JP6467990B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成する等の処理を行うためのプラズマ処理装置に関するものである。

従来より、プラズマを用い、鋼材等の導電性を有する被加工材料の表面に皮膜を形成するための成膜装置が、種々提案されている。
例えば、下記特許文献１に開示された成膜装置では、処理容器内に配置される石英等の誘電体からなるマイクロ波導入口を経由し、保持具及び被加工材料の処理表面にパルス状のマイクロ波パルスが供給される。この結果、高密度プラズマが形成され，高速でダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜が成膜される。

また、マイクロ波導入口の保持具が配置されたマイクロ波導入面を除く外周面は、ステンレス等の金属で形成された側面電極で被覆されている。側面電極は、マイクロ波導入面の外周に接触する部分から、側面電極の全周に渡って処理容器内へ突出された筒状の包囲壁部が形成されている。包囲壁部は、保持具及び被加工材料から構成された中心導体を内側に囲むようにマイクロ波導入面の全周に渡って形成されている。この結果、マイクロ波を拡大されたシース層へ伝搬させるマイクロ波導入面は、マイクロ波の伝搬方向へ突出する包囲壁部によって囲まれている。

そのため、中心導体の表面に形成されたシース層を囲んで、マイクロ波導入面側が閉塞された包囲空間が包囲壁部の内側に形成される。これにより、包囲空間へ供給された原料ガスにより中心導体へ成膜が行われた後に、包囲空間への新たな原料ガスの供給を低減することができ、マイクロ波導入面へのＤＬＣ膜成分の付着量を低減し、生産性の向上を図ることができる。

特開２０１４−１８９９００号公報

しかしながら、前記した特許文献１に開示された技術では、マイクロ波導入面の全周に渡って包囲壁部を設けることによって、高密度プラズマは、包囲壁部の上部に位置する被加工材料の周囲に集中しているが、原料ガスは、処理容器内の全体に拡がる。このため、原料ガスの一部のみが、高密度プラズマが集中した被加工材料の周囲における成膜に使われ、残りの原料ガスはそのままプラズマの周囲を通って外部へ排気される可能性がある。その結果、包囲壁部の上部に位置する被加工材料の周囲では、高密度プラズマへの原料ガスの供給が不足する虞がある。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、原料ガスを被加工材料の周囲に生成された高密度プラズマに効率よく供給できる成膜装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る成膜装置は、導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波をマイクロ波導入面を介して、マイクロ波導入面に対し前記処理容器内に突出するように配置された被加工材料の処理表面に沿う拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波導入口と、前記マイクロ波導入口の前記マイクロ波導入面を囲み、前記マイクロ波導入面よりも前記マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する包囲壁と、前記ガス供給部によって前記ガスが供給される前記処理容器において、前記包囲壁の周囲を囲み、前記包囲壁との間で、前記被加工材料側に開口した排気流路を形成する排気壁と、前記排気流路を介して前記処理容器内の前記ガスを吸気して前記処理容器の外部に排気する排気部と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に係る成膜装置は、請求項１に記載の成膜装置において、前記排気壁は、前記包囲壁の突出側先端部よりも前記包囲壁の突出方向に突出することを特徴とする。

また、請求項３に係る成膜装置は、請求項１又は請求項２に記載の成膜装置において、前記排気壁は、前記包囲壁の外周面と前記排気壁の内周面との距離が前記包囲壁の突出方向に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置において、前記ガスが前記処理容器内に供給されるガス供給口は、前記排気壁の先端よりも前記包囲壁の突出方向側に配置されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置において、前記排気壁は、前記包囲壁の突出側先端部から前記包囲壁の突出方向に延出されて前記プラズマを囲むプラズマ包囲部を有し、前記プラズマ包囲部は、前記ガスが通過可能なプラズマ用通気孔が形成されていることを特徴とする。

更に、請求項６に係る成膜装置は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置において、前記包囲壁と前記排気壁との一部を連結する連結部を備えていることを特徴とする。

請求項１に係る成膜装置では、包囲壁と排気壁とによって形成された排気流路を介して処理容器内のガスが吸気されるため、ガスが包囲壁の先端部の周囲に生成された高密度プラズマを通過した後、外部に排気される。これにより、ガスのほとんどが被加工材料の処理表面の周囲に生成された高密度プラズマを通過するため、ガスを被加工材料の周囲に生成された高密度プラズマに効率よく供給することが可能となる。その結果、包囲壁の上部に位置する被加工材料の周囲では、高密度プラズマへのガスの供給が不足する可能性を低減できる。

また、請求項２に係る成膜装置では、排気壁は、包囲壁の突出側先端部よりも包囲壁の突出方向に突出するため、排気壁の先端部が高密度プラズマのマイクロ波導入口側端部を囲むことが可能となる。これにより、ガスを被加工材料のマイクロ波導入口側端部の周囲に生成された高密度プラズマに効率よく供給することができる。

また、請求項３に係る成膜装置では、排気壁は、包囲壁の外周面と排気壁の内周面との距離が包囲壁の突出方向に向かって大きくなるように形成されているため、より多くのガスを排気流路内に吸気して処理容器の外部に排気することが可能となる。

また、請求項４に係る成膜装置では、ガスが処理容器内に供給されるガス供給口は、排気壁の先端よりも包囲壁の突出方向側に配置されているため、排気壁の先端部の周囲に生成された高密度プラズマにガスをより無駄なく供給することができる。

また、請求項５に係る成膜装置では、被加工材料の処理表面の周囲に生成された高密度プラズマを囲むように設けられたプラズマ包囲部内は、排気流路に繋がっている。そのため、処理容器内のガスは、プラズマ包囲部に形成されたプラズマ用通気孔を介して吸気され、高密度プラズマに更に効率よく供給することが可能となる。その結果、包囲壁の上部に位置する被加工材料の周囲では、高密度プラズマへのガスの供給が不足する可能性をより低減できる。

更に、請求項６に係る成膜装置では、包囲壁の先端部と排気壁の先端部との一部が連結部によって連結されているため、包囲壁と排気壁とを一体的に交換することができ、交換作業の効率化を図ることができる。また、処理容器内のガスが、包囲壁の先端部と排気壁の先端部と連結部とで形成される隙間から排気流路へ吸気されるため、ガスが包囲壁の先端部の周囲に生成された高密度プラズマを通過した後、外部に排気される。これにより、ガスを被加工材料の周囲に生成された高密度プラズマに効率よく供給することが可能となる。

第１実施形態に係る成膜装置１の概略構成を示す説明図である。 被加工材料８と包囲壁２３Ａと排気壁２８の配置を説明する説明図である。 第２実施形態に係る成膜装置４１の概略構成を示す説明図である。 第３実施形態に係る成膜装置５１の概略構成を示す説明図である。 第４実施形態に係る成膜装置６１の概略構成を示す説明図である。 包囲壁２３Ａと排気壁６２の各先端部を連結する連結部６３を示す平面図である。

以下、本発明に係る成膜装置について具体化した第１実施形態乃至第４実施形態に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係る成膜装置１の概略構成について図１及び図２に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態に係る成膜装置１は、処理容器２、真空ポンプ３、ガス供給部５、及び制御部６等から構成されている。処理容器２は、ステンレス等の金属製であって、気密構造の処理容器である。真空ポンプ３は、圧力調整バルブ７を介して処理容器２の内部を真空排気可能なポンプである。処理容器２の内部には、成膜対象である導電性を有する被加工材料８が、ステンレス等で形成された導電性を有する保持具９により保持されている。

被加工材料８の材質は、導電性を有していれば、特に限定されるものではないが、第１実施形態では低温焼戻し鋼である。ここで低温焼戻し鋼とは、ＪＩＳ Ｇ４０５１（機械構造用炭素鋼鋼材）、Ｇ４４０１（炭素工具鋼鋼材）、Ｇ４４−４（合金工具用鋼材）、又はマルエージング鋼材などの材料である。被加工材料は、低温焼戻し鋼以外にも、セラミック、または樹脂に導電性の材料がコーティングされているものでもよい。

ガス供給部５は、処理容器２の内部に成膜用の原料ガスと不活性ガスとを供給する。具体的には、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅなどの不活性ガスとＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、又はＴＭＳ（テトラメチルシラン）等の原料ガスとが供給される。第１実施形態では、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２のうちのいずれか１種類、及びＴＭＳの原料ガスにより被加工材料８がＤＬＣ成膜処理されるとして説明する。

また、ガス供給部５から供給される原料ガス、および不活性ガスの流量、および圧力が制御部６を介して制御されてもよいし、作業者により制御されてもよい。また、原料ガスは、アルキン、アルケン、アルカン、芳香族化合物などのＣＨ結合を有する化合物、または炭素が含まれる化合物が含まれるガスであればよい。また、Ｈ_２が原料ガスに含まれてもよい。

処理容器２の内部に保持された被加工材料８に対してＤＬＣ成膜処理を行うためのプラズマが発生される。このプラズマは、マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、負電圧電源１５、及び負電圧パルス発生部１６により発生される。第１実施形態では、特開２０１４−１８９９００号公報に開示された方法（以下「ＭＶＰ法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ｓｈｅａｔｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｐｌａｓｍａ法）」という。）により表面波励起プラズマが発生されるとして説明する。以降の記載では、ＭＶＰ法を説明する。

マイクロ波パルス制御部１１は制御部６の指示に従い、パルス信号を発振し、この発振したパルス信号をマイクロ波発振器１２へ供給する。マイクロ波発振器１２は、マイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、マイクロ波パルスを発生する。マイクロ波電源１３は、制御部６の指示従い、指示された出力で２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波発振器１２へ電力供給する。つまり、マイクロ波発振器１２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波パルス制御部１１からのパルス信号に従って、パルス状のマイクロ波パルスで後述するアイソレータ１７に供給する。

そして、パルス状のマイクロ波パルスは、マイクロ波発振器１２からアイソレータ１７、チューナー１８、導波管１９、導波管１９から図示されない同軸導波管変換器を介して突設された同軸導波管２１、及び石英などのマイクロ波を透過する誘電体等からなるマイクロ波導入口２２を経由し、保持具９及び被加工材料８の処理表面に供給される。アイソレータ１７は、マイクロ波の反射波がマイクロ波発振器１２へ戻ることを防ぐものである。チューナー１８は、反射エネルギー検出部で検出した導波管１９内を反射してくるマイクロ波の位相と大きさに基づいてマイクロ波の反射波が最小になるようにチューナー１８前後のインピーダンスを整合をするものである。

マイクロ波導入口２２の上端面を除く外周面は、つまり、マイクロ波導入面２２Ａを除く外周面は、ステンレス等の金属で形成された側面電極２３で被覆されている。側面電極２３は、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されている。側面電極２３は、すくなくとも１のネジなどの取付部材で取り付けられればよい。

図１及び図２に示すように、側面電極２３は、マイクロ波導入面２２Ａの外周に接触する部分から、側面電極２３の全周に渡って処理容器２内へ所定高さ、例えば、約３０ｍｍ〜５０ｍｍの高さで突出された筒状の包囲壁２３Ａが形成されている。包囲壁２３Ａは、保持具９及び被加工材料８から構成される中心導体２５を内側に囲むようにマイクロ波導入面２２Ａの全周に渡って形成されている。即ち、包囲壁２３Ａは、ステンレス等の金属で形成されている。

また、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部は、被加工材料８の下端部よりも低くなるように形成され、包囲壁２３Ａの内周面から中心導体２５の外周面までの距離は、包囲壁２３Ａのマイクロ波導入面２２Ａからの高さ寸法よりも短くなるように形成されている。従って、包囲壁２３Ａは、マイクロ波導入面２２Ａ側が閉塞され、且つ、処理容器２内側が開放された略円筒状に形成され、中心導体２５を囲む包囲空間２６を内側に形成している。

従って、包囲壁２３Ａの内周面と中心導体２５の外周面との間に形成された包囲空間２６は、シース層のシース厚さ方向の幅が狭く、且つ、マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ高くなるように形成される。これにより、包囲空間２６内へ供給された原料ガスにより中心導体２５への成膜が行われた後に、プラズマ化された不活性ガスで満たされた包囲空間２６内への更なる原料ガスの供給を低減することができ、マイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着量を低減することができる。

ここで、包囲壁２３Ａの内周面から中心導体２５の外周面までの距離は２ｍｍ以下、望ましくは１ｍｍ以下である。また、マイクロ波導入面２２Ａから包囲壁２３Ａの先端部２３Ｂまでの高さは、３０ｍｍ以上になるように形成されるのが望ましい。これによりマイクロ波導入面２２Ａへの膜成分の付着による汚れを大幅に抑制することができ生産性が向上する。包囲壁２３Ａの内周面から中心導体２５の外周面までの距離が３ｍｍ以上となるとマイクロ波導入面２２Ａの汚れの抑制効果が小さくなり、頻繁にマイクロ波導入面２２Ａの清掃が必要となる。

尚、筒状の包囲壁２３Ａの部分だけが、別部品のセラミック、または樹脂で形成され、少なくとも包囲壁２３Ａの内周面に、導電性の金属材料がコーティングされてもよい。そして、筒状の包囲壁２３Ａの軸方向一端側をステンレス等の金属製の側面電極２３の上側に固定して、包囲壁２３Ａの内周面と中心導体２５の外周面との間に包囲空間２６を形成するようにしてもよい。

包囲壁２３Ａの内周面は金属で形成されており、この内周面には負のバイアス電圧が印加されないので、包囲壁２３Ａの内側に配置される中心導体２５にプラズマが集中する。従って、電界集中によるアーキングの発生を低減させることができる。更に、包囲壁２３Ａの内周面が処理容器２と等電位であっても、包囲壁２３Ａの内側に配置される中心導体２５にプラズマが集中する。

また、マイクロ波導入口２２の中央には同軸導波管２１の中心導体が延長されている。保持具９も中心導体の延長上にあり、マイクロ波導入口２２内では中心導体となる。従って、マイクロ波導入口２２の中心導体と側面電極２３とで同軸導波管として機能する。このため、マイクロ波導入口２２に供給されたマイクロ波パルスによって、マイクロ波導入面２２Ａにマイクロ波が伝搬し、包囲空間２６にプラズマが生成される。尚、マイクロ波導入口２２の中心導体は真空を保持するため、途中で分断されているが、誘電体とのろう付け等で真空が保持されれば、貫通していてもよい。被加工材料８は、例えば棒状であり、マイクロ波導入口２２の中心導体の延長線上に保持される。

また、包囲壁２３Ａの外側には、包囲壁２３Ａを内側に囲み、被加工材料８側に開口した筒状の排気壁２８が設けられている。即ち、排気壁２８は、包囲壁２３Ａの突出方向において、マイクロ波導入面２２Ａと反対側に開口する。排気壁２８は、包囲壁２３Ａと略同軸の略円筒状に形成され、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部よりも包囲壁２３Ａの突出方向に突出し、ステンレス等の金属で形成されている。

また、筒状の排気壁２８のマイクロ波導入口２２側の端縁部から延出され、側面電極２３を内側に囲む排気ダクト３１が設けられている。排気ダクト３１は、側面電極２３の近くの処理容器２の内側面に形成された排気口２９を内側に囲むように設けられている。排気ダクト３１は、ステンレス等の金属で形成され、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されている。

従って、排気壁２８及び排気ダクト３１は、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３の外側周囲を囲み、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部周囲に形成された平面視略円環状の吸気口３２Ａから排気口２９に連通する排気流路３２を形成する。また、排気口２９には、圧力調整バルブ７が接続され、真空ポンプ３を介して処理容器２内の真空排気が制御可能に構成されている。

また、被加工材料８は、被加工材料８を保持する保持具９からマイクロ波導入口２２に対して処理容器２の内側に向かって突出するように配置されている。また、被加工材料８の保持具９に対して反対側の部分の先端部８Ａには、負のバイアス電圧パルスを印加するための負電圧電極３５が電気的に接続されている。

負電圧電源１５は、制御部６の指示に従い、負電圧パルス発生部１６に負のバイアス電圧を供給する。負電圧パルス発生部１６は、負電圧電源１５から供給された負のバイアス電圧をパルス化する。このパルス化の処理は、負電圧パルス発生部１６が制御部６の指示に従い、負のバイアス電圧パルスの大きさ、周期、及び、デューティ比を制御する処理である。このデューティ比に従うパルス状の負のバイアス電圧である負のバイアス電圧パルスが、処理容器２の内部に保持された被加工材料８に負電圧電極３５を介して印加される。

即ち、被加工材料８が、金属基材の場合、またはセラミック、または樹脂に導電性の金属材料がコーティングされた場合であっても、被加工材料８の少なくとも処理表面全域に負のバイアス電圧パルスが印加される。また、保持具９の表面全域にも被加工材料８を介して負のバイアス電圧パルスが印加される。

そして、発生されたマイクロ波パルス、および負のバイアス電圧パルスの少なくとも一部が同一時間に印加されるように制御されることにより、図１に示すように、表面波励起プラズマ３６が発生される。マイクロ波は２．４５ＧＨｚに限らず、０．３ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの周波数であればよい。負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６が本発明の負電圧印加部の一例である。

マイクロ波パルス制御部１１、マイクロ波発振器１２、マイクロ波電源１３、アイソレータ１７、チューナー１８、及び導波管１９が本発明のマイクロ波供給部の一例である。尚、成膜装置１は負電圧電源１５、および負電圧パルス発生部１６を備えたが、正電圧電源、および正電圧パルス発生部を備えてもよいし、負電圧パルス発生部１６の代わりに、パルス状の負のバイアス電圧でなく、連続する負のバイアス電圧を印加する負電圧発生部を備えてもよい。

図１に示す制御部６は、不図示のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ（以下、「ＨＤＤ」という。）、タイマ等を備え、コンピュータから構成され、成膜装置１の全体の制御を行う。制御部６のＲＯＭとＨＤＤは、不揮発性記憶装置であり、マイクロ波パルスと負のバイアス電圧パルスの印加タイミングを示す情報等を記憶している。

制御部６は、負電圧電源１５とマイクロ波電源１３に制御信号を出力してマイクロ波パルスの印加電力と負電圧パルスの印加電圧を制御する。制御部６は、負電圧パルス発生部１６及びマイクロ波パルス制御部１１に制御信号を出力することによって、パルス状の負のバイアス電圧パルスの印加タイミング、供給電圧、及びマイクロ波発振器１２から発生されるマイクロ波パルスの供給タイミング、及び供給電力を制御する。

また、制御部６は、ガス供給部５に流量制御信号を出力して原料ガス及び不活性ガスの供給を制御する。制御部６は、処理容器２に取り付けられた真空計２７から入力される処理容器２内の圧力を表す圧力信号に基づいて、制御信号を圧力調整バルブ７に出力して、排気流路３２を介して処理容器２内の原料ガスや不活性ガスを外部に排気して、処理容器２内の圧力を制御する。また、ガス供給部５から処理容器２内に原料ガス及び不活性ガスが供給されるガス供給口５Ａは、排気壁２８のマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部よりも包囲壁２３Ａの突出方向側に配置されている。ガス供給口５Ａは、処理容器２内の天井部近傍に配置されるのが好ましい。

［表面波励起プラズマの説明］
通常、表面波励起プラズマを発生させる場合、ある程度以上の電子（イオン）密度におけるプラズマと、これに接する誘電体との界面に沿ってマイクロ波が供給される。供給されたマイクロ波は、この界面に電磁波のエネルギーが集中した状態で表面波として伝播される。その結果、界面に接するプラズマは高エネルギー密度の表面波によって励起され、さらに増幅される。これにより高密度プラズマが生成されて維持される。ただし、この誘電体を導電性材料に換えた場合、導電性材料は表面波の導波路としては機能せず、好ましい表面波の伝播及びプラズマ励起を生ずることはできない。

一方、プラズマに接する物体の表面近傍には、本質的に単一極性の荷電粒子層、いわゆるシース層が形成される。物体が、負のバイアス電圧を加えた導電性を有する被加工材料８の場合、シース層とは電子密度が低い層、すなわち、正極性であって、マイクロ波の周波数帯においてはほぼ比誘電率ε≒１の層である。このため、印加する負のバイアス電圧の絶対値を例えば−１００Ｖの絶対値より大きくすることによりシース層のシース厚さを厚くできる。すなわちシース層が拡大する。このシース層が、プラズマとプラズマに接する物体との界面に表面波を伝播させる誘電体として作用する。

従って、図１に示すように、被加工材料８を保持する保持具９の一端に近接して配置されたマイクロ波導入面２２Ａからマイクロ波が供給され、かつ被加工材料８及び保持具９に、負電圧電極３５を介して負のバイアス電圧が印加されると、マイクロ波はシース層とプラズマとの界面に沿って表面波として伝搬する。この結果、被加工材料８及び保持具９の表面に沿って表面波に基づく高密度励起プラズマが発生する。この高密度励起プラズマが、上述した表面波励起プラズマ３６である。

このような被加工材料８の表面の近傍での表面波励起による高密度プラズマの電子密度は１０^１１〜１０^１２ｃｍ^―３に達する。このＭＶＰ法を用いたプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合は、通常の負のバイアス電圧エネルギーのプラズマＣＶＤによりＤＬＣ成膜処理される場合よりも１桁から２桁高い成膜速度３〜３０（ナノｍ／秒）が得られる。この結果、ＭＶＰ法によるプラズマＣＶＤの成膜時間は通常のプラズマＣＶＤの成膜時間の１／１０〜１／１００となる。

従って、上記のように構成された第１実施形態に係る成膜装置１では、ＤＬＣ成膜時には、制御部６を介して圧力調整バルブ７及び真空ポンプ３が駆動制御されて、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、排気壁２８及び排気ダクト３１とによって形成された排気流路３２の吸気口３２Ａから処理容器２内の原料ガスや不活性ガスが吸気され、排気ダクト３１内を流れて排気口２９から排気される。このため、処理容器２内の原料ガスは、包囲壁２３Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後、排気ダクト３１内を流れて処理容器２の外部に排気される可能性が高くなる。

これにより、原料ガスと不活性ガスのほとんどが被加工材料８の処理表面の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過させられる。その結果、被加工材料８の処理表面に高い成膜速度でＤＬＣ成膜が行われても、原料ガスを被加工材料８の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面における成膜速度の向上を図ることができる。また、処理容器２内に不活性ガスのみが供給された場合には、供給された不活性ガスを被加工材料８の周囲に生成された不活性ガスの表面波励起プラズマ３６に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面のクリーニング速度、つまり、エッチング速度の向上を図ることができる。

また、排気壁２８は、包囲壁２３Ａの突出側先端部２３Ｂよりも包囲壁２３Ａの突出方向に突出するため、排気壁２８の先端部２８Ａが、被加工材料８のマイクロ波導入口２２側端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を囲むことが可能となる。これにより、原料ガスや不活性ガスを被加工材料８のマイクロ波導入口２２側端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に効率よく供給することができる。

尚、図２に示すように、排気壁２８の内周面と包囲壁２３Ａの外周面との距離Ｌ２は、包囲壁２３Ａの内周面と中心導体２５の外周面との距離Ｌ１よりも大きくなるように形成されるのが望ましい。これにより、処理容器２内の原料ガスや不活性ガスの排気速度を落とさずに、原料ガスを被加工材料８の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に効率よく供給することができる。

また、原料ガスと不活性ガスが処理容器２内に供給されるガス供給口５Ａは、排気壁２８のマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部２８Ａよりも包囲壁２３Ａの突出方向側に配置されているため、排気壁２８のマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部２８Ａの周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に原料ガスと不活性ガスをより無駄なく供給することができる。

また、ＤＬＣ成膜初期においては、包囲空間２６においてプラズマが発生し、原料ガスが消費される。それ以降は、初期において包囲空間２６内に供給されていた原料ガスは消費され、包囲空間２６内はプラズマ化した不活性ガスで満たされているので、更なる包囲空間２６内への原料ガスの供給は低減され、この原料ガスのプラズマの発生が抑えられる。

この結果、マイクロ波導入面２２ＡへのＤＬＣ膜成分の付着量を低減させることができる。また、更に、マイクロ波導入面２２Ａに付着したＤＬＣ膜は、包囲空間２６内のプラズマ化した不活性ガスによってイオンクリーニングされ、マイクロ波導入口２２の使用可能回数を大幅に伸ばすことが可能となり、生産性の向上を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る成膜装置４１について図３に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態に係る成膜装置１と同一符号は、上記第１実施形態に係る成膜装置１と同一あるいは相当部分を示すものである。

この第２実施形態に係る成膜装置４１の全体構成は、第１実施形態に係る成膜装置１とほぼ同じ構成である。また、第２実施形態に係る成膜装置４１の制御構成及び制御処理は、第１実施形態に係る成膜装置１の制御構成及び制御処理とほぼ同じである。
但し、第２実施形態に係る成膜装置４１は、排気壁２８に替えて、排気壁４２が設けられている点で第１実施形態に係る成膜装置１と異なっている。

図３に示すように、排気壁４２は、排気壁２８とほぼ同じ構成であるが、包囲壁２３Ａの外周面と排気壁４２の内周面との距離が、包囲壁２３Ａの処理容器２内側への突出方向に向かって大きくなる略筒状に形成されている。例えば、排気壁４２の外側方向への傾き角度は、約５度乃至１０度である。また、排気壁４２は、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部２３Ｂよりも包囲壁２３Ａの突出方向に突出して包囲壁２３Ａを囲み、ステンレス等の金属で形成されている。

そして、排気壁４２及び排気ダクト３１は、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３の外側周囲を囲み、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部周囲に形成された平面視略円環状の吸気口４３Ａから排気口２９に連通する排気流路４３を形成する。従って、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部周囲に形成された正面視略円環状の吸気口４３Ａの外径は、第１実施形態に係る成膜装置１の正面視略円環状の吸気口３２Ａの外径よりも大きい外径に形成される。また、排気口２９には、圧力調整バルブ７が接続され、真空ポンプ３を介して処理容器２内の真空排気が制御可能に構成されている。

上記のように構成された第２実施形態に係る成膜装置４１では、ＤＬＣ成膜時には、制御部６を介して圧力調整バルブ７及び真空ポンプ３が駆動制御されて、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、排気壁４２及び排気ダクト３１とによって形成された排気流路４３の吸気口４３Ａから処理容器２内の原料ガスや不活性ガスが吸気され、排気ダクト３１内を流れて排気口２９から排気される。このため、処理容器２内の原料ガスは、包囲壁２３Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後、排気ダクト３１内を流れて処理容器２の外部に排気される。

従って、第２実施形態に係る成膜装置４１は、第１実施形態に係る成膜装置１が奏する効果に加えて、排気壁４２は、包囲壁２３Ａの外周面と排気壁４２の内周面との距離が包囲壁２３Ａの突出方向に向かって大きくなるように形成されているため、吸気口４３Ａからより多くの原料ガスと不活性ガスを排気流路４３内に吸気して処理容器２の外部に排気することが可能となる。その結果、ほとんどの原料ガスと不活性ガスが被加工材料８の処理表面の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過させられる。

これにより、原料ガスを被加工材料８の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に更に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面における成膜速度の向上を図ることができる。また、処理容器２内に不活性ガスのみが供給された場合には、供給された不活性ガスを被加工材料８の周囲に生成された不活性ガスの表面波励起プラズマ３６に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面のクリーニング速度、つまり、エッチング速度の向上を図ることができる。

また、包囲壁２３Ａの外周面と排気壁４２の内周面との距離が、包囲壁２３Ａの処理容器２内側への突出方向に向かって大きくなるように形成されると共に、包囲壁２３Ａの突出側先端部２３Ｂよりも包囲壁２３Ａの突出方向に突出する。このため、排気壁４２の先端部４２Ａが、被加工材料８のマイクロ波導入口２２側端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６をほとんど囲むことが可能となる。これにより、原料ガスや不活性ガスを被加工材料８のマイクロ波導入口２２側端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に更に効率よく供給することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る成膜装置５１について図４に基づいて説明する。尚、上記第２実施形態に係る成膜装置４１と同一符号は、上記第２実施形態に係る成膜装置４１と同一あるいは相当部分を示すものである。

この第３実施形態に係る成膜装置５１の全体構成は、第２実施形態に係る成膜装置４１とほぼ同じ構成である。また、第３実施形態に係る成膜装置５１の制御構成及び制御処理は、第２実施形態に係る成膜装置４１の制御構成及び制御処理とほぼ同じである。
但し、第３実施形態に係る成膜装置５１は、排気壁４２の処理容器２内側の先端部から全周に渡って包囲壁２３Ａの突出方向に延出されて、表面波励起プラズマ３６を囲むプラズマ包囲部５２が設けられている点で、第２実施形態に係る成膜装置４１と異なっている。

図４に示すように、プラズマ包囲部５２は、排気壁４２の被加工材料８までの距離が最も広い処理容器２内側の先端部から、全周に渡って、包囲壁２３Ａの突出方向に向かって略筒状に延出されている。また、略筒状のプラズマ包囲部５２は、プラズマ包囲部５２の内周面と被加工材料８の外周面との距離が、包囲壁２３Ａの突出方向に向かって小さくなるように形成されている。また、包囲壁２３Ａの突出方向側のプラズマ包囲部５２の先端部は、排気壁４２のマイクロ波導入口２２側端部の内径にほぼ等しい内径で処理容器２内に開口している。

更に、プラズマ包囲部５２の表面には、原料ガスと不活性ガスとが内側へ通過可能に貫通した多くのプラズマ用通気孔５２Ａが、周方向所定間隔で包囲壁２３Ａの突出方向全高さに渡って高さ方向所定間隔で形成されている。また、プラズマ包囲部５２は、被加工材料８の先端部８Ａよりも包囲壁２３Ａの突出方向に突出して被加工材料８を囲み、ステンレス等の金属で形成されている。従って、被加工材料８及び保持具９の表面に沿って発生した表面波励起プラズマ３６は、排気壁４２及びプラズマ包囲部５２によって囲まれる。

そして、排気壁４２及び排気ダクト３１は、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３の外側周囲を囲み、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部周囲に形成された正面視略円環状の吸気口４３Ａから排気口２９に連通する排気流路４３を形成する。従って、排気壁４２及びプラズマ包囲部５２によって囲まれた被加工材料８の周囲の空間５３は、吸気口４３Ａを介して排気流路４３に連通している。また、排気口２９には、圧力調整バルブ７が接続され、真空ポンプ３を介して処理容器２内の真空排気が制御可能に構成されている。

上記のように構成された第３実施形態に係る成膜装置５１では、ＤＬＣ成膜時には、制御部６を介して圧力調整バルブ７及び真空ポンプ３が駆動制御されて、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、排気壁４２及び排気ダクト３１とによって形成された排気流路４３の吸気口４３Ａから、排気壁４２及びプラズマ包囲部５２によって囲まれた被加工材料８の周囲の空間５３内の原料ガスや不活性ガスが吸気され、排気ダクト３１内を流れて排気口２９から排気される。

このため、処理容器２内の原料ガスと不活性ガスは、プラズマ包囲部５２の表面部に形成された各プラズマ用通気孔５２Ａから、排気壁４２及びプラズマ包囲部５２によって囲まれた被加工材料８の周囲の空間５３内に流入し、被加工材料８及び保持具９に周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後、吸気口４３Ａから排気ダクト３１内を流れて処理容器２の外部に排気される。

従って、第３実施形態に係る成膜装置５１は、第２実施形態に係る成膜装置４１が奏する効果に加えて、処理容器２内の原料ガスは、プラズマ包囲部５２に形成された多くのプラズマ用通気孔５２Ａを介して、排気壁４２及びプラズマ包囲部５２によって囲まれた被加工材料８の周囲の空間５３内に吸気され、表面波励起プラズマ３６に更に効率よく供給されて、被加工材料８の処理表面における成膜速度の向上及び均一化を図ることができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る成膜装置６１について図５及び図６に基づいて説明する。尚、上記第１実施形態に係る成膜装置１と同一符号は、上記第１実施形態に係る成膜装置１と同一あるいは相当部分を示すものである。

この第４実施形態に係る成膜装置６１の全体構成は、第１実施形態に係る成膜装置１とほぼ同じ構成である。また、第４実施形態に係る成膜装置６１の制御構成及び制御処理は、第１実施形態に係る成膜装置１の制御構成及び制御処理とほぼ同じである。
但し、第４実施形態に係る成膜装置６１は、排気壁２８に替えて、排気壁６２が設けられている点で第１実施形態に係る成膜装置１と異なっている。

図５及び図６に示すように、排気壁６２は、排気壁２８とほぼ同じ構成であるが、包囲壁２３Ａと略同軸の略円筒状に形成され、包囲壁２３Ａの処理容器２内側の先端部２３Ｂとほぼ同じ高さになるように包囲壁２３Ａの突出方向に突出し、ステンレス等の金属で形成されている。そして、排気壁６２と包囲壁２３Ａの突出方向側、つまり、被加工材料８側の先端部は、ステンレス等の平板の金属で形成された略リング状の連結部６３で連結されている。

また、連結部６３には、断面円形の８個の吸気孔６３Ａが同心円上にほぼ等間隔で貫通して形成されている。各吸気孔６３Ａの直径は、排気壁６２の内周面から包囲壁２３Ａの外周面までの距離にほぼ等しい寸法に形成されている。尚、各吸気孔６３Ａの断面形状は、円形に限らず、楕円形、菱形、矩形、三角形、六角形等の任意の形状に形成してもよい。

また、略円筒状の排気壁６２のマイクロ波導入口２２側の端縁部から全周に渡って延出され、側面電極２３を内側に囲むと共に、側面電極２３の近くの処理容器２の内側面に形成された排気口２９を囲む排気ダクト６５が設けられている。排気ダクト６５は、ステンレス等の金属で形成され、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されている。一方、ステンレス等の金属で形成された側面電極２３は、処理容器２の内側面に固定されておらず、処理容器２内側面に当接され、連結部６３、排気壁６２及び排気ダクト６５を介して処理容器２内に固定され、電気的に処理容器２に接続されている。

尚、筒状の包囲壁２３Ａの部分と側面電極２３とが、ステンレス等の金属で形成された別部品で形成されるようにしてもよい。そして、包囲壁２３Ａは、連結部６３を介して排気壁６２に連結されるようにしてもよい。また、側面電極２３は、処理容器２の内側面にネジ止め等によって固定され、電気的に処理容器２に接続されるようにしてもよい。包囲壁２３Ａは、連結部６３、排気壁６２及び排気ダクト６５を介して処理容器２内に固定され、側面電極２３の上側に当接されるようにしてもよい。

従って、排気壁６２及び排気ダクト６５は、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３の外側周囲を囲み、連結部６３に形成された８個の吸気孔６３Ａから排気口２９に連通する排気流路６６を形成する。また、排気口２９には、圧力調整バルブ７が接続され、真空ポンプ３を介して処理容器２内の真空排気が制御可能に構成されている。

上記のように構成された第４実施形態に係る成膜装置６１では、ＤＬＣ成膜時には、制御部６を介して圧力調整バルブ７及び真空ポンプ３が駆動制御されて、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、連結部６３、排気壁６２及び排気ダクト６５とによって形成された排気流路６６の各吸気孔６３Ａ（隙間）から処理容器２内の原料ガスや不活性ガスが吸気され、排気ダクト６５内を流れて排気口２９から排気される。このため、処理容器２内の原料ガスと不活性ガスは、包囲壁２３Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後、各吸気孔６３Ａから排気ダクト６５内を流れて処理容器２の外部に排気される。

従って、第４実施形態に係る成膜装置６１は、第１実施形態に係る成膜装置１が奏する効果に加えて、処理容器２内の原料ガスは、包囲壁２３Ａのマイクロ波導入面２２Ａに対して反対側の先端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後、排気ダクト６５内を流れて処理容器２の外部に排気される。

これにより、原料ガスのほとんどが被加工材料８の処理表面の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過した後に排気される。その結果、被加工材料８の処理表面に高い成膜速度でＤＬＣ成膜が行われても、原料ガスを被加工材料８の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面における成膜速度の向上を図ることができる。

また、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、排気壁６２及び排気ダクト６５とは、連結部６３によって連結されているため、包囲壁２３Ａ及び側面電極２３と、排気壁６２及び排気ダクト６５とを一体的に交換することができ、交換作業の効率化を図ることができる。

尚、本発明は前記第１実施形態乃至第４実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば、以下のようにしてもよい。また、以下の説明において、上記図１乃至図６に示す前記第１実施形態乃至第４実施形態に係る各成膜装置１、４１、５１、６１の構成等と同一符号は、前記第１実施形態乃至第４実施形態に係る各成膜装置１、４１、５１、６１の構成等と同一あるいは相当部分を示すものである。

例えば、成膜装置１の排気壁２８と成膜装置４１の排気壁４２を、包囲壁２３Ａの突出側先端部と同じ高さになるように形成してもよい。これにより、原料ガスや不活性ガスを被加工材料８のマイクロ波導入口２２側端部の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６を通過させることが可能となる。その結果、原料ガスを被加工材料８の周囲に生成された表面波励起プラズマ３６に効率よく供給して、被加工材料８の処理表面における成膜速度の向上を図ることが可能となる。

１、４１、５１、６１ 成膜装置
２ 処理容器
３ 真空ポンプ
７ 圧力調整バルブ
５ ガス供給部
６ 制御部
８ 被加工材料
９ 保持具
１１ マイクロ波パルス制御部
１２ マイクロ波発振器
１３ マイクロ波電源
１５ 負電圧電源
１６ 負電圧パルス発生部
１７ 導波管
２２ マイクロ波導入口
２２Ａ マイクロ波導入面
２３ 側面電極
２３Ａ 包囲壁
２８、４２、６２ 排気壁
３１、６５ 排気ダクト
３２、４３、６６ 排気流路
３６ 表面波励起プラズマ
５２ プラズマ包囲部
５２Ａ プラズマ用通気孔
６３ 連結部
６３Ａ 吸気孔

Claims (6)

1. 導電性を有する被加工材料を内部に配置可能な処理容器と、
   前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿ってプラズマを生成させるためのマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
   前記被加工材料の処理表面に沿うシース層を拡大させる負のバイアス電圧を前記被加工材料に印加する負電圧印加部と、
   前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波をマイクロ波導入面を介して、マイクロ波導入面に対し前記処理容器内に突出するように配置された被加工材料の処理表面に沿う拡大された前記シース層へ伝搬させるマイクロ波導入口と、
   前記マイクロ波導入口の前記マイクロ波導入面を囲み、前記マイクロ波導入面よりも前記マイクロ波が伝搬する伝搬方向へ突出する包囲壁と、
   前記ガス供給部によって前記ガスが供給される前記処理容器において、前記包囲壁の周囲を囲み、前記包囲壁との間で、前記被加工材料側に開口した排気流路を形成する排気壁と、
   前記排気流路を介して前記処理容器内の前記ガスを吸気して前記処理容器の外部に排気する排気部と、
   を備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記排気壁は、前記包囲壁の突出側先端部よりも前記包囲壁の突出方向に突出することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記排気壁は、前記包囲壁の外周面と前記排気壁の内周面との距離が前記包囲壁の突出方向に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記ガスが前記処理容器内に供給されるガス供給口は、前記排気壁の先端よりも前記包囲壁の突出方向側に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のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記排気壁は、前記包囲壁の突出側先端部から前記包囲壁の突出方向に延出されて前記プラズマを囲むプラズマ包囲部を有し、
   前記プラズマ包囲部は、前記ガスが通過可能なプラズマ用通気孔が形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記包囲壁と前記排気壁との一部を連結する連結部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成膜装置。

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