プラズマＣＶＤ装置
【課題】長時間に亘って使用しても清掃などの手間をかけることなく安定した成膜条件を維持しつつ一度に多数の成膜を行う、簡単な構造のプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】プラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２内を真空排気する真空排気手段３と、成膜対象である基材を自転状態で保持する複数の自転保持部４と、複数の自転保持部４を自転保持部４の回転軸と軸心平行な公転軸Ｑ回りに公転させる公転機構と、真空チャンバ２内に原料ガスを供給するガス供給部９と、真空チャンバ２内にプラズマを発生させるプラズマ発生電源１０とを備える。公転テーブル５は、プラズマ発生電源１０の一方極に接続された公転テーブル５Ａと、プラズマ発生電源１０の他方極に接続される公転テーブル５Ｂとであって、互いに異なる極性とされた公転テーブル５Ａ上の基材と、公転テーブル５Ｂ上の基材との間にプラズマが発生可能とされている。
【解決手段】プラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２内を真空排気する真空排気手段３と、成膜対象である基材を自転状態で保持する複数の自転保持部４と、複数の自転保持部４を自転保持部４の回転軸と軸心平行な公転軸Ｑ回りに公転させる公転機構と、真空チャンバ２内に原料ガスを供給するガス供給部９と、真空チャンバ２内にプラズマを発生させるプラズマ発生電源１０とを備える。公転テーブル５は、プラズマ発生電源１０の一方極に接続された公転テーブル５Ａと、プラズマ発生電源１０の他方極に接続される公転テーブル５Ｂとであって、互いに異なる極性とされた公転テーブル５Ａ上の基材と、公転テーブル５Ｂ上の基材との間にプラズマが発生可能とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材にＣＶＤ皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンリングのような自動車のエンジン部品などには、良好な耐摩耗性、耐熱性、耐焼付き性等が求められる。そのため、これら機械部品には、ＤＬＣ（Diamond-Like-Carbon）のような耐摩耗性コーティングがプラズマＣＶＤ法を用いて施される。
ところで、上述した基材にプラズマＣＶＤ法を施す際は、生産性を考えて真空チャンバ内に多数の基材を収容して一度に処理を行うのが好ましい。このように多数の基材を一度に処理する場合には、それぞれの基材に形成される皮膜の厚さや膜質を基材同士で均一にしなくてはならないので、従来のプラズマＣＶＤ装置では、基材をテーブル上に並べて自公転させた状態で成膜処理する方法が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、成膜対象となる基材を配置する真空チャンバ内にプラズマを発生するプラズマ発生手段と、プラズマ発生手段によって発生させたプラズマを基材の周辺の閉込め空間に閉じ込めるマルチカスプ磁界を形成するマルチカスプ磁界発生手段と、基材を保持すると共に閉込め空間の中心近傍を中心軸として回転する保持回転手段とを有する成膜装置を開示している。この特許文献１の成膜装置では、すべての基材はこれらを載置するテーブルごと電源の一方の極に接続されていてバイアス電圧を付加されており、電源の他方の極が接続された接地電位にある真空チャンバを対極としてグロー放電を発生させプラズマを生成する。そして、このプラズマにより原料ガスを分解して基材表面上に皮膜を形成するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０８７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、プラズマＣＶＤ法による皮膜がＤＬＣのような絶縁性の皮膜である場合は、成膜が進んで膜厚が大きくなれば、基材の表面に堆積した皮膜により基材表面の導電性は次第に失われる。ただ、成膜処理が終了すれば基材は導電性の表面を持つ新たなものと交換されるので、皮膜が堆積し続けて基材表面の導電性が完全に失われることはない。
しかしながら、例えば特許文献１の場合を考えると、皮膜は成膜対象の基材以外の部分、例えば真空チャンバ内壁にも付着する。真空チャンバの内壁は基材のように毎回交換されるものではないので、真空チャンバ側に堆積する絶縁皮膜は、成膜を何回も継続すればするほど厚く堆積する。そして、この堆積した皮膜の膜厚が増加するに連れて、チャンバ内壁の電気的な抵抗が増大し、内壁を一方の電極として発生するプラズマの生成が不安定になったり、操業条件が最適な条件からズレたりする可能性が生じる。
【０００６】
このような課題を解決する目的で、発明者らは、自公転する基材（成膜対象物及び成膜対象物を支持するホルダ等も含めた総称）上に、プラズマＣＶＤ法により皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、自公転テーブルの複数の自転軸を２つの群に分け、それぞれの群の中の各軸は電気的に接続されると共に、他の群とチャンバからは絶縁を取り、各群をプラズマ発生電源の両極に接続して電力を印加すると共に、真空チャンバ内にはプラズマ生成用ガスを供給し、各基材群の間に放電プラズマを発生させ基材上に皮膜形成を行う装置を提案した。
【０００７】
この装置では、２つの群のほぼ同一搭載量の基板群を、交流電源の両極としてプラズマを発生し、プラズマＣＶＤ法による皮膜形成を行うことができる。基材は自公転テーブルに搭載されるので、均一性の高い処理が可能である。プラズマ発生の電力供給に関係するのは基材およびそのホルダであり、チャンバ等の他の部位への皮膜堆積があって絶縁性の表面が形成されても、プラズマの生成状態には影響が発生しない。このため長時間の安定的な皮膜形成が可能であり、また継続的な処理を行なう場合のチャンバの清掃等のメンテナンスを低減可能である。
【０００８】
しかしながら、この装置では、ひとつの自公転テーブルに電位の異なる自転軸を設ける必要があり、自公転テーブルの構造が複雑になる問題があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、多数の基材に対して一度に且つ均一に成膜を行うものでありながら、長時間に亘って使用しても安定した成膜条件を維持しつつ成膜を行うことができると共に、基材以外の部分にＣＶＤ皮膜が堆積しにくく、頻繁な清掃が不要となって良好な利便性を発揮することのできる、複雑な構造を必要としない、プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のプラズマＣＶＤ装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内を真空排気する真空排気手段と、成膜対象である基材を自転する状態で保持する複数の自転保持部と、前記複数の自転保持部を前記自転保持部の回転軸と軸心平行な公転軸回りに公転させる複数の公転機構と、前記真空チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給部と、前記真空チャンバ内に供給された原料ガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源とを備えていて、前記自転保持部に保持された基材に皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、前記複数の公転機構の各々は、前記プラズマ発生電源の一方極に接続された第１の群と、前記プラズマ発生電源の他方極に接続される第２の群とのいずれかに分けられることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記公転機構は、前記公転軸回りに公転可能とされた公転テーブルを有しており、前記複数の自転保持部の各々は、前記公転テーブルの公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されていると良い。
好ましくは、前記第１の群に属する１個の公転機構と第２の群に属する１個の公転機構とは、前記真空チャンバ内の中心線に対して対称に配備され、前記真空排気手段及び前記ガス供給部は、前記中心線に対して対称に配備されていると良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いることで、多数の基材に対して一度に成膜を行うものでありながら、絶縁膜の堆積に伴う動作の不安定をきたさず、長時間に亘って使用しても安定した成膜を行うことができる。また、プラズマ発生は基材を電極として行なわれるため、成膜領域は基材周辺に集まり、結果としてチャンバ等の不必要な部位での皮膜形成が低減でき、メンテナンス頻度を低減可能である。さらに、公転テーブル毎に電位を変更しているに過ぎないので、ひとつの自公転テーブルに電位の異なる自転軸を設ける場合に比べて複雑な構造を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の平面図である。
【図３】自転保持部への基材の設置例を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、異なる実施の形態であっても同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のプラズマＣＶＤ装置１の全体構成を示している。
【００１４】
このプラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２と、真空チャンバ２内を真空排気する真空排気手段３と、成膜対象である基材Ｗを自転する状態で保持する複数（ここでは４個）の自転保持部４と、を有している。これら複数の自転保持部４は公転テーブル５に配備されており、このプラズマＣＶＤ装置１には複数の自転保持部４が設けられた公転テーブル５を自転保持部４の回転軸（自転軸Ｐ）と軸心平行な公転軸Ｑ回りに公転させる公転機構８が設けられている。そして、このプラズマＣＶＤ装置１は、複数（ここでは２個）の公転テーブル５が、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称に配置されている。また、真空排気手段３は、この中心線上に設けられている。ここで、公転テーブル５の数は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置されていれば、特に限定されるものではない。１個の公転テーブル５あたりに配備される自転保持部４の数は、特に限定されるものではないが、異なる公転テーブル５であっても同じ数になるように配置されていることが望ましい。さらに、複数の自転保持部４の各々は、公転テーブル５の公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されている。
【００１５】
なお、本発明において「基材Ｗが自転する」とは、基材Ｗを貫通する軸Ｐ回りに基材Ｗが回転する（スピンする）ことをいう。また、「基材Ｗが公転する」とは、基材Ｗが自分自身から離れた軸Ｑ回りに回転すること、言い換えれば基材Ｗが軸Ｑの周りを周回することをいう。また、基材Ｗの自転方向及び公転方向は、図１及び図２に示す通りであって、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように設定されている。ただし、これは一例であって、図示した自転方向及び公転方向に限定されるものではない。
【００１６】
また、図２に示すように、上述したプラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２内に原料ガスを供給するガス供給部９と、真空チャンバ２内に供給されたプロセスガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源１０とを備えていて、自転保持部４に保持された基材ＷにプラズマＣＶＤ法を用いて皮膜を形成する構成となっている。
上述したプラズマＣＶＤ装置１の構成をさらに詳しく説明する。
【００１７】
真空チャンバ２は、その内部が外部に対して気密可能とされた筺体である。真空チャンバ２の側方にはこの真空チャンバ２内にある気体を外部に排気して真空チャンバ２内を低圧状態（真空状態）にする真空ポンプ３（真空排気手段）が設けられていて、この真空ポンプ３により真空チャンバ２内は真空状態まで減圧可能である。そして、この真空チャンバ２の内部には、複数の基材Ｗが後述する自転保持部４にそれぞれ保持された状態で収容されている。
【００１８】
第１実施形態のプラズマＣＶＤ装置１で成膜される基材Ｗは、均一な成膜を可能とするため上下に長尺な円柱状空間内に配備するとよい。
例えば、基材Ｗが図３（ａ）に示すようなピストンリングである場合は、そのままでは不均一に成膜される可能性がある。図３（ａ）のように、積み重ねても周方向の一部が欠落して完全な円筒にならない場合は、必要に応じてカバー１１で開口部分に蓋をすることにより、均一な成膜が可能となる。
【００１９】
また、成膜しようとする基材Ｗが図３（ｂ）に示すような小型部材（例えば小さなピストンピン）の場合は、円板１２が上下方向に多段に積み重ねられた設置ジグ１３を用意し、それぞれの円板１２に基材Ｗを配備するとよい。そして、この設置ジグ１３を、円柱状空間内に収まるようにすればよい。
さらに、基材Ｗが前記以外の形状物である場合であっても、適宜固定用のジグを製作し、ジグと基材Ｗが円柱状空間内に収まるようにすればよい。
【００２０】
自転保持部４は、例えばその上面が水平となっている円形の載置台である。自転保持部４は、上下方向を向く回転軸回りに回転自在となっており、上面乃至は上方に配備された基材Ｗを回転軸回りに自転させつつ保持できるようになっている。自転保持部４へは給電可能な状態となっており、供給された電圧は基材Ｗにも印加される。ここで、１個の公転テーブル５上に配備された４個の自転保持部４へは同じ電圧が供給される。
【００２１】
図１に示すプラズマＣＶＤ装置１の場合、自転保持部４は１個の公転テーブル５あたり全部で４個配備されている。これら４個の自転保持部４は、平面視で一つの円の上に並ぶように公転テーブル５の上面に起立状態で配備されている。
公転テーブル５の中心軸（公転軸Ｑ）は上下方向を向き、この軸回りに公転テーブル５は回転する。公転テーブル５の上面には上述したように複数（４個）の自転保持部４が、公転テーブル５の公転軸Ｑから等しい距離（半径）となるように且つ公転軸Ｑ回り（周方向）に等間隔を開けて配備されている。この公転テーブル５の下側には、公転テーブル５を公転軸Ｑ回りに回転させる公転機構８が設けられている。
【００２２】
公転機構８は、公転テーブル５の下面から公転軸Ｑに沿って下方に向かって伸びる軸部１４と、この軸部１４を駆動回転させる回転駆動部１５とを有している。このように公転機構８を用いて公転軸Ｑ回りに公転テーブル５を回転させれば、基材Ｗが保持された自転保持部４が公転軸Ｑ回りに公転する。それと同時に、自転保持部４がその軸心回りに回転する構成とされている故、自転保持部４に保持された基材Ｗが自転するようになる。本実施形態においては、２個の公転テーブル５が配備されており、公転機構８も２つ配備されている。
【００２３】
係る機構により、基材Ｗを真空チャンバ２内で各自転保持部４を自転させつつ、全体を公転させながら（自公転させながら）成膜させることが可能となる。
なお、隣り合う基材Ｗは、回転位相を考慮したり隣接する基材Ｗのサイズの調整などで、自公転時に相互に機械干渉しないように適切に設置する。さらに、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂについても、公転時に相互に機械干渉しないように適切に設置する。
【００２４】
一方、図２に示すように、真空チャンバ２内には、真空チャンバ２内に原料ガスを含むプロセスガスを供給するガス供給部９が設けられている。このガス供給部９は、ＣＶＤ皮膜の形成に必要な原料ガスや、成膜をアシストするアシストガスを、ボンベ１６から所定量だけ真空チャンバ２内に供給する構成とされている。なお、このガス供給部９は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、１台であればガス供給部９の中心が中心線と合致するように、ガス供給部９が２台であれば、ガス供給部９の間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一にガスを放出することができる。
【００２５】
プロセスガスとしては、具体的には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン、非晶質カーボン膜）などのカーボン系のＣＶＤ皮膜を成膜する場合には、炭化水素（アセチレン、エチレン、メタン、エタン、ベンゼン、トルエンなど）を含む原料ガスに、不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の不活性ガスをアシストガスとして加えたものが用いられる。また、シリコン化合物のＣＶＤ皮膜（ＳｉＯｘ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＣＮ膜）を成膜する場合には、シリコン系有機化合物（モノシラン、ＴＭＳ、ＴＥＯＳ、ＨＭＤＳＯなど）やシランなどシリコン含む原料ガスに、酸素などの反応ガスを加え、さらにアルゴンなどの不活性ガスをアシストガスとして加えたものを用いることができる。なお、ＣＶＤ皮膜としては、上述したもの以外にも、ＴｉＯｘ膜、ＡｌＯｘ膜、ＡｌＮ膜などを成膜することができる。
【００２６】
また、主たる原料ガスに少量の添加原料ガスを混合させることもある。例えば、ＤＬＣ皮膜の形成の際に、炭化水素を主たる原料ガスとして、シリコン系有機化合物ガスを少量添加することにより、ＤＬＣ中にＳｉを含む皮膜を形成することができる。あるいは、ＤＬＣ皮膜の形成の際に、炭化水素を主たる原料ガスとして、金属を含有する原料ガス（例として、ＴｉＰＰ（チタニウムイソプロポキサイド）やＴＤＭＡＴ（テトラジメチルアミノチタン））を少量添加することで、ＤＬＣ中に金属（例ではチタン）を含む皮膜を形成することができる。
【００２７】
なお、これらの原料ガス、反応ガス及びアシストガスは、使用するガスの種類を適宜組みあわせて用いることができる。
また、真空チャンバ２内に別の皮膜供給源（スパッタ源、ＡＩＰ蒸発源など）を設けるようにしても良い。この場合において、皮膜供給源は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、１台であれば皮膜供給源の中心が中心線と合致するように、皮膜供給源が２台であれば、皮膜供給源の間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一に皮膜を形成することができる。
【００２８】
一方、本発明のプラズマＣＶＤ装置１に備えられたプラズマ発生電源１０は、真空チャンバ２内に供給したプロセスガスにグロー放電を発生させて、プラズマを発生させるために用いるもので、交流の電力を供給する。このプラズマ発生電源１０が供給する交流の電力としては、正弦波の波形に従って電流や電圧が正負に変化する交流だけでなく、パルス状の波形に従って正負に入れ替わる矩形波の交流を用いても良い。また、この交流には、連続した同一極性のパルス群が交互に現れるものや、正弦波の交流に矩形波を重畳したものを用いることもできる。なお、実際のプラズマ発生中の電圧波形は、プラズマ生成の影響によって歪む場合がある。また、プラズマが発生すると交流電圧のゼロレベルがシフトし、各電極の電位を接地電位に対して測定すると、マイナス側電極に印加電圧の８０−９５％が、プラス側電極に印加電圧の５−２０％が加わるのが多く観察される。プラズマ発生電源は上述の通り、１台の交流電源で構成されるのが良いが、これと同等の電位変動を２台の電源により実現することも可能であり、本発明の範囲に含まれる。
【００２９】
プラズマ発生電源１０から供給される交流は、その周波数が１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、好ましい。周波数が１ｋＨｚ未満では皮膜のチャージアップが起り易く、１ＭＨｚを超える周波数の電力を自転公転する基材Ｗに伝達する機構が難しいからである。さらに電源の入手性等を考慮すると、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲とするのがなお好ましい。また、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧は、波高値でグロー放電の維持に必要な３００〜３０００Ｖが好ましい。さらに、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電力は、基材Ｗの表面積によって変動するが、単位面積あたりの電力で０．０５〜５Ｗ／ｃｍ２程度の電力密度であるのが好ましい。
【００３０】
このような周波数、電圧、電力（電力密度）の交流電流を真空チャンバ２内に配備された一対の電極間に作用させれば、グロー放電が電極間に発生し、発生したグロー放電で真空チャンバ２内に供給されたプロセスガスが分解されてプラズマが発生する。そして、プラズマにより分解されたこれらのガス成分が電極表面に堆積することで、ＣＶＤ皮膜の成膜が行われる。つまり、一対の電極のいずれかに基材Ｗを用いれば、基材Ｗの表面にＣＶＤ皮膜を成膜することが可能となる。
【００３１】
なお、真空チャンバ２内には、基材Ｗの温度を制御して膜質を調整する加熱ヒータが適宜配備されていても良い。この場合において、加熱ヒータは、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配備される。すなわち、１台であれば加熱ヒータの発熱中心が中心線と合致するように、加熱ヒータが２台であれば、加熱ヒータの間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一に皮膜を形成することができる。
【００３２】
ところで、図２に示すように、本発明のプラズマＣＶＤ装置１においては、公転テーブル５（図に示す５Ａ）がプラズマ発生電源１０の一方極に接続された第１の群とされている。併せて、他方の公転テーブル５（図に示す５Ｂ）が、プラズマ発生電源１０の他方極に接続された第２の群とされている。互いに異なる極性とされた第１の群である公転テーブル５に配備された自転保持部４に保持された基材Ｗと、第２の群である公転テーブル５の自転保持部４に保持された基材Ｗとの間にプラズマが発生できる。なお、群と記載するのは、本実施形態においては第１の群及び第２の群に属する公転テーブル５は各１個に過ぎないが、２個以上の公転テーブル５がそれぞれの群に属しても構わないためである。ただし、上述したように複数の公転テーブル５がプラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される必要があるので、第１の群に属する公転テーブル５の数と第２の群に属する公転テーブル５の数とは、同じである。当然ながら、公転テーブル５の総数は偶数になる。
【００３３】
そして、第１の群に属する公転テーブル５Ａ上に配備された４個の自転保持部４はいずれも、プラズマ発生電源１０の一方の電極に接続されている。また第２の群に属する公転テーブル５Ｂ上に配備された４個の自転保持部４はいずれもプラズマ発生電源１０の他方の電極に接続されている。つまり、電圧印加中は、第１の群に属する公転テーブル５Ａ上の自転保持部４と、第２の群に属する公転テーブル５Ｂ上の自転保持部４とは、常に逆の極性となっている。
【００３４】
なお、各自転保持部４を上記した極性とするためには、公転軸Ｑにそれぞれブラシ機構（図示略）を設け、このブラシ機構を通じてそれぞれの極性の電圧を印加するとよい。公転軸Ｑ及び自転軸Ｐはベアリング機構を介して回転時自在に保持されているが、公転軸Ｑに設けられたベアリング機構を通じて電圧を印加するようにしてもよい。
次ぎに、以上述べた構成を有するプラズマＣＶＤ装置１を用いたＣＶＤ皮膜方法について説明する。
【００３５】
まず、図１、図２に示す如く、真空チャンバ２内に配置した公転テーブル５上に自転保持部４が公転軸Ｑを中心として９０°ごとに４軸配備されたプラズマＣＶＤ装置１を用いて、ＣＶＤ皮膜を実際に成膜する場合を考える。
まず、基材Ｗを自転保持部４に設置する。基材Ｗは自転保持部４の上に載置して固定してもよいし、設置ジグ１３を用いて基材Ｗを自転保持部４の上に載置してもよい。なお、このとき、プラズマＣＶＤ装置１に左右対称に設けられた、公転テーブル５Ａ用の扉２Ａ及び公転テーブル５Ｂ用の扉２Ｂを開いて真空チャンバ２内へ基材Ｗを載置するとよい。
【００３６】
このようにして基材Ｗが用意されたら、真空ポンプ３（真空排気手段３）を用いて真空チャンバ２内を高真空状態まで排気する。
次に、必要に応じて、Ａｒ等の不活性ガスやＨ２やＯ２などのガスをガス供給部９を用いて真空チャンバ２内に供給し、プラズマ発生電源１０から電力を供給して基材Ｗ間に表面清化のためのグロー放電を発生させても良い（イオンボンバード処理）。また、上述した加熱ヒータを用いて、自公転する基材Ｗに対して予備加熱を行っても良い。また、真空チャンバ２内に別の皮膜供給源（スパッタ源、ＡＩＰ蒸発源など）を設けた場合には、これらの皮膜供給源を利用して、プラズマＣＶＤによる皮膜と基材Ｗの間に挿入する中間層を形成してもよい。
【００３７】
この後、ガス供給部９を用いてプロセスガスを真空チャンバ２内に供給し、真空チャンバ２内は成膜に適した０．１〜１０００Ｐａの圧力に保持する。
成膜にあたっては、プラズマ発生電源１０から交流の電力を供給して、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗと公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗとの間にグロー放電を発生させ、基材Ｗ間に成膜に必要なプラズマを発生させる。
【００３８】
成膜時の圧力は成膜しようとするＣＶＤ皮膜（プロセスガスや反応性ガス）の種類によって好適な値は異なるが、０．１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度の圧力が好ましい。上述したように０．１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度の圧力にすることで、安定したグロー放電を発生させることが可能となり、良好な成膜速度で成膜を行うことが可能となる。なお、気体中での反応に伴うパウダー生成を抑制する観点では成膜時の圧力はさらに１００Ｐａ以下の圧力が好ましい。
【００３９】
また、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧は、グロー放電の維持に必要な３００Ｖ〜３０００Ｖの間（両極間の電圧の波高値）となる。さらに、プラズマ発生電源１０から供給される交流の出力電力は、単位面積あたりの電力に換算すると０．０５〜５Ｗ／ｃｍ２程度が好ましい。
このようにプラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧及び電力を調整した上で、基材Ｗを自転保持部４ごと自公転させれば、異なる公転テーブル５に配備されてた基材Ｗ間にグロー放電が発生し、基材Ｗの表面に膜厚が均一なＣＶＤ皮膜を形成することが可能となる。
【００４０】
成膜処理が終わったら、プラズマ発生電源１０の出力、プロセスガスの導入を停止し、成膜を終了する。基板温度が高い場合には、必要に応じて温度低下を待ち、真空チャンバ２内を大気に開放し、基材Ｗを取外す。このようにすれば、表面にＣＶＤ皮膜が形成された基材Ｗを得ることが可能となる。
上述したように、互いが逆極性とされた、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４と公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４とを有するため、隣り合う公転テーブル５上に配備された自転保持部４に保持される基材Ｗ間に必ず電位差が生じて、両者の間に確実にグロー放電が発生する。そして、プラズマ発生電源１０の正負が入れ替われば、公転テーブル５毎に自転保持部４の極性も入れ替わり、引き続き両者間にグロー放電が発生する。それ故、多数の基材Ｗに対して一度に且つ均一に成膜を行うことが可能となる。
【００４１】
すなわち、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが作用極として働いてこの基材Ｗ側にＣＶＤ皮膜が成膜されているときには、公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが対極（反対極）となる。そして、プラズマ発生電源１０の正負が入れ替われば、公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが作用極となり、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが対極となる。
【００４２】
つまり、上述の構成であれば、基材Ｗは対極となっても、公転テーブル５や真空チャンバ２の筐体が対極になることはない。それ故、これらの部材はプラズマ生成のためのグロー放電発生用電極としては作用せず、仮に絶縁皮膜が長時間の運転で厚く堆積したとしても、プラズマの不安定化が発生せず、膜質や厚みにバラツキのないＣＶＤ皮膜を安定的に生産することも可能となる。また、これらの部材は放電発生電極として作用していないため、原料ガスを分解するプラズマに直接的にはさらされず、このため、従来技術に比べてこれらの部材には皮膜が堆積しにくい。このため、皮膜の厚い堆積が原因となるフレークの飛散も起りにくく、皮膜欠陥も発生しにくい。なお、金属含有のＤＬＣに代表される皮膜は皮膜自身がやや導電性を示すが、この場合もチャンバ２の筐体等に皮膜が堆積しにくく、フレークの飛散が起こりにくく、皮膜欠陥が発生しにくいとの効果は残る。加えて、金属含有ＤＬＣのような一定の導電性の皮膜を基材Ｗに形成する場合であっても、プラズマが弱いチャンバ部には膜質の悪い絶縁性を帯びた皮膜が形成される場合があり、このような場合にはプラズマの不安定化防止の効果も現れる。
【００４３】
ところで、上述した例は、１台のプラズマＣＶＤ装置１に、２個の公転テーブルを配置したものであった。しかしながら、プラズマＣＶＤ装置１における公転テーブル５の総数は、２個に限定されるものではない。例えば、公転テーブル５の総数が２個ではなく、４個とされた場合や、６個とされた場合や、８個とされる場合も考えられなくもない。いずれの場合であっても、真空チャンバ２内の中心線に対して対称に配備されるために、公転テーブル５の総数は、偶数に限定される。
【００４４】
その場合であっても、１台の公転テーブル上に配備される自転保持部４の数を同じにして、公転テーブル５を、プラズマ発生電源１０の一方極に接続された第１の群に属するものと、プラズマ発生電源１０の他方極に接続された第２の群に属するものとに分ける。第１群の公転テーブル５と第２群の公転テーブル５とを１つおきに（交番に）、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように並べれば、隣り合う公転テーブル５上に配備された基材Ｗ間にプラズマを発生させて、自転保持部４に保持された基材Ｗに安定した条件でＣＶＤ皮膜を成膜することが可能となる。
【００４５】
１台のプラズマＣＶＤ装置１に配備される公転テーブル５の総数がいくつであっても、１個の公転テーブル５上の基材Ｗには同じ電位の電圧が供給されるに過ぎない。このため、例えば、１個の公転テーブル５上の基材Ｗに異なる電位の電圧が供給される場合に比べて、プラズマＣＶＤ装置１の構造（電圧供給構造）を簡略化することができる。
＜第２実施形態＞
図４、図５は、本発明のプラズマＣＶＤ装置１００の第２実施形態を示している。
【００４６】
このプラズマＣＶＤ装置１００は、以下の点で上述した第１実施形態のプラズマＣＶＤ装置１と異なる。このプラズマＣＶＤ装置１００においては、真空チャンバ２内を真空排気する２つの真空排気手段３が、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂにそれぞれ対応するように設けられている。すなわち、公転テーブル５Ａに対応する真空排気手段（真空ポンプ）３Ａと、公転テーブル５Ｂに対応する真空排気手段（真空ポンプ）３Ｂとが、チャンバ２の後方側壁に配備されている。
【００４７】
そして、上述した第１実施形態と同様に、公転テーブル５Ａと公転テーブル５Ｂとの間にガス供給部９が配備されている。なお、ガス供給部９も、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂにそれぞれ対応するように２台設けるのであれば、２台のガス供給部９の間の中心がチャンバ２の中心線と合致するように配備すればよいのは、上述の第１実施形態と同じである。
【００４８】
これらの２台の真空排気手段３（３Ａ、３Ｂ）および１台のガス供給部９は、プラズマＣＶＤ装置１００の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、２台の真空排気手段３（３Ａ、３Ｂ）は、２台の真空排気手段３Ａおよび真空排気手段３Ｂの中心が中心線と合致するように、１台のガス供給部９は、その中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一な処理を行うことができる。
【００４９】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００５０】
１、１００ プラズマＣＶＤ装置
２ 真空チャンバ
３ 真空排気手段（真空ポンプ）
４ 自転保持部
５ 公転テーブル
８ 公転機構
９ ガス供給部
１０ プラズマ発生電源
１１ カバー部材
１２ 円板
１３ 設置ジグ
１４ 軸部
１５ 回転駆動部
１６ ボンベ
Ｐ 自転軸
Ｑ 公転軸
Ｗ 基材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材にＣＶＤ皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンリングのような自動車のエンジン部品などには、良好な耐摩耗性、耐熱性、耐焼付き性等が求められる。そのため、これら機械部品には、ＤＬＣ（Diamond-Like-Carbon）のような耐摩耗性コーティングがプラズマＣＶＤ法を用いて施される。
ところで、上述した基材にプラズマＣＶＤ法を施す際は、生産性を考えて真空チャンバ内に多数の基材を収容して一度に処理を行うのが好ましい。このように多数の基材を一度に処理する場合には、それぞれの基材に形成される皮膜の厚さや膜質を基材同士で均一にしなくてはならないので、従来のプラズマＣＶＤ装置では、基材をテーブル上に並べて自公転させた状態で成膜処理する方法が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、成膜対象となる基材を配置する真空チャンバ内にプラズマを発生するプラズマ発生手段と、プラズマ発生手段によって発生させたプラズマを基材の周辺の閉込め空間に閉じ込めるマルチカスプ磁界を形成するマルチカスプ磁界発生手段と、基材を保持すると共に閉込め空間の中心近傍を中心軸として回転する保持回転手段とを有する成膜装置を開示している。この特許文献１の成膜装置では、すべての基材はこれらを載置するテーブルごと電源の一方の極に接続されていてバイアス電圧を付加されており、電源の他方の極が接続された接地電位にある真空チャンバを対極としてグロー放電を発生させプラズマを生成する。そして、このプラズマにより原料ガスを分解して基材表面上に皮膜を形成するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０８７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、プラズマＣＶＤ法による皮膜がＤＬＣのような絶縁性の皮膜である場合は、成膜が進んで膜厚が大きくなれば、基材の表面に堆積した皮膜により基材表面の導電性は次第に失われる。ただ、成膜処理が終了すれば基材は導電性の表面を持つ新たなものと交換されるので、皮膜が堆積し続けて基材表面の導電性が完全に失われることはない。
しかしながら、例えば特許文献１の場合を考えると、皮膜は成膜対象の基材以外の部分、例えば真空チャンバ内壁にも付着する。真空チャンバの内壁は基材のように毎回交換されるものではないので、真空チャンバ側に堆積する絶縁皮膜は、成膜を何回も継続すればするほど厚く堆積する。そして、この堆積した皮膜の膜厚が増加するに連れて、チャンバ内壁の電気的な抵抗が増大し、内壁を一方の電極として発生するプラズマの生成が不安定になったり、操業条件が最適な条件からズレたりする可能性が生じる。
【０００６】
このような課題を解決する目的で、発明者らは、自公転する基材（成膜対象物及び成膜対象物を支持するホルダ等も含めた総称）上に、プラズマＣＶＤ法により皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、自公転テーブルの複数の自転軸を２つの群に分け、それぞれの群の中の各軸は電気的に接続されると共に、他の群とチャンバからは絶縁を取り、各群をプラズマ発生電源の両極に接続して電力を印加すると共に、真空チャンバ内にはプラズマ生成用ガスを供給し、各基材群の間に放電プラズマを発生させ基材上に皮膜形成を行う装置を提案した。
【０００７】
この装置では、２つの群のほぼ同一搭載量の基板群を、交流電源の両極としてプラズマを発生し、プラズマＣＶＤ法による皮膜形成を行うことができる。基材は自公転テーブルに搭載されるので、均一性の高い処理が可能である。プラズマ発生の電力供給に関係するのは基材およびそのホルダであり、チャンバ等の他の部位への皮膜堆積があって絶縁性の表面が形成されても、プラズマの生成状態には影響が発生しない。このため長時間の安定的な皮膜形成が可能であり、また継続的な処理を行なう場合のチャンバの清掃等のメンテナンスを低減可能である。
【０００８】
しかしながら、この装置では、ひとつの自公転テーブルに電位の異なる自転軸を設ける必要があり、自公転テーブルの構造が複雑になる問題があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、多数の基材に対して一度に且つ均一に成膜を行うものでありながら、長時間に亘って使用しても安定した成膜条件を維持しつつ成膜を行うことができると共に、基材以外の部分にＣＶＤ皮膜が堆積しにくく、頻繁な清掃が不要となって良好な利便性を発揮することのできる、複雑な構造を必要としない、プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のプラズマＣＶＤ装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内を真空排気する真空排気手段と、成膜対象である基材を自転する状態で保持する複数の自転保持部と、前記複数の自転保持部を前記自転保持部の回転軸と軸心平行な公転軸回りに公転させる複数の公転機構と、前記真空チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給部と、前記真空チャンバ内に供給された原料ガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源とを備えていて、前記自転保持部に保持された基材に皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、前記複数の公転機構の各々は、前記プラズマ発生電源の一方極に接続された第１の群と、前記プラズマ発生電源の他方極に接続される第２の群とのいずれかに分けられることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記公転機構は、前記公転軸回りに公転可能とされた公転テーブルを有しており、前記複数の自転保持部の各々は、前記公転テーブルの公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されていると良い。
好ましくは、前記第１の群に属する１個の公転機構と第２の群に属する１個の公転機構とは、前記真空チャンバ内の中心線に対して対称に配備され、前記真空排気手段及び前記ガス供給部は、前記中心線に対して対称に配備されていると良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いることで、多数の基材に対して一度に成膜を行うものでありながら、絶縁膜の堆積に伴う動作の不安定をきたさず、長時間に亘って使用しても安定した成膜を行うことができる。また、プラズマ発生は基材を電極として行なわれるため、成膜領域は基材周辺に集まり、結果としてチャンバ等の不必要な部位での皮膜形成が低減でき、メンテナンス頻度を低減可能である。さらに、公転テーブル毎に電位を変更しているに過ぎないので、ひとつの自公転テーブルに電位の異なる自転軸を設ける場合に比べて複雑な構造を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の平面図である。
【図３】自転保持部への基材の設置例を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、異なる実施の形態であっても同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のプラズマＣＶＤ装置１の全体構成を示している。
【００１４】
このプラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２と、真空チャンバ２内を真空排気する真空排気手段３と、成膜対象である基材Ｗを自転する状態で保持する複数（ここでは４個）の自転保持部４と、を有している。これら複数の自転保持部４は公転テーブル５に配備されており、このプラズマＣＶＤ装置１には複数の自転保持部４が設けられた公転テーブル５を自転保持部４の回転軸（自転軸Ｐ）と軸心平行な公転軸Ｑ回りに公転させる公転機構８が設けられている。そして、このプラズマＣＶＤ装置１は、複数（ここでは２個）の公転テーブル５が、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称に配置されている。また、真空排気手段３は、この中心線上に設けられている。ここで、公転テーブル５の数は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置されていれば、特に限定されるものではない。１個の公転テーブル５あたりに配備される自転保持部４の数は、特に限定されるものではないが、異なる公転テーブル５であっても同じ数になるように配置されていることが望ましい。さらに、複数の自転保持部４の各々は、公転テーブル５の公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されている。
【００１５】
なお、本発明において「基材Ｗが自転する」とは、基材Ｗを貫通する軸Ｐ回りに基材Ｗが回転する（スピンする）ことをいう。また、「基材Ｗが公転する」とは、基材Ｗが自分自身から離れた軸Ｑ回りに回転すること、言い換えれば基材Ｗが軸Ｑの周りを周回することをいう。また、基材Ｗの自転方向及び公転方向は、図１及び図２に示す通りであって、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように設定されている。ただし、これは一例であって、図示した自転方向及び公転方向に限定されるものではない。
【００１６】
また、図２に示すように、上述したプラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ２内に原料ガスを供給するガス供給部９と、真空チャンバ２内に供給されたプロセスガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源１０とを備えていて、自転保持部４に保持された基材ＷにプラズマＣＶＤ法を用いて皮膜を形成する構成となっている。
上述したプラズマＣＶＤ装置１の構成をさらに詳しく説明する。
【００１７】
真空チャンバ２は、その内部が外部に対して気密可能とされた筺体である。真空チャンバ２の側方にはこの真空チャンバ２内にある気体を外部に排気して真空チャンバ２内を低圧状態（真空状態）にする真空ポンプ３（真空排気手段）が設けられていて、この真空ポンプ３により真空チャンバ２内は真空状態まで減圧可能である。そして、この真空チャンバ２の内部には、複数の基材Ｗが後述する自転保持部４にそれぞれ保持された状態で収容されている。
【００１８】
第１実施形態のプラズマＣＶＤ装置１で成膜される基材Ｗは、均一な成膜を可能とするため上下に長尺な円柱状空間内に配備するとよい。
例えば、基材Ｗが図３（ａ）に示すようなピストンリングである場合は、そのままでは不均一に成膜される可能性がある。図３（ａ）のように、積み重ねても周方向の一部が欠落して完全な円筒にならない場合は、必要に応じてカバー１１で開口部分に蓋をすることにより、均一な成膜が可能となる。
【００１９】
また、成膜しようとする基材Ｗが図３（ｂ）に示すような小型部材（例えば小さなピストンピン）の場合は、円板１２が上下方向に多段に積み重ねられた設置ジグ１３を用意し、それぞれの円板１２に基材Ｗを配備するとよい。そして、この設置ジグ１３を、円柱状空間内に収まるようにすればよい。
さらに、基材Ｗが前記以外の形状物である場合であっても、適宜固定用のジグを製作し、ジグと基材Ｗが円柱状空間内に収まるようにすればよい。
【００２０】
自転保持部４は、例えばその上面が水平となっている円形の載置台である。自転保持部４は、上下方向を向く回転軸回りに回転自在となっており、上面乃至は上方に配備された基材Ｗを回転軸回りに自転させつつ保持できるようになっている。自転保持部４へは給電可能な状態となっており、供給された電圧は基材Ｗにも印加される。ここで、１個の公転テーブル５上に配備された４個の自転保持部４へは同じ電圧が供給される。
【００２１】
図１に示すプラズマＣＶＤ装置１の場合、自転保持部４は１個の公転テーブル５あたり全部で４個配備されている。これら４個の自転保持部４は、平面視で一つの円の上に並ぶように公転テーブル５の上面に起立状態で配備されている。
公転テーブル５の中心軸（公転軸Ｑ）は上下方向を向き、この軸回りに公転テーブル５は回転する。公転テーブル５の上面には上述したように複数（４個）の自転保持部４が、公転テーブル５の公転軸Ｑから等しい距離（半径）となるように且つ公転軸Ｑ回り（周方向）に等間隔を開けて配備されている。この公転テーブル５の下側には、公転テーブル５を公転軸Ｑ回りに回転させる公転機構８が設けられている。
【００２２】
公転機構８は、公転テーブル５の下面から公転軸Ｑに沿って下方に向かって伸びる軸部１４と、この軸部１４を駆動回転させる回転駆動部１５とを有している。このように公転機構８を用いて公転軸Ｑ回りに公転テーブル５を回転させれば、基材Ｗが保持された自転保持部４が公転軸Ｑ回りに公転する。それと同時に、自転保持部４がその軸心回りに回転する構成とされている故、自転保持部４に保持された基材Ｗが自転するようになる。本実施形態においては、２個の公転テーブル５が配備されており、公転機構８も２つ配備されている。
【００２３】
係る機構により、基材Ｗを真空チャンバ２内で各自転保持部４を自転させつつ、全体を公転させながら（自公転させながら）成膜させることが可能となる。
なお、隣り合う基材Ｗは、回転位相を考慮したり隣接する基材Ｗのサイズの調整などで、自公転時に相互に機械干渉しないように適切に設置する。さらに、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂについても、公転時に相互に機械干渉しないように適切に設置する。
【００２４】
一方、図２に示すように、真空チャンバ２内には、真空チャンバ２内に原料ガスを含むプロセスガスを供給するガス供給部９が設けられている。このガス供給部９は、ＣＶＤ皮膜の形成に必要な原料ガスや、成膜をアシストするアシストガスを、ボンベ１６から所定量だけ真空チャンバ２内に供給する構成とされている。なお、このガス供給部９は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、１台であればガス供給部９の中心が中心線と合致するように、ガス供給部９が２台であれば、ガス供給部９の間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一にガスを放出することができる。
【００２５】
プロセスガスとしては、具体的には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン、非晶質カーボン膜）などのカーボン系のＣＶＤ皮膜を成膜する場合には、炭化水素（アセチレン、エチレン、メタン、エタン、ベンゼン、トルエンなど）を含む原料ガスに、不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の不活性ガスをアシストガスとして加えたものが用いられる。また、シリコン化合物のＣＶＤ皮膜（ＳｉＯｘ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＣＮ膜）を成膜する場合には、シリコン系有機化合物（モノシラン、ＴＭＳ、ＴＥＯＳ、ＨＭＤＳＯなど）やシランなどシリコン含む原料ガスに、酸素などの反応ガスを加え、さらにアルゴンなどの不活性ガスをアシストガスとして加えたものを用いることができる。なお、ＣＶＤ皮膜としては、上述したもの以外にも、ＴｉＯｘ膜、ＡｌＯｘ膜、ＡｌＮ膜などを成膜することができる。
【００２６】
また、主たる原料ガスに少量の添加原料ガスを混合させることもある。例えば、ＤＬＣ皮膜の形成の際に、炭化水素を主たる原料ガスとして、シリコン系有機化合物ガスを少量添加することにより、ＤＬＣ中にＳｉを含む皮膜を形成することができる。あるいは、ＤＬＣ皮膜の形成の際に、炭化水素を主たる原料ガスとして、金属を含有する原料ガス（例として、ＴｉＰＰ（チタニウムイソプロポキサイド）やＴＤＭＡＴ（テトラジメチルアミノチタン））を少量添加することで、ＤＬＣ中に金属（例ではチタン）を含む皮膜を形成することができる。
【００２７】
なお、これらの原料ガス、反応ガス及びアシストガスは、使用するガスの種類を適宜組みあわせて用いることができる。
また、真空チャンバ２内に別の皮膜供給源（スパッタ源、ＡＩＰ蒸発源など）を設けるようにしても良い。この場合において、皮膜供給源は、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、１台であれば皮膜供給源の中心が中心線と合致するように、皮膜供給源が２台であれば、皮膜供給源の間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一に皮膜を形成することができる。
【００２８】
一方、本発明のプラズマＣＶＤ装置１に備えられたプラズマ発生電源１０は、真空チャンバ２内に供給したプロセスガスにグロー放電を発生させて、プラズマを発生させるために用いるもので、交流の電力を供給する。このプラズマ発生電源１０が供給する交流の電力としては、正弦波の波形に従って電流や電圧が正負に変化する交流だけでなく、パルス状の波形に従って正負に入れ替わる矩形波の交流を用いても良い。また、この交流には、連続した同一極性のパルス群が交互に現れるものや、正弦波の交流に矩形波を重畳したものを用いることもできる。なお、実際のプラズマ発生中の電圧波形は、プラズマ生成の影響によって歪む場合がある。また、プラズマが発生すると交流電圧のゼロレベルがシフトし、各電極の電位を接地電位に対して測定すると、マイナス側電極に印加電圧の８０−９５％が、プラス側電極に印加電圧の５−２０％が加わるのが多く観察される。プラズマ発生電源は上述の通り、１台の交流電源で構成されるのが良いが、これと同等の電位変動を２台の電源により実現することも可能であり、本発明の範囲に含まれる。
【００２９】
プラズマ発生電源１０から供給される交流は、その周波数が１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、好ましい。周波数が１ｋＨｚ未満では皮膜のチャージアップが起り易く、１ＭＨｚを超える周波数の電力を自転公転する基材Ｗに伝達する機構が難しいからである。さらに電源の入手性等を考慮すると、１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲とするのがなお好ましい。また、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧は、波高値でグロー放電の維持に必要な３００〜３０００Ｖが好ましい。さらに、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電力は、基材Ｗの表面積によって変動するが、単位面積あたりの電力で０．０５〜５Ｗ／ｃｍ２程度の電力密度であるのが好ましい。
【００３０】
このような周波数、電圧、電力（電力密度）の交流電流を真空チャンバ２内に配備された一対の電極間に作用させれば、グロー放電が電極間に発生し、発生したグロー放電で真空チャンバ２内に供給されたプロセスガスが分解されてプラズマが発生する。そして、プラズマにより分解されたこれらのガス成分が電極表面に堆積することで、ＣＶＤ皮膜の成膜が行われる。つまり、一対の電極のいずれかに基材Ｗを用いれば、基材Ｗの表面にＣＶＤ皮膜を成膜することが可能となる。
【００３１】
なお、真空チャンバ２内には、基材Ｗの温度を制御して膜質を調整する加熱ヒータが適宜配備されていても良い。この場合において、加熱ヒータは、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配備される。すなわち、１台であれば加熱ヒータの発熱中心が中心線と合致するように、加熱ヒータが２台であれば、加熱ヒータの間の中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一に皮膜を形成することができる。
【００３２】
ところで、図２に示すように、本発明のプラズマＣＶＤ装置１においては、公転テーブル５（図に示す５Ａ）がプラズマ発生電源１０の一方極に接続された第１の群とされている。併せて、他方の公転テーブル５（図に示す５Ｂ）が、プラズマ発生電源１０の他方極に接続された第２の群とされている。互いに異なる極性とされた第１の群である公転テーブル５に配備された自転保持部４に保持された基材Ｗと、第２の群である公転テーブル５の自転保持部４に保持された基材Ｗとの間にプラズマが発生できる。なお、群と記載するのは、本実施形態においては第１の群及び第２の群に属する公転テーブル５は各１個に過ぎないが、２個以上の公転テーブル５がそれぞれの群に属しても構わないためである。ただし、上述したように複数の公転テーブル５がプラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように配置される必要があるので、第１の群に属する公転テーブル５の数と第２の群に属する公転テーブル５の数とは、同じである。当然ながら、公転テーブル５の総数は偶数になる。
【００３３】
そして、第１の群に属する公転テーブル５Ａ上に配備された４個の自転保持部４はいずれも、プラズマ発生電源１０の一方の電極に接続されている。また第２の群に属する公転テーブル５Ｂ上に配備された４個の自転保持部４はいずれもプラズマ発生電源１０の他方の電極に接続されている。つまり、電圧印加中は、第１の群に属する公転テーブル５Ａ上の自転保持部４と、第２の群に属する公転テーブル５Ｂ上の自転保持部４とは、常に逆の極性となっている。
【００３４】
なお、各自転保持部４を上記した極性とするためには、公転軸Ｑにそれぞれブラシ機構（図示略）を設け、このブラシ機構を通じてそれぞれの極性の電圧を印加するとよい。公転軸Ｑ及び自転軸Ｐはベアリング機構を介して回転時自在に保持されているが、公転軸Ｑに設けられたベアリング機構を通じて電圧を印加するようにしてもよい。
次ぎに、以上述べた構成を有するプラズマＣＶＤ装置１を用いたＣＶＤ皮膜方法について説明する。
【００３５】
まず、図１、図２に示す如く、真空チャンバ２内に配置した公転テーブル５上に自転保持部４が公転軸Ｑを中心として９０°ごとに４軸配備されたプラズマＣＶＤ装置１を用いて、ＣＶＤ皮膜を実際に成膜する場合を考える。
まず、基材Ｗを自転保持部４に設置する。基材Ｗは自転保持部４の上に載置して固定してもよいし、設置ジグ１３を用いて基材Ｗを自転保持部４の上に載置してもよい。なお、このとき、プラズマＣＶＤ装置１に左右対称に設けられた、公転テーブル５Ａ用の扉２Ａ及び公転テーブル５Ｂ用の扉２Ｂを開いて真空チャンバ２内へ基材Ｗを載置するとよい。
【００３６】
このようにして基材Ｗが用意されたら、真空ポンプ３（真空排気手段３）を用いて真空チャンバ２内を高真空状態まで排気する。
次に、必要に応じて、Ａｒ等の不活性ガスやＨ２やＯ２などのガスをガス供給部９を用いて真空チャンバ２内に供給し、プラズマ発生電源１０から電力を供給して基材Ｗ間に表面清化のためのグロー放電を発生させても良い（イオンボンバード処理）。また、上述した加熱ヒータを用いて、自公転する基材Ｗに対して予備加熱を行っても良い。また、真空チャンバ２内に別の皮膜供給源（スパッタ源、ＡＩＰ蒸発源など）を設けた場合には、これらの皮膜供給源を利用して、プラズマＣＶＤによる皮膜と基材Ｗの間に挿入する中間層を形成してもよい。
【００３７】
この後、ガス供給部９を用いてプロセスガスを真空チャンバ２内に供給し、真空チャンバ２内は成膜に適した０．１〜１０００Ｐａの圧力に保持する。
成膜にあたっては、プラズマ発生電源１０から交流の電力を供給して、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗと公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗとの間にグロー放電を発生させ、基材Ｗ間に成膜に必要なプラズマを発生させる。
【００３８】
成膜時の圧力は成膜しようとするＣＶＤ皮膜（プロセスガスや反応性ガス）の種類によって好適な値は異なるが、０．１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度の圧力が好ましい。上述したように０．１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度の圧力にすることで、安定したグロー放電を発生させることが可能となり、良好な成膜速度で成膜を行うことが可能となる。なお、気体中での反応に伴うパウダー生成を抑制する観点では成膜時の圧力はさらに１００Ｐａ以下の圧力が好ましい。
【００３９】
また、プラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧は、グロー放電の維持に必要な３００Ｖ〜３０００Ｖの間（両極間の電圧の波高値）となる。さらに、プラズマ発生電源１０から供給される交流の出力電力は、単位面積あたりの電力に換算すると０．０５〜５Ｗ／ｃｍ２程度が好ましい。
このようにプラズマ発生電源１０から供給される交流の電圧及び電力を調整した上で、基材Ｗを自転保持部４ごと自公転させれば、異なる公転テーブル５に配備されてた基材Ｗ間にグロー放電が発生し、基材Ｗの表面に膜厚が均一なＣＶＤ皮膜を形成することが可能となる。
【００４０】
成膜処理が終わったら、プラズマ発生電源１０の出力、プロセスガスの導入を停止し、成膜を終了する。基板温度が高い場合には、必要に応じて温度低下を待ち、真空チャンバ２内を大気に開放し、基材Ｗを取外す。このようにすれば、表面にＣＶＤ皮膜が形成された基材Ｗを得ることが可能となる。
上述したように、互いが逆極性とされた、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４と公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４とを有するため、隣り合う公転テーブル５上に配備された自転保持部４に保持される基材Ｗ間に必ず電位差が生じて、両者の間に確実にグロー放電が発生する。そして、プラズマ発生電源１０の正負が入れ替われば、公転テーブル５毎に自転保持部４の極性も入れ替わり、引き続き両者間にグロー放電が発生する。それ故、多数の基材Ｗに対して一度に且つ均一に成膜を行うことが可能となる。
【００４１】
すなわち、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが作用極として働いてこの基材Ｗ側にＣＶＤ皮膜が成膜されているときには、公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが対極（反対極）となる。そして、プラズマ発生電源１０の正負が入れ替われば、公転テーブル５Ｂ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが作用極となり、公転テーブル５Ａ上に配備された自転保持部４の基材Ｗが対極となる。
【００４２】
つまり、上述の構成であれば、基材Ｗは対極となっても、公転テーブル５や真空チャンバ２の筐体が対極になることはない。それ故、これらの部材はプラズマ生成のためのグロー放電発生用電極としては作用せず、仮に絶縁皮膜が長時間の運転で厚く堆積したとしても、プラズマの不安定化が発生せず、膜質や厚みにバラツキのないＣＶＤ皮膜を安定的に生産することも可能となる。また、これらの部材は放電発生電極として作用していないため、原料ガスを分解するプラズマに直接的にはさらされず、このため、従来技術に比べてこれらの部材には皮膜が堆積しにくい。このため、皮膜の厚い堆積が原因となるフレークの飛散も起りにくく、皮膜欠陥も発生しにくい。なお、金属含有のＤＬＣに代表される皮膜は皮膜自身がやや導電性を示すが、この場合もチャンバ２の筐体等に皮膜が堆積しにくく、フレークの飛散が起こりにくく、皮膜欠陥が発生しにくいとの効果は残る。加えて、金属含有ＤＬＣのような一定の導電性の皮膜を基材Ｗに形成する場合であっても、プラズマが弱いチャンバ部には膜質の悪い絶縁性を帯びた皮膜が形成される場合があり、このような場合にはプラズマの不安定化防止の効果も現れる。
【００４３】
ところで、上述した例は、１台のプラズマＣＶＤ装置１に、２個の公転テーブルを配置したものであった。しかしながら、プラズマＣＶＤ装置１における公転テーブル５の総数は、２個に限定されるものではない。例えば、公転テーブル５の総数が２個ではなく、４個とされた場合や、６個とされた場合や、８個とされる場合も考えられなくもない。いずれの場合であっても、真空チャンバ２内の中心線に対して対称に配備されるために、公転テーブル５の総数は、偶数に限定される。
【００４４】
その場合であっても、１台の公転テーブル上に配備される自転保持部４の数を同じにして、公転テーブル５を、プラズマ発生電源１０の一方極に接続された第１の群に属するものと、プラズマ発生電源１０の他方極に接続された第２の群に属するものとに分ける。第１群の公転テーブル５と第２群の公転テーブル５とを１つおきに（交番に）、プラズマＣＶＤ装置１の中心線に対して対称になるように並べれば、隣り合う公転テーブル５上に配備された基材Ｗ間にプラズマを発生させて、自転保持部４に保持された基材Ｗに安定した条件でＣＶＤ皮膜を成膜することが可能となる。
【００４５】
１台のプラズマＣＶＤ装置１に配備される公転テーブル５の総数がいくつであっても、１個の公転テーブル５上の基材Ｗには同じ電位の電圧が供給されるに過ぎない。このため、例えば、１個の公転テーブル５上の基材Ｗに異なる電位の電圧が供給される場合に比べて、プラズマＣＶＤ装置１の構造（電圧供給構造）を簡略化することができる。
＜第２実施形態＞
図４、図５は、本発明のプラズマＣＶＤ装置１００の第２実施形態を示している。
【００４６】
このプラズマＣＶＤ装置１００は、以下の点で上述した第１実施形態のプラズマＣＶＤ装置１と異なる。このプラズマＣＶＤ装置１００においては、真空チャンバ２内を真空排気する２つの真空排気手段３が、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂにそれぞれ対応するように設けられている。すなわち、公転テーブル５Ａに対応する真空排気手段（真空ポンプ）３Ａと、公転テーブル５Ｂに対応する真空排気手段（真空ポンプ）３Ｂとが、チャンバ２の後方側壁に配備されている。
【００４７】
そして、上述した第１実施形態と同様に、公転テーブル５Ａと公転テーブル５Ｂとの間にガス供給部９が配備されている。なお、ガス供給部９も、公転テーブル５Ａ及び公転テーブル５Ｂにそれぞれ対応するように２台設けるのであれば、２台のガス供給部９の間の中心がチャンバ２の中心線と合致するように配備すればよいのは、上述の第１実施形態と同じである。
【００４８】
これらの２台の真空排気手段３（３Ａ、３Ｂ）および１台のガス供給部９は、プラズマＣＶＤ装置１００の中心線に対して対称になるように配置される。すなわち、２台の真空排気手段３（３Ａ、３Ｂ）は、２台の真空排気手段３Ａおよび真空排気手段３Ｂの中心が中心線と合致するように、１台のガス供給部９は、その中心が中心線と合致するように、配備される。このようにすることにより、２個の公転テーブル５上に配備された基材Ｗに対して、できるだけ均一な処理を行うことができる。
【００４９】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００５０】
１、１００ プラズマＣＶＤ装置
２ 真空チャンバ
３ 真空排気手段（真空ポンプ）
４ 自転保持部
５ 公転テーブル
８ 公転機構
９ ガス供給部
１０ プラズマ発生電源
１１ カバー部材
１２ 円板
１３ 設置ジグ
１４ 軸部
１５ 回転駆動部
１６ ボンベ
Ｐ 自転軸
Ｑ 公転軸
Ｗ 基材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内を真空排気する真空排気手段と、成膜対象である基材を自転する状態で保持する複数の自転保持部と、前記複数の自転保持部を前記自転保持部の回転軸と軸心平行な公転軸回りに公転させる複数の公転機構と、前記真空チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給部と、前記真空チャンバ内に供給された原料ガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源とを備えていて、前記自転保持部に保持された基材に皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
前記複数の公転機構の各々は、前記プラズマ発生電源の一方極に接続された第１の群と、前記プラズマ発生電源の他方極に接続される第２の群とのいずれかに分けられることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記公転機構は、前記公転軸回りに公転可能とされた公転テーブルを有しており、
前記複数の自転保持部の各々は、前記公転テーブルの公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記第１の群に属する１個の公転機構と第２の群に属する１個の公転機構とは、前記真空チャンバ内の中心線に対して対称に配備され、
前記真空排気手段及び前記ガス供給部は、前記中心線に対して対称に配備されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内を真空排気する真空排気手段と、成膜対象である基材を自転する状態で保持する複数の自転保持部と、前記複数の自転保持部を前記自転保持部の回転軸と軸心平行な公転軸回りに公転させる複数の公転機構と、前記真空チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給部と、前記真空チャンバ内に供給された原料ガスにプラズマを発生させるプラズマ発生電源とを備えていて、前記自転保持部に保持された基材に皮膜を形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
前記複数の公転機構の各々は、前記プラズマ発生電源の一方極に接続された第１の群と、前記プラズマ発生電源の他方極に接続される第２の群とのいずれかに分けられることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記公転機構は、前記公転軸回りに公転可能とされた公転テーブルを有しており、
前記複数の自転保持部の各々は、前記公転テーブルの公転軸から等しい半径で且つ公転軸回りに等間隔となるように配備されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記第１の群に属する１個の公転機構と第２の群に属する１個の公転機構とは、前記真空チャンバ内の中心線に対して対称に配備され、
前記真空排気手段及び前記ガス供給部は、前記中心線に対して対称に配備されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２８８５１（Ｐ２０１３−２８８５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６９１９（Ｐ２０１１−１６６９１９）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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