JP6272072B2

JP6272072B2 - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP6272072B2
Application number: JP2014029775A
Authority: JP
Inventors: 祐二渡邉; 裕治加納; 泰弘羽田野
Original assignee: Kojima Industries Corp
Current assignee: Kojima Industries Corp
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: JP2015151627A

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ装置に関する。

従来から、基材表面への成膜手段として、成膜材料を活性化してプラズマを発生させることで基材表面への成膜を行う、プラズマＣＶＤが知られている。このような成膜装置として、基材に対してプラズマを吹き付けるプラズマトーチを備えた、プラズマＣＶＤ装置が知られている。この装置では、真空チャンバ内にプラズマトーチおよび基材を配置する。プラズマトーチには、金属配管などのガス配管を通して、外部から反応ガスやキャリアガスが供給される。これらのガスが供給されたプラズマトーチは、基材に対して成膜材料を含むプラズマを吹き付ける。これにより基材表面に膜が形成される。

スプレーガン等と同様に、トーチから吹き付けられたプラズマは略放射状（略円錐状）に拡散する。つまり、トーチから離間するにつれてプラズマ密度が低下する。基材表面に形成される膜厚を均一にするために、プラズマの吹きつけの際には、基材表面とプラズマトーチとの離間距離を一定にする。例えば基材が長尺の平面板材である場合、プラズマトーチと基材表面との離間距離を一定に保ちながら、その離間方向とは垂直方向に基材を送る（流す）。

さらに、基材が曲面等の非平面形状である場合には、基材表面への成膜の均一化を図るために、離間距離を一定にすることに加えて、プラズマトーチが常に基材表面の吹き付け面に正対する（正面を向く）ような位置関係となるように、プラズマトーチ及び基材を位置決めする。例えば特許文献１では、複数軸方向に移動及び回転可能な移動機構を備えたコンベヤーを設けるとともに、このコンベヤーに基材を載せている。複数軸方向に基材を移動させることで、プラズマトーチと基材表面との離間距離が一定に保たれる。また、基材を回転させることで、基材表面がプラズマトーチの正面に向けられる。

特表２００８−５０８４２４号公報

ところで、基材を複数軸方向に移動及び回転させる機構を設ける場合、プラズマトーチ周辺の空間を十分に確保しておく必要がある。このことは、図８のように、例えば基材１００が車両部品であるなど、プラズマトーチ１０２に対して基材１００が大型である場合に顕著となる。プラズマＣＶＤプロセスは真空チャンバ１０４内で行われることから、プラズマトーチ１０２周辺の空間を十分に確保しようとすると、真空引きする空間が増大することになり、真空装置の大型化等のコストの増加に繋がる。

そこで、基材を動かす代わりに、プラズマトーチ側を動かす、つまりプラズマトーチを可動型にすることが考えられる。しかし、この場合、プラズマトーチの前後方向や上下方向の移動に追従可能とするために、当該プラズマトーチに反応ガスやキャリアガスを送り込むガス配管を、従来用いられている金属管等の剛性材料の配管部材から、可撓性のチューブ部材に変更する必要がある。可撓性のチューブ部材は剛性材料の配管部材よりも一般的に耐久性が低いため、取り替え頻度が相対的に高くなる。このため、真空チャンバへのガスリークを防止しつつ取替えが容易な構造とするなど、設備や構造が複雑になるおそれがある。そこで、本発明は、従来よりも簡素、小型な設備にて、均一な成膜の可能な、プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ内の基材を、第１軸方向及び前記第１軸とは直交する第２軸方向に移動可能な搬送治具と、前記基材に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付けるプラズマトーチと、前記プラズマトーチを、前記第１軸及び第２軸に直交する、第３軸周りに回転可能な回転手段と、を備える。前記プラズマトーチの可動範囲は、前記第３軸周りの回転のみとなる。

また、上記発明において、前記回転手段は、前記第３軸周りに前記プラズマトーチを回転させることで、当該プラズマトーチを、前記基材のプラズマ吹き付け面に正対させることが好適である。

また、上記発明において、前記プラズマトーチは、前記第３軸に沿って複数設けられ、前記複数のプラズマトーチの配置間隔が、前記基材表面上に吹き付けられたプラズマの径未満となるように前記複数のプラズマトーチが配置され、隣り合う一方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマと、他方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマが、前記基材表面上で一部重複することが好適である。

本発明によれば、従来よりも簡素、小型な設備にて、均一な成膜の可能な、プラズマＣＶＤ装置を提供できる。

本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置とその周辺機器を例示する断面図である。本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を例示する斜視図である。本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を例示する断面図である。プラズマトーチのティーチングについて説明する図である。プラズマの吹き付け範囲を説明する図である。プラズマトーチの配置について説明する図である。プラズマトーチの配置について説明する図である。従来のプラズマＣＶＤ装置を説明する図である。

図１，２に、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１０を例示する。図１は、真空チャンバ１７およびその周辺機器も含めた側面断面図を示し、図２は、真空チャンバ１７内の斜視図を示している。プラズマＣＶＤ装置１０は、搬送治具１２、プラズマトーチ１４、回転モータ１６、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃ、及び電力ケーブル３０を備える。プラズマＣＶＤ装置１０は、真空チャンバ１７内に設けられる。

搬送治具１２は、真空チャンバ１７内の基材１８を移動させる。図１に示すように、搬送治具１２は、スライド機構１１、リフト機構１３、及びステージ２７を備える。スライド機構１１は、水平移動用ラック１５、水平移動用ピニオン２９、及び水平ガイド１９を備える。水平移動用ピニオン２９は、図示しないサーボモータ等によって回転させられる。この回転によって、水平ガイド１９に沿って水平移動用ラック１５が水平方向（第１軸Ｌ方向）に移動可能となる。

リフト機構１３は、鉛直移動用ラック２１、鉛直移動用ピニオン２３、及び鉛直ガイド２５を備える。鉛直移動用ピニオン２３は、図示しないサーボモータ等によって回転させられる。この回転によって、鉛直ガイド２５に沿って鉛直移動用ラック２１が鉛直方向（第２軸Ｈ方向）に移動可能となる。スライド機構１１及びリフト機構１３によって、ステージ２７が水平方向及び鉛直方向に移動可能となる。

なお、スライド機構１１及びリフト機構１３はともに、ラック・ピニオン機構に代えて、ピストン機構によってそれぞれステージ２７を水平方向及び鉛直方向に移動可能としてもよい。

搬送治具１２のステージ２７上には、基材１８が保持、固定される。基材１８は、曲面や、複数の平面を繋ぎ合わせたような形状であってよい。基材１８は、成膜される表面が後述する第３軸Ｒに平行となるように、予めステージ２７に保持、固定される。基材１８は、例えば車両の窓部材等であってよい。基材１８は、例えばポリカーボネート等の樹脂材料から構成されていてよい。

また、搬送治具１２のステージ２７は、接地されていることが好適である。このようにすることで、Ａｒ^＋等を含むプラズマを、基材１８表面に誘導することが可能となる。

図２に示すように、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃは、それぞれ、プラズマトーチ１４のケーシング２６内に反応ガス、キャリアガス、及び酸化剤ガスを供給する。反応ガスは、例えば、基材１８表面にガラス膜を形成可能な材料を含んでいてよく、モノシランガスや、シリコン（Ｓｉ）に有機官能基が結合した有機シリコンガスであってよい。キャリアガスは、基材１８表面に吸着しないような成分であればよく、例えばアルゴンガス等の希ガスが用いられる。酸化剤ガスは、酸素ガスであってよい。

ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃは、それぞれ、真空チャンバ１７外の気体源３６Ａ〜３６Ｃ（図１参照）から、後述するケーシング２６内の反応ガスチャンバ４２、キャリアガスチャンバ４４、及び酸化剤ガスチャンバ４６に、反応ガス、キャリアガス、及び酸化剤ガスを供給する。ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃは、剛性材料から構成されてよく、例えば金属配管やセラミック配管から構成されてよい。

また、図３に示すように、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃのケーシング側端部は、ケーシング２６の回転軸Ｒ軸に沿って延伸させられるとともに、後述する反応ガスチャンバ４２、キャリアガスチャンバ４４、及び酸化剤ガスチャンバ４６に接続される。

電力ケーブル３０は、後述する高周波誘導コイル４７に高周波電力を供給する。電力ケーブル３０は、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃと同様にして、真空チャンバ１７外の交流電源３８から（図１参照）から高周波誘導コイル４７に交流電力を供給する。

図２に示すように、プラズマトーチ１４は、基材１８に対して成膜材料を含んだプラズマを吹き付ける。プラズマトーチ１４は、プラズマノズル２０、反応ガスノズル２２、酸化剤ノズル２４、ケーシング２６、及び回転シャフト３２を備える。

ケーシング２６は、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃのそれぞれと、反応ガスノズル２２、プラズマノズル２０及び酸化剤ノズル２４のそれぞれを、相対回転可能な状態で接続する、気体継手の機能を備える。

ケーシング２６にはスリット４０が形成されている。スリット４０は、後述するようにケーシング２６の回転周方向に沿って延設されて（切り込まれて）いる。スリット４０はケーシング２６に複数形成されており、それぞれのスリット４０に、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃ及び電力ケーブル３０が挿入される。電力ケーブル３０が可撓性ケーブルである場合には、当該電力ケーブル３０に対するスリット４０は設けなくてもよい。

図３に、ケーシング２６の鉛直平面（Ｈ−Ｒ平面）断面図を例示する。ケーシング２６内には、反応ガスチャンバ４２、キャリアガスチャンバ４４、及び酸化剤ガスチャンバ４６が形成されている。各チャンバ４２、４４、４６は、それぞれ、反応ガスノズル２２、プラズマノズル２０、及び酸化剤ノズル２４に接続される。ケーシング２６は、これらのチャンバ４２、４４、４６を保持するとともに、これらを回転軸Ｒ軸周りに回転させる。

キャリアガスチャンバ４４には、高周波誘導コイル４７が設けられている。希ガス（キャリアガス）が導入されたキャリアガスチャンバ４４内に高周波電力を印加することによってプラズマが生成される。

反応ガスチャンバ４２、キャリアガスチャンバ４４、及び酸化剤ガスチャンバ４６の各側壁には開口が設けられ、回転軸Ｒ方向に延伸するガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃのそれぞれの端部が、当該開口から各チャンバ内に挿入される。

各チャンバ４２、４４、４６のそれぞれの側壁と、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃ端部のフランジとに挟まれるようにして、シール部材４８が設けられている。シール部材４８は、例えば各チャンバに固定されるとともに、各ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃと摺接可能な部材から構成される。

このように、本実施形態においては、各ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃと各チャンバ４２、４４、４６のそれぞれを相対回転可能としている。したがって、各チャンバ４２、４４、４６の回転時であっても、各ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃは静止状態を維持することができる。加えて、図２に示すように、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃは、ケーシング２６の回転周方向に沿って延設されたスリット４０から、ケーシング２６内に挿入される。つまり、回転周方向に遊びを持った状態で、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃが、ケーシング２６内に挿入される。このような構成を備えることで、ケーシング２６（プラズマトーチ１４）の回転時における、ケーシング２６のガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃへの当接を避けることができる。

プラズマノズル２０は、キャリアガスチャンバ４４と連通しており、当該チャンバ４４にて生成されたプラズマが送られる。これによりプラズマノズル２０からプラズマが吹き出される。また、プラズマノズル２０はケーシング２６とともに回動する。

反応ガスノズル２２は、反応ガスチャンバ４２と連通している。反応ガスノズル２２の吹出口は、プラズマノズル２０の噴出軸Ａに向けられていてよい。例えば、反応ガスノズル２２は、噴出軸Ａと平行に、プラズマノズル２０の吹出口よりも下流（基材１８側）まで延設されるとともに、その延設端から、噴出軸Ａに向かって吹出口が向くように屈曲される。このようにすることで、プラズマノズル２０から噴き出されたプラズマ中に反応ガスが含まれて、その結果、反応ガスが活性化された状態で基材１８表面に吹き付けられる。

酸化剤ノズル２４は、酸化剤ガスチャンバ４６と連通している。反応ガスノズル２２と同様に、酸化剤ノズル２４の吹出口は、噴出軸Ａに向けられていてよい。例えば、酸化剤ノズル２４は、噴出軸Ａと平行に、プラズマノズル２０の吹出口よりも下流まで延設されるとともに、その延設端から、噴出軸Ａに向かって吹出口が向くように屈曲される。

このような構成にすることで、プラズマノズル２０から噴き出されたプラズマに反応ガス及び酸化剤ガスが含まれる。その結果、基材１８の表面にＳｉＯ_２膜等の酸化物を成膜させることが可能となる。

回転モータ１６は、回転シャフト３２を介して、プラズマトーチ１４を第３軸Ｒ周りに回転させる。Ｒ軸は、Ｌ軸及びＨ軸に直交するように設けられる。本実施形態では、プラズマトーチ１４を動かす手段を回転モータ１６のみから構成し、また、水平方向（Ｌ軸方向）及び鉛直方向（Ｈ方向）の移動機能は搬送治具１２に持たせている。このようにすることで、プラズマトーチ１４の可動範囲が、第３軸Ｒ周りの回転のみとなり、プラズマトーチ１４を水平方向及び鉛直方向に移動させなくて済む。加えて、上述した構成により、プラズマトーチ１４の回動に伴う、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃの移動、変形は避けられる。このことから、ガス供給配管２８Ａ〜２８Ｃを耐久性の高い（取り替え頻度の少ない）剛性材料からなる配管とすることが可能となる。

さらに、搬送治具を移動及び回転させる場合と比較して、基材１８の移動量が低減する（回転させなくて済む）ので、基材１８を収容する真空チャンバ１７の容積の増大を抑制することが可能となる。

回転モータ１６は、噴出軸Ａが基材１８表面に対して所定の角度となるように、プラズマトーチ１４を回転駆動させる。例えば、プラズマノズル２０が基材１８の成膜対象表面３３（吹き付け面）に正対する（正面を向く）ように、すなわち、噴出軸Ａが基材１８の成膜対象表面３３に対して略垂直となるように、プラズマトーチ１４を回転させる。

回転モータ１６によるプラズマトーチ１４の回転パターンは、予めティーチングによって、回転モータ１６を制御する制御部（図示せず）に記憶させるようにしてよい。例えば搬送治具１２の位置と同期した回転量を、ティーチングによって制御部に記憶させる。このようにすることで、角度センサ等を用いた精密測定と比較して、測定器具等を設置するコストを低減させることが可能となる。

プラズマノズル２０を基材１８の成膜対象表面３３（吹き付け面）に正対させる手段として、例えば図４に示す手段を用いる。図４では、水平Ｌ軸−鉛直Ｈ軸平面断面図が示されている。この図において、プラズマノズル２０から放射状（円錐状）に噴出されたプラズマの有効吹き付け範囲の境界線Ｂ，Ｃと基材１８の成膜対象表面３３との交点ｄ，ｅを求める。プラズマの有効吹き付け範囲の境界線Ｂ，Ｃは、例えば、事前にプラズマの密度分布を求めるとともに、閾値密度となる領域を求めることで得られる。

続いて、交点ｄ，ｅを結んだ中点から垂線を引く。この垂線とプラズマノズル２０の噴出軸Ａが一致するように、回転軸（Ｒ軸）周りにプラズマトーチ１４を回転させる。このようにすることで、プラズマノズル２０を基材１８の成膜対象表面３３に略正対させることができる。

次に、プラズマトーチ１４の配置について説明する。プラズマトーチ１４は、複数設けられていてよい。この場合、図２に示すように、プラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂは、第３軸Ｒに沿って設けられてよい。例えば、一台のプラズマトーチ１４では基材１８表面の全幅に亘ってプラズマを吹き付けられない場合、言い換えると、基材１８の第３軸Ｒ方向の幅が、一台のプラズマトーチ１４から吹き付けられるプラズマの、基材１８表面上の径より大きい場合に、プラズマトーチ１４を複数台設ける。このようにすることで、プラズマトーチ１４を第３軸Ｒ沿いに移動させる必要がなく、プラズマトーチ１４の可動範囲の増大を抑制することができる。

複数のプラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂを設ける場合、回転シャフト３２を共通として、プラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂを同期回転させてよい。また、回転シャフト３２を個別に設けて、プラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂを個別に回転させるようにしてもよい。この場合、各回転シャフト３２は第３軸Ｒと平行とすることが好適である。

また、基材１８への均一な成膜のために、複数のプラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂを設ける場合、その配置間隔は、基材１８表面に吹き付けられるプラズマの径を基準に設定することが好適である。図５に例示するように、プラズマトーチ１４から噴出されたプラズマは拡散して基材１８の成膜対象表面３３に至る。このとき、成膜対象表面３３に形成される膜厚は、図中破線で示すように、噴出軸Ａ上の中心付近で最大となり、周辺に向かって薄くなる。そこで、隣り合うプラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂによるプラズマの周辺部を重ねることで、周辺部の膜厚を厚くする。

具体的には、図６に示すように、プラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂの配置間隔Ｗ２（隣り合うプラズマノズル２０の噴出軸Ａの間隔）が、成膜対象表面３３上に吹き付けられたプラズマの径Ｗ１未満となる（Ｗ２＜Ｗ１）ように、プラズマトーチ１４Ａ，１４Ｂを配置する。このようにすることで、隣り合う一方のプラズマトーチ１４Ａにより吹き付けられたプラズマと、他方のプラズマトーチ１４Ｂにより吹き付けられたプラズマが、その周辺部において、成膜対象表面３３上で重複する。

なお、図７に示すように、複数配置されたプラズマトーチ１４Ａ〜１４Ｃのうち、両端のプラズマトーチ１４Ａ，１４Ｃから噴出されたプラズマは、その両端において、他のプラズマトーチ１４によるプラズマと重ならない。そのため、他の領域と比較して、成膜対象表面３３上に形成された膜厚が薄くなる場合がある。そこで、プラズマの両端部については、成膜対象表面３３に吹き付けないような構成としてもよい。具体的には、基材１８（成膜対象表面３３）の幅Ｗ３（第３軸Ｒに沿った幅）が、複数のプラズマトーチ１４Ａ〜１４Ｃによるプラズマの延べ幅Ｗ４未満となる（Ｗ３＜Ｗ４）ように、プラズマトーチ１４及び基材１８を配置する。このとき、成膜対象表面３３からはみ出したプラズマが成膜対象表面３３と対向する裏面に回りこむことを防ぐために、成膜対象表面３３の周辺にプラズマを受けるホルダ３４を設けてもよい。

１０プラズマＣＶＤ装置、１１スライド機構、１２搬送治具、１３リフト機構、１４Ａ-１４Ｃプラズマトーチ、１６回転モータ、１７真空チャンバ、１８基材、２０プラズマノズル、２２反応ガスノズル、２４酸化剤ノズル、２６ケーシング、２８Ａ-２８Ｃガス供給配管、３３成膜対象表面、４０スリット、４２反応ガスチャンバ、４４キャリアガスチャンバ、４６酸化剤ガスチャンバ。

Claims

真空チャンバ内の基材を、第１軸方向及び前記第１軸とは直交する第２軸方向に移動可能な搬送治具と、
前記基材に対して成膜材料を含んだプラズマを円錐状に吹き付けるプラズマトーチと、
前記プラズマトーチを、前記第１軸及び第２軸に直交する、第３軸周りに回転可能な回転手段と、
を備え、前記プラズマトーチの可動範囲が、前記第３軸周りの回転のみであり、
前記プラズマトーチは、前記第３軸に沿って複数設けられ、
それぞれの配置間隔が、前記基材表面上に吹き付けられたプラズマの径未満となるように、前記複数のプラズマトーチが配置され、隣り合う一方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマの周辺部と、他方の前記プラズマトーチにより吹き付けられたプラズマの周辺部が、前記基材表面上で重複することを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。
請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置であって、
前記回転手段は、前記第３軸周りに前記プラズマトーチを回転させることで、当該プラズマトーチを、前記基材のプラズマ吹き付け面に正対させることを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。
請求項１または２に記載のプラズマＣＶＤ装置であって、
前記プラズマトーチは、ガスチャンバと、前記ガスチャンバの壁面開口に前記ガスチャンバに対して摺接可能に端部が挿入されたガス供給配管を備えることを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。