JP2568466B2 - プラズマcvd装置 - Google Patents

プラズマcvd装置

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JP2568466B2
JP2568466B2 JP3315513A JP31551391A JP2568466B2 JP 2568466 B2 JP2568466 B2 JP 2568466B2 JP 3315513 A JP3315513 A JP 3315513A JP 31551391 A JP31551391 A JP 31551391A JP 2568466 B2 JP2568466 B2 JP 2568466B2
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日吉 渡邊
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富士電子工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の理由分野】本発明は、プラズマCVD装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来のプラズマCVD装置(Plasm
a Assisted CVD装置)は、10 −1 〜1
0Torr程度の圧力の真空容器(例えば、直径約90
0ミリ、高さ約1200ミリ、容積約1000リット
ル)内に、例えばN ガスとTiC ガスとを封入
し、真空容器内に設けた陰極上に、試料としての金属、
例えば直径500ミリ、高さ1000ミリの円柱状の鋼
材を配設し、同じく真空容器内にこの鋼材に対向するよ
うに設けた陽極と、前記陰極との間に例えば3相交流を
全波整流して得た直流電圧を印加して真空容器内に直流
(脈流の場合もある)を流すと、真空容器内での放電に
よってプラズマが発生する。なお、直流電圧及び電流の
大きさは、例えばそれぞれ400ボルト及び30アンペ
アであり、この場合、直流電源の平均出力は12kwと
なる。
【0003】真空容器内においては、TiのイオンがTiCl
4 から、また、NのイオンがN2 から、それぞれ、分離
し、これら両イオンやラジカルが化合反応してTiN とな
ってから、鋼材の表面に衝突、付着して、ほぼ金色のTi
N の成膜を形成する。例えば、工具の先端にこのような
成膜を作ると、工具の耐摩耗性が向上するから工具の寿
命が伸びる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにして例えば工具の表面に形成されたTiN の成膜は、
場合によっては、必ずしも良好な外観を呈するとは限ら
ず、黒色状等となる場合がある。このような色彩の成膜
は、往々にして、密着力が弱く、硬度も低い。即ち、成
膜の色彩と成膜の性質との間には、密接な関係があるこ
とが判明している。
【0005】そして、常に密着力の強い成膜を得るに
は、真空容器内の陽極に印加する直流電圧を大きくして
やればよいことが分かってきたが、一方、この電圧を大
きくし過ぎると、大電流が流れて鋼材に衝突するイオン
が増える結果、鋼材の温度が焼き戻し温度(580 ℃以
上) を越えて上昇して鋼材の硬度低下をきたすので、直
流電圧を大きくすることには自ずから限界があり、常に
良好な密着力のある成膜をえることと、直流電圧を上昇
させることとは、両立し難い状態であった。
【0006】本発明は上記事情に鑑みて創案されたもの
で、鋼材の表面に、密着力の大きい成膜を、鋼材の焼き
戻し温度以上に上昇させることなく形成することのでき
るプラズマCVD装置を提供することを目的としてい
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明に係るプラズマCVD装置は、ガスが封入さ
れる真空容器と、この真空容器内に設けられたプラズマ
放電用電極としての陽極と、試料に導通されたプラズマ
放電用電極としての陰極と、前記真空容器に設けられた
透光窓を介して前記試料の温度を測定する温度測定手段
と、前記真空容器外に設置されて、前記陽極と陰極との
間にパルス電圧を供給する直流電源とを備えており、前
記パルス電圧の周期、持続時間、波高値、及び波形の内
の1つ以上を、前記温度測定手段が測定した前記試料の
温度に対応して変化させて試料の温度を所定の範囲に保
つようにしている。そして、前記周期を100ミリ秒以
下とすることが好ましい。
【0008】
【実施例】以下、本発明に係るプラズマCVD装置を図
面を参照しつつ説明する。 図1は本発明に係るプラズマ
CVD装置の概略的説明図と本発明に係るプラズマCV
D装置の陽極と陰極との間にパルス電圧を印加すること
によって試料に通電するパルス電流の一例の説明図とで
あり、図2は前記パルス電流の他例の説明図である。
【0009】このプラズマCVD装置は、図1に示すよ
うに、例えばTiCl ガスが封入される真空容器10
と、この真空容器10内に設けられたプラズマ放電用電
極としての陽極21と、試料30に導通されたプラズマ
放電用電極としての陰極22と、前記真空容器10に設
けられた透光窓13を介して前記試料30の温度を測定
する温度測定手段としての赤外線輻射温度計40と、前
記真空容器10外に設置されて、前記陽極21及び陰極
22にそれぞれ正負の出力端子20a及び20bが導通
しており、且つ正又は負のほぼ長方形状のパルス電圧を
発生する直流電源20とを備えている。なお、真空容器
10及び試料30は、従来の技術で説明した真空容器及
び試料とそれぞれ同じ寸法のものを例にとっている。
【0010】陽極21は、実際には、円筒形に形成されて
おり、試料30を取り囲むように配置されている。陰極22
は円盤状であって、この陰極22の上に試料30が載置され
ている。陰極22の下部には回転軸23が突設されており、
この回転軸23は、真空容器10の下部に取り付けた絶縁性
管状スリーブ15を回動自在に、そして気密に貫通して真
空容器10の下方に引き出されている。なお、引き出され
た回転軸23を回転させる図示しない試料回転駆動装置が
設けられている。そして、直流電源20の正負の出力端子
20a および20b は、それぞれ、電線24および25を介して
前記陽極21および陰極22に接続されている。
【0011】真空容器10には、排出口11が設けられてあ
り、この排出口11から内部の空気やガスを矢印Aの方向
へ吸引して真空容器10内を真空に引く。また、真空容器
10には供給口12が設けられており、この供給口へTiCl4
ガスとN2 ガス等を矢印Bの方向に供給して真空容器10
の内部に送り込む。21a は、陽極21に設けた開孔であっ
て、この開孔21a と透光窓13を通して赤外線輻射温度計
40が試料30の温度を非接触的に測定する。なお、41は電
線26と27を介してそれぞれ赤外線輻射温度計40と直流電
源20に接続された試料温度の制御装置であって、この制
御装置41は、直流電源20に信号を送って直流電源20が発
生するパルス電圧の周期、持続時間(幅) および波高値
の1つ以上を変化させて試料30の温度が所定の範囲に収
まるように直流電源20を動作させる。
【0012】次に、本実施例のプラズマCVD装置の動
作を説明する。真空容器10内の陰極22上には鋼材の試料
30が載置されてから、真空容器10内は真空(例えば10-1
〜10Torr) に保たれ、N2 ガスおよびTiCl4 ガスが充填
される。直流電源20から陽極21と陰極22の間に正または
負のパルス電圧を印加すると、真空容器10内では、パル
ス電圧が持続している間はプラズマ放電が発生し、発生
したTiN は試料30の表面に衝突してTiN の成膜を形成す
る。
【0013】陽極20と陰極22の間の回路は力率1である
から、陽極20、陰極22間に長方形状のパルス電圧を印加
すると、このパルス電圧と同じく長方形状のパルス電流
が陽極20、陰極22間に流れる。そして、パルス電流の周
期および持続時間は、パルス電圧のそれらと同じであ
る。パルス電流の一例としてパルス電流51を図1に示
す。パルス電流51の周期をT1、持続時間をt1、波高値を
H1 とすると、例えば、周期T1は 200マイクロ秒、持続
時間t1は50マイクロ秒、波高値H は60アンペアであっ
て、このパルス電流51が通電されているときの直流電源
20の出力電圧(パルス電圧の波高値) は800 ボルトであ
る。この場合、直流電源20の最大出力は48kW、平均出力
は12kWである。
【0014】試料30は、真空容器10内で形成されたTiN
の衝突と、パルス電流51の通電とによっ温度が上昇す
る。前記したように、鋼材の試料30の温度は、焼き戻し
温度(580 ℃以上) 以下、即ち、極力約500 〜550 ℃に
保たれねばならない。
【0015】そして、試料30の温度を、赤外線輻射温度
計40は適宜の時間間隔をおいて測定し、測定された温度
が500 〜550 ℃の範囲から逸脱しているときには、温度
制御装置41が、直流電源20に指令を発してパルス電圧を
下記のように変化させる。即ち、試料30の温度が前記範
囲より上昇している場合には、パルス電圧の周期を長
くする、即ちパルス電流の周期T1も長くする持続時間
を短くする、即ちパルス電流の持続時間t1も短くする
波高値を小さくする、即ちパルス電流の波高値H1も小さ
くするの1つ以上を行う。また、試料30の温度が前記範
囲より降下している場合には、パルス電圧の周期を短
くする、即ちパルス電流の周期T1も短くする。持続時
間を長くする、即ちパルス電流の持続時間t1も長くす
る。波高値を大きくする、即ちパルス電流の波高値H1
も大きくするの1つ以上を行う。
【0016】このように、本実施例のプラズマCVD装
置は、従来のプラズマCVD装置よりも高い電圧のもと
で動作しており、且つ試料30の温度は常に前記範囲に保
たれるから、試料30の表面に形成されたTiN の成膜は、
密着力が大で、硬度に優れていて、美観的にも良好であ
る。
【0017】なお、前記のように、直流電源20の平均出
力は従来の技術で説明した直流電源の出力と同じ12kWで
あるけれども、従来よりも良好な成膜をえることができ
た。これは、従来より高い電圧をプラズマ放電に用いて
いることと、真空容器10内では平均的には従来とほぼ同
じ電力が消費されているけれども、プラズマ放電にパル
ス電流51を用いることによって、パルス電流51が流れて
いない間に試料30が冷却されることにより、同じ処理温
度の範囲に入っているものと考えられる。
【0018】次に、前記パルス電流51を発生させたパル
ス電圧よりも急峻な長方形状の波形のパルス電圧を陽極
20、陰極22間に印加することによって陽極20、陰極22間
に流れるパルス電流52を説明する。図2に示すように、
パルス電流52は、パルス電流51よりも急峻な長方形状の
波形を有し、その周期T2は 180マイクロ秒、持続時間t2
は20マイクロ秒、波高値H2は90アンペアであって、この
パルス電流52が通電されているときの直流電源20の出力
電圧(パルス電圧の波高値) は1200ボルトである。この
場合、直流電源20の最大出力は108kW 、平均出力は12kW
である。そして、陽極20、陰極22間に、パルス電流52を
発生するパルス電圧を印加して真空容器10内でプラズマ
放電を行った場合にも、試料30の表面に良好なTiN の成
膜をえることができる。
【0019】なお、陽極20、陰極22間にパルス電圧を印
加して真空容器10内に発生するパルス電流の例として上
記のパルス電流51、52を挙げたが、これらのパルス電流
の周期、持続時間、波高値の値にこだわるものではな
い。また、波形も長方形状であることにこだわるもので
はないので、試料1 の温度を所定の範囲に維持するため
に、パルス電圧の波形を変化させることも1つの手段で
ある。
【0020】なお、一般的には、パルス電圧、即ちパル
ス電流の周期を約100 ミリ秒以下とすると、ほぼ好まし
い成膜が形成され、更に約10ミリ秒以下に短縮すると、
殆ど常に良好な成膜をえられることが実験的に確かめら
れている。このように周期を短縮してゆくと良好な結果
がえられることから、実際には、前記のように、200マ
イクロ秒や180 マイクロ秒のような周期が採用されてい
る。また、パルス電圧の波高値を高くすると成膜の密着
性が向上する。そして、この波高値を400 ボルト以上に
すると、一般的には密着性の点で実用に耐える成膜をえ
ることができる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るプラ
ズマCVD装置は、ガスが封入される真空容器と、この
真空容器内に設けられたプラズマ放電用電極としての陽
極と、試料に導通されたプラズマ放電用電極としての陰
極と、前記真空容器に設けられた透光窓を介して前記試
料の温度を測定する温度測定手段と、前記真空容器外に
設置されて、前記陽極と陰極との間にパルス電圧を供給
する直流電源とを備えており、前記パルス電圧の周期、
持続時間、波高値、及び波形の内の1つ以上を、前記温
度測定手段が測定した前記試料の温度に対応して変化さ
せて試料の温度を所定の範囲に保つように構成されてい
る。
【0022】従って、本発明に係るプラズマCVD装置
によれば、試料の表面に、密着性と結晶性が良好であ
り、従って硬度が大きく耐摩耗性に優れた成膜を形成す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るプラズマCVD装置の概略的説
明図と本発明に係るプラズマCVD装置の陽極と陰極と
の間にパルス電圧を印加することによって試料に通電す
るパルス電流の一例の説明図とである。
【図2】 パルス電流の他例の説明図である。
【符号の説明】
10 真空容器 13 透光窓 20 直流電源 21 陽極 22 陰極 30 試料 40 赤外線輻射温度計 41 制御装置 51、52 パルス電流 H1、H2 波高値 T1、T1 周期 t1、t2 持続時間

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスが封入される真空容器と、この真空
    容器内に設けられたプラズマ放電用電極としての陽極
    と、試料に導通されたプラズマ放電用電極としての陰極
    と、前記真空容器に設けられた透光窓を介して前記試料
    の温度を測定する温度測定手段と、前記真空容器外に設
    置されて、前記陽極と陰極との間にパルス電圧を供給す
    る直流電源とを具備しており、前記パルス電圧の周期、
    持続時間、波高値、及び波形の内の1つ以上を、前記温
    度測定手段が測定した前記試料の温度に対応して変化さ
    せて試料の温度を所定の範囲に保つことを特徴とするプ
    ラズマCVD装置。
  2. 【請求項2】 前記周期が100ミリ秒以下であること
    を特徴とする請求項1記載のプラズマCVD装置。
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