JP2016160460A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波電力を増大させても異常放電を抑制でき、高速成膜が可能となる成膜装置の提供。【解決手段】マイクロ波供給部１３により供給されるプラズマを生成させるためのマイクロ波をマイクロ波導入面を介して負のバイアス電圧によって拡大されたシース層へ表面波として伝搬させるマイクロ波導入口２２と、外周面に導電性を有してマイクロ波導入口２２から突出するように配置されて、マイクロ波導入面に対して反対側に被加工材料８を支持する治具９とを備え、治具９は、この治具９の外周面に沿って伝搬する表面波をマイクロ波導入面から被加工材料８に向かって収束させる収束部９Ｂを含み、収束部９Ｂは、表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、被加工材料８側端部よりもマイクロ波導入面２２Ａ側端部の方が長くなるように形成されているように構成した成膜装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成する等の処理を行うためのプラズマ処理装置に関するものである。

従来より、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成するための成膜装置が、種々提案されている。
例えば、上述した被加工材料の表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）成膜処理する技術が特許文献１等により知られている。

この特許文献１に開示された技術では、プラズマ生成装置がマイクロ波供給口である石英窓を通して処理容器内の被加工材料に向けマイクロ波を供給することにより、石英窓内面の周辺領域にプラズマが生成される。被加工材料は例えば棒状であり、石英窓内面から処理容器内に突出するように配置され、生成されたプラズマに覆われた被加工材料の石英窓内面の周辺部分にはシース層が生成される。続いて、マイクロ波の供給中に、プラズマ生成装置が被加工材料へ負のバイアス電圧を印加する。

この結果、被加工材料の表面に生成されたシース層の厚さは被加工材料の表面に沿って拡大する。また同時に、供給されたマイクロ波は、この拡大されたシース層に沿って高エネルギー密度の表面波として伝搬する。このとき、高エネルギー密度の表面波により石英窓内面周辺から離れた被加工材料の表面にもプラズマが生成され、シース層も生成される。この新たに生成されたシース層も負のバイアス電圧によって拡大され、この拡大されたシース層に沿ってマイクロ波が高エネルギー密度の表面波としてさらに伝搬する。これにより、被加工材料の石英窓周辺から離れた部分へ、すなわち、被加工材料の石英窓側の一端から処理容器内に突出した他端へとプラズマが伸長する。この結果、原料ガスが表面波によってプラズマ励起されて高密度プラズマとなり、被加工材料の表面全体にＤＬＣ成膜処理される。

特開２００４−４７２０７号公報

しかしながら、前記した特許文献１に開示された技術では、被加工材料表面近傍にマイクロ波が表面波として集中し、高密度プラズマも被加工材料近傍に集中する。この際、表面波の持つエネルギーは高密度プラズマの生成と維持のために消費される。そのため、高密度プラズマはマイクロ波導入口付近の密度が高く、マイクロ波導入口から遠ざかるにつれて、プラズマ電子密度は低下する性質をもつ。その結果、異常放電はプラズマ電子密度の高いマイクロ波導入口近傍で起こりやすくなる。そして、異常放電が発生すると、例えば、被加工材料表面に形成されたＤＬＣ膜の膜硬度と膜厚にバラツキが生じ、また、ＤＬＣ膜の成膜速度が低下する等、ＤＬＣ成膜に支障が生じるという問題がある。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、マイクロ波電力を増大させても異常放電を抑制でき、高速成膜が可能となる成膜装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る成膜装置は、被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿うシース層の厚さを拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波をマイクロ波導入面を介して拡大された前記シース層へ表面波として伝搬させるマイクロ波導入口と、外周面に導電性を有して前記マイクロ波導入口から突出するように配置されて、前記マイクロ波導入面に対して反対側に前記被加工材料を支持する治具と、を備え、前記治具は、前記治具の外周面に沿って伝搬する前記表面波を前記マイクロ波導入面から前記被加工材料に向かって収束させる収束部を含み、前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記被加工材料側端部よりも前記マイクロ波導入面側端部の方が長くなるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る成膜装置は、請求項１に記載の成膜装置において、前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記マイクロ波導入面側端部から前記被加工材料側端部へ向かう方向において、連続的に短くなるように形成されたテーパー部を含むことを特徴とする。

また、請求項３に係る成膜装置は、請求項１に記載の成膜装置において、前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記マイクロ波導入面側端部から前記被加工材料側端部へ向かう方向において、段階的に短くなるように形成された階段状部を含むことを特徴とする。

また、請求項４に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置において、前記治具は、前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部から前記マイクロ波導入面まで所定長さ、前記伝搬方向に延出された基部を有することを特徴とする。

また、請求項５に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置において、前記マイクロ波導入口の前記マイクロ波導入面を囲み、前記マイクロ波導入面よりも前記マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する包囲壁を備えたことを特徴とする。

また、請求項６に係る成膜装置は、請求項５に記載の成膜装置において、前記包囲壁の内周面から前記包囲壁の内側に配置された前記治具の外周面までの距離は、前記マイクロ波導入面から前記包囲壁の前記マイクロ波導入面に対して反対側の先端までの高さよりも短いことを特徴とする。

また、請求項７に係る成膜装置は、請求項６に記載の成膜装置において、前記距離は２ｍｍ以下であり、且つ、前記高さは３０ｍｍ以上になるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項８に係る成膜装置は、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の成膜装置において、前記包囲壁は、突出側先端が前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部よりも前記マイクロ波導入面側に位置するように形成されていることを特徴とする。

また、請求項９に係る成膜装置は、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の成膜装置において、前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部は、前記包囲壁の突出側先端よりも前記マイクロ波導入面側に位置するように形成されていることを特徴とする。

また、請求項１０に係る成膜装置は、請求項４乃至請求項９のいずれかに記載の成膜装置において、前記負電圧印加部は、前記基部の外周面に前記負のバイアス電圧を印加する負電圧印加端子部材を有することを特徴とする。

更に、請求項１１に係る成膜装置は、請求項４乃至請求項１０のいずれかに記載の成膜装置において、処理容器内の原料ガスと不活性ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内の前記原料ガス及び前記不活性ガスとが所定圧力となるように排気する排気部と、を備え、前記所定圧力は、３０Ｐａ乃至８０Ｐａに設定され、前記負のバイアス電圧は、−２００Ｖ以下に設定され、前記基部の前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長は、前記被加工材料の前記収束部側端部の周囲長に対して２．５倍以上になるように設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る成膜装置では、収束部は、表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、被加工材料側端部よりもマイクロ波導入面側端部の方が長くなるように形成されているため、収束部のマイクロ波導入面側端部では、表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度は低下する。これに従って、収束部のマイクロ波導入面側端部の周囲に生成されるプラズマ電子密度も低下し、大きな電力のマイクロ波を表面波として伝搬させても異常放電を抑制することができる。更に、収束部のマイクロ波導入面側端部の周囲に生成されるプラズマ電子密度が低下するため、マイクロ波導入口付近のプラズマ電子密度も低下する。この結果、マイクロ波電力を増大させてもマイクロ波導入口近傍における異常放電の発生を効果的に抑制でき、高速成膜が可能となる。

また、収束部の被加工材料側端部の周囲長は、マイクロ波導入面側端部よりも短いため、収束部の被加工材料側端部では、表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度は、表面波の伝搬方向において収束されて増加する。これにより、被加工材料の処理表面を伝搬する表面波の電力密度は、収束部のマイクロ波導入面側端部を伝搬する表面波の電力密度よりも高くなるため、被加工材料の処理表面の周囲に生成されるプラズマ電子密度を高くすることができ、高速成膜が可能となる。

また、収束部は、マイクロ波導入面側端部から被加工材料側端部へ向かう方向において、周囲長が連続的に短くなるテーパー部を含んでもよい。これにより、シース層を伝搬する表面波の反射を小さくして、被加工材料の処理表面の周囲に生成されるプラズマ電子密度を更に高くすることが可能となる。

また、収束部は、マイクロ波導入面側端部から被加工材料側端部へ向かう方向において、周囲長が段階的に短くなる階段状部を含んでもよい。これにより、収束部を容易に作製することが可能となる。

また、治具は、収束部のマイクロ波導入面側端部からマイクロ波導入面まで所定長さ、伝搬方向に延出された基部を有するようにしてもよい。これにより、基部の表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度を低下させることができる。従って、基部の周囲に生成されるプラズマ電子密度も低下し、大きな電力のマイクロ波を表面波として伝搬させても異常放電を抑制することができる。

また、マイクロ波導入口のマイクロ波導入面を囲み、マイクロ波導入面よりもマイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する包囲壁を設けてもよい。包囲壁を設けることによって、マイクロ波導入面への膜成分の付着量を低減させることができるが、包囲壁先端部で異常放電が誘発される虞がある。しかしながら、収束部が設けられているため、包囲壁を設けても、収束部のマイクロ波導入面側端部又は基部の周囲に生成されるプラズマ電子密度を低下させることができ、包囲壁の先端部における異常放電を抑制することが可能となる。

また、包囲壁の内周面から包囲壁の内側に配置された治具の外周面までの距離は、マイクロ波導入面から包囲壁のマイクロ波導入面に対して反対側の先端までの高さよりも短くなるように形成してもよい。これにより、包囲壁の内側に形成された治具を囲む包囲空間を、シース層のシース厚さ方向の幅が狭く、且つ、マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ高くなるように形成することができる。従って、包囲空間内へ供給された原料ガスにより中心導体への成膜が行われた後に、包囲空間内への更なる原料ガスの供給をより低減することができ、マイクロ波導入面への膜成分の付着量を更に低減することができる。

また、包囲壁の内周面から治具の外周面までの距離は２ｍｍ以下であり、且つ、マイクロ波導入面から包囲壁のマイクロ波導入面に対して反対側の先端までの高さは３０ｍｍ以上になるように形成してもよい。これにより、包囲空間内へ供給された原料ガスにより治具への成膜が行われた後に、包囲空間内への更なる原料ガスの供給をより低減することができる。

また、包囲壁の突出側先端は、基部の収束部側端部よりもマイクロ波導入面側に位置するように形成されるようにしてもよい。これにより、包囲壁の突出側先端近傍に生成されるプラズマ電子密度を確実に低下させることができ、包囲壁の先端部における異常放電を抑制することが可能となる。

また、収束部のマイクロ波導入面側端部は、包囲壁の突出側先端よりもマイクロ波導入面側に位置するように形成されるようにしてもよい。これにより、包囲壁の突出側先端は、収束部の少なくとも一部を囲むように突出しているため、包囲壁の内側に形成される包囲空間内への更なる原料ガスの供給を低減することができる。従って、マイクロ波導入面への膜成分の付着量を低減し、異常放電の発生を低減させることができる。この結果、マイクロ波導入口の使用寿命を延ばすことができ、生産性の向上を図ることができる。

また、負電圧印加部は、基部の外周面に負のバイアス電圧を印加する負電圧印加端子部材を有するようにしてもよい。これにより、基部の表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度が低下しているため、負のバイアス電圧を負電圧印加端子部材を介して基部に印加することによって、負電圧印加端子部材が表面波に与える影響を小さくすることが可能となる。また、基部に負のバイアス電圧を印加することによって、被加工材料の治具に支持される領域以外の端部を含む領域を成膜することができる。

更に、処理容器内の原料ガスと不活性ガスが、３０Ｐａ乃至８０Ｐａの圧力になるように設定され、また、−２００Ｖ以下の負のバイアス電圧が被加工材料に印加されるように設定され、更に、基部の表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、被加工材料の収束部側端部の周囲長に対して２．５倍以上になるように設定されるようにしてもよい。これにより、被加工材料の周囲に生成されるプラズマ電子密度を基部の周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも大きくすることが可能となる。

本実施形態に係る成膜装置１の概略構成を示す説明図である。 被加工材料８と治具９の周囲に生成されるプラズマ電子密度分布の解析結果の一例を示す図である。 治具９の基部９Ａ半径を変化させた場合における被加工材料８の周囲と治具９の基部９Ａの周囲に生成される各プラズマ電子密度の解析結果の一例を示す図である。 負のバイアス電圧を一定にした場合における被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度が治具９の基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも高くなる処理容器２内の圧力と基部９Ａの最小半径との解析結果の一例を示す図である。 被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度が治具９の基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも高くなる処理容器２内の圧力と負のバイアス電圧との解析結果の一例を示す図である。 各実施例１〜８及び比較例１で得られたＤＬＣ成膜時における異常放電回数の評価結果の一例を示す評価結果テーブル３３である。 実施例１の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２及び側面電極２３の概略構成を示す図である。 実施例２の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ａの概略構成を示す図である。 実施例３の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ｂの概略構成を示す図である。 実施例４の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ｃの概略構成を示す図である。 実施例５の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ａの概略構成を示す図である。 実施例６の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ａの概略構成を示す図である。 実施例７の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ａの概略構成を示す図である。 実施例８の被加工材料８、治具９、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ａの概略構成を示す図である。 比較例１の被加工材料８、治具４８、マイクロ波導入口２２、側面電極２３及び包囲壁２３Ｄの概略構成を示す図である。 他の第１実施形態に係る被加工材料８及び治具５１の概略構成を示す説明図で、(Ａ)は平面図、（Ｂ）は正面図である。 他の第２実施形態に係る被加工材料５７及び治具５５の概略構成を示す説明図である。 他の第３実施形態に係る被加工材料８及び治具９の概略構成を示す説明図である。 他の第４実施形態に係る負電圧電極６１の概略構成を示す説明図である。

以下、本発明に係る成膜装置について具体化した一実施形態に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、本実施形態に係る成膜装置１の概略構成について図１に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置１は、処理容器２、真空ポンプ３、ガス供給部５、及び制御部６等から構成されている。処理容器２は、ステンレス等の金属製であって、気密構造の処理容器である。真空ポンプ３は、圧力調整バルブ７を介して処理容器２の内部を真空排気可能なポンプである。処理容器２の内部には、成膜対象である導電性を有する被加工材料８が、ステンレス等で形成された導電性を有する治具９により保持されている。

被加工材料８の材質は、導電性を有していれば、特に限定されるものではないが、本実施形態では低温焼戻し鋼である。ここで低温焼戻し鋼とは、ＪＩＳ Ｇ４０５１（機械構造用炭素鋼鋼材）、Ｇ４４０１（炭素工具鋼鋼材）、Ｇ４４−４（合金工具用鋼材）、又はマルエージング鋼材などの材料である。被加工材料８は、低温焼戻し鋼以外にも、セラミック、または樹脂に導電性の材料がコーティングされているものでもよい。

ガス供給部５は、処理容器２の内部に成膜用の原料ガスと不活性ガスとを供給する。具体的には、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅなどの不活性ガスとＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、又はＴＭＳ（テトラメチルシラン）等の原料ガスとが供給される。本実施形態では、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２のうちのいずれか１種類、及びＴＭＳの原料ガスにより被加工材料８がＤＬＣ成膜処理されるとして説明する。

また、ガス供給部５から供給される原料ガス、および不活性ガスの流量、および圧力が制御部６を介して制御されてもよいし、作業者により制御されてもよい。また、原料ガスは、アルキン、アルケン、アルカン、芳香族化合物などのＣＨ結合を有する化合物、または炭素が含まれる化合物が含まれるガスであればよい。また、Ｈ_２が原料ガスに含まれてもよい。

処理容器２の内部に保持された被加工材料８に対してＤＬＣ成膜処理を行うためのプラズマが発生される。このプラズマは、マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、負電圧電源１５、及び負電圧パルス発生部１６により発生される。本実施形態では、特開２００４−４７２０７号公報に開示された方法（以下「ＭＶＰ法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ｓｈｅａｔｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｐｌａｓｍａ法）」という。）により表面波励起プラズマが発生されるとして説明する。以降の記載では、ＭＶＰ法を説明する。

マイクロ波パルス制御部１１は制御部６の指示に従い、パルス信号を発振し、この発振したパルス信号をマイクロ波発振器１２へ供給する。マイクロ波発振器１２は、マイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、マイクロ波パルスを発生する。マイクロ波電源１３は、制御部６の指示に従い、指示された出力で２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波発振器１２へ電力を供給する。つまり、マイクロ波発振器１２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、パルス状のマイクロ波パルスで供給する。

そして、パルス状のマイクロ波パルスは、マイクロ波発振器１２からアイソレータ１７、チューナー１８、導波管１９、導波管１９から図示されない同軸導波管変換器を介して突設された同軸導波管２１、及び石英などのマイクロ波を透過する誘電体等からなるマイクロ波導入口２２を経由し、治具９及び被加工材料８の処理表面に供給される。アイソレータ１７は、マイクロ波の反射波がマイクロ波発振器１２へ戻ることを防ぐものである。チューナー１８は、反射エネルギー検出部で検出した導波管１９内を反射してくるマイクロ波の位相と大きさに基づいてマイクロ波の反射波が最小になるようにチューナー１８前後のインピーダンスを整合するものである。

マイクロ波導入口２２の上端面を除く外周面は、つまり、マイクロ波導入面２２Ａを除く外周面は、ステンレス等の金属で形成された側面電極２３で被覆されている。側面電極２３は、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されている。側面電極２３は、少なくとも１のネジなどの取付部材で取り付けられればよい。マイクロ波導入口２２の中央には同軸導波管２１の中心導体が延長されている。治具９も中心導体の延長上にあり、マイクロ波導入口２２内では中心導体となる。従って、マイクロ波導入口２２の中心導体と側面電極２３とで同軸導波管として機能する。

このため、マイクロ波導入口２２に供給されたマイクロ波パルスによって、マイクロ波導入口２２の治具９が設けられたマイクロ波導入面２２Ａ付近にプラズマが生成される。マイクロ波導入口２２の中心導体は真空を保持するため、途中で分断されているが、誘電体とのろう付け等で真空が保持されれば、貫通していてもよい。被加工材料８は、例えば棒状であり、マイクロ波導入口２２の中心導体の延長線上に保持される。

被加工材料８は、被加工材料８を保持する治具９からマイクロ波導入口２２に対して処理容器２の内側に向かって突出するように配置されている。治具９は、マイクロ波導入面２２Ａから処理容器２の内側に向かって突出する基部９Ａと、基部９Ａの突出側先端部から処理容器２の内側に向かって突出するテーパー部９Ｂとから形成されている。テーパー部９Ｂは、収束部の一例として機能する。また、治具９は、マイクロ波導入口２２のマイクロ波導入面２２Ａの中央部に着脱可能に取り付けられている。

基部９Ａは、マイクロ波導入面２２Ａから表面波として伝搬するマイクロ波の進行方向に対して垂直な断面形状が一定、つまり、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長が被加工材料８の周囲長の約２．５倍以上で、所定高さ、例えば、約３０ｍｍ〜５０ｍｍの高さの略円柱状に形成されている。例えば、基部９Ａは、外径２５ｍｍで高さ４０ｍｍの円柱状に形成され、被加工材料８は、外径１０ｍｍの略棒状に形成されている。

テーパー部９Ｂは、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長が被加工材料８側に向かう方向において、連続的に短くなるようにテーパー状に形成され、突出側先端部の周囲長は、被加工材料８の周囲長とほぼ同じ長さになるように形成されている。また、テーパー部９Ｂは、基部９Ａの突出側先端部から処理容器２の内側に向かって所定高さ、例えば、約２０ｍｍ〜３０ｍｍの高さ突出している。例えば、テーパー部９Ｂは、基部９Ａ側端部の外径が約２５ｍｍで、被加工材料８側端部の外径が１０ｍｍの略円錐台状に形成され、被加工材料８は、外径１０ｍｍの略棒状に形成されている。

治具９は、テーパー部９Ｂの突出側先端部中央に立設された断面円形の細い軸部９Ｃが、被加工材料８の下端面の中央部に形成された断面円形の凹部８Ｂ内に嵌入されることにより、被加工材料８を保持するように構成されている。また、被加工材料８の治具９に対して反対側の部分は、マイクロ波導入口２２に対して処理容器２内に向かって突出するように配置されている。また、被加工材料８の治具９に対して反対側の部分の先端部８Ａには、負のバイアス電圧パルスを印加するための負電圧電極２５が電気的に接続されている。

負電圧電源１５は、制御部６の指示に従い、負電圧パルス発生部１６に負のバイアス電圧を供給する。負電圧パルス発生部１６は、負電圧電源１５から供給された負のバイアス電圧をパルス化する。このパルス化の処理は、負電圧パルス発生部１６が制御部６の指示に従い、負のバイアス電圧パルスの大きさ、周期、及び、デューティ比を制御する処理である。このデューティ比に従うパルス状の負のバイアス電圧である負のバイアス電圧パルスが、処理容器２の内部に保持された被加工材料８に負電圧電極２５を介して印加される。

即ち、被加工材料８が、金属基材の場合、またはセラミック、または樹脂に導電性の金属材料がコーティングされた場合であっても、被加工材料８の少なくとも処理表面全域に負のバイアス電圧パルスが印加される。また、治具９が、ステンレス等の金属基材の場合、またはセラミック、または樹脂に導電性の金属材料がコーティングされた場合であっても、治具９の表面全域にも被加工材料８を介して負のバイアス電圧パルスが印加される。

そして、発生されたマイクロ波パルス、および負のバイアス電圧パルスの少なくとも一部が同一時間に印加されるように制御されることにより、図１に示すように、表面波励起プラズマ２６が発生される。マイクロ波は２．４５ＧＨｚに限らず、０．３ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの周波数であればよい。負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６が本発明の負電圧印加部の一例である。

マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、アイソレータ１７、チューナー１８、及び導波管１９が本発明のマイクロ波供給部の一例である。尚、成膜装置１は負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６を備えたが、正電圧電源、および正電圧パルス発生部を備えてもよいし、負電圧パルス発生部１６の代わりに、パルス状の負のバイアス電圧でなく、連続する負のバイアス電圧を印加する負電圧発生部を備えてもよい。

図１に示す制御部６は、不図示のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ（以下、「ＨＤＤ」という。）、タイマ等を備え、コンピュータから構成され、成膜装置１の全体の制御を行う。制御部６のＲＯＭとＨＤＤは、不揮発性記憶装置であり、マイクロ波パルスと負のバイアス電圧パルスの印加タイミングを示す情報等を記憶している。

制御部６は、負電圧電源１５とマイクロ波電源１３に制御信号を出力してマイクロ波パルスの印加電力と負電圧パルスの印加電圧を制御する。制御部６は、負電圧パルス発生部１６及びマイクロ波パルス制御部１１に制御信号を出力することによって、パルス状の負のバイアス電圧パルスの印加タイミング、供給電圧、及びマイクロ波発振器１２から発生されるマイクロ波パルスの供給タイミング、及び供給電力を制御する。

また、制御部６は、ガス供給部５に流量制御信号を出力して原料ガス及び不活性ガスの供給を制御する。制御部６は、処理容器２に取り付けられた真空計２７から入力される処理容器２内の圧力を表す圧力信号に基づいて、制御信号を圧力調整バルブ７に出力して、処理容器２内の圧力を制御する。

［表面波励起プラズマの説明］
通常、表面波励起プラズマを発生させる場合、ある程度以上の電子（イオン）密度におけるプラズマと、これに接する誘電体との界面に沿ってマイクロ波が供給される。供給されたマイクロ波は、この界面に電磁波のエネルギーが集中した状態で表面波として伝播される。その結果、界面に接するプラズマは高エネルギー密度の表面波によって励起され、さらに増幅される。これにより高密度プラズマが生成されて維持される。ただし、この誘電体を導電性材料に換えた場合、導電性材料は表面波の導波路としては機能せず、好ましい表面波の伝播及びプラズマ励起を生ずることはできない。

一方、プラズマに接する物体の表面近傍には、本質的に単一極性の荷電粒子層、いわゆるシース層が形成される。物体が、負のバイアス電圧を加えた導電性を有する被加工材料８の場合、シース層とは電子密度が低い層、すなわち、正極性であって、マイクロ波の周波数帯においてはほぼ比誘電率ε≒１の層である。このため、印加する負のバイアス電圧の絶対値を例えば−１００Ｖの絶対値より大きくすることによりシース層のシース厚さを厚くできる。すなわちシース層が拡大する。このシース層が、プラズマとプラズマに接する物体との界面に表面波を伝播させる誘電体として作用する。

従って、被加工材料８を保持する治具９の基部９Ａの一端が配置されたマイクロ波導入口２２からマイクロ波が供給され、かつ被加工材料８及び治具９に負のバイアス電圧が印加されると、マイクロ波はシース層とプラズマとの界面に沿って表面波として伝搬する。この結果、被加工材料８及び治具９の表面に沿って表面波に基づく高密度励起プラズマが発生する。この高密度励起プラズマが、上述した表面波励起プラズマ２６である。

このような被加工材料８の表面の近傍での表面波励起による高密度プラズマの電子密度は１０^1７〜１０^1８ｍ^―3に達する。このＭＶＰ法を用いたプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合は、通常の負のバイアス電圧エネルギーのプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合よりも１桁から２桁高い成膜速度３〜３０（ナノｍ／秒）が得られる。この結果、ＭＶＰ法によるプラズマＣＶＤの成膜時間は通常のプラズマＣＶＤの成膜時間の１／１０〜１／１００となる。

ここで、図１に示す成膜装置１において、治具９の基部９Ａの周囲長、つまり、基部９Ａの半径を変化させた場合における、被加工材料８の周囲と治具９の基部９Ａの周囲に生成される各プラズマ電子密度の解析結果について図２及び図３に基づいて説明する。尚、処理容器２内の圧力は５０Ｐａ、負のバイアス電圧は−６００Ｖ、被加工材料８は外径１０ｍｍの円柱状の棒状部材、治具９の基部９Ａは、マイクロ波導入面２２Ａからの軸方向高さ４０ｍｍの円柱状、治具９のテーパー部９Ｂは、軸方向高さ２０ｍｍでマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部の外径を１０ｍｍとして、解析した。

先ず、基部９Ａが、半径１２．５ｍｍ、つまり、周囲長２５πｍｍの円柱状の場合における、治具９及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度の解析結果の一例について図２に基づいて説明する。図２に示すように、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部からマイクロ波導入面２２Ａ側へ約５ｍｍの位置、つまり、図２中縦軸「１０ｍｍ」におけるマイクロ波の進行方向（矢印２９方向である。）に対して垂直な面３１Ａにおけるプラズマ電子密度の最大値は、約４．２×１０^１８ｍ^−３であった。

そして、治具９のテーパー部９Ｂの基部９Ａ側端部の位置、つまり、図２中縦軸「１５ｍｍ」におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｂにおけるプラズマ電子密度の最大値は、約４．４×１０^１８ｍ^−３であった。また、テーパー部９Ｂの被加工材料８側端部の位置、つまり、図２中縦軸「３５ｍｍ」におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｃにおけるプラズマ電子密度の最大値は、約６．３×１０^１８ｍ^−３であった。

従って、テーパー部９Ｂの周囲のプラズマ電子密度は、基部９Ａ側から被加工材料８側へ連続的に増加している。続いて、被加工材料８のテーパー部９Ｂ側端部からマイクロ波進行方向約５ｍｍの位置、つまり、図２中縦軸「４０ｍｍ」におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｄにおけるプラズマ電子密度の最大値は、約６．６×１０^１８ｍ^−３であった。

次に、治具９の基部９Ａの半径を被加工材料８の半径５ｍｍから徐々に大きくした場合、つまり、基部９Ａの周囲長を１０πｍｍから徐々に大きくした場合における、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値の解析結果の一例について図３に基づいて説明する。

尚、被加工材料８は、半径５ｍｍ、つまり、外径１０ｍｍに固定して解析した。また、テーパー部９Ｂの被加工材料８側端部も、半径５ｍｍ、つまり、外径１０ｍｍに固定して解析した。また、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部からマイクロ波導入面２２Ａ側へ約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ａ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値Ｍ１を解析した。また、被加工材料８のテーパー部９Ｂ側端部からマイクロ波進行方向約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｄ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値Ｍ２を解析した。

図３に示すように、被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度の最大値Ｍ２は、基部９Ａの各半径５ｍｍ〜１２．５ｍｍに対して約６．６×１０^１８ｍ^−３でほぼ一定値であった。また、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度の最大値Ｍ１は、基部９Ａの半径が約６ｍｍ、つまり、周囲長が１２πｍｍのとき、約６．６×１０^１８ｍ^−３で、被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度の最大値Ｍ２とほぼ同じであった。そして、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度の最大値Ｍ１は、基部９Ａの各半径６ｍｍ〜１２．５ｍｍに対して、周囲長が１２πｍｍから２５πｍｍに増加するに従って、約６．６×１０^１８ｍ^−３から約４．０×１０^１８ｍ^−３まで直線的に減少している。

従って、図３に示すように、基部９Ａの半径を被加工材料８の半径よりも１ｍｍ以上長くすることによって、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度を被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも低くすることができる。つまり、基部９Ａのマイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長を被加工材料８のマイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長よりも２πｍｍ以上長くすることによって、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度の方が高くなる。

また、図２に示すように、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところにおけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面におけるプラズマ電子密度の最大値は、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところにおけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面におけるプラズマ電子密度の最大値よりも大きくなっている。つまり、基部９Ａの表面を進行した表面波として伝搬するマイクロ波が、テーパー部９Ｂで収束されて被加工材料８の表面に達している。これにより、テーパー部９Ｂの周囲のプラズマ電子密度は、基部９Ａ側から被加工材料８側へ連続的に増加している。

また、図２及び図３に示すように、基部９Ａの半径が６ｍｍ以上の場合には、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところにおいて、周囲に生成されるプラズマ電子密度は、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところのプラズマ電子密度よりも大きくなっている。つまり、基部９Ａの半径を被加工材料８の半径よりも１ｍｍ以上長くすることによって、基部９Ａ側から被加工材料８側への伝搬時の減衰による表面波のエネルギー密度の低下よりも、テーパー部９Ｂによる表面波収束による表面波エネルギー密度の上昇の方が大きくなっている。

次に、負のバイアス電圧を一定にした場合における被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度が治具９の基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも高くなる処理容器２内の圧力と基部９Ａの最小半径との解析結果の一例について図４に基づいて説明する。この基部９Ａの最小半径、つまり、最小周囲長は、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値Ｍ１、Ｍ２がほぼ同じになるときの基部９Ａの半径である。

尚、被加工材料８は外径１０ｍｍの円柱状の棒状部材、治具９の基部９Ａは、マイクロ波導入面２２Ａからの軸方向高さ４０ｍｍの円柱状、治具９のテーパー部９Ｂは、軸方向高さ２０ｍｍでマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部の外径を１０ｍｍとして、解析した。また、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部からマイクロ波導入面２２Ａ側へ約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ａ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値Ｍ１を解析した。また、被加工材料８のテーパー部９Ｂ側端部からマイクロ波進行方向約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｄ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値Ｍ２を解析した。

図４に示すように、負のバイアス電圧が−６００Ｖの場合は、処理容器２内の圧力が３０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約７．４ｍｍであり、処理容器２内の圧力が４０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約６．４ｍｍであり、処理容器２内の圧力が５０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約５．８ｍｍである。また、負のバイアス電圧が−４００Ｖの場合は、処理容器２内の圧力が３０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約１１．０ｍｍであり、処理容器２内の圧力が４０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約９．１ｍｍであり、処理容器２内の圧力が５０Ｐａのとき、基部９Ａの最小半径は約８．２ｍｍである。

従って、処理容器２内の圧力が高くなる程、且つ、負のバイアス電圧の絶対値が大きくなる程、被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度が治具９の基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも高くなるときの基部９Ａの最小半径、つまり、最小周囲長は、被加工材料８の周囲長に近づくように短くすることができると考えられる。

また、基部９Ａの半径が、基部９Ａの最小半径よりも小さく、且つ、被加工材料８の半径よりも大きい場合には、テーパー部９Ｂにおいて表面波として伝搬するマイクロ波の収束される割合が低くなると考えられる。そのため、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところのプラズマ電子密度が、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところにおけるプラズマ電子密度よりも大きくならないと考えられる。

一方、基部９Ａの半径が、基部９Ａの最小半径よりも大きい場合には、テーパー部９Ｂにおいて表面波として伝搬するマイクロ波の収束される割合が大きくなると考えられる。そのため、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところのプラズマ電子密度が、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところにおけるプラズマ電子密度よりも高くなると考えられる。

次に、被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度が治具９の基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも高くなる処理容器２内の圧力と負のバイアス電圧との解析結果の一例について図５に基づいて説明する。つまり、処理容器２内の各圧力に対して、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値がほぼ同じになるときの負のバイアス電圧を解析した。

尚、被加工材料８は外径１０ｍｍの円柱状の棒状部材、治具９の基部９Ａは、外径２５ｍｍでマイクロ波導入面２２Ａからの軸方向高さ４０ｍｍの円柱状、治具９のテーパー部９Ｂは、軸方向高さ２０ｍｍでマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部の外径を１０ｍｍとして、解析した。また、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側端部からマイクロ波導入面２２Ａ側へ約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ａ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値を解析した。また、被加工材料８のテーパー部９Ｂ側端部からマイクロ波進行方向約５ｍｍの位置におけるマイクロ波の進行方向に対して垂直な面３１Ｄ（図２参照）におけるプラズマ電子密度の最大値を解析した。

図５に示すように、処理容器２内の圧力が３０Ｐａの場合、負のバイアス電圧が約−３５０Ｖのとき、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値がほぼ同じになった。また、処理容器２内の圧力が４０Ｐａの場合、負のバイアス電圧が約−３１０Ｖのとき、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値がほぼ同じになった。

また、処理容器２内の圧力が５０Ｐａの場合、負のバイアス電圧が約−２７０Ｖのとき、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値がほぼ同じになった。また、処理容器２内の圧力が７５Ｐａの場合、負のバイアス電圧が約−２１０Ｖのとき、基部９Ａ及び被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度のそれぞれの最大値がほぼ同じになると考えられる。

また、図５に示す曲線よりも上の領域では、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところのプラズマ電子密度が、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところにおけるプラズマ電子密度よりも高くなると考えられる。また、図５に示す曲線よりも下の領域では、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａから遠いところのプラズマ電子密度は、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａに近いところにおけるプラズマ電子密度よりも大きくならないと考えられる。

従って、処理容器２内の圧力範囲を３０Ｐａ〜８０Ｐａに設定して成膜処理をする場合には、負のバイアス電圧を−２００Ｖ以下の低い電圧にする必要があると考えられる。望ましくは、−３５０Ｖより低い電圧が望ましい。また、この場合には、被加工材料８は外径１０ｍｍで、基部９Ａは外径２５ｍｍであるため、基部９Ａのマイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長を被加工材料８のマイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長の２．５倍以上に設定するのが望ましいと考えられる。これにより、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも被加工材料８の周囲に生成されるプラズマ電子密度の方が大きくなると考えられる。

［成膜中の異常放電回数の測定］
次に、上記のように構成された成膜装置１において、実施例１乃至実施例８、比較例１についてＤＬＣ膜の成膜中における異常放電回数を測定した実験結果の一例について図６乃至図１５に基づいて説明する。尚、以下の説明において上記図１乃至図５の本実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一符号は、本実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。また、本発明は、これらの実施例１乃至実施例８により何ら制限されるものではない。

図６に示す評価結果テーブル３３は、実施例１乃至実施例８、比較例１のそれぞれについて測定した実験結果の一例を示し、「収束部」、「包囲壁」、「包囲壁の高さ」、「基部中心導体の直径」、「ＤＬＣ成膜時異常放電回数」から構成されている。「収束部」の「テーパー部」は、治具９の基部９Ａと被加工材料８との間に収束部としてテーパー部９Ｂが設けられている旨を表している。また、「収束部」の「階段状部」は、治具９の基部９Ａと被加工材料８との間に収束部として図１４に示す階段状部９Ｅが設けられている旨を表している。また、「収束部」の「無し」は、治具９の基部９Ａと被加工材料８との間に収束部が設けられていない旨を表している。

「包囲壁」の「有り」と「無し」は、側面電極２３のマイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ所定高さで突出された筒状の包囲壁が設けられているか否かを表している。「包囲壁の高さ」は、包囲壁のマイクロ波導入面２２Ａからの高さを表している。「基部中心導体の直径」は、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａ側端面に設けられた中心導体３５等の直径を表している。「ＤＬＣ成膜時異常放電回数」は、下記成膜条件でＤＬＣ成膜を行った際の成膜時間５０秒の間に発生した異常放電回数の一例を表している。

次に、実施例１乃至実施例８、比較例１の成膜処理及び成膜条件について説明する。制御部６は、不活性ガスとしてＡｒ、原料ガスとしてＣＨ_４、およびＴＭＳを処理容器２にそれぞれ５０ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍで供給した。すなわち、処理容器２には、２９０ｓｃｃｍのガスが供給された。制御部６は、圧力調整バルブ７へ処理容器２の圧力を８０Ｐａに制御するように指示した。

続いて、制御部６は、マイクロ波電源１３にマイクロ波供給電力値を指示し、マイクロ波パルス制御部１１にマイクロ波パルス３１のオン信号、及びオフ信号を所定周期で送信する。具体的には、２．４５ＧＨｚのマイクロ波については、電力が２ｋＷ電力、マイクロ波パルスのパルス周期が１ミリ秒、マイクロ波パルスの印加時間が０．５ミリ秒に設定された。

同時に、制御部６は、負電圧電源１５に負のバイアス電圧値を指示する。また、制御部６は、負電圧パルス発生部１６に負のバイアス電圧パルスのオン信号、及びオフ信号を所定周期で送信する。具体的には、負のバイアス電圧パルスについては、電圧が−６００Ｖ、パルス周期が１ミリ秒、負のバイアス電圧パルスの印加時間が０．５ミリ秒に設定された。マイクロ波パルスの供給と負のバイアス電圧パルスの印加のタイミングは８マイクロ秒だけマイクロ波パルスが先行するように設定された。そして、制御部６は、マイクロ波パルスと負のバイアス電圧パルスを印加して、成膜時間を５０秒に設定して成膜した。

（実施例１）
先ず、実施例１について図６及び図７に基づいて説明する。図６及び図７に示すように、実施例１は、本実施形態に係る成膜装置１の構成と同じ構成である。また、治具９の基部９Ａは、外径２５ｍｍで高さ４０ｍｍの円柱状に形成され、マイクロ波導入面２２Ａ側端面の中央には、基部９Ａの中心導体３５が、同軸導波管２１の中心導体３６に対して同軸上に、中心導体３６と同一径でマイクロ波導入口２２側へ突出されている。また、被加工材料８は、外径１０ｍｍの略円柱状に形成されている。

そして、治具９のテーパー部９Ｂは、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長が被加工材料８側に向かう方向において、連続的に短くなるようにテーパー状に形成され、突出側先端部の周囲長は、被加工材料８の周囲長とほぼ同じ長さになるように形成されている。また、テーパー部９Ｂは、基部９Ａの突出側先端部から処理容器２の内側に向かって約２０ｍｍの高さで突出している。このように構成された実施例１では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「１２回」であった。

（実施例２）
次に、実施例２について図６及び図８に基づいて説明する。図６及び図８に示すように、実施例２は、実施例１とほぼ同じ構成である。但し、側面電極２３は、マイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ約３０ｍｍの高さで突出された筒状の包囲壁２３Ａが形成されている。包囲壁２３Ａは、治具９の基部９Ａの約３／４の部分を内側に囲むようにマイクロ波導入面２２Ａの全周に渡って形成されている。即ち、包囲壁２３Ａは、ステンレス等の金属で形成されている。

従って、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部３８Ａは、治具９の基部９Ａの上端部よりも低くなるように形成されている。また、包囲壁２３Ａの内周面から基部９Ａの外周面までの距離は、２ｍｍ以下になるように形成されている。従って、包囲壁２３Ａは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、基部９Ａを囲む包囲空間３７Ａを内側に形成している。このように構成された実施例２では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「１２回」であった。

ここで、包囲壁２３Ａの内周面と基部９Ａの外周面との間に形成された包囲空間３７Ａは、シース層のシース厚さ方向の幅が狭く、且つ、マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ高くなるように形成される。これにより、包囲空間３７Ａ内へ供給された原料ガスにより治具９の基部９Ａへの成膜が行われた後に、プラズマ化された不活性ガスで満たされた包囲空間３７Ａ内への更なる原料ガスの供給を低減することができ、マイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着量を低減することができる。

ここで、包囲壁２３Ａの内周面から基部９Ａの外周面までの距離は２ｍｍ以下、望ましくは１ｍｍ以下である。また、マイクロ波導入面２２Ａから包囲壁２３Ａの先端部３８Ａまでの高さは、３０ｍｍ以上になるように形成されるのが望ましい。これによりマイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着による汚れを大幅に抑制することができ生産性が向上する。包囲壁２３Ａの内周面から基部９Ａの外周面までの距離が３ｍｍ以上となるとマイクロ波導入面２２Ａの汚れの抑制効果が小さくなり、頻繁にマイクロ波導入面２２Ａの清掃が必要となる。

（実施例３）
次に、実施例３について図６及び図９に基づいて説明する。図６及び図９に示すように、実施例３は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、側面電極２３は、マイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ約４０ｍｍの高さで突出された筒状の包囲壁２３Ｂが形成されている。包囲壁２３Ｂは、治具９の基部９Ａを内側に囲むようにマイクロ波導入面２２Ａの全周に渡って形成されている。即ち、包囲壁２３Ｂは、ステンレス等の金属で形成されている。

従って、包囲壁２３Ｂの処理容器２内側の先端部３８Ｂは、治具９の基部９Ａの上端部とほぼ同一高さになるように形成されている。また、包囲壁２３Ｂの内周面から基部９Ａの外周面までの距離は、２ｍｍ以下になるように形成されている。従って、包囲壁２３Ｂは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、基部９Ａを囲む包囲空間３７Ｂを内側に形成している。このように構成された実施例３では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「９０回」であった。

（実施例４）
次に、実施例４について図６及び図１０に基づいて説明する。図６及び図１０に示すように、実施例４は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、側面電極２３は、マイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ約５０ｍｍの高さで突出された筒状の包囲壁２３Ｃが形成されている。包囲壁２３Ｃは、治具９の基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの一部を内側に囲むようにマイクロ波導入面２２Ａの全周に渡って形成されている。即ち、包囲壁２３Ｃは、ステンレス等の金属で形成されている。

また、包囲壁２３Ｃの処理容器２内側の先端部３８Ｃは、治具９のテーパー部９Ｂの軸方向略中央部とほぼ同一高さになるように形成されている。また、包囲壁２３Ｃの内周面から基部９Ａの外周面までの距離は、２ｍｍ以下になるように形成されている。従って、包囲壁２３Ｃは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの一部を囲む包囲空間３７Ｃを内側に形成している。このように構成された実施例４では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「１８２０回」であった。

（実施例５）
次に、実施例５について図６及び図１１に基づいて説明する。図６及び図１１に示すように、実施例５は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、治具９の基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａ側端面の中央には、中心導体３５の直径よりも大きい直径、つまり、同軸導波管２１の中心導体３６の直径よりも大きい直径の中心導体３９が突出されている。従って、中心導体３９は、同軸導波管２１の中心導体３６に対して同軸上に、マイクロ波導入口２２側へ突出されている。このように構成された実施例５では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「１５回」であった。

（実施例６）
次に、実施例６について図６及び図１２に基づいて説明する。図６及び図１２に示すように、実施例６は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、治具９の基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａ側端部は、実施例２に係る中心導体３５の軸方向長さにほぼ等しい長さだけ、マイクロ波導入面２２Ａから軸方向に基部９Ａと同一外径で突出され、中心導体４１を形成している。従って、中心導体４１は、同軸導波管２１の中心導体３６に対して同軸上に、基部９Ａと同一外径でマイクロ波導入口２２側へ突出されている。このように構成された実施例６では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「１６回」であった。

（実施例７）
次に、実施例７について図６及び図１３に基づいて説明する。図６及び図１３に示すように、実施例７は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、マイクロ波導入面２２Ａの中央に立設された断面円形の細い、例えば、直径５ｍｍの軸部２２Ｂが、治具９の基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａ側端面の中央に形成された断面円形の凹部９Ｄ内に嵌入され、治具９がマイクロ波導入面２２Ａの中央に保持されている。

従って、軸部２２Ｂは、石英などのマイクロ波を透過する誘電体等からなる。また、同軸導波管２１の中心導体４２は、軸部２２Ｂに対して同軸上に、マイクロ波導入面２２Ａの中央の近傍位置まで突出されている。このように構成された実施例７では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「２回」であった。

（実施例８）
次に、実施例８について図６及び図１４に基づいて説明する。図６及び図１４に示すように、実施例８は、実施例２とほぼ同じ構成である。但し、治具９のテーパー部９Ｂに替えて、基部９Ａの突出側先端部から処理容器２の内側に向かって階段状部９Ｅが形成されている。この階段状部９Ｅは、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長が被加工材料８側に向かう方向において、段階的に短くなるように階段状に形成されている。

この階段状部９Ｅは、基部９Ａの突出側先端部から同軸に突出する略円板状の段差部４５と段差部４６とから構成されている。段差部４５は、基部９Ａの突出側先端部から処理容器２の内側に向かって高さ１０ｍｍで外径２０ｍｍの略円板状に突出する。また、段差部４６は、段差部４５の突出側先端部から処理容器２の内側に向かって高さ１０ｍｍで外径１５ｍｍの略円板状に突出する。また、軸部９Ｃは、段差部４６の突出側先端部中央に立設され、被加工材料８の下端面の中央部に形成された断面円形の凹部８Ｂ内に嵌入されることにより、被加工材料８を保持するように構成されている。

このように構成された実施例８では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「８回」であった。ここで、評価結果テーブル３３に示すように、実施例８におけるＤＬＣ成膜時の異常放電回数が、実施例２におけるＤＬＣ成膜時の異常放電回数よりも少ないのは、各段差部４５、４６の周囲に形成されたシース層が不連続な形状になるためである。そのため、シース層内を表面波として伝搬するマイクロ波がシース層の不連続な部分で反射され、階段状部９Ｅの周囲に生成されるプラズマ電子密度が、テーパー部９Ｂの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも減少するためであると考えられる。即ち、階段状部９Ｅは、段差の数が多い方が周囲に形成されたシース層の不連続な部分が多くなるため、少なくとも２段差を有するように構成されるのが望ましい。

（比較例１）
次に、比較例１について図６及び図１５に基づいて説明する。図６及び図１５に示すように、比較例１は、治具９に替えて、外径１０ｍｍで高さ６０ｍｍの円柱状に形成された治具４８が、マイクロ波導入面２２Ａから処理容器２の内側に向かって突出されている。また、治具４８のマイクロ波導入面２２Ａ側端部は、実施例１に係る中心導体３５の軸方向長さにほぼ等しい長さだけ、マイクロ波導入面２２Ａから軸方向に同一外径で突出され、中心導体４９を形成している。従って、中心導体４９は、同軸導波管２１の中心導体３６に対して同軸上に、治具４８と同一外径でマイクロ波導入口２２側へ突出されている。

また、治具４８は、突出側先端部中央に立設された断面円形の細い軸部９Ｃが、被加工材料８の下端面の中央部に形成された断面円形の凹部８Ｂ内に嵌入されることにより、被加工材料８を保持するように構成されている。そして、側面電極２３は、マイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ約６０ｍｍの高さで突出された筒状の包囲壁２３Ｄが形成されている。包囲壁２３Ｄは、ステンレス等の金属で形成されている。

従って、包囲壁２３Ｄの処理容器２内側の先端部３８Ｄは、治具４８の上端部とほぼ同一高さになるように形成されている。また、包囲壁２３Ｄの内周面から治具４８の外周面までの距離は、２ｍｍ以下になるように形成されている。従って、包囲壁２３Ｄは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、治具４８を囲む包囲空間３７Ｄを内側に形成している。このように構成された比較例１では、評価結果テーブル３３に示すように、ＤＬＣ成膜時の異常放電回数は、「８１００回」であった。

以上詳細に説明した通り、本実施形態に係る成膜装置１では、治具９の基部９Ａの表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、被加工材料８の表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長よりも長くなるように形成されている。基部９Ａの周囲長は、被加工材料８の周囲長の２．５倍以上が望ましい。また、基部９Ａの処理容器２内側の突出端部には、表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、表面波の伝搬方向において連続的に短くなるテーパー状に形成されたテーパー部９Ｂ、又は、周囲長が表面波の伝搬方向において段階的に短くなる階段状部９Ｅが、設けられている。

これにより、基部９Ａの表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度を低下させることができる。従って、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度も低下し、大きな電力のマイクロ波を表面波として伝搬させても異常放電を抑制することができる。また、テーパー部９Ｂ又は階段状部９Ｅは、被加工材料８側端部の周囲長が基部９Ａ側端部の周囲長よりも短いため、表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度は、表面波の伝搬方向において収束されて増加する。

従って、被加工材料８の処理表面を伝搬する表面波の電力密度は、テーパー部９Ｂ又は階段状部９Ｅのマイクロ波導入面２２Ａ側端部を伝搬する表面波の電力密度よりも高くなるため、被加工材料８の処理表面の周囲に生成されるプラズマ電子密度を高くすることができ、高速成膜が可能となる。また、テーパー部９Ｂは、表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、表面波の伝搬方向において連続的に短くなるテーパー状に形成されているため、シース層を伝搬する表面波の反射を小さくして、被加工材料８の処理表面の周囲に生成されるプラズマ電子密度を高くすることが可能となる。また、階段状部９Ｅは、表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、段階的に短くなるように形成されているため、容易に作製することが可能となる。

また、マイクロ波導入口２２のマイクロ波導入面２２Ａを囲み、マイクロ波導入面２２Ａよりもマイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する各包囲壁２３Ａ、２３Ｂを設けることによって、マイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着量を低減させることができる。また、各包囲壁２３Ａ、２３Ｂの先端部３８Ａ、３８Ｂは、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の端部よりも低い高さ、若しくは、同じ高さに形成されるのが好ましい。これにより、各包囲壁２３Ａ、２３Ｂを設けても、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度を低下させることができ、各包囲壁２３Ａ、２３Ｂの先端部３８Ａ、３８Ｂにおける異常放電を抑制することが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば、以下のようにしてもよい。また、以下の説明において、上記図１乃至図１５に示す前記実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一符号は、前記実施形態に係る成膜装置１の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。

［他の第１実施形態］
（Ａ）例えば、図１６に示すように、治具９に替えて、治具５１を設けてもよい。治具５１は、治具９とほぼ同じ構成であるが、基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの外周面から周方向等間隔で４個の平面視１/４円形の溝部５２が半径方向内側に窪むように形成されている。また、直径方向に相対向する一対の溝部５２間の径方向の間隔は、被加工材料８の直径とほぼ同じ寸法に形成されている。従って、治具５１の表面波として伝搬するマイクロ波の進行方向に対して垂直な断面形状は、略十字状に形成されている。

これにより、治具５１の基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長は、略十字状に形成された断面形状の外周長となるため、治具９の断面円形の基部９Ａの外周長よりも容易に長くすることができる。その結果、治具５１の基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの周囲に生成されるプラズマ電子密度を更に低下させ、大きな電力のマイクロ波を表面波として伝搬させても異常放電を効果的に抑制することができる。

また、テーパー部９Ｂの被加工材料８側端部の周囲長は、基部９Ａ側端部よりも短いため、テーパー部９Ｂにおいて、表面波の伝搬方向に対して垂直な面を通り抜ける表面波の電力密度は、表面波の伝搬方向において収束されて増加する。これにより、被加工材料８の処理表面を伝搬する表面波の電力密度は、テーパー部９Ｂのマイクロ波導入面２２Ａ側端部を伝搬する表面波の電力密度よりも高くなるため、被加工材料８の処理表面の周囲に生成されるプラズマ電子密度を高くすることができ、高速成膜が可能となる。

［他の第２実施形態］
（Ｂ）また、例えば、図１７に示すように、治具９に替えて、治具５５を設けてもよい。治具５５は、治具９とほぼ同じ構成であるが、基部９Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の端部には、処理容器２の内側に向かって突出する２つのテーパー部５６が形成されている。各テーパー部５６は、基部９Ａ側端部の直径が基部９Ａの半径の長さにほぼ等しくなるように形成され、処理容器２の内側に向かって所定高さ、例えば、約２０ｍｍ〜３０ｍｍの高さ突出している。

また、各テーパー部５６は、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長が被加工材料５７側に向かう方向において、連続的に短くなるようにテーパー状に形成され、突出側先端部の周囲長は、被加工材料５７の周囲長とほぼ同じ長さになるように形成されている。例えば、基部９Ａは、長さ４０ｍｍで外径２５ｍｍの円柱状に形成されている。各テーパー部５６は、基部９Ａ側端部の外径が約１２．５ｍｍで、被加工材料５７側端部の外径が５ｍｍの略円錐台状に形成されている。また、各被加工材料５７は、外径５ｍｍの略棒状に形成されている。そして、各被加工材料５７に負電圧電極２５を介してパルス状の負のバイアス電圧が印加される。

これにより、複数の細い被加工材料５７を同時にＤＬＣ成膜することが可能となり、生産性の向上を図ることができる。また、治具５５の基部９Ａ及び各テーパー部５６の、マイクロ波の進行方向に対して垂直な面における周囲長を容易に長くすることができる。その結果、治具５５の基部９Ａ及び各テーパー部５６の周囲に生成されるプラズマ電子密度を低下させ、大きな電力のマイクロ波を表面波として伝搬させても異常放電を効果的に抑制することが可能となる。

［他の第３実施形態］
（Ｃ）また、例えば、図１８に示すように、前記実施例４に係る包囲壁２３Ｃに替えて、包囲壁２３Ｅを設けてもよい。包囲壁２３Ｅは、包囲壁２３Ｃとほぼ同じ構成であるが、テーパー部９Ｂの基部９Ａ側端部に対向する部分から上側の部分が、テーパー部９Ｂの外周面までの距離が約２ｍｍ以下となるように連続的に先細りになるように形成されている。また、包囲壁２３Ｅの先端部３８Ｅは、治具９のテーパー部９Ｂの軸方向略中央部とほぼ同一高さになるように形成されている。

従って、包囲壁２３Ｅは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、基部９Ａ及びテーパー部９Ｂの外周面を約２ｍｍ以下の距離の隙間で囲む先細りの包囲空間３７Ｅを内側に形成している。これにより、包囲空間３７Ｅ内へ供給された原料ガスにより基部９Ａ及びテーパー部９Ｂへの成膜が行われた後に、プラズマ化された不活性ガスで満たされた包囲空間３７Ｅ内への更なる原料ガスの供給を確実に低減することができ、マイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着量を効果的に低減することができる。

［他の第４実施形態］
（Ｄ）また、例えば、図１９に示すように、負電圧電極２５に替えて、負電圧印加端子部材の一例として機能する負電圧電極６１を設けてもよい。負電圧電極６１は、治具９の基部９Ａの外周面に電気的に接続され、負電圧印加線６２を介して負のバイアス電圧パルスを治具９及び被加工材料８に印加する。この負電圧印加線６２は、負電圧パルス発生部１６に電気的に接続されている。

尚、基部９Ａの周囲に生成されるプラズマ電子密度は、テーパー部９Ｂの周囲に生成されるプラズマ電子密度よりも低いため、負電圧電極６１は、基部９Ａの外周面に電気的に接続されるのが好ましい。また、表面波として伝搬するマイクロ波が収束するテーパー部９Ｂに負電圧電極６１を取り付けた場合には、負電圧電極６１に沿って表面波として伝搬するマイクロ波が多くなる。このため、負電圧電極６１は、表面波として伝搬するマイクロ波が収束していない基部９Ａの外周面に電気的に接続されるのが望ましい。

また、負電圧印加線６２には、負電圧電極６１を介して表面波として伝搬するマイクロ波を反射する表面波反射部材６３が取り付けられている。表面波反射部材６３は、負電圧電極６１から離れた位置で負電圧印加線６２に取り付けられている。表面波反射部材６３は、負電圧印加線６２とは石英等の誘電体６４で絶縁された浮遊電位のステンレス等の金属から形成されている。

これにより、表面波反射部材６３が負電圧印加線６２に取り付けられているため、表面波反射部材６３を介して負電圧印加線６２に沿って表面波として伝搬するマイクロ波を負電圧電極６１側へ反射することができ、マイクロ波が負電圧印加線６２に沿って伝搬することを抑止することができる。また、成膜装置１の奏する効果に加えて、負電圧電極６１を治具９の基部９Ａの外周面に電気的に接続することによって、治具９と接触しない被加工材料８の先端部８Ａを含む領域をＤＬＣ成膜することができる。

１ 成膜装置
２ 処理容器
６ 制御部
８、５７ 被加工材料
９、４８、５１、５５ 治具
９Ａ 基部
９Ｂ、５６ テーパー部
９Ｅ 階段状部
１１ マイクロ波パルス制御部
１２ マイクロ波発振器
１３ マイクロ波電源
１５ 負電圧電源
１６ 負電圧パルス発生部
１７ アイソレータ
１８ チューナー
１９ 導波管
２２ マイクロ波導入口
２２Ａ マイクロ波導入面
２３ 側面電極
２３Ａ〜２３Ｅ 包囲壁
２５、６１ 負電圧電極

Claims (11)

1. 被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿うシース層の厚さを拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、
   前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波をマイクロ波導入面を介して拡大された前記シース層へ表面波として伝搬させるマイクロ波導入口と、
   外周面に導電性を有して前記マイクロ波導入口から突出するように配置されて、前記マイクロ波導入面に対して反対側に前記被加工材料を支持する治具と、
   を備え、
   前記治具は、前記治具の外周面に沿って伝搬する前記表面波を前記マイクロ波導入面から前記被加工材料に向かって収束させる収束部を含み、
   前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記被加工材料側端部よりも前記マイクロ波導入面側端部の方が長くなるように形成されていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記マイクロ波導入面側端部から前記被加工材料側端部へ向かう方向において、連続的に短くなるように形成されたテーパー部を含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記収束部は、前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長が、前記マイクロ波導入面側端部から前記被加工材料側端部へ向かう方向において、段階的に短くなるように形成された階段状部を含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 前記治具は、前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部から前記マイクロ波導入面まで所定長さ、前記伝搬方向に延出された基部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記マイクロ波導入口の前記マイクロ波導入面を囲み、前記マイクロ波導入面よりも前記マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する包囲壁を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記包囲壁の内周面から前記包囲壁の内側に配置された前記治具の外周面までの距離は、前記マイクロ波導入面から前記包囲壁の前記マイクロ波導入面に対して反対側の先端までの高さよりも短いことを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
7. 前記距離は２ｍｍ以下であり、且つ、前記高さは３０ｍｍ以上になるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記包囲壁は、突出側先端が前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部よりも前記マイクロ波導入面側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の成膜装置。
9. 前記収束部の前記マイクロ波導入面側端部は、前記包囲壁の突出側先端よりも前記マイクロ波導入面側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の成膜装置。
10. 前記負電圧印加部は、前記基部の外周面に前記負のバイアス電圧を印加する負電圧印加端子部材を有することを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれかに記載の成膜装置。
11. 処理容器内の原料ガスと不活性ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内の前記原料ガス及び前記不活性ガスとが所定圧力となるように排気する排気部と、
    を備え、
    前記所定圧力は、３０Ｐａ乃至８０Ｐａに設定され、
    前記負のバイアス電圧は、−２００Ｖ以下に設定され、
    前記基部の前記表面波の伝搬方向に対して垂直な面における周囲長は、前記被加工材料の前記収束部側端部の周囲長に対して２．５倍以上になるように設定されていることを特徴とする請求項４乃至請求項１０のいずれかに記載の成膜装置。

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