JP3555928B2

JP3555928B2 - 表面改質方法及び表面改質装置

Info

Publication number: JP3555928B2
Application number: JP19692499A
Authority: JP
Inventors: 昭義茶谷原; 裕治堀野; 芳実西村
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kurita Seisakusho Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kurita Seisakusho Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP2001026887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中に配置した被処理物に高電圧パルスを印加し、プラズマ中のイオンを誘引させて被処理物に注入する誘引注入、被処理物に薄膜を形成する誘引堆積、及び被処理物をスパッタクリーニングする誘引衝突を行う表面改質方法、並びにその方法を実施するための表面改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、金属やセラミック等からなる被処理物の表層にイオンを注入すると、長寿命化、耐摩耗性の向上、硬度の増加、濡れ性の改善等の表面改質を行うことができる。この表面改質を行う方法としては、イオンビームを注入する方法、プラズマ中で高電圧パルスを印加してイオンを誘引注入する方法がある。
【０００３】
プラズマを利用して表面改質を行う装置は、一般に図１２に示すように、チャンバ７０と、このチャンバ７０内にガス（窒素、メタン等）を導入するガス導入装置（図示せず）と、チャンバ７０内を真空引きする真空装置（図示せず）と、チャンバ７０内の所定位置に配置される被処理物９０に接続する導体７１に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源７２と、被処理物９０の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源（高周波電力発生源７５と一対の電極７６で構成されるもの）とを備える。ガス導入装置及び真空装置は、それぞれバルブ８１，８２を介してチャンバ７０に接続されている。又、導体７１はフィードスルー（高電圧導入部）８３を介して高電圧パルス発生電源７２に接続されている。
【０００４】
この表面改質装置では、導体７１に被処理物９０を接続した後、チャンバ７０内を真空装置により真空引きすると共に、チャンバ７０内にガス導入装置によりガスを導入した上で、プラズマ発生用電源により被処理物９０の周囲にプラズマを発生させ、導体７１を通じて被処理物９０に高電圧パルス発生電源７２により高電圧パルス（負の高圧パルス）を印加する。すると、被処理物９０の表面が負電位になるので、プラズマ中のプラスイオンが被処理物９０に向かって誘引加速され、被処理物９０に注入される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の表面改質装置では、チャンバ７０内において、プラズマ発生部位（電極７６付近）と被処理物９０とが離れて位置するので、イオンを被処理物９０に注入するにはプラズマを被処理物９０の周囲に輸送する必要があり、次のような問題点▲１▼〜▲３▼がある。
▲１▼プラズマ発生用の電極７６や輸送構造を要するため、装置が複雑・大型になる。
▲２▼輸送途中でプラズマが発散し、被処理物９０の周囲ではプラズマの密度が小さくなってしまうので、イオン注入効率が悪くなる。
▲３▼任意の形状や大きさの被処理物９０に対応し難い。即ち、球体等の表面が単純な形態のものには、イオンを均一に注入できるが、例えば内側が空胴になったシリンダやパイプのようなものには、空胴部分へのイオン注入が非常に難しい。
【０００６】
従って、本発明は、そのような問題点▲１▼〜▲３▼に着目してなされたもので、被処理物の周囲におけるプラズマの密度を高くし、任意の形状や大きさの被処理物にもイオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を容易に行うことができる表面改質方法、並びに簡素・小型で、被処理物の周囲におけるプラズマの密度を高くし、しかも任意の形状や大きさの被処理物にもイオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を容易に行うことができる表面改質装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の表面改質方法は、チャンバ内に被処理物を導体に接続した状態で配置し、チャンバ内を真空引きすると共に、チャンバ内にガスを導入した上で、前記被処理物に前記導体を介して高周波電力を所定時間印加することで被処理物の周囲にプラズマを発生させ、プラズマ発生後に被処理物に前記導体より高電圧パルスを印加して、被処理物にプラズマ中のイオンを誘引注入することを特徴とする。
【０００８】
この表面改質方法は、高電圧パルスを被処理物に印加するために用いる導体を、プラズマ発生のためにも共用するものである。即ち、プラズマ発生用電源からの高周波電力を導体に印加することで、被処理物に高周波電界を直接加え、被処理物の周囲に被処理物の形状に沿ったプラズマを発生させる。そして、同じ導体に高電圧パルスを印加することで、プラズマ中のイオンを被処理物に誘引させる。この方法によると、プラズマが被処理物の形状に沿って発生するので、必然的に被処理物の周囲におけるプラズマの密度が高くなり、イオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突の効率が向上する。しかも、プラズマが被処理物の形状に沿って発生するので、任意の形状や大きさの被処理物にも容易且つ均一にイオンを誘引させることができる。
【０００９】
また、請求項９記載の表面改質装置は、チャンバと、このチャンバ内にガスを導入するガス導入装置と、チャンバ内を真空引きする真空装置と、チャンバ内の所定位置に配置される被処理物に接続され、チャンバ外部に電気的に接続可能な導体と、この導体に高周波電力を所定時間印加し、被処理物の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源と、前記導体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この表面改質装置は、上記方法を実施するためのもので、同様の作用効果が得られる上に、従来の装置に比べて装置の簡素化・小型化を実現できる。
なお、本発明において、被処理物は、材料としては金属、半導体のような導電体、セラミック、高分子フィルム材料、繊維等の誘電率を持つもの、等からなるもので、形態としては金型、工具、シリンダ、缶、電子・磁気素子、フィルム、シート、布、織物等である。又、チャンバ内に導入するガスとしては、誘引注入及び誘引堆積では窒素、メタン等の炭化水素系ガス、酸素等が使用され、誘引衝突（スパッタクリーニング）ではアルゴン、炭酸ガス等が使用される。
【００１１】
又、本発明において、“イオンを被処理物に誘引させる”とは、被処理物の表層にイオンを注入すること（誘引注入）、被処理物の表面にイオンを成膜させること（誘引堆積）、被処理物の表面にイオンを衝突させてクリーニングすること、即ちスパッタによるエッチングを行うこと（誘引衝突）を含蓄し、いずれの処理を行うかは、高周波電力、高電圧パルス等の設定条件や導入ガス等により決定される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
その実施形態に係る表面改質装置の概略構成図を図１に示す。この表面改質装置は、チャンバ１０と、このチャンバ１０内にガスを導入するガス導入装置（図示せず）と、チャンバ１０内を真空引きする真空装置（図示せず）と、チャンバ１０内の所定位置に配置される被処理物１に接続する導体１１に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源２０と、導体１１に高周波電力を印加し、被処理物１の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源３０と、高電圧パルス及び高周波電力の印加を１つの導体１１で共用するために、高電圧パルス発生電源２０及びプラズマ発生用電源３０と導体１１との間に設けられた重畳装置４０とを備える。
【００１３】
ガス導入装置及び真空装置は、それぞれバルブ１５，１６を介してチャンバ１０に接続されている。又、導体１１はフィードスルー（高電圧導入部）１８を介して重畳装置４０に接続されている。
この表面改質装置は、従来の装置と比較して、被処理物１に高電圧パルスを印加するための導体１１を高周波電力の印加用としても共用することが特徴である。これを実現するために、本装置では、高電圧パルスと高周波電力を重畳装置４０を介して印加するようにしている。この重畳装置４０を構成する回路の一例を図２に示す。
【００１４】
図２に示す重畳装置４０は、被処理物１と高電圧パルス発生電源２０との間を結合すると共に、高電圧パルス発生電源２０とプラズマ発生用電源３０との間の相互干渉を阻止する結合・相互干渉阻止回路部４０_Ａと、プラズマ発生用電源３０と被処理物１とのインピーダンスを整合する整合回路部４０_Ｂとから構成されている。
【００１５】
結合・相互干渉阻止回路部４０_Ａは、高電圧パルスによりアーク放電を生じさせ、回路を導通するためのギャップＧ、プラズマ発生用電源３０からの高周波電力が、高電圧パルス発生電源２０に影響するのを阻止するためのダイオードＤ及びコイルＬ_１、さらに高電圧パルス発生電源２０の高電圧パルスが、プラズマ発生用電源３０に影響しないようにするための抵抗Ｒ_１、保護ギャップｇを有する。ギャップＧはパルス印加電圧が低い場合は、短絡して使用することがある。また、ギャップＧに抵抗を並列接続すれば、パルス印加電圧を低くすることができる。この重畳回路４０の結合・相互干渉回路部４０_Ａは、ダイオードＤのカソード側が高電圧パルス発生電源２０に接続されている。また、抵抗Ｒの非接地側端が同軸ケーブル３１により、プラズマ発生用電源３０に接続されている。
【００１６】
整合回路部４０は共振用の可変コンデンサＣ_１及びコイルＬ_２と、インピーダンス変換用のコンデンサＣ_２とから構成されている。コンデンサＣ_２は抵抗Ｒに並列に接続されているので、非接地側端がやはり同軸ケーブル３１により、プラズマ発生用電源３０に接続されている。可変コンデンサＣ_１のギャップＧ側の端子は、フィールドスル１８及び被処理物１側のギャップＧ導体に接続されている。
【００１７】
又、高電圧パルス発生電源２０とプラズマ発生用電源３０は、高電圧パルス及び高周波電力の印加が例えば図５に示すようなタイミングで行われるように、ＣＰＵ（例えばパソコン）４５で統括制御される。
ここで、この表面改質装置における高電圧パルス発生電源２０の高電圧パルスの概念的な数値は、１００Ｖ〜１００ｋＶであるが、具体例を次に示す。
【００１８】

又、プラズマ発生用電源３０の高周波電力の出力周波数の概念的な数値は、数十ｋＨｚ〜数ＧＨｚである。実施形態では次の通りである。
【００１９】
出力周波数：１３．５６ＭＨｚ
出力電力：数百Ｗ〜数ｋＷ（可変）
パルス幅：数μｓ〜数百ｍｓ（可変）（図５の符号ａ）
繰り返し数：０．１〜５０００ｐｐｓ（可変）
更に、チャンバ１０内のガス圧は可変である。
【００２０】
このように構成した表面改質装置で誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を行うには、チャンバ１０内に被処理物１を導体１１に接続した状態で配置し、真空装置でチャンバ１０内を真空引きすると共に、ガス導入装置でチャンバ１０内にガス（例えば窒素）を導入し、所定のガス圧にする。その上で、上記条件に設定されたプラズマ発生用電源３０からの高周波電力を被処理物１に印加し、被処理物１の周囲に被処理物１の形状に沿ってプラズマを発生させ、その後に高電圧パルス発生電源２０からの高電圧パルス（負の高圧パルス）を被処理物１に印加し、プラズマ中のイオンを被処理物１に誘引させる。
【００２１】
この表面改質装置を使用すれば、任意の形状や大きさの被処理物にも容易且つ均一にイオンを誘引させることができる。例えば、図１及び図２に示された被処理物１は、図３の（ａ）に示すような球体３であるが、図３の（ｂ）の直方体４や、図３の（ｃ）のようなＬ字状体５でも同様である。
これら球体３、直方体４、Ｌ字状体５等のような単純な形状の被処理物の他に、特に内側に露出する面を有する被処理物の内側露出面に集中的にイオンを誘引させることが可能となる。この内側露出面を持つ被処理物としては、例えば内側が空胴になったシリンダ、パイプ、缶のようなものである。一例としてシリンダ形状の被処理物の場合を図４に示す。被処理物２がシリンダ形状のような内側露出面を有するものである場合は、被処理物２の内側の領域Ｆ１のプラズマ密度が外側の領域Ｆ２よりも極めて高くなる。この結果、被処理物２の内側露出面にイオンを効率良く集中的に誘引させることができ、内側露出面へのイオンの注入、堆積、衝突を顕著に行うことができる。
【００２２】
次に、高電圧パルスの印加と高周波電力の印加のタイミングについて、図５のタイミングチャート例を参照して説明する。図５において、マスターパルスは前記ＣＰＵ４５からの信号であり、このマスターパルスが発せられるたびにプラズマ発生用電源３０から高周波電力（パルス変調波）が出力され、被処理物の周囲にプラズマが発生する。ここでは、マスターパルスは一定周期で発せられ、それに対応して高周波電力も一定周期で出力される。その後、高電圧パルス発生電源２０から高電圧パルス（負の高圧パルス）が出力されるが、その出力形態は例えば４通りある。
【００２３】
まず出力形態▲１▼は１回の高周波電力出力後に１回出力される場合で、出力形態▲２▼は１回の高周波電力出力中に１回出力される場合で、出力形態▲３▼は１回の高周波電力出力後に複数回出力される場合で、出力形態▲４▼は高周波電力の出力中から出力後にわたって複数回出力される場合である。これら出力形態▲１▼〜▲４▼において、複数回の高電圧パルスを被処理物に印加する形態▲３▼，▲４▼の方が、プラズマ中のイオンを被処理物に効率良く誘引させることができ、更に形態▲３▼よりも形態▲４▼の方がより効率が良い。
【００２４】
次に、種々の形状の被処理物に対するイオンの誘引注入実験について説明する。
図６〜図８は、注入分布を確認するために、ポリイミドフィルムテープ（商品名：カプトン）を貼付した各種形状の被処理物を示す。ポリイミドフィルムテープは、通常そのままではオレンジ色を呈しているが、窒素注入の度合に応じて茶色や黒色に変色するものである。図６では、球体３の縦方向と横方向に、それぞれ帯状のポリイミドフィルムテープ５０，５１を１周だけ貼付したものである。図７では、シリンダ形状体２の表側から内側にわたって縦方向に同様のテープ５２を貼付し、横方向にもテープ５３を１周だけ貼付したものである。図８では、Ｌ字状体５に導体１１を取付け、同様のテープ５４を一部が裏側に回るように貼付し、テープ５５を角に沿って貼付したものである。
【００２５】
これらの被処理物に対して、前記表面改質装置を用いて前記設定条件でイオンの誘引注入を行った。但し、ガスは窒素を用いた。ポリイミドフィルムテープ５０〜５５は、イオン注入前はオレンジ色をしていたが、イオン注入の度合に応じて茶色や黒色に変化した。
その変色の結果を図９〜図１１に示す。図９は図６の球体３のテープ５０，５１を示す。テープ５０の点線で囲まれた領域５０ａはテープ５１が重なった部分である。この場合、テープ５０，５１とも茶色に均等に変色したことから、球体３の周囲にプラズマが均一に発生したこと、即ちイオンが球体３に均一に注入されたことが分かる。
【００２６】
図１０は図７のシリンダ形状体２のテープ５２，５３を示す。シリンダ形状体２の表側に位置するテープ５２の部分５２Ａは、テープ５３との重なり部分５２ａを除いて茶色に変色し、内側に位置する部分５２Ｂ（シリンダ形状体２の下端部に位置する部分を含む）は黒色に変色した。テープ５３は全体に茶色に変色した。このことから、前記したようにシリンダ形状体２の内側ではプラズマの密度が外側よりも高くなることが分かる。
【００２７】
図１１は図８のＬ字状体５のテープ５４，５５を示す。Ｌ字状体５の側端部に位置するテープ５４の部分５４ｂを除いて、表側及び裏側に位置する部分５４ａ，５４ｃは共に茶色に変色し、部分５４ｂだけは黒色に変色した。テープ５５では、Ｌ字状体５の角に位置する部分５５ａが黒色に変色し、それ以外の部分は茶色に変色した。このことから、被処理物に狭い端部や角がある場合は、その部分にイオンが集中して注入されることが分かる。従って、この特質を利用すれば、刃物等の刃先や各種物体の先鋭部分に集中的にイオン注入をすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面改質方法及び表面改質装置によれば、次の効果が得られる。
（１）プラズマが被処理物の形状に沿って発生するので、必然的に被処理物の周囲におけるプラズマの密度が高くなり、イオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突の効率が向上する。
（２）プラズマが被処理物の形状に沿って発生するので、任意の形状や大きさの被処理物にも容易且つ均一にイオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を行うことができる。
（３）上記（２）と関連して、特に被処理物が内側に露出する面を有するものである場合、被処理物の内側露出面側のプラズマ密度が高くなるので、内側露出面にプラズマ中のイオンを効率良く集中的に誘引させることが可能となり、パイプ、シリンダ、缶等の内面処理を行うのに有利である。
（４）プラズマが被処理物の周囲に発生するので、プラズマを輸送する従来に比べ、イオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突の均一性に優れる。
（５）プラズマを輸送しないので、プラズマ発生の利用効率が良い。
（６）チャンバ内に反応性ガスを導入する場合、不要な堆積物・生成物を最小限に留めることができる。
（７）高電圧パルスを特に１ｋＶ以下にする場合、又は高電圧パルスを使わない場合は、通常のプラズマＣＶＤやバイアスプラズマＣＶＤによる成膜を連続して行うことができる。
（８）装置では、プラズマ発生用の電極、プラズマ輸送構造を必要としないため、簡素化・小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る表面改質装置の概略構成図である。
【図２】重畳装置の回路構成例を示す同装置の概略構成図である。
【図３】同装置のチャンバ内に配置する被処理物の形態例を示す斜視図である。
【図４】同装置のチャンバ内に配置する被処理物としてシリンダ形状体を用いた場合の概略構成図である。
【図５】同装置の高周波電力と高電圧パルスの印加タイミング示すチャートである。
【図６】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場合に使用する被処理物としての球体の斜視図である。
【図７】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場合に使用する被処理物としてのシリンダ形状体の斜視図である。
【図８】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場合に使用する被処理物としてのＬ字状体の斜視図である。
【図９】図６の球体に貼付したテープの変色度合を示す平面図である。
【図１０】図７のシリンダ形状体に貼付したテープの変色度合を示す平面図である。
【図１１】図８のＬ字状体に貼付したテープの変色度合を示す平面図である。
【図１２】従来例に係る表面改質装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１〜５被処理物
１０チャンバ
１１導体
２０高電圧パルス発生電源
３０プラズマ発生用電源
４０重畳装置

Claims

チャンバ内に被処理物を導体に接続した状態で配置し、チャンバ内を真空引きすると共に、チャンバ内にガスを導入した上で、前記被処理物に前記導体を介して高周波電力を所定時間印加することで被処理物の周囲にプラズマを発生させ、プラズマ発生後に被処理物に前記導体より高電圧パルスを印加して、被処理物にプラズマ中のイオンを誘引注入することを特徴とする表面改質方法。
前記高周波電力は、一定周期で繰り返し印加することを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
前記高電圧パルスは、高周波電力の印加後に印加することを特徴とする請求項２記載の表面改質方法。
前記高電圧パルスは、高周波電力の印加中に印加することを特徴とする請求項２記載の表面改質方法。
前記高電圧パルスは、高周波電力の印加中から印加後にわたって印加することを特徴とする請求項２記載の表面改質方法。
前記高電圧パルスは、１回印加することを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５記載の表面改質方法。
前記高電圧パルスは、複数回印加することを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５記載の表面改質方法。
前記被処理物は内側に露出する面を有するものであり、この被処理物の内側露出面にプラズマ中のイオンを誘引注入させることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、又は請求項７記載の表面改質方法。
チャンバと、このチャンバ内にガスを導入するガス導入装置と、チャンバ内を真空引きする真空装置と、チャンバ内の所定位置に配置される被処理物に接続され、チャンバ外部に電気的に接続可能な導体と、この導体に高周波電力を所定時間印加し、被処理物の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源と、前記導体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源とを備えることを特徴とする表面改質装置。
前記高周波電力及び高電圧パルスの印加を前記導体を共用して行うための重畳装置を、高電圧パルス発生電源及びプラズマ発生用電源と導体との間に備えることを特徴とする請求項９記載の表面改質装置。
前記重畳装置は、被処理物と高電圧パルス発生電源との間を結合すると共に、高電圧パルス発生電源とプラズマ発生用電源との間の相互干渉を阻止する結合・相互干渉阻止回路部と、プラズマ発生用電源と被処理物とのインピーダンスを整合する整合回路部とを有することを特徴とする請求項１０記載の表面改質装置。