JP4717591B2 - プラズマ成膜装置 - Google Patents

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本発明は、超撥水性を有する撥水膜を成膜するためのプラズマ成膜装置に関するものである。
図１０は従来例の成膜装置の断面を示す図である。プラズマ発生源１と成膜室５が中間電極Ｇ１、Ｇ２と陽極４を介して接続されている。Ｇ１、Ｇ２、４はオリフィス形状のプラズマ導入口を持ち、Ｇ１、Ｇ２はそれぞれ抵抗１４、１５を介して電源６の正極に電気的に接続されている。
成膜室５が排気装置（図示せず）によって排気された後、例えばアルゴンＡｒのような不活性ガス９がプラズマ発生源１に導入される。電源６によって電圧が印加されるとプラズマ発生源１内にプラズマ１０が発生する。プラズマ１０は中間電極Ｇ１、中間電極Ｇ２、陽極４のオリフィスを通して成膜室５内に導入されるが、空間で反転し陽極４に戻る。またプラズマが引き出される部分１１、１１ａを挟んでガス管７と基板８が配置されている。
成膜はプラズマの引き出された部分１１、１１ａを用いて行われる。例えば、ＨＭＤＳＯ（ヘキサメチルジシロキサン）のような反応ガス１２がガス管７から導入されると、プラズマの引き出された部分１１、１１ａによって分解又は重合される。そして、基板８上にＳｉ系保護膜１３などの機能性薄膜が成膜される。
例えば、特許文献１において低分子フッ素化合物を用いた撥水膜の成膜の例が示されている。
特開２０００−３４００１５号公報
しかし、上記従来例においては、高圧雰囲気下で成膜を行うとき膜の均一性が悪かった。すなわち、撥水膜を成膜するとモノマーの噴出し口の直上に白濁部分が生じ、その部分は超撥水性を示すものの、周辺部は撥水性が得られなかった。
原因は、成膜装置に導入されるプラズマと成膜の原料となるモノマーの分布が関係していると思われる。図８にその正面配置図を示す。本成膜装置に用いられているプラズマ発生源は高密度のプラズマを発生することができるが、そのプラズマは強度分布を持っている。プラズマ軸中心の部分１１ａは高密度、かつ高エネルギーであり、その周辺部１１になるにつれて低くなる。
プラズマの水平方向の強度分布を定性的に表すと図９の１７のようになる。一方、モノマーはガス管７によって基板８に向かって噴出される。ところが、圧力が高い場合には、基板付近のガス分布は１８のように不均一性を生じる。これは圧力が高いと気体分子の拡散が少なくなり、ガス濃度の均一化が進行しないためだと考えられる。そして、１７と１８の相乗効果により、基板付近のガス濃度＋プラズマ密度＝反応量であり、膜の分布は１６のようになり、膜１９の中心は反応量が多いため超撥水性を示すが白濁部分２０となり、周辺部は反応が少なく撥水性が低くなる。一方、現在の装置配置では、全体のプラズマ密度を下げるか、圧力を下げると超撥水性が得られなかった。超撥水性を得るためには、高いプラズマ密度と高圧条件は不可欠である。
本発明は、以上の点に着目してなされたもので均一な超撥水膜を成膜することができるプラズマ成膜装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（６）の構成を備えるものである。
（１）円柱状又は短冊状で軸中心部が周辺部よりも密度が高い分布をもつプラズマを用い、圧力が高く気体の拡散が少ない雰囲気下で気相成長もしくは重合により基板に成膜を行う成膜装置において、反応ガスを供給するプラズマの中心軸と垂直な面内に配置されたガス管が複数に分岐され、該分岐されたガス管の噴出口はガス流が前記プラズマの軸中心の周辺部かつ前記基板に向かって噴出されるように配置され、かつ、該基板の成膜面の背面側を覆う囲いが設置され、該囲いによって前記基板の成膜面の表面近傍にガス溜り形成され、前記反応ガスの濃度分布が均一化されることを特徴とするプラズマ成膜装置。
（２）前記基板の囲いが台形、若しくはおわん型の形状を有することを特徴とする前記（１）記載のプラズマ成膜装置。
（３）前記分岐ガス管は、この分岐ガス管の噴出口の列がプラズマの水平中心軸に垂直になるように配置されていることを特徴とする前記（１）記載のプラズマ成膜装置。
（４）異なる複数の前記反応ガスを同時に導入するために、複数の前記分岐ガス管が配置されていることを特徴とする前記（１）乃至前記（３）いずれか記載のプラズマ成膜装置。
（５）前記複数の反応ガスとしてヘキサメチルジシロキサン、メタン、アセチレン、四フッ化炭素の少なくとも１種類以上の被反応ガスと、酸素、水素、フッ素の少なくとも１種類以上の反応促進ガスを用いることを特徴とする前記（４）記載のプラズマ成膜装置。
（６）前記分岐ガス管は、この分岐ガス管の噴出口の列が複数の異なる垂直面内に配置されたことを特徴とする前記（１）又は前記（４）記載のプラズマ成膜装置。
本発明によれば、均一な超撥水膜を成膜することができるプラズマ成膜装置を提供することが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。
図１は本発明による成膜装置の断面を示す図である。プラズマ発生源２１と成膜室２５が中間電極Ｇ３、Ｇ４と陽極２４を介して接続されている。Ｇ３、Ｇ４、２４はオリフィス形状の導入口を持ち、Ｇ３、Ｇ４はそれぞれ抵抗３４、３５を介して電源２６の正極に接続されている。プラズマの引き出し部分３１、３１ａを挟んでガス管２７と被成膜基材２８が配置されている。そして、２７は二つに分岐している。２８は囲い３６によって成膜面の反対面の表面近傍が囲われている。
図２に正面配置図を示す。ガス管２７と被成膜基材２８の間にプラズマの引き出し部分３１、３１ａが挟まれており、ガス管２７の各々の噴出口は３１に向かって配置されている。また、ガス管２７の列は３１ａのプラズマ中心軸と直角になるように配置されることが望ましい。なお、３１ａの直径は約５ｃｍ以下なので、ガス管２７の二つの噴出口の間隔は５ｃｍ以上であることが適当である。囲い３６の大きさは、横方向の幅３６ａと取り付けた基板表面からの囲いの深さ３６ｂとの関係が、３６ａ：３６ｂ＝５：１以上であることが望ましい（図４参照）。
プラズマは次のように生成される。成膜室２５が排気装置（図示せず）によって排気された後、例えばアルゴンＡｒのような不活性ガス２９が導入される。２６によって電圧が印加されるとプラズマ発生源２１内にプラズマ３０が生成される。プラズマ３０はＧ３、Ｇ４、２４のオリフィスを通して成膜室２５内に導入されるが、空間で反転して陽極２４に戻る。成膜は３１、３１ａを用いて行われる。例えば、ＨＭＤＳＯのような反応ガス３２がガス管２７から導入されると３１、３１ａによって分解又は重合される。そして、基材２８上にＳｉ系保護膜３３などの機能性薄膜が成膜される。
本発明によって、膜の均一性が向上し、ガス噴出口直上の基板の白濁を防ぐことができ、１５０×１５０ｃｍ２の平面内で超撥水膜が得られた。
図５に本発明による成膜装置の正面配置図を示し、発明の原理を説明する。成膜プロセスは次のようなものと考えられる。分岐されたガス管２７から噴出されたＨＭＤＳＯモノマーガスがアルゴンプラズマの周辺部３１に向かって噴出されると、囲い３６によってガス溜り３８が基板近傍に形成される。そして、ガス溜り３８とプラズマの周辺部３１の表面反応により、基板２８上に膜３３が成膜される。
今、ガス濃度、プラズマ密度及び膜分布の関係をみると、水平方向に係る噴出されるガスの濃度分布４２はガス噴出口の数を反映して二つ凸の形状を示す。本発明によるガス溜りの形成によりガス濃度の不均一性が改善され４０のようになる。さらに、中心部に凸であるプラズマ密度４１と重ね合わせることによって反応量が均一化され、平坦な形状の膜分布３９、４３になると考えられる。
実施例１ではガス管は２本に分岐されていたが、図３のように反応ガスが４本以上のガス管に分岐して供給されるプラズマ成膜装置であってもよい。この際、ガス管の直上にプラズマの中心部分３１ａが配置されないようにすることが重要である。なお、３１、３１ａの断面形状は円形でも矩形でもよい。
図４のように反応ガスが２種類以上のプラズマ成膜装置であってもよい。また、ヘキサメチルジシロキサンＨＭＤＳＯのガスが、メタンＣＨ４、アセチレンＣ２Ｈ２、酸素Ｏ２、水素Ｈ２、四フッ化炭素ＣＦ４のガスであるプラズマ成膜装置であってもよい。
実施例１では、囲い３６が台形状のものであったが、お椀型のようなものであるプラズマ成膜装置であってもよい。
実施例２の４本に分岐されたガス管の噴出口は、図３では同一垂直面内に配置されているが、例えば図７のように異なる垂直面内に垂直に配置されるプラズマ成膜装置であってもよい。こうすることで、より効率的、かつ三次元的に反応ガスを分散させることが可能となる。
本発明に係る成膜装置を示す図である。 本発明に係る成膜装置の正面配置図である。 本発明の実施例２に係る成膜装置の正面配置図である。 本発明の実施例３に係る成膜装置の正面配置図である。 本発明に係る成膜装置の正面配置図である。 本発明に係る成膜装置のプラズマ及びモノマーガスの強度分布及び濃度分布を示す図である。 本発明の実施例５に係る成膜装置を示す図である。 従来例に係る成膜装置の正面配置図である。 従来例に係る成膜装置のプラズマ及びモノマーガスの強度分布及び濃度分布を示す図である。 従来例に係る成膜装置の断面を示す図である。
符号の説明
１ プラズマ発生源
４ 陽極
５ 成膜室
６ 電源
７ ガス管
８ 基板
９ 不活性ガス
１０ プラズマ
１１ 引き出されたプラズマの周辺部
１１ａ 引き出されたプラズマの中心部
１２ 反応ガス
１３ Ｓｉ系保護膜
１４ 抵抗
１５ 抵抗
１６ 従来例における膜の分布
１７ 従来例におけるプラズマの水平方向の強度分布
１８ 従来例における基板付近のモノマーガスの濃度分布
１９ 膜
２０ 白濁部分
２１ プラズマ発生源
２４ 陽極
２５ 成膜室
２６ 電源
２７ 分岐されたガス管
２８ 基板
２９ 不活性ガス
３１ アルゴンプラズマの周辺部
３１ａ アルゴンプラズマの中心部
３２ 反応ガス
３３ 膜
３４ 抵抗
３５ 抵抗
３６ 囲い
３６ａ 囲いの横方向の幅
３６ｂ 囲いの深さ
３８ ガス溜り
３９ 本発明に係る膜の分布
４０ 本発明に係る改善されたモノマーガスの濃度分布
４１ 本発明に係るプラズマの水平方向の強度分布
４２ 本発明に係るモノマーガスの濃度分布
４３ 平坦な形状の膜分布
Ｇ１ 中間電極
Ｇ２ 中間電極
Ｇ３ 中間電極
Ｇ４ 中間電極

Claims (6)

  1. 円柱状又は短冊状で軸中心部が周辺部よりも密度が高い分布をもつプラズマを用い、圧力が高く気体の拡散が少ない雰囲気下で気相成長もしくは重合により基板に成膜を行う成膜装置において、反応ガスを供給するプラズマの中心軸と垂直な面内に配置されたガス管が複数に分岐され、該分岐されたガス管の噴出口はガス流が前記プラズマの軸中心の周辺部かつ前記基板に向かって噴出されるように配置され、かつ、該基板の成膜面の背面側を覆う囲いが設置され、該囲いによって前記基板の成膜面の表面近傍にガス溜り形成され、前記反応ガスの濃度分布が均一化されることを特徴とするプラズマ成膜装置。
  2. 前記基板の囲いが台形、若しくはおわん型の形状を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ成膜装置。
  3. 前記分岐ガス管は、この分岐ガス管の噴出口の列がプラズマの水平中心軸に垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ成膜装置。
  4. 異なる複数の前記反応ガスを同時に導入するために、複数の前記分岐ガス管が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか記載のプラズマ成膜装置。
  5. 前記複数の反応ガスとしてヘキサメチルジシロキサン、メタン、アセチレン、四フッ化炭素の少なくとも１種類以上の被反応ガスと、酸素、水素、フッ素の少なくとも１種類以上の反応促進ガスを用いることを特徴とする請求項４記載のプラズマ成膜装置。
  6. 前記分岐ガス管は、この分岐ガス管の噴出口の列が複数の異なる垂直面内に配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項４記載のプラズマ成膜装置。
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