プラズマＣＶＤ装置
【課題】 被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置において、プラズマを安定化させると共に、従来よりも成膜レートを向上させる。
【解決手段】 本発明に係るプラズマＣＶＤ装置１０によれば、接地電位に接続された真空槽１２の内壁が陽極とされ、被処理物１６が陰極とされ、これら両者間にパルス電力Ｅｐが供給されることで、当該両者間にプラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物１６の表面にＤＬＣ膜が生成される。ただし、ＤＬＣ膜が陽極としての真空槽１２の内壁に付着することで、当該真空槽１２の内壁の陽極としての機能が低下することが懸念される。この真空槽１２の内壁に代わって、アノード電極４０が陽極として機能することで、プラズマが安定化される。また、真空槽１２内に磁界Ｅが印加されることで、プラズマ密度が増大し、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上する。
【解決手段】 本発明に係るプラズマＣＶＤ装置１０によれば、接地電位に接続された真空槽１２の内壁が陽極とされ、被処理物１６が陰極とされ、これら両者間にパルス電力Ｅｐが供給されることで、当該両者間にプラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物１６の表面にＤＬＣ膜が生成される。ただし、ＤＬＣ膜が陽極としての真空槽１２の内壁に付着することで、当該真空槽１２の内壁の陽極としての機能が低下することが懸念される。この真空槽１２の内壁に代わって、アノード電極４０が陽極として機能することで、プラズマが安定化される。また、真空槽１２内に磁界Ｅが印加されることで、プラズマ密度が増大し、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に関し、特に、内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、この真空槽を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力の供給によって当該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって被処理物の表面に絶縁性被膜を形成する、プラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のプラズマＣＶＤ装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、真空槽の内部に、被処理物が収容される。この状態で、真空槽（具体的には真空槽の内壁）を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力が、これら両者間に供給される。これによって、当該両者間で放電（２極グロー放電）が起こり、プラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物の表面に絶縁性被膜、例えばＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜が、形成される。
【０００３】
このＤＬＣ膜を形成するための成膜処理においては、陽極としての真空槽の内壁にも、当該ＤＬＣ膜という絶縁性被膜が付着（堆積）する。従って、このＤＬＣ膜の成膜処理が継続されると、真空槽の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を払拭するために、従来技術では、真空槽の内部に、第３の電極が設けられる。そして、この第３の電極に、真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される。これによって、プラズマ内の電子が、真空槽の内壁よりも優先して、第３の電極に流れ込む。つまり、真空槽の内壁に代わって、第３の電極が陽極として機能する。この結果、プラズマが安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質の絶縁性被膜を形成する（良好な再現性を得る）のに、極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９１７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術では、成膜処理の対象となる被処理物自体がプラズマを発生させるための陰極として機能するため、例えば特開２００６−１６９５８９号公報に開示されているようなプラズマを発生させるためのプラズマガンが独立して設けられているタイプのものに比べて、プラズマの密度が低く、ゆえに成膜レート（成膜速度）が低い、という問題がある。
【０００６】
即ち、プラズマガンが設けられているタイプのものでは、専ら当該プラズマガンのみによってプラズマの発生が制御される。従って、比較的に高密度なプラズマが得られ、例えば真空槽内の圧力（成膜圧力）が０．１Ｐａ程度という比較的に低い状況下においても、１０１１ｃｍ−３台という比較的に高いプラズマ密度が得られる。そして、このプラズマ密度が高いほど、絶縁性被膜の材料となる材料ガスの粒子（原子または分子）の分解効率が上がるので、当該絶縁性被膜の成膜レートが向上する。
【０００７】
これに対して、従来技術では、真空槽の内壁に代わる陽極としての第３の電極と陰極としての被処理物との電位差によって、プラズマ密度が制御される。詳しくは、当該電位差が大きいほど、プラズマ密度が向上する。ただし、当該電位差が過大であると、プラズマ内のイオンのエネルギが過大となり、例えば被処理物の表面に堆積した絶縁性被膜が当該イオンによって再スパッタされる、という不都合が生じる。このため、当該電位差が適当に抑制され、ゆえに成膜レートも低くなる。例えば、真空槽内の圧力が０．５Ｐａ〜１０Ｐａ程度であるときのプラズマ密度は１０９〜１０１０ｃｍ−３程度であり、上述のプラズマガンが設けられているタイプのものに比べて、遙かに低い。
【０００８】
なお、プラズマガンが設けられているタイプのものでは、上述の如く比較的に高い成膜レートが得られるものの、真空槽内に供給されたプラズマの周囲に被処理物が配置される構成であるので、当該被処理物の大きさ（サイズ）が制限され、言い換えれば比較的に大型の被処理物に対応することができない。一方、従来技術では、成膜レートは低いものの、陰極としての被処理物の周囲にプラズマが発生するため、当該被処理物として比較的に大型のものに対応することができる。これは、従来技術を含め、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置による特有のメリットである。そして、このようなメリットを有するプラズマＣＶＤ装置において、成膜レートの向上が要求されていた。
【０００９】
そこで、本発明は、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置において、従来よりも成膜レートを向上させることを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明は、内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、この真空槽を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力の供給によって当該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって被処理物の表面に絶縁性被膜を形成するプラズマＣＶＤ装置を、前提とする。この前提の下、真空槽の内部に設けられ、当該真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される第３の電極と、真空槽の内部に磁界を印加する磁界印加手段とを、さらに具備する。
【００１１】
このように構成された本発明では、真空槽の内部に、被処理物が収容される。この状態で、真空槽の内壁を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力が、これら両者間に供給される。これによって、当該両者間で２極グロー放電が起こり、当該両者間にプラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物の表面に絶縁性被膜が形成される。
【００１２】
ここで、絶縁性被膜は、被処理物の表面のみならず、陽極としての真空槽の内壁にも、付着する。従って、この絶縁性被膜の成膜処理が継続されると、真空槽の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を払拭するために、本発明では、真空槽の内部に、第３の電極が設けられており、この第３の電極に、真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される。これによって、プラズマ内の電子が、真空槽の内壁よりも優先して、第３の電極に流れ込む。つまり、真空槽の内壁に代わって、第３の電極が陽極として機能する。この結果、プラズマが安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質の絶縁性被膜を形成するのに、極めて重要である。
【００１３】
さらに、本発明では、磁界印加手段によって、真空槽の内部に磁界が印加され、具体的にはミラー磁場が形成される。すると、プラズマ中の電子、特にγ電子（２次電子）が、ミラー磁場を形成する磁力線を軸として螺旋運動し、当該ミラー磁場内に閉じ込められる。これにより、γ電子が絶縁性被膜の材料となる材料ガス粒子と衝突する確率が飛躍的に上がり、当該ガス粒子の分解（反応）がより一層促進される。この結果、プラズマ密度が増大して、絶縁性被膜の成膜レートが向上する。この成膜レートの向上は、成膜処理を含む生産コストを低減するのに、極めて重要である。
【００１４】
なお、本発明においては、絶縁性被膜の成膜処理時に、この絶縁性被膜が第３の電極の表面にも付着することで、当該第３の電極の機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定になることが、懸念される。この懸念を払拭するために、本発明では、第３の電極の導電性が維持される程度に、詳しくは第３の電極の表面に付着した絶縁性被膜を再蒸発させ得る程度に、当該第３の電極を加熱する加熱手段が、さらに設けられてもよい。これにより、第３の電極の表面への絶縁性被膜の付着が防止され、プラズマが安定化される。
【００１５】
また、本発明における磁界印加手段は、被処理物を間に挟むように設けられた１対の電磁石を含むものであってもよい。つまり、この一対の電磁石に流れる電流の向きや大きさが適当に制御されることによって、真空槽の内部に多種多様な磁界（磁場）が形成され、ひいてはプラズマの形状や密度が調整される。
【００１６】
加えて、本発明においては、真空槽の内部に設けられ、絶縁性被膜の形成に先立って、スパッタリング法により被処理物の表面に中間層を形成するためのターゲットが、さらに設けられてもよい。このようなターゲットが設けられることで、中間層を形成するためのスパッタリング法による成膜処理と、この中間層の上に絶縁性被膜を形成するためのプラズマＣＶＤ法による成膜処理と、の連続実施が可能となる。また、スパッタリング法の採用によって、プラズマＣＶＤ法では形成不可能な多種多様の中間層の形成が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上述したように、本発明によれば、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置において、プラズマを安定化させつつ、従来よりも成膜レートを向上させることができる。つまり、一定品質の絶縁性被膜を、従来よりも低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【図２】同実施形態における被処理物に供給されるパルス電力の電圧波形図である。
【図３】同実施形態における実験結果を示す図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について、以下に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１０は、概略円筒状の真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、耐熱性および耐腐食性を有する金属製、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス製であり、その壁面は、基準電位としての接地電位に接続されている。
【００２１】
この真空槽１２の内部、詳しくは当該真空槽１２内の下部の略中央に、例えば円板状の基板台１４が、その上面を水平方向に沿わせた状態で設けられている。そして、この基板台１４の上に、被処理物１６が載置される。なお、被処理物１６としては、比較的に大型のものまで対応可能であり、具体的には、幅寸法が最大で５００ｍｍ、奥行き寸法が最大で５００ｍｍ、高さ寸法が最大で６００ｍｍのものに対応可能である。
【００２２】
基板台１４は、その下面の中心において、回転軸１８の一端に結合されている。そして、この回転軸１８の他端は、真空槽１２の外部にある駆動手段としてのモータ２０に結合されている。つまり、モータ２０が駆動すると、図１に矢印２２で示す方向に基板台１４が回転し、これに伴い、被処理物１４も同じ方向に回転する。なお、基板台１４もまた、耐熱性および耐腐食性を有する金属製であり、例えばステンレス製またはアルミニウム合金製である。
【００２３】
さらに、被処理物１４には、基板台１４および回転軸１８を介して、真空槽１２の外部にある第１電力供給手段としてのパルス電源装置２４から、接地電位を基準とする第１電力としてのパルス電力Ｅｐが供給される。このパルス電力Ｅｐは、図２に示すように、ハイレベル時の電圧値Ｖ＋が接地電位としての０Ｖよりも大きく、ローレベル時の電圧値Ｖ−が当該０Ｖよりも小さい、いわゆるバイポーラパルス状のものである。なお、ハイレベル時の電圧値Ｖ＋は、例えば０Ｖ〜１００Ｖの範囲で任意に設定可能とされているが、ここでは３７Ｖ一定とされる。一方、ローレベル時の電圧値Ｖ−は、例えば−１５００Ｖ〜０Ｖの範囲で任意に設定可能とされており、これについては、後述するように状況に応じて適宜に設定される。また、このパルス電力Ｅｐの周波数ｆも、例えば１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で任意に設定可能とされており、ここでは１００ｋＨｚとされる。そして、デューティ比、詳しくはパルス電力Ｅｐの１周期Ｔに対する当該ハイレベル期間Ｔ’の比率Ｔ’／Ｔも、任意に設定可能とされており、ここでは２０％とされる。
【００２４】
図１に戻って、真空槽１２の壁面の適当な位置、例えば同図において左側に示す壁面の略中央に、排気口２６が設けられている。そして、この排気口２６は、真空槽１２の外部にある図示しない排気手段としての真空ポンプに結合されている。なお、真空ポンプは、例えばメカニカルブースタポンプとロータリポンプとを組み合わせたものである。
【００２５】
また、排気口２６とは別に、真空槽１２の壁面の適当な位置、例えば図１において左側に示す壁面の上方寄りの位置に、ガス導入口２８が設けられている。そして、このガス導入口２８を介して、真空槽１２内に、放電用ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスと、ボンバード用ガスとしての水素（Ｈ２）ガスと、材料ガスとしてのテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４；以下ＴＭＳと言う。）ガスと、別の材料ガスとしてのアセチレンガスと、のそれぞれが、後述するように適宜に導入される。なお、図には示さないが、このガス導入口２８に結合された各ガスの流通路（配管）には、当該各ガスの真空槽１２内への流通を個別に開閉するための開閉手段、例えば開閉バルブと、当該各ガスの流量を個別に調整するための流量調整手段、例えばマスフローコントローラとが、設けられている。
【００２６】
そして、真空槽１２内の適当な位置、例えば図１において左側に示す壁面の近傍に、ヒータ３０が設けられている。このヒータ３０は、必要に応じて、被処理物１６を含む真空槽１２内を予熱するための言わば予熱手段である。この予熱の際には、真空槽１２の外部にある図示しないヒータ加熱用電源装置から、直流または交流のヒータ加熱用電力が、当該ヒータ３０に供給される。
【００２７】
さらに、真空槽１２内のヒータ３０が設けられている位置とは別の位置、例えば被処理物１６を挟んで当該ヒータ３０とは反対側の位置に、後述する中間層をマグネトロンスパッタリング法によって形成するためのカソードユニット３２が設けられている。即ち、このカソードユニット３２は、中間層の原料となるターゲット３４と、このターゲット３４の背面に密着された永久磁石ユニット３６と、を備えている。そして、ターゲット３４の前面、いわゆるスパッタ面は、被処理物１６に向けられている。さらに、このターゲット３４には、真空槽１２の外部にあるカソード用電源装置３７から、接地電位を基準とする負電位の直流電力Ｅｃが、カソード電力として供給される。
【００２８】
加えて、真空槽１２の上部壁面の適当な位置、例えば略中央に、当該上部壁面から上方に向かって突出した概略円筒状の附属槽３８が設けられている。この附属槽３８の内部は、真空槽１２内と連通している。そして、この附属槽３８内に、第３の電極としてのアノード電極４０が設けられている。このアノード電極４０は、タングステン（Ｗ）製のフィラメントであり、その両端には、真空槽１２の外部にある加熱手段としてのアノード加熱用電源装置４２から、交流のアノード加熱用電力Ｅｈが供給される。このアノード加熱用電力Ｅｈの供給によって、アノード電極４０は、１０００℃〜２０００℃という高温度に自己加熱される。
【００２９】
また、アノード電極４０には、真空槽１２の外部にあるアノード電力供給手段としての直流電源装置４４から、接地電位を基準とする正電位の直流電力Ｅａが、アノード電力として供給される。要するに、アノード電極４０には、アノード電力Ｅａとアノード加熱用電力Ｅｈとが重畳された状態で供給される。なお、アノード電力Ｅａの電圧値は、例えば０Ｖ〜1００Ｖの範囲で任意に設定可能とされている。
【００３０】
さらに、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の上部壁面の上方には、附属槽３８の周りを取り囲むように、磁界印加手段としての環状の電磁石（コイル）４６が設けられている。そして、この電磁石４６と対称的に、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の下部壁面の下方に、同じく磁界印加手段としての別の電磁石４８が設けられている。これらの電磁石４６および４８には、真空槽１２の外部にある図示しないコイル用電源装置から、直流電力が供給される。この直流電力の供給によって、それぞれの電磁石４６および４８に、同じ方向の電流Ｉｃが流れる。この結果、真空槽１２内に磁界Ｂが発生し、詳しくはミラー磁場（単純ミラー磁場）が形成される。
【００３１】
このように構成された本実施形態のプラズマＣＶＤ装置１０は、例えばＤＬＣ膜の形成に、好適である。なお、ＤＬＣ膜の形成に先立って、被処理物１６の表面を洗浄するためのボンバード処理が行われ、続いて、当該被処理物１６の表面に中間層を形成するためのマグネトロンスパッタリング法による成膜処理が行われる。この中間層としては、クロム（Ｃｒ）層が形成される。そのために、ターゲット３４として、クロム製のものが採用される。そして、この中間層の上に、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜が形成される。
【００３２】
具体的には、まず、真空槽１２内が排気され、例えば０．０１Ｐａ程度の高真空状態とされる。このとき、必要に応じて、ヒータ３０が通電されることで、被処理物１６を含む真空槽内１２内が予熱される。
【００３３】
そして、この排気後の真空槽１２内にアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。すると、アルゴンガス粒子が放電して、真空槽１２内にプラズマが発生する。併せて、真空槽１２内に水素ガスが導入される。すると、この水素ガスの粒子も放電し、プラズマ化される。ここで、パルス電力Ｅｐがローレベル期間Ｔ”であるとき（図２参照）、つまり被処理物１６に対して負電圧Ｖ−が印加されているとき、プラズマ中のアルゴンイオンと水素イオンとが当該被処理物１６の表面に照射される。これによって、被処理物１６の表面が洗浄され、つまりボンバード処理が実現される。なお、パルス電力Ｅｐがハイレベル期間Ｔ’であるとき、つまり被処理物１６に対して正電圧Ｖ＋が印加されているときには、当該被処理物１６の表面へのイオンの照射は休止される。そして、このボンバード処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスおよび水素ガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止される。これによって、ボンバード処理が終了する。
【００３４】
このボンバード処理の終了後、改めて真空槽１２内が高真空状態にまで排気される。そして、この排気後の真空槽１２内に再びアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これによって、上述と同様に、真空槽１２内にプラズマが発生する。併せて、ターゲット３４にカソード電力Ｅｃが供給される。すると、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲット３４のスパッタ面に衝突して、このスパッタ面から当該ターゲット３４の構成物質であるクロムの粒子（分子または原子）が叩き出される。そして、この叩き出されたクロム粒子は、被処理物１６の表面に堆積する。この結果、被処理物１６の表面に、中間層としてのクロム層が形成される。そして、このクロム層の成膜処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止され、併せて、ターゲット３４へのカソード電力Ｅｃの供給が停止される。これによって、中間層の成膜処理が終了する。
【００３５】
続いて、真空槽１２内が改めて排気され、高真空状態とされる。そして、この排気後の真空槽１２内に再びアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これにより、上述と同様に、真空槽１２内にプラズマが発生する。さらに、真空槽１２内にＴＭＳガスおよびアセチレンガスが導入される。すると、これらＴＭＳガスおよびアセチレンガスそれぞれの粒子が放電して、プラズマ化される。そして、パルス電力Ｅｐがローレベル期間Ｔ”であるとき、つまり被処理物１６に対して負電圧Ｖ−が印加されているとき、プラズマ中の炭素イオンとシリコンイオンとが当該被処理物１６の表面に照射される。これによって、被処理物１６の表面（厳密には中間層としてのクロム層の上）に、シリコンを含有するＤＬＣ膜が形成される。なお、パルス電力Ｅｐがハイレベル期間Ｔ’であるとき、つまり被処理物１６に対して正電圧Ｖ＋が印加されているときには、当該被処理物１６の表面に蓄積したプラス電荷が放出され、いわゆるチャージアップが防止される。
【００３６】
さらに、真空槽１２内へのＴＭＳガスの流量が徐々に低減される。これによって、シリコン含有ＤＬＣ膜の当該シリコンの含有率が徐々に低減され、いわゆる傾斜層が形成される。そして、最終的に、当該ＴＭＳガスの流量がゼロとされることで、純粋なＤＬＣ膜が形成される。このＤＬＣ膜の成膜処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスおよびアセチレンガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止される。これによって、ＤＬＣ膜の成膜処理を含む一連の表面処理が終了する。
【００３７】
ところで、この一連の表面処理のうちＤＬＣ膜という絶縁性被膜の成膜処理においては、被処理物１６の表面のみならず、陽極としての真空槽１２の内壁にも、当該ＤＬＣ膜が付着する。従って、このＤＬＣ膜の成膜処理が継続されることで、真空槽１２の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を回避するために、本実施形態では、上述の如くアノード電極４０が設けられている。
【００３８】
即ち、アノード電極４０は、上述したように真空槽１２の上部壁面の略中央にある附属層３８内に設けられており、言い換えれば当該真空槽１２内の略中心軸上に設けられている。そして、このアノード電極４０には、接地電位を基準とする正電位の直流電力Ｅａが、アノード電力として供給される。従って、プラズマ中の電子は、真空槽１２の内壁よりも優先して、このアノード電極４０を介して、接地電位に流れ込む。つまり、真空槽１２の内壁に代わって、アノード電極４０が陽極として機能する。これにより、真空槽１２の内壁にＤＬＣ膜が堆積したとしても、プラズマが正常に安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質のＤＬＣ膜を形成するのに、極めて重要である。
【００３９】
なお、アノード電極４０の表面にもＤＬＣ膜が付着して、当該アノード電極４０自体の機能が低下することが、さらに懸念される。しかしながら、アノード電極４０は、上述したようにアノード電力Ｅａに重畳されたアノード加熱用電力Ｅｈの供給を受けて１０００℃〜２０００℃という高温度に加熱される。このようにアノード電極４０が高温度に加熱されると、当該アノード電極４０の表面にＤＬＣ膜が付着しても、この付着したＤＬＣ膜は再蒸発する。また、たとえアノード電極４０の表面に付着したＤＬＣ膜が再蒸発しないとしても、このＤＬＣ膜は加熱されることで、黒鉛の如く導電性を示すようになる。この結果、アノード電極４０の表面の導電性が保たれ、当該アノード電極４０自体の機能が維持される。
【００４０】
また、本実施形態では、上述したように１対の電磁石４６および４８が設けられているが、これらは、ＤＬＣ膜の成膜処理時に有効化される。即ち、ＤＬＣ膜の成膜処理時に、これらの電磁石４６および４８が有効化されることで、真空槽１２内の略中央、つまり被処理物１６の周囲に、ミラー磁場が形成される。すると、このミラー磁場を形成する磁力線に巻き付くように、プラズマ中の荷電粒子、特にγ電子が、螺旋運動する。この結果、当該γ電子を含むプラズマが、ミラー磁場内に閉じ込められる。さらに、γ電子が未放電のガス粒子と衝突する確率が飛躍的に上がるので、当該ガス粒子の分解がより一層促進される。これにより、プラズマ密度が増大し、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上する。この成膜レートの向上は、ＤＬＣ膜の成膜処理を含む生産コストの低減に、大きく貢献する。
【００４１】
ただし、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上すると、真空槽１２の内壁に堆積する言わば不本意なＤＬＣ膜の成膜レートも向上し、これに伴い、当該真空槽１２の内壁が電極として機能しなくなるペースも速まる。このような状況下でも、本実施形態においては、アノード電極４０が正常に機能することで、プラズマの安定化が図られる。このことは、次の実験によっても証明された。
【００４２】
まず、被処理物１６として、幅寸法が５００ｍｍ、奥行き寸法が５００ｍｍ、高さ寸法が６００ｍｍのアルミニウム製の角柱体が、真空槽１２内に配置され、詳しくは基板台１４上の略中央に載置される。そして、この真空槽１２内が高真空状態にまで排気された後、当該真空槽１２内にアルゴンガスが１６０ｍＬ／ｍｉｎという流量で導入される。さらに、真空槽１２内の圧力が１Ｐａに維持されながら、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これにより、真空槽１２内にプラズマが発生する。そしてさらに、アノード電極４０が約２０００℃にまで加熱されるように、当該アノード電極４０にアノード加熱用電力Ｅｈが供給される。併せて、アノード電極４０にアノード電力Ｅａが供給され、その電圧値が３０Ｖとされる。
【００４３】
この状態で、パルス電力Ｅｐのローレベル時の電圧値Ｖ−が適当に変更される。なお、このローレベル時の電圧値Ｖ−は、プラズマの発生（放電）を司る言わば放電電圧としての性質を持つ。また、それぞれの電磁石４６および４８に流れる電流Ｉｃも適当に変更され、言い換えれば真空槽１２内に印加される磁界Ｂの強さ（磁束密度）も適当に変更される。そして、このように放電電圧Ｖ−および磁束密度Ｂが適当に変更される状況下で、パルス電力Ｅｐの電流値、言わば放電電流Ｉｐを、測定したところ、図３に示すような結果が得られた。
【００４４】
この図３から分かるように、放電電圧Ｖ−が低いほど、言い換えれば当該放電電圧Ｖ−の絶対値が大きいほど、放電電流Ｉｐは大きくなる。また、磁束密度Ｂが大きいほど、当該放電電流Ｉｐは大きくなる。特に、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖである場合、磁束密度Ｂが０ｍＴであるときの放電電流Ｉｐは０．１Ａであるのに対して、磁束密度Ｂが２．６ｍＴ（Ｉｃ＝８Ａ）のときの放電電流Ｉｐは７Ａであり、実に７０倍となる。この放電電流Ｉｐはプラズマ密度に比例することから、磁界Ｂが印加されることによって当該プラズマ密度が飛躍的に向上することが理解できる。このことは、プラズマの発光度合（輝度）を目視することによっても確認された。
【００４５】
そして、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖであり、磁束密度Ｂが２．６ｍＴであることによって、放電電流Ｉｐが７Ａであるときに、カソード電極４０に流れる電流Ｉａを測定したところ、当該カソード電流Ｉａは６．５Ａであった。これは、７Ａという放電電流Ｉｐのうちの６．５Ａがカソード電極４０を介して流れることを、つまり当該放電電流Ｉａのうちの９０％以上（＝Ｉａ／Ｉｐ＝６．５／７）がカソード電極４０を介して流れることを、意味する。このことから、真空槽１２の内壁を介して流れる放電電流Ｉｐは極少（１０％以下）であり、当該真空槽１２の内壁が電極として殆ど機能していないことが、分かる。言い換えれば、アノード電極４０が十分に機能していることが、分かる。
【００４６】
次に、上述の如く真空槽１２内に磁界Ｂが印加されることによって、実際にＤＬＣ膜の成膜レートがどれくらい向上するのかを確認したところ、次のような結果が得られた。即ち、上述した要領でボンバード処理が行われた後、中間層として膜厚が１００ｎｍのクロム層が形成される。続いて、アルゴンガスが２００ｍＬ／ｍｉｎという流量で真空槽１２内に導入されると共に、アセチレンガスが２５０ｍＬ／ｍｉｎという流量で当該真空槽１２内に導入される。なお、ここでは、ＴＭＳガスは導入されない。そして、この状態で、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖとされ、併せて、磁束密度Ｂが１．６ｍＴとされる。この条件による成膜処理が１時間にわたって行われたところ、膜厚が２．５μｍのＤＬＣ膜が形成された。つまり、２．５μｍ／ｈというＤＬＣ膜の成膜レートが得られた。上述した従来技術によるＤＬＣ膜の成膜レートが０．５μｍ／ｈ程度であることを鑑みると、この２．５μｍ／ｈという値は驚異的であり、当該従来技術の実に５倍である。また、この２．５μｍ／ｈという成膜レートで形成されたＤＬＣ膜の機械的な特性を測定したところ、硬度（ヌープ硬度）が１８００ＨＫであり、摩擦係数μが０．１であり、ＤＬＣ膜として十分であることが、確認された。
【００４７】
さらに、この実験においては、アノード電極４０にアノード加熱用電力Ｅｈが供給されることによって、当該アノード電極４０が約２０００℃に加熱された。併せて、アノード電極４０にアノード電力Ｅｐが供給され、このアノード電力Ｅｐの電圧値が３０Ｖとされた。このようにアノード電極４０が言わば有効化されることで、プラズマが安定化されることも、確認された。
【００４８】
加えて、この実験と同じ条件によるＤＬＣ膜の成膜処理が１０時間にわたって継続されても、アノード電極４０が有効化されることで、依然としてプラズマが安定化されることも、確認された。これに対して、アノード電極４０が設けられていない場合、詳しくは当該アノード電極４０が無効化された状態（つまりアノード電極４０へのアノード電力Ｅｐおよびアノード加熱用電力Ｅｈの供給が停止された状態）でＤＬＣ膜の成膜処理が行われた場合は、プラズマが不安定となり、異常放電が起こる。即ち、真空槽１２の内壁がＤＬＣ膜で覆われてくると、当該真空槽１２の内壁のうちＤＬＣ膜で覆われていない部分に集中して放電電流Ｉｐが流れる。すると、その部分に過電流が流れて、異常放電が発生する。この異常放電が発生すると、パルス電源装置２４の安全装置が働いて、当該過電流が遮断される。この過電流が遮断されることをもって、異常放電が発生したことを認識することができる。アノード電極４０が設けられていない場合には、１０時間にわたるＤＬＣ膜の成膜処理において、この異常放電が５２５５回も発生することが、確認された。一方、アノード電極４０が設けられている場合には、当該異常放電は発生しない。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、ＤＬＣ膜という絶縁性被膜の成膜処理においても、長時間にわたってプラズマが安定化されると共に、上述した従来技術に比べて当該ＤＬＣ膜の成膜レートを飛躍的に向上させることができる。つまり、一定品質のＤＬＣ膜を、従来よりも低コストで提供することができる。
【００５０】
また、従来技術では、プラズマＣＶＤ法によって、中間層が形成され、例えば窒化珪素（ＳｉＣ）膜が形成されるが、本実施形態においては、マグネトロンスパッタリング法によって、当該中間層としてのクロム層が形成される。このクロム層は、窒化珪素膜に比べて、ＤＬＣ膜との相性が良く、ゆえに、このようなクロム層が中間層として形成されることで、当該ＤＬＣ膜の密着性の向上が図られる。
【００５１】
なお、中間層としては、クロム層に限らず、チタン（Ｔｉ）層等の他の金属層であってもよい。また、珪素（Ｓｉ）等の非金属から成る層であってもよい。このような中間層の形成には、マグネトロンスパッタリング法をはじめとするスパッタリング法が好適であり、つまりカソードユニット３２が併設された本実施形態は好適である。勿論、直流スパッタリング法等の他のスパッタリング法が採用されてもよい。
【００５２】
また、本実施形態においては、絶縁性被膜としてＤＬＣ膜を形成する場合について説明したが、これに限らない。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）膜や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）膜，酸化珪素（ＳｉＯ２）膜等の他の絶縁性被膜を形成する場合にも、本発明を適用することができる。
【００５３】
さらに、パルス電力Ｅｐに代えて、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力が、第１電力として採用されてもよい。ただし、この高周波電力が採用される場合には、当該高周波電力の供給源である高周波電源装置と、被処理物１６を含む負荷側との間で、互いのインピーダンスを整合させるための整合手段、例えばマッチングボックスが、必要になる。勿論、これ以外の交流電力（非直流電力）が採用されてもよい。
【００５４】
そして、真空槽１２の上部壁面の略中央に附属槽３８を設け、この附属槽３８内にアノード電極４０を配置したが、これに限らない。例えば、附属槽３８を設けずに、真空槽１２内の適宜の位置に当該アノード電極４０を配置してもよい。また、アノード電極４０をタングステン製のフィラメントとしたが、これに限らない。例えば、タンタル（Ｔａ）やモリブデン（Ｍｏ），或いはこれらの合金によって、当該アノード電極４０を構成してもよい。さらに、フィラメントではなく、棒状や長尺状のアノード電極４０を設けてもよい。そして、アノード加熱用電力Ｅｈとして、交流電圧を採用したが、直流電力を採用してもよい。また、このアノード加熱用電力Ｅｈを供給するのではなく、アノード電力Ｅａの供給のみによって、アノード電極４０を自己加熱させてもよいし、別の手段によって当該アノード電極４０を加熱してもよい。
【００５５】
そしてさらに、磁界印加手段として１対の電磁石４６および４８を採用したが、これに代えて、永久磁石を採用してもよい。ただし、この磁界発生手段については、真空槽１２内にミラー磁場が形成されるように設けるのが、肝要である。また、当該ミラー磁場は、単純ミラー磁場という軸対称系の磁場ではなく、非軸対称系の極小ミラー磁場であってもよい。そして、真空槽１２内の略中央においては、最大で５ｍＴの磁束密度が得られるようにするのが、望ましい。
【符号の説明】
【００５６】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 真空槽
１４ 基板台
１６ 被処理物
２４ パルス電源装置
４０ アノード電極
４２ アノード加熱用電源装置
４４ 直流電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に関し、特に、内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、この真空槽を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力の供給によって当該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって被処理物の表面に絶縁性被膜を形成する、プラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のプラズマＣＶＤ装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、真空槽の内部に、被処理物が収容される。この状態で、真空槽（具体的には真空槽の内壁）を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力が、これら両者間に供給される。これによって、当該両者間で放電（２極グロー放電）が起こり、プラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物の表面に絶縁性被膜、例えばＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜が、形成される。
【０００３】
このＤＬＣ膜を形成するための成膜処理においては、陽極としての真空槽の内壁にも、当該ＤＬＣ膜という絶縁性被膜が付着（堆積）する。従って、このＤＬＣ膜の成膜処理が継続されると、真空槽の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を払拭するために、従来技術では、真空槽の内部に、第３の電極が設けられる。そして、この第３の電極に、真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される。これによって、プラズマ内の電子が、真空槽の内壁よりも優先して、第３の電極に流れ込む。つまり、真空槽の内壁に代わって、第３の電極が陽極として機能する。この結果、プラズマが安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質の絶縁性被膜を形成する（良好な再現性を得る）のに、極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９１７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術では、成膜処理の対象となる被処理物自体がプラズマを発生させるための陰極として機能するため、例えば特開２００６−１６９５８９号公報に開示されているようなプラズマを発生させるためのプラズマガンが独立して設けられているタイプのものに比べて、プラズマの密度が低く、ゆえに成膜レート（成膜速度）が低い、という問題がある。
【０００６】
即ち、プラズマガンが設けられているタイプのものでは、専ら当該プラズマガンのみによってプラズマの発生が制御される。従って、比較的に高密度なプラズマが得られ、例えば真空槽内の圧力（成膜圧力）が０．１Ｐａ程度という比較的に低い状況下においても、１０１１ｃｍ−３台という比較的に高いプラズマ密度が得られる。そして、このプラズマ密度が高いほど、絶縁性被膜の材料となる材料ガスの粒子（原子または分子）の分解効率が上がるので、当該絶縁性被膜の成膜レートが向上する。
【０００７】
これに対して、従来技術では、真空槽の内壁に代わる陽極としての第３の電極と陰極としての被処理物との電位差によって、プラズマ密度が制御される。詳しくは、当該電位差が大きいほど、プラズマ密度が向上する。ただし、当該電位差が過大であると、プラズマ内のイオンのエネルギが過大となり、例えば被処理物の表面に堆積した絶縁性被膜が当該イオンによって再スパッタされる、という不都合が生じる。このため、当該電位差が適当に抑制され、ゆえに成膜レートも低くなる。例えば、真空槽内の圧力が０．５Ｐａ〜１０Ｐａ程度であるときのプラズマ密度は１０９〜１０１０ｃｍ−３程度であり、上述のプラズマガンが設けられているタイプのものに比べて、遙かに低い。
【０００８】
なお、プラズマガンが設けられているタイプのものでは、上述の如く比較的に高い成膜レートが得られるものの、真空槽内に供給されたプラズマの周囲に被処理物が配置される構成であるので、当該被処理物の大きさ（サイズ）が制限され、言い換えれば比較的に大型の被処理物に対応することができない。一方、従来技術では、成膜レートは低いものの、陰極としての被処理物の周囲にプラズマが発生するため、当該被処理物として比較的に大型のものに対応することができる。これは、従来技術を含め、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置による特有のメリットである。そして、このようなメリットを有するプラズマＣＶＤ装置において、成膜レートの向上が要求されていた。
【０００９】
そこで、本発明は、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置において、従来よりも成膜レートを向上させることを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明は、内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、この真空槽を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力の供給によって当該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって被処理物の表面に絶縁性被膜を形成するプラズマＣＶＤ装置を、前提とする。この前提の下、真空槽の内部に設けられ、当該真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される第３の電極と、真空槽の内部に磁界を印加する磁界印加手段とを、さらに具備する。
【００１１】
このように構成された本発明では、真空槽の内部に、被処理物が収容される。この状態で、真空槽の内壁を陽極とし被処理物を陰極とする第１電力が、これら両者間に供給される。これによって、当該両者間で２極グロー放電が起こり、当該両者間にプラズマが発生する。そして、このプラズマを用いたＣＶＤ法によって、被処理物の表面に絶縁性被膜が形成される。
【００１２】
ここで、絶縁性被膜は、被処理物の表面のみならず、陽極としての真空槽の内壁にも、付着する。従って、この絶縁性被膜の成膜処理が継続されると、真空槽の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を払拭するために、本発明では、真空槽の内部に、第３の電極が設けられており、この第３の電極に、真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される。これによって、プラズマ内の電子が、真空槽の内壁よりも優先して、第３の電極に流れ込む。つまり、真空槽の内壁に代わって、第３の電極が陽極として機能する。この結果、プラズマが安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質の絶縁性被膜を形成するのに、極めて重要である。
【００１３】
さらに、本発明では、磁界印加手段によって、真空槽の内部に磁界が印加され、具体的にはミラー磁場が形成される。すると、プラズマ中の電子、特にγ電子（２次電子）が、ミラー磁場を形成する磁力線を軸として螺旋運動し、当該ミラー磁場内に閉じ込められる。これにより、γ電子が絶縁性被膜の材料となる材料ガス粒子と衝突する確率が飛躍的に上がり、当該ガス粒子の分解（反応）がより一層促進される。この結果、プラズマ密度が増大して、絶縁性被膜の成膜レートが向上する。この成膜レートの向上は、成膜処理を含む生産コストを低減するのに、極めて重要である。
【００１４】
なお、本発明においては、絶縁性被膜の成膜処理時に、この絶縁性被膜が第３の電極の表面にも付着することで、当該第３の電極の機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定になることが、懸念される。この懸念を払拭するために、本発明では、第３の電極の導電性が維持される程度に、詳しくは第３の電極の表面に付着した絶縁性被膜を再蒸発させ得る程度に、当該第３の電極を加熱する加熱手段が、さらに設けられてもよい。これにより、第３の電極の表面への絶縁性被膜の付着が防止され、プラズマが安定化される。
【００１５】
また、本発明における磁界印加手段は、被処理物を間に挟むように設けられた１対の電磁石を含むものであってもよい。つまり、この一対の電磁石に流れる電流の向きや大きさが適当に制御されることによって、真空槽の内部に多種多様な磁界（磁場）が形成され、ひいてはプラズマの形状や密度が調整される。
【００１６】
加えて、本発明においては、真空槽の内部に設けられ、絶縁性被膜の形成に先立って、スパッタリング法により被処理物の表面に中間層を形成するためのターゲットが、さらに設けられてもよい。このようなターゲットが設けられることで、中間層を形成するためのスパッタリング法による成膜処理と、この中間層の上に絶縁性被膜を形成するためのプラズマＣＶＤ法による成膜処理と、の連続実施が可能となる。また、スパッタリング法の採用によって、プラズマＣＶＤ法では形成不可能な多種多様の中間層の形成が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上述したように、本発明によれば、被処理物が陰極とされる構成のプラズマＣＶＤ装置において、プラズマを安定化させつつ、従来よりも成膜レートを向上させることができる。つまり、一定品質の絶縁性被膜を、従来よりも低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【図２】同実施形態における被処理物に供給されるパルス電力の電圧波形図である。
【図３】同実施形態における実験結果を示す図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について、以下に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１０は、概略円筒状の真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、耐熱性および耐腐食性を有する金属製、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス製であり、その壁面は、基準電位としての接地電位に接続されている。
【００２１】
この真空槽１２の内部、詳しくは当該真空槽１２内の下部の略中央に、例えば円板状の基板台１４が、その上面を水平方向に沿わせた状態で設けられている。そして、この基板台１４の上に、被処理物１６が載置される。なお、被処理物１６としては、比較的に大型のものまで対応可能であり、具体的には、幅寸法が最大で５００ｍｍ、奥行き寸法が最大で５００ｍｍ、高さ寸法が最大で６００ｍｍのものに対応可能である。
【００２２】
基板台１４は、その下面の中心において、回転軸１８の一端に結合されている。そして、この回転軸１８の他端は、真空槽１２の外部にある駆動手段としてのモータ２０に結合されている。つまり、モータ２０が駆動すると、図１に矢印２２で示す方向に基板台１４が回転し、これに伴い、被処理物１４も同じ方向に回転する。なお、基板台１４もまた、耐熱性および耐腐食性を有する金属製であり、例えばステンレス製またはアルミニウム合金製である。
【００２３】
さらに、被処理物１４には、基板台１４および回転軸１８を介して、真空槽１２の外部にある第１電力供給手段としてのパルス電源装置２４から、接地電位を基準とする第１電力としてのパルス電力Ｅｐが供給される。このパルス電力Ｅｐは、図２に示すように、ハイレベル時の電圧値Ｖ＋が接地電位としての０Ｖよりも大きく、ローレベル時の電圧値Ｖ−が当該０Ｖよりも小さい、いわゆるバイポーラパルス状のものである。なお、ハイレベル時の電圧値Ｖ＋は、例えば０Ｖ〜１００Ｖの範囲で任意に設定可能とされているが、ここでは３７Ｖ一定とされる。一方、ローレベル時の電圧値Ｖ−は、例えば−１５００Ｖ〜０Ｖの範囲で任意に設定可能とされており、これについては、後述するように状況に応じて適宜に設定される。また、このパルス電力Ｅｐの周波数ｆも、例えば１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で任意に設定可能とされており、ここでは１００ｋＨｚとされる。そして、デューティ比、詳しくはパルス電力Ｅｐの１周期Ｔに対する当該ハイレベル期間Ｔ’の比率Ｔ’／Ｔも、任意に設定可能とされており、ここでは２０％とされる。
【００２４】
図１に戻って、真空槽１２の壁面の適当な位置、例えば同図において左側に示す壁面の略中央に、排気口２６が設けられている。そして、この排気口２６は、真空槽１２の外部にある図示しない排気手段としての真空ポンプに結合されている。なお、真空ポンプは、例えばメカニカルブースタポンプとロータリポンプとを組み合わせたものである。
【００２５】
また、排気口２６とは別に、真空槽１２の壁面の適当な位置、例えば図１において左側に示す壁面の上方寄りの位置に、ガス導入口２８が設けられている。そして、このガス導入口２８を介して、真空槽１２内に、放電用ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスと、ボンバード用ガスとしての水素（Ｈ２）ガスと、材料ガスとしてのテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４；以下ＴＭＳと言う。）ガスと、別の材料ガスとしてのアセチレンガスと、のそれぞれが、後述するように適宜に導入される。なお、図には示さないが、このガス導入口２８に結合された各ガスの流通路（配管）には、当該各ガスの真空槽１２内への流通を個別に開閉するための開閉手段、例えば開閉バルブと、当該各ガスの流量を個別に調整するための流量調整手段、例えばマスフローコントローラとが、設けられている。
【００２６】
そして、真空槽１２内の適当な位置、例えば図１において左側に示す壁面の近傍に、ヒータ３０が設けられている。このヒータ３０は、必要に応じて、被処理物１６を含む真空槽１２内を予熱するための言わば予熱手段である。この予熱の際には、真空槽１２の外部にある図示しないヒータ加熱用電源装置から、直流または交流のヒータ加熱用電力が、当該ヒータ３０に供給される。
【００２７】
さらに、真空槽１２内のヒータ３０が設けられている位置とは別の位置、例えば被処理物１６を挟んで当該ヒータ３０とは反対側の位置に、後述する中間層をマグネトロンスパッタリング法によって形成するためのカソードユニット３２が設けられている。即ち、このカソードユニット３２は、中間層の原料となるターゲット３４と、このターゲット３４の背面に密着された永久磁石ユニット３６と、を備えている。そして、ターゲット３４の前面、いわゆるスパッタ面は、被処理物１６に向けられている。さらに、このターゲット３４には、真空槽１２の外部にあるカソード用電源装置３７から、接地電位を基準とする負電位の直流電力Ｅｃが、カソード電力として供給される。
【００２８】
加えて、真空槽１２の上部壁面の適当な位置、例えば略中央に、当該上部壁面から上方に向かって突出した概略円筒状の附属槽３８が設けられている。この附属槽３８の内部は、真空槽１２内と連通している。そして、この附属槽３８内に、第３の電極としてのアノード電極４０が設けられている。このアノード電極４０は、タングステン（Ｗ）製のフィラメントであり、その両端には、真空槽１２の外部にある加熱手段としてのアノード加熱用電源装置４２から、交流のアノード加熱用電力Ｅｈが供給される。このアノード加熱用電力Ｅｈの供給によって、アノード電極４０は、１０００℃〜２０００℃という高温度に自己加熱される。
【００２９】
また、アノード電極４０には、真空槽１２の外部にあるアノード電力供給手段としての直流電源装置４４から、接地電位を基準とする正電位の直流電力Ｅａが、アノード電力として供給される。要するに、アノード電極４０には、アノード電力Ｅａとアノード加熱用電力Ｅｈとが重畳された状態で供給される。なお、アノード電力Ｅａの電圧値は、例えば０Ｖ〜1００Ｖの範囲で任意に設定可能とされている。
【００３０】
さらに、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の上部壁面の上方には、附属槽３８の周りを取り囲むように、磁界印加手段としての環状の電磁石（コイル）４６が設けられている。そして、この電磁石４６と対称的に、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の下部壁面の下方に、同じく磁界印加手段としての別の電磁石４８が設けられている。これらの電磁石４６および４８には、真空槽１２の外部にある図示しないコイル用電源装置から、直流電力が供給される。この直流電力の供給によって、それぞれの電磁石４６および４８に、同じ方向の電流Ｉｃが流れる。この結果、真空槽１２内に磁界Ｂが発生し、詳しくはミラー磁場（単純ミラー磁場）が形成される。
【００３１】
このように構成された本実施形態のプラズマＣＶＤ装置１０は、例えばＤＬＣ膜の形成に、好適である。なお、ＤＬＣ膜の形成に先立って、被処理物１６の表面を洗浄するためのボンバード処理が行われ、続いて、当該被処理物１６の表面に中間層を形成するためのマグネトロンスパッタリング法による成膜処理が行われる。この中間層としては、クロム（Ｃｒ）層が形成される。そのために、ターゲット３４として、クロム製のものが採用される。そして、この中間層の上に、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜が形成される。
【００３２】
具体的には、まず、真空槽１２内が排気され、例えば０．０１Ｐａ程度の高真空状態とされる。このとき、必要に応じて、ヒータ３０が通電されることで、被処理物１６を含む真空槽内１２内が予熱される。
【００３３】
そして、この排気後の真空槽１２内にアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。すると、アルゴンガス粒子が放電して、真空槽１２内にプラズマが発生する。併せて、真空槽１２内に水素ガスが導入される。すると、この水素ガスの粒子も放電し、プラズマ化される。ここで、パルス電力Ｅｐがローレベル期間Ｔ”であるとき（図２参照）、つまり被処理物１６に対して負電圧Ｖ−が印加されているとき、プラズマ中のアルゴンイオンと水素イオンとが当該被処理物１６の表面に照射される。これによって、被処理物１６の表面が洗浄され、つまりボンバード処理が実現される。なお、パルス電力Ｅｐがハイレベル期間Ｔ’であるとき、つまり被処理物１６に対して正電圧Ｖ＋が印加されているときには、当該被処理物１６の表面へのイオンの照射は休止される。そして、このボンバード処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスおよび水素ガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止される。これによって、ボンバード処理が終了する。
【００３４】
このボンバード処理の終了後、改めて真空槽１２内が高真空状態にまで排気される。そして、この排気後の真空槽１２内に再びアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これによって、上述と同様に、真空槽１２内にプラズマが発生する。併せて、ターゲット３４にカソード電力Ｅｃが供給される。すると、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲット３４のスパッタ面に衝突して、このスパッタ面から当該ターゲット３４の構成物質であるクロムの粒子（分子または原子）が叩き出される。そして、この叩き出されたクロム粒子は、被処理物１６の表面に堆積する。この結果、被処理物１６の表面に、中間層としてのクロム層が形成される。そして、このクロム層の成膜処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止され、併せて、ターゲット３４へのカソード電力Ｅｃの供給が停止される。これによって、中間層の成膜処理が終了する。
【００３５】
続いて、真空槽１２内が改めて排気され、高真空状態とされる。そして、この排気後の真空槽１２内に再びアルゴンガスが導入され、この状態で、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これにより、上述と同様に、真空槽１２内にプラズマが発生する。さらに、真空槽１２内にＴＭＳガスおよびアセチレンガスが導入される。すると、これらＴＭＳガスおよびアセチレンガスそれぞれの粒子が放電して、プラズマ化される。そして、パルス電力Ｅｐがローレベル期間Ｔ”であるとき、つまり被処理物１６に対して負電圧Ｖ−が印加されているとき、プラズマ中の炭素イオンとシリコンイオンとが当該被処理物１６の表面に照射される。これによって、被処理物１６の表面（厳密には中間層としてのクロム層の上）に、シリコンを含有するＤＬＣ膜が形成される。なお、パルス電力Ｅｐがハイレベル期間Ｔ’であるとき、つまり被処理物１６に対して正電圧Ｖ＋が印加されているときには、当該被処理物１６の表面に蓄積したプラス電荷が放出され、いわゆるチャージアップが防止される。
【００３６】
さらに、真空槽１２内へのＴＭＳガスの流量が徐々に低減される。これによって、シリコン含有ＤＬＣ膜の当該シリコンの含有率が徐々に低減され、いわゆる傾斜層が形成される。そして、最終的に、当該ＴＭＳガスの流量がゼロとされることで、純粋なＤＬＣ膜が形成される。このＤＬＣ膜の成膜処理が所期の期間にわたって行われた後、真空槽１２内へのアルゴンガスおよびアセチレンガスの供給が停止されると共に、被処理物１６へのパルス電力Ｅｐの供給が停止される。これによって、ＤＬＣ膜の成膜処理を含む一連の表面処理が終了する。
【００３７】
ところで、この一連の表面処理のうちＤＬＣ膜という絶縁性被膜の成膜処理においては、被処理物１６の表面のみならず、陽極としての真空槽１２の内壁にも、当該ＤＬＣ膜が付着する。従って、このＤＬＣ膜の成膜処理が継続されることで、真空槽１２の内壁の陽極としての機能が低下し、ひいてはプラズマが不安定となることが、懸念される。この懸念を回避するために、本実施形態では、上述の如くアノード電極４０が設けられている。
【００３８】
即ち、アノード電極４０は、上述したように真空槽１２の上部壁面の略中央にある附属層３８内に設けられており、言い換えれば当該真空槽１２内の略中心軸上に設けられている。そして、このアノード電極４０には、接地電位を基準とする正電位の直流電力Ｅａが、アノード電力として供給される。従って、プラズマ中の電子は、真空槽１２の内壁よりも優先して、このアノード電極４０を介して、接地電位に流れ込む。つまり、真空槽１２の内壁に代わって、アノード電極４０が陽極として機能する。これにより、真空槽１２の内壁にＤＬＣ膜が堆積したとしても、プラズマが正常に安定化される。このプラズマの安定化は、一定品質のＤＬＣ膜を形成するのに、極めて重要である。
【００３９】
なお、アノード電極４０の表面にもＤＬＣ膜が付着して、当該アノード電極４０自体の機能が低下することが、さらに懸念される。しかしながら、アノード電極４０は、上述したようにアノード電力Ｅａに重畳されたアノード加熱用電力Ｅｈの供給を受けて１０００℃〜２０００℃という高温度に加熱される。このようにアノード電極４０が高温度に加熱されると、当該アノード電極４０の表面にＤＬＣ膜が付着しても、この付着したＤＬＣ膜は再蒸発する。また、たとえアノード電極４０の表面に付着したＤＬＣ膜が再蒸発しないとしても、このＤＬＣ膜は加熱されることで、黒鉛の如く導電性を示すようになる。この結果、アノード電極４０の表面の導電性が保たれ、当該アノード電極４０自体の機能が維持される。
【００４０】
また、本実施形態では、上述したように１対の電磁石４６および４８が設けられているが、これらは、ＤＬＣ膜の成膜処理時に有効化される。即ち、ＤＬＣ膜の成膜処理時に、これらの電磁石４６および４８が有効化されることで、真空槽１２内の略中央、つまり被処理物１６の周囲に、ミラー磁場が形成される。すると、このミラー磁場を形成する磁力線に巻き付くように、プラズマ中の荷電粒子、特にγ電子が、螺旋運動する。この結果、当該γ電子を含むプラズマが、ミラー磁場内に閉じ込められる。さらに、γ電子が未放電のガス粒子と衝突する確率が飛躍的に上がるので、当該ガス粒子の分解がより一層促進される。これにより、プラズマ密度が増大し、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上する。この成膜レートの向上は、ＤＬＣ膜の成膜処理を含む生産コストの低減に、大きく貢献する。
【００４１】
ただし、ＤＬＣ膜の成膜レートが向上すると、真空槽１２の内壁に堆積する言わば不本意なＤＬＣ膜の成膜レートも向上し、これに伴い、当該真空槽１２の内壁が電極として機能しなくなるペースも速まる。このような状況下でも、本実施形態においては、アノード電極４０が正常に機能することで、プラズマの安定化が図られる。このことは、次の実験によっても証明された。
【００４２】
まず、被処理物１６として、幅寸法が５００ｍｍ、奥行き寸法が５００ｍｍ、高さ寸法が６００ｍｍのアルミニウム製の角柱体が、真空槽１２内に配置され、詳しくは基板台１４上の略中央に載置される。そして、この真空槽１２内が高真空状態にまで排気された後、当該真空槽１２内にアルゴンガスが１６０ｍＬ／ｍｉｎという流量で導入される。さらに、真空槽１２内の圧力が１Ｐａに維持されながら、被処理物１６にパルス電力Ｅｐが供給される。これにより、真空槽１２内にプラズマが発生する。そしてさらに、アノード電極４０が約２０００℃にまで加熱されるように、当該アノード電極４０にアノード加熱用電力Ｅｈが供給される。併せて、アノード電極４０にアノード電力Ｅａが供給され、その電圧値が３０Ｖとされる。
【００４３】
この状態で、パルス電力Ｅｐのローレベル時の電圧値Ｖ−が適当に変更される。なお、このローレベル時の電圧値Ｖ−は、プラズマの発生（放電）を司る言わば放電電圧としての性質を持つ。また、それぞれの電磁石４６および４８に流れる電流Ｉｃも適当に変更され、言い換えれば真空槽１２内に印加される磁界Ｂの強さ（磁束密度）も適当に変更される。そして、このように放電電圧Ｖ−および磁束密度Ｂが適当に変更される状況下で、パルス電力Ｅｐの電流値、言わば放電電流Ｉｐを、測定したところ、図３に示すような結果が得られた。
【００４４】
この図３から分かるように、放電電圧Ｖ−が低いほど、言い換えれば当該放電電圧Ｖ−の絶対値が大きいほど、放電電流Ｉｐは大きくなる。また、磁束密度Ｂが大きいほど、当該放電電流Ｉｐは大きくなる。特に、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖである場合、磁束密度Ｂが０ｍＴであるときの放電電流Ｉｐは０．１Ａであるのに対して、磁束密度Ｂが２．６ｍＴ（Ｉｃ＝８Ａ）のときの放電電流Ｉｐは７Ａであり、実に７０倍となる。この放電電流Ｉｐはプラズマ密度に比例することから、磁界Ｂが印加されることによって当該プラズマ密度が飛躍的に向上することが理解できる。このことは、プラズマの発光度合（輝度）を目視することによっても確認された。
【００４５】
そして、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖであり、磁束密度Ｂが２．６ｍＴであることによって、放電電流Ｉｐが７Ａであるときに、カソード電極４０に流れる電流Ｉａを測定したところ、当該カソード電流Ｉａは６．５Ａであった。これは、７Ａという放電電流Ｉｐのうちの６．５Ａがカソード電極４０を介して流れることを、つまり当該放電電流Ｉａのうちの９０％以上（＝Ｉａ／Ｉｐ＝６．５／７）がカソード電極４０を介して流れることを、意味する。このことから、真空槽１２の内壁を介して流れる放電電流Ｉｐは極少（１０％以下）であり、当該真空槽１２の内壁が電極として殆ど機能していないことが、分かる。言い換えれば、アノード電極４０が十分に機能していることが、分かる。
【００４６】
次に、上述の如く真空槽１２内に磁界Ｂが印加されることによって、実際にＤＬＣ膜の成膜レートがどれくらい向上するのかを確認したところ、次のような結果が得られた。即ち、上述した要領でボンバード処理が行われた後、中間層として膜厚が１００ｎｍのクロム層が形成される。続いて、アルゴンガスが２００ｍＬ／ｍｉｎという流量で真空槽１２内に導入されると共に、アセチレンガスが２５０ｍＬ／ｍｉｎという流量で当該真空槽１２内に導入される。なお、ここでは、ＴＭＳガスは導入されない。そして、この状態で、放電電圧Ｖ−が−５００Ｖとされ、併せて、磁束密度Ｂが１．６ｍＴとされる。この条件による成膜処理が１時間にわたって行われたところ、膜厚が２．５μｍのＤＬＣ膜が形成された。つまり、２．５μｍ／ｈというＤＬＣ膜の成膜レートが得られた。上述した従来技術によるＤＬＣ膜の成膜レートが０．５μｍ／ｈ程度であることを鑑みると、この２．５μｍ／ｈという値は驚異的であり、当該従来技術の実に５倍である。また、この２．５μｍ／ｈという成膜レートで形成されたＤＬＣ膜の機械的な特性を測定したところ、硬度（ヌープ硬度）が１８００ＨＫであり、摩擦係数μが０．１であり、ＤＬＣ膜として十分であることが、確認された。
【００４７】
さらに、この実験においては、アノード電極４０にアノード加熱用電力Ｅｈが供給されることによって、当該アノード電極４０が約２０００℃に加熱された。併せて、アノード電極４０にアノード電力Ｅｐが供給され、このアノード電力Ｅｐの電圧値が３０Ｖとされた。このようにアノード電極４０が言わば有効化されることで、プラズマが安定化されることも、確認された。
【００４８】
加えて、この実験と同じ条件によるＤＬＣ膜の成膜処理が１０時間にわたって継続されても、アノード電極４０が有効化されることで、依然としてプラズマが安定化されることも、確認された。これに対して、アノード電極４０が設けられていない場合、詳しくは当該アノード電極４０が無効化された状態（つまりアノード電極４０へのアノード電力Ｅｐおよびアノード加熱用電力Ｅｈの供給が停止された状態）でＤＬＣ膜の成膜処理が行われた場合は、プラズマが不安定となり、異常放電が起こる。即ち、真空槽１２の内壁がＤＬＣ膜で覆われてくると、当該真空槽１２の内壁のうちＤＬＣ膜で覆われていない部分に集中して放電電流Ｉｐが流れる。すると、その部分に過電流が流れて、異常放電が発生する。この異常放電が発生すると、パルス電源装置２４の安全装置が働いて、当該過電流が遮断される。この過電流が遮断されることをもって、異常放電が発生したことを認識することができる。アノード電極４０が設けられていない場合には、１０時間にわたるＤＬＣ膜の成膜処理において、この異常放電が５２５５回も発生することが、確認された。一方、アノード電極４０が設けられている場合には、当該異常放電は発生しない。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、ＤＬＣ膜という絶縁性被膜の成膜処理においても、長時間にわたってプラズマが安定化されると共に、上述した従来技術に比べて当該ＤＬＣ膜の成膜レートを飛躍的に向上させることができる。つまり、一定品質のＤＬＣ膜を、従来よりも低コストで提供することができる。
【００５０】
また、従来技術では、プラズマＣＶＤ法によって、中間層が形成され、例えば窒化珪素（ＳｉＣ）膜が形成されるが、本実施形態においては、マグネトロンスパッタリング法によって、当該中間層としてのクロム層が形成される。このクロム層は、窒化珪素膜に比べて、ＤＬＣ膜との相性が良く、ゆえに、このようなクロム層が中間層として形成されることで、当該ＤＬＣ膜の密着性の向上が図られる。
【００５１】
なお、中間層としては、クロム層に限らず、チタン（Ｔｉ）層等の他の金属層であってもよい。また、珪素（Ｓｉ）等の非金属から成る層であってもよい。このような中間層の形成には、マグネトロンスパッタリング法をはじめとするスパッタリング法が好適であり、つまりカソードユニット３２が併設された本実施形態は好適である。勿論、直流スパッタリング法等の他のスパッタリング法が採用されてもよい。
【００５２】
また、本実施形態においては、絶縁性被膜としてＤＬＣ膜を形成する場合について説明したが、これに限らない。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）膜や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）膜，酸化珪素（ＳｉＯ２）膜等の他の絶縁性被膜を形成する場合にも、本発明を適用することができる。
【００５３】
さらに、パルス電力Ｅｐに代えて、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力が、第１電力として採用されてもよい。ただし、この高周波電力が採用される場合には、当該高周波電力の供給源である高周波電源装置と、被処理物１６を含む負荷側との間で、互いのインピーダンスを整合させるための整合手段、例えばマッチングボックスが、必要になる。勿論、これ以外の交流電力（非直流電力）が採用されてもよい。
【００５４】
そして、真空槽１２の上部壁面の略中央に附属槽３８を設け、この附属槽３８内にアノード電極４０を配置したが、これに限らない。例えば、附属槽３８を設けずに、真空槽１２内の適宜の位置に当該アノード電極４０を配置してもよい。また、アノード電極４０をタングステン製のフィラメントとしたが、これに限らない。例えば、タンタル（Ｔａ）やモリブデン（Ｍｏ），或いはこれらの合金によって、当該アノード電極４０を構成してもよい。さらに、フィラメントではなく、棒状や長尺状のアノード電極４０を設けてもよい。そして、アノード加熱用電力Ｅｈとして、交流電圧を採用したが、直流電力を採用してもよい。また、このアノード加熱用電力Ｅｈを供給するのではなく、アノード電力Ｅａの供給のみによって、アノード電極４０を自己加熱させてもよいし、別の手段によって当該アノード電極４０を加熱してもよい。
【００５５】
そしてさらに、磁界印加手段として１対の電磁石４６および４８を採用したが、これに代えて、永久磁石を採用してもよい。ただし、この磁界発生手段については、真空槽１２内にミラー磁場が形成されるように設けるのが、肝要である。また、当該ミラー磁場は、単純ミラー磁場という軸対称系の磁場ではなく、非軸対称系の極小ミラー磁場であってもよい。そして、真空槽１２内の略中央においては、最大で５ｍＴの磁束密度が得られるようにするのが、望ましい。
【符号の説明】
【００５６】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 真空槽
１４ 基板台
１６ 被処理物
２４ パルス電源装置
４０ アノード電極
４２ アノード加熱用電源装置
４４ 直流電源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、該真空槽を陽極とし該被処理物を陰極とする第１電力の供給によって該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に該プラズマを用いたＣＶＤ法によって該被処理物の表面に絶縁性被膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、
上記真空槽の内部に設けられ該真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される第３の電極と、
上記真空槽の内部に磁界を印加する磁界印加手段と、
をさらに具備することを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
上記第３の電極の導電性が維持される程度に該第３の電極を加熱する加熱手段をさらに備える、
請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
上記磁界印加手段は上記被処理物を間に挟むように設けられた１対の電磁石を含む、
請求項１または２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
上記真空槽の内部に設けられ上記絶縁性被膜の形成に先立ってスパッタリング法により上記被処理物の表面に中間層を形成するためのターゲットをさらに備える、
請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１】
内部に被処理物が収容される真空槽を具備し、該真空槽を陽極とし該被処理物を陰極とする第１電力の供給によって該真空槽の内部にプラズマを発生させると共に該プラズマを用いたＣＶＤ法によって該被処理物の表面に絶縁性被膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、
上記真空槽の内部に設けられ該真空槽の電位よりも高電位の第２電力が供給される第３の電極と、
上記真空槽の内部に磁界を印加する磁界印加手段と、
をさらに具備することを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
上記第３の電極の導電性が維持される程度に該第３の電極を加熱する加熱手段をさらに備える、
請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
上記磁界印加手段は上記被処理物を間に挟むように設けられた１対の電磁石を含む、
請求項１または２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
上記真空槽の内部に設けられ上記絶縁性被膜の形成に先立ってスパッタリング法により上記被処理物の表面に中間層を形成するためのターゲットをさらに備える、
請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２０９４４６（Ｐ２０１０−２０９４４６Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９３９４（Ｐ２００９−５９３９４）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
【Ｆターム（参考）】
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