極間又は被処理物と電極との間でアーク放電の発生する確率が高くなってしまう。特に被処理物が体積抵抗率の小さい材料（例えばシリコンよりも体積抵抗率の小さい金属材料）からなる場合には被処理物と電極との間でアーク放電が起きやすくなる。このアーク放電が起きると、アーク放電の起きた電極間で生成中のＤＬＣ膜が損傷を受ける場合があると共に、同一の制御ユニットで電界が印加されていた他の電極間では処理ガスをプラズマ化することができずＤＬＣ膜を生成できないという事態が発生する。よって、複数の被処理物にＤＬＣ膜を同時に生成することによって複数の被処理物を処理する場合に歩留まりよく処理するのは困難である。

本発明は、上述した課題に鑑みになされたものであり、体積抵抗率がシリコンよりも小さい金属材料からなる被処理物をプラズマ中のイオンの移動を伴って生成される膜で被覆して得られる製品を歩留まりよく量産することができる成膜装置を提供することを主目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の成膜装置は、体積抵抗率がシリコンよりも小さい金属材料からなる複数の被処理物を、プラズマ中のイオンの移動を伴って生成する所定の膜で被覆する成膜装置であって、
前記プラズマを発生させる電極の一方であり前記被処理物を支持する支持電極と前記プラズマを発生させる電極のもう一方であり該支持電極から離間し且つ該支持電極に対向する対向電極とを含む成膜部と、
前記成膜部が複数設置された閉空間と、
前記成膜部のそれぞれに一つずつ設けられ、前記支持電極と前記対向電極との間に電圧を印加する個別電源と、
を備えたものである。

この成膜装置では、閉空間に設置された複数の成膜部について、それぞれ個別電源が設けられている。そして、体積抵抗率がシリコンよりも小さい金属材料からなる被処理物に所定の膜を生成する際には、被処理物を支持電極に支持した状態で、各個別電源により支持電極と対向電極との間に電圧を印加する。このように、複数設置された成膜部にはそれぞれ個別電源が設けられているから、所定の膜の生成中にいずれかの成膜部でアーク放電が発生したとしても、他の成膜部では電圧がそれまでと変わらず印加されるので成膜を継続することが可能である。したがって、プラズマ中のイオンの移動を伴って生成される所定の膜で被処理物を被覆して得られる製品を歩留まりよく量産することができる。ここで、所定の膜としてはＤＬＣ膜やボロンナイトライド（ＢＮ）膜、キュービックボロンナイトライド（ｃ−ＢＮ）膜などが挙げられる。なお、ＤＬＣ膜とは、硬質炭素膜やアモルファスカーボン膜とも呼ばれる膜である。

本発明の成膜装置は、前記閉空間内の圧力を調節する圧力調節手段を備え、前記圧力調節手段により前記閉空間内の圧力が１０ｈＰａから常圧まで（より好ましくは１００ｈＰａ〜常圧まで）の圧力に調節された状態で前記個別電源により各成膜部の前記支持電極と前記対向電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させることにより前記複数の被処理物を前記所定の膜で被覆するのが好ましい。１０ｈＰａから常圧までの圧力で所定の膜を生成する場合は、１０ｈＰａ未満の場合に比して成膜速度が速く、単位時間当たりに、より多くの被処理物を被覆することができる。また、１００ｈＰａから常圧までの圧力で所定の膜を生成する場合は、１００ｈＰａ未満の場合に比して成膜速度が速く、単位時間当たりに、より多くの被処理物を被覆することができると共に、１００ｈＰａ未満の場合に比してアーク放電が発生しやすく本発明を適用する意義が高い。１００ｈＰａから常圧までの圧力で所定の膜を生成する場合は、対向電極の単位面積あたり７５Ｗ／ｃｍ以上となる電力を成膜部に投入するのが成膜速度が速くなるため好ましい。また、１０ｈＰａから常圧までの圧力で所定の膜を生成する場合には、対向電極の単位面積あたり１５０Ｗ／ｃｍ以上となる電力を成膜部に投入するのが成膜速度が速くなるため好ましい。

本発明の成膜装置において、前記成膜部の対向電極は、前記所定の膜の基となるガスを前記被処理物に向けて噴射する噴射口を有しているものとしてもよい。このとき、前記成膜部の対向電極は、直径１ｍｍ〜４ｍｍの噴射口を有しているのが好ましい。この噴射口の直径が１ｍｍ未満だとガスの流量が制限されて成膜速度が遅く量産に向かないため好ましくなく、４ｍｍを超えると所定の膜の面内分布のバラツキが大きくなるため好ましくない。

本発明の成膜装置において、前記成膜部の支持電極は、前記被処理物と前記対向電極との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍとなるように前記被処理物を支持するのが好ましい。この間隔が１ｍｍ未満だと低電圧でグロー放電が起きるもののアーク放電へ移行してしまい成膜できなくなるため好ましくなく、２０ｍｍを超えるとグロー放電しづらいため好ましくない。

本発明の成膜装置において、前記被処理物は、鉄系材質からなるものとしてもよい。例えば、シリコンの体積抵抗率は１０〜１０オームｃｍであるのに対して、鉄系材質の
抵抗率は１０〜１０オームｃｍであるため、鉄系材質からなる被処理物を使用した場合の方がシリコンからなる被処理物を使用した場合に比べてアーク放電が発生しやすく、本発明を適用する意義が高い。鉄系材質としては、ＳＵＳ材、ＳＫＤ材（ダイス鋼）又はＳＫＨ材（ハイスピード鋼）が好ましい。ＳＵＳ材としては、例えば鉄−クロム系のＳＵＳ４１０やＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０などが挙げられる。ＳＫＤ材としては、例えばＳＫＤ１１やＳＫＤ６１などが挙げられる。ＳＫＨ材としては、例えば、ＳＫＨ２やＳＫＨ１０，ＳＫＨ５１，ＳＫＨ５５などが挙げられる。また、アルミニウムを主成分とする材料からなる被処理物や銅を主成分とする材料からなる被処理物にも応用できることは当然である。

本発明の成膜装置において、前記個別電源は、前記支持電極と対向電極との間に直流パルス電圧を印加するものとしてもよい。こうすれば、アーク放電の発生する確率を低くすることができ、ひいては、複数の被処理物に、より一層歩留まり良く所定の膜を生成する
ことができる。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるＤＬＣ成膜装置１０の概略構成を示す説明図、図２はパルス電源部６０の電気回路６２の構成を説明する説明図である。

ＤＬＣ成膜装置１０は、体積抵抗率がシリコンよりも小さい鉄系材質（例えばＳＵＳ材やＳＫＤ材、ＳＫＨ材など）からなる複数の基板９０を、プラズマ中のイオンの移動を伴って生成されるＤＬＣ膜で１００ｈＰａ以上常圧以下で同時に被覆する装置である。このＤＬＣ成膜装置は、複数の成膜部５４と、これらの成膜部５４が設置されたチャンバ１２と、これらの成膜部５４のそれぞれに一つずつ対応するよう設けられた電気回路６２を有するパルス電源部６０と、チャンバ１２内の圧力を調節する真空ポンプ１１とを備えている。

成膜部５４は、プラズマを発生させる電極の一方として接地され基板９０を下から支持する支持電極５１と、プラズマを発生させる電極のもう一方であり支持電極５１から上方へ離間し且つ支持電極５１と対向する対向電極５２と、赤外線により基板９０を下方から暖めるセラミックヒータ５３とから構成されている。なお、セラミックヒータの代わりに、基板９０を直接加熱するステージヒータやシーズヒータを用いるものとしてもよい。支持電極５１は、複数の穴を有するいわゆるパンチングメタルである。この支持電極５１は、チャンバ１２の内側の底と間隔を開けるよう脚が設けられ、複数の穴を通してガスが下方へと流通することが可能な構造となっている。対向電極５２は円筒部材である。この対向電極５２は、種々のガスを基板９０の上面に向けて噴射する直径１ｍｍ〜４ｍｍの噴射口５２ａを有している。また、基板９０と対向電極５２との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍとなるように支持電極５１と対向電極５２との間隔が設計されている。各支持電極５１は、隣り合う基板９０同士の間隔が１０ｍｍ以下（例えば５ｍｍ）となるように並設されている。なお、対向電極５２の面積は、各支持電極５１に支持される基板９０のコート領域が隣接する基板９０に及ばず且つＤＬＣ膜が硬度１０ＧＰａ以上となるように設定されている。

チャンバ１２は、材質がステンレスの板材によってすべての成膜部５４を取り囲むように形成されている。このチャンバ１２は、チャンバ１２内に水素ガスやヘリウムガス、テトラメチルシランガス、メタンガスなどを供給可能なガス供給口１３と、真空ポンプ１１に接続されその真空ポンプ１１の駆動によりチャンバ１２内の圧力を調整するためのガス排気口１４とを有している。ガス供給口１３は、配管を通して各成膜部５４の各対向電極５２に接続されている。また、ガス排気口１４は、チャンバ１２の底面に設けられている。

パルス電源部６０は、全成膜部５４のそれぞれに一つずつ設けられた電気回路６２を有している。各電気回路６２は、成膜部５４の支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加する回路である。図２は、ＤＬＣ成膜装置１０の一つの成膜部５４に関する説明図である。図２に示すように、電気回路６２は、直流電源２４と高周波インピーダンスを低くするコンデンサ２６とを有する直流電源部２８の両端にインダクタ３０、第１半導体スイッチ３２及び第２半導体スイッチ３４が直列接続された一次巻線側回路４４と、チャンバ１２の外側で支持電極５１と対向電極５２との間にコイル素子４８が直列接続された二次巻線側回路５０とで構成されている。一次巻線側回路４４では、インダクタ３０は、一端が第１半導体スイッチ３２のアノード端子３２Ａに接続され、他端がダイオード４２を介して第１半導体スイッチ３２の制御端子であるゲート端子３２Ｇに接続されている。ダイオード４２は、アノード側が第１半導体スイッチ３２のゲート端子３２Ｇに接
続されている。第１半導体スイッチ３２は、ここではターンオフ時の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）に対する耐量が極めて大きく且つ電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。第２半導体スイッチ３４は、ここでは、アバランシェ形ダイオード３６が逆並列で内蔵されたパワーＭＯＳＦＥＴ３８を使用し、このパワーＭＯＳＦＥＴ３８と、パワーＭＯＳＦＥＴ３８のゲート端子３８Ｇとソース端子３８Ｓに接続されパワーＭＯＳＦＥＴ３８のオンオフを制御するゲート駆動回路４０とから構成されている。ここで、一次巻線側回路４４のインダクタ３０は一次巻線を構成し、二次巻線側回路５０のコイル素子４８は二次巻線を構成し、両者がトランスとして機能する。なお、パワーＭＯＳＦＥＴ３８のドレイン端子３８Ｄは第１半導体スイッチ３２のカソード端子３２Ｋに接続されている。

次に、各電気回路６２の一次巻線側回路４４でパルス電圧が発生するメカニズムを説明する。ゲート駆動回路４０からパワーＭＯＳＦＥＴ３８のゲート−ソース間に制御信号Ｖｃが供給されると、パワーＭＯＳＦＥＴ３８がオフからオンになる。このとき、ダイオード４２の逆極性の極めて大きなインピーダンスにより、第１半導体スイッチ３２は、ゲート端子３２Ｇ及びカソード端子３２Ｋ間に正に印加される電界効果によりターンオンしてアノード端子３２Ａ−カソード端子３２Ｋ間が通流する（Ａ−Ｋ間電流）。このようにして、第１及び第２半導体スイッチ３２，３４が導通すると、インダクタ３０に直流電源２４の電圧Ｅと略同等の電圧が印加され、所望のエネルギが蓄積される。そして、所望のエネルギが得られた後、ゲート駆動回路４０からの制御信号の供給を停止し、パワーＭＯＳＦＥＴ３８をターンオフさせる。すると、パワーＭＯＳＦＥＴ３８がターンオフするのに伴ってインダクタ３０でパルス電圧が発生する。具体的には、第２半導体スイッチ３４がターンオフすると、インダクタ３０の電流ＩＬは、第１半導体スイッチ３２のアノード端子３２Ａ→ゲート端子３２Ｇ→ダイオード４２のアノード→ダイオード４２のカソードの経路に転流するため、アノード端子３２Ａ−ゲート端子３２Ｇ間が通流する（Ａ−Ｇ間電流）。そして、インダクタ３０に蓄積したエネルギによる電流が引き続きアノード端子３２Ａからゲート端子３２Ｇに流れ、第１半導体スイッチ３２がオフ状態に移行するので、第１半導体スイッチ３２のアノード−ゲート間電圧ＶAGとインダクタ端子間電圧ＶＬが急上昇する。そして、電流ＩＬがゼロになると、電圧ＶAGが最大となる。その後、第１半導体スイッチ３２が非通流となり、ダイオード４２がオフ状態に移行すると、電圧ＶAGは急下降する。このときの様子を図３に示す。図３において、電流ＩＬはインダクタ３０を流れる電流であり、電圧ＶAGは第１半導体スイッチ３２のアノード−ゲート間電圧であり、電圧ＶＬはインダクタ３０の端子間電圧である。なお、パルス電圧の詳しいメカニズムについては例えば特許第３８１１６８１号に記載されている。

次に、こうしたＤＬＣ成膜装置１０を用いて体積抵抗率がシリコンよりも小さい鉄系材質（例えばＳＵＳ材、ＳＫＤ材、ＳＫＨ材など）からなる複数の基板９０上にＤＬＣ膜を同時に生成する場合について説明する。まず、各基板９０の洗浄を行う。すなわち、成膜部５４と同数の基板９０を用意し、有機溶剤（例えば、アセトン）で洗浄を行ったあと、基板９０を各支持電極５１上に載置する。続いて、各基板９０の表面改質を行う。表面改質は、有機物や酸化膜を除去する処理である。ここでは、各電気回路６２により各成膜部５４の支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加し、真空ポンプ１１によってガス排気口１４を介してチャンバ１２内の圧力を１７３．３ｈＰａ（１３０Ｔｏｒｒ）にすると共に、ヘリウムガス及び水素ガスをガス供給口１３を通して流入させ基板９０に向けて噴射するものとする。次いで、各基板９０に中間層を成膜する。中間層の成膜は、後で成膜するＤＬＣ膜が基板９０から簡単にははがれないように行うものである。ここでは、各電気回路６２により各成膜部５４の支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加し、真空ポンプ１１によってガス排気口１４を介してチャンバ１２内の圧力を１７３．３ｈＰａ（１３０Ｔｏｒｒ）にすると共に、ヘリウムガス及びテトラメチルシランガスをガス供給口１３を通して流入させ基板９０に向けて噴射するものとする。なお、このとき生成される膜は炭化ケイ素の膜である。

次いで、各基板９０の中間層上にＤＬＣ膜を生成する。まず、真空ポンプ１１を用いてチャンバ１２内の圧力が１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下になるまでガス排気口１４から排気する。次に、ヘリウムガスをガス供給口１３から対向電極５２を介してチャンバ１２内に供給する。このヘリウムガスは、チャンバ１２の内部圧力が１００ｈＰａ以上常圧以下の範囲で定められた所定圧力となるまで供給する。その後、ガス供給口１３からメタンガスとヘリウムガスとの混合気体を対向電極５２を介してチャンバ１２内に供給しながら、支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加する。すなわち、電気回路６２の一次巻線側回路４４により二次巻線側回路５０のコイル素子４８に直流パルス電圧を発生させる。すると、発生した直流パルス電圧が支持電極５１と対向電極５２との間に印加され、両電極５１，５２の間にプラズマが発生し、基板９０上にＤＬＣ膜が生成する。ここで、直流パルス電圧が印加されている１つの成膜部５４でアーク放電が発生したとする。すると、この成膜部５４の電極間で生成中の膜には穴が開く可能性が高い。しかし、チャンバ１２に設置された残りの成膜部５４では、それぞれ別の電気回路６２によって直流パルス電圧が印加されているため、成膜が継続される。このように、どの成膜部５４でアーク放電が発生したとしても他の成膜部５４での成膜には影響しないのである。なお、ＤＬＣ膜の生成に際し支持電極５１と対向電極５２との間に直流パルス電圧を印加する場合に、対向電極５２の単位面積あたり７５Ｗ／ｃｍ以上となる電力が成膜部５４に投入されるようにするのが成膜速度が速くなるため好ましい。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のＤＬＣ成膜装置１０が本発明の成膜装置に相当し、チャンバ１２で囲まれた空間が閉空間に相当し、パルス電源部６０の各電気回路６２が個別電源に相当する。また、真空ポンプ１１が圧力調節手段に相当する。

以上詳述した本実施形態のＤＬＣ成膜装置１０によれば、ＤＬＣ膜で鉄系材質からなる基板９０を被覆して得られる製品を歩留まりよく量産することができる。また、１００ｈＰａから常圧までの圧力で所定の膜を生成するため、１００ｈＰａ未満の場合に比して成膜速度が早く、単位時間当たりに、より多くの被処理物を被覆することができる。この点は実施例で詳しく述べる。更に、各対向電極５２は直径１ｍｍ〜４ｍｍの噴射口を有しているため、ＤＬＣ膜の膜厚面内分布が均一になりやすい。この点も実施例で詳しく述べる。更にまた、基板９０と対向電極５２との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍであるため、プラズマＣＶＤに適した放電を維持しやすく、量産に向いている。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、ＤＬＣ成膜装置１０は、複数の基板９０をＤＬＣ膜で１００ｈＰａ以上常圧以下で同時に被覆する装置としたが、複数の基板９０をＤＬＣ膜で１０ｈＰａ以上常圧以下で同時に被覆する装置としてもよい。具体的には、各基板９０に中間層を成膜した後、真空ポンプ１１を用いてチャンバ１２内の圧力が１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下になるまでガス排気口１４から排気し、続いて、ヘリウムガスをガス供給口１３から対向電極５２を介してチャンバ１２内に供給する。そして、このヘリウムガスは、チャンバ１２の内部圧力が１０ｈＰａ以上常圧以下の範囲で定められた所定圧力となるまで供給するものとしてもよい。この場合には、成膜時には対向電極５２の単位面積あたり１５０Ｗ／ｃｍ以上となる電力を成膜部５４に投入するのが成膜速度が速くなるため好ましい。

上述した実施形態では、支持電極５１及び対向電極５２は鉄系材質であるとしたが、鉄系以外の金属材料としてもよい。この場合でも、プラズマ中のイオンの移動を伴って生成されるＤＬＣを歩留まり良く成膜して複数の基板９０を被覆することができる。

上述した実施形態では、本発明をＤＬＣ膜を生成するＤＬＣ成膜装置１０に適用することについて説明したが、ボロンナイトライド（ＢＮ）膜やキュービックボロンナイトライド（ｃ−ＢＮ）膜などを生成する成膜装置に適用してもよい。この場合は、メタンガスを噴射口５２ａから噴射する代わりに、例えば、ＢＣｌ（塩化ボロン）とＮＨ（アンモニア）ガスを噴射するものとする。

上述した実施形態では、１つの成膜部５４につき１つの基板９０をＤＬＣ膜で被覆するものとしたが、１つの成膜部５４につき複数の基板をＤＬＣ膜で被覆するものとしてもよい。すなわち、１つの成膜部５４の支持電極５１に複数の基板をセットし、支持電極５１と対向電極５２との間でプラズマを発生させることにより、セットされた複数の基板の各々をＤＬＣ膜で被覆してもよい。

上述した実施形態では、各々の成膜部５４につき１つずつ支持電極５１が備えられた構成としたが、各支持電極５１はいずれも接地され同電位であることから、チャンバ１２内の複数の成膜部５４が１つの大きな支持電極を共用する構成としてもよい。

上述した実施形態では、基板９０にＤＬＣ膜を生成するものとしたが、ＤＬＣ膜を生成する被処理物は基板９０に限られない。例えば、金属製の切削加工用の工具や自動車用部品など、板状以外の形状のものでもよい。

上述した実施形態では、基板９０をセットしてから表面改質、中間層の成膜、ＤＬＣ膜の生成までの処理を１つのチャンバ１２で行うものとしたが、基板９０をセットしてから表面改質、中間層の成膜、ＤＬＣ膜の生成までの処理をそれぞれ別のチャンバで行うものとしてもよい。例えば図４に示したようなＤＬＣ成膜装置１１０としてもよい。図４はＤＬＣ成膜装置１１０の概略構成を示す説明図である。このＤＬＣ成膜装置１１０は、基板９０を複数セットし表面改質を行う表面処理部１１１と、中間層を生成する中間層生成部１１２と、ＤＬＣ膜を生成するＤＬＣ成膜部１１３と、各部の間で基板９０を移動させる図示しないロボットアームとを備えている。なお、実際には、表面処理部１１１や中間層生成部１１２、ＤＬＣ成膜部１１３は、既述したＤＬＣ成膜装置１０と同様の構成であるが、説明の簡単のため、基板９０と対向電極５２のみを図示している。なお、図示しないロボットアームの代わりに、例えば搬送ベルトなどロボットアーム以外の搬送機構によって各部の間で基板９０を移動させるものとしてもよい。

このＤＬＣ成膜装置１１０でＤＬＣ膜を生成するには、まず複数の基板９０を有機溶剤（例えばアセトン）で洗浄し表面処理部１１１にセットする。そして、基板９０の表面改質を行う。表面処理部１１１では、既述したＤＬＣ成膜装置１０と同様の処理を行い、基板９０の表面改質を行うものとする。次いで、図示しないロボットアームにより、表面改質の終了した基板９０を中間層生成部１１２に搬送する。中間層生成部１１２では、セラミックヒータ５３により加熱した後、既述したＤＬＣ成膜装置１０と同様の処理を行い、基板９０上に中間層を生成する。次いで、図示しないロボットアームにより、中間層の生成の終了した基板９０をＤＬＣ成膜部１１３に搬送する。ＤＬＣ成膜部１１３では、セラミックヒータ５３により加熱した後、既述したＤＬＣ成膜装置１０と同様の処理を行い、基板９０上にＤＬＣ膜を生成する。このようにして、図示しないロボットアームにより基板９０を搬送しながら、各処理を行うことで複数の基板にＤＬＣ膜が生成される。

［実施例１］
ＤＬＣ成膜装置１０において、対向電極５２は、材質がＳＵＳ３０４で高さが５０ｍｍ、外径１５ｍｍの円筒部材であり、直径が２ｍｍの噴射口５２ａを有するものとした。また、支持電極５１は、材質がＳＵＳ３０４で厚さが２ｍｍであり、直径１ｍｍの穴が複数設けられているものとした。基板９０と対向電極５２との間隔は５ｍｍとした。まず、ＳＵＳ４４０Ｃからなる直径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの基板９０を５個用意しアセトンで洗浄を行った。そして、チャンバ１２の対向電極５２と基板９０とが１対１に向かい合う支持電極５１上の位置にそれぞれ載置した。続いて、セラミックヒータ５３により基板９０の温度が１５０℃となるよう加熱した。そして、支持電極５１と対向電極５２との間にピークパルス電圧が２．０ｋＶで、パルス幅が２μｓｅｃの直流パルス電圧を印加し、真空ポンプ１１によってガス排気口１４を介してチャンバ１２内の圧力を１７３．３ｈＰａ（１３０Ｔｏｒｒ）にすると共に、ヘリウムガス及び水素ガスをそれぞれヘリウムガス２８００ｓｃｃｍ、水素ガス２００ｓｃｃｍの流量でガス供給口１３及び対向電極５２を介して基板９０に向けて３分間噴射した。次いで、支持電極５１と対向電極５２との間にピークパルス電圧が２．０ｋＶで、パルス幅が０．９μｓｅｃの直流パルス電圧を印加し、真空ポンプ１１によってガス排気口１４を介してチャンバ１２内の圧力を１７３．３ｈＰａ（
１３０Ｔｏｒｒ）にすると共に、ヘリウムガス及びテトラメチルシランガスをそれぞれヘリウムガス２８００ｓｃｃｍ、テトラメチルシランガス１０ｓｃｃｍの流量でガス供給口１３及び対向電極５２を介して基板９０に向けて１分間噴射した。

次いで、ヘリウムガスをガス供給口１３から対向電極５２を介してチャンバ１２内の圧力が４６５．５ｈＰａ（３５０Ｔｏｒｒ）となるまで供給した。そして、支持電極５１と対向電極５２との間にピークパルス電圧が２．０ｋＶで、パルス幅が０．９μｓｅｃの直流パルス電圧を印加し、メタンガスとヘリウムガスとをそれぞれヘリウムガス２８００ｓｃｃｍ、メタンガス４０ｓｃｃｍの流量でガス供給口１３及び対向電極５２を介して基板９０に向けて３分間噴射した。すなわち、電気回路６２の一次巻線側回路４４により二次巻線側回路５０のコイル素子４８に直流パルス電圧を発生させた。その結果、基板９０上にＤＬＣ膜が生成された。

得られたＤＬＣ膜について、ラマン分光装置（日本分光社製のＮＲＳ−１０００）を使用して分光分析を行ったところ、直径が２０ｍｍの円の領域で良好なＤＬＣ膜であることが判明した。また、得られたＤＬＣ膜の硬度と弾性率とを、薄膜の機械的特性評価装置（ＭＴＳ社製のナノインデンターＸＰ）を用いて測定した。その結果、硬度は２０ＧＰａと高く、弾性率は１８０ＧＰａであった。

また、本実施例のＤＬＣ成膜装置１０（５つの電気回路６２の各々が５つの対向電極５２に直流パルス電圧を供給する構成）と、１つの電気回路で５つの対向電極に直流パルス電圧を供給する他は本実施例と同様の構成とした比較例のＤＬＣ成膜装置のそれぞれで、５個の基板９０に同時にＤＬＣ膜を生成するという実験を１０回行った。そのとき、セットした５個の基板９０のうちＤＬＣ膜の生成に成功した基板９０の割合、つまり１回のＤＬＣ膜の生成処理における歩留まりを表１に示す。比較例のＤＬＣ成膜装置では、この割合が０％か１００％のいずれかであるのに対して、本実施例のＤＬＣ成膜装置では、６０％，８０％及び１００％のいずれかであり０％になることはなかった。この結果より歩留まりは本実施例のＤＬＣ成膜装置の方が良いことがわかった。

次に、１つの成膜部５４を用いて各種のモデル実験を行った。まず、表２に示すように基板９０と対向電極５２の間隔を変更し、それぞれの間隔において、これらの電極間に印加する直流パルス電圧のピーク電圧を徐々に変更しプラズマ放電の開始する電圧を測定した。他は実施例１の成膜部５４と同様の構成にして実験した。対向電極５２と基板９０と
の間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍでは良好な結果が得られたが、間隔が１ｍｍ未満では低電圧でグロー放電が起きるもののアーク放電へ移行してしまい成膜できなかった。また、間隔が２０ｍｍを超えるとグロー放電しづらかった。

続いて、表３に示すように噴射口５２ａの直径及び噴射口の数を変更し、ＤＬＣ膜の生成時のガスの噴射時間を５分とし、他は実施例１の成膜部５４と同様の構成にして実験した。表３に示すように、噴射口の直径が１ｍｍ〜４ｍｍでは膜厚の面内分布のバラツキが小さかったが、噴射口の直径が５ｍｍ以上ではＤＬＣ膜の面内分布のバラツキが急激に大きくなった。ここで、膜厚の面内分布は表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製のフォームタリサーフＳ５）を用いて基板上の等間隔に１０点を測定して求めた。具体的には、まず膜厚の測定をし、得られた１０点の測定結果の平均値を算出する。次に、平均値から
各測定点の値を減じてそれぞれ平均値との差を求め、それらのうちの最大値と最小値を求める。そして、その最大値から最小値を減じた値を平均値で割って値１００を乗じた値を膜厚の面内分布（単位は％）とした。なお、成膜領域は直径２０ｍｍの円形領域となったが、外周２ｍｍを除く、直径１６ｍｍの円形領域で評価した。

続いて、表４に示すように成膜時のチャンバ１２内の圧力を調節し、他は実施例１の成膜部５４と同様の構成にして実験した。チャンバ１２内の圧力が１．３３ｈＰａ（１Ｔｏ
ｒｒ）から１０１０．８ｈＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）では、ＤＬＣ膜の硬度が２０ＧＰａ以上であったが、チャンバ１２内の圧力が１．３３ｈＰａ（１Ｔｏｒｒ）未満ではＤＬＣ膜の硬度が１０ＧＰａ以下と低かった。また、圧力が高いほど成膜領域の直径は小さくなる傾向にあり、圧力が高いほど成膜速度が速くなる傾向にあることがわかった。特に、チャンバ１２内の圧力が１３３ｈＰａ（１００Ｔｏｒｒ）以上では成膜速度０．１８μｍ／ｍｉｎ以上という量産に向く速い成膜速度が得られた。更に、ここでは基板の直径が３０ｍｍであり、成膜領域の直径が３０ｍｍを超えると、隣り合うプラズマの影響を避けるため、成膜領域の直径が大きくなるほど隣り合う基板同士の間隔を大きくする必要があった。なお、対向電極５２の単位面積あたり７５Ｗ／ｃｍとなる電力を成膜部５４に投入した。

続いて、表５に示すように成膜時のチャンバ１２内の圧力と対向電極５２の下面の直径を変更し、他は実施例１の成膜部５４と同様にして実験した。成膜領域の直径は表５に示した通りであり、チャンバ１２内の圧力が高いほど成膜領域の直径は小さくなる傾向にあり、対向電極の下面の直径が大きいほど成膜領域の直径は大きくなる傾向のあることがわかった。したがって、複数の基板につき全面をＤＬＣ膜で被覆するときには、まず、成膜領域の直径を、基板の直径よりも若干大きく且つ隣り合う基板同士の間隔が狭くなるとい
う条件を満たすように決める。ここでは、その条件を基板の直径よりも１０％〜５０％大きいということとした。そして、この条件を満たす範囲に入っている成膜領域の直径を表５の中から見つけて、そのときの圧力と対向電極の下面の直径との組合せを選択する。複数の選択肢が有る場合には、量産を考慮して、より速い成膜速度の得られる、より圧力の高い組合せを、実際のＤＬＣ膜の生成時の値として選択することが好ましい。一例を示すと、基板の直径が３０ｍｍのときには、上述の条件では成膜領域の直径が３３ｍｍ〜４５ｍｍの範囲となる。表５の網掛けを施したものがこの条件を満たす組合せである。このうち圧力の最も高い組合せは、２重枠で示すように、圧力が１３３ｈＰａ（１００Ｔｏｒｒ）で対向電極の下面の直径が２０ｍｍの組合せである。よって、この組合せを実際のＤＬＣ膜の生成時の値として選択することが好ましい。

続いて、表６に示すように成膜時のチャンバ１２内の圧力を調節し、他は実施例１の成膜部５４と同様の構成にすると共に、対向電極５２の単位面積あたり１５０Ｗ／ｃｍ以上となる電力を成膜部５４に投入し、他は実施例１のパルス電源部６０と同様の構成にして実験した。ここで、パルス電源部６０から発生させるパルス電圧のパルスの繰り返し周波数を２倍にすることで、成膜部５４に投入する電力を表４で示した実験で投入した電力の２倍とした。チャンバ１２内の圧力が１．３３ｈＰａ（１Ｔｏｒｒ）から１０１０．８ｈＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）では、ＤＬＣ膜の硬度が２０ＧＰａ以上であったが、チャンバ１２内の圧力が１．３３ｈＰａ（１Ｔｏｒｒ）未満ではＤＬＣ膜の硬度が１０ＧＰａ以下と低かった。また、圧力が高いほど成膜領域の直径は小さくなる傾向にあり、圧力が高いほど成膜速度が速くなる傾向にあることがわかった。特に、チャンバ１２内の圧力が１３．３ｈＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以上では成膜速度０．３０μｍ／ｍｉｎ以上というより量産に向く速い成膜速度が得られた。また、表４，６に示した実験結果から、成膜部５４に投入する電力の大きい方が、チャンバ１２内の圧力をより小さくしても量産に向く成膜速度を得られることがわかった。

ＤＬＣ成膜装置１０の概略構成を示す説明図。パルス電源部６０の電気回路６２の構成を説明する説明図。各部の電流及び電圧の動作波形の説明図。ＤＬＣ成膜装置１１０の概略構成を示す説明図。

符号の説明

１０ＤＬＣ成膜装置、１１真空ポンプ、１２チャンバ、１３ガス供給口、１４
ガス排気口、２４直流電源、２６コンデンサ、２８直流電源部、３０インダクタ、３２第１半導体スイッチ、３２Ａアノード端子、３２Ｇゲート端子、３２Ｋカソード端子、３４第２半導体スイッチ、３６アバランシェ形ダイオード、３８パワーＭＯＳＦＥＴ、３８Ｄドレイン端子、３８Ｇゲート端子、３８Ｓソース端子、４０ゲート駆動回路、４２ダイオード、４４一次巻線側回路、４６コンデンサ素子、４８コイル素子、５０二次巻線側回路、５１支持電極、５２対向電極、５２ａ噴射口、５３セラミックヒータ、５４成膜部、６０パルス電源部、６２電気回路、９０基板、１１０ＤＬＣ成膜装置、１１１セット部、１１２前処理部、１１３ＤＬＣ成膜部、１１４取り出し部。

Claims

体積抵抗率がシリコンよりも小さい金属材料からなる複数の被処理物を、プラズマ中のイオンの移動を伴って生成する所定の膜で被覆する成膜装置であって、
前記プラズマを発生させる電極の一方であり前記被処理物を支持する支持電極と前記プラズマを発生させる電極のもう一方であり該支持電極から離間し且つ該支持電極に対向する対向電極とを含む成膜部と、
前記成膜部が複数設置された閉空間と、
前記成膜部のそれぞれに一つずつ設けられ、前記支持電極と前記対向電極との間に電圧を印加する個別電源と、
を備えた成膜装置。
請求項１に記載の成膜装置であって、
前記閉空間内の圧力を調節する圧力調節手段を備え、
前記圧力調節手段により前記閉空間内の圧力が１０ｈＰａから常圧までの圧力に調節された状態で前記個別電源により各成膜部の前記支持電極と前記対向電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させることにより前記複数の被処理物を前記所定の膜で被覆する、
成膜装置。
前記圧力調節手段により前記閉空間内の圧力が１００ｈＰａから常圧までの圧力に調節された状態で前記個別電源により各成膜部の前記支持電極と前記対向電極との間に電圧を印加してプラズマを発生させることにより前記複数の被処理物を前記所定の膜で被覆する、
請求項２に記載の成膜装置。
前記成膜部の対向電極は、前記所定の膜の基となるガスを前記被処理物に向けて噴射する直径１ｍｍ〜４ｍｍの噴射口を有している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記成膜部の支持電極は、前記被処理物と前記対向電極との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍとなるように前記被処理物を支持する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記所定の膜はＤＬＣ膜である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記被処理物は、鉄系材質からなる、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記被処理物は、ＳＵＳ材、ＳＫＤ材又はＳＫＨ材からなる、
請求項７に記載の成膜装置。
前記個別電源は、前記支持電極と対向電極との間に直流パルス電圧を印加する、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の成膜装置。