JPH03138370A

JPH03138370A - 薄膜製造装置

Info

Publication number: JPH03138370A
Application number: JP27366289A
Authority: JP
Inventors: Itsuo Arima; 有馬　逸男; Hisayoshi Tanaka; 田中　久賀; Noriaki Sato; 佐藤　典昭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1991-06-12

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は被処理物表面に金属薄膜等を形成する薄膜製造
装置に係り、特に大型で複雑な形状を有する被処理物で
あっても、その処理対象表面全域にわたって均質な薄膜
を迅速に形成することができる薄膜製造装置に関する。

（従来の技術）金属部品の表面の耐摩耗性、耐食性あるいは装飾的効果
を高めるために、また、金属やセラミックスの表面改質
のための硬化処理や、電気絶縁性または導電性を向上さ
せるために、金属化合物等を加熱分解し、部品表面に目
的とする金属またはセラミックスを析出させる化学蒸着
法（ＣＶＤ）が広く採用されている。

ＣＶＤ法は主として金属のハロゲン化物を１１００℃あ
るいはそれ以上の温度に加熱して被処理物表面にその単
体元素または炭化物、窒化物等の薄膜を形成する方法で
ある。

しかし、従来の加熱分解のみによるＣＶＤ法では加熱温
度が１１００℃以上にも達するため、熱処理して調製さ
れた被処理物自体の金属組織および機械的特性が高温度
のＣＶＤ処理により変化することが多い。

その対策として、ガスの分解、活性化源として直流また
は高周波電力によってプラズマを発生させて、低温度条
件下で反応を促進させるプラズマＣＶＤ法がより広く採
用されるに至っている。このプラズマＣＶＤ法によれば
、被処理物自体の加熱温度は、２００℃程度に抑制する
ことが可能であ−るため、熱による組織の変成が防止さ
れる。

従来のプラズマＣＶＤ法を使用する薄膜製造装置として
、例えば第１０図に示す装置がある。この薄膜製造装置
は、被処理物１を収容する反応容器２と、Ｔ　Ｉ　ＣＪ
　４などの原料ガスや水素、メタン、ヘリウムなどのキ
ャリアガスを反応容器２へ供給するガス供給装置３と、
被処理物１を２枚の平板電極によって挾み込むように反
応容器２内に対向して配設されたプラズマ発生電極（平
行平板電極）４と、反応容器２内を高真空度に減圧する
真空排気装置５と、原料ガスの活性化源としてのプラズ
マを発生させるプラズマ発生装置６とを備えて構成され
る。

また、反応容器２内には被処理物１を載置する支持架台
７と、被処理物１を所定温度に加熱するための加熱装置
８が配設される。また各プラズマ発生電極４に近接して
原料ガス供給管９が配設され、この原料ガス供給管９の
軸方向にはガス供給装置３からの原料ガスＧを反応容器
２内に流出させる複数の原料ガス供給口９ａが穿設され
る。

方、反応容器２の底部には反応ガス排気口１ｏが配設さ
れる。

ガス供給装置３には各種原料ガスおよびキャリアガスを
充填したボンベ１１　ａ、　　１　ｌ　ｂ、　　１１　
ｃが集積されており、各ガス流量は管路に付設された流
量調節弁１２．　１２　ａ、　　１２　ｂ、　　１２　
ｃによって調節される。また真空排気装置５と反応容器
２とを接続する管路には圧力制御弁１３が配設されてい
る。また被処理物１を支持架台７ごと回転させる回転装
置１４が設けられる。

本装置を使用して被処理物１表面に、例えば窒化チタン
（Ｔ　ｉ　Ｎ）の均質膜を形成する場合は、まずガス供
給装置３から、原料ガスとしての四塩化チタン（Ｔ　ｉ
　Ｃ１）　、窒素（Ｎ２）と、キャリアガスとしての水
素（Ｎ２）とが混合されて、反応容器２内に導入される
。反応容器２内は予め真空排気装置５によって高真空状
態に減圧され、その後原料ガスの導入により、Ｑ、２Ｔ
ｏｒｒ程度に保持されている。

一方プラズマ発生装置６によって反応容器２内のプラズ
マ発生電極４と被処理物１との間で放電によるプラズマ
が発生する。上記プラズマによって原料ガスが化学反応
を起こし、反応ガスＲとしての窒化チタンが生成する。

そして加熱装置８によって１００℃〜６００℃に加熱さ
れた被処理物１表面に反応ガスＲが蒸着し窒化チタン（
Ｔ　ｉ　Ｎ）から成る薄膜が形成される。そして被処理
物１表面に蒸着しなかった反応ガスＲは反応ガス排気口
１０を通り外部に排出される。

このようにプラズマＣＶＤ法を利用した薄膜製造装置の
構成、作用は比較的に簡単である。そして被処理物１が
比較的に小型であり、板材のように形状が単純なものに
ついては、反応ガスと被処理物１表面との接触も均一で
あり、むらの少ない均質な薄膜が形成される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら被処理物の形状が小さく単純な形ではなく
、例えば第１１図（ａ）、（ｂ）に示すように、大型で
段差を有する複雑な形状を呈する場合や、管状を呈する
被処理物の内面側に薄膜を形成しようとする場合におい
ては、活性化した原料ガスの流れ方向に対して、影とな
る部分が生じ原料ガスが充分流れない停滞空間が発生す
る場合が多い。

この原料ガスの流通が不良となる停滞空間は他の部分と
比較して活性化した原料ガスとの接触量が少なくなるた
め、生成される薄膜の厚さが相対的に小さくなり、また
膜特性も低下してしまう。

特に被処理物表面とプラズマ発生電極との間隔が被処理
物の軸方向位置によって異なるため、プラズマ放電電力
を印加したときに、被処理物表面に発生する電流密度分
布が不均一になり、薄膜形成速度が大きくばらつき、膜
厚が不均一になる。その際、例えば薄膜を絶縁用に使用
する部品ではその絶縁特性が不良となり、所定の機能を
発揮し得ない場合もある。また薄膜を装飾用に使用する
場合、表面の色調にむらを生じ装飾的価値が喪失される
。

特に管状の被処理物について、その内外面ともに薄膜を
一定の厚さに仕上げることは多大な労力お−よび時間を
要する。すなわち第１ＪＪ図に示す従来のＣＶＤ装置を
使用して筒状の被処理物に薄膜を形成しようとすると、
外表面と比較して内表面への成膜量が極めて少なくなる
。そのため、内表面に蒸着する成膜量を基準にして装置
を運転すると運転時間が著しく長期化して製造効率が大
幅に低下する。

その対策として予め被処理物の外表面への成膜を防止す
る、いわゆるマスキング処理を行なった後に、長時間を
かけて内表面のみに重点的に薄膜を形成するなどの変則
的な運転方法を採用する場合があった。

しかしいずれにしても煩雑なマスキング操作や長時間運
転が必要となり薄膜の製造効率が大幅に低下してしまう
問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、被処理物の処理対象表面全域にわたって均一な薄
膜を、高い製造効率で形成することができる薄膜製造装
置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため本発明は、原料ガス供給口と反
応ガス排気口とを有する反応容器と、反応容器内におい
て被処理物を回転自在に支持する支持架台と、反応容器
内にプラズマ放電場を形成し、原料ガスをプラズマ化す
るプラズマ発生電極とを備え、プラズマ化により活性化
した原料ガスを被処理物表面に蒸着させ薄膜を生成させ
る薄膜製造装置において、被処理物の表面形状に合せて
形成され、被処理物表面における放電電流密度を調整す
る補助電極を被処理物表面に近接して配置したことを特
徴とする。

また被処理物が管状であり、被処理物の少なくとも内表
面に薄膜を形成する場合に、プラズマ発生電極および補
助電極の少なくとも一方および原料ガス供給口を、被処
理物の内側に配設するとよい。

特にプラズマ発生電極および補助電極の少なくとも一方
に原料ガス供給口を一体的に形成するとよい。

さらに支持架台の上面方向から下面方向に反応ガスを貫
流させる複数のガス貫適孔を支持架台に穿設して構成す
ることもできる。

（作用）上記構成に係る薄膜製造装置によれば、被処理物の表面
形状に合せて補助電極が形成され、この補助電極が被処
理物表面に近接して配置されているため、被処理物と補
助電極との間隔が一定に保持され、被処理物表面の各位
置における放電電流密度が一定に調整される。その結果
、処理対象全面に亘り、均一な薄膜を効率的に製造する
ことができる。

また被処理物が管状であり、被処理物の少なくとも内表
面に薄膜を形成する場合に、プラズマ発生電極および補
助電極の少なくとも一方および原料ガス供給口を被処理
物の内側に配設することにより、被処理物の内表面側へ
の成膜を促進することができる。

特にプラズマ発生電極および補助電極の少なくとも一方
に原料ガス供給口を一体に形成することにより、原料ガ
ス供給口から流出した原料ガスが瞬時にプラズマにより
励起される。すなわち従来のように電極部と原料ガス供
給口とを離れて配置した薄膜製造装置では、反応済ガス
と未反応ガスとの混合があり、未反応ガスの励起効率が
低下する場合が多かったが、本発明装置によれば電極近
傍には未反応ガスの割合が大きくなるため、未反応の原
料ガスの励起効率が大幅に上昇する。

さらに支持架台の上面方向から下面方向に反応ガスを貫
流させる複数のガス貫適孔を支持架台に穿設することに
より、上記ガス貫適孔を通り未反応の原料ガスが被処理
物表面全体に流通するため、複雑な形状を有する被処理
物であっても従来のような反応ガスの停滞領域が形成さ
れることが少ない。そのため、被処理物の処理対象表面
全域に亘って均二な薄膜が形成され、品質が優れた製品
を効率的に提供することができる。

（実施例）次に本発明の一実施例について添付図面を参照−して説
明する。第１図は本発明に係る薄膜製造装置の第１実施
例の要部を示す断面図である。なお本発明装置は、電極
部および支持架台の構造に特徴を有し、その他の構成要
素については第１０図に示す従来装置と同一であるため
、以下に示す各実施例において従来装置と同一要素には
同一符号を付す一方、重複した要素の図示および重複し
た説明は省略する。

すなわち第１実施例に係る薄膜製造装置は、原料ガス供
給口９ａと反応ガス排気口１０とを有する反応容器２と
、反応容器２内において被処理物１ａを回転自在に支持
する支持架台７と、反応容器２内にプラズマ放電場を形
成し、原料ガスＧをプラズマ化する一対のプラズマ発生
電極４．４とを備え、プラズマ化により活性化した原料
ガスＧを被処理物１ａ表面に蒸着させ薄膜を生成させる
薄膜製造装置において、被処理物の表面形状に合せて形
成され、被処理物１８表面における放電電流密度を調整
する補助電極１５．１５を被処理物１ａ表面に近接して
配置して構成される。

すなわち一対の平板状のプラズマ発生電極４゜４が被処
理物１ａを水平方向から挟むように対向して配設され、
さらにプラズマ発生電極４，４より内側の被処理物１ａ
に近接して一対の補助電極１５．１５が配設される。支
持架台７の上部には基盤電極１６および支持台１７を介
して被処理物１ａが載置される。被処理物１ａとしては
段部を形成した中実体で例示している。

原料ガス供給口９ａから供給された原料ガスＧはプラズ
マ発生電極４，４および補助電極１５゜１５部において
発生するプラズマによって活性化され、被処理物１ａ表
面に沿って流れ、各表面位置に蒸着して薄膜を形成する
。このとき被処理物１８表面と補助電極１５．１５との
間隔が被処理物１ａ全体に亘って一定に保持されるため
、被処理物１８表面に発生する電流の密度分布が平均化
される。その結果、処理対象表面全面に亘り、均一な薄
膜を形成することができる。

このように本実施例によれば複雑な形状を有する被処理
物であっても、その処理対象表面における膜厚のばらつ
きが減少する。

次に本実施例の効果についてより具体的に説明する。

まず実施例１として第１１図（ａ）に示すステンレス製
の被処理物１ａを多数用意し、第１図に示す薄膜製造装
置に装着して表面にＳｉＮ薄膜を形成した。装置の運転
条件は下記の通りである。

すなわちシランガス（Ｓ　ｉＨ４）を毎分１５ｍ１゜窒
素ガス（Ｎ２）を毎分１００ｍ１．補助ガスとしての水
素ガス（Ｎ２）を毎分４００ｍ１ずつ供給する一方、プ
ラズマ発生電極電力を３．２ＫＷ、高周波電力（基盤電
極電力）を２００Ｗに設定し温度１００℃で６０分間プ
ラズマ放電を行なわしめ、ＳｉＮの薄膜を形成した。

一方、比較例１として第１０図に示す従来の薄膜製造装
置を使用し、プラズマ発生電極電力を３゜２ＫＷ、基盤
電極電力を５００Ｗに設定する一方、原料ガス組成およ
び処理時間を上記実施例と同一に設定してＳｉＮの薄膜
を形成した。

そして実施例１および比較例１で得られた部品の各表面
から試験片を切り出し走査型電子顕微鏡によってＳｉＮ
薄膜の厚さの分布および薄膜成長速度の分布を調査した
ところ、第２図に示す結果を得た。

第２図の結果から明らかなように本実施例装置によれば
、従来装置の場合と比較して印加電力が少ないにも拘ら
ず、膜厚分布のばらつきが少なく、かつ薄膜生成速度が
大きくなり、より均一性が高い膜生成が可能となる。

以下に本発明の他の実施例について順次説明する。第３
図は本発明の第２実施例を示す装置の要部断面図である
。

すなわち第２実施例は、円柱状の被処理物１を覆うよう
に円筒カゴ状に形成した補助電極１５ａを設け、原料ガ
ス供給口９ａを備えた原料ガス供給管９を補助電極１５
ａの外側に配設して構成される。補助電極１５ａの側壁
部には原料ガスＧが流通する流通孔１８が多数穿設され
ている。

本実施例によれば補助電極１５ａの流通孔１８を通過し
た原料ガスＧが補助電極１５ａにおいて発−生じたプラ
ズマにより瞬時に励起され、被処理物１表面に蒸着する
。原料ガスＧは励起された反応ガスとの混合が少ないた
め、励起効率を大幅に上昇させることができる。

第４図は本発明の第３実施例を示す断面図である。

すなわち本実施例に係る薄膜製造装置は、被処理物１ｂ
が第１１図（ｂ）に示すように管状である場合に、補助
電極１５ｂおよび原料ガス供給口９ａを穿設した原料ガ
ス供給口９を被処理物１ｂの内側に配設して構成される
。

原料ガス供給管９を通り供給された原料ガスＧは原料ガ
ス供給口９ａから被処理物１ｂの内表面に向けて供給さ
れる。このとき補助電極１５ｂも被処理物１ｂの内側に
配設されているため、被処理物１ｂの内表面において発
生する電流密度は、被処理物１ｂの外表面と比較して高
くなる。したがって被処理物１ｂの内表面に外表面より
も効率的に均質な薄膜を形成することができる。

第５図は本発明の第４実施例を示す断面図である。すな
わち本実施例に係る薄膜製造装置は、プラズマ発生電極
４，４から延長するように補助電極１５ｃ、１５ｃを一
体的に形成し、これら補助電極１５ｃ、１５ｃを筒状の
被処理物１ｂの内側に対向するように配置して構成され
る。

本実施例においては第３実施例と同様な作用効果を現わ
すとともに、電極部の構成が簡素になる。

第６図は本発明の第５実施例を示す断面図である。本実
施例装置はプラズマ発生電極４，４から延設した補助電
極１５ｄ、１５ｄに原料ガス供給口９ａを一体的に形成
して構成される。

本実施例においては、原料ガス供給口９ａ付近において
は、未反応の原料ガスＧが占める割合が多くなるため、
原料ガスＧのプラズマによる励起効率が大きくなる。す
なわち従来装置のように原料ガス供給口と補助電極とが
離れて配置されている場合は、励起され薄膜を生成し終
えた反応ガスと、未反応の原料ガスとが混合され易く、
その混合ガス全体に対してプラズマ励起を行なうため、
結果として未反応の原料ガスの励起効率が低くなる欠点
があった。

しかし、本実施例によれば、原料ガスの励起効率が高ま
り、運転コストが低減されるとともに、薄膜の製造効率
を大幅に高めることができる。

次に第７図〜第９図はそれぞれ本発明の第６〜第８実施
例を示す断面図である。すなわち第６〜第８実施例に示
す薄膜製造装置は、第４図〜第６図に示す第３〜第５実
施例に示す支持架台７をそれぞれ改良したものであり、
各支持架台７，７゜７の上面方向から下面方向に反応ガ
スＲを貫流させる複数のガス貫適孔１９　ａ、　　１９
　ｂ、　　１９　ｃをそれぞれの支持架台７，７．７に
穿設して構成される。

第６〜第８実施例によれば、被処理物１ｂ表面に薄膜を
生成し終えた反応ガスＲが各ガス貫適孔１９ａ〜１９ｃ
を通り、支持架台７の下方に効率的に排除されるため、
滞留することが少ない。すなわち被処理物１ｂの内側に
おける原料ガスＧおよび反応ガスＲの流通が円滑化し、
未反応の原料ガスＧが順次供給され励起された後に、順
次軸方向に排出される。

したがって原料ガスＧが反応ガスＲと混合することが少
なく、原料ガスＧは効率的に励起される。

次に第３〜第８実施例に係る薄膜製造装置を使用してＳ
ｉＮ薄膜を生成した場合の効果についてより具体的に説
明する。

まず第１１図（ｂ）に示す寸法を有するステンレス製の
被処理物１ｂを多数用意し、実施例３〜８として同一の
被処理物１ｂをそれぞれ第３実施例〜第８実施例に係る
薄膜製造装置に装填し下記運転条件で被処理物１ｂの内
外表面にＳｉＮ薄膜を形成した。

すなわちシランガス（Ｓ　Ｉ　Ｈ４）を毎分１５ｍ１、
窒素ガス（Ｎｚ）を毎分１００　ｍｌ、補助ガスとして
の水素ガス（Ｈ２）を毎分４００　ｍｌずつ供給すると
同時に、高周波電力（基盤電極電力）を２００Ｗ１プラ
ズマ発生電極（平行平板電極）の出力を３．２ＫＷに設
定し処理温度１００℃で６０分間処理して被処理物１ｂ
内外表面に薄膜を形成したらしかる後に各被処理物１ｂ
の内表面について上端から軸方向に０．５０，１００．
Ｊ１５０．２００ｍの位置における生成膜厚さおよび外
表面においては上端から１００−の位置に右ける生成膜
厚さを測定した。

一方、比較例２として同一の被処理物１ｂを、第１０図
に示す従来の薄膜製造装置に装着して、ＳｔＮ膜を生成
した。原料ガスおよび補助ガスの組成および流量は実施
例３〜８と同一に設定したが、処理時間は２４０分間と
した。

上記実施例３〜８および比較例２で得られた各被処理物
の膜厚分布の測定結果を下記第１表に示す。

〔以下余白〕

第１表第１表に示す膜厚測定結果から明らかなように、実施例
３〜８においては被処理物の内表面に軸方向にほぼ均一
な厚さを有する薄膜が短時間に形成される。

一方、従来装置を使用した場合には、内表面に所定厚さ
の薄膜を生成するためには本実施例装置の約４倍の処理
時間が必要とされ、製造効率が大幅に低下してしまう。

また内表面の軸方向の膜厚分布も大きくばらつき均一な
薄膜を形成することが困難である。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る薄膜製造装置によれば、
被処理物の表面形状に合せて補助電極が形成され、この
補助電極が被処理物表面に近接して配置されているため
、被処理物と補助電極との間隔が一定に保持され、被処
理物表面の各位置における放電電流密度が一定に調整さ
れる。その結果、処理対象全面に亘り、均一な薄膜を効
率的に製造することができる。

特にプラズマ発生電極および補助電極の少なくとも一方
に原料ガス供給口を一体に形成することにより、原料ガ
ス供給口から流出した原料ガスが瞬時にプラズマにより
励起される。すなわち従来のように電極部と原料ガス供
給口とを離して配置した薄膜製造装置では、反応済ガス
と未反応ガスとの混合があり、その結果、未反応ガスの
励起効率が低下する場合が多かったが、本発明装置によ
れば電極近傍には未反応ガスの割合が太き（なるため、
未反応の原料ガスの励起効率が大幅に上昇する。

さらに支持架台の上面方向から下面方向に反応ガスを貫
流させる複数のガス貫適孔を支持架台に穿設することに
より、上記ガス貫適孔を通り反応ガスが被処理物表面全
体に流通するため、複雑な形状を有する被処理物であっ
ても従来のような反応ガスの停滞領域が形成されること
が少ない。そのため、被処理物の処理対象表面全域に亘
って均一な薄膜が形成され、品質が優れた製品を効率的
に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜製造装置の第１実施例を示す
断面図、第２図は被処理物の膜厚分布を従来例とともに
示す断面図、第３図り第９図はそれぞれ本発明の第２実
施例〜第８実施例を示す断面図、第１０図は従来の薄膜
製造装置の構成例を示す断面図、第１１図（ａ）、　　
（ｂ）はそれぞれ被処理体の形状例を一部破断して示す
正面図である。１．１ａ、ｌｂ・・・被処理物、２・・・反応容器、３
・・・ガス供給装置、４・・・プラズマ発生電極（平行
平板電極）、５川真空排気装置、６・・・プラズマ発生
装置、７・・・支持架台、８・・・加熱装置、９・・・
原料ガス供給管、９ａ・・・原料ガス供給口、１ｏ・・
・反応ガス排気口、ｌｌａ、ｌｌｂ、　　１１ｃｍ・・
ボンベ、１２．１２ａ、１２ｂ、１２ｃｍ・・流量調節
弁、１３・・・圧力制御弁、１４・・・回転装置、１５
，１５ａ。１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ−・・補助電極、１６−・・基
盤電極、１７・・・支持台、１８川流通孔、１９ａ、１
９ｂ、１９ｃ・・・ガス貫適孔、Ｇ・・・原料ガス、Ｒ
・・・反応ガス。第２図第５図１１１．６図第９図第１Ｏ図１１１ｍ　：　ｍｍｃ、ｎ＜ａ＞（ｔ）第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

１．原料ガス供給口と反応ガス排気口とを有する反応容
器と、反応容器内において被処理物を回転自在に支持す
る支持架台と、反応容器内にプラズマ放電場を形成し、
原料ガスをプラズマ化するプラズマ発生電極とを備え、
プラズマ化により活性化した原料ガスを被処理物表面に
蒸着させ薄膜を生成させる薄膜製造装置において、被処
理物の表面形状に合せて形成され、被処理物表面におけ
る放電電流密度を調整する補助電極を被処理物表面に近
接して配置したことを特徴とする薄膜製造装置。
２．被処理物が管状であり、被処理物の少なくとも内表
面に薄膜を形成する場合に、プラズマ発生電極および補
助電極の少なくとも一方および原料ガス供給口を、被処
理物の内側に配設したことを特徴とする請求項１記載の
薄膜製造装置。
３．プラズマ発生電極および補助電極の少なくとも一方
に原料ガス供給口を一体的に形成したことを特徴とする
請求項１記載の薄膜製造装置。
４．支持架台の上面方向から下面方向に反応ガスを貫流
させる複数のガス貫適孔を支持架台に穿設したことを特
徴とする請求項１記載の薄膜製造装置。