JP2015098617A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜レートが高く、且つプラスチック基板に熱による損傷を与えない成膜装置を提供する。【解決手段】プラスチック基板上に膜を形成する成膜装置であって、膜の原料ガスを含むプロセスガスが導入されるチャンバーと、チャンバー内に配置され、プラスチック基板を搭載する基板プレートと、チャンバー内に配置され、基板プレートと対向する面に開口部を有する複数の貫通孔が形成されたカソード電極と、基板プレートとカソード電極間に電力を供給して、プラスチック基板の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する電源とを備え、プラスチック基板の温度がプラスチック基板の耐熱温度に達する前にプラスチック基板上に膜を所定の膜厚で形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを励起して成膜処理を行う成膜装置に関する。

半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜工程、エッチング工程、アッシング工程などにおいてプラズマ処理装置が用いられている。例えば、プラズマ処理装置としてプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置が知られている。

プラズマＣＶＤ装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。また、成膜効率を向上させるために、ホローカソード放電を利用したプラズマＣＶＤ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−５６７８号公報

例えば自動車用部品などにおいて、プラスチック基板上に形成された金属材料の表面に保護膜が形成される。保護膜の硬度や耐傷性などを確保するためには、１μｍ程度以上の厚さで硬質のハードコート膜を形成する必要がある。このため、成膜レートの低い形成方法では、生産性が低下するという問題がある。一方、成膜レートが高く、且つ、プラスチック基板の耐熱性を考慮した成膜技術については十分に検討されてこなかった。

上記問題点に鑑み、本発明は、成膜レートが高く、且つプラスチック基板に熱による損傷を与えない成膜装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、プラスチック基板上に膜を形成する成膜装置であって、（ア）膜の原料ガスを含むプロセスガスが導入されるチャンバーと、（イ）チャンバー内に配置され、プラスチック基板を搭載する基板プレートと、（ウ）チャンバー内に配置され、基板プレートと対向する面に開口部を有する複数の貫通孔が形成されたカソード電極と、（エ）基板プレートとカソード電極間に電力を供給して、プラスチック基板の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する電源とを備え、プラスチック基板の温度がプラスチック基板の耐熱温度に達する前にプラスチック基板上に膜を所定の膜厚で形成する成膜装置が提供される。

本発明によれば、成膜レートが高く、且つプラスチック基板に熱による損傷を与えない成膜装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のカソード電極を示す模式図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は斜視図である。 比較例の成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１０は、プラスチック基板１００上に膜１１０を形成する成膜装置である。図１に示すように、成膜装置１０は、膜１１０の原料ガスを含むプロセスガス１２０が導入されるチャンバー１１と、チャンバー１１内に配置され、プラスチック基板１００を搭載する基板プレート１２と、チャンバー１１内に配置され、基板プレート１２上のプラスチック基板１００と対向するカソード電極１３と、基板プレート１２とカソード電極１３間に交流電力を供給してプラスチック基板１００の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する交流電源１４とを備える。

プロセスガス１２０は、ガス供給装置１５によってチャンバー１１内に導入される。また、ガス排気装置１６によってチャンバー１１内が減圧される。チャンバー１１内のプロセスガス１２０の圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源１４により所定の交流電力が基板プレート１２とカソード電極１３間に供給される。これにより、チャンバー１１内の原料ガスを含むプロセスガス１２０がプラズマ化される。形成されたプラズマにプラスチック基板１００を曝すことにより、プラスチック基板１００の露出した表面に所望の膜１１０が形成される。基板プレート１２はアノード電極として機能する。

図２（ａ）に示すように、カソード電極１３のプラスチック基板１００に対向する表面に貫通孔１３０の開口部が配置されており、カソード電極１３はホローカソード放電を生じさせるホローカソード電極として機能する。即ち、カソード電極１３に形成された貫通孔１３０においてホローカソード効果による電子の閉じ込めが起こり、貫通孔１３０から供給される形態で高密度プラズマが安定に生成される。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高い成膜レートで大面積に膜１１０がプラスチック基板１００上で均一に形成される。

既に述べたように、例えば自動車用内装部品・外装部品などの産業用部品、或いは一般装飾品などにおいては、プラスチック基板に形成された金属膜の保護膜として、硬度や耐傷性などを確保するために１μｍ程度以上の厚さで硬質のハードコート膜を形成する。このとき、プラスチック基板１００の温度が耐熱温度を超えないように、短時間で成膜する必要がある。成膜装置１０によれば、高い成膜レートでハードコート膜を形成することができる。ハードコート膜としては、例えば、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）と酸素（Ｏ₂）を原料ガスとして酸化シリコン膜を形成する。

これに対し、例えば図３に示すような平行平板構造のカソード電極１３Ａを有するプラズマＣＶＤ装置を使用した場合には、原料ガス（ＨＭＤＳＯ、Ｏ₂など）の解離能力が低いために、成膜レートは０．５ｎｍ／秒である。このため、膜厚１μｍのハードコート膜を形成するためには２００秒（３０分以上）の成膜時間が必要であり、工業製品の製造手段として不適合である。

一方、図１に示した成膜装置１０では、ホローカソード電極として機能するカソード電極１３によってプラズマ密度を高くできる。つまり、プロセスガス１２０の解離能力を上げることにより、成膜装置１０の成膜レートが向上している。

更に、成膜装置１０は、基板プレート１２にバイアス電圧を印加するバイアス電源１７を備える。バイアス電源１７によって成膜中のプラスチック基板１００にバイアスを掛けることによって、分子の引き込み能力が高まる。これにより、成膜レートを更に向上できる。バイアス電源１７は、交流電源、パルス直流電源、高周波電源のいずれであっても同様の効果が得られる。

また、バイアス電源１７による分子の引き込み効果によって、膜１１０の硬度を上げることができる。膜１１０をハードコート膜として形成する場合、膜１１０の硬度が高いことは重要である。

本発明者らの調査によれば、成膜装置１０では１０ｎｍ／秒以上の非常に高い成膜レートで酸化シリコン膜が形成される。つまり、成膜装置１０によれば、図３に示した比較例の２０倍以上の成膜レートでハードコート膜を形成できる。したがって、プラスチック基板１００の温度がプラスチック基板１００の耐熱温度に達する前に、プラスチック基板１００上に膜１１０を所定の膜厚で形成することができる。つまり、成膜装置１０によれば、プラスチック基板１００に熱ダメージが発生しない短時間で、成膜処理が行われる。本発明者らの実験では、膜厚２μｍの酸化シリコン膜を形成するのに要した時間は約１分であり、このときプラスチック基板１００の温度は８０℃を超えることはなかった。例えば１００℃以上で変形などの熱ダメージを受けるプラスチック基板などに、成膜装置１０は好適に使用される。

貫通孔１３０は、例えば図２（ｂ）に示すように、カソード電極１３の表面にできるだけ数多く形成することが好ましい。即ち、例えば六方最密配置などのようにカソード電極１３の表面に開口部が最密に配置されるように、貫通孔１３０を形成する。これにより、カソード電極１３の表面に高密度のプラズマが均一に形成される。

また、図１に示したように、膜１１０の形成される主面が垂直に配置されるように、プラスチック基板１００がチャンバー１１内で支持される。このようにプラスチック基板１００を横置きにしないで縦置きにすることによって、プラスチック基板１００上でのパーティクルの発生を抑制できる。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１０では、プラズマ密度を高くできるホローカソード効果を利用することによって解離能力が向上される。このため、成膜レートを高くすることにより、高温になってプラスチック基板１００に熱ダメージが加わる前に成膜処理を完了することができる。このように、成膜装置１０によれば、成膜レートが高く、且つプラスチック基板１００が熱による損傷を受けない成膜装置を提供できる。成膜装置１０は、プラスチック基板が用いられる産業用部品や一般用装飾部品などにおいて好適に使用される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る成膜装置１０は、プラスチック基板１００に薄膜を形成する機構を更に備える。図４に示した第２の実施形態に係る成膜装置１０では、スパッタ技術によってプラスチック基板１００に薄膜１０５を形成する。

図４に示した成膜装置１０では、チャンバー１１内でターゲット３０がターゲット電極２３上に取り付けられており、高周波（ＲＦ）電力或いは直流（ＤＣ）電力を供給するスパッタ電源２４に接続される。チャンバー１１内が真空に排気された後、ガス導入装置２５からアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスがチャンバー１１内に導入される。スパッタ電源２４からターゲット電極２３に電力を供給し放電させ、ターゲット３０の表面近傍の気相中にプラズマを形成する。プラズマ中で加速された不活性ガスの正イオンがターゲット３０の表面に衝突し、スパッタリングによりターゲット原子が放出される。ターゲット３０の表面から放出された原子がプラスチック基板１００の表面に被着・堆積されて、薄膜１０５が形成される。

スパッタ機構２０によって、例えばプラスチック基板１００に金属膜を形成することができる。スパッタ機構２０はチャンバー１１内に配置されているため、プラスチック基板１００上の金属膜の形成と真空連続で、金属膜を覆ってプラスチック基板上に膜１１０を形成することができる。

例えば、スパッタ機構２０によって、プラスチック基板１００上にアルミニウム膜を形成する。その後、プラスチック基板１００はカソード電極１３と対向する位置に配置され、膜１１０として酸化シリコン膜がアルミニウム膜を覆ってプラスチック基板１００上に形成される。例えば、ターゲット電極２３と対向して水平に配置された基板プレート２２からプラスチック基板１００を基板プレート１２に移動させる。或いは、基板プレート１２を基板プレート２２として使用した後、プラスチック基板１００を搭載したままの基板プレート１２を、チャンバー１１内で移動させながらカソード電極１３に対向するように垂直にしてもよい。

アルミニウム膜は大気中で酸化されやすいが、図４に示した成膜装置１０によれば、チャンバー１１の真空を破ることなく、アルミニウム膜上にハードコート膜として酸化シリコン膜を形成することができる。これにより、アルミニウム膜が酸化することを防止できる。

したがって、図４に示した成膜装置１０は、プラスチック基板１００上に金属膜を形成し、この金属膜を覆ってプラスチック基板１００上にハードコート膜を形成する用途などに好適である。例えば自動車用内装部品及び外装部品、自動車用ランプ（リフレクタ）、ミラーなどの製造に使用できる。

上記では、プラスチック基板１００に薄膜１０５を形成する機構としてスパッタ技術を採用する例を示した。しかし、蒸着装置などの他の成膜技術を使用して金属膜を形成してもよい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、交流電源１４の出力をパワースプリッタなどによって分割し、交流電源１４の出力の一部によってプラスチック基板１００にバイアスを掛けてもよい。これにより、バイアス電源１７を交流電源１４とは別に用意する必要がなくなり、成膜装置１０の小型化、成膜コストの低減をはかることができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…成膜装置
１１…チャンバー
１２…基板プレート
１３…カソード電極
１４…交流電源
１５…ガス供給装置
１６…ガス排気装置
１７…バイアス電源
２０…スパッタ機構
２２…基板プレート
２３…ターゲット電極
２４…スパッタ電源
２５…ガス導入装置
３０…ターゲット
１００…プラスチック基板
１０５…薄膜
１１０…膜
１２０…プロセスガス
１３０…貫通孔

Claims (5)

1. プラスチック基板上に膜を形成する成膜装置であって、
   前記膜の原料ガスを含むプロセスガスが導入されるチャンバーと、
   前記チャンバー内に配置され、前記プラスチック基板を搭載する基板プレートと、
   前記チャンバー内に配置され、前記基板プレートと対向する面に開口部を有する複数の貫通孔が形成されたカソード電極と、
   前記基板プレートと前記カソード電極間に電力を供給して、前記プラスチック基板の上面において前記原料ガスを含むプラズマを励起する電源と
   を備え、前記プラスチック基板の温度が前記プラスチック基板の耐熱温度に達する前に前記プラスチック基板上に前記膜を所定の膜厚で形成することを特徴とする成膜装置。
2. 前記基板プレートにバイアス電圧を印加する手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記プラスチック基板に金属膜を形成する機構を前記チャンバー内に更に備え、
   前記プラスチック基板上の前記金属膜の形成と真空連続で、前記金属膜を覆って前記プラスチック基板上に前記膜を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記膜が絶縁膜であり、膜厚１μｍ以上に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 前記膜の形成される主面が垂直であるように、前記プラスチック基板が前記チャンバー内で支持されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成膜装置。

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