JP6358064B2

JP6358064B2 - プラズマ成膜方法

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Publication number: JP6358064B2
Application number: JP2014245485A
Authority: JP
Inventors: 正一郎熊本; 孝池尻; 雅史小泉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: JP2016108590A

Description

本発明は、プラズマ成膜装置とプラズマ成膜方法に関する。

金属板などの基板の表面を金属や炭素等の薄膜でコーティングするプラズマ成膜を行うに当たり、成膜性能の向上を図る手法が種々提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−２３７８８３号公報

上記の特許文献では、成膜室での処理過程で生じる汚濁物の付着を防止等することで、成膜性を高めている。しかしながら、成膜室に供給する原料ガスの流量と供給経路についての配慮に欠けるため、以下に説明するような改善が求められるに至った。プラズマ成膜において、薄膜の核を先に形成し、その後に、核から膜を成長させる手法が知られており、こうしたプラズマ成膜手法では、成膜室に小流量で原料ガスを導入して核形成を図り、その後の成膜では、大流量での原料ガスの導入がなされる。原料ガスは、タンク等の原料ガス供給源から供給用配管を経て成膜室に導かれ、供給用配管の流量調整機器にて流量が大小調整される。小流量での原料ガス供給を行う際、成膜室に到る供給用配管には、先の成膜プロセスで大流量にて供給されていた原料ガスが残存しているので、原料ガスが残存していることを考慮した複雑な流量調整や、成膜室を介した供給用配管内の原料ガス排気を行わないと、小流量での原料ガス供給ができない。よって、小流量での原料ガス供給に遅延が起き、生産効率の向上が要請されるに到った。

上記した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、プラズマ成膜装置が提供される。このプラズマ成膜装置は、成膜の原料ガスを供給する原料ガス供給源と、成膜対象の基板が配置される成膜室と、該成膜室のガスを排気する真空ポンプと、前記成膜室と前記真空ポンプとを接続する排気配管と、前記原料ガス供給源と前記成膜室とを接続するガス供給配管と、該ガス供給配管に設けられ、前記成膜室に供給される原料ガス流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部より下流側で前記ガス供給配管から延びて、前記ガス供給配管と前記排気配管とを連通する連通配管と、該連通配管に設けられた開閉バルブと、前記流量調整部により流量調整された前記原料ガスが前記成膜室に供給される前に、前記開閉バルブを開弁駆動して、前記ガス供給配管の残存ガスを前記真空ポンプにより前記連通配管を経て排気する残存ガス排気処置部とを備える。

上記形態のプラズマ成膜装置では、残存ガス排気処置部により、ガス供給配管の残存ガスを真空ポンプにより連通配管を経て排気し、この残存ガス排気の後に、流量調整部により流量調整された原料ガスを成膜室に供給可能とする。よって、この際の流量調整量が仮に小流量であっても、この小流量の原料ガスを、小流量の流量を当初から維持したまま、成膜室に供給できるので、小流量での原料ガス供給が速やかになされ、生産効率が高まる。

（２）本発明の他の形態によれば、プラズマ成膜方法が提供される。このプラズマ成膜方法は、成膜室のガスを排気する排気行程と、原料ガス供給源から前記成膜室に到るガス供給配管を経て、前記成膜室に小流量の第１の流量で原料ガスを供給し、前記成膜室にて前記原料ガスから成膜する第１成膜工程と、前記ガス供給配管を経て、前記成膜室に前記第１の流量より大流量の第２の流量で原料ガスを供給し、前記成膜室にて前記原料ガスから成膜する第２成膜工程とを備え、更に、前記第１の流量に流量調整された前記原料ガスが前記成膜室に供給される前に、前記ガス供給配管の残存ガスを排気する残存ガス排気工程とを備える。

上記形態のプラズマ成膜方法では、残存ガス排気工程により、ガス供給配管の残存ガスを排気し、この残存ガス排気の後に、小流量の第１の流量に流量調整された原料ガスを成膜室に供給可能とする。よって、原料ガスを、小流量の第１の流量のまま当初から成膜室に供給できるので、小流量での原料ガス供給が速やかになされ、生産効率が高まる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、プラズマ成膜装置の制御装置や制御方法としても適用できる。

実施形態に係るプラズマ成膜装置１００の概略構成を示す説明図である。プラズマ成膜装置１００における第１成膜室１２１と第２成膜室１２２の運用の状況を示すタイムチャートである。第１成膜室１２１の運用状況下における成膜手順を示すフローチャートである。第１成膜室１２１の運用状況下におけるバルブＶ１〜Ｖ１２の駆動状況を一覧にて示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は実施形態に係るプラズマ成膜装置１００の概略構成を示す説明図である。プラズマ成膜装置１００は、いわゆるプラズマＣＶＤ法（plasma CVD； plasma-enhanced chemical vapor deposition）によって、成膜対象である基板の表面全体に炭素薄膜を形成する。基板に成膜される炭素薄膜の構造としては、アモルファス構造や、グラファイト構造であるものとしても良く、他の種類の構造で有るものとしても良い。なお、基板としては、燃料電池のセパレータの基材として用いられる平板状の金属板とすることや、半導体装置の構成部品とすることができる。

図示するように、本実施形態のプラズマ成膜装置１００は、ベイキングユニットと称するガス供給機構１１０と、プロセス室と称する第１成膜室１２１と第２成膜室１２２と、ＤＲＰと称する真空ポンプ１３０と、制御装置２００とを備える。ガス供給機構１１０は、成膜の原料ガスとして、ピリジン（ｐｙ；Ｃ₅Ｈ₅Ｎ）を貯蔵した原料タンク１１２と、窒素（Ｎ_２）を貯蔵した窒素タンク１１４と、アルゴン（Ａｒ）を貯蔵したアルゴンタンク１１６とを備える。そして、ガス供給機構１１０は、原料タンク１１２から第１成膜室１２１と第２成膜室１２２に掛けて原料ガス供給配管１１３を延ばし、配管経路に流量調整機器１１３Ｃを備える。原料ガス供給配管１１３は、成膜室の手前で二股状に分岐して、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２に到り、流量調整機器１１３Ｃの上流側にバルブＶ１を、各成膜室の手前にバルブＶ２〜Ｖ３を備える。同様にして、ガス供給機構１１０は、窒素タンク１１４から第１成膜室１２１と第２成膜室１２２に掛けて延びる窒素供給配管１１５に、流量調整機器１１５Ｃと、その上流側のバルブＶ４と、成膜室手前のバルブＶ５〜Ｖ６とを備え、アルゴンタンク１１６から第１成膜室１２１と第２成膜室１２２に掛けて延びるアルゴン供給配管１１７に、流量調整機器１１７Ｃと、その上流側のバルブＶ７と、成膜室手前のバルブＶ８〜Ｖ９とを備える。流量調整機器１１５Ｃ〜１１７Ｃは、質量流量計として構成され、制御装置２００の制御下で、上記の各供給配管を通過して第１成膜室１２１或いは第２成膜室１２２に供給されるガス流量を調整する。こうした構成により、ガス供給機構１１０は、成膜の原料ガスたるピリジンの他、窒素、或いはアルゴン（Ａｒ）を、制御装置２００の制御下で、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２に供給する。

第１成膜室１２１と第２成膜室１２２は、原料タンク１１２から原料ガス供給配管１１３を経て供給されたピリジンに含まれる炭素を、図示しないプラズマ生成機器により生成したプラズマにより励起し、成膜対象として配置された基板の表面に炭素の薄膜を成膜する。このため、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２は、既存のプラズマ生成機器を備えるが、本発明の要旨と直接関係しないので、その詳細については説明を省略する。

真空ポンプ１３０は、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２から延びて合流する排気配管１３１と接続され、各成膜室の下流側のバルブＶ１１〜Ｖ１２が開弁状態にある時に、第１成膜室１２１のガス、第２成膜室１２２のガスを排気する。上記した各バルブと真空ポンプ１３０は、制御装置２００の制御を受けて駆動する。

この他、プラズマ成膜装置１００は、原料ガスたるピリジンの流量調整機器１１３Ｃより下流側で原料ガス供給配管１１３から分岐して、排気配管１３１に合流する連通配管１４０を備え、この連通配管１４０の分岐箇所にバルブＶ１０を備える。つまり、この連通配管１４０は、流量調整機器１１３Ｃより下流側で原料ガス供給配管１１３から延びて、原料ガス供給配管１１３と排気配管１３１とを連通する。

制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるシーケンシャルコンピューターとして構成され、上記したバルブＶ１〜Ｖ１２の各バルブの開閉制御の他、真空ポンプ１３０の駆動を経た成膜室のガス排気、原料タンク１１２や窒素タンク１１４、アルゴンタンク１１６からの各ガスの流量調整を含むガス供給を司る。

次に、プラズマ成膜装置１００での成膜に伴うガス供給の詳細について説明する。図２はプラズマ成膜装置１００における第１成膜室１２１と第２成膜室１２２の運用の状況を示すタイムチャート、図３は第１成膜室１２１の運用状況下における成膜手順を示すフローチャート、図４は第１成膜室１２１の運用状況下におけるバルブＶ１〜Ｖ１２の駆動状況を一覧にて示す説明図である。図２に示すように、本実施形態のプラズマ成膜装置１００では、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２とは、交互に運用されて、それぞれの成膜室にて個別に成膜処理が実行される。そして、一方の成膜室において成膜処理が実行されている間に、他方の成膜室では基板の搬入・搬出が実行される。

具体的には、第１成膜室１２１において成膜処理が実行されている間に、図示しない搬送機構が第２成膜室１２２からの成膜処理済み基板搬出、および、第２成膜室１２２への成膜処理対象の基板搬入が実行される。また、第２成膜室１２２において成膜処理が実行されている間には、図示しない搬送機構が第１成膜室１２１からの成膜処理済み基板搬出、および、第１成膜室１２１への成膜処理対象の基板搬入が実行される。このように、本実施形態のプラズマ成膜装置１００であれば、複数の基板に対して、連続的かつ効率的に成膜処理を実行することが可能である。

図３と図４に示すように、第１成膜室１２１の運用状況では、制御装置２００は、第１成膜室１２１の昇温を図った上で、アルゴンエッチングを行う（ステップＳ１００）。このステップＳ１００では、制御装置２００は、バルブＶ１〜Ｖ１２を図４に示す状態に駆動制御し、第１成膜室１２１に、窒素およびアルゴンを供給して、成膜室昇温とアルゴンによる基板エッチングを行う。制御装置２００は、これと並行して、原料ガス供給配管１１３については、バルブＶ１０の開弁制御と真空ポンプ１３０の吸引駆動制御とを行うことで、流量調整機器１１３ＣとバルブＶ２との間の原料ガス供給配管１１３に残留する原料ガス（ピリジン）を、連通配管１４０を経て排気（プレ排気）する。このプレ排気は、所定時間、例えば１０秒程度、継続され、その後、制御装置２００は、プレ排気済みの原料ガス供給配管１１３に原料ガス（ピリジン）を充填する。このガス充填の際、制御装置２００は、流量調整機器１１３Ｃを小流量に流量調整すると共に、バルブＶ１〜Ｖ２を開弁制御する。このガス充填は、プレ排気した原料ガス供給配管１１３の配管経路に原料ガスが行き渡れば良いので、流量調整機器１１３Ｃの流量調整は、後述の核形成時の流量と同程度、もしくはこれより小流量で良い。制御装置２００は、ガス充填完了に伴い、バルブＶ１０を閉弁駆動して、連通配管１４０を遮断する。なお、原料ガス供給配管１１３のプレ排気だけに留め、ガス充填を省略しても良い。

次いで、制御装置２００は、バルブＶ１〜Ｖ１２を図４に示す状態に駆動制御した上で流量調整機器１１３Ｃでの流量調整を行い、原料タンク１１２から原料ガスを小流量で第１成膜室１２１に供給する（ステップＳ１１０）。この際、制御装置２００は、第１成膜室１２１における図示しないプラズマ生成機器についても、核形成ができるよう駆動制御する。これにより、第１成膜室１２１では、供給された原料ガスたるピリジンの炭素をプラズマにより励起して、炭素薄膜の核が形成される。制御装置２００は、これと並行して、真空ポンプ１３０を吸引駆動制御して、第１成膜室１２１のガスを排気配管１３１を経て排気する。ステップＳ１１０での核形成は、所定時間、例えば５秒程度、継続される。なお、小流量での原料ガス供給に伴う核形成は、既存手法と変わるものではないので、原料ガスの供給流量については、成膜対象となる基板の成膜面積等に応じて、適宜、決定される。

核形成に続き、制御装置２００は、バルブＶ１〜Ｖ１２を図４に示す状態に駆動制御した上で流量調整機器１１３Ｃでの流量調整を行い、原料タンク１１２から原料ガスを大流量で第１成膜室１２１に供給する（ステップＳ１２０）。この際、制御装置２００は、第１成膜室１２１における図示しないプラズマ生成機器についても、核から成長するような成膜ができるよう駆動制御する。これにより、第１成膜室１２１では、供給された原料ガスたるピリジンの炭素薄膜が、核から成長するようにして成膜される。制御装置２００は、真空ポンプ１３０を継続的に吸引駆動制御して、第１成膜室１２１のガスを排気配管１３１を経て排気する。ステップＳ１２０での成膜は、所定時間、例えば１５秒程度、継続される。なお、大流量での原料ガス供給に伴う成膜は、既存手法と変わるものではないので、原料ガスの供給流量については、成膜対象となる基板の成膜面積等に応じて、適宜、決定される。

成膜が完了すると、制御装置２００は、バルブＶ１〜Ｖ１２を図４に示す状態に駆動制御して、窒素だけを第１成膜室１２１に供給し、終端処理を行う（ステップＳ１３０）。この終端処理は、成膜の膜表面の酸化防止や未分解生成物の付着防止を図るための既存処理である。この際、制御装置２００は、真空ポンプ１３０を継続的に吸引駆動制御して、第１成膜室１２１のガス排気を行う。このステップＳ１３０までの処理が完了すると、制御装置２００は、第１成膜室１２１で成膜済みの基板の搬出と、新たな基板の搬入に関する処理を行い、今まで成膜運用されていなかった第２成膜室１２２での成膜を図るべく、第２成膜室１２２について、ステップＳ１００からの処理を行う。

以上説明したように、本実施形態のプラズマ成膜装置１００は、核形成のために原料ガスたるピリジンを小流量で第１成膜室１２１、或いは第２成膜室１２２に供給するに当たり、この小流量でのガス供給に先立って、原料ガス供給配管１１３に残存するガスを真空ポンプ１３０により連通配管１４０を経てプレ排気する（ステップＳ１００）。そして、本実施形態のプラズマ成膜装置１００は、この残存ガスのプレ排気の後に、流量調整機器１１３Ｃにて小流量に流量調整された原料ガス（ピリジン）を第１成膜室１２１、或いは第２成膜室１２２に供給する（ステップＳ１１０）。よって、本実施形態のプラズマ成膜装置１００によれば、核形成のために小流量で供給される原料ガスたるピリジンを、当初から小流量で維持したまま、第１成膜室１２１、或いは第２成膜室１２２に供給できるので、小流量での原料ガス供給が速やかになされ、生産効率の向上に寄与できる。

本実施形態のプラズマ成膜装置１００は、原料ガス供給配管１１３に残存するガスを真空ポンプ１３０により連通配管１４０を経てプレ排気した後に、この原料ガス供給配管１１３に原料ガスたるピリジンを充填するので（ステップＳ１００）、原料ガスたるピリジンの供給当初から、その供給量を小流量のままより確実に維持できる。この結果、小流量での原料ガス供給に伴う核形成が確実となり、その後の、核からの成長を経た成膜も好適となる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記の実施形態では、第１成膜室１２１と第２成膜室１２２とを交互に運用するように構成したが、一つの第１成膜室１２１にて成膜を図るようにしてもよい。

１００…プラズマ成膜装置
１１０…ガス供給機構
１１２…原料タンク
１１３…原料ガス供給配管
１１３Ｃ…流量調整機器
１１４…窒素タンク
１１５…窒素供給配管
１１５Ｃ…流量調整機器
１１６…アルゴンタンク
１１７…アルゴン供給配管
１１７Ｃ…流量調整機器
１２１…第１成膜室
１２２…第２成膜室
１３０…真空ポンプ
１３１…排気配管
１４０…連通配管
２００…制御装置
Ｖ１〜Ｖ１２…バルブ

Claims

プラズマ成膜方法であって、
成膜室のガスを排気する排気行程と、
原料ガス供給源から前記成膜室に到るガス供給配管を経て、前記成膜室に小流量の第１の流量で原料ガスを供給し、前記成膜室にて前記原料ガスから成膜する第１成膜工程と、
前記ガス供給配管を経て、前記成膜室に前記第１の流量より大流量の第２の流量で原料ガスを供給し、前記成膜室にて前記原料ガスから成膜する第２成膜工程と、
前記第１の流量に流量調整された前記原料ガスが前記成膜室に供給される前に、前記ガス供給配管の残存ガスを排気する残存ガス排気工程とを含む成膜処理により前記成膜室において成膜対象基板への成膜を図るに当たり、
前記成膜室としての第１成膜室と第２成膜室の一方の成膜室で前記成膜処理が実行されている成膜状況下では、他方の成膜室では、該他方の成膜室で前記成膜処理済みの前記成膜対象基板を前記他方の成膜室から搬出して前記他方の成膜室に新たな前記成膜対象基板を搬入する第１運用工程と、
前記一方の成膜室で前記成膜処理が完了すると、前記他方の成膜室で前記成膜処理を実行し、前記一方の成膜室では、該一方の成膜室で前記成膜処理済みの前記成膜対象基板を前記一方の成膜室から搬出して前記一方の成膜室に新たな前記成膜対象基板を搬入する第２運用工程とを備え、前記第１運用工程と前記第２運用工程とを複数回繰り返す、
プラズマ成膜方法。