JP4085000B2 - 機能層を生成する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、誘導結合高周波プラズマビーム源により反応性粒子を伴うプラズマが発生し、該プラズマは、プラズマビームのかたちでプラズマビーム源から該ビーム源と連通したチャンバに入り、基板に対し該基板上に機能層が生成またはデポジットされるよう作用する形式の、チャンバ内に配置された基板に機能層を生成する方法に関する。
【0002】
従来の技術
基板への機能層の被着は、部品やコンポーネントの表面に所望の特性を与えるために広く普及している方法である。この種の機能層を生成するための通常の方法は中真空または高真空におけるプラズマ被覆であり、このために煩雑な排気技術が必要とされ、しかもかなり低い被覆レートしか得られない。したがってこの方法は時間がかかるし高価である。
【0003】
準大気圧および大気圧の圧力範囲で基板を被覆するためには高温プラズマが殊に適しており、これによってmm/hのレンジの高い被覆レートを達成できる。これについてはたとえば R. Henne, Contribution to Plasma Physics, 39 (1999), p. 385 - 397 を参照されたい。高温プラズマ源において殊に前途有望であるのは誘導結合高周波プラズマビーム源(RF-ICP ビーム源)であり、これはたとえば E. Pfender および C. H. Chang による "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", 第6回ワークショップ Plasmatechnik の議事録, TU Illmenau, 1998 により知られている。さらにドイツ連邦共和国特許出願明細書 DE 199 58 474.5 によっても、この種のプラズマビーム源を備えた機能層の生成方法が提案されている。
【0004】
RF−ICPビーム源の利点は、ビーム源の動作圧力範囲が通常は50mbarから1barおよびそれ以上に及ぶことであり、他方、この種のプラズマビーム源によりデポジットすることのできる適用可能な材料が非常に多種多様なことである。さらに殊に出発材料が非常に高温のプラズマビームに軸線方向に取り込まれることにより、硬い材料であっても非常に高い溶融温度で利用できる。RF−ICPビーム源のさらに別の利点は、これが電極なしで動作することであり、つまり生成すべき層がビーム源の電極材料により汚染されてしまうことがない。
【0005】
公知のRF−ICPビーム源およびこの種のプラズマビーム源を備えたプラズマ装置の欠点は、プラズマビームの温度が数1000°Cと高く、被覆すべき基板もこのような高温にたっぷりと晒されることである。この点で、適用可能な基板の選択がはっきりと制約されてしまう。さらに欠点となるのは、今日たとえばCVD法によって製造されるような基板上の層系の製造のためには、基板に衝突する粒子の最小エネルギーがたくさん必要とされることである。このことはDLC(ダイアモンド状炭素)被覆のデポジットの場合に特にあてはまる。衝突イオンのこのような最小エネルギーは、これまで知られている誘導結合高周波プラズマビーム源およびそれが設けられているプラズマ装置では達成されない。
【0006】
本発明の課題は、機能層のデポジットのためにプラズマからの衝突イオンのエネルギーが通常のRF−ICPプラズマビーム源で得られるよりも高くなければならない誘導結合高周波プラズマビーム源を備えたプラズマ装置ならびに機能層の生成方法を提供することにある。さらにたとえば本発明の課題は、硬い炭素材料被覆すなわちDLC層を低真空でも製造できるようにすることである。
【0007】
発明の利点
従来技術に対し誘導結合高周波プラズマ源を備えた本発明によるプラズマ装置および基板上に機能層を生成する本発明による方法の奏する利点とは、それによってこれまでCVD法によってしかデポジットできなかった層もしくは層系を生成可能なことである。
【0008】
高周波ICPプラズマビーム源による層のデポジットの際にチャンバ内に発生する一般に100mbar〜1barの圧力を50mbarよりも小さくなるまで低減することにより有利には、プラズマ中に生じるイオンに対し十分な平均自由行程が与えられるようになり、ひいては基板電極およびこの基板電極を介してそれと接続されている基板へ印加される電圧も、要求されている加速に関して十分な効果を発揮するようになる。そのほかにこのような圧力によって、処理される基板の温度負荷も著しく低減される。
【0009】
他方、有利であるのは、本発明によるプラズマ装置は基板の存在するチャンバ内でも、要求される被覆プロセスもしくは表面変形に十分なイオンエネルギーを保証する目的で、50mbarよりも僅かな低真空しか必要としないことである。その際、プラズマ装置のチャンバ内における低真空の発生は通常のポンプ装置で確実かつ迅速に達成可能であり、CVD法で必要とされるような中真空または高真空よりも著しく僅かな時間しかかける必要がないし、もしくは著しく僅かな装置のコストしか必要としない。なお、プラズマ装置のチャンバ内における圧力が比較的高いことから、たとえば強くガスを送出する焼結体から成る加工品であっても処理可能である。
【0010】
さらに有利であるのは、基板電極電圧の印加とプラズマ装置内の圧力の選定により、基板上に層を生成するためのおよび/または基板の表面を変形するためのRF−ICPプラズマの反応特性が改善されることである。
【0011】
全体的にみて本発明による方法は高レートデポジット法であり、これは低真空において僅かなプロセス時間またはポンピング時間で実行可能であり、技術的に関連するあらゆる基板に、たとえば特殊鋼やセラミックなど他の導電材料に、層をデポジットもしくは生成するために適している。
【0012】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【0013】
基板を有するチャンバと高周波プラズマビーム源を単にプラズマビーム源の出口開口部を介して相互に接続することにより、相応のポンプ装置を介してプラズマビーム源内部とチャンバ内部との圧力差を保持することができる。
【0014】
さらに有利であるのは、基板電極への電圧の印加をプラズマビーム源により発せられるプラズマビームの強度の時間的周期的な変化と相関させることである。このようにすることで基板の温度負荷がいっそう低減される一方、有利には周期的に消弧も行われるプラズマビームの強度変化により、プラズマ物理的な不均衡状態が発生し、このような状態を基板上に新しい種類の層をデポジットするために利用できる。基板上に機能層を生成するためプラズマビーム源もしくは発せられたプラズマビームへ供給される材料を選択することによりさらに多くの可能性が得られ、これについてはたとえば DE 199 58 474. 5 において提案されているやり方を参照されたい。
【0015】
本発明の別の有利な実施形態によれば、基板を冷却するため冷却装置および/または可動の有利には全空間方向に可動のまたは旋回可能なホルダが設けられており、これによって簡単にプラズマビームに対し相対的に基板を配向可能であり、プラズマデポジットにあたり要求に応じて基板を冷却することもできる。
【0016】
殊に有利であるのは、基板電極に印加される電圧は時間的に変化する電圧であり、たとえばパルス化された電圧である。この電圧には可調整の正または負のオフセット電圧を加えることができ、および/または広範囲にわたり任意に選択可能なオン/オフ比によりパルス化することもできる。これ以外に簡単に変えることができ個々の事例の要求に整合可能なパラメータは時間的に変化する電圧の包絡線形状であり、これにはたとえばのこぎり波状、三角波状または正弦波状の経過特性をもたせることができる。なお、使用される電圧を直流電圧としてもよい。
【0017】
使用される電圧の具体的な信号形状に関して容易に変更可能なさらに別のパラメータは、その側縁勾配や振幅や周波数である。このほかに述べておくと、基板電極に入力結合される電圧の時間的な変化は必ずしも周期的ではなくてよい。
【0018】
図面
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図1は、ICPプラズマビーム源を備えた本発明によるプラズマ装置の第1の実施例の断面図である。図2は、生成されたプラズマビームの強度に関する時間の流れに沿った変化の一例を示す図である。図3a〜図3hは、図2に示すように脈動状態にされたプラズマビーム源から送出されたプラズマビームを時間の関数として示す図である。図4は、プラズマビーム源から高速で送出するプラズマビームを示す図である。図5は、図1によるプラズマビーム源の詳細図である。
【0019】
実施例
本発明は誘導結合高周波プラズマビーム源を前提とし、これは Pfender および C. H. Chang による "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", 第6回ワークショップ Plasmatechnik の議事録, TU Illmenau, 1998 により知られているものと類似の形態である。さらにこれによって被覆法も実施され、この方法は DE 199 58 474.5 によってすでに提案されているものと類似の形態である。
【0020】
詳細には図1には誘導結合高周波プラズマビーム源5が示されており、これはポット状の燃焼炉本体25を備えている。これは一方では有利には可変に調整可能なもしくは成形された開口絞り22の設けられた出口開口部26を有しており、この開口部はたとえば1cm〜10cmの直径で環状に構成されている。さらにプラズマビーム源5は、出口開口部26の領域で燃焼炉25と一体化されたコイル17たとえば水冷式の銅製コイルを有しており、これに対する代案としてこのコイルが燃焼炉25の周囲に巻回されるようにしてもよい。燃焼炉本体25において出口開口部26とは反対側に、インジェクタガス11を供給する一般的なインジェクタのかたちの供給管10と、第1の円筒状スリーブ14と、第2の円筒状スリーブ15が設けられている。第1のスリーブ14もしくは第2のスリーブ15は燃焼炉本体25の側壁に対しそれぞれ同心に構成されており、この場合、第2のスリーブ15の役割はまず第1に、燃焼炉本体25においてプラズマ発生室27内で生成されたプラズマ21を燃焼炉本体25の壁から引き離すことである。
【0021】
さらに適切なガス供給によってエンベロープガス13が燃料炉本体25における第1のスリーブ14と第2のスリーブ15との間に導入され、このガスの役割は、生成されたプラズマ21を出口開口部26を介してプラズマビーム源5からビーム状に吹き出させることであり、これにより発生するプラズマビーム20は、チャンバ40内で基板支持体18(具体的な例ではこれは同時に基板電極18としても用いられる)上におかれる基板19に対し十分に集束して作用するようになり、これによりその基板において機能層を形成および/またはデポジットできるようになる。
【0022】
エンベロープガス13はここで説明している実施例ではアルゴンであり、このガスはプラズマビーム源5に対し5000sccm〜100000sccmのガス流で、殊に20000sccm〜70000sccmのガス流で供給される。
【0023】
図1にさらに示されているようにコイル17が高周波発生器16と電気的に接続されており、この高周波発生器により500w〜50kWの電力殊に1kW〜10kWの電力が0.5MHz〜20MHzの周波数でコイル17に供給され、これはプラズマ発生室27内で点弧されてそのまま保持されるプラズマ21に入力結合される。
【0024】
有利な実施形態によれば高周波発生器16にはそれ自体公知の電気コンポーネント28が設けられており、このコンポーネントによってプラズマビーム20がが基板19に作用するときの強度を時間的に周期的に1Hz〜10kHzの周波数によって、たとえば50Hz〜1kHzの周波数を用いて、調整可能な強度上限と調整可能な強度下限の間で変えることができる。この場合、プラズマビーム源20を調整可能な期間にわたり、つまり選択可能なパルス期間と休止期間の比すなわちオン/オフ比によって周期的に消弧するのも有利である。
【0025】
図1にさらに示されているように、第1のスリーブ14を介してこの第1のスリーブ14と供給管10との間の領域にセントラルガス12を供給することができる。このガスはたとえば不活性ガスであり、あるいはインジェクタガス11と反応するガスの添加された不活性ガスである。
【0026】
さらにたとえば、供給管10もしくは第1のスリーブ14と供給管10との間に位置する別の供給装置を介してプラズマ20に対し、ミクロスケールまたはナノスケールのガス状前駆物質またはこの種の前駆物質の懸濁剤あるいは反応性ガスが供給され、変形されたかたちでたとえば化学反応または化学的活性化を終えた後、それらにより基板19に対し所望の機能層が形成されるかかまたはまたはそこにおいて基板に集積される。
【0027】
とはいえこれに対する代案として、基板19の表面を化学的に変えるためだけにプラズマ20を用いることもでき、これによって基板19の表面に望ましい機能層が生成される。
【0028】
前駆物質がプラズマ21またはプラズマビーム20へ供給されるならば、有利にはこれと同時にこの前駆物質のためのキャリアガスたとえば窒素および/または前駆物質と化学反応させるための反応ガスたとえば酸素、窒素、アンモニア、シラン、アセチレン、メタンまたは水素が供給される。このガスを供給するために、供給管10またはセントラルガス12を供給するための供給装置が適しており、あるいはエンベロープガス13を供給するための供給装置も適している。これに対する代案としてあるいはこれに加えてさらに、反応ガスおよび/または前駆物質をプラズマビーム源5からすでに送出されたプラズマビーム20に供給するため、チャンバ40内に別の供給装置たとえばインジェクタまたはガスシャワーなどを設けてもよい。
【0029】
使用される前駆物質は有利には有機化合物またはシリコン有機化合物あるいは金属有機化合物であり、したがってこれらをガス状または液状でミクロスケールまたはナノスケールの粉末粒子として、または懸濁液として、たとえばその中に浮遊するミクロスケールまたはナノスケールの粒子として、あるいは気体物質または液体物質と固体物質との混合物として、プラズマ21および/またはプラズマビーム20に供給することができる。個々のガスすなわち供給される反応ガスもしくはセントラルガス12およびインジェクタガス11の適切な選択ならびに前駆物質の適切な選択(これについては詳しくは DE 199 58 474.5 で述べられている)によって、基板19上にたとえば金属シリサイド、金属炭化物、シリコン炭化物、金属酸化物、シリコン酸化物、金属窒化物、シリコン窒化物、金属ホウ化物、金属硫化物、非晶質炭素、ダイアモンド状炭素(DLC)あるいはこれらの物質から成る混合物を、1つの層または連続する複数の層として生成もしくはデポジットすることができる。さらに本発明による方法は、基板19の洗浄または炭化あるいは窒化にも適している。
【0030】
図1にさらに示されているように、基板電極18を冷却水供給管31を介して冷却水39によって冷却可能であり、また、基板電極18つまりは基板19も相応のホルダ32によってチャンバ40内で移動可能である。この場合、ホルダ32も冷却水供給管31も、電圧の印加される基板電極18から絶縁部材を介して電気的に分離されている。有利には基板19は基板電極18とともに、移動可能たとえばすべての空間方向に移動可能および/または旋回可能なホルダ32に配置されている。
【0031】
さらにこの場合、基板電極18は基板用発生器37と電気的に接続されており、この基板用発生器37により電圧が基板電極18にさらには基板19にも入力結合される。この目的で、基板用発生器37と基板電極18との間に発生器導線36が設けられている。
【0032】
詳細には基板電極18に対し基板用発生器37により直流電圧が印加されるかまたは、10V〜5kV殊に50V〜300Vの振幅と0〜50MHzの周波数をもつ交流電圧が印加される。さらにこの直流電圧もしくは交流電圧に、時々もしくは連続的に正または負のオフセット電圧を加えることもできる。
【0033】
有利には入力結合される電圧は時間とともに変化する電圧たとえばパルス状態にされた電圧であり、これは個別に簡単な実験に従い選定可能なオン/オフ比をもち、さらに場合によっては時間とともにたとえば極性符号に関して変化するオフセット電圧も有している。
【0034】
有利には電圧の時間的な変化は、その電圧の包絡線が単極性または双極性ののこぎり波状、三角波状または正弦波状の経過特性をもつよう調整される。この場合、別のパラメータはオフセット電圧の振幅および極性、入力結合される電圧における個々のパルスの側縁勾配、この電圧の周波数(搬送波周波数)ならびにその振幅である。
【0035】
本発明による方法の殊に有利な実施形態によれば、高周波発生器16およびその内部に一体化された電気コンポーネント28によるプラズマビーム20の強度の変化たとえばプラズマビーム20の脈動が、基板電極18に入力結合される電圧の変化またはパルスと時間的に相関して生じるように構成されている。なお、電気コンポーネント28を別個の電気コンポーネントとして構成し、コイル17と高周波発生器16との間に接続してもよい。
【0036】
このような時間的な相関は、電圧の変化またはパルスに対しプラズマビーム20の強度を逆位相または時間的にずらされた脈動とするのが有利である。
【0037】
さらに図1に示されているように、プラズマビーム源5の内部に第1の圧力領域30が設けられており、この領域内では1mbar〜2barの圧力殊に100mbar〜1barの圧力が生じている。さらにこの場合、チャンバ40の内部には第2の圧力領域33が設けられている。
【0038】
これに加え、第1の圧力領域30と第2の圧力領域33との間の圧力差を保持し、たとえばチャンバ40内の圧力を50mbarよりも小さく殊に1mbar〜10mbarに保持する目的で、図示されていない通常のポンプ装置がチャンバ40と接続されている。このようにすることでプラズマビーム源5の内部とチャンバ40の内部との間に常に圧力勾配が生じるようになり、これはプラズマビーム源5に対し動作時に持続的に既述のようにガスが供給され、プラズマビーム源5とチャンバ40が出口開口部26を介して互いに連通されるにもかかわらず生じることになる。
【0039】
その際に有利には圧力は、第1の圧力領域30内の圧力と第2の圧力領域33内の圧力の比が1.5よりも大きくなるよう選定され、殊に3よりも大きくなるよう選定される。
【0040】
一例としてチャンバ40と接続された図示されていないポンプ装置を介して、プラズマビーム源5の内部におけるプラズマ発生室27とチャンバ40内部との間で100mbarよりも大きい圧力差が得られる。
【0041】
本発明による方法の実行にあたり基板19のための材料として導電性材料も適しているし、基板電極に加わる時間とともに変化する電圧を適切に選定することで電気的に絶縁性の材料も適している。このほか冷却装置およびたとえばプラズマビーム20の脈動により基板19の熱負荷が軽減されることで、たとえばポリマなど温度に敏感な基板を使用することもできる。
【0042】
図2は、電気コンポーネント28と共働して高周波発生器16からコイル17へ供給される電圧を変化させることにより、プラズマビーム20の強度がこの電圧変化に応じて変えられる様子を説明する図である。図2の変形実施形態によればたとえばこの電圧をコイル17において一時的にゼロにすることもでき、したがってその時点ではプラズマビーム20が消弧することになる。
【0043】
図3a〜図3hには、ダイレクトに出口開口部26から開口絞り22を介してチャンバ40内に送出されるプラズマビーム20が示されている。出口開口部26と基板19との間の典型的な間隔はたとえば5cm〜50cmである。
【0044】
図3a〜図3hに示されているように、プラズマビーム20はまずはじめに図3aのように時点t=0において高い強度で出口開口部26から送出され、ついでこの強度は図3bのように著しく低減され、その結果、プラズマビーム20はその後短期間、完全に消弧し、続いてプラズマビームは図3c〜図3eに示されているように新たに点弧し、その際に短く揺れ戻ってから図3f〜図3hのように連続的に延びていき、それによって13.3ms後には再び図3aによる初期状態にほぼ到達する。図3a〜図3hに示したプラズマビーム20のこのような脈動は、コイル17に入力結合される高周波電力の変化により生じる。
【0045】
また、図4に示されているように、プラズマビーム源5の内部とチャンバ40の内部との間で相応に高い圧力差が生じることにより、つまり既述のようにチャンバ40に向かって圧力勾配が生じることにより、プラズマビーム20が高速で出口開口部26から送出し、それに応じて高い速度で基板19に作用する。たとえば図4には濃縮ノード(マッハのノード)が示されており、これはプラズマビーム20中の粒子の速度が音速と同じオーダとなるよう配置している。なお、粒子の速度を音速よりも速くすることも可能である。
【0046】
圧力差によって制御可能なプラズマビーム20の高い速度によって、基板19の表面上の深い空隙にプラズマが印加されるだけでなく、基板19の表面とプラズマビーム20との間の拡散限界層も小さくなり、このことで基板19の表面への反応性プラズマ構成要素の拡散が簡単になり、プラズマビーム20による基板19の所要処理時間が短縮されないしは集中的なものとなる。
【0047】
図5には図1の部分図が示されており、ここではプラズマビーム源5がさらに拡大されて描かれている。この図には殊に、供給管10の配置と第1のスリーブ14および第2のスリーブ15の形状がはっきりと描かれている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ICPプラズマビーム源を備えた本発明によるプラズマ装置の第1の実施例の断面図である。
【図2】 生成されたプラズマビームの強度に関する時間の流れに沿った変化の一例を示す図である。
【図3】 図2に示すように脈動状態にされたプラズマビーム源から送出されたプラズマビームを時間の関数として示す図である。
【図4】 プラズマビーム源から高速で送出するプラズマビームを示す図である。
【図5】 図1によるプラズマビーム源の詳細図である。
Claims (12)
- 誘導結合高周波プラズマビーム源(5)により反応性粒子を伴うプラズマ(21)が発生し、
該プラズマは、プラズマビーム(20)のかたちでプラズマビーム源(5)から該ビーム源と連通したチャンバ(40)に入り、基板(19)に対し該基板(19)上に機能層が生成またはデポジットされるよう作用する形式の、
チャンバ(40)内に配置された基板(19)に機能層を生成する方法において、
基板(19)を基板電極(18)上に配置し、該基板電極(18)を介して前記基板(19)に連続的にまたは一時的に電圧を印加し、
5000sccm〜100000sccmのガス流を用いてプラズマをチャンバ(40)へ案内することを特徴とする、
機能層を生成する方法。 - 直流電圧または10V〜5kVの振幅と50MHzまでの周波数をもつ交流電圧を、発生器(37)を介して基板電極(18)に入力結合する、請求項1記載の方法。
- 前記電圧を時間とともに変化させ、可調整のオフセット電圧を一時的に加え、または選定可能なオン/オフ比でパルス化する、請求項1または2記載の方法。
- 前記基板(19)に作用するときのプラズマビーム(20)の強度を時間的に周期的に1Hz〜10kHzの周波数によって、可調整の上限と可調整の下限の間で変化させ、または可調整な期間にわたりプラズマビーム(20)の周期的な消弧も行う、請求項1から3のいずれか1項記載の方法。
- 高周波プラズマビーム源(5)においてコイル(17)を介して0.5MHz〜20MHzの高周波で500W〜50kWの電力をプラズマ(21)に入力結合する、請求項1から4のいずれか1項記載の方法。
- プラズマビーム源(5)へガスを20000sccm〜70000sccmのガス流で供給することにより、出口開口部(26)を介してプラズマビーム源(5)からプラズマ(21)をビーム状に吹き出させてチャンバ(40)へ案内する、請求項1から5のいずれか1項記載の方法。
- 前記ガスはアルゴンである、請求項1または6記載の方法。
- プラズマビーム源(5)における供給管(10)を介してプラズマ(21)へ、および/またはチャンバ(40)における供給装置を介してプラズマビーム(20)へ、少なくとも1つの前駆物質を、または該前駆物質の懸濁剤または反応ガスを供給し、化学的に変化した状態で、これらにより基板(19)上に機能層を形成し、または該機能層に集積する、請求項1から7のいずれか1項記載の方法。
- 前記前駆物質のためのキャリアガスを、および/または該前駆物質と化学反応させるための反応ガスを、プラズマ(21)に供給する、請求項8記載の方法。
- 前記前駆物質は有機化合物またはシリコン有機化合物または金属有機化合物であり、該化合物をプラズマ(21)および/またはプラズマビーム(20)に対し気体または液体で、ミクロスケールまたはナノスケールの粉末粒子として、懸濁液として、または気体物質または液体物質と固体物質との混合物として供給する、請求項8または9記載の方法。
- 前記プラズマビーム源(5)を1mbar〜2barの圧力で駆動し、前記チャンバ内の圧力を50mbarよりも小さく保持する、請求項1から10のいずれか1項記載の方法。
- 前記プラズマビーム(20)の強度の変化を、電圧の変化またはパルスに対し該プラズマビーム(20)の強度を逆位相でまたは時間的にずらして脈動化することにより、時間的に相関させて行う、請求項4記載の方法。
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