JP7842444B2

JP7842444B2 - 成膜装置

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Publication number: JP7842444B2
Application number: JP2022034683A
Authority: JP
Inventors: 健太郎篠田; 和也滝; 一平田中; 悠里吉本
Original assignee: University of Hyogo
Current assignee: University of Hyogo
Priority date: 2022-03-07
Filing date: 2022-03-07
Publication date: 2026-04-08
Anticipated expiration: 2042-03-07
Also published as: JP2023130168A

Description

本発明は、被加工材料の表面に皮膜を形成する成膜装置に関する。

従来、鋼材などの導電性を有する被加工材料の表面に成膜処理を行う装置が知られている。例えば特許文献１に記載の成膜装置は、被加工材料に負のバイアス電圧を印加し、マイクロ波供給口から供給するマイクロ波を、被加工材料の表面の皮膜形成領域に生成されたシース層に沿って伝搬させる。これによりプラズマが伸長し、原料ガスがプラズマによって分解されることで、被加工材料の表面に成膜処理が施される。特許文献１では、被加工材料の外側の周囲に補助電極を配置し、補助電極に接地電位又は正のバイアス電圧を印加する。これにより、マイクロ波供給口側とは反対側のシース層の厚みを拡大させてプラズマの密度の減衰を低減し、成膜処理能力の低下を低減する。

特開２０１６－６９６８５号公報

しかしながら特許文献１では、被加工材料に負のバイアス電圧が印加されているため、ダイヤモンドなど導電性の低い皮膜を成膜しようとすると異常放電（所謂アーキング現象）が発生し、良好な品質の皮膜を形成することできなくなるという問題があった。

本発明の目的は、被加工材料の表面に対する成膜処理を高速に行い、且つ広範囲に均一で高品質な皮膜を形成できる成膜装置を提供することである。

本発明の一態様に係る成膜装置は、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、前記被加工材料の皮膜形成領域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、前記被加工材料の皮膜形成領域に沿うシース層を拡大させるバイアス電圧を前記被加工材料に印加する電圧印加部と、前記マイクロ波供給部から供給される前記マイクロ波を前記被加工材料に導入する導入面を有し、前記導入面に対して前記処理容器内に突出するように配置された前記被加工材料に前記導入面から前記マイクロ波を導入し、前記バイアス電圧の印加によって前記被加工材料の皮膜形成領域に沿って拡大された前記シース層へ、表面波として伝搬させるマイクロ波導入口とを備えた成膜装置であって、前記被加工材料は電気的に前記電圧印加部の接地電位と同電位に接続されており、前記被加工材料の突出方向において前記導入面に対して前記マイクロ波供給口とは反対側にて形成される前記シース層の厚みを拡大させるための電極であって、前記被加工材料の外側周囲に配置され、前記電圧印加部から供給される正のバイアス電圧が印加されるシース拡大電極を備えることを特徴とする。

成膜装置は、公知のＭＶＰ法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｈｅａｔｈ－ＶｏｌｔａｇｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎＰｌａｓｍａ法）を用いた成膜処理を行うことで、被加工材料の表面に高密度且つ均一なプラズマを発生させて、高品質な皮膜を高速に形成できる。被加工材料の電位を接地電位とすることで、成膜装置はアーキング現象の発生を抑制し、高品質な皮膜を形成できる。また、シース拡大電極に正のバイアス電圧を印加することで、成膜装置は被加工材料の前記反対側に形成されるシース層の厚みを拡大させ、広範囲に均一な皮膜を形成できる。

本態様において、前記シース拡大電極は前記マイクロ波導入口における前記導入面の外側周囲を囲んで配置され、且つ前記処理容器内で前記突出方向へ向けて延びてもよい。導入面の外側周囲をシース拡大電極が囲うので、導入面から被加工材料に導入されるマイクロ波がシース拡大電極の外側に漏れることがなく、成膜装置は、広範囲に均一で高品質な皮膜を高速に形成できる。

本態様において、前記突出方向における前記シース拡大電極の先端は、前記被加工材料に皮膜を形成する領域として予め設定される皮膜形成領域における前記導入面側の縁部に対し、前記突出方向と直交する方向において対応する位置、又は前記突出方向とは逆方向側の位置にあってもよい。被加工材料の外側周囲をシース拡大電極が囲う部分には成膜されない。故に、シース拡大電極の先端の位置を設定することにより、成膜装置は、皮膜形成領域に確実に成膜処理を行うことができる。

本態様において、前記シース拡大電極の前記先端は、前記マイクロ波導入口の前記導入面よりも前記突出方向に位置してもよい。ＭＶＰ法による成膜処理では、マイクロ波導入口の導入面よりも突出方向に皮膜が形成される。導入面付近では、不完全な皮膜が形成される、所謂導入面汚れが生じやすい。故にシース拡大電極は、マイクロ波導入口の導入面よりも突出方向側に先端が位置することで、導入面汚れを防止できる。

本態様において、前記シース拡大電極は、前記突出方向へ向けて、少なくとも５ｍｍ以上延びてもよい。シース拡大電極の突出方向の長さが５ｍｍ未満の場合、突出方向との直交方向における被加工材料とシース拡大電極との間にもプラズマが発生し、皮膜形成領域外に皮膜が形成される可能性がある。

本態様において、前記シース拡大電極は、前記ガスが通過可能な編目又は織目を有し、金属製の素線を含む編物又は織物、若しくは前記ガスが通過可能な穴部を有する金属板によって形成され、前記被加工材料に皮膜を形成する領域として予め設定される皮膜形成領域を含む前記被加工材料の外側周囲を囲う電極であってもよい。ガスが通過可能なシース拡大電極を被加工材料の外周周囲を囲って配置することで、成膜装置は、皮膜形成領域を含む被加工材料の表面全体に、広範囲に均一で高品質な皮膜を高速に形成できる。

本態様において、前記ガス供給部は、少なくとも炭化水素を含むガスを供給し、前記成膜装置は、前記被加工材料にダイヤモンド膜を成膜してもよい。被加工材料の電位を接地電位としたことで、成膜装置は導電性の低い皮膜を形成する場合に問題となるアーキング現象の発生を抑制できる。故に成膜装置は、ダイヤモンド等の導電性の低い皮膜であっても、広範囲に均一で高品質に、且つ高速に形成できる。

本態様において、前記シース拡大電極と前記被加工材料とを電気的に絶縁する絶縁部材を備え、前記マイクロ波導入口を透過して前記導入面から前記被加工材料に導入される前記マイクロ波の導入方向における前記絶縁部材の厚みは、前記マイクロ波の波長の１／４以下であってもよい。故に成膜装置は被加工材料に供給されるマイクロ波の一部が絶縁部材を介して処理容器内に漏れてしまうことを防止できる。

本態様において、前記シース拡大電極に印加される正のバイアス電圧は、接地電位との電位差が、プラズマの生成に必要な電位差よりも低い電圧であってもよい。シース拡大電極に印加される正のバイアス電圧によってプラズマが発生しないので、成膜装置は、被加工材料の皮膜形成領域に沿って形成されるシース層を確実に拡大することができる。

本態様において、前記処理容器内で前記マイクロ波導入口を覆う金属製のカバーを備え、前記マイクロ波導入口は、前記マイクロ波供給部から供給される前記マイクロ波を前記処理容器内に案内する基部と、前記基部から前記処理容器内へ向けて突出し、前記マイクロ波の導入方向に沿って延び、前記突出方向側の先端面である前記導入面から前記被加工材料に前記マイクロ波を導入する突出部と、前記導入面に開口し、前記突出方向が前記マイクロ波の導入方向に沿う向きに凹部状に形成され、前記被加工材料の前記皮膜形成領域よりも前記突出方向の逆方向側を保持する凹部とを有し、前記カバーは、前記マイクロ波導入口の前記基部を覆い、前記マイクロ波の導入方向を前記基部から前記突出部の前記導入面へ向けた方向に限定してもよい。カバーによってマイクロ波の導入方向を導入面へ向けた方向に限定し、突出方向に沿わせることができるので、成膜装置は、より効率的に、被加工材料の皮膜形成領域に皮膜を形成することができる。

第１実施形態の成膜装置１の概略構成を示す図である。被加工材料の突出方向の位置におけるプラズマ発光輝度の分布を示すグラフである。変形例１のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極１３０の配置を示す図である。変形例２のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極２３０の配置を示す図である。変形例３のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極３３０の配置を示す図である。変形例４のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極４３０の配置を示す図である。第２実施形態のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極５３０の配置を示す図である。変形例５のマイクロ波供給口２２、被加工材料８、シース拡大電極６３０の配置を示す図である。

＜第１実施形態＞
図面を参照し本発明の第１実施形態の成膜装置１を説明する。成膜装置１は、被加工材料８の表面に、ダイヤモンド皮膜を形成するための装置である。図１に示すように、成膜装置１は、処理容器２、真空ポンプ３、ガス供給部５、制御部６を備える。処理容器２はステンレス等の金属製であり、気密構造の容器である。処理容器２は、接地電位（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。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が配置され、被加工材料８はマイクロ波供給口２２によって支持される。

被加工材料８は、本実施形態では超硬Ｋ１０製穴加工用ドリルである。被加工材料８の材質は、皮膜形成領域１０が導電性を有していれば、特に限定されるものではない。超硬Ｋ１０とは、ＪＩＳＢ４０５３：２０１３に記載される分類に基づく超硬合金である。被加工材料８は超硬Ｋ１０に限ったものではなく、皮膜形成領域１０に導電性を有していればよい。

ガス供給部５には、例えばマスフローコントローラ（ＭＦＣ）が用いられる。ガス供給部５は、処理容器２の内部に成膜用の原料ガスを供給する。原料ガスは、例えばメタンガス（ＣＨ_４）と水素ガス（Ｈ_２）であり、ＭＦＣの制御により、適度に混合して処理容器２内に供給される。また、図示しないが、処理容器２内には不活性ガスも供給される。制御部６は、装置全体の制御を司る。制御部６はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む。

成膜装置１では、処理容器２の内部に保持された被加工材料８に対してダイヤモンドの成膜処理を行うためのプラズマが発生される。成膜装置１は、プラズマを発生するため、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、ＤＣ電源１５を備える。本実施形態では、特開２００４－４７２０７号公報に開示された方法（以下、「ＭＶＰ法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓｈｅａｔｈ－ＶｏｌｔａｇｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎＰｌａｓｍａ法）」という。）により、表面波励起プラズマが発生される。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、マイクロ波電源１３にパルス信号を供給する。マイクロ波電源１３は、制御部６の指示に従い、マイクロ波発振器１２へ電力を供給する。マイクロ波発振器１２は、制御部６の指示に従い２．４５ＧＨｚのマイクロ波パルスを発振し後述するアイソレータ１７に該マイクロ波パルスを供給する。

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、同軸導波管２１及びマイクロ波供給口２２を経由し、被加工材料８の皮膜形成領域１０に供給される。同軸導波管２１は、図示しない同軸導波管変換器を介し、導波管１９から突設される。マイクロ波供給口２２は、石英などのマイクロ波を透過する誘電体等の部材である。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、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するものである。

マイクロ波供給口２２は、処理容器２内へ向けて突出する突出部２２Ａと、突出部２２Ａを支持する基部２２Ｂを有する。基部２２Ｂは金属製のカバー２３で覆われる。カバー２３は処理容器２と電気的に接続されている。突出部２２Ａは、処理容器２内に開口する凹部２２Ｃを有する。処理容器２内に開口する凹部２２Ｃを有する。被加工材料８は凹部２２Ｃに挿入される。故に、被加工材料８は処理容器２の内側において導波管１９から離れる方向に突出するように配置される。尚、凹部２２Ｃ内には、被加工材料８を支持する図示しない治具を設けてもよい。被加工材料８の上端には、図示しない電極が接続される。電極は接地電位（ＧＮＤ）と電気的に接続されている。即ち、被加工材料８の電位は、処理容器２と同電位の接地電位である。

基部２２Ｂのカバー２３は、マイクロ波供給口２２を透過したマイクロ波パルスの導入方向を限定する。カバー２３は、導入方向以外の方向において基部２２Ｂの外側を覆うことで、処理容器２内へのマイクロ波パルスの漏れを防ぐ。尚、マイクロ波供給口２２の凹部２２Ｃは、凹部２２Ｃに挿入される被加工材料８が処理容器２内へ向けて突出する突出方向が導入方向に沿う向きとなるように、突出部２２Ａに形成されている。また、被加工材料８の一端側は、突出部２２Ａによって外側周囲が覆われている。覆われた部分にはプラズマが発生せず、皮膜が形成されない。即ち皮膜は、突出方向における突出部２２Ａの先端面である導入面２２Ｄよりも突出方向側に形成される。尚、便宜上、突出方向における突出方向側を、突出方向の「上方」、突出方向とは反対側を、突出方向「下方」とよぶ場合がある。

マイクロ波供給口２２の突出部２２Ａの外側周囲には、シース拡大電極３０が設けられる。シース拡大電極３０は金属材料から形成される筒状の電極であり、ガスは透過しない。シース拡大電極３０の突出方向側の先端３０Ａは、マイクロ波供給口２２の突出部２２Ａの導入面２２Ｄと突出方向において同じ位置にある。シース拡大電極３０の突出方向の長さは、少なくとも５ｍｍ以上である。上限値は処理容器２内に収まる範囲である。シース拡大電極３０の突出方向の長さが５ｍｍ未満の場合、プラズマがシース拡大電極３０を乗り越えて、突出方向において皮膜形成領域（後述）とは反対側でダイヤモンド皮膜が形成される可能性がある。

シース拡大電極３０の下端部は基部２２Ｂを覆うカバー２３上に位置し、カバー２３とシース拡大電極３０の下端部の間に絶縁部材２４が設けられる。絶縁部材２４は突出部２２Ａの外周周囲を囲い、且つマイクロ波パルスの導入方向に厚みを有する円板状である。絶縁部材２４は、シース拡大電極３０とカバー２３及び処理容器２とを電気的に絶縁する。絶縁部材２４の厚みは、マイクロ波パルスの波長の１／４以下であり、電力の印加によって絶縁破壊が起きない厚さである。この構成により、マイクロ波供給口２２を透過するマイクロ波パルスがカバー２３とシース拡大電極３０との間にある絶縁部材２４を透過して、導入方向とは異なる方向に処理容器２内へ漏れ出すことが防止される。

シース拡大電極３０は正電圧パルス発生部１６と電気的に接続し、正のバイアス電圧パルスが印加される。ＤＣ電源１５は、制御部６の指示に従い、正電圧パルス発生部１６に正のバイアス電圧を供給する。ＤＣ電源１５の負極は、接地電位（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。正電圧パルス発生部１６は、ＤＣ電源１５から供給された正のバイアス電圧をパルス化する。このパルス化の処理は、正電圧パルス発生部１６が制御部６の指示に従い、正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。

マイクロ波パルス、及び正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することにより、表面波励起プラズマが発生する。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。また、マイクロ波はパルス状のマイクロ波パルスであるが、連続するマイクロ波でもよい。尚、成膜装置１は、正電圧パルス発生部１６の代わりに、ＤＣ電源１５から、連続する正のバイアス電圧をシース拡大電極３０に印加してもよい。

処理容器２の側壁に設けられた窓２７の外側近傍の位置に、放射温度計２９が配置される。放射温度計２９は、制御部６に電気的に接続される。放射温度計２９は赤外線を受信し、受信した赤外線の強度を算出する。放射温度計２９は、算出した赤外線の強度から被加工材料８の表面温度を算出し、被加工材料８の温度情報を制御部６に出力する。

制御部６は、ＤＣ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正電圧パルスの印加電圧を制御する。制御部６は、正電圧パルス発生部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、パルス状の正のバイアス電圧パルスの印加タイミング、及び供給電圧と、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、及び供給電力とを制御する。

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２６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、圧力調整バルブ７に制御信号を出力して、処理容器２内の圧力を制御する。

［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、所謂シース層が形成される。物体が、接地電位に接続された被加工材料８の場合、シース層とは電子密度が低い層、即ち、正極性であって、マイクロ波の周波数帯においては比誘電率ε≒１の層である。このため、被加工材料８の外周周囲にシース拡大電極３０を設け、被加工材料８を接地電位に接続し、シース拡大電極３０に、接地電位よりも高い正のバイアス電圧を印加することで、被加工材料８の皮膜形成領域１０に沿って形成されるシース層のシース厚さが厚くなり、即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。尚、シース拡大電極３０に印加される正のバイアス電圧は、接地電位との電位差が、プラズマの生成に必要な電位差よりも低くなるように設定した電圧である。

故に、被加工材料８の一端に近接して配置されたマイクロ波供給口２２からマイクロ波が供給され、被加工材料８の外側外周に配置されたシース拡大電極３０に正のバイアス電圧が印加され、且つ被加工材料８が接地電位に接続されることによって、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の皮膜形成領域１０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である。

このＭＶＰ法では、マイクロ波供給口２２に密着させて被加工材料８を配置し、被加工材料８の皮膜形成領域１０に沿ってシース層が形成される。被加工材料８を接地電位に接続し、被加工材料８の外周周囲にシース拡大電極３０を配置して正のバイアス電圧を印加することにより拡大されたシース層に沿って、表面波として伝搬するマイクロ波によって高密度プラズマが生成される。このプラズマの密度が高いので、被加工材料８は高速成膜される。被加工材料８は、同軸導波管２１の中心導体と対向して配置されるので、マイクロ波が上方向に効率よく伝搬する。

シース拡大電極３０は、マイクロ波供給口２２の突出部２２Ａの周囲を覆って被加工材料８の外周周囲に配置される。シース拡大電極の突出方向における長さは５ｍｍ以上が望ましく、本実施例では５２．７ｍｍである。被加工材料８のの皮膜形成領域１０のうちシース拡大電極３０が配置される領域には、シース拡大電極３０との間に突出部２２Ａが配置されているため原料ガスが到達しにくく、ダイヤモンド皮膜は形成されにくい。即ち、成膜装置１は、被加工材料８の処理表面のうち、突出方向におけるシース拡大電極３０の先端３０Ａよりも処理容器２内に突出する領域に、ダイヤモンド皮膜を形成できる。被加工材料８の処理表面において、ダイヤモンド皮膜を形成する対象とする領域を、皮膜形成領域１０という。尚、皮膜形成領域は、被加工材料８の用途に応じて設定される。例えば、被加工材料８がドリルであれば、皮膜形成領域には溝長が設定される。例えば、被加工材料８がエンドミルであれば、皮膜形成領域には刃長が設定される。成膜装置１の使用者は、予め被加工材料８に設定した皮膜形成領域にダイヤモンド皮膜を形成するためには、突出方向におけるシース拡大電極３０の先端３０Ａの位置が、皮膜形成領域のマイクロ波供給口２２側における縁部（便宜上、皮膜形成領域の「下端」８Ａとよぶ。）と同じ位置になるように、適切な大きさのシース拡大電極３０、又はマイクロ波供給口２２の凹部２２Ｃに挿入する治具を選択すればよい。

尚、従来技術の成膜装置では、被加工材料に負のバイアス電圧を印加するのに対し、本願の成膜装置１は、被加工材料８を接地電位に接続する。炭化水素系ガスを原料ガスとする場合、プラズマによって、グラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等、様々な構造の炭化物が生成される。被加工材料に付着したグラファイト、ＣＮＴは水素プラズマによって選択的にエッチングされるため、被加工材料の表面にはダイヤモンド薄膜が形成される。ダイヤモンドは導電性がなく、従来技術のように被加工材料に負のバイアス電圧を印加した場合、ダイヤモンドの表面に電荷がたまる。このため、たまった電荷と被加工材料の電位差によって異常放電（アーキング現象）が発生し、ダイヤモンド皮膜を破壊する。本実施形態の成膜装置１は被加工材料８の電位を接地電位とすることで、たまった電荷との電位差を小さくすることによるアーキング現象の発生を抑制できるので、ダイヤモンド皮膜の破壊を防止し、高品質なダイヤモンド皮膜を形成できる。

このような構成の成膜装置１を用い、被加工材料８にダイヤモンド皮膜の形成を行って、皮膜の形成状態を確認する実験を行った結果を図２に示す。図２に示すグラフにおいて、横軸は、皮膜形成領域の下端８Ａの位置を原点とした被加工材料８の突出方向の位置を示す。即ち、値が大きくなる程、マイクロ波供給口２２から遠い位置を示す。縦軸は、プラズマ発光輝度を示す。

原料ガスがプラズマによって分解されることで、被加工材料８の表面にダイヤモンド皮膜が形成される。成膜速度は、プラズマ密度が大きい程速くなることが知られている。故に、プラズマ密度と被加工材料８の表面に生成される膜厚には密接な相関があることも知られている。膜厚ばらつきを少なくするには、プラズマ密度分布が均一であることが求められる。プラズマ密度を測定する方法として、発光分光分析装置（ＯＥＳ）がある。ＯＥＳで計測される発光輝度はプラズマから発生した励起光を示していることから発光輝度≒プラズマ密度≒膜厚となる。故に、成膜中の発光輝度分布を測定することにより、被加工材料８の表面に生成されるダイヤモンド皮膜の膜厚分布を推定することが可能である。即ち、図２における縦軸のプラズマ発光輝度値のばらつきが大きいほど膜厚分布が大きいことを示す。

実験条件を以下に示す。被加工材料８は、直径１０ｍｍ、全長が８５ｍｍで溝長５０ｍｍの超硬Ｋ１０製切削工具である。尚、本実験においては皮膜形成領域１０として被加工材料８の先端から５０ｍｍまでの領域を設定した。本願の成膜装置１のマイクロ波パルスは、電力が１５００Ｗ、周波数が１ｋＨｚ、デューティ比が５０％となるように制御し、バイアス電圧パルスは、周波数が１ｋＨｚ、電圧の値が＋４００Ｖとなるように制御し、Ｈ_２が２００ｓｃｃｍ、ＣＨ_４が２ｓｃｃｍで供給され、圧力が２ｋＰａとなるように制御した。また、比較例として、特開２０１６－６９６８５号公報の図１に記載の成膜装置のマイクロ波パルスは、電力が１５００Ｗ、周波数が１ｋＨｚ、デューティ比が５０％となるように制御し、バイアス電圧パルスは、周波数が１ｋＨｚ、電圧の値が－５００Ｖとなるように制御し、処理容器に、Ｈ_２が２００ｓｃｃｍ、ＣＨ_４が２ｓｃｃｍで供給され、圧力が０．８ｋＰａとなるように制御した。プラズマ発光輝度が測定された位置は、被加工材料８の下端８Ａから突出方向に５０ｍｍ離れた位置までの範囲である。本願の成膜装置１によるプラズマ発光輝度を示す実験データは、「●」で示す。従来技術の成膜装置によるプラズマ発光輝度を示す実験データは、「○」で示す。

本願の実線データが示すように、プラズマ発光輝度は、皮膜形成領域１０の下端８Ａから突出方向に離れるにしたがって低下したが、皮膜形成領域の下端８Ａから突出方向に５０ｍｍまでの領域においては、プラズマ発光輝度６０％以上の値が得られた。即ち本願の実験データによれば、下端８Ａから突出方向に５０ｍｍまでの領域においては、プラズマ発光輝度のばらつきが、±２０％以内に収まるということが確認された。

一方、従来技術の実験データが示すように、プラズマ発光輝度は、皮膜形成領域の下端８Ａから突出方向に離れるにしたがって本願よりも大きく低下し、下端８Ａから突出方向に５０ｍｍの領域におけるプラズマ発光輝度は、約２０％であった。即ち、下端８Ａから突出方向に５０ｍｍまでの領域におけるプラズマ発光輝度のばらつきは、±４０％以内である。従来技術の実験データによれば、プラズマ発光輝度のばらつきが±２０％以内に収まる領域は、下端８Ａから突出方向に３５ｍｍまでの領域であることが確認された。

従って、本願の成膜装置１を用いることで、従来技術における下端８Ａから突出方向に３５ｍｍまでの領域よりも長い５０ｍｍまでの領域において、膜厚ばらつきが±２０％以内に収まり、皮膜の厚さとして十分な品質を確保できる領域を確保できることがわかった。ダイヤモンド皮膜は、ドリルなど、穴加工用工具に多く用いられている。ドリルの場合、ダイヤモンド皮膜は溝長部にあたる部分に形成すると十分な効果を奏することから、溝長にあたる先端から５０ｍｍを皮膜形成領域１０として設定する。本実施形態で用いたドリルの溝長は５０ｍｍであることから、ダイヤモンド皮膜は刃先から５０ｍｍの範囲で、膜厚ばらつき±２０％以内が求められている。よって本願の成膜装置１は、十分な品質のダイヤモンド皮膜を高速に形成できる。また、成膜中に品質異常となるアーキング現象も発生しないことを確認した。

以上説明したように、成膜装置１は、公知のＭＶＰ法を用いた成膜処理を行うことで、被加工材料８の表面に高密度且つ均一なプラズマを発生させて、高品質な皮膜を高速に形成できる。被加工材料８の電位を接地電位とすることで、成膜装置１はアーキング現象の発生を抑制し、高品質な皮膜を形成できる。また、シース拡大電極３０に正のバイアス電圧を印加することで、成膜装置１は被加工材料８の突出方向において導入面２２Ｄに対してマイクロ波供給口２２とは反対側に形成されるシース層の厚みを拡大させ、広範囲に均一な皮膜を形成できる。

シース拡大電極３０は、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄの外側周囲を囲う。故に導入面２２Ｄから被加工材料８に導入されるマイクロ波がシース拡大電極３０の外側に漏れることがなく、成膜装置１は、広範囲に均一で高品質な皮膜を高速に形成できる。

被加工材料８の外側周囲をシース拡大電極３０が囲う部分には成膜されない。故に、シース拡大電極３０の先端３０Ａの位置を設定することにより、成膜装置１は、皮膜形成領域に確実に成膜処理を行うことができる。

被加工材料８の電位を接地電位としたことで、成膜装置１は導電性の低い皮膜を形成する場合に問題となるアーキング現象の発生を抑制できる。故に成膜装置１は、ダイヤモンド等の導電性の低い皮膜であっても、広範囲に均一で高品質に、且つ高速に形成できる。

マイクロ波供給口２２の基部２２Ｂのカバー２３は処理容器２と同電位の接地電位である。故に、カバー２３の突出方向側に配置され、正のバイアス電圧が印加されるシース拡大電極３０は、カバー２３と絶縁する必要がある。絶縁部材２４は、カバー２３とシース拡大電極３０との間に設けられ、その厚みは、マイクロ波の波長の１／４以下である。故に、成膜装置１は被加工材料８に供給されるマイクロ波の一部が絶縁部材２４を介して処理容器２内に漏れることを防止できる。

＜変形例１＞
シース拡大電極３０は、突出方向において、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄと同じ位置に先端３０Ａを設けたが、これに限らない。例えば、図３に示すシース拡大電極１３０のように、突出方向における先端１３０Ａの位置が、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向の下方側にあってもよい。変形例１の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。シース層は、シース拡大電極３０から突出方向へ向けて被加工材料８の表面に沿って形成される。シース拡大電極１３０の先端１３０Ａが導入面２２Ｄよりも突出方向の下方側にある場合、突出方向における先端１３０Ａの位置から導入面２２Ｄの位置までの範囲において、被加工材料８は突出部２２Ａに覆われるのでダイヤモンド皮膜は形成されないが、導入面２２Ｄから突出方向側には十分な品質のダイヤモンド皮膜を形成できる。よって変形例１の場合、突出方向における導入面２２Ｄの位置が、皮膜形成領域の下端８Ａとなるように、被加工材料８における皮膜形成領域が設定されるとよい。

＜変形例２＞
例えば、図４に示すシース拡大電極２３０のように、突出方向における先端２３０Ａの位置が、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向の上方側にあってもよい。シース拡大電極２３０は、先端２３０Ａの位置を導入面２２Ｄよりも突出方向の上方に延ばした形態であり、導入面２２Ｄと先端２３０Ａとの間には間隙がある。この間隙はマイクロ波供給口２２の突出部２２Ａの厚み程度の大きさである。変形例２の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。導入面２２Ｄと先端２３０Ａとの間隙には原料ガスが入り込みにくいので、十分な品質の皮膜が形成されにくい。よって変形例２の場合、突出方向におけるシース拡大電極２３０の先端２３０Ａの位置を、実質的に、皮膜形成領域の下端８Ａとして調整できる。

ＭＶＰ法による成膜処理では、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向に皮膜が形成される。導入面２２Ｄ付近では、不完全な皮膜が形成される、所謂導入面汚れが生じやすい。故にシース拡大電極２３０は、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向側に先端２３０Ａが位置することで、導入面汚れを防止できる。

＜変形例３＞
例えば、図５に示すシース拡大電極３３０のように、突出方向との直交方向において被加工材料８からシース拡大電極３３０を離し、マイクロ波供給口２２のカバー２３よりも突出方向との直交方向の外側に配置してもよい。変形例３の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。この場合、カバー２３とシース拡大電極３３０が突出方向に並んで配置されないので、絶縁部材３２４はカバー２３より突出方向との直交方向の外側で処理容器２とシース拡大電極３３０とを絶縁すればよく、厚みに規定を設ける必要がない。尚、シース拡大電極３０より内側の露出部分にも皮膜が形成され得るので、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄに不完全な皮膜が形成される導入面汚れが生じやすい。導入面汚れを抑制するため、導入面２２Ｄは、カバー２３の上面と略同じ位置に設けるとよい。

＜変形例４＞
例えば、図６に示すように、被加工材料８の接地電位への接続は、マイクロ波供給口４２２を介して行ってもよい。マイクロ波供給口４２２は、突出部４２２Ａと基部４２２Ｂを突出方向に貫通する貫通穴４２２Ｃを有する。基部４２２Ｂ側の貫通穴４２２Ｃには、接地電極４２１を設ける。接地電極４２１は、接地電位（ＧＮＤ）と電気的に接続する。被加工材料８は、突出部４２２Ａ側の貫通穴４２２Ｃ内に保持する。被加工材料８は、貫通穴４２２Ｃ内で、接地電極４２１と電気的に接続する。変形例４の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。このような接地電極４２１を設けることで、処理容器２内で被加工材料８に直接電気的な接続を行う必要がなく、処理容器２内への被加工材料８の配置にかかる手間を軽減できる。上記実施例及び上記変形例におけるシース拡大電極の先端３０Ａ、１３０Ａ、２３０Ａ、３３０Ａと皮膜形成領域１０と距離は最も近い位置で０．１～２０ｍｍの間が望ましく、本実施例では１．５ｍｍである。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の成膜装置１の第２実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。第１実施形態において、シース拡大電極３０は、被加工材料８を処理容器２内で保持するマイクロ波供給口２２の突出部２２Ａの外周周囲に配置した。図７に示すように、第２実施形態におけるシース拡大電極５３０は、金属製の素線を編み込んだ編物で形成した電極であり、ガスは編目を容易に通過できる。シース拡大電極５３０はマイクロ波供給口２２の基部２２Ｂのカバー２３よりも突出方向との直交方向の外側に離れて配置され、突出方向に延びて被加工材料８の外周周囲を取り囲む。カバー２３とシース拡大電極５３０が突出方向に並んで配置されないので、絶縁部材５２４はカバー２３より突出方向との直交方向の外側で処理容器２とシース拡大電極５３０との間に設けられ、処理容器２とシース拡大電極５３０とを絶縁する。第２実施形態の他の部分の構成は、第１実施形態と同様である。

ガスはシース拡大電極５３０の編目を容易に通過するので、被加工材料８の突出方向との直交方向において被加工材料８とシース拡大電極５３０との間には、十分な濃度の原料ガスが存在する。故に成膜装置１は、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向側における被加工材料８の皮膜形成領域１０に、広範囲に均一で高品質な皮膜を高速に形成できる。

＜変形例５＞
第２実施形態のシース拡大電極５３０は、被加工材料８の外周周囲のみならず、被加工材料８の全体を覆う形態であってもよい。例えば、図８に示すシース拡大電極６３０は、被加工材料８の外周周囲を覆いつつ被加工材料８よりも突出方向に長く延び、袋状に閉じる。シース拡大電極６３０は、第２実施形態と同様に、金属製の素線を編み込んだ編物で形成した電極であり、編目をガスが容易に通過できる。故に、シース拡大電極６３０の内側には、十分な濃度の原料ガスが存在する。よって成膜装置１は、マイクロ波供給口２２の導入面２２Ｄよりも突出方向側における被加工材料８の皮膜形成領域１０に、広範囲に均一で高品質な皮膜を高速に形成できる。

＜その他の変形例＞
第２実施形態のシース拡大電極５３０，６３０は編物で形成した電極であるが、金属製の素線を織り込み、織目をガスが容易に通過可能な織物で形成した電極でもよい。複数の貫通穴が形成されたパンチングメタルを筒状或いは袋状に形成し、ガスが容易に通過可能な電極でもよい。また、第１実施形態の変形例４は、第２実施形態においても適用できる。シース拡大電極５３０，６３０と皮膜形成領域との距離は最も近い位置で１０～６０ｍｍの間が望ましく、本実施例では３９ｍｍである。

第１、第２実施形態において、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、導波管１９、及び同軸導波管２１は、本発明の「マイクロ波供給部」の一例である。ＤＣ電源１５は、本発明の「電圧印加部」の一例である。マイクロ波供給口２２は、本発明の「マイクロ波導入口」の一例である。皮膜形成領域の下端８Ａは、本発明の「縁部」の一例である。

１成膜装置
２処理容器
５ガス供給部
８被加工材料
８Ａ下端
１０皮膜形成領域
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
１５ＤＣ電源
１７アイソレータ
１８チューナー
１９導波管
２１同軸導波管
２２マイクロ波供給口
２２Ａ突出部
２２Ｂ基部
２２Ｃ凹部
２２Ｄ導入面
２３カバー
２４絶縁部材
３０シース拡大電極
３０Ａ先端

Claims

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、
前記被加工材料の皮膜形成領域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、
前記被加工材料の皮膜形成領域に沿うシース層を拡大させるバイアス電圧を前記被加工材料に印加する電圧印加部と、
前記マイクロ波供給部から供給される前記マイクロ波を前記被加工材料に導入する導入面を有し、前記導入面に対して前記処理容器内に突出するように配置された前記被加工材料に前記導入面から前記マイクロ波を導入し、前記バイアス電圧の印加によって前記被加工材料の皮膜形成領域に沿って拡大された前記シース層へ、表面波として伝搬させるマイクロ波導入口とを備えた成膜装置であって、
前記被加工材料は電気的に前記電圧印加部の接地電位と同電位に接続されており、
前記被加工材料の突出方向において前記導入面に対して前記マイクロ波導入口とは反対側にて形成される前記シース層の厚みを拡大させるための電極であって、前記被加工材料の外側周囲に配置され、前記電圧印加部から供給される正のバイアス電圧が印加されるシース拡大電極を備えること
を特徴とする成膜装置。
前記シース拡大電極は前記マイクロ波導入口における前記導入面の外側周囲を囲んで配置され、且つ前記処理容器内で前記突出方向へ向けて延びること
を特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記突出方向における前記シース拡大電極の先端は、
前記突出方向と直交する方向において、前記被加工材料に皮膜を形成する領域として予め設定される皮膜形成領域に対して前記導入面を挟む反対側に配置され、且つ、
前記皮膜形成領域の前記突出方向における両端のうち、前記導入面に近接する側の端を含み且つ前記突出方向と直交する平面内に位置する第１位置、又は、前記平面に対して前記突出方向にずれて位置する第２位置に配置されていること
を特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記シース拡大電極の前記先端は、前記マイクロ波導入口の前記導入面よりも前記突出方向に位置すること
を特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
前記シース拡大電極は、前記突出方向へ向けて、少なくとも５ｍｍ以上延びること
を特徴とする請求項３又は４に記載の成膜装置。
前記シース拡大電極は、前記ガスが通過可能な編目又は織目を有し、金属製の素線を含む編物又は織物、若しくは前記ガスが通過可能な穴部を有する金属板によって形成され、前記被加工材料に皮膜を形成する領域として予め設定される皮膜形成領域を含む前記被加工材料の外側周囲を囲う電極であること
を特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記ガス供給部は、少なくとも炭化水素を含むガスを供給し、
前記成膜装置は、前記被加工材料にダイヤモンド膜を成膜すること
を特徴とする請求項１から６の何れかに記載の成膜装置。
前記シース拡大電極と前記被加工材料とを電気的に絶縁する絶縁部材を備え、
前記マイクロ波導入口を透過して前記導入面から前記被加工材料に導入される前記マイクロ波の導入方向における前記絶縁部材の厚みは、前記マイクロ波の波長の１／４以下であること
を特徴とする請求項１から７の何れかに記載の成膜装置。
前記シース拡大電極に印加される正のバイアス電圧は、接地電位との電位差が、プラズマの生成に必要な電位差よりも低い電圧であること
を特徴とする請求項１から８の何れかに記載の成膜装置。
前記処理容器内で前記マイクロ波導入口を覆う金属製のカバーを備え、
前記マイクロ波導入口は、
前記マイクロ波供給部から供給される前記マイクロ波を前記処理容器内に案内する基部と、
前記基部から前記処理容器内へ向けて突出し、前記マイクロ波の導入方向に沿って延び、前記突出方向側の先端面である前記導入面から前記被加工材料に前記マイクロ波を導入する突出部と、
前記導入面に開口し、前記突出方向が前記マイクロ波の導入方向に沿う向きに凹部状に形成され、前記被加工材料の前記皮膜形成領域よりも前記突出方向の逆方向側を保持する凹部と
を有し、
前記カバーは、前記マイクロ波導入口の前記基部を覆い、前記マイクロ波の導入方向を前記基部から前記突出部の前記導入面へ向けた方向に限定すること
を特徴とする請求項１から９の何れかに記載の成膜装置。