JP2676085B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は、大電力を供給するプラズマCVDまたはプラ
ズマエッチング装置およびその作製方法に関する。さら
に本発明は一度に多量の筒状基体その他の基体上に被膜
形成を行う気相反応または気相のクリーニング、エッチ
ング方法に関する。

「従来技術」 一般にプラズマCVD法においては、平坦面を有する基
板上に平面状に成膜する方法が工業的に有効であるとさ
れている。さらに、プラズマCVD法でありながら、スパ
ッタ効果を伴わせつつ成膜させる方法も知られている。
その代表例である炭素膜のコーティングに関しては、本
発明人の出願になる特許願『炭素被膜を有する複合体お
よびその作製方法』（特願昭56−146930昭和56年９月17
日出願）が知られている。しかし、これらは平行平板型
の一方の電極（カソード側）に基板を配設し、セルフバ
イアスを用いて平坦面の上面に炭素膜を成膜する方法で
ある。またはマイクロ波励起方法により活性種を強く励
起して、基板上に硬い炭素膜を成膜する方法である。

「従来の問題点」 しかし、かかるスパッタ効果を伴わせつつ成膜させる
従来例は、円筒状の基体の上表面に成膜できないばかり
か、凹凸を有する基体または一度に多量に基体上に膜を
作ることができない。このため、大容量空間に多量の基
体を配設し、大電力を供給して、これらに一度に被膜を
形成する方法が求められていた。本発明はかかる目的の
ためになされたものである。

「問題を解決すべき手段」 本発明は、互いに離間して一対の電極を配設する。プ
ラズマ処理（プラズマエッチング、プラズマCVD、プラ
ズマクリーニング等を総称してプラズマ処理という）を
大電力を供給して実行するため、一対の電極間に第１の
交番電圧を印加する。このそれぞれの電極には、接地に
対しその高周波電圧が互いに位相が180゜または０゜等
の異なった位相を位相調整器で制御してそれぞれの高周
波電源より印加し、互いに対称または同相の交番電圧を
印加することができる。結果として合わせて実質的に１
つの交番電圧として枠構造内に印加し、大電力の高周波
プラズマを誘起させる。

さらにそれぞれのトランスの出力側中点を接地せし
め、ここと被処理面を有する基体または基体ホルダとの
間に、他の第２の交番電圧を印加する。この基体ホルダ
（単にホルダともいう）または基体を第３の電極として
作用せしめ、この基体上に交流バイアスを印加すること
により、スパッタ効果を伴わせつつプラズマ処理をせん
としたものである。

そして第１の交番電圧を１〜50MHzのグロー放電の生
じやすい周波数とし、さらに第２の交番電圧を１〜500K
Hzの反応性基体に運動エネルギを加えやすい周波数とし
て印加する。さらにこの第２の交番電圧の一方と第１の
交番電圧発生用のそれぞれのマッチングコイルの他端と
はともに接地レベルにあり、結果として、第２の交番電
圧の出力側には負の直流の自己バイアスが重畳して印加
される。すると第１の交番電圧により、プラズマ活性化
した気体を自己バイアスにより基体上に加速し、さらに
基体上での不要のチャージアップした電荷を交流の第２
の電圧により除去する。かくして被形成面がたとえ絶縁
性を有しても、その表面にもプラズマ処理を行い得るよ
うにしたものである。

以下においては、プラズマ処理のうち、特にプラズマ
CVDを中心として記す。

このプラズマCVD法を用いた薄膜の形成の１例とし
て、エチレン（C₂H₄）、メタン（CH₄），アセチレン（C
₂H₂）のような炭化水素気体またはこれと弗化窒素の混
合気体または弗化炭素の如き炭素弗化物気体を導入し、
分解せしめることによりSP³軌道を有するダイヤモンド
と類似のＣ−Ｃ結合を作り、比抵抗（固有抵抗）１×10
⁷〜１×10¹³Ωcmを有するとともに、光学的エネルギバ
ンド巾（Egという）が1.0eV以上、好ましくは1.5〜5.5e
Vを有する赤外または可視領域で透光性のダイヤモンド
と類似の特性を有する炭素膜を形成した。本発明におい
て、基体を積極的に加熱することがないため、アルミニ
ウム母材上に有機樹脂の感光体を有する有機感光ドラム
上に炭素またはこれを主成分とする被膜を作製すること
も可能である。

本発明方法での成膜に際し、リンまたはホウ素をフォ
スヒンまたはジボランを用いてその厚さ方向に均一また
は勾配を設けて同時に添加して成膜できる。弗素の如き
ハロゲン元素と窒素とを、プラズマCVD中に炭化物気体
に加えて弗化窒素を同時に混入させて厚さ方向に均一な
濃度勾配を設けた炭素を主成分とする被膜または添加物
の有無を制御した多層の複合膜を作ってもよい。

以下に図面に従って本発明のプラズマ処理装置および
それを用いたプラズマ処理方法を記す。

「実施例１」 第２図は、本発明の筒状の基体上に薄膜形成方法を実
施するためのプラズマ処理装置の概要を示す。

図面において、プラズマ処理装置の反応容器（７）は
ロード／アンロード用予備室（７′）とゲート弁（９）
で仕切られている。ガス系（30）において、キャリアガ
スである水素またはアルゴンを（31）より、反応性気体
である炭化水素気体、例えばメタン、エチレンを（32）
より、添加物気体である弗化窒素を（33）より、反応容
器のエッチング用気体である酸素を（34）より、バルブ
（28）、流量計（29）をへて反応系（50）中にノズル
（25）より導入する。すると、エチレンと弗化窒素とを
導入すると、窒素と弗素が添加されたダイヤモンド状炭
素膜（DLCともいうが、添加物が添加下されたDLCを含め
て本発明は炭素または炭素を主成分とする被膜という）
が成膜できる。

反応系（50）では、第３図（Ａ），（Ｂ）に示す如
く、枠構造体（２）（電極側よりみて四角または六角形
の枠構造を有する）を有し、この上方および下方の開口
部には、この開口部を覆うようにフード（８），
（８′）を有する。このフード（８），（８′）に配設
された一対の同一形状を有する第１および第２の電極
（３），（３′）をアルミニウムの金属メッシュで構成
せしめる。反応性気体はノズル（25）より下方向に放出
される。第３の電極は母材をアルミニウムとその上に感
光体を有する静電複写用ドラムとし、直流的には感光体
が絶縁材料である。ここに第２の交番電圧を加え、交流
的には実質的に導体化してバイアスを印加した。この基
体（１）上の被形成面（１′）を一対の電極（３），
（３′）で生成されるプラズマ中に保持させて配設し
た。基体（１−１），（１−２），・・・（１−ｎ）即
ち（１）には被形成面（１′−１），（１′−２）・・
・（１′−ｎ）を有し、第２の交番電圧と負の直流バイ
アスが印加された１〜500KHzの交番電圧が印加されてい
る。第１の高周波の交番電圧によりグロー放電のプラズ
マ化した反応性気体は、反応空間（60）に均一に分散
し、このプラズマ（２），（８），（８′）により取り
囲むようにし、この外側の外部空間（６）にはプラズマ
状態で放出しないようにして反応容器内壁に付着しない
ようにした。また反応空間でのプラズマ電位を均質にし
た。

さらにプラズマ反応空間での電位分布をより等しくさ
せるため、電源系（40）には二種類の周波数の交番電圧
が印加できるようになっている。第１の交番電圧は１〜
100MHz例えば13.56MHzの高周波であり、一対をなす２つ
の電源（15−１），（15−２）よりマッチングトランス
（16−１），（16−２）に至る。このマッチングトラン
スでの位相は位相調整器（26）により調整し、互いに18
0゜または０゜ずれて供給できるようにしている。もち
ろん基体が非対称である場合等においての最適位相はこ
れらよりずれてくるが、それを位相調整器により制御し
得る。そして対称型または同相型の出力を有し、第１の
マッチングトランス（16−１）の一端（４）は一対の電
極の一方（３′）に接続しており、第２のマッチングト
ランス（16−２）の一端（４′）は一対の電極の他方
（３）に接続している。また、第１及び第２のマッチン
グトランスの他端（５）は出力側中点として接地レベル
に保持され、第２の１〜500KHz、例えば50KHzの交番電
界（17）が印加されている。その出力は、基体（１−
１′），（１−２′），・・・（１−ｎ′）即ち（１）
またはそれらに電気的に連結するホルダ（２）の第３の
電極に連結されている。

かくして反応空間にプラズマ（60）が発生する。排気
系（20）は、圧力調整バルブ（21），ターボ分子ポンプ
（22），ロータリーポンプ（23）をへて不要気体を排気
する。

これらの反応性気体は、反応空間（60）で0.001〜1.0
torr例えば0.05torrとし、この枠構造体（２）は四角形
または六角形を有し、例えば四角形の場合は第３図
（Ａ）に示す如き巾75cm、奥行き75cm、縦50cmとした。
そしてこの中に被形成面を有する筒状基体を（１−
１），（１−２）・・・（１−ｎ）・・に示す如く、こ
こでは16本を互いに等間隔で配設する。その外側の枠構
造（２）の内側にも等電界を形成するためのダミーの母
材（１−０），（１−ｎ＋１）を配設している。かかる
空間において、13.56MHzの周波数の0.5〜5KW（単位面積
あたり0.3〜3W/cm²）例えば1KW（単位面積あたり0.6W/c
m²の高エネルギ）の第１の高周波電圧を加える。さらに
第２の交番電圧による交流バイヤスの印加により、被形
成面上には−200〜600W（例えばその出力は500W）の負
自己バイアス電圧が印加されており、この負の自己バイ
アス電圧により加速された反応性気体を基体上でスパッ
タしつつ成膜し、かつ緻密な膜とすることができた。

もちろん、この四角形（直方体）の枠構造体の高さを
設計上の必要に応じて20cm〜1m、また一辺を30cm〜3mと
してもよい。また第１の交番電圧も上下間ではなく、図
面を装置の上方より示した如く、前後間に配設して加え
てもよい。

反応性気体は、例えばエチレンと弗化窒素の混合気体
とした。その割合はNF₃/C₂H₄＝1/4〜4/1とし、代表的に
は1/1である。この割合を可変することにより、透過率
および比抵抗を制御することができる。基体の温度は代
表的には室温に保持させる。かくして被形成面上は比抵
抗１×10⁷〜１×10¹³Ωcmを有し、有機樹脂上にも密着
させて成膜させる。赤外または可視光に対し、透光性の
アモルファス構造または結晶構造を有する炭素または炭
素を主成分とする被膜を0.1〜１μｍ例えば0.5μｍ（中
央部）に生成させた。成膜速度は100〜1000Å／分を有
していた。

かくして基体である静電複写用ドラムの有機樹脂の感
光体上に炭素を主成分とする被膜、特に炭素中に水素を
30原子％以下含有するとともに0.3〜３原子％弗素が混
入し、また0.3〜10原子％の窒素を混入させた炭素を形
成させることができた。Ｐ、ＩまたはＮ型の導電型を有
する炭素を主成分とする被覆をも形成させることができ
た。

「実施例２」 この実施例は実施例１で用いた装置により、第１図に
示す如き静電ドラム上に炭素を主成分とする膜の作製例
である。

第１図（Ａ）において、円筒状の静電複写用ドラムの
断面図を示す。その要部の拡大図を第１図（Ｂ）に示
す。

第１図（Ａ）において、静電複写用ドラムはアルミニ
ウムの母材（41）よりなり、一端に回転の際の芯を出す
ための凸部（42）と他端の内側にネジ切り（43）を有す
る。これは静電複写機自体にドラムのネジ切り部を固定
し、複写の度にこのドラムが回転させられる。この導電
性母材（41）上に有機樹脂の感光体（47）を有する。こ
の感光体は感光層とキャリア伝導層との多層膜を一般に
有している。その被形成面（１′）を有する基体（１）
上に炭素または炭素を主成分とする耐摩耗性の保護膜
（44）を0.1〜３μｍの厚さに設けた。

本発明において、特にこの炭素または炭素を主成分と
する被膜はトナーの横方向への滲み出しを防ぐととも
に、チャージアップを防ぐため、その比抵抗は１×10⁷
〜１×10¹⁴Ωcmの範囲、特に好ましくは１×10⁹〜１×1
0¹¹Ωcmの範囲とした。複写をする部分では、スキー
ジ、コピーによって局部的にプレスにより有機感光体
（47）が変形しても、保護膜（44）にクラック、ハガレ
の生ずることがない。また、A4版の大きさの紙を10万枚
コピーしても、複写用紙のこすりによるスクラッチが何
ら表面に発生しなかった。

「実施例３」 実施例１においては、このドラムに対して局部加圧を
さらに強くすると、円筒状の基体にあっては、その端部
より少しずつ保護層がはがれてしまう傾向がみられ、こ
のため、第１図（Ｃ），（Ｄ）にその断面図が示されて
いるが、その両端部（11）の複写を実行する領域（12）
の外側の保護膜の膜厚を相対的に厚くし、摩耗防止とは
がれ防止を促した。第１図（Ｂ）は実施例１に示した如
く、端部の保護膜中央部と同じ膜厚である場合である。

第１図（Ｃ）は端部で保護膜（45）が相対的に厚く形
成されたものである。

さらに第１図（Ｄ）は端部（11）の厚さが中央部（1
2）に比べて相対的に薄く、または除去した構造を示し
ている。

これらは第２図のプラズマCVD装置を用い、一対の電
極近傍に配設されるように調整するとともに、このプラ
ズマ反応での圧力が0.05torrでは第１図（Ｂ）が得ら
れ、0.08〜0.1torrでは第１図（Ｃ）が得られ、0.01〜
0.04torrでは第１図（Ｄ）が得られる。成膜の時、必要
に応じて不要部の端部に部分的にカバーをかぶせておけ
ばよい。

その他保護層の形成方法は実施例１と同様である。

「実施例４」 この実施例は実施例１においてこの反応空間に酸素を
導入した場合である。この枠構造、フード等に実施例２
で示した炭素または炭素を主成分とする被膜が形成され
ている。本発明による大電力を供給してプラズマエッチ
ングし、除去することができた。

この後この反応室に水素を添加し、反応容器、枠構
造、フードに付着した酸化物を水素でエッチング除去し
た。なお、エッチングする対象により気体は変更される
ことはいうまでもない。その他は実施例１に従った。

「実施例５」 この実施例は反応空間にアルゴンを導入したものであ
る。この反応容器に保存されている基体上にアルゴンプ
ラズマが衝突し、スパッタをすることにより、表面をク
リーニングすることができた。その他は実施例１に従っ
た。

「効果」 本発明方法は、基体側をカソード側のスパッタ効果を
有すべき電圧関係とし、かつその反応空間をきわめて大
きくしたことにより、工業的に多量生産を可能としたも
のである。

本発明方法において形成される被膜の例としてDLCを
示した。しかし炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素、珪素等
の無機材料、その他の有機樹脂等であってもよい。さら
に磁性材料、超電導材料であってもよい。

以上の説明より明らかな如く、本発明は大電力のプラ
ズマを反応空間に供給できること、さらに反応空間では
プラズマをたてやすいことを特長とし、他の多くの実施
例にみられる如くその応用は計り知れないものである。

実施例等に示したプラズマエッチングと、実施例１に
示したプラズマCVDとを交互に繰り返すことにより、反
応容器内の清浄に手間がかからなくなり、量産効果が優
れたものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円筒状基体に炭素膜をコートした例を
示す。 第２図は本発明のプラズマ処理装置の製造装置の概要を
示す。 第３図（Ａ），（Ｂ）は第２図で示したプラズマCVD装
置における基体の配設方式を示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに離間した一対の電極を用い反応性気
   体をプラズマ化し基体に対して被膜形成またはプラズマ
   エッチングを行うプラズマ処理装置であって、 交番電圧を発生する一対の電源を有し、 交番電圧を発生する一対の電源の各々に対してマッチン
   グトランスを設け、 第１のマッチングトランスの出力端の一端を前記一対の
   電極の一方に接続すると共に他端を接地し、 第２のマッチングトランスの出力端の一端を接地すると
   共に他端を前記一対の電極の他方に接続し、 前記一対の電源は位相を制御するための位相調整器を具
   備し、 前記基体に対して前記一対の電極に印加した周波数より
   低い周波数の第２の交番電圧を印加する手段を有するこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】互いに離間した一対の電極を用い反応性気
   体をプラズマ化し基体に対して被膜形成またはプラズマ
   エッチングを行うプラズマ処理方法であって、 位相が制御された交番電圧を発生する一対の電源をそれ
   ぞれのマッチングトランスに接続し、 第１のマッチングトランスの出力端の一端を一対の電極
   の一方に接続すると共に他端を接地し、 第２のマッチングトランスの出力端の一端を接地すると
   共に他端を前記一対の電極の他方に接続し、 前記一対の電源に印加した周波数よりも低い周波数の交
   番電圧を前記基体に印加することを特徴とするプラズマ
   処理方法。