JPH0559992B2 - - Google Patents

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JPH0559992B2
JPH0559992B2 JP17033386A JP17033386A JPH0559992B2 JP H0559992 B2 JPH0559992 B2 JP H0559992B2 JP 17033386 A JP17033386 A JP 17033386A JP 17033386 A JP17033386 A JP 17033386A JP H0559992 B2 JPH0559992 B2 JP H0559992B2
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gas
reaction chamber
vapor deposition
chamber
torr
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Tooru Arai
Hironori Fujita
Kazuyuki Oguri
Hideo Tachikawa
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ化学蒸着方法およびその装
置に関し、更に詳しくは、立体形状等の複雑な形
状の被処理材に対して均一な膜を被覆するプラズ
マ化学蒸着方法およびその装置に関するものであ
る。 〔従来の技術およびその問題点〕 従来より、耐摩耗性、耐焼付性等の向上をねら
い、金属等の表面に窒化チタン(TiN)、炭化チ
タン(TiC)や炭化バナジウム(VC)等の硬質
物質を被覆する方法として化学気相蒸着法や溶融
塩浸漬法といつた高温処理法が知られている。こ
れらの方法は、被覆が1000℃前後で行なわれるた
めに、被覆層の密着性は良好であるものの、被処
理体の熱歪が発生しやすいという問題があつた。
また、アルミニウム合金等の融点の低い材料に対
しては適用が不可能であつた。 そのため、近年イオンプレーテイング法をはじ
めとする各種物理蒸着法によつて低温(550℃以
下)での被覆が実用されはじめている。しかしな
がら、イオンプレーテイング法やスパツタリング
法においては、処理時のガス圧力が低く、ガス粒
子の平均自由行程が長く粒子の入射が一方向とな
るために、被覆層のつきまわり性が悪いという問
題があり、均一な被覆を得るためには被処理体の
回転操作等が必要となり装置コストが高いという
欠点があつた。 そこで、近年、プラズマを用いて化学気相蒸着
法の処理温度を下げるという試みが盛んに行なわ
れるようになつてきた。 このプラズマ化学蒸着法は、プラズマ空間中で
は化学反応が極めて活発に進行することを利用し
て被覆を行なう方法であり、これにより通常の化
学蒸着法では不可能な低温での被覆が可能とな
り、現在半導体製造分野等の一部で窒化シリコン
(SiNx)や酸化シリコン(SiO2)等の被覆に実
用化されている。 最近、このプラズマ化学蒸着法の技術を用い、
耐摩耗性、耐焼付性等の向上をねらう硬質被覆技
術の開発が活発に行なわれている。しかしなが
ら、この方法では、硬質層の被覆の可能性が確認
されている程度で、一部半導体分野において実用
化されているに過ぎず、立体形状等の被処理材に
均一に被覆することが困難であつた。 すなわち、一部実用化されている半導体分野に
おいては、プラズマ化学蒸着法において対象とな
る被処理材が、ウエハー等の平板形状の物体であ
り、2次元面内でのみ被覆の均一性を考慮したも
のである。この2次元平面内においては、反応に
関与する励起状態のガスやラジカルを均一に分布
させることは比較的容易であり、その結果、この
方法において、平板形状の物体に均一な被覆が可
能となり、実用に供されているものである。 これに対し、工具や金型等が対象となる硬質層
被覆の分野においては、3次元の立体で、かつ複
雑な形状を有する物体に均一な被覆を行なう必要
があり、半導体分野における技術をそのまま適用
しても均一な被覆を行なうことが困難なためであ
る。これは、3次元の空間内において反応に関与
する励起状態のガスやラジカルを均一に分布させ
ることが困難であり、その結果被覆が不均一にな
るものと考えられる。このように、プラズマ化学
蒸着法を立体形状の物体に適用した均一な被覆を
得ることは従来困難であつた。 最近、この問題を解決する方法として、被処理
体を回転する方法(特開昭58−174569)や、被処
理体の周辺にガス導入口兼放電用コイルを設置す
る方法(特開昭60−63377)等が提案されている。 しかし、前者においては、水平方向の被覆にお
ける均一性向上はみられるものの高さ方向の被覆
の均一性の向上は難しく、また、後者においては
被処理体に応じたコイルを用いる必要があり装置
が複雑になるなど、問題点を有し、いずれも根本
的な解決を得るには至つていない。 そこで、本発明者らは、上述のような従来技術
の問題点を解決すべく化学蒸着法の根本であるガ
スの流れに着目して鋭意検討を重ねた結果、本発
明を成すに至つたものである。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、立体複雑形状の被処理体に対
して、プラズマ化学蒸着法により均一な被覆層を
形成する方法およびその装置を提供することにあ
る。 〔発明の説明〕 発明の構成 本発明のプラズマ化学蒸着方法は、プラズマ反
応室内に被処理体を配設する被処理材配置工程
と、該反応室内に残存する気体を排気する残留気
体除去工程と、前記反応室内に昇温用ガスを導入
するとともに被処理材の表面を所定の蒸着温度に
加熱する昇温工程と、前記反応室内にガス噴射室
から蒸着用ガスを導入し、該反応室とガス噴射室
とのガス差圧を9Torr以上に保つとともに放電を
行なうことにより被処理体の表面に被膜を均一に
成長させる蒸着工程とからなることを特徴とする
ものである(以下、本第一発明とする)。 次に、本発明のプラズマ化学蒸着装置は、内部
に対向極を有し或いは少なくとも一部の内壁面が
対向極となり、ガス導入管およびガス導出管を有
するプラズマ反応室と、該反応室内に設けられて
対向極と対をなす極となり、被処理材を支持また
は載置する基台と、前記プラズマ反応室内に設け
られ、ガス噴射口を有し、前記ガス導入管から導
入した昇温用ガスおよび蒸着用ガスを前記プラズ
マ反応室内に供給するガス噴射室と、該ガス噴射
室と前記プラズマ反応室との間のガス差圧を検出
する差圧検出手段と、該差圧検出手段により検出
されたガス差圧と9トールに相当する基準値とを
比較する比較手段と、該比較に基づいて前記ガス
噴射室と前記プラズマ反応室との間のガス差圧を
制御する制御手段とからなるガス差圧制御手段
と、からなることを特徴とするものである(以
下、本第二発明とする)。 構成のより詳細な説明 最初に、本第一発明のプラズマ化学蒸着方法に
ついて説明する。 先ず、被処理材をプラズマ反応室内に配設する
(被処理材配置工程)。被処理材としては、鉄鋼、
アルミニウム等の金属、シリコン等の半導体基材
およびセラミツクス等の部材を用いる。また、配
置場所は、反応室内であれば特に限定されるもの
ではないが、反応室内に設けられた基台、吊具等
の治具などである。 次に、該反応室を密閉した後、該反応室内に残
存する気体を除去する(残留気体除去行程)。こ
の残留ガスの除去は、回転ポンプ、拡散ポンプ等
の真空ポンプを用い、減圧は10-3Torr以下まで
行なうことが好ましい。10-3Torrを超えた場合、
密着性の優れた被覆層の形成が困難となるためで
ある。さらに、拡散ポンプ等を用いて10-4Torr
以下とした場合、より密着性に優れた被覆層を形
成することができるのでより好ましい。また、こ
の減圧に際し、炉内に設けた加熱ヒーター等を用
いて炉内を加熱するとよい。 次に、減圧した反応室内に昇温用ガスを導入す
るとともに放電を行なうことにより被処理体の表
面を所定の被覆温度に加熱する(昇温工程)。該
昇温工程において用いる昇温用ガスは、水素ガス
またはヘリウム等の希ガスあるいはそれらの混合
ガスであることが好ましい。該昇温工程において
これらの昇温用ガスを用いるのは、昇温の際に被
処理体のイオン衝撃による損傷を必要最小限度に
おさえ加熱を促進するためである。さらに、放電
により昇温用ガスがイオン化され、加速された粒
子が被処理体表面に衝突して、被処理体表面の炭
素、油等の有機物から成る物質を取り除き被処理
体表面の清浄化をすることができる。この放電は
直流グロー放電、高周波等の交流グロー放電等を
用いる。なお、直流グロー放電は、低価格で構成
でき、昇温能力が大であるので好ましい。 また、この昇温工程における反応室内の圧力
は、10-3〜10Torrであることが好ましい。特に
放電が直流グロー放電による場合は10-2
10Torrが、交流グロー放電による場合は、10-3
〜10Torrがそれぞれ好ましい。これは、この圧
力範囲より小さい場合放電が不安定となり、ま
た、大きい場合被処理体の温度分布が不均一にな
るのでともに好ましくないからである。 次に、反応室内に化学蒸着用ガスを導入し、該
反応室とガス噴射室とのガス差圧を9Torr以上に
保つとともに放電を行なうことにより被処理体の
表面に被膜を成長させる(蒸着工程)。この蒸着
工程において被覆させる物質としては、チタン
(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、
バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル
(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タン
グステン(W)、ホウ素(B)、アルミニウム
(Al)またはケイ素(Si)の窒化物、炭化物、酸
化物、硼化物、およびそれらの混合物、更にはダ
イヤモンド等である。 また、蒸着用ガスとしては、Ti,Zr,Hf,V,
Nb,Ta,Cr,Mo,W,B,AlまたはSiのハロ
ゲン化物、水素化物、有機化合物等の化合物、お
よび窒素、アンモニア、炭化水素、または酸化炭
素、および水素、ヘリウム等の希ガスを用いる。 該蒸着工程において反応室とガス噴射室とのガ
ス差圧を制御する手段としては、主にガス噴射室
内の圧力を制御する方法を用いるとよい。これ
は、反応室内の圧力は、後述するように蒸着に適
した圧力範囲に設定する必要があるのに対し、ガ
ス噴射室内の圧力は、反応室内へガスが流れるよ
う反応室に対し正圧にさえ設定されておればよ
く、制御手段を用いれば任意の値に設定すること
ができるからである。このガス噴射室の圧力を制
御する手段としては、ガス噴射口の面積や数の変
化、ガス組成の変化、ガス流量の変化、排気量の
変化、および圧縮機の利用等が挙げられる。先
ず、ガス噴射口の面積や数を変化させる方法は、
ガス組成や流量および排気量等が同一の条件のも
とで差圧だけを容易に変化させることができるた
め好ましい方法である。すなわち、個々のガス噴
射口の面積およびガス噴射口の数を変化させ、ガ
ス噴射口の総断面積を大きくすれば噴出室の圧力
が小さくなり、従つて差圧が小さくなる。一方、
ガス噴射口の総断面積を小さくすれば噴射室の圧
力が大きくなり、従つて差圧が大きくなる。 次に、ガス組成を変化させる方法は、装置上の
工夫を必要としないため、簡易な方法として用い
ることができる。この方法は、ガスの種類により
逃散能が異なることを利用し、水素ガスのような
逃散能が大きいガスの割合を増加させることによ
り差圧を小さくし、一方アルゴンやクリプトン、
キセノンのような逃散能が小さいガスの割合を増
加させることにより差圧を大きくする方法であ
る。 次に、ガス流量を変化させる方法および排気量
を変化させる方法は、ガス導入管やガス導出管等
に設けられた流量制御弁を調整することにより容
易にガス差圧を制御できるので、大変好ましい方
法であり、好ましくは両方同時に用いられるとよ
い。これは、どちらかの方法のみを用いると反応
室の圧力が変化してしまうからである。ガス流量
を減少させそれに対応して排気量を減少させるこ
とにより、反応室の圧力は一定に保つた状態で差
圧を小さくすることができ、一方、ガス流量を増
加させそれに対応して排気量を増加させることに
より、反応室の圧力は一定に保つた状態で差圧を
大きくすることができる。 次に、圧縮機を利用する方法は、ガス噴射室内
のガスをガス圧縮装置を用いて任意の圧力に加圧
した後にガス噴射口から噴射させる方法であり、
ガス噴射口の面積や数、ガス組成、流量、排気量
等の条件によらず差圧を任意に変化させることが
できるため好ましい方法である。 上述のガス差圧制御方法のいずれか、あるいは
それらを組み合わせてガス差圧制御手段とし、反
応室とガス噴射室とのガス差圧を9Torr以上に保
つとともに放電を行なうことにより被処理体の表
面に均一な被膜を成長させる。ここで、差圧を
9Torr以上としたのは、差圧が9Torr未満の場合
にはガス噴射口からの距離の差による高さ方向の
被覆の均一性が十分とは言えず、被覆層の性質も
十分なものが得られないからである。 また、該蒸着工程における反応室の圧力は10-1
〜20Torrであることが好ましい。反応室内の圧
力が該範囲より小さい場合には被膜の成長速度が
遅く、また大きい場合にはアーク放電の発生など
放電が不安定となり好ましくないからである。 また、放電は、直流または高周波等の交流放電
あるいはマイクロ波放電を用いる。 更に、この蒸着工程における処理温度は、300
℃以上であることが好ましい。これは、該処理温
度が300℃未満の場合には、未分解の反応ガスの
膜中への取り込み等が起こり、十分な膜質をもつ
被膜が得られず、また被処理体との密着性も低下
するからである。 次に、本第二発明のプラズマ化学蒸着装置につ
いて、第1図に示した本第二発明のプラズマ化学
蒸着装置の一具体例とともに説明する。 すなわち、本第二発明のプラズマ化学蒸着装置
は、内部に対向極を有し或いは少なくとも一部の
内壁面が対向極となり、ガス導入管8およびガス
導出管9を有するプラズマ反応室1と、該反応室
内1に設けられて対向極と対をなす極となり、被
処理材を支持または載置する基台5と、前記プラ
ズマ反応室1内に設けられ、ガス噴射口3を有
し、前記ガス導入管8から導入した昇温用ガスお
よび蒸着用ガスを前記プラズマ反応室1内に供給
するガス噴射室2と前記プラズマ反応室1との間
のガス差圧を検出する差圧検出手段と該差圧検出
手段により検出されたガス差圧と9トールに相当
する基準値とを比較する比較手段と該比較に基づ
いて前記ガス噴射室と前記プラズマ反応室との間
のガス差圧を制御する制御手段と、からなる差圧
制御手段とから成る。 差圧検出手段は、ガス噴射室2とプラズマ反応
室1との間のガス差圧を検出する手段であり、好
ましくは、ガス噴射室またはガス導入管8内の圧
力を検出する圧力検出手段と、プラズマ反応室1
内の圧力を検出する圧力検出手段を有し、両圧力
検出手段から得られた検出値から差圧を検出す
る。 比較手段は、上述の差圧検出手段により検出さ
れたガス差圧と、予め所定の値に設定された基準
値とを比較する手段である。基準値は、9トール
とする。この基準値を9トールとすることによ
り、ガス噴射室とプラズマ反応室の間のガス差圧
を9トール以上にすることができる。 制御手段は、上記比較手段におけるガス差圧と
基準値との比較に基づいて、該ガス差圧が基準値
以上になるようにガス差圧を制御する手段であ
る。このガス差圧の制御は、プラズマ反応室1内
に導入されるガスの流量、圧力、組成の少なくと
も一つ又は/及びプラズマ反応室1内から排出さ
れるガスの流量を制御することにより行なう。具
体的に例示すると、ガス噴射室2のガス噴射口3
の面積や数を変化させる手段、ガス導入管8また
はガス導出管7に設けた流量制御弁によりガスの
流量を制御する手段、種類の異なるガス源に連絡
したそれぞれのガス管から導入するガスの種類お
よび量を変えることによりガスの組成や流量を調
整するコントロールバルブを制御する手段、圧縮
機をガス導入管に接続し、圧縮機の回転数その他
を制御することによりガスの圧力を変える手段等
の手段がある。これら具体的に例示した手段の1
つまたは2つ以上の組合わせにより行なう。 ここで、ガス噴射室の形状は、噴射面が平面状
であり、該噴射面に任意の個数の噴射口を有する
いわゆるシヤワー状の形態を有するものであるこ
とが好ましい。これは、シヤワー状のガス噴射口
から噴射されるガスは、噴射方向に向かつて流れ
を生ずるので、差圧による流速変化の効果が得易
く、均一な被覆を成長させることが容易だからで
ある。尚、リング状のガス噴射口から噴射される
ガスの場合には、噴射方向のみに流れを生じるの
ではなく、流れの成分が分散されてしまい、差圧
を設け流速を変化させた効果が少なくなつてしま
い、均一な被膜を成長させるという十分な効果が
得にくくなつてしまうおそれがある。 発明の作用 本第一発明および第二発明の作用については、
未だ必ずしも明らかではないが、次の様に考えら
れる。 すなわち、本第一発明では、蒸着工程において
反応室とガス噴射室とのガス差圧を9Torr以上に
保つとともに放電を行なうことにより被処理体の
表面に被膜を成長させる。尚、このガス差圧の変
化は、ガス噴射の速度の変化に対応し、ガス差圧
が大きくなるほどガス噴射の速度が速くなること
を意味する。 反応室内に導入されたガスは、プラズマ雰囲気
内で励起され、通常の化学気相蒸着法に比較し低
温で化学反応が起こり、被処理体表面に被覆層を
形成する。反応室内に導入されたガスが、プラズ
マ雰囲気内のどのような場所でどのように励起さ
れ反応に関与するかについては、必ずしも明らか
ではないが、導入されたガスは、放電空間を通過
するにつれて徐々に分解されるため、ガスの量は
流れ方向において変化し、また、それに伴い励起
されたガスやラジカルの発生量も変化し、さら
に、励起されたガスやラジカルは寿命を持つてい
るために、これら反応に関与するガスの分布は、
被処理体表面で場所、特に高さ方向(流れ方向)
により変化しているものと考えられる。 ガス差圧が小さく、ガス噴射の速度が遅い場合
には、ガスの輸送速度がガスの分解、励起等の速
度や、励起されたガスやラジカルの寿命に比較し
相対的に遅いために、反応に関与するガスの分布
が高さ方向(流れ方向)により変化してしまい、
その結果被覆が不均一になるものと考えられる。
さらに、ガスの噴射速度が遅い場合には、流れに
よる雰囲気のかく拌の効果も期待できないため、
被処理体周辺でガスのよどみも発生しやすく、こ
れもまた被覆の不均一の一因となつているものと
考えられる。 一方、本第一発明の如くガス差圧を9トール以
上に保ち、ガス噴射速度を速くした場合には、ガ
スの輸送速度が速くなるために、励起されたガス
やラジカル等の反応に関与するガスの分布が高さ
方向(流れ方向)で均一になり、また、ガスのよ
どみも発生しにくくなるために、均一な被覆が得
られるものと考えられる。 また、本第二発明の装置により、上述のガス差
圧を9トール以上に保つことができるので、被処
理材に均一な被覆層が得られる。 〔発明の効果〕 本第一発明の方法によれば、立体形状の被処理
材に対して、均一な被覆層を形成することができ
る。 また、本第二発明の装置により得られた被処理
材表面の被覆層は、均一である。 また、本第二発明の装置は、従来のプラズマ化
学蒸着装置にガス差圧制御手段を設けたものであ
るため、簡便な装置構成である。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を説明する。 実施例 1 被処理材としての高速度鋼にプラズマ化学蒸着
処理を施して窒化チタン層を形成し、該層の性能
評価試験を行なつた。尚、この処理において用い
たプラズマ化学蒸着処理装置を第1図に示す。 先ず、ステンレス製のプラズマ反応室1の中央
に設けた基台5の上に、被処理材4として外径20
mm×厚さ10mmの高速度鋼(JIS SKH51)を縦に
5つ積み重ねたものを、基台5の中心から60mmの
間隔を置いた位置に5カ所ほぼ等間隔を置いて配
置した。尚、基台5の支柱6の内部には冷却水を
送る冷却水管(図示せず)が取り付けられてい
る。 次に、プラズマ反応室1を密閉したのち、ガス
導出管7に接続された真空ポンプのロータリーポ
ンプおよび拡散ポンプ(図示せず)により残留ガ
ス圧が10-4トールになるまで減圧した。尚、ガス
導出管7は、反応室1の底部2カ所に対称に取り
付けられている。また、ガス導入管8は反応室1
の上部に取り付けられ、コントロールバルブを介
して各種ガスボンベ(共に図示せず)に連絡して
いる。 次に、10-4トールまで減圧した反応室1内に昇
温用ガスとしての水素ガスを流し、同時に真空引
きしながら反応室1内の圧力を1.0トールに保つ
ように調整した。そして、反応室1の内側に設け
たステンレス製陽極板9と陰極(基台)5の間に
数百ボルトの直流電圧を印加して放電を開始し、
被処理材表面が550℃になるまでイオン衝撃によ
る昇温を行なつた。ここで、直流電源回路は、陽
極9と陰極5により構成し、内部の被処理材の温
度を測定する二色温度計(図示せず)からの入力
により電源制御され、被処理材の温度を一定に保
つ働きをする。 次に、蒸着用ガスとしての四塩化チタン
(TiCl4)ガス、窒素(N2)ガス、水素(H2)ガ
スおよびアルゴン(Ar)ガスを導入し、流量を
それぞれ4c.c./分、20c.c./分、750c.c./分、500
c.c./分とし、被処理材の温度を550℃に保ちなが
ら1.5時間直流放電を持続させることにより蒸着
処理を行なつた。その際、ガス差圧制御手段とし
てφ140mmのシヤワー状のガス噴射室2を採用し、
該噴射室2の噴射口3にはφ0.7mmの穴が30個設け
てあるもの(処理番号1)およびφ0.5mmの穴が50
個設けてあるもの(処理番号2)を用いた。この
時、何れの場合も反応室1内の圧力は4トールと
一定であつたが、ガス噴射口3の穴の数および面
積が異なるためガス噴射室の圧力は異なり、前者
(処理番号1)の場合には20トール、後者(処理
番号2)の場合には22トールであり、従つて、反
応室1とガス噴射室2との差圧は、それぞれ16ト
ール、18トールであつた。 蒸着処理の後、放電を止め、被処理材を減圧下
(〜10-3トール)で冷却し、被処理材4を反応室
1より取り出したところ、該被処理材の表面には
金色の層が形成されていた。 この被処理材表面の金色層について、X線回折
法による物質固定試験を行なつた結果、何れも窒
化チタン(TiN)であることが確認された。 また、この金色層の層厚および表面硬度の測定
試験を行なつた結果、層厚さは処理番号1および
2にかかるもの共に、基台5から10mm高さ及び50
mm高さとも約2μmのほぼ高さ方向に均一なもので
あり、窒化チタン層の硬さは、それぞれ共に
Hv2100Kg/mm2(母材高さはHv800Kg/mm2)と均
質なものであつた。尚、層厚測定の結果を第2図
に示す。図中、「A1」は処理番号1、「A2」は処
理番号2の結果をそれぞれ示す。 比較のために、上述のシヤワー状噴射室の噴射
口にφ0.7mmの穴を300個設けたほかは、上述と同
様の装置及び方法により同様の被処理材(比較用
試料)にプラズマ化学蒸着処理(処理番号C1)
を行なつた。尚、この際、蒸着工程における反応
室内の圧力は4トール、ガス噴射室内の圧力は
7.2トールであり、両者間のガス差圧は3.2トール
であつた。この結果、比較用試料表面に同様の金
色層(TiN)が形成されたが、該層の層厚は基
台から10mm高さで0.4μm、50mm高さで3.4μmと、
高さ方向に不均一な被覆層であつた。尚、層厚測
定の結果を第2図に併わせて示す。図中、「C1」
は本比較例の処理番号C1の結果を示す。 以上より明らかの如く、本実施例の方法及び装
置を用いた場合には、比較例に比してより均一な
被覆層が得られることが分る。 実施例 2 実施例1で用いたプラズマ化学蒸着装置と同様
の装置を用い、ポンプの排気量を変化させて
TiNの被覆処理を行なつた。本実施例では、炉
内の圧力を4Torr一定とするために、排気量を変
化させるとともに全体のガス流量を変化させた。
尚、ガス噴射室は、φ0.7mmの噴射口が40ケ開いた
φ90mmのシヤワー状のものを用いた。 先ず処理I(処理番号3)は、実施例1と同様
の排気量の場合であり、TiCl4300c.c./min、N2
20c.c./min、H2750c.c./minおよびAr500c.c./min
を流しながら4Torrで1.5時間直流放電を持続さ
せてTiNに被覆を行なつた。次に、処理(処
理番号4)は、排気量が大きい場合であり、
TiCl43c.c./min、N220c.c./min、H21500c.c./
minおよびAr750c.c./minを流しながら4Torrで
1.5時間同様に被覆を行なつた。更に、処理
(比較例:処理番号C2)は、排気量が小さい場合
であり、TiCl43c.c./min、N220c.c./min、H2
500c.c./minおよびAr200c.c./minを流しながら
4Torrで同様にTiNの被覆を行なつた。これらの
場合には、同一のガス噴射室を用いているため
に、ガスの全流量によりガス噴射室の圧力が異な
り、本実施例としての処理Iにおいては14Torr、
処理においては30Torr、および比較例として
の処理においては8Torrであつた。したがつ
て、ガス差圧は、それぞれ10Torr、26Torrおよ
び4Torrであつた。 処理後、層厚さを測定し、高さ方向による変化
を調べた。その結果を第3図に示す。 図中、「A3」は処理I(処理番号3)を、「A4」
は処理(処理番号4)、「C2」は比較例として
の処理(処理番号C2)をそれぞれ示す。 本発明にかかる本実施例の処理においては、
ほぼ均一な被覆が得られた。また、処理におい
ては、全体の被覆厚さがやや薄くなつたがほぼ均
一な被覆が得られた。しかし、比較例としての処
理においては、高さ方向に均一な被覆は得られ
なかつた。 このように、同一のガス噴射室を用い、しかも
反応室内の圧力が一定の条件でも、排気量すなわ
ち全流量が異なるだけで被覆の高さ方向の均一性
は大きく変化した。なお、ポンプの排気量が同一
で、ガス流量を変化させた場合には、反応室内の
圧力も変化するが、この場合も、ガス流量が多
く、差圧が大きい場合のほうが、被覆の高さ方向
の均一性は良好であつた。 実施例 3 実施例1で用いたプラズマ化学蒸着装置と同様
の装置を用い、ガス噴射室およびポンプの排気量
をともに同一とし、TiCl44c.c./min、N220c.c./
min、反応室内圧力4Torrの条件のもとで、H2
量およびAr流量の比率を変えて1.5時間被覆処理
を行なつた。本実施例の処理(処理番号5)
は、H2750c.c./min、Ar500c.c./minの条件でそ
れぞれ被覆を行なつた。また、比較例としての処
理(処理番号C3)は、H21500c.c./min、Ar100
c.c./min、処理(処理番号C4)は、H21250
c.c./min、Ar200c.c./minで行なつた。これらの
場合は、同一のガス噴射室を用い、また、反応室
内圧力およびポンプ排気量も同一であるが、ガス
の組成が異なることによりガス噴射室の圧力は異
なり、本実施例の処理においては13Torr比較
例としての処理においては9.5Torrおよび処理
においては11.5Torrであつた。したがつて、
差圧はそれぞれ9Torr、5.5Torrおよび7.5Torrで
あつた。 処理後、層厚さを測定し、高さ方向による変化
を調べた結果を第4図に示す。図中、「A5」は処
理(処理番号5)を、「C3」は比較例としての
処理(処理番号C3)を、「C4」は比較例として
の処理(処理番号C4)をそれぞれ示す。この
様に、Ar流量が増加するに伴い、高さ方向の被
覆の均一性が良好となり、ガス差圧が9トールと
なつた本発明にかかる本実施例の処理において
は、約2μmのほぼ均一な被覆が得られた。 このように、同一のガス噴射室、ポンプ排気量
および反応室内圧力の条件においても、ガスの組
成が異なるだけで被覆の高さ方向の均一性は大き
く変化した。 以上の実施例1〜3のように、高さ方向の被覆
の均一性は、ガス噴射口、ポンプ排気量およびガ
ス組成等により大きく変化した。そして、これら
の処理条件を変化させることにより、ガス噴射室
と反応室との差圧が変化していた。実施例1〜3
の結果およびそれらの比較例の結果について、ガ
ス噴射室と反応室の差圧と被覆の高さ方向の均一
性(層厚さ比)との間の関係を第5図に示す。図
中、「0」は本実施例の結果を、「●」は比較例の
結果をそれぞれ示す。 差圧が小さい場合には、高さ方向で大きな被覆
厚さの差が見られるが、差圧の増加に伴い高さ方
向で被覆厚さの差が小さくなり、差圧が9Torr程
度以上よりも大きい場合には、ほぼ均一な被覆が
得られることがわかつた。 以上のように、被覆の高さ方向の均一性は各種
処理条件により大きく変化したが、処理条件によ
らず、ガス噴射室と反応室との差圧を約9Torr以
上とすることにより均一な被覆が得られる。尚、
実施例1〜3では直流放電を用いたTiN被覆に
関し説明をしたが、被覆層および放電の種類によ
らず同様の効果を得ることができる。 実施例 4 実施例1で用いたプラズマ化学蒸着装置と同様
の装置により、表に示す原料ガス、放電手段を用
い、同じく表に示すガス差圧(ガス噴射室と反応
室との差圧)で実施例1と同様の被処理材にプラ
ズマ化学蒸着処理を行なつた。次いで、被処理材
表面の被覆物の層厚を測定した。その基台から10
mm高さの層厚さと50mm高さの層高さとの比を、試
験結果の欄に示す(処理番号6〜21)。この比が
1に近いほど、均一な被覆物が形成されているこ
とを表わす。 尚、比較のために、差圧を9トール未満の表の
値としたほかは、上述と同様の方法、装置で比較
処理を行なつた(処理番号C5〜C12)。得られた
被覆物について、同様に層厚測定を行なつた。得
られた結果を、表に併わせて示す。 原料ガスの種類等により差圧を調節する手段を
適宜選択して用いる必要があるが、本発明にかか
る本実施例のいずれの場合も、差圧が9Torr以上
で被覆の高さ方向の均一性が良好であつた。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a plasma chemical vapor deposition method and an apparatus thereof, and more particularly to a plasma chemical vapor deposition method and its apparatus for coating a workpiece with a complex shape such as a three-dimensional shape with a uniform film. It is related to the device. [Conventional technology and its problems] Conventionally, hard materials such as titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), and vanadium carbide (VC) have been applied to the surface of metals to improve wear resistance, seizure resistance, etc. High-temperature treatment methods such as chemical vapor deposition and molten salt immersion are known as methods for coating substances. These methods have a problem in that the coating is carried out at around 1000° C., and therefore, although the adhesion of the coating layer is good, thermal distortion of the object to be treated tends to occur.
Furthermore, it has been impossible to apply this method to materials with low melting points such as aluminum alloys. Therefore, in recent years, coating at low temperatures (below 550° C.) has begun to be put into practical use by various physical vapor deposition methods including ion plating. However, in the ion plating method and the sputtering method, the gas pressure during processing is low, the mean free path of the gas particles is long, and the incidence of particles is unidirectional, so there is a problem that the throwing power of the coating layer is poor. However, in order to obtain a uniform coating, it is necessary to rotate the object to be treated, resulting in a high equipment cost. Therefore, in recent years, attempts have been made to lower the processing temperature of chemical vapor deposition using plasma. This plasma chemical vapor deposition method is a coating method that takes advantage of the fact that chemical reactions proceed extremely actively in plasma space, and this allows coating at low temperatures that are impossible with normal chemical vapor deposition methods. Currently, it is being put into practical use as a coating for silicon nitride (SiNx), silicon oxide (SiO 2 ), etc. in some parts of the semiconductor manufacturing field. Recently, using this plasma chemical vapor deposition technique,
Hard coating technology is being actively developed to improve wear resistance, seizure resistance, etc. However, with this method, the possibility of coating a hard layer has only been confirmed, and it has only been put into practical use in some semiconductor fields, and it is difficult to uniformly coat treated materials such as three-dimensional shapes. It was hot. That is, in the semiconductor field, which has been partially put into practical use, the target material to be processed in plasma chemical vapor deposition is a flat object such as a wafer, and coating uniformity is considered only within a two-dimensional plane. It is something. Within this two-dimensional plane, it is relatively easy to uniformly distribute the excited gas and radicals involved in the reaction, and as a result, with this method, it is possible to uniformly coat a flat object, It is in practical use. On the other hand, in the field of hard layer coating, which targets tools, molds, etc., it is necessary to uniformly coat three-dimensional objects with complex shapes, so the technology used in the semiconductor field can be applied directly. This is because it is difficult to achieve uniform coating even when applied. This is thought to be because it is difficult to uniformly distribute the excited gas and radicals involved in the reaction within a three-dimensional space, resulting in non-uniform coating. As described above, it has been difficult to obtain a uniform coating by applying the plasma chemical vapor deposition method to a three-dimensional object. Recently, methods to solve this problem include a method of rotating the object to be processed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 174569, 1982), and a method of installing a gas inlet and discharge coil around the object to be processed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-1999). 63377) etc. have been proposed. However, in the former case, although it is possible to improve the uniformity of the coating in the horizontal direction, it is difficult to improve the uniformity of the coating in the height direction, and in the latter case, it is necessary to use a coil according to the object to be treated, which requires equipment. There are problems such as complexity, and no fundamental solutions have been found for any of them. Therefore, in order to solve the above-mentioned problems of the conventional technology, the present inventors conducted extensive studies focusing on the flow of gas, which is the basis of chemical vapor deposition, and as a result, they achieved the present invention. It is. [Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for forming a uniform coating layer on an object having a three-dimensional complex shape by plasma chemical vapor deposition. [Description of the Invention] Structure of the Invention The plasma chemical vapor deposition method of the present invention includes a process of arranging a process target in a plasma reaction chamber, and a residual gas removal process of exhausting gas remaining in the reaction chamber. , a temperature raising step of introducing a temperature raising gas into the reaction chamber and heating the surface of the material to be treated to a predetermined deposition temperature, and introducing a deposition gas into the reaction chamber from a gas injection chamber, It is characterized by a vapor deposition process in which a film is uniformly grown on the surface of the object to be processed by maintaining the gas pressure difference with the gas injection chamber at 9 Torr or more and performing electric discharge (hereinafter referred to as this first method). invention). Next, the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention includes a plasma reaction chamber which has an opposing electrode inside or at least a part of the inner wall surface serves as an opposing electrode, and has a gas inlet pipe and a gas outlet pipe, and a plasma reaction chamber provided inside the reaction chamber. a base that serves as a pair of poles with the opposing electrode and supports or places the material to be treated, and a temperature-raising gas that is provided in the plasma reaction chamber and has a gas injection port and is introduced from the gas introduction pipe. and a gas injection chamber for supplying deposition gas into the plasma reaction chamber, a differential pressure detection means for detecting a gas pressure difference between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber, and a pressure difference detected by the differential pressure detection means. and a control means for controlling the gas pressure difference between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber based on the comparison. This invention is characterized by comprising a differential pressure control means (hereinafter referred to as the second invention). More detailed description of the structure First, the plasma chemical vapor deposition method of the first invention will be described. First, a material to be processed is arranged in a plasma reaction chamber (material to be processed step). Materials to be treated include steel,
Metals such as aluminum, semiconductor substrates such as silicon, and members such as ceramics are used. Further, the placement location is not particularly limited as long as it is within the reaction chamber, and may be a jig such as a base or a hanger provided within the reaction chamber. Next, after sealing the reaction chamber, the gas remaining in the reaction chamber is removed (residual gas removal step). The residual gas is preferably removed using a vacuum pump such as a rotary pump or a diffusion pump, and the pressure is preferably reduced to 10 -3 Torr or less. If it exceeds 10 -3 Torr,
This is because it becomes difficult to form a coating layer with excellent adhesion. Furthermore, using a diffusion pump etc., 10 -4 Torr
The following is more preferable since it is possible to form a coating layer with better adhesion. Further, during this pressure reduction, it is preferable to heat the inside of the furnace using a heater or the like provided in the furnace. Next, a heating gas is introduced into the reduced pressure reaction chamber and electric discharge is performed to heat the surface of the object to be treated to a predetermined coating temperature (temperature raising step). The temperature-raising gas used in the temperature-raising step is preferably hydrogen gas, a rare gas such as helium, or a mixed gas thereof. The purpose of using these temperature-raising gases in the temperature-raising step is to promote heating while minimizing damage to the object to be processed due to ion bombardment during temperature-raising. Furthermore, the temperature-raising gas is ionized by the discharge, and the accelerated particles collide with the surface of the object to be processed, removing organic substances such as carbon and oil from the surface of the object, cleaning the surface of the object. can do. This discharge uses a direct current glow discharge, a high frequency alternating current glow discharge, or the like. Note that DC glow discharge is preferable because it can be constructed at low cost and has a large temperature raising ability. Further, the pressure inside the reaction chamber in this temperature raising step is preferably 10 -3 to 10 Torr. Especially when the discharge is due to a DC glow discharge, 10 -2 ~
If 10Torr is due to AC glow discharge, then 10 -3
~10 Torr is preferable, respectively. This is because if the pressure is lower than this range, the discharge becomes unstable, and if it is higher than this range, the temperature distribution of the object to be processed becomes non-uniform, both of which are undesirable. Next, a chemical vapor deposition gas is introduced into the reaction chamber, the gas pressure difference between the reaction chamber and the gas injection chamber is maintained at 9 Torr or more, and a discharge is performed to grow a film on the surface of the object to be processed (evaporation process ). The materials covered in this vapor deposition process include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf),
Nitride, carbide of vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), boron (B), aluminum (Al) or silicon (Si), These include oxides, borides, mixtures thereof, and even diamond. In addition, the vapor deposition gases include Ti, Zr, Hf, V,
Compounds such as halides, hydrides, and organic compounds of Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Al, or Si, nitrogen, ammonia, hydrocarbons, or carbon oxide, and rare gases such as hydrogen and helium are used. . As means for controlling the gas pressure difference between the reaction chamber and the gas injection chamber in the vapor deposition process, it is preferable to mainly use a method of controlling the pressure inside the gas injection chamber. This is because the pressure inside the reaction chamber needs to be set within a pressure range suitable for vapor deposition, as will be explained later, while the pressure inside the gas injection chamber must be set to a positive pressure relative to the reaction chamber so that the gas flows into the reaction chamber. This is because it is only necessary that the value is set, and it can be set to an arbitrary value by using the control means. Examples of means for controlling the pressure in the gas injection chamber include changes in the area and number of gas injection ports, changes in gas composition, changes in gas flow rate, changes in displacement, and use of a compressor. First, the method of changing the area and number of gas injection ports is as follows.
This is a preferred method because only the differential pressure can be easily changed under the same gas composition, flow rate, displacement, etc. conditions. That is, by changing the area of each gas injection port and the number of gas injection ports and increasing the total cross-sectional area of the gas injection ports, the pressure in the ejection chamber is reduced, and therefore the differential pressure is reduced. on the other hand,
If the total cross-sectional area of the gas injection port is reduced, the pressure in the injection chamber will increase, and therefore the differential pressure will increase. Next, since the method of changing the gas composition does not require any device improvements, it can be used as a simple method. This method takes advantage of the fact that the escape ability differs depending on the type of gas, and reduces the differential pressure by increasing the proportion of gases with high escape ability, such as hydrogen gas, while argon, krypton, etc.
This is a method of increasing the differential pressure by increasing the proportion of a gas with a low escape ability, such as xenon. Next, the method of changing the gas flow rate and the method of changing the displacement amount are very preferable because the gas differential pressure can be easily controlled by adjusting the flow rate control valve provided in the gas inlet pipe, gas outlet pipe, etc. Both methods are preferably used simultaneously. This is because the pressure in the reaction chamber will change if only one of the methods is used. By decreasing the gas flow rate and correspondingly decreasing the displacement, the differential pressure can be reduced while keeping the pressure in the reaction chamber constant, while increasing the gas flow and correspondingly decreasing the displacement. By increasing the pressure in the reaction chamber, the pressure difference can be increased while keeping the pressure in the reaction chamber constant. Next, a method using a compressor is a method in which the gas in the gas injection chamber is pressurized to a desired pressure using a gas compression device and then injected from the gas injection port,
This is a preferred method because the differential pressure can be changed arbitrarily regardless of conditions such as the area and number of gas injection ports, gas composition, flow rate, and displacement. Either one of the above gas pressure differential control methods or a combination thereof is used as a gas differential pressure control means to maintain the gas pressure differential between the reaction chamber and the gas injection chamber at 9 Torr or more and to perform electric discharge to control the surface of the object to be treated. Grow a uniform film on the surface. Here, the differential pressure
The reason why the pressure difference is 9 Torr or more is that if the differential pressure is less than 9 Torr, the uniformity of the coating in the height direction will not be sufficient due to the difference in distance from the gas injection port, and the properties of the coating layer will not be sufficient. This is because it cannot be done. In addition, the pressure in the reaction chamber in the vapor deposition process is 10 -1
~20 Torr is preferred. This is because if the pressure in the reaction chamber is lower than this range, the growth rate of the film is slow, and if it is higher than this range, the discharge becomes unstable, such as the occurrence of arc discharge, which is undesirable. Further, for the discharge, a direct current or high frequency alternating current discharge or microwave discharge is used. Furthermore, the processing temperature in this vapor deposition process is 300°C.
It is preferable that the temperature is at least ℃. This is because if the treatment temperature is less than 300°C, undecomposed reaction gas will be taken into the film, making it impossible to obtain a film with sufficient film quality, and the adhesion to the object to be processed may deteriorate. This is because it decreases. Next, the plasma chemical vapor deposition apparatus of the second invention will be explained together with a specific example of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the second invention shown in FIG. That is, the plasma chemical vapor deposition apparatus of the second invention comprises a plasma reaction chamber 1 which has an opposing electrode inside or at least a part of the inner wall surface serves as an opposing electrode, and which has a gas inlet pipe 8 and a gas outlet pipe 9; A base 5 is provided in the reaction chamber 1 and serves as a pair of opposite electrodes, and supports or places the material to be treated; differential pressure detection means for detecting a gas pressure difference between the gas injection chamber 2 and the plasma reaction chamber 1 for supplying temperature raising gas and vapor deposition gas introduced from the introduction pipe 8 into the plasma reaction chamber 1; Comparing means for comparing the gas differential pressure detected by the differential pressure detecting means with a reference value corresponding to 9 Torr; and controlling the gas differential pressure between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber based on the comparison. and a differential pressure control means. The differential pressure detection means is a means for detecting the gas pressure difference between the gas injection chamber 2 and the plasma reaction chamber 1, and is preferably a pressure detection means for detecting the pressure inside the gas injection chamber or the gas introduction pipe 8. , plasma reaction chamber 1
It has a pressure detection means for detecting the internal pressure, and detects the differential pressure from the detected values obtained from both pressure detection means. The comparison means is a means for comparing the gas differential pressure detected by the above-mentioned differential pressure detection means with a reference value set in advance to a predetermined value. The standard value shall be 9 torr. By setting this reference value to 9 Torr, the gas pressure difference between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber can be set to 9 Torr or more. The control means is means for controlling the gas pressure difference so that the gas pressure difference becomes equal to or higher than the reference value based on the comparison between the gas pressure difference and the reference value in the comparison means. This gas pressure differential is controlled by controlling at least one of the flow rate, pressure, and composition of the gas introduced into the plasma reaction chamber 1 and/or the flow rate of the gas discharged from the plasma reaction chamber 1. To give a specific example, the gas injection port 3 of the gas injection chamber 2
means for changing the area or number of gases, means for controlling the flow rate of gas by a flow control valve provided in the gas inlet pipe 8 or gas outlet pipe 7, means for controlling the flow rate of gas by a flow control valve provided in the gas inlet pipe 8 or gas outlet pipe 7, and means for controlling the flow rate of gas introduced from each gas pipe connected to different types of gas sources. Means for controlling a control valve that adjusts the composition and flow rate of gas by changing the type and amount, means for connecting a compressor to a gas introduction pipe and changing the pressure of gas by controlling the rotation speed and other parameters of the compressor, etc. There is a means of One of these concretely exemplified means
One or a combination of two or more. Here, the gas injection chamber preferably has a so-called shower-like shape in which the injection surface is planar and has an arbitrary number of injection ports on the injection surface. This is because the gas injected from the shower-shaped gas injection port generates a flow in the direction of injection, so it is easy to obtain the effect of changing the flow velocity due to the pressure difference, and it is easy to grow a uniform coating. In addition, in the case of gas injected from a ring-shaped gas injection port, the flow does not occur only in the injection direction, but the components of the flow are dispersed, and the effect of creating a pressure difference and changing the flow velocity is reduced. There is a risk that the film will become worn out, making it difficult to obtain a sufficient effect of growing a uniform film. Effects of the invention Regarding the effects of the first invention and the second invention,
Although it is not completely clear yet, it can be considered as follows. That is, in the first invention, a film is grown on the surface of the object to be processed by maintaining the gas pressure difference between the reaction chamber and the gas injection chamber at 9 Torr or higher and performing electric discharge in the vapor deposition process. Note that this change in gas pressure difference corresponds to a change in gas injection speed, and means that the larger the gas pressure difference, the faster the gas injection speed. The gas introduced into the reaction chamber is excited in a plasma atmosphere, and a chemical reaction occurs at a lower temperature than in normal chemical vapor deposition, forming a coating layer on the surface of the object to be processed. It is not always clear where and how the gas introduced into the reaction chamber is excited and participates in the reaction, but as it passes through the discharge space, the introduced gas gradually As the gas is decomposed into , the amount of gas changes in the flow direction, and the amount of excited gas and radicals generated also changes accordingly.Furthermore, the excited gas and radicals have a lifespan, so The distribution of gases involved in these reactions is
Location on the surface of the object to be treated, especially in the height direction (flow direction)
It is thought that this is changing due to When the gas differential pressure is small and the gas injection speed is slow, the reaction is slow because the gas transport speed is relatively slow compared to the speed of gas decomposition, excitation, etc., and the lifespan of the excited gas and radicals. The distribution of the gas involved changes depending on the height direction (flow direction),
It is thought that this results in non-uniform coating.
Furthermore, if the gas injection speed is slow, the effect of stirring the atmosphere due to the flow cannot be expected.
Gas stagnation tends to occur around the object to be treated, and this is also considered to be a cause of non-uniform coating. On the other hand, when the gas differential pressure is maintained at 9 Torr or more and the gas injection speed is increased as in the first invention, the gas transport speed becomes faster, so that the excited gas and radicals participate in the reaction. It is thought that a uniform coating can be obtained because the gas distribution becomes uniform in the height direction (flow direction) and gas stagnation is less likely to occur. Further, with the apparatus of the second invention, the above-mentioned gas differential pressure can be maintained at 9 Torr or more, so that a uniform coating layer can be obtained on the material to be treated. [Effects of the Invention] According to the method of the first invention, a uniform coating layer can be formed on a three-dimensional treated material. Moreover, the coating layer on the surface of the treated material obtained by the apparatus of the second invention is uniform. Furthermore, the apparatus of the second invention is a conventional plasma chemical vapor deposition apparatus provided with a gas differential pressure control means, and thus has a simple apparatus configuration. [Examples] Examples of the present invention will be described below. Example 1 A titanium nitride layer was formed on high-speed steel as a material to be treated by plasma chemical vapor deposition, and a performance evaluation test of the layer was conducted. Incidentally, the plasma chemical vapor deposition processing apparatus used in this processing is shown in FIG. First, a material to be treated 4 with an outer diameter of 20
Five vertically stacked pieces of high-speed steel (JIS SKH51) measuring mm x 10 mm thick were arranged at five positions approximately equally spaced apart from the center of the base 5 by 60 mm. Note that a cooling water pipe (not shown) for feeding cooling water is attached to the inside of the support column 6 of the base 5. Next, after the plasma reaction chamber 1 was sealed, the pressure was reduced to a residual gas pressure of 10 −4 Torr using a rotary pump and a diffusion pump (not shown), which are vacuum pumps connected to the gas outlet pipe 7 . Note that the gas outlet pipes 7 are attached symmetrically to two locations at the bottom of the reaction chamber 1. Further, the gas introduction pipe 8 is connected to the reaction chamber 1.
It is connected to various gas cylinders (both not shown) via control valves. Next, hydrogen gas was flowed as a temperature raising gas into the reaction chamber 1, which was reduced in pressure to 10 -4 Torr, and the pressure inside the reaction chamber 1 was adjusted to be maintained at 1.0 Torr while being evacuated at the same time. Then, a DC voltage of several hundred volts is applied between the stainless steel anode plate 9 and the cathode (base) 5 provided inside the reaction chamber 1 to start discharging.
The temperature of the material to be treated was raised by ion bombardment until the surface reached 550°C. Here, the DC power supply circuit is composed of an anode 9 and a cathode 5, and the power is controlled by input from a two-color thermometer (not shown) that measures the temperature of the material to be treated inside. It works to keep it constant. Next, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, hydrogen (H 2 ) gas, and argon (Ar) gas were introduced as deposition gases, each with a flow rate of 4 c.c./min. 20c.c./min, 750c.c./min, 500
cc/min, and the vapor deposition process was carried out by sustaining DC discharge for 1.5 hours while maintaining the temperature of the material to be treated at 550°C. At that time, a shower-shaped gas injection chamber 2 with a diameter of 140 mm was adopted as a gas pressure differential control means.
The injection port 3 of the injection chamber 2 has 30 holes of φ0.7 mm (processing number 1) and 50 holes of φ0.5 mm.
(processing number 2) was used. At this time, the pressure inside the reaction chamber 1 was constant at 4 torr in both cases, but the pressure in the gas injection chamber was different because the number and area of the holes in the gas injection port 3 were different. The pressure difference was 20 Torr in the case of , and 22 Torr in the case of the latter (treatment number 2), so the differential pressures between reaction chamber 1 and gas injection chamber 2 were 16 Torr and 18 Torr, respectively. After the vapor deposition process, the discharge was stopped, the material to be treated was cooled under reduced pressure (~10 -3 Torr), and the material to be treated 4 was taken out from the reaction chamber 1, and a golden layer was found on the surface of the material to be treated. was formed. As a result of a material fixation test conducted on the golden layer on the surface of the treated material using an X-ray diffraction method, it was confirmed that all of the gold layers were titanium nitride (TiN). In addition, as a result of a measurement test of the layer thickness and surface hardness of this golden layer, the layer thickness was determined to be 10 mm from the base 5 and 50 mm for both treatment numbers 1 and 2.
The height in mm is approximately 2 μm, which is almost uniform in the height direction, and the hardness of the titanium nitride layer is
It was homogeneous with Hv2100Kg/mm 2 (base metal height Hv800Kg/mm 2 ). The results of layer thickness measurements are shown in FIG. In the figure, "A1" indicates the result of processing number 1, and "A2" indicates the result of processing number 2. For comparison, plasma chemical vapor deposition was performed on the same treated material (comparison sample) using the same equipment and method as described above, except that 300 holes of φ0.7 mm were provided in the injection port of the shower-shaped injection chamber described above. Processing (processing number C1)
I did this. At this time, the pressure inside the reaction chamber during the vapor deposition process was 4 Torr, and the pressure inside the gas injection chamber was
The gas pressure difference between the two was 3.2 Torr. As a result, a similar golden layer (TiN) was formed on the surface of the comparison sample, but the layer thickness was 0.4 μm at a height of 10 mm from the base and 3.4 μm at a height of 50 mm.
The coating layer was non-uniform in the height direction. The results of layer thickness measurements are also shown in FIG. 2. In the diagram, "C1"
shows the results of treatment number C1 of this comparative example. As is clear from the above, when the method and apparatus of this example are used, a more uniform coating layer can be obtained compared to the comparative example. Example 2 A device similar to the plasma chemical vapor deposition device used in Example 1 was used, and the displacement of the pump was varied.
TiN coating treatment was performed. In this example, in order to keep the pressure inside the furnace constant at 4 Torr, the exhaust volume was varied and the overall gas flow rate was varied.
The gas injection chamber used was a shower-shaped one with a diameter of 90 mm and 40 injection ports each having a diameter of 0.7 mm. First, Process I (process number 3) is a case where the displacement is the same as in Example 1, and TiCl 4 300c.c./min, N 2
20c.c./min, H 2 750c.c./min and Ar500c.c./min
The TiN was coated by continuing DC discharge at 4 Torr for 1.5 hours while flowing. Next, the process (process number 4) is when the displacement is large,
TiCl 4 3c.c./min, N 2 20c.c./min, H 2 1500c.c./
at 4Torr while flowing min and Ar750c.c./min.
Coating was carried out in the same manner for 1.5 hours. Furthermore, the treatment (comparative example: treatment number C2) is a case where the exhaust amount is small, TiCl 4 3c.c./min, N 2 20c.c./min, H 2
While flowing 500c.c./min and Ar200c.c./min
TiN coating was similarly performed at 4 Torr. In these cases, since the same gas injection chamber is used, the pressure in the gas injection chamber varies depending on the total flow rate of the gas, and in Process I as this example, the pressure is 14 Torr,
It was 30 Torr in the treatment, and 8 Torr in the treatment as a comparative example. Therefore, the gas differential pressures were 10 Torr, 26 Torr, and 4 Torr, respectively. After treatment, the layer thickness was measured and changes in height direction were investigated. The results are shown in FIG. In the figure, "A3" indicates Process I (process number 3), and "A4"
indicates a process (process number 4), and “C2” indicates a process as a comparative example (process number C2). In the processing of this embodiment according to the present invention,
A nearly uniform coverage was obtained. Further, in the treatment, a substantially uniform coating was obtained, although the overall coating thickness was slightly thinner. However, in the treatment as a comparative example, a uniform coating in the height direction could not be obtained. As described above, even when the same gas injection chamber was used and the pressure inside the reaction chamber was constant, the uniformity of the coating in the height direction varied greatly just by changing the displacement amount, that is, the total flow rate. Note that if the pump displacement is the same and the gas flow rate is changed, the pressure inside the reaction chamber will also change, but in this case as well, the height of the coating will be higher when the gas flow rate is larger and the differential pressure is larger. The directional uniformity was good. Example 3 A device similar to the plasma chemical vapor deposition device used in Example 1 was used, the displacement of the gas injection chamber and pump were the same, TiCl 4 4c.c./min, N 2 20c.c./min.
The coating treatment was carried out for 1.5 hours by changing the ratio of H 2 flow rate and Ar flow rate under conditions of 4 Torr and 4 Torr of pressure in the reaction chamber. Processing of this example (processing number 5)
The coating was carried out under the conditions of H 2 750 c.c./min and Ar 500 c.c./min. In addition, the treatment as a comparative example (processing number C3) is H 2 1500c.c./min, Ar100
cc/min, processing (processing number C4) is H 2 1250
cc/min, Ar200c.c./min. In these cases, the same gas injection chamber is used, and the reaction chamber pressure and pump displacement are also the same, but the pressure in the gas injection chamber is different due to the difference in gas composition, and in the process of this example 13 Torr was 9.5 Torr in the comparative example process and 11.5 Torr in the process. Therefore,
The differential pressures were 9 Torr, 5.5 Torr and 7.5 Torr, respectively. After the treatment, the layer thickness was measured and the change in height direction was investigated. The results are shown in FIG. In the figure, "A5" indicates a process (process number 5), "C3" indicates a process as a comparative example (process number C3), and "C4" indicates a process as a comparative example (process number C4). In this way, as the Ar flow rate increases, the uniformity of the coating in the height direction becomes better, and in the treatment of this example according to the present invention where the gas differential pressure is 9 Torr, the coating is almost uniform with a thickness of about 2 μm. A good coating was obtained. As described above, even under the same conditions of gas injection chamber, pump displacement, and reaction chamber pressure, the uniformity of the coating in the height direction changed significantly just by changing the gas composition. As in Examples 1 to 3 above, the uniformity of the coating in the height direction varied greatly depending on the gas injection port, pump displacement, gas composition, etc. By changing these processing conditions, the differential pressure between the gas injection chamber and the reaction chamber changes. Examples 1-3
FIG. 5 shows the relationship between the differential pressure between the gas injection chamber and the reaction chamber and the uniformity of the coating in the height direction (layer thickness ratio) with respect to the results of and the results of their comparative examples. In the figure, "0" indicates the results of this example, and "●" indicates the results of the comparative example. When the differential pressure is small, a large difference in coating thickness is seen in the height direction, but as the differential pressure increases, the difference in coating thickness in the height direction becomes smaller, and when the differential pressure is about 9 Torr or more, It has been found that when the size is large, a nearly uniform coverage is obtained. As mentioned above, the uniformity of the coating in the height direction varied greatly depending on various processing conditions, but regardless of the processing conditions, uniform coating could be achieved by setting the differential pressure between the gas injection chamber and the reaction chamber to about 9 Torr or more. is obtained. still,
In Examples 1 to 3, the TiN coating using DC discharge was explained, but the same effect can be obtained regardless of the type of coating layer and discharge. Example 4 Using an apparatus similar to the plasma chemical vapor deposition apparatus used in Example 1, using the raw material gases and discharge means shown in the table, and at the gas differential pressure (differential pressure between the gas injection chamber and the reaction chamber) shown in the table. The same material to be treated as in Example 1 was subjected to plasma chemical vapor deposition treatment. Next, the layer thickness of the coating on the surface of the treated material was measured. 10 from its base
The ratio of the layer thickness with a height of mm to the layer height with a height of 50 mm is shown in the column of test results (treatment numbers 6 to 21). The closer this ratio is to 1, the more uniform the coating is formed. For comparison, comparison processing was carried out using the same method and apparatus as described above, except that the differential pressure was set to a value less than 9 Torr (processing numbers C5 to C12). Layer thickness measurements of the obtained coatings were carried out in the same manner. The obtained results are also shown in the table. Although it is necessary to appropriately select and use a means for adjusting the differential pressure depending on the type of raw material gas, etc., in any case of this embodiment according to the present invention, the differential pressure is 9 Torr or more and the coating is uniform in the height direction. was good.

【表】【table】

【表】 実施例 5 実施例1で用いたプラズマ化学蒸着装置と同様
の装置により、TiCの被覆処理を行なつた。その
際、ガス差圧制御手段として実施例1と同様のシ
ヤワー状ガス噴射室を用い、被処理材を実施例1
と同様のものを2倍の高さ(100mm)とした。ま
た、蒸着用ガスをそれぞれTiCl44c.c./min、
CH410c.c./min、H2750c.c./min、Ar500c.c./min
で導入し、反応室圧力を4トールの条件の下で蒸
着処理を行なつた。尚、この際の噴射室内圧力は
19トールで、反応室とガス噴射室とのガス差圧
は、15トールであつた。この結果、被処理材の表
面には、灰色の層が形成されており、これは物質
同定試験の結果、炭化チタン(TiC)であること
が確認された。 次いで、被処理材表面の被覆層の層厚を測定し
た。その結果を、第6図に示す。図中「A6」は、
本実施例の結果である。尚、(10mm高さの層厚
さ)/(100mm高さの層厚さ)は、0.85であつた。 比較のために、シヤワー状ガス噴射室の噴射口
にφ0.7mmの穴を150個設けたほかは、上述と同様
の装置及び方法により同様の被処理材(比較用試
料)にプラズマ化学蒸着処理を行なつた。尚、こ
の際、蒸着工程における反応室内の圧力は4トー
ル、ガス噴射室内の圧力は11トールであり、両者
間のガス差圧は7トールであつた。得られた被覆
層(TiC)について同様に層厚測定を行なつた。
得られた結果を第6図に併わせて示す。図中、
「C5」は比較例の結果である。尚、(10mm高さの
層厚さ)/(100mm高さの層厚さ)は、0.1であつ
た。 第6図より明らかな如く、被処理材の高さが実
施例1の2倍の高さの場合でも本実施例の方法及
び装置を用いた場合には、比較例に比してより均
一な被覆層が得られることが分る。
[Table] Example 5 A TiC coating process was performed using a plasma chemical vapor deposition apparatus similar to that used in Example 1. At that time, a shower-like gas injection chamber similar to that in Example 1 was used as a gas differential pressure control means, and the material to be treated was
The same thing as above but twice the height (100mm). In addition, the deposition gas was TiCl 4 4 c.c./min,
CH 4 10c.c./min, H 2 750c.c./min, Ar500c.c./min
The vapor deposition process was carried out under conditions of a reaction chamber pressure of 4 torr. In addition, the pressure inside the injection chamber at this time is
The gas pressure difference between the reaction chamber and the gas injection chamber was 15 Torr. As a result, a gray layer was formed on the surface of the treated material, and a substance identification test confirmed that this was titanium carbide (TiC). Next, the layer thickness of the coating layer on the surface of the treated material was measured. The results are shown in FIG. "A6" in the diagram is
These are the results of this example. In addition, (layer thickness at 10 mm height)/(layer thickness at 100 mm height) was 0.85. For comparison, the same material to be treated (comparison sample) was subjected to plasma chemical vapor deposition using the same equipment and method as described above, except that 150 holes of φ0.7 mm were made in the injection port of the shower-shaped gas injection chamber. I did this. At this time, the pressure inside the reaction chamber during the vapor deposition process was 4 Torr, the pressure inside the gas injection chamber was 11 Torr, and the gas pressure difference between the two was 7 Torr. The thickness of the obtained coating layer (TiC) was similarly measured.
The obtained results are also shown in FIG. In the figure,
"C5" is the result of a comparative example. In addition, (layer thickness at 10 mm height)/(layer thickness at 100 mm height) was 0.1. As is clear from FIG. 6, even when the height of the material to be treated is twice that of Example 1, when the method and apparatus of this example is used, the material is more uniform than that of the comparative example. It can be seen that a coating layer is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図は、本発明の実施例を示し、第1図は本発明
の具体例および実施例1ないし実施例5で用いら
れたプラズマ化学蒸着装置の概略図、第2図は実
施例1で得られた基台からの高さと層厚さとの関
係を示す線図、第3図は実施例2で得られた基台
からの高さと層厚さとの関係を示す線図、第4図
は実施例3で得られた基台からの高さと層厚さと
の関係を示す線図、第5図は実施例1ないし実施
例3で得られた結果をまとめたもので、ガス差圧
と層厚さ比との関係を示す線図、第6図は実施例
5で得られた基台からの高さと層厚さとの関係を
示す線図である。 1……プラズマ反応室、2……ガス噴射室、3
……ガス噴射口、4……被処理材、5……基台、
6……支柱、7……ガス導出管、8……ガス導入
管。
The figures show examples of the present invention; FIG. 1 is a schematic diagram of a specific example of the present invention and a plasma chemical vapor deposition apparatus used in Examples 1 to 5; and FIG. Figure 3 is a diagram showing the relationship between the height from the base and layer thickness obtained in Example 2, and Figure 4 is a diagram showing the relationship between the height from the base and layer thickness obtained in Example 2. Figure 5 is a diagram showing the relationship between the height from the base and the layer thickness obtained in Example 3, and Figure 5 summarizes the results obtained in Examples 1 to 3. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the height from the base and the layer thickness obtained in Example 5. 1... Plasma reaction chamber, 2... Gas injection chamber, 3
... Gas injection port, 4 ... Material to be treated, 5 ... Base,
6... Support column, 7... Gas outlet pipe, 8... Gas introduction pipe.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 プラズマ反応室内に被処理材を配設する被処
理材配置工程と、 該反応室内に残存する気体を排気する残留気体
除去工程と、 前記反応室内に昇温用ガスを導入するとともに
被処理材の表面を所定の蒸着温度に加熱する昇温
工程と、 前記反応室内にガス噴射室から蒸着用ガスを導
入し、該反応室とガス噴射室とのガス差圧を9ト
ール以上に保つとともに放電を行なうことによ
り、被処理材の表面に被膜を均一に成長させる蒸
着工程と、からなることを特徴とするプラズマ化
学蒸着方法。 2 内部に対向極を有し或いは少なくとも一部の
内壁面が対向極となり、ガス導入管およびガス導
出管を有するプラズマ反応室と、該反応室内に設
けられて対向極と対をなす極となり、被処理材を
支持または載置する基台と、 前記プラズマ反応室内に設けられ、ガス噴射口
を有し、前記ガス導入管から導入した昇温用ガス
および蒸着用ガスを前記プラズマ反応室内に供給
するガス噴射室と、 該ガス噴射室と前記プラズマ反応室との間のガ
ス差圧を検出する差圧検出手段と、該差圧検出手
段により検出されたガス差圧と9トールに相当す
る基準値とを比較する比較手段と、該比較に基づ
いて前記ガス噴射室と前記プラズマ反応室との間
のガス差圧を制御する制御手段とから成るガス差
圧制御手段と、から成ることを特徴とするプラズ
マ化学蒸着装置。
[Scope of Claims] 1. A process for arranging a material to be processed in a plasma reaction chamber; a residual gas removal process for exhausting gas remaining in the reaction chamber; and a step for discharging a gas remaining in the reaction chamber. introducing a vapor deposition gas from the gas injection chamber into the reaction chamber, and increasing the gas pressure difference between the reaction chamber and the gas injection chamber to 9. A plasma chemical vapor deposition method comprising the steps of: a vapor deposition process in which a film is uniformly grown on the surface of a material to be treated by maintaining the temperature above Torr and performing electric discharge. 2. A plasma reaction chamber that has an opposing electrode inside or at least a part of the inner wall surface serves as an opposing electrode, and has a gas inlet pipe and a gas outlet pipe; a base for supporting or placing a material to be processed; and a base provided in the plasma reaction chamber, having a gas injection port, and supplying a heating gas and a vapor deposition gas introduced from the gas introduction pipe into the plasma reaction chamber. a gas injection chamber for detecting a gas injection chamber; a pressure difference detection means for detecting a gas pressure difference between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber; and a reference value corresponding to the gas pressure difference detected by the pressure difference detection means and 9 torr. and a gas differential pressure control means comprising a comparison means for comparing the values, and a control means for controlling the gas pressure difference between the gas injection chamber and the plasma reaction chamber based on the comparison. Plasma chemical vapor deposition equipment.
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