JPH02194179A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、母材の表面に薄膜を形成するための成膜装置
に関するものである。

「従来の技術」 成膜装置として、従来よりＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｒｃａ
ｌＶ　ａｐｅｒ　Ｄ　ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が広（
採用されている。

ＣＶＤ装置は、気密を保持可能な反応槽の内部に原料ガ
スおよび雰囲気ガスを導入してそれらを化学反応させ、
その反応生成物を母材（被処理物）の表面に付着させて
膜を形成するものであって、たとえば窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）の膜を形成する場合には、原料ガスとしてＴｉｃ１
４を、雰囲気ガスとしてＨ，およびＮ、を用い、 Ｔ　ｊｃｌａ＋Ｈ、＋　Ｎ　、−＊Ｔ　ｉＮ　＋　Ｈｃ
ｌの反応を利用して薄膜を形成するものである。

上記のようなＣＶＤ装置は、高温の熱エネルギを利用す
る熱ＣＶＤ装置と、熱エネルギに代えてプラズマエネル
ギを利用するプラズマＣＶＤ装置に大別される。

熱ＣＶＤ装置は、反応槽内を極めて高温たとえば１，０
００℃程度とすることによって上記のような化学反応を
起こさせるものであって、生成される膜と母材との境界
で相互拡散が行なわれること、また、成膜に先立って母
材表面の不純物（油分、水分、酸化膜、等）が高温によ
って解離されるので母材表面が清浄化され、母材と強固
に密着した膜を形成できる、という利点がある。

また、プラズマＣＶＤ装置は、プラズマエネルギによっ
て原料ガスや雰囲気ガスをイオン化することで、低温下
で上記のような化学反応を起こさせるものであって、母
材に対して高温を加えることが許されない場合（たとえ
ば母材の材質が劣化してしまったり、熱変形してしまう
場合）に主として採用されている。

プラズマエネルギを利用するプラズマＣＶＤ装置は、さ
らに、プラズマ生成法の違いから高周波法と直流放電法
に大別される。

高周波法によるプラズマＣＶＤ装置は、第２図に示すよ
うに、反応槽ａ内に２枚の基板す、ｂを対向配置し、そ
れら基板す、ｂに高周波電源Ｃから高周波を印加するこ
とによってそれらの周囲にプラズマを生成させるように
したものである。また、直流放電法は、第３図に示すよ
うに、基板ｄに対して直流電源ｅにより負の直流電位を
印加して、その基板ｄと反応槽ａとの間にグロー放電を
生ぜしめて基板ｄの周囲にプラズマを生成させるように
したものである。

このような、高周波法によるプラズマＣＶＤ装置、およ
び直流放電法によるプラズマＣＶＤ装置では、いずれも
上述したように低温下において膜を形成できる利点に加
えて、イオン化されたガスが母材に激しく衝突するので
、いわゆるイオンボンバード作用により母材表面が高度
に清浄化されるという利点がある。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、上記従来の熱ＣＶＤ装置では、高温に対して
十分に耐え得る母材に対してのみしか適用できないし、
そのような母材であっても少なからず母材の軟化や熱変
形が起こることがあり、そのような場合には、母材に膜
を形成した後にあらためて熱処理を施す必要が生じる、
という難点がある。また、母材表面の清浄度も、イオン
ボンバード作用によって清浄化されるプラズマＣＶＤ装
置に比して劣り、ときには不純物が固体化して膜と母材
との間に層となって残り、膜の密着力を十分に確保でき
ないことがあった。

また、従来の高周波法によるプラズマＣＶＤ装置では、
イオン化率を高めるためにはプラズマパワーを十分に太
き（する必要があるが、プラズマパワーを余り大きくす
ると、第２図に示されるように、基板す、ｂの周囲のみ
ならず反応槽ａ内部の広い範囲で原料ガスの反応が生じ
てしまい、したがって反応生成物が空間中で粉末となっ
てしまって膜が形成されない、という問題を生じる。こ
のため、従来においてはプラズマパワーを余り大きくで
きず、したがって、必ずしも十分なイオン化率を得られ
るものではなかった。また、母材が立体的な形状の場合
にはコイル状の電極を使用するのであるが、その場合、
コイル状の電極の周辺のみでプラズマが強くなって電極
から遠い位置ではプラズマが弱くなり、したがって大形
の母材に対しては適用できないものである。

さらに、従来の直流放電法によるプラズマＣＶＤ装置で
は、第３図に示されるように基板ｄの周囲のみでプラズ
マが生成されるので、高周波法による場合のように空間
での反応を防ぐことができ、また、大形の母材に対して
も適用できる反面、グロー放電電流の大きさが反応層ａ
内の圧力に依存するため、イオン化率を高めるためには
反応槽ａ内の圧力を数Ｔ　ｏｒｒ程度と比較的高（（真
空度を低く）する必要がある。このため、反応槽ａ内の
圧力を十分に低く（真空度を高＜）シて緻密で硬度の高
い良質な膜を形成しようとする場合には、十分なイオン
化率が得られないことになり、良質の薄膜を形成し難い
ものであった。

また、この直流放電法によるプラズマＣＶＤ装置では、
イオン化率を高めるためには基板に印加する負の電位を
十分に下げる必要もあるが、基板が十分に清浄化されな
いまま電位を−ＩＫＶ〜−２ＫＶ程度まで急激に下げる
と、残留不純物の影響によりグロー放電がアーク放電に
移行して母材表面に放電傷を付けてしまうことがあり、
このため、電位を注意深く徐々に下げていかなければな
らならず、作業時間が長くかかる、という欠点もあった
。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、低温かつ
高真空下であっても良質の薄膜を形成することのできる
成膜装置を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」 本発明は、気密を保持可能な反応槽内に基板を配し、そ
の基板に直流電源により負の電位を印加することによっ
て、前記反応槽内に導入した原料ガスおよび雰囲気ガス
をイオン化して化学反応を起こさせ、それら原料ガスと
雰囲気ガスの反応生成物を被処理物の表面に付着させて
薄膜を形成するように構成された成膜装置において、前
記被処理物の表面を清浄化するための洗浄ガスを前記反
応槽内にイオン化して導入するためのプラズマガンを具
備してなることを特徴としている。

前記原料ガスおよび前記雰囲気ガスのいずれか一方もし
くは双方を、前記プラズマガンを通して反応槽内に導入
可能に構成することが望ましく、原料ガスをプラズマガ
ンにより導入する場合においては、その原料ガスをプラ
ズマガンのカソードより前方の位置に供給するように構
成することが望ましい。

「作用」 本発明の成膜装置は、成膜を行うに先立って、洗浄ガス
をプラズマガンによりイオン化して反応槽内に導入する
ことにより、その洗浄ガスのイオンを被処理物の表面に
衝突させ、そのイオンボンバード作用により被処理物表
面を清浄化する。

「実施例」 以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、第３図に示したよう
な直流放電法によるプラズマＣＶＤ装置を基本構成とす
るものであって、符号ｌは反応槽、２はその内部を真空
とするための真空排気ポンプ、３はヒータ、４は基板で
ある。この基板４は、直流電源５により負の電位が印加
されるようになっており、その上面に被処理物６が配置
されるようになっている。

また、符号７は反応槽ｌ内に設けられたノズルであり、
８は反応槽１に取り付けられたプラズマガンである。こ
のプラズマガン８は、内部にカソード８ａが設けられて
おり、そのカソード８ａを図示しない電源により加熱し
てグロー放電を生せしめ、そのグロー放電によって、供
給されたガスをイオン化してプラズマ流として反応槽ｌ
内に吹き込むようにされたものである。

上記のノズル７およびプラズマガン８には、原料ガス（
たとえばＴ　１ｃｅ４）、雰囲気ガス（たとえばＡｒ、
Ｈｅ）、成膜に先立って被処理物６表面を清浄化するた
めの洗浄ガス（たとえばＨｌ）が、それぞれのガスボン
ベ９，１０．１１から単独テあるいは混合して供給でき
るようになっていて、それらのガスはノズル７またはプ
ラズマガン８を通して反応ｔｉｔ内に導入されるように
なっている。

すなわち、雰囲気ガスのガスボンベ１ｏに接続されてい
る供給管１５と洗浄ガスのガスボンベ１１に接続されて
いる供給管１６は供給管１７に接続され、その供給管１
７はバルブ１８．１９を介して２本の供給管２０．２１
に分岐され、その−方の供給管２０はノズル７に接続さ
れ、他方の供給管２１はプラズマガン８の後部に接続さ
れるようになっている。

また、原料ガスのガスボンベ９に接続されている供給管
２５はパルプ２６．２７を介して２本の供給管２８．２
９に分岐され、その一方の供給管２８は上記供給管２０
に接続され、他方の供給管２９はプラズマガン８に接続
されるようになっているが、この他方の供給管２９はバ
ルブ３０，３１によりさらに２本の供給管３２．３３に
分岐され、その一方の供給管３２はプラズマガン８の後
部に、他方の供給管３３はプラズマガン８のカソード８
ａより前方の位置にそれぞれ接続されるようになってい
る。なお、符号３５．３６．３７は、各ガスボンベ９．
１０．１１を開閉するメインバルブ、３８．３９．４０
は各ガスの供給量を計測するタメのマスフローコントロ
ーラである。

各ガスの供給管の経路を上記のように構成したことによ
り、各バルブを選択的に開閉することにより、所望のガ
スを単独であるいは他のガスと混合して、ノズル７また
はプラズマガン８から反応槽ｌ内に導入できるようにな
っている。

なお、第１図ではプラズマガン８を被処理物６の側方に
位置させて設けて、プラズマ流が被処理物６に直接的に
吹き付けられるようにしたが、必ずしもそのようにする
ことはなく、第１図に二点鎖線で示すように、反応槽１
の上部あるいはその他適宜位置に設けることでも良い。

また、ヒータ３を反応槽ｌの外部に設けたり、真空排気
ポンプ２を複数の系統に別けて設けても良い。さらに、
・第１図に示されるノズル７の位置や形状、ガス供給管
の経路は一例であって種々の変更が可能であるし、各ガ
スボンベに代えて液化ガスを加熱してガス化させるガス
発生装置を用いても良い。また、雰囲気ガスと洗浄ガス
とを兼用し、雰囲気ガスを洗浄ガスとしても使用するこ
とも可能である。

以上で本実施例のプラズマＣＶＤ装置の構成を説明した
が、次に、その使用方法を説明する。なお、以下で述べ
る圧力や温度の値、使用するガスの種類等は一例であっ
て、被処理物６の材質や形成する膜の種類等によって最
適となるように適宜設定し、選択すれば良い。

基板４上に被処理物６を配したら反応槽ｌを密閉し、真
空排気ポンプ２により反応槽１内から排気を行う。反応
槽１内の圧力をＩＯ″″５〜１０−’Ｔｏｒｒ程度とし
たら、ヒータ３に通電して反応槽ｌ内を４００〜６００
°Ｃ程度にまで加熱する。この際、温度が２００°Ｃ程
度になった時点で被処理物６の表面から水分が蒸発して
除去され、４００　’Ｃ程度となった時点で油分が蒸発
して除去され、それに伴い、反応層１内の圧力は若干高
まるが、水分、油分が十分に蒸発除去されると圧力は再
び降下し始める。

この時点で、メインバルブ３６．３７およびバルブ１８
を開いて、雰囲気ガス（Ａｒ、１４ｅ等）および洗浄ガ
ス（Ｈ，等）をノズル７から反応槽１内に導入し、それ
らの導入量を図示しない制御装置により制御して反応槽
１内の圧力を１０′″！〜１Ｏ−３Ｔ　ｏｒｒ程度に保
持するとともに、基板４に直流電＃５により一３００ｖ
程度の負の電位を印加して、被処理物６の周囲にグロー
放電を起こさせる。これにより、従来の直流放電法によ
るプラズマＣＶＤ装置と同様に、基板４の周囲にプラズ
マが生成されて導入されたガスがイオン化されるが、そ
のイオン化率は、反応槽１内の圧力がｌｏ−１〜１０−
”ｒ’ｏｒｒ程度と低いこと、および基板４に印加され
ている電位が一３００ｖ程度とさほど低くはないことか
ら、十分に高くはならず、したがって、この時点ではイ
オンボンバード作用は十分に発揮されるものではない。

そこで、バルブ１９を開き、メインバルブ３６゜３７を
操作することによって洗浄ガスあるいは雰囲気ガスのい
ずれか一方あるいは双方を混合してプラズマガン８に供
給し、プラズマガン８のカソード８ａに通電する。これ
により、プラズマガン８によって生成されたガスイオン
（Ａ　ｒ”、Ｈｅ”、Ｈ十等）が反応槽１内に導入され
、そのガスイオンは、負の電位が印加されている基板４
に向かってクーロン力により高速で飛んでいき、被処理
物６に激しく衝突してその表面の酸化膜等を除去して清
浄化する。すなわち、プラズマガン８によって導入され
たガスイオンによってイオンボンバード作用が十分に発
揮されることになる。

上記のようにして被処理物６の表面をイオンボンバード
により十分に清浄化したら、各バルブを一旦閉じ、続い
て、成膜工程に移行するのであるが、その成膜工程は以
下の２通りのいずれかにより行う。

すなわち、一般に、形成する膜を十分に緻密で硬く、つ
きまわりを良好とするためには、反応圧力を低（（反応
槽１内の真空度を高（）することが望ましいのであるが
、その場合には反応速度が遅くなって生産性が良くなく
、逆に、反応速度を速めて生産性を向上させるためには
反応圧力を高く（反応槽１内の真空度を低く）すること
が望ましいのであるが、その場合には膜質は若干低下す
る、という背反性がある。したがって、膜質を重視する
場合には反応圧力を１０′″”Ｔｏｒｒ程度以下と低く
し、生産性を重視する場合には反応圧力を１０−’Ｔｏ
ｒｒ程度以上程度以上口て操業を行うこととし、それぞ
れ、次のような手順で成膜を行う。

まず、膜質を重視して低圧（高真空）において成膜を行
う場合には、原料ガスをプラズマガン８によりイオン化
して反応層ｌ内に導入する。この際、原料ガスが腐食性
ガスでなければ、バルブ３０を開、バルブ３１を閉とし
て原料ガスをプラズマガン８の後部に供給するが、原料
ガスが塩化物やフッ化物のハロゲン化物のような腐食性
ガスの場合には、バルブ３１を開、バルブ３０を閉とし
て原料ガスをプラズマガン８のカソード８ａの前方の位
装置に供給する。このようにするのは、腐食性ガスをプ
ラズマガン８の後部に供給した場合には、そのガスによ
ってカソード８ａが早期に腐食してしまうからである。

また、同時に、雰囲気ガスをノズル７から、もしくは原
料ガスに混合してプラズマガン８から反応槽１内に導入
する。

そして、プラズマガン８のカソード８ａに通電して加熱
すると、原料ガスはイオン化されてプラズマ流として反
応槽１内に吹き込まれ、ノズル７からあるいは原料ガス
に混合されてプラズマガン８から導入される雰囲気ガス
と反応して、被処理物６の表面に薄膜が形成される。

このように、反応槽ｌ内の圧力を十分に低（することに
よって、上述したように緻密で硬度が高く、つきまわり
の良い良好な薄膜が形成できるとともに、原料ガスをプ
ラズマガン８によりイオン化して導入することによって
、従来のグロー放電によってのみイオン化する場合に比
してイオン化率が高められて反応速度を速めることがで
き、また、基板４に印加する負の電位を余り低（しなく
ても済み、この結果、作業時間を短縮して生産性を向上
させることができる。

また、生産性を特に重視して反応槽内の圧力を比較的高
くして（真空度を低くして）成膜を行う場合には、バル
ブ２６を開、バルブ２７を閉として、原料ガスをノズル
７により反応層ｌ内に導入する。

このように、ノズル７から原料ガスを導入するのは、反
応槽１内の圧力が高い（真空度が低い）場合には原料ガ
スをプラズマガン８から導入しても、分子間距離が短く
いのですぐに中性分子と衝突してイオンが消滅してしま
うからである。

そして、この場合、雰囲気ガスも反応槽ｌ内に導入する
のであるが、その雰囲気ガスは、原料ガスが腐食性ガス
でなければその原料ガスと混合してノズル７から導入し
ても良いが、原料ガスが腐食性ガスの場合には、バルブ
１８を閉、バルブ１９を開としてプラズマガン８の後部
に供給し、そのプラズマが７８を通して反応槽ｌ内に導
入する。

このようにすることにより、プラズマガン８のカソード
８ａが雰囲気ガスによって遮蔽され、ノズ・ルアから導
入された原料ガスがカソード８ａに接触することがない
から、カソード８ａの腐食を有効に防止することができ
る。

以上で説明したように、本実施例のＣＶＤ装置では、直
流放電法によるプラズマＣＶＤ装置を基本構成とするも
のであるから、従来の熱ＣＶＤ装置における欠点、すな
わち、高温に耐え得る母材に対してしか適用できない、
あらためて別の熱処理が必要となる、母材の清浄度を十
分に高（できない、といった欠点を解消でき、また、従
来の高周波法によるプラズマＣＶＤ装置の欠点、すなわ
ち、反応生成物が空間で粉末となってしまう、大形の被
処理物には適用できない、といった欠点をいずれも解消
できることは勿論のこと、プラズマガン８により洗浄ガ
スをイオン化して反応槽ｌ内に導入するように構成した
から、反応槽ｌ内の圧力が十分に低い（真空度が高い）
場合であってもイオン化率を十分に高めることができ、
したがって十分なイオンボンバード効果が発揮されて被
処理物６を十分に清浄化できるものである。

また、低圧で成膜を行う場合には、原料ガスをプラズマ
ガン８によりイオン化して導入することでそのイオン化
率を十分に高くできるとともに、基板４に印加する負の
電位をさほど低くする必要がなく、このため、従来の直
流放電法によるプラズマＣＶＤ装置の欠点、すなわち、
圧力が低いと十分なイオン化率を得られない、基板に印
加する負の電位を十分に低くするために長時間を要する
、といった欠点も併せて解消できるものであり、このた
め、低温かつ高真空下で良質の薄膜を短時間で形成する
ことができる、といケ優れた利点を有するものである。

その上、本実施例のＣＶＤ装置では、原料ガスが腐食性
ガスの場合には、その原料ガスをプラズマガン８のカソ
ード８ａの前方に供給するようにし、また、原料ガスが
腐食性ガスの場合には雰囲気ガスをプラズマガン８によ
り導入することにより、プラズマガン８のカソード８ａ
が原料ガスに接触してしまうことがなく、したがってカ
ソード８ａの腐食を有効に防止することができる、とい
′う利点もある。

「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、本発明によれば、被処理
物の表面を清浄化するための洗浄ガスをイオン化して反
応槽内に導入するためのプラズマガンを具備したので、
反応槽内が低圧であっても、また、基板に印加する負の
電位をさほど低くせずとも、洗浄ガスのイオン化率を十
分に高めることができ、したがって、イオン化された洗
浄ガスのイオンボンバード作用により被処理物の表面を
十分に清浄化することができ、その結果、被処理物に強
固に付着した良質の薄膜を形成することができる、とい
う効果を奏する。

また、原料ガスを上記のプラズマガンによりイオン化し
て反応槽内に導入して成膜を行うように構成すれば、反
応槽内が低圧であっても、また、基板に印加する負の電
位をさほど低くしなくても、原料ガスのイオン化率を十
分に高めることができ、このため、緻密で硬い良質の薄
膜を短時間で形成できる、という利点がある。

また、原料ガスをプラズマガンを通して反応槽内に導入
するように構成する場合においては、原料ガスをプラズ
マガンのカソードより前方の位置に供給するように構成
し、腐食性の原料ガスをカソードの前方に供給するよう
にすれば、カソードがその原料ガスに接触して腐食して
しまうことを防止できる、という利点がある。

さらに、雰囲気ガスを上記のプラズマガンを通して反応
槽内に導入するように構成し、原料ガスが腐食性ガスの
場合には雰囲気ガスをプラズマガンを通して導入するよ
うにすれば、プラズマガンのカソードがその雰囲気ガス
によって遮蔽されて原料ガスに接触することが防止され
、したがってカソードが腐食してしまうことを防止でき
る、という利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の成膜装置の概略構成を示す
断面図である。 第２図は高周波法によるプラズマＣＶＤ装置の概念図、
第３図は直流放電法によるプラズマＣＶ・Ｄ装置の概念
図である。 １・・・・・・反応槽、２・・・・・・真空排気ポンプ
、３・・・・・・ヒータ、４・・・・・・基板、５・・
・・・・直流電源、６・・・・・・被処理物、７・・・
・・・ノズル、８・・・・・・プラズマガン、８ａ・・
・・・・カソード、９・・・・・・原料ガスボンベ １０・・・・・・雰囲気ガスボンベ １１・・・・・・洗浄ガスボンベ。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）気密を保持可能な反応槽内に基板を配し、その基
   板に直流電源により負の電位を印加することによって、
   前記反応槽内に導入した原料ガスおよび雰囲気ガスをイ
   オン化して化学反応を起こさせ、それら原料ガスと雰囲
   気ガスの反応生成物を被処理物の表面に付着させて薄膜
   を形成するように構成された成膜装置において、前記被
   処理物の表面を清浄化するための洗浄ガスを前記反応槽
   内にイオン化して導入するためのプラズマガンを具備し
   てなることを特徴とする成膜装置。
2. （２）前記原料ガスを前記プラズマガンを通して反応槽
   内に導入可能に構成してなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の成膜装置。
3. （３）前記原料ガスを前記プラズマガンのカソードの前
   方の位置に供給するように構成してなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の成膜装置。
4. （４）前記雰囲気ガスを前記プラズマガンを通して反応
   槽内に導入可能に構成してなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項または第３項記載の成膜装
   置。