成膜装置
【課題】原料ガスの流れ具合の最適化によつて、緻密で微細なワレやカケを生じにくい膜質を容易に実現でき、平滑な光学面を容易に創成できる成膜装置を提供する。
【解決手段】内筒９における原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であるようにすることで、熱ＣＶＤ時に内筒９内の原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。
【解決手段】内筒９における原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であるようにすることで、熱ＣＶＤ時に内筒９内の原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥の少ない被膜を得ることができる熱ＣＶＤの成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック材料は、光学素子やその成形用金型に使用すると、耐熱性や重量、寸法安定性等の点で他の材料よりも非常に有利であるといえる。例えば、セラミック材料を光学素子成形用金型に直接使用した場合は、超硬材料と比較して１／５近く比重が小さいので非常に軽量な金型を得ることが出来、その支持部材の軽量小型化にも寄与する。また、超硬材料として炭化タングステンを用いた場合、炭化タングステンの耐酸化性はそれほど高くないので、大気中で雰囲気温度が５００℃を越えると光学面が徐々に曇ってくるという問題があるが、酸化物や窒化物、炭化物などのセラミック材料では、１０００℃付近まで光学面が曇る事はなく、耐熱性に優れているといえる。更に、寸法安定性においては、セラミック材料の線膨張係数が１×１０-6〜７×１０-6のため、鉄やステンレス材料と比べて温度変化に対して形状を安定させることが出来るといえる。
【０００３】
特許文献１には、熱ＣＶＤによりβ−ＳｉＣを成膜する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−７９７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにセラミック材料は、光学素子の光学面を転写するための成形転写面を形成する材料として優れた特徴を有しているが、深刻な課題もいくつかある。その一つは製法に起因するものであり、通常はセラミック材料の粉体を加熱して焼結することで金型基材を形成しているため、焼結された組織構造に微小な孔（す）が発生することが多い。このため成形転写面を研削や研磨などの機械加工によって仕上げても、その表面粗さが向上しないという問題があった。これに対し、金属材料や超硬材料では、組成の純度を上げたり焼結剤を変えたりすることで、比較的容易に「す」の少ない材料が入手できるため、その点ではセラミック材料より使いやすいといえる。
【０００５】
また別の問題としては、セラミック材料が硬くてもろいため、成形転写面を創成する機械加工において、カケやワレが生じやすく、加工面に微小なワレが発生して精度良く成形転写面を創成することが難しいということがある。さらに、できあがった光学素子や成形金型の取り扱いにも注意が必要で、局部的に過剰な力が付与されたり衝撃的な力が付与されると、容易にワレやカケが生じるという問題がある。
【０００６】
前者のセラミック材料の組織構造に関する課題を解決する方法として、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。これは、高温下で基材の上に原料ガスを化学反応させて成膜する方法である。その緻密な成膜は、セラミック材料の長所である高硬度かつ軽量で高いヤング率のため自重や外力による変形が少ないと同時に、機械加工によって極めて平滑な光学面を創成できる材料として、炭化珪素や炭化チタン、炭化タンタルなどの炭化物が良く知られている。
【０００７】
熱ＣＶＤによって得られるセラミック材料としては、炭化珪素、炭化チタン、炭化タンタル等があるが、光学素子や光学素子成形金型の材料としてよく使われる炭化珪素を例に取ると、原料ガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｌ4）やメタン（ＣＨ4）等を用い、キャリアガスとして水素（Ｈ2）を用いる。これらのガスを予め所定のモル比（式（１）参照）で混合して、１１００〜１４００℃に加熱した雰囲気に導入することで、雰囲気中の基材に触れて以下のような反応が生じる。Ｘには、珪素やタンタル、チタンなどが当てはまる。
ＸＣｌ4＋２Ｈ2＋ＣＨ4 → ＸＣ＋４ＨＣｌ＋２Ｈ2 （１）
【０００８】
しかしながら、従来の熱ＣＶＤによる成膜手法では、成膜の組織構造が多結晶体であるために、その向きや結晶粒の不揃いなどにより、場所により数μｍレベルで靭性や硬度が異なり、そのため機械加工による平滑化を行うと所々に微小な力ケやワレを生じ、それらが巨視的には点状に発生するので光を散乱し、例えば高精度の光学素子の光学面を成形する光学素子成形用金型の転写光学面として、十分な品質を確保できないという問題があった。
【０００９】
かかる問題に対して、従来の熱ＣＶＤによる成膜において、原料ガスからの珪素やチタン、タンタルなどの還元が不十分で、メタンなどの炭化水素ガスの分解に比べて不足することが原因で、浮遊カーボンなどによる欠陥を成腹中に発生することが見出された。そこで、本発明者らは、原料ガスの混合比において、キャリアガスである水素のモル濃度を上記式（１）の割合よりも増やすことで、還元に強力な働きをする水素ラジカル（原子状水素）の発生を増やし、原料ガスから珪素やチタン、タンタルなどを確実に還元させることで、成膜組成がカーボンリッチになることを防ぎ、浮遊カーボンによる欠陥が発生しない緻密な成膜を実現できることを見いだした（特願２００６−１５２１８７）。
【００１０】
このように水素リッチな原料ガス組成にすることで、熱ＣＶＤの成膜に切削や研削、研磨など機械加工を施した場合に、微小カケやワレによる欠陥（凹抉部という）の発生を低減でき、加工された光学面の質が向上することが確認されている。しかるに、このように創成された成膜を加工する際に微細なカケやワレの発生を完全に無くすためには、成膜面に過大な加工応力がかからないように、研削や切削などでは工具切れ刃の切り込み量を減らしたり送り速度を遅くしたりし、また研磨では非常に細かい砥粒を選択することで、細心の注意を払いながら少しすつ加工除去する必要があった。このように負荷が小さく除去量の少ない機械加工では、形状創成に大変な時間と労力がかかり極めて不効率である。更に、このように創成された成膜は、内部に浮遊カーボンが無い均質性の高いＣＶＤ成膜ではあるが、微細なカケやワレを生じにくい組成や構造に本質的に変化させたわけではないため、加工中にいつカケやワレが発生して欠陥が生じ、加工面の品位を低下させることになるか不明であるという、加工上の不確実さが残存している。これは、加工の収率を低下させ、また製作コストを上昇させる要因となっていた。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、原料ガスの流れ具合の最適化によつて、緻密で微細なワレやカケを生じにくい膜質を容易に実現でき、平滑な光学面を容易に創成できる成膜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】
【００１２】
請求項１に記載の成膜装置は、熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部は、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であることを特徴とする。
【００１３】
本発明者らは、加工効率を高めていく際の障害として、高速加工時に成膜面に生じる微細なカケやワレによる凸凹状の欠陥に注目し、更に鋭意研究を続けた結果、かかる欠陥は、成膜面に析出した結晶の劈開方向に依存した表面欠陥であり、これを抑制するためには、成膜時に析出する結晶粒を小さく抑えることが効果的であることを見いだしたのである。更に、本発明者らは、成膜時に析出する結晶粒を小さく抑えるためには、熱ＣＶＤによる成膜処理を結晶粒が成長し難い条件で行えばよく、具体的には成膜速度を速くすることが効果的であることを見出した。
【００１４】
その理由は、成膜速度が速いと、濃度の濃い原料ガスが十分に成膜対象物ヘ供給されるので、その表面では活発な化学反応により結晶核が次々に創生され、結晶粒が成長する前に新たな結晶核で表面が覆われてしまうため、大粒の結晶に成長することを阻むことができるからである。かくして、結晶粒の小さな成膜が実現し、これを機械加工した際にも大きな劈開面を創成せず、従って凸凹状の欠陥を発生することなく滑らかな加工面を創成できるのである。
【００１５】
これとは逆に、もし成膜速度が遅いと、結晶核の新規生成が抑制されるので、一旦生成された結晶核からは他の結晶核に阻害されること無く時間をかけて結晶が大きく成長できるため、結晶粒は大きくなることとなる。これが、機械加工時に破断、劈開して加工面に大きな欠陥を生じるわけであり、凸凹状の欠陥を誘発することとなる。本発明者の研究により、この成膜速度が遅くなる条件として、成膜場所の原料ガス濃度が薄かったり、原料ガスの流れが滞留して成膜物ヘ新規な（濃度の高い）原料ガスが供給されにくくなったりすることがあり、従って成膜対象物を保持する保持部材の内部における熱ＣＶＤ時の原料ガス流が不適切であると、保持部材の内部でこのような状態が容易に発生することがわかったのである。
【００１６】
そこで本発明においては、前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であるようにすることで、熱ＣＶＤ時に前記保持部材の内部における原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。
【００１７】
請求項２に記載の成膜装置は、熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部中央には障害物が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
更に本発明においては、前記前記保持部材の内部中央に障害物を配置することで、熱ＣＶＤ時に前記保持部材の内部における原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。尚、「保持部材の内部中央に配置する」とは、障害物を少なくとも保持部材の内周に接触しない状態で配置することをいい、特に保持部材の内径の５０％以内に配置すると好ましい。「障害物」とは、保持部材の内部に配置することで、原料ガスの流れを変更する全てのものを含む。
【００１９】
請求項３に記載の成膜装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向は重力方向と逆方向であることを特徴とするので、原料ガスの流れの効率化を図れる。
【００２０】
請求項４に記載の成膜装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記保持部材に保持された成膜対象物よりも排出側において、放射状に仕切りを設けた冷却部を有することを特徴とするので、排出される原料ガスの冷却効率を高めることができる。
【００２１】
請求項５に記載の成膜装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記熱ＣＶＤにより成膜される炭化物が炭化珪素であることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の成膜装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記成膜対象物は光学素子成形用の金型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、原料ガスの流れ具合の最適化によつて、緻密で微細なワレやカケを生じにくい膜質を容易に実現でき、平滑な光学面を容易に創成できる成膜装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、熱ＣＶＤ処理を行うシステム全体を示す図であり、図２は、熱ＣＶＤ処理を行う成膜装置の断面図である。図３は、図２の構成を矢印III-IIIで示す方向に見た図である。図２において、上部から下部に向かう方向を重力方向とする。ここで、成膜対象物としては、光学素子成形用の金型であると好ましいが、それに限られない。
【００２５】
図１において、成膜装置１００の内部は、配管１０１を供給介して外部の気体供給源（不図示）に連通している。気体供給源からは、四塩化珪素ガス、メタンガス、水素ガスが、それぞれマスフローメータＭＦにより流量を調整されて供給されるようになっている。まず、四塩化珪素ガスは、エバポレータ１０２で気化された後、水素ガスと混合される。一方、メタンガスも、水素ガスと混合される。これらの混合ガスが更に混合された後、原料ガスとして成膜装置１００に供給されるようになっている。本実施の形態では、塩化珪素が液体のため、この配管系にはエバポレータ１０２が接続されているが、成膜物質が珪素ではなく、チタンやタンタルなど他の材料の場合は、その保管状態が気体か液体かで適宜変更する。
【００２６】
一方、成膜装置１００内で成膜のために用いられ、不要となった原料ガスは、配管１０３により連結された放熱器１０４を介して、水封ポンプ１０５により吸引され、排気処理施設（不図示）に排出されるようになっている。ここで、配管１０とエバポレータ１０２により供給手段を構成し、配管１０３と放熱器１０４と水封ポンプ１０５とで排出手段を構成する。
【００２７】
図２において、ベース１の下部に、円筒状の整流室１ａが形成されている。整流室１ａの下面には、配管１０１が接続されている。整流室１ａ内の内周面には、カーボン体２で覆われたカーボンヒータ３が配置されている。整流室１ａの上部には、多数の開口４ａを設けた底板４が設けられている。底板４の下面には、複数の整流板４ｂが取り付けられ、整流室１ａ内において互いに平行に延在している。
【００２８】
ベース１の上面には、外部環境から内部を遮蔽する円筒状のチャンバ５が分解可能に取り付けられている。チャンバ５の内部には、その内壁面から離れて、中空円筒状の断熱体６が配置されている。断熱体６の内周面には、カーボンヒータ７が配置されている。カーボンヒータ７の内側には、その内周面から離れて、円筒状の外筒８が配置されている。
【００２９】
外筒８の内周面に接触するようにして、円筒状の内筒（保持部材ともいう）９が配置されている。内筒９は、壁面に多数の開口９ａを形成しており、ここから成膜対象物Ｍの成膜面を、内筒９の内部に露出させている。
【００３０】
外筒８の上部は、テーパ面１０ａを有する断熱板１０が取り付けられている。断熱板１０の中央には、排出孔１０ｂが形成されている。断熱板１０に対向し、チャンバ５の上壁下面には、冷却部１１が取り付けられている。冷却部１１は、図３（ａ）に示すように、放射状に延在する多数の薄い仕切り１１ａを形成しており、通過するガスとの間で熱交換を効率的に行うようになっている。尚、仕切り１１ａではなく、変形例を示す図３（ｂ）のように、中央から周辺に向かうにつれて曲がりくねった通路或いは溝１１ｂを備えた冷却部１１を用いても良い。
【００３１】
チャンバ５の内周面と、断熱体６の外周面との間において、ベース１に形成された開口１ｂには、配管１０３が接続されている。尚、整流室１ａとチャンバ５の外周面を、冷却用の配管１２が取り巻いている。
【００３２】
ＣＶＤ成膜時には、水封ポンプ１０５によりチャンバ５内が１００〜３００ｔｏｒｒ程度に減圧され、マスフローメータＭＦで流量を調整され指定の組成比に混合された原料ガスが、配管１０１を介して整流室１ａ内に供給され、カーボンヒータ３により加熱される。加熱された原料ガスは整流板４ｂに整流されながら上昇し、底板４の孔４ａを通過して内筒９内に侵入する。
【００３３】
チャンバ５内は、真空引きにより内部の酸素を除去した後、カーボンヒータ７により１０００℃を超える高温に予熱されており、成膜対象物Ｍに至るまでに成膜温度まで昇温された原料ガスに接触することで、上記（１）式の反応が生じ、すなわち熱ＣＶＤ成膜が行われ、内筒９に保持された成膜対象物Ｍの露出した成膜面に連続的な化学反応を通じて成膜できる。成膜に用いられた原料ガスの残りである排出ガスは、更に上昇し断熱板１０のテーパ面１０ｂに沿って中央に集められ、排出孔１０ｂを通過して冷却部１１に至る。冷却部１１では、排出ガスは放射状の仕切り１１ａに沿って半径方向外方に流れ、チャンバ５の内周面と、断熱体６の外周面との間を通過して、更に開口１ｂから配管１０３を介して放熱器１０４に侵入する。
【００３４】
チャンバ５からの排出ガスは高温であるため、一旦、放熱器１０４で冷却され、水封ポンプ１０５を得て、排気処理施設（不図示）ヘ送出される。図にはないが、排気処理施設では、排気ガスからアルカリシャワーによって塩化物ガス成分を塩として除去し、残った水素とメタンは燃焼させて大気中に放出することが行われる。
【００３５】
以上において、原料ガスの流量は、それぞれマスフローメータＭＦによって制御されているので指定数値となるが、流速は水封ポンプ１０５の吸引力とチャンバ５内の流路形状によって決まる。
【００３６】
図４は、本実施の形態の内筒を示す斜視図であり、図５は、比較例にかかる内筒を示す斜視図である。図４に示す内筒９は、回転対称断面である中空円筒状であるのに対し、比較例に示す内筒９’は、中空角柱状となっている。比較例の内筒９’によれば、内部を下方から上方に向かって原料ガスが流れる際に、原料ガスは、流れの断面である四角形内で均一には流れず、四隅の部分の流れが遅くなり滞留しがちになる。また、四隅の部分では、２面の内筒壁が接近しているので、他の場所よりも成膜面積が大きく、従って上記（１）式による化学反応が生じる面積が広いので、この付近の原料ガスが他の場所よりも多く消費され、この付近では上記（１）式の化学反応の産物である塩化水素ガスによって原料ガスが薄められ、しかも滞留により新しい原料ガスが供給されにくいため、成膜速度が低下する。
【００３７】
つまり、成膜対象物のうち、四隅に近い成膜対象物Ｍ１，Ｍ４、Ｍ５、Ｍ８（不図示の成膜対象物も同様）では、成膜速度が遅い条件でＣＶＤ成膜が行われるため、結晶成長が促進されるのである。それに比べ、成膜対象物Ｍ２，Ｍ３、Ｍ６、Ｍ７（不図示の成膜対象物も同様）では、原料ガスの滞留がより生じにくく相対的に成膜速度が速い条件でＣＶＤ成膜されるので、結晶成長がやや抑制されるとも考えられる。しかし、実際にはそのすぐ隣で滞留した原料ガスやその副産物の濃度揺らぎの影響を受けて、この場所での成膜品質が劣化し、また成膜再現性を悪くする恐れがある。
【００３８】
このような成膜条件では、内筒９’に配置した成膜対象物Ｍの位置によって成膜の膜質がばらつくだけでなく、成膜が不安定で再現性に乏しく、結晶成長が抑制された加工性の良い成膜を実現することはできない。
【００３９】
これに対し、図４に示す本実施の形態の内筒９においては、断面形状を回転対称形状として、原料ガスの断面方向の流速分布が回転対称となるようにしたものである。この内筒９で熱ＣＶＤ成膜を行うと、いずれの成膜対象物Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・に対しても同じ流速、同じ温度、同じ組成で原料ガスが供給されるので、膜質のばらつきを抑制し又はほぼ完全に無くし、成膜再現性も非常に高くできる。そのため、原料ガスの全体流量を変えることで、ばらつきなく流速を変えることができるので、原料ガスの流量を増加して流速を高くすることによって、加工性が良く、成膜ばらつきを抑えた成膜を、再現性良く得ることができる。
【００４０】
尚、原料ガスの断面方向の流速分布は回転対称ではあるが、均一ではない。内筒の中心部では壁面の抵抗を受けにくいので最も流速が高くなり、壁面、つまり成膜対象物側ではもっとも流速が遅くなるのである。この条件下で、原料ガスの流速を高く最適化すると、ほとんど成膜に寄与しない流れの中心部の流速が速くなり、原料ガスの消費量が著しく多くなるという特性がある。
【００４１】
図６は、かかる特性を考慮した別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。本実施の形態においては、底板４の上面に円柱２０を植設し、その上端に取り付けた円盤２１を、内筒９の上端から離して設置している。円柱２０及び円盤２１が障害物を構成する。
【００４２】
本実施の形態によれば、内筒９の中央に円柱２０が形成されているので、原料ガスは全て内筒９と円柱２０との間を通過せざるを得ず、従って流れの断面において流速が均一となり、原料ガスの消費を抑えながら常にフレッシュな原料ガスを供給することで、化学反応を迅速に行うことができる。原料ガスの残りは、矢印で示すように円盤２１と内筒９との間を通って、外部へと排出される。
【００４３】
内筒９の内径に対して、半分の外径を有する円柱２０を配置することにより、原料ガスの流路面積は２５％減少し、その分、流速を同じに保ちながら原料ガス流量を約２５％減らすことができる。
【００４４】
図７は、更に実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。内筒９の中央に、円柱３０を配置している。円柱３０は中空であって、外周面に孔３０ａを形成しており、そこから成膜面を外側に露出させた成膜対象物Ｍを、円柱３０の内部に装着できるようになっている。本実施の形態によれば、図６に示す実施の形態の効果に加え、円柱３０の近傍を通過する原料ガスを用いて成膜対象物Ｍに熱ＣＶＤ処理を行えるので、原料ガスの有効利用を図ることができる。尚、円柱３０の上端に取り付けた蓋３１は、原料ガスの流れを阻害しないように、球形又は流線形であると良い。
【００４５】
このように、円柱３０により成膜対象物を保持すると、成膜処理数を約１．５倍に増やすことができ、しかも原料ガスは滞留したりしないから、全成膜対象物が同じ条件で同じ成膜結果を得ることができる。原料ガス流量を２５％削減し更に成膜処理数を１．５倍にできるので、原料ガスの利用効率からいえば約２倍に向上したことになる。
【００４６】
（比較例）
図１、２の成膜装置に、図５の内筒９’を用いて熱ＣＶＤ処理を行った。キャリアガスである水素の濃度を３倍にして、浮遊カーボンの発生を抑制した処方で熱ＣＶＤにより成膜された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で１０００倍に拡大してみると、図８のように数μｍの大きさの結晶がたくさん成長しているのが見られた。これは炭化珪素のＣＶＤ膜であるが、さらに５０００倍に拡大した図９において、成腹中に立方晶のβ−ＳｉＣ結晶が大きく成長しており、特に切り妻屋根状に稜線を上に向けた２２０方位の結晶粒が多いことがわかる。
【００４７】
これをＸＲＤ（Ｘ線回折）で観察すると、図１０に示すように、１１１方位と２２０方位が見られる。ここで、１１１方位に対する２２０方位のピーク比を取ると、７．６７となり２２０方位の結晶粒が多いことが数値からもわかる。結晶成長が進んだ成膜では、図８や図９から明らかなように、２２０方位の結晶粒が増加する。
【００４８】
このような構造の成膜を、例えば研削や切削などの機械加工で平滑加工しようとすると、ダイアモンド砥粒や刃先がこの結晶粒を加工する際に、結晶であるから刃先軌跡に沿って除去されず、結晶面に沿って劈開する。しかも、破断によって応力が急激に変わるため、一様な劈開面とならず、多数の微小劈開面で構成されたギザギザ面となる。これが、巨視的には点状に見える欠陥の発生で、実際に延性モード切削した図８の炭化珪素の熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を図１１に示す。加工面全体に数μｍの凸凹状の欠陥が大発生しており、光学面を創成するための転写成形面としてはかなり品質が低下している。これらの微細な結晶のワレやカケによる凸凹状の欠陥は、図１１からは一見、既に述べられた浮遊カーボンなどによる成膜の不均質によるものと同じように見えるが、その発生要因は以上に述べたように全く異なるものである。
【００４９】
図８の炭化珪素の熱ＣＶＤ成膜に対して、加工負荷が小さくなるように刃先切り込み量を小さくし、切削速度も１／２に低減して延性モード切削した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した写真が図１２である。図１２によれば、加工負荷が減少して、結晶粒の破断がかなり抑制された結果、凸凹状の欠陥の発生が少なくなってはいるが、場所によっては少し傾いた２２０方位結晶の断面形状である三角形状の欠陥も見られ、高精度光学面を創成するための転写成形面としての品質はまだ不十分といえる。
【００５０】
（実施例）
図１３は、図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。原料ガスは、図８の場合と全く同じで、浮遊カーボンの発生を抑制するため水素濃度を３倍多くしたものである。さらに１０００倍に拡大したものが図１４であるが、全く結晶形が見られず、次々に化学反応で還元された炭化珪素が重なって積もっている状態がわかる。さらに図１５は、１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真で、成膜時に還元したクラスターを見ることができ、このクラスターによって１００倍写真で見られる大きな成膜粒が構成されているのがわかる。
【００５１】
このように結晶形を全く有しない成膜表面は、一見すると結晶体に見えないが、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で観察すると図１６のように１１１や２２０、３１１などの方位が混在した多結晶体であることがわかった。ここで、１１１方位に対する２２０方位のピーク比を取ると、０．３６となり１１１方位の結晶粒が多いことがわかる。図８では、このピーク比が７．６７で２２０方位の結晶粒が多かったが、結晶成長が抑制されたＣＶＤ−ＳｉＣでは１１１方位の結晶粒が多くなることがわかる。
【００５２】
図１７、１８、１９も、また同様に成膜速度を速めて処理を行った炭化珪素の熱ＣＶＤ膜における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、倍率を変えて示しているが、成膜温度を図１３〜１５の例よりもやや低くした。成膜温度に若干の変動があっても、確実に成膜速度を速く維持することで、機械加工によって平滑な加工面が得られることがわかった。
【００５３】
図２０は、熱ＣＶＤによる図１７〜１９の炭化珪素成膜を、延性モードでダイアモンド切削した表面の２００倍の微分干渉顕微鏡写真である。同様の加工を行った従来の熱ＣＶＤ膜の図１１や図１２と比較して、微小カケやワレなどの凸凹状の欠陥が全く見当たらず、極めて滑らかな加工面が得られていることがわかる。この表面粗さは、どの場所においてもＲａ１ｎｍ以下を満足し、光学素子の光学面を成形転写するための金型の成形転写面として、実用に耐えうる優れた品位であった。
【００５４】
図２１、２２は、内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図であり、左縁が内筒の中心線の位置に相当し、右縁の内壁には成膜対象物が上下２段で突き出しているものとした。内筒の形状は、回転対称形状である円筒状である。図２１の例では、出口部には板状の障害物のみが設けられているが、図２２の例では、それに加えて内筒の内部中央に円筒状の障害物を配置しており、従って内筒の内部が輪帯状の流路となり、その流路面積は図２１の例に比べ２５％減少している。図２１，２２の例共に、同じ量の原料ガスを下から上に流したときのシミュレーション計算による流速を矢印で示してあるが、成膜対象物の近傍は特に計算点を細かく取り、微妙な流速の状態がわかるようにしてある。
【００５５】
図２１の例では、下部の内筒入り口から入った原料ガスは上昇し、成膜対象物を通り過ぎた後、流れの障害物である上部の板に達し、その周辺に設けられた内筒出口から排気されている。原料ガス流は、成膜対象物付近では流速が遅くなり、やや滞留しているのがわかる。この部分の流速を高くしようとすると、ほとんど成膜に寄与しない中心部の原料ガスの流速が比例してさらに高くなって排気されてしまうのがわかる。つまり、回転対称の原料ガス流路形状であれば、成膜対象物相互の成膜バラツキを抑えることはできるが、ガス流の障害物を内筒出口にのみ設けた流路形状の場合には、他にガス流の障害物が無いために、原料ガスの流速をあげて結晶粒を成長し難い条件にすると、その大半が成膜処理に利用されることなく通過して排出されてしまうことがわかる。
【００５６】
これに対し、図２２の例では、流路面積が２５％狭くなったため全体として流速が速くなっていることがわかるが、特に成膜対象物がある内壁付近の速度増加が著しく、２倍ほどに増速していることがわかる。したがって図２２の例では、成膜対象物には原料ガスが十分に供給されて成膜速度が流路面積比以上に速くなり、結晶成長がよく抑制されて凸凹状の欠陥の少ない成膜を期待できる。また、成膜に寄与する原料ガスの割合が増えるので、原料ガスを効率的に利用できる。このように流体シミュレーション結果によれば、原料ガス流路の中心部に障害物を置くことで、内筒内壁付近の成膜速度がより速くなり膜質が向上することと、原料ガスが効率よく使われて、無駄の少ない効率的な成膜が実現できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】熱ＣＶＤ処理を行うシステム全体を示す図である。
【図２】熱ＣＶＤ処理を行う成膜装置の断面図である。
【図３】図２の構成を矢印III-IIIで示す方向に見た図である。
【図４】本実施の形態の内筒を示す斜視図である。
【図５】比較例にかかる内筒を示す斜視図である。
【図６】別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。
【図７】更に別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。
【図８】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で１０００倍に拡大して観察した写真である。
【図９】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で５０００倍に拡大して観察した写真である。
【図１０】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で評価したグラフである。
【図１１】熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図１２】加工条件を変えて熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図１３】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１４】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１０００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１５】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１６】実施例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で評価したグラフである。
【図１７】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１８】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１０００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１９】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図２０】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図２１】内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図である。
【図２２】内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ベース
１ａ 整流室
１ｂ 開口
２ カーボン体
３ カーボンヒータ
４ 底板
４ａ 孔
４ａ 開口
４ｂ 整流板
５ チャンバ
６ 断熱体
７ カーボンヒータ
８ 外筒
９ 内筒
９ａ 開口
１０ 断熱板
１０ａ テーパ面
１０ｂ 排出孔
１１ 冷却部
１１ａ 仕切り
１１ｂ 溝
１２ 冷却用配管
２０ 円柱
２１ 円盤
３０ 円柱
３０ａ 孔
３１ 蓋
１００ 成膜装置
１０１ 配管
１０２ エバポレータ
１０３ 配管
１０４ 放熱器
１０５ 水封ポンプ
Ｍ 成膜対象物
Ｍ１，Ｍ４ 成膜対象物
Ｍ２，Ｍ３ 成膜対象物
ＭＦ マスフローメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥の少ない被膜を得ることができる熱ＣＶＤの成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック材料は、光学素子やその成形用金型に使用すると、耐熱性や重量、寸法安定性等の点で他の材料よりも非常に有利であるといえる。例えば、セラミック材料を光学素子成形用金型に直接使用した場合は、超硬材料と比較して１／５近く比重が小さいので非常に軽量な金型を得ることが出来、その支持部材の軽量小型化にも寄与する。また、超硬材料として炭化タングステンを用いた場合、炭化タングステンの耐酸化性はそれほど高くないので、大気中で雰囲気温度が５００℃を越えると光学面が徐々に曇ってくるという問題があるが、酸化物や窒化物、炭化物などのセラミック材料では、１０００℃付近まで光学面が曇る事はなく、耐熱性に優れているといえる。更に、寸法安定性においては、セラミック材料の線膨張係数が１×１０-6〜７×１０-6のため、鉄やステンレス材料と比べて温度変化に対して形状を安定させることが出来るといえる。
【０００３】
特許文献１には、熱ＣＶＤによりβ−ＳｉＣを成膜する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−７９７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにセラミック材料は、光学素子の光学面を転写するための成形転写面を形成する材料として優れた特徴を有しているが、深刻な課題もいくつかある。その一つは製法に起因するものであり、通常はセラミック材料の粉体を加熱して焼結することで金型基材を形成しているため、焼結された組織構造に微小な孔（す）が発生することが多い。このため成形転写面を研削や研磨などの機械加工によって仕上げても、その表面粗さが向上しないという問題があった。これに対し、金属材料や超硬材料では、組成の純度を上げたり焼結剤を変えたりすることで、比較的容易に「す」の少ない材料が入手できるため、その点ではセラミック材料より使いやすいといえる。
【０００５】
また別の問題としては、セラミック材料が硬くてもろいため、成形転写面を創成する機械加工において、カケやワレが生じやすく、加工面に微小なワレが発生して精度良く成形転写面を創成することが難しいということがある。さらに、できあがった光学素子や成形金型の取り扱いにも注意が必要で、局部的に過剰な力が付与されたり衝撃的な力が付与されると、容易にワレやカケが生じるという問題がある。
【０００６】
前者のセラミック材料の組織構造に関する課題を解決する方法として、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。これは、高温下で基材の上に原料ガスを化学反応させて成膜する方法である。その緻密な成膜は、セラミック材料の長所である高硬度かつ軽量で高いヤング率のため自重や外力による変形が少ないと同時に、機械加工によって極めて平滑な光学面を創成できる材料として、炭化珪素や炭化チタン、炭化タンタルなどの炭化物が良く知られている。
【０００７】
熱ＣＶＤによって得られるセラミック材料としては、炭化珪素、炭化チタン、炭化タンタル等があるが、光学素子や光学素子成形金型の材料としてよく使われる炭化珪素を例に取ると、原料ガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｌ4）やメタン（ＣＨ4）等を用い、キャリアガスとして水素（Ｈ2）を用いる。これらのガスを予め所定のモル比（式（１）参照）で混合して、１１００〜１４００℃に加熱した雰囲気に導入することで、雰囲気中の基材に触れて以下のような反応が生じる。Ｘには、珪素やタンタル、チタンなどが当てはまる。
ＸＣｌ4＋２Ｈ2＋ＣＨ4 → ＸＣ＋４ＨＣｌ＋２Ｈ2 （１）
【０００８】
しかしながら、従来の熱ＣＶＤによる成膜手法では、成膜の組織構造が多結晶体であるために、その向きや結晶粒の不揃いなどにより、場所により数μｍレベルで靭性や硬度が異なり、そのため機械加工による平滑化を行うと所々に微小な力ケやワレを生じ、それらが巨視的には点状に発生するので光を散乱し、例えば高精度の光学素子の光学面を成形する光学素子成形用金型の転写光学面として、十分な品質を確保できないという問題があった。
【０００９】
かかる問題に対して、従来の熱ＣＶＤによる成膜において、原料ガスからの珪素やチタン、タンタルなどの還元が不十分で、メタンなどの炭化水素ガスの分解に比べて不足することが原因で、浮遊カーボンなどによる欠陥を成腹中に発生することが見出された。そこで、本発明者らは、原料ガスの混合比において、キャリアガスである水素のモル濃度を上記式（１）の割合よりも増やすことで、還元に強力な働きをする水素ラジカル（原子状水素）の発生を増やし、原料ガスから珪素やチタン、タンタルなどを確実に還元させることで、成膜組成がカーボンリッチになることを防ぎ、浮遊カーボンによる欠陥が発生しない緻密な成膜を実現できることを見いだした（特願２００６−１５２１８７）。
【００１０】
このように水素リッチな原料ガス組成にすることで、熱ＣＶＤの成膜に切削や研削、研磨など機械加工を施した場合に、微小カケやワレによる欠陥（凹抉部という）の発生を低減でき、加工された光学面の質が向上することが確認されている。しかるに、このように創成された成膜を加工する際に微細なカケやワレの発生を完全に無くすためには、成膜面に過大な加工応力がかからないように、研削や切削などでは工具切れ刃の切り込み量を減らしたり送り速度を遅くしたりし、また研磨では非常に細かい砥粒を選択することで、細心の注意を払いながら少しすつ加工除去する必要があった。このように負荷が小さく除去量の少ない機械加工では、形状創成に大変な時間と労力がかかり極めて不効率である。更に、このように創成された成膜は、内部に浮遊カーボンが無い均質性の高いＣＶＤ成膜ではあるが、微細なカケやワレを生じにくい組成や構造に本質的に変化させたわけではないため、加工中にいつカケやワレが発生して欠陥が生じ、加工面の品位を低下させることになるか不明であるという、加工上の不確実さが残存している。これは、加工の収率を低下させ、また製作コストを上昇させる要因となっていた。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、原料ガスの流れ具合の最適化によつて、緻密で微細なワレやカケを生じにくい膜質を容易に実現でき、平滑な光学面を容易に創成できる成膜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】
【００１２】
請求項１に記載の成膜装置は、熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部は、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であることを特徴とする。
【００１３】
本発明者らは、加工効率を高めていく際の障害として、高速加工時に成膜面に生じる微細なカケやワレによる凸凹状の欠陥に注目し、更に鋭意研究を続けた結果、かかる欠陥は、成膜面に析出した結晶の劈開方向に依存した表面欠陥であり、これを抑制するためには、成膜時に析出する結晶粒を小さく抑えることが効果的であることを見いだしたのである。更に、本発明者らは、成膜時に析出する結晶粒を小さく抑えるためには、熱ＣＶＤによる成膜処理を結晶粒が成長し難い条件で行えばよく、具体的には成膜速度を速くすることが効果的であることを見出した。
【００１４】
その理由は、成膜速度が速いと、濃度の濃い原料ガスが十分に成膜対象物ヘ供給されるので、その表面では活発な化学反応により結晶核が次々に創生され、結晶粒が成長する前に新たな結晶核で表面が覆われてしまうため、大粒の結晶に成長することを阻むことができるからである。かくして、結晶粒の小さな成膜が実現し、これを機械加工した際にも大きな劈開面を創成せず、従って凸凹状の欠陥を発生することなく滑らかな加工面を創成できるのである。
【００１５】
これとは逆に、もし成膜速度が遅いと、結晶核の新規生成が抑制されるので、一旦生成された結晶核からは他の結晶核に阻害されること無く時間をかけて結晶が大きく成長できるため、結晶粒は大きくなることとなる。これが、機械加工時に破断、劈開して加工面に大きな欠陥を生じるわけであり、凸凹状の欠陥を誘発することとなる。本発明者の研究により、この成膜速度が遅くなる条件として、成膜場所の原料ガス濃度が薄かったり、原料ガスの流れが滞留して成膜物ヘ新規な（濃度の高い）原料ガスが供給されにくくなったりすることがあり、従って成膜対象物を保持する保持部材の内部における熱ＣＶＤ時の原料ガス流が不適切であると、保持部材の内部でこのような状態が容易に発生することがわかったのである。
【００１６】
そこで本発明においては、前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であるようにすることで、熱ＣＶＤ時に前記保持部材の内部における原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。
【００１７】
請求項２に記載の成膜装置は、熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部中央には障害物が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
更に本発明においては、前記前記保持部材の内部中央に障害物を配置することで、熱ＣＶＤ時に前記保持部材の内部における原料ガスの滞留を抑え、成膜速度を高めることで、成膜後における機械加工時に凸凹状の欠陥が生じることを抑制している。尚、「保持部材の内部中央に配置する」とは、障害物を少なくとも保持部材の内周に接触しない状態で配置することをいい、特に保持部材の内径の５０％以内に配置すると好ましい。「障害物」とは、保持部材の内部に配置することで、原料ガスの流れを変更する全てのものを含む。
【００１９】
請求項３に記載の成膜装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向は重力方向と逆方向であることを特徴とするので、原料ガスの流れの効率化を図れる。
【００２０】
請求項４に記載の成膜装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記保持部材に保持された成膜対象物よりも排出側において、放射状に仕切りを設けた冷却部を有することを特徴とするので、排出される原料ガスの冷却効率を高めることができる。
【００２１】
請求項５に記載の成膜装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記熱ＣＶＤにより成膜される炭化物が炭化珪素であることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の成膜装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記成膜対象物は光学素子成形用の金型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、原料ガスの流れ具合の最適化によつて、緻密で微細なワレやカケを生じにくい膜質を容易に実現でき、平滑な光学面を容易に創成できる成膜装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、熱ＣＶＤ処理を行うシステム全体を示す図であり、図２は、熱ＣＶＤ処理を行う成膜装置の断面図である。図３は、図２の構成を矢印III-IIIで示す方向に見た図である。図２において、上部から下部に向かう方向を重力方向とする。ここで、成膜対象物としては、光学素子成形用の金型であると好ましいが、それに限られない。
【００２５】
図１において、成膜装置１００の内部は、配管１０１を供給介して外部の気体供給源（不図示）に連通している。気体供給源からは、四塩化珪素ガス、メタンガス、水素ガスが、それぞれマスフローメータＭＦにより流量を調整されて供給されるようになっている。まず、四塩化珪素ガスは、エバポレータ１０２で気化された後、水素ガスと混合される。一方、メタンガスも、水素ガスと混合される。これらの混合ガスが更に混合された後、原料ガスとして成膜装置１００に供給されるようになっている。本実施の形態では、塩化珪素が液体のため、この配管系にはエバポレータ１０２が接続されているが、成膜物質が珪素ではなく、チタンやタンタルなど他の材料の場合は、その保管状態が気体か液体かで適宜変更する。
【００２６】
一方、成膜装置１００内で成膜のために用いられ、不要となった原料ガスは、配管１０３により連結された放熱器１０４を介して、水封ポンプ１０５により吸引され、排気処理施設（不図示）に排出されるようになっている。ここで、配管１０とエバポレータ１０２により供給手段を構成し、配管１０３と放熱器１０４と水封ポンプ１０５とで排出手段を構成する。
【００２７】
図２において、ベース１の下部に、円筒状の整流室１ａが形成されている。整流室１ａの下面には、配管１０１が接続されている。整流室１ａ内の内周面には、カーボン体２で覆われたカーボンヒータ３が配置されている。整流室１ａの上部には、多数の開口４ａを設けた底板４が設けられている。底板４の下面には、複数の整流板４ｂが取り付けられ、整流室１ａ内において互いに平行に延在している。
【００２８】
ベース１の上面には、外部環境から内部を遮蔽する円筒状のチャンバ５が分解可能に取り付けられている。チャンバ５の内部には、その内壁面から離れて、中空円筒状の断熱体６が配置されている。断熱体６の内周面には、カーボンヒータ７が配置されている。カーボンヒータ７の内側には、その内周面から離れて、円筒状の外筒８が配置されている。
【００２９】
外筒８の内周面に接触するようにして、円筒状の内筒（保持部材ともいう）９が配置されている。内筒９は、壁面に多数の開口９ａを形成しており、ここから成膜対象物Ｍの成膜面を、内筒９の内部に露出させている。
【００３０】
外筒８の上部は、テーパ面１０ａを有する断熱板１０が取り付けられている。断熱板１０の中央には、排出孔１０ｂが形成されている。断熱板１０に対向し、チャンバ５の上壁下面には、冷却部１１が取り付けられている。冷却部１１は、図３（ａ）に示すように、放射状に延在する多数の薄い仕切り１１ａを形成しており、通過するガスとの間で熱交換を効率的に行うようになっている。尚、仕切り１１ａではなく、変形例を示す図３（ｂ）のように、中央から周辺に向かうにつれて曲がりくねった通路或いは溝１１ｂを備えた冷却部１１を用いても良い。
【００３１】
チャンバ５の内周面と、断熱体６の外周面との間において、ベース１に形成された開口１ｂには、配管１０３が接続されている。尚、整流室１ａとチャンバ５の外周面を、冷却用の配管１２が取り巻いている。
【００３２】
ＣＶＤ成膜時には、水封ポンプ１０５によりチャンバ５内が１００〜３００ｔｏｒｒ程度に減圧され、マスフローメータＭＦで流量を調整され指定の組成比に混合された原料ガスが、配管１０１を介して整流室１ａ内に供給され、カーボンヒータ３により加熱される。加熱された原料ガスは整流板４ｂに整流されながら上昇し、底板４の孔４ａを通過して内筒９内に侵入する。
【００３３】
チャンバ５内は、真空引きにより内部の酸素を除去した後、カーボンヒータ７により１０００℃を超える高温に予熱されており、成膜対象物Ｍに至るまでに成膜温度まで昇温された原料ガスに接触することで、上記（１）式の反応が生じ、すなわち熱ＣＶＤ成膜が行われ、内筒９に保持された成膜対象物Ｍの露出した成膜面に連続的な化学反応を通じて成膜できる。成膜に用いられた原料ガスの残りである排出ガスは、更に上昇し断熱板１０のテーパ面１０ｂに沿って中央に集められ、排出孔１０ｂを通過して冷却部１１に至る。冷却部１１では、排出ガスは放射状の仕切り１１ａに沿って半径方向外方に流れ、チャンバ５の内周面と、断熱体６の外周面との間を通過して、更に開口１ｂから配管１０３を介して放熱器１０４に侵入する。
【００３４】
チャンバ５からの排出ガスは高温であるため、一旦、放熱器１０４で冷却され、水封ポンプ１０５を得て、排気処理施設（不図示）ヘ送出される。図にはないが、排気処理施設では、排気ガスからアルカリシャワーによって塩化物ガス成分を塩として除去し、残った水素とメタンは燃焼させて大気中に放出することが行われる。
【００３５】
以上において、原料ガスの流量は、それぞれマスフローメータＭＦによって制御されているので指定数値となるが、流速は水封ポンプ１０５の吸引力とチャンバ５内の流路形状によって決まる。
【００３６】
図４は、本実施の形態の内筒を示す斜視図であり、図５は、比較例にかかる内筒を示す斜視図である。図４に示す内筒９は、回転対称断面である中空円筒状であるのに対し、比較例に示す内筒９’は、中空角柱状となっている。比較例の内筒９’によれば、内部を下方から上方に向かって原料ガスが流れる際に、原料ガスは、流れの断面である四角形内で均一には流れず、四隅の部分の流れが遅くなり滞留しがちになる。また、四隅の部分では、２面の内筒壁が接近しているので、他の場所よりも成膜面積が大きく、従って上記（１）式による化学反応が生じる面積が広いので、この付近の原料ガスが他の場所よりも多く消費され、この付近では上記（１）式の化学反応の産物である塩化水素ガスによって原料ガスが薄められ、しかも滞留により新しい原料ガスが供給されにくいため、成膜速度が低下する。
【００３７】
つまり、成膜対象物のうち、四隅に近い成膜対象物Ｍ１，Ｍ４、Ｍ５、Ｍ８（不図示の成膜対象物も同様）では、成膜速度が遅い条件でＣＶＤ成膜が行われるため、結晶成長が促進されるのである。それに比べ、成膜対象物Ｍ２，Ｍ３、Ｍ６、Ｍ７（不図示の成膜対象物も同様）では、原料ガスの滞留がより生じにくく相対的に成膜速度が速い条件でＣＶＤ成膜されるので、結晶成長がやや抑制されるとも考えられる。しかし、実際にはそのすぐ隣で滞留した原料ガスやその副産物の濃度揺らぎの影響を受けて、この場所での成膜品質が劣化し、また成膜再現性を悪くする恐れがある。
【００３８】
このような成膜条件では、内筒９’に配置した成膜対象物Ｍの位置によって成膜の膜質がばらつくだけでなく、成膜が不安定で再現性に乏しく、結晶成長が抑制された加工性の良い成膜を実現することはできない。
【００３９】
これに対し、図４に示す本実施の形態の内筒９においては、断面形状を回転対称形状として、原料ガスの断面方向の流速分布が回転対称となるようにしたものである。この内筒９で熱ＣＶＤ成膜を行うと、いずれの成膜対象物Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・に対しても同じ流速、同じ温度、同じ組成で原料ガスが供給されるので、膜質のばらつきを抑制し又はほぼ完全に無くし、成膜再現性も非常に高くできる。そのため、原料ガスの全体流量を変えることで、ばらつきなく流速を変えることができるので、原料ガスの流量を増加して流速を高くすることによって、加工性が良く、成膜ばらつきを抑えた成膜を、再現性良く得ることができる。
【００４０】
尚、原料ガスの断面方向の流速分布は回転対称ではあるが、均一ではない。内筒の中心部では壁面の抵抗を受けにくいので最も流速が高くなり、壁面、つまり成膜対象物側ではもっとも流速が遅くなるのである。この条件下で、原料ガスの流速を高く最適化すると、ほとんど成膜に寄与しない流れの中心部の流速が速くなり、原料ガスの消費量が著しく多くなるという特性がある。
【００４１】
図６は、かかる特性を考慮した別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。本実施の形態においては、底板４の上面に円柱２０を植設し、その上端に取り付けた円盤２１を、内筒９の上端から離して設置している。円柱２０及び円盤２１が障害物を構成する。
【００４２】
本実施の形態によれば、内筒９の中央に円柱２０が形成されているので、原料ガスは全て内筒９と円柱２０との間を通過せざるを得ず、従って流れの断面において流速が均一となり、原料ガスの消費を抑えながら常にフレッシュな原料ガスを供給することで、化学反応を迅速に行うことができる。原料ガスの残りは、矢印で示すように円盤２１と内筒９との間を通って、外部へと排出される。
【００４３】
内筒９の内径に対して、半分の外径を有する円柱２０を配置することにより、原料ガスの流路面積は２５％減少し、その分、流速を同じに保ちながら原料ガス流量を約２５％減らすことができる。
【００４４】
図７は、更に実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。内筒９の中央に、円柱３０を配置している。円柱３０は中空であって、外周面に孔３０ａを形成しており、そこから成膜面を外側に露出させた成膜対象物Ｍを、円柱３０の内部に装着できるようになっている。本実施の形態によれば、図６に示す実施の形態の効果に加え、円柱３０の近傍を通過する原料ガスを用いて成膜対象物Ｍに熱ＣＶＤ処理を行えるので、原料ガスの有効利用を図ることができる。尚、円柱３０の上端に取り付けた蓋３１は、原料ガスの流れを阻害しないように、球形又は流線形であると良い。
【００４５】
このように、円柱３０により成膜対象物を保持すると、成膜処理数を約１．５倍に増やすことができ、しかも原料ガスは滞留したりしないから、全成膜対象物が同じ条件で同じ成膜結果を得ることができる。原料ガス流量を２５％削減し更に成膜処理数を１．５倍にできるので、原料ガスの利用効率からいえば約２倍に向上したことになる。
【００４６】
（比較例）
図１、２の成膜装置に、図５の内筒９’を用いて熱ＣＶＤ処理を行った。キャリアガスである水素の濃度を３倍にして、浮遊カーボンの発生を抑制した処方で熱ＣＶＤにより成膜された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で１０００倍に拡大してみると、図８のように数μｍの大きさの結晶がたくさん成長しているのが見られた。これは炭化珪素のＣＶＤ膜であるが、さらに５０００倍に拡大した図９において、成腹中に立方晶のβ−ＳｉＣ結晶が大きく成長しており、特に切り妻屋根状に稜線を上に向けた２２０方位の結晶粒が多いことがわかる。
【００４７】
これをＸＲＤ（Ｘ線回折）で観察すると、図１０に示すように、１１１方位と２２０方位が見られる。ここで、１１１方位に対する２２０方位のピーク比を取ると、７．６７となり２２０方位の結晶粒が多いことが数値からもわかる。結晶成長が進んだ成膜では、図８や図９から明らかなように、２２０方位の結晶粒が増加する。
【００４８】
このような構造の成膜を、例えば研削や切削などの機械加工で平滑加工しようとすると、ダイアモンド砥粒や刃先がこの結晶粒を加工する際に、結晶であるから刃先軌跡に沿って除去されず、結晶面に沿って劈開する。しかも、破断によって応力が急激に変わるため、一様な劈開面とならず、多数の微小劈開面で構成されたギザギザ面となる。これが、巨視的には点状に見える欠陥の発生で、実際に延性モード切削した図８の炭化珪素の熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を図１１に示す。加工面全体に数μｍの凸凹状の欠陥が大発生しており、光学面を創成するための転写成形面としてはかなり品質が低下している。これらの微細な結晶のワレやカケによる凸凹状の欠陥は、図１１からは一見、既に述べられた浮遊カーボンなどによる成膜の不均質によるものと同じように見えるが、その発生要因は以上に述べたように全く異なるものである。
【００４９】
図８の炭化珪素の熱ＣＶＤ成膜に対して、加工負荷が小さくなるように刃先切り込み量を小さくし、切削速度も１／２に低減して延性モード切削した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した写真が図１２である。図１２によれば、加工負荷が減少して、結晶粒の破断がかなり抑制された結果、凸凹状の欠陥の発生が少なくなってはいるが、場所によっては少し傾いた２２０方位結晶の断面形状である三角形状の欠陥も見られ、高精度光学面を創成するための転写成形面としての品質はまだ不十分といえる。
【００５０】
（実施例）
図１３は、図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。原料ガスは、図８の場合と全く同じで、浮遊カーボンの発生を抑制するため水素濃度を３倍多くしたものである。さらに１０００倍に拡大したものが図１４であるが、全く結晶形が見られず、次々に化学反応で還元された炭化珪素が重なって積もっている状態がわかる。さらに図１５は、１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真で、成膜時に還元したクラスターを見ることができ、このクラスターによって１００倍写真で見られる大きな成膜粒が構成されているのがわかる。
【００５１】
このように結晶形を全く有しない成膜表面は、一見すると結晶体に見えないが、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で観察すると図１６のように１１１や２２０、３１１などの方位が混在した多結晶体であることがわかった。ここで、１１１方位に対する２２０方位のピーク比を取ると、０．３６となり１１１方位の結晶粒が多いことがわかる。図８では、このピーク比が７．６７で２２０方位の結晶粒が多かったが、結晶成長が抑制されたＣＶＤ−ＳｉＣでは１１１方位の結晶粒が多くなることがわかる。
【００５２】
図１７、１８、１９も、また同様に成膜速度を速めて処理を行った炭化珪素の熱ＣＶＤ膜における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、倍率を変えて示しているが、成膜温度を図１３〜１５の例よりもやや低くした。成膜温度に若干の変動があっても、確実に成膜速度を速く維持することで、機械加工によって平滑な加工面が得られることがわかった。
【００５３】
図２０は、熱ＣＶＤによる図１７〜１９の炭化珪素成膜を、延性モードでダイアモンド切削した表面の２００倍の微分干渉顕微鏡写真である。同様の加工を行った従来の熱ＣＶＤ膜の図１１や図１２と比較して、微小カケやワレなどの凸凹状の欠陥が全く見当たらず、極めて滑らかな加工面が得られていることがわかる。この表面粗さは、どの場所においてもＲａ１ｎｍ以下を満足し、光学素子の光学面を成形転写するための金型の成形転写面として、実用に耐えうる優れた品位であった。
【００５４】
図２１、２２は、内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図であり、左縁が内筒の中心線の位置に相当し、右縁の内壁には成膜対象物が上下２段で突き出しているものとした。内筒の形状は、回転対称形状である円筒状である。図２１の例では、出口部には板状の障害物のみが設けられているが、図２２の例では、それに加えて内筒の内部中央に円筒状の障害物を配置しており、従って内筒の内部が輪帯状の流路となり、その流路面積は図２１の例に比べ２５％減少している。図２１，２２の例共に、同じ量の原料ガスを下から上に流したときのシミュレーション計算による流速を矢印で示してあるが、成膜対象物の近傍は特に計算点を細かく取り、微妙な流速の状態がわかるようにしてある。
【００５５】
図２１の例では、下部の内筒入り口から入った原料ガスは上昇し、成膜対象物を通り過ぎた後、流れの障害物である上部の板に達し、その周辺に設けられた内筒出口から排気されている。原料ガス流は、成膜対象物付近では流速が遅くなり、やや滞留しているのがわかる。この部分の流速を高くしようとすると、ほとんど成膜に寄与しない中心部の原料ガスの流速が比例してさらに高くなって排気されてしまうのがわかる。つまり、回転対称の原料ガス流路形状であれば、成膜対象物相互の成膜バラツキを抑えることはできるが、ガス流の障害物を内筒出口にのみ設けた流路形状の場合には、他にガス流の障害物が無いために、原料ガスの流速をあげて結晶粒を成長し難い条件にすると、その大半が成膜処理に利用されることなく通過して排出されてしまうことがわかる。
【００５６】
これに対し、図２２の例では、流路面積が２５％狭くなったため全体として流速が速くなっていることがわかるが、特に成膜対象物がある内壁付近の速度増加が著しく、２倍ほどに増速していることがわかる。したがって図２２の例では、成膜対象物には原料ガスが十分に供給されて成膜速度が流路面積比以上に速くなり、結晶成長がよく抑制されて凸凹状の欠陥の少ない成膜を期待できる。また、成膜に寄与する原料ガスの割合が増えるので、原料ガスを効率的に利用できる。このように流体シミュレーション結果によれば、原料ガス流路の中心部に障害物を置くことで、内筒内壁付近の成膜速度がより速くなり膜質が向上することと、原料ガスが効率よく使われて、無駄の少ない効率的な成膜が実現できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】熱ＣＶＤ処理を行うシステム全体を示す図である。
【図２】熱ＣＶＤ処理を行う成膜装置の断面図である。
【図３】図２の構成を矢印III-IIIで示す方向に見た図である。
【図４】本実施の形態の内筒を示す斜視図である。
【図５】比較例にかかる内筒を示す斜視図である。
【図６】別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。
【図７】更に別な実施の形態にかかる成膜装置の一部を示す断面図である。
【図８】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で１０００倍に拡大して観察した写真である。
【図９】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で５０００倍に拡大して観察した写真である。
【図１０】比較例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で評価したグラフである。
【図１１】熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図１２】加工条件を変えて熱ＣＶＤ成膜に加工を施した表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図１３】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１４】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１０００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１５】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１６】実施例の成膜装置により熱ＣＶＤ処理された成膜対象物の表面を、ＸＲＤ（Ｘ線回折）で評価したグラフである。
【図１７】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１８】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１０００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１９】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、成膜条件を変えて成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を１００００倍に拡大した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図２０】図１，２に示す成膜装置に、図４に示す内筒９を用いて、熱ＣＶＤの成膜速度を高速化して成膜した炭化珪素の熱ＣＶＤ膜表面を、２００倍の微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図２１】内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図である。
【図２２】内筒の半断面における原料ガスの流れを流体シミュレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ベース
１ａ 整流室
１ｂ 開口
２ カーボン体
３ カーボンヒータ
４ 底板
４ａ 孔
４ａ 開口
４ｂ 整流板
５ チャンバ
６ 断熱体
７ カーボンヒータ
８ 外筒
９ 内筒
９ａ 開口
１０ 断熱板
１０ａ テーパ面
１０ｂ 排出孔
１１ 冷却部
１１ａ 仕切り
１１ｂ 溝
１２ 冷却用配管
２０ 円柱
２１ 円盤
３０ 円柱
３０ａ 孔
３１ 蓋
１００ 成膜装置
１０１ 配管
１０２ エバポレータ
１０３ 配管
１０４ 放熱器
１０５ 水封ポンプ
Ｍ 成膜対象物
Ｍ１，Ｍ４ 成膜対象物
Ｍ２，Ｍ３ 成膜対象物
ＭＦ マスフローメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部は、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部中央には障害物が配置されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向は重力方向と逆方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記保持部材に保持された成膜対象物よりも排出側において、放射状に仕切りを設けた冷却部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記熱ＣＶＤにより成膜される炭化物が炭化珪素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記成膜対象物は光学素子成形用の金型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１】
熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部は、前記原料ガスの流れ方向の断面が回転対称形状であることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
熱ＣＶＤを用いて成膜対象物に炭化物を成膜する成膜装置であって、
成膜対象物を内部に露出して保持する保持部材と、
前記保持部材の内部に原料ガスを供給する供給手段と、
前記保持部材の内部から前記原料ガスを排出する排出手段と、を有し、
前記保持部材の内部中央には障害物が配置されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
前記保持部材の内部において、前記原料ガスの流れ方向は重力方向と逆方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記保持部材に保持された成膜対象物よりも排出側において、放射状に仕切りを設けた冷却部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記熱ＣＶＤにより成膜される炭化物が炭化珪素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記成膜対象物は光学素子成形用の金型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−４５１５５（Ｐ２００８−４５１５５Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１９７９７（Ｐ２００６−２１９７９７）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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