JP6549903B2

JP6549903B2 - Ｓｉ含有ＤＬＣ膜の成膜装置

Info

Publication number: JP6549903B2
Application number: JP2015107326A
Authority: JP
Inventors: 惣一朗野上; 渉榊原; 裕樹田代; 松岡　宏之; 宏之松岡
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: JP2016222941A

Description

本発明は、ワークの表面にＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する成膜装置に関する。

機械加工が施されるワークの硬度を高めたり、耐摩耗性を向上させるための手法として、ワークの表面にＤＬＣ膜をコーティングすることが知られている。また、耐熱性や耐焼付き性等を確保するために、Ｓｉ含有ＤＬＣ膜を成膜することも知られている。

ワークにＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する装置として、特許文献１のようなプラズマＣＶＤ法を用いた成膜装置がある。特許文献１の成膜装置では、同一ロット内のワークの成膜バラつきを低減させるために、原料ガスの導入管（以下、「ガス導入管」という）を階段状に径が小さくなるように加工し、原料ガスを処理室内に均一に導入することを試みている。

特開２０１３−１６３８４１号公報

しかしながら、特許文献１のガス導入管のような階段状に径を小さくする管の加工は容易に行うことはできず、処理室内に均一に原料ガスを導入できるような寸法精度の良いガス導入管を製造することは困難である。このため、特許文献１のガス導入管では、処理室内へのガス導入量を均一にできないおそれがあり、同一ロット内のワークに成膜バラつきが生じてしまう。

また、特許文献１の装置は、原料ガスを上流側に溢れさせる構造であるため、反応性の高いＳｉ含有ガスが上流側で消費され、下流側にはＳｉ含有ガスが流入し難くなってしまう。

一方、管先端まで一定の径を有するガス導入管を用いる場合には、ガス供給源から供給される原料ガスの勢いがガス導入管の先端に到達するまでの間に弱まってしまう。即ち、ガス導入管の内部においては原料ガスの圧力差が生じてしまう。これにより、ガス導入管に形成されたガス噴出口から噴出する原料ガスの流量が不均一となり、同一ロット内のワークに成膜バラつきが生じるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ｓｉ含有ＤＬＣ膜の成膜装置において、ガス導入管を従来よりも容易に製造すると共に、同一ロット内のワークの成膜バラつきを抑制することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、ワークにＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する成膜装置であって、ワークの成膜処理を行う処理室と、前記処理室内に配置され、ワークを支持する支持部材と、前記処理室内に原料ガスを導入するガス導入管とを備え、前記ガス導入管は、原料ガスが供給される内管と、前記処理室内に原料ガスを噴出する外管とを備えた二重管構造であり、前記内管に、前記ガス導入管の長手方向に沿って複数の第１のガス噴出口が形成され、前記外管に、前記長手方向に沿って複数の第２のガス噴出口が形成され、前記第１のガス噴出口の周方向における向きと、前記第２のガス噴出口の周方向における向きが異なり、かつ、前記第２のガス噴出口が前記処理室の内方に向くように前記ガス導入管が構成され、前記ガス導入管は、前記第１のガス噴出口の前記長手方向における位置と、前記第２のガス噴出口の前記長手方向における位置が異なり、前記第１のガス噴出口の前記長手方向における位置と、前記第２のガス噴出口の前記長手方向における位置が前記長手方向に沿って交互に位置し、前記内管先端に最も近い第１のガス噴出口の前記長手方向おける位置が、前記外管先端に最も近い第２のガス噴出口の前記長手方向おける位置よりも先端側に位置し、前記内管先端から最も遠い第１のガス噴出口の前記長手方向おける位置が、前記外管先端から最も遠い第２のガス噴出口の前記長手方向における位置よりも先端側に位置するように構成されていることを特徴としている。

本発明に係るガス導入管は、従来の階段状の管構造よりも製造が容易な二重管構造となっている。また、二重管構造であることにより、処理室内に導入される原料ガスの流量を均一にすることができる。

本発明によれば、処理室内に導入される原料ガスの流量を均一にすることができる。これにより、同一ロット内のワークの成膜バラつきを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の実施形態に係るガス導入管の概略構成を示す平面図である。本発明の実施形態に係るガス導入管の概略構成を示す斜視図である。ガス導入管の概略構成を示す図２中のＡ−Ａ断面図である。ガス導入管の概略構成を示す図４中のＢ−Ｂ断面図である。ガス導入管の概略構成を示す図３中の破線部内の領域を示す図である。別の実施形態に係るＢ−Ｂ断面図である。ＤＬＣ膜の膜中Ｓｉ量が測定された測定対象のワークの位置を示す図である。測定対象のワークの膜中Ｓｉ量のバラつきを示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るＳｉ含有ＤＬＣ膜の成膜装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置１は、ワークＷの成膜処理を行う処理室２と、ワークＷを支持する支持部材３と、原料ガスを処理室２に供給するガス供給機構１０と、処理室内の原料ガスを排気する排気管４を備えている。

図１〜図３に示すように、ガス供給機構１０は、原料ガス供給源（不図示）から供給された原料ガスが流れる集合管１１と、集合管１１に接続された４本の水平管１２と、各水平管１２の先端に接続されたガス導入管２０を備えている。各水平管１２は、平面視において互いに直交するように配置されている。また、各ガス導入管２０は、当該ガス導入管２０の長手方向（以下、「管長手方向Ｌ」という）が鉛直方向に一致するように各水平管１２に取り付けられている。ガス導入管２０の先端は閉じられた形状となっている。

支持部材３は、ワークＷを載置する円形状の載置台３ａを複数備えており、各載置台３ａは、ワークＷの載置面が管長手方向Ｌに対して垂直となるように複数配置されている。載置台３ａの中央部は開口しており、原料ガスが通過できるようになっている。

図４に示すように、ガス導入管２０は、内管２１と外管２２を備える二重管構造となっている。内管２１には、管長手方向Ｌに沿って複数の開口部（以下、「第１のガス噴出口２１ａ」という）が形成され、各第１のガス噴出口２１ａは互いに一定の間隔を有している。内管２１に供給された原料ガスは、第１のガス噴出口２１ａを介して外管２２に供給される。

また、外管２２にも管長手方向Ｌに沿って複数の開口部（以下、「第２のガス噴出口２２ａ」という）が形成され、各第２のガス噴出口２２ａは互いに一定の間隔を有している。内管２１から外管２２に供給された原料ガスは、第２のガス噴出口２２ａから処理室内に導入される。

図４，図５に示すように、第１のガス噴出口２１ａ周方向Ｃにおける向きと、第２のガス噴出口２２ａの周方向Ｃにおける向きは互いに異なっており、本実施形態においては第１のガス噴出口２１ａと第２のガス噴出口２２ａの向きが逆方向を向いている。また、第２のガス噴出口２２ａは、処理室２の内方に向いており、ワークＷに向けて原料ガスが噴出するようになっている。

また、第１のガス噴出口２１ａの管長手方向Ｌにおける位置Ｐ_１と、第２のガス噴出口２２ａの管長手方向Ｌにおける位置Ｐ_２が異なっている。本実施形態においては、第１のガス噴出口２１ａの位置Ｐ_１と第２のガス噴出口２２ａの位置Ｐ_２が交互に位置している。

さらに、内管先端に最も近い第１のガス噴出口２１ａの管長手方向Ｌにおける位置ＴＰ_１が、外管先端に最も近い第２のガス噴出口２２ａの管長手方向Ｌにおける位置ＴＰ_２よりも先端側に位置している。また、内管先端から最も遠い第１のガス噴出口２１ａの管長手方向における位置ＲＰ_１が、外管先端から最も遠い第２のガス噴出口２２ａの管長手方向Ｌにおける位置ＲＰ_２よりも先端側に位置している。

図６は、図３中の破線部内の領域を図示した水平管１２とガス導入管２０（内管２１、外管２２）の取り付け構造を示す図である。図６に示すように、水平管１２と内管２１は、ユニオンエルボー２３を介して接続されている。また、内管２１と外管２２は、ボアードスルー仕様のレデューサー２４とストレートユニオン２５を介して接続されている。

本実施形態においては、ガス導入管２０がこのように構成されていることで、内管２１や外管２２が着脱可能に構成されている。外管２２を着脱可能に構成することで、仕様の異なる他の外管への交換や、第２のガス噴出口２２ａの詰まり等が生じた際の交換や修理等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。同様に、内管２１を着脱可能に構成することで、内管２１の交換やメンテナンスも容易に行うことができる。また、上記のような取り付け構造によって、内管２１や外管２２は周方向Ｃに回転可能に構成されている。

本実施形態に係るＳｉ含有ＤＬＣ膜の成膜装置１は、以上のように構成されている。

この装置を用いてワークＷの成膜処理を行う場合には、集合管１１に供給された原料ガスが水平管１２を通って各ガス導入管２０に供給される。内管２１に供給された原料ガスは、図３に示す矢印に沿って流れていく。

このとき、従来の単管構造のように内管２１の内部においては、原料ガスの圧力差が生じており、内管２１の先端に近づくほど、その圧力が小さくなっている。このため、第１のガス噴出口２１ａを通過する原料ガスの流量は、管先端に近づくにつれて小さくなる。

一方、第１のガス噴出口２１ａから噴出された原料ガスは、第１のガス噴出口２１ａと第２のガス噴出口２２ａの向きが異なっているために外管２２の内壁にぶつかる。これにより、原料ガスが外管２２の内部空間に拡散し、原料ガスの外管内部における圧力が均一になる。外管内部の原料ガスは、そのような圧力状態で第２のガス噴出口２２ａから処理室内に噴出される。

即ち、本実施形態に係る成膜装置１によれば、ガス導入管２０から処理室に導入される原料ガスの流量を均一にすることができる。これにより、同一ロット内のワークＷの成膜バラつきを抑制することが可能となる。また、本実施形態のガス導入管２０のような二重管構造の場合、従来の階段状に径が小さくなるガス導入管２０よりも容易に製造することができる。

また、本実施形態のように、第１のガス噴出口２１ａの位置Ｐ_１と第２のガス噴出口２２ａの位置Ｐ_２が交互に位置するようにガス導入管２０を構成することで、外管内部における原料ガスの圧力を均一にさせやすくなる。これにより、第２のガス噴出口２２ａから導入される原料ガスの流量をより均一にすることができる。

また、第１のガス噴出口２１ａの位置ＴＰ_１が、第２のガス噴出口２２ａの位置ＴＰ_２よりも先端側に位置し、かつ、第１のガス噴出口２１ａの位置ＲＰ_２が、第２のガス噴出口２２ａの位置ＲＰ_２よりも先端側に位置するようにガス導入管２０を構成することで、各第２のガス噴出口２２ａを通過する原料ガスの流量を更に均一にさせやすくなる。また、第２のガス噴出口２２ａの径は第１のガス噴出口２１ａの径よりも大きい方が好ましい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、第１のガス噴出口２１ａの向きと第２のガス噴出口２２ａの向きが逆向きになるようにガス導入管２０を構成したが、ガス噴出口の向きはこれに限定されない。図７に示すように内管２１を回転させて、第１のガス噴出口２１ａの向きを変えても良い。この場合であっても、第１のガス噴出口２１ａから噴出する原料ガスが外管２２の内壁に当たって拡散するため、外管内部の圧力を均一にすることができる。

即ち、第１のガス噴出口２１ａの周方向Ｃにおける向きと、第２のガス噴出口２２ａの周方向Ｃにおける向きが異なるようにガス導入管２０を構成すれば、第１のガス噴出口２１ａから噴出した原料ガスが外管２２の内壁に当たることになり、単管構造の場合に比べて処理室内に導入される原料ガスの流量を均一にすることができる。ただし、第１のガス噴出口２１ａと第２のガス噴出口２２ａの向きが逆方向に向いていた方が、第１のガス噴出口２１ａから第２のガス噴出口２２ａまでの流路が長くなり、外管内部において原料ガスが拡散しやすくなる。

また、上記実施形態では、第１のガス噴出口２１ａの管長手方向Ｌにおける位置Ｐ_１と第２のガス噴出口２２ａの管長手方向Ｌにおける位置Ｐ_２が交互に位置するようにガス導入管２０を構成したが、第１のガス噴出口２１ａの位置Ｐ_１と第２のガス噴出口２２ａの位置Ｐ_２はこれに限定されない。例えば、第１のガス噴出口２１ａの位置Ｐ_１と第２のガス噴出口２２ａの位置Ｐ_２は、管長手方向における位置が一致していても良い。この場合であっても、ガス導入管が二重管構造であれば、成膜バラつきを抑制するという効果は得られる。また、内管２１や外管２２に形成されるガス噴出口の数も上記実施形態で説明したものに限定されない。

また、上記実施形態のように外管２２を回転可能に構成することで、処理室内への原料ガスの導入方向を変えることができる。これにより、様々な形状や大きさのワークＷに対して適切に原料ガスを当てることができる。その結果、ガス導入管２０の汎用性が向上すると共に、各種ワークＷの成膜品質を向上させることが可能となる。この効果は、上記実施形態のように内管２１を回転可能に構成することで更に高まる。

また、上記実施形態では、管長手方向Ｌが鉛直方向となるように成膜装置１を構成したが、管長手方向Ｌが水平方向となるように成膜装置１を構成しても良い。この場合であっても、ワークＷの成膜バラつきを従来よりも抑制することができる。

また、上記実施形態では、ガス導入管２０を４本用いたが、ガス導入管２０の本数はこれに限定されず、成膜対象のワークＷの大きさや形状、個数等に応じて適宜変更される。また、各水平管１２のなす角度も上記実施形態で説明したものに限定されない。また、上記実施形態では、支持部材３を構成する載置台３ａを多段状に３段設けたが、支持部材３の構成はこれに限定されない。

本発明に係る成膜装置と従来の成膜装置を用いて、複数のワークにＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する成膜試験を実施した。本発明に係る成膜装置は、図３に示すような二重管構造のガス導入管を備えている。内管の径は１／４インチであり、内管に複数形成された第１のガス噴出口の径はφ０．５である。各第１のガス噴出口の間隔は１４０ｍｍとなっている。また、外管の径は１／２インチであり、外管に複数形成された第２のガス噴出口の径はφ０．５である。各第２のガス噴出口の間隔は１４０ｍｍとなっている。一方、従来の成膜装置は、単管構造のガス導入管を備えている。管径は１／４インチであり、ガス噴出口の径はφ０．５である。

成膜条件は下記の通りである。
原料ガス：４ＭＳ（テトラメチルシラン）、ＣＨ_４、Ａｒ、Ｈ_２の混合ガス
ガス流量：「４ＭＳ‐１１ｃｃｍ」、「ＣＨ_４‐６８０ｃｃｍ」、「Ａｒ‐２００ｃｃｍ」、「Ｈ_２‐２００ｃｃｍ」
Ｄｕｔｙ比：７５％
周波数：２５ｋＨｚ
電流値：４Ａ
処理室内圧力：２２０Ｐａ
処理室内温度：４８０℃
処理時間：６０分

上記条件でワークにＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜し、測定対象のワークに成膜されたＤＬＣ膜の膜中Ｓｉ量を測定した。測定対象のワークは、図８に示される位置に配置されたワークである。即ち、各ガス導入管に対向するように管長手方向に沿って配置されたワークである。測定対象のワークの位置と、そのワークの膜中Ｓｉ量との関係を図９に示す。

図９に示す通り、本発明に係る成膜装置を用いた場合の膜中Ｓｉ量は、従来の膜中Ｓｉ量に比べてワーク間の差が小さくなっていた。膜中Ｓｉ量のバラつき（標準偏差）を算出したところ、本発明に係る成膜装置では０．９となり、従来の成膜装置では１．６となった。即ち、本発明に係る二重管構造のガス導入管を用いることで、同一ロット内のワークの成膜バラつきを大幅に抑制することができた。

本発明は、Ｓｉ含有ＤＬＣ膜の成膜に適用することができる。

１成膜装置
２処理室
３支持部材
３ａ載置台
４排気管
１０ガス供給機構
１１集合管
１２水平管
２０ガス導入管
２１内管
２１ａ第１のガス噴出口
２２外管
２２ａ第２のガス噴出口
２３ユニオンエルボー
２４レデューサー
２５ストレートユニオン
Ｐ_１第１のガス噴出口の管長手方向における位置
Ｐ_２第２のガス噴出口の管長手方向における位置
Ｃ周方向
Ｌガス導入管の長手方向（管長手方向）
Ｗワーク

Claims

ワークにＳｉ含有ＤＬＣ膜を成膜する成膜装置であって、
ワークの成膜処理を行う処理室と、
前記処理室内に配置され、ワークを支持する支持部材と、
前記処理室内に原料ガスを導入するガス導入管とを備え、
前記ガス導入管は、原料ガスが供給される内管と、前記処理室内に原料ガスを噴出する外管とを備えた二重管構造であり、
前記内管に、前記ガス導入管の長手方向に沿って複数の第１のガス噴出口が形成され、
前記外管に、前記長手方向に沿って複数の第２のガス噴出口が形成され、
前記第１のガス噴出口の周方向における向きと、前記第２のガス噴出口の周方向における向きが異なり、かつ、前記第２のガス噴出口が前記処理室の内方に向くように前記ガス導入管が構成され、
前記ガス導入管は、
前記第１のガス噴出口の前記長手方向における位置と、前記第２のガス噴出口の前記長手方向における位置が異なり、
前記第１のガス噴出口の前記長手方向における位置と、前記第２のガス噴出口の前記長手方向における位置が前記長手方向に沿って交互に位置し、
前記内管先端に最も近い第１のガス噴出口の前記長手方向おける位置が、前記外管先端に最も近い第２のガス噴出口の前記長手方向おける位置よりも先端側に位置し、
前記内管先端から最も遠い第１のガス噴出口の前記長手方向おける位置が、前記外管先端から最も遠い第２のガス噴出口の前記長手方向における位置よりも先端側に位置するように構成されている、成膜装置。
前記第２のガス噴出口の径が前記第１のガス噴出口の径よりも大きい、請求項１に記載の成膜装置。
前記外管が着脱可能に構成されている、請求項１または２に記載の成膜装置。
前記内管が着脱可能に構成されている、請求項３に記載の成膜装置。
前記外管が周方向に回転可能に構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記内管が周方向に回転可能に構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜装置。