(57)【要約】【課題】広い面積の基板上に一様に、且つ密着性の優れた機能性表面を安価に形成する方法及び量産性に優れた機能性表面形成装置を提供する。【解決手段】真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器内に所定の元素を含むガスを導入し、該真空容器と被加工基材間に所定周波数の高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材をそれぞれ電気的に接続し、奇数番目の基材群及び偶数番目の基材群に所定の時間間隔で交互に高周波電力と負のパルス電圧を繰り返し印加して、所定元素を含む機能性表面及び／又は所定元素を含む化合物薄膜を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器内に所定の元素を含むガスを導入し、該真空容器と被加工基材間に高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材をそれぞれ電気的に接続し、奇数番目の基材群及び偶数番目の基材群に所定の時間間隔で交互に高周波電力と負のパルス電圧を繰り返し印加して、所定元素を含む機能性表面及び／又は所定元素を含む化合物薄膜を形成することを特徴とする機能性表面形成方法。
【請求項２】
前記高周波電力を所定時間間隔で間歇的に印加することを特長とする請求項１に記載の機能性表面形成方法。
【請求項３】
前記高周波電力の印加時間が１００〜５００μｓであり、高周波電力の休止時間が５０〜３００μｓであることを特長とする請求項１乃至２に記載の機能性表面形成方法。
【請求項４】
前記負のパルス電圧の立ち上がり時間が１μｓ以下、好ましくは０．０５μｓ乃至０．５μｓであることを特長とする請求項１乃至３に記載の機能性表面形成方法。
【請求項５】
前記負のパルス電圧のパルス幅が１０μｓ以下、好ましくは１μｓ乃至５μｓであることを特長とする請求項１乃至４に記載の機能性表面形成方法。
【請求項６】
前記パルス電圧のパルス波高が０．５ｋＶ以上、好ましくは１ｋＶ乃至２０ｋＶであることを特長とする請求項１乃至５に記載の機能性表面形成方法。
【請求項７】
前記所定の元素を含むガスが炭化水素、酸素、窒素、アンモニア、フッ化炭素、ジボラン、フォスフィン及び有機金属ガスの少なくとも一つを含むことを特長とする請求項１乃至６に記載の機能性表面形成方法。
【請求項８】
真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器内に所定の元素を含むガスを導入し、該真空容器と被加工基材間に高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材がそれぞれ電気的に接続され、該奇数番目の基材群及び偶数番目の基材群に所定の時間間隔で交互に高周波電力と負のパルス電圧が繰り返し印加されるように構成されていることを特長とする機能性表面形成装置。
【請求項９】
前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材がそれぞれ電気的に接続され、該二つの基材群の何れか一方の基材群がスイッチング手段を介して高周波電源に接続されている期間、他方の基材群がスイッチング手段を介してパルス電源に接続されるように構成されていることを特長とする請求項８に記載の機能性表面形成装置。
【請求項１０】
前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材がそれぞれ電気的に接続され、何れか一方の基材群がスイッチング手段及び重畳手段を介して高周波電源及びパルス電源に接続されている期間、他方の基材群がスイッチング手段を介して接地されるように構成されていることを特長とする請求項８に記載の機能性表面形成装置。
【請求項１１】
前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材がそれぞれ電気的に接続され、該二つの基材群へのパルス電圧及び高周波電力が両基材群のほぼ同一箇所から給電されるように構成されていることを特長とする請求項８乃至１０に記載の機能性表面形成装置。
【請求項１２】
前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材がそれぞれ電気的に接続され、該二つの基材群へのパルス電圧及び／又は高周波電力が両基材群の内側端部から給電されるように構成されていることを特長とする請求項８乃至１１に記載の機能性表面形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材表面に機能性表面を形成する方法に関し、負の短時間パルス電圧を印加して、基材表面に密着性よく均一に所定機能性表面を形成する方法及び機能性表面形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
凹凸形状を含む立体形状基材表面へのイオン注入や薄膜形成技術としてプラズマイオン注入（ＰＢＩＩ）法が開発されている。プラズマイオン注入法は放電プラズマ中に被加工基材を設置し、該被加工基材にプラズマ電位に対して負のパルス電圧を印加して所定元素のイオンを注入する、或いは所定元素を含む化合物薄膜を形成する方法である。
【０００３】
プラズマイオン注入法は、立体形状の基材表面近傍に高周波放電、直流放電、或いはＥＣＲ放電等によって予め一様なプラズマを発生し、基材に数ｋＶから数１０ｋＶの負のパルス電圧を印加することにより、基材表面とプラズマ間にイオンシースを形成する。該イオンシースの両端に加わる電位差でプラズマ表面からイオンを引き出し、加速して、基材に一様にイオンを注入、或いは薄膜を形成する技術である。イオンシース幅は印加パルス電圧、プラズマ密度等によって決まるが、通常数ミリメートルから数十センチメートルであって、平面や曲率がセンチメートルオーダー以上の比較的滑らかな凹凸面へのイオン注入や薄膜形成に適する。
【０００４】
従来、複数枚の被加工基材に一様にイオンを注入、或いは薄膜を形成する場合、複数枚の被加工基材に同時に、接地電位にあるプラズマ電位に対して負のパルス電圧を印加して所定元素イオンを注入する、或いは所定元素を含む化合物を形成する方法が採用されてきた。例えば、特許文献１では「真空容器内に被加工基材を導体に接続した状態で配置し、真空容器内を真空引きすると共に真空容器内にガスを導入した上で、導体に高周波電力を印加して被加工基材の周囲にプラズマを発生させ、導体を通じて被加工基材に高電圧パルスを印加することで、プラズマ中のイオンを被加工基材に誘引させ、イオンの注入・堆積・衝突を行う」技術が開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示する技術において、複数枚の被加工基材にイオン注入或いは機能性薄膜を形成する場合、図６に示すように複数枚の被加工基材６２は電気的に接続され、重畳手段６５を介して高周波電源６３及び負のパルス電源６４に接続され、接地された真空容器６１との間で放電プラズマが励起される。本技術においては、被加工基材に一様にイオンを注入する、或いは薄膜を形成するためには、図７に示すように複数枚の被加工基材７１の表面に一様なプラズマ７２が存在する必要があり、負のパルス電圧を印加したとき定常イオンシース７３の厚さは基材間隔の２分の１以下であることが要求される。
【０００６】
定常イオンシースの厚さは放電プラズマの密度、パルス電圧、パルス幅等に依存する。基材表面のプラズマ密度には限界があり、例えば、１立方センチメートル当たり１０の１０乗個程度のプラズマ密度の場合、基材に１０ｋＶの負のパルス電圧を印加すると、定常イオンシース幅は図８（非特許文献１、６ページ、図１２参照）に示すように約７ｃｍとなり、ほぼ平行に設置された２枚の板状基材表面に一様にイオン注入、或いは薄膜形成しようとする場合、少なくとも１４ｃｍ以上の間隔を保つ必要があり、被加工基材の数量が限られ、量産性が低い課題があった。
【０００７】
また、表面積の大きい複数枚の被加工基材に高電圧パルス電圧を印加する場合、被加工基材の電気容量及びインダクタンスが大きくなり、立ち上がり時間が１μｓ以下のパルス電圧を印加することが困難で、被加工基材の枚数を減らすか超低インダクタンスのパルス電源を採用する等の対策が必要となり、高価なものになる課題があった。
【０００８】
更に、真空容器と被加工基材の間隔も被加工基材の間隔と同程度以上の空間を必要とし、大がかりなプラズマ発生装置を必要とし、無駄な電力損失、不必要な原料ガスの消耗等の課題があった。
【特許文献１】特開２００１−２６８８７号公報
【非特許文献１】「放電研究  第４５巻  第２号（平成１４年）ｐｐ１〜６」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、被加工基材表面に密着性に優れた機能性薄膜を効率よく安価に製造することを課題としている。特に、複数枚の被加工基材表面に機能性表面を同時に形成することによって量産性を高めることを課題としている。更に、本発明は、広い面積の被加工基材表面に機能性薄膜を安定に被着形成する方法及び安価な機能性表面形成装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器内に所定の元素を含むガスを導入し、該真空容器と被加工基材間に高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材をそれぞれ電気的に接続し、奇数番目の基材群と偶数番目の基材群に交互に高周波電力と負のパルス電圧を繰り返し印加して、所定元素を含む機能性表面及び／又は所定元素を含む化合物薄膜を形成する。
【００１１】
本発明では、前記複数枚の被加工基材にスイッチング手段を介して高周波電力を供給して、接地された真空容器との間に放電プラズマを形成し、前記複数枚の被加工基材表面に高濃度のプラズマを形成する。高周波電源としては出力０．３〜２ｋＷ、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を使用することができる。但し、この周波数及び出力に限定されるものではない。
【００１２】
前記高周波電力の印加方法として、所定時間間隔で所定時間持続するバースト状の高周波電力を間歇的に印加することができる。該バースト状高周波電力の持続時間は所定濃度のプラズマ密度を維持するために必要な時間１００〜５００μｓが好ましく、高周波電力の休止時間は必要なプラズマ密度、或いは活性原子や活性分子の濃度が保持される時間５０〜３００μｓであることが望ましい。
【００１３】
前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材をそれぞれ別々に電気的に接続する。これら二つの基材群はスイッチング手段を介して高周波電源及びパルス電源に接続される。何れか一方の基材群が高周波電源に接続されている期間、他方の基材群はパルス電源に接続されるように構成する。奇数番目及び偶数番目の基材群は所定の時間間隔で高周波電力とパルス電圧が交互に印加される。
【００１４】
本発明によれば、負のパルス電圧を印加する周期と同期して奇数番目の基材と偶数番目の基材に交互に高周波電力を印加する。また、所定時間毎、即ち、一方の被加工基材群に複数回高周波電力を印加し、他方の被加工基材群にパルス電圧を印加する操作を両基材群に交互に行うことも可能である。所定時間毎に交互に前記両基材群にパルス電圧を印加しても均一なイオン注入、或いは均一な薄膜を形成する上で問題はなく、パルス電圧電源装置を安価に提供できる。
【００１５】
本駆動方法によれば、奇数番目の基板に負のパルス電圧を印加するとき、偶数番目の基板はプラズマ電位（実質的に接地電位）に保持されるため、イオンシースの厚さを電極間隔と同程度まで拡張することが可能になる。同様に、偶数番目の基板に負のパルス電圧を印加するとき、奇数番目の基板はプラズマ電位に保持されるため、何れの場合もイオンシースの厚さを電極間隔と同程度まで拡張とすることが可能になる。即ち、奇数番目の基材群と偶数番目の基材群に交互に負のパルス電圧を繰り返し印加することによって、負のパルス電圧の印加時、イオンシースの厚さをほぼ電極間隔まで拡張することが可能になる。
【００１６】
更に、他の実施方法として、前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材をそれぞれ電気的に接続し、二つの基材群の何れか一方の基材群にスイッチング手段及び重畳手段を介して高周波電力とパルス電圧を印加し、他方の基材群を接地して実施することができる。この実施方法においても、所定の時間間隔で高周波電力とパルス電圧を奇数番目の基材群と偶数番目の基材群に交互に印加する。本実施方法では、パルス電圧を印加する基材群には高周波電力も印加され、対向する電極群が接地されているため、両電極群間で放電が維持され、基材表面に高濃度のプラズマを励起することが可能になり、機能性表面形成速度の向上を図ることができる。また、両基材群に所定の時間間隔で高周波電力とパルス電圧を交互に印加することによって、両基材群とも基材表面に一様な機能性表面を形成することが可能になる。
【００１７】
本発明の他の効果的な実施方法として、前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材のほぼ同一箇所からパルス電圧及び高周波電力を印加するように構成する。このような構成にすると、奇数番目の基材に流れる電流と偶数番目の基材に流れる電流は、流れる方向がお互いに逆向きとなり、発生する磁界が相殺されるため、インダクタンスを低減することができる。立ち上がり時間１μｓ以下の高電圧パルスを印加する場合、極めて有効な方法であって、安価な機能性表面形成装置を提供することができる。
【００１８】
前記負のパルス電圧を基材に印加すると、電子プラズマ振動周期程度の時間でマトリックスシースが形成される。電子プラズマ振動周期はプラズマ密度によって異なるが、通常ナノ秒のオーダーである。従って、前記負のパルス電圧の立ち上がり時間は通常ナノ秒のオーダーであることが望ましい。しかし、実際には基材の電気容量、給電配線のインダクタンス等が存在し、立ち上がり時間がナノ秒のオーダーのパルス電源を用いることは実用的ではない。マトリックスシース中のイオンが注入され始めるイオンプラズマ振動周期程度の立ち上がり時間を有するパルス電源を用いることができる。イオンプラズマ振動周期はプラズマ密度の平方根に反比例して変化するが、実用的には１μｓ以下、好ましくは０．０５μｓ乃至０．５μｓであることが望ましい。
【００１９】
本発明では、前記負のパルス電圧のパルス幅はイオンシースの厚さが基材間隔まで拡張する時間以下であることが望ましい。イオンシース厚はプラズマ密度及び印加パルス電圧に依存する。イオンシース厚が定常状態に達するまでの時間、通常のプラズマ密度の場合、１０μｓ以下、好ましくは１μｓ乃至５μｓであることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、プラズマ密度が単位体積当たり１０の１０乗個程度の場合、印加パルス電圧の立ち上がり時間及びパルス幅を前記時間領域に選べば、基材表面近傍に常に一様なプラズマが存在する状態が維持でき、基材表面に均一なイオン注入、或いは均一な薄膜の形成が可能になる。しかし、イオンシースの厚さはプラズマ密度及びパルス電圧のパルス波高等に依存するため、前記印加パルス電圧の立ち上がり時間及びパルス幅に限定しなくてもよい。
【００２１】
本発明によると、前記パルス電圧のパルス波高は０．５ｋＶ以上、好ましくは１ｋＶ乃至２０ｋＶである。被加工基材表面にイオン注入する場合、或いは被加工基材表面層にミキシング層を形成する場合、パルス電圧のパルス波高は５〜２０ｋＶであることが望ましいが、被加工基材表面に機能性薄膜を形成する場合は、パルス電圧のパルス波高は０．５〜５ｋＶであることが望ましい。
【００２２】
被加工基材表面にイオン注入する場合、或いは密着性に優れた機能性薄膜を形成する場合は、パルス波高が５〜２０ｋＶの負のパルス電圧を被加工基材に印加することによって、被加工基材表面にプラズマ中の所定イオンを注入することができ、機能性表面を形成することができる。また、被加工基材表面層にミキシング層を形成することができる。注入深さはイオン種、基材及び印加パルス波高等に依存し、任意に制御することができる。また、注入量を制御することによって、所定の機能性を有する密着性に優れた機能性表面、或いは密着性に優れた機能性薄膜を形成することができる。
【００２３】
被加工基材表面に機能性薄膜を形成する場合は、パルス波高０．５〜５ｋＶの負のパルス電圧を印加することによって、いわゆるプラズマＣＶＤを行うことが可能で、機能性薄膜の成長速度を向上することが可能である。また、機能性薄膜形成初期において、パルス波高を５ｋＶ以上の負のパルス電圧を印加して基材表面にミキシング層を形成した後、パルス波高０．５〜５ｋＶの負のパルス電圧を印加して薄膜形成を行えば、基材との密着性に優れた機能性薄膜を形成することができる。
【００２４】
更に、本発明によれば、前記高周波電力の印加方法として、所定時間間隔で所定時間持続するバースト状の高周波電力を間歇的に印加することによって、材料物性の優れた薄膜を形成することができる。所定持続時間のバースト状高周波電力を被加工基材に印加すると、高周波電力遮断後も一定時間プラズマ状態は維持され、イオン種及び励起状態にある活性種によって該休止時間中にも機能性薄膜の形成が持続される。この休止時間中はプラズマ中の高エネルギーイオン照射による照射損傷が低減されるため結晶性等材料物性の優れた機能性薄膜の形成が可能である。
【００２５】
本発明による機能性表面形成方法においては、放電ガスに所定の元素を含むガスを導入することによって、所定の元素を含む表面の形成、或いは薄膜を形成することができる。放電ガスに炭化水素や有機金属ガスを導入すれば、ＤＬＣや金属薄膜が形成でき、酸素や窒素、アンモニアガスを導入すれば金属や半導体表面に酸化膜や窒化膜を形成できる。
【００２６】
更に、炭化フッ素等フッ素化合物ガスを混入することによってＦ−ＤＬＣ（フッ素を含むＤＬＣ）やフッ化物薄膜が形成でき、ジボラン、フォスフィン等を混入すれば、半導体基板表面にドーパントとしてボロンやリンをドーピングできる。また、本発明による薄膜形成方法では前記所定の元素を含むガスに限られるものではなく、必要に応じて前記以外のガスを導入して薄膜形成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
１）真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器と被加工基材間に高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、奇数番目の基材群と偶数番目の基材群に交互に高周波電力と負のパルス電圧を繰り返し印加ことによって、被加工基材の間隔を従来技術の少なくとも２分の１以下に低減することが可能になり、生産性を２倍以上に高める効果を奏する。また、基材全面にわたって均一なイオン注入、或いは均一な薄膜形成が可能になる効果がある。
２）前記複数枚の被加工基材の奇数番目及び偶数番目の基材のほぼ同一箇所からパルス電圧及び／又は高周波電力を印加する構成とすることによって、被加工基材のインダクタンスを実質的に低減することができる。その結果、立ち上がり時間１μｓ以下の高電圧パルスを印加することが可能になり、基材間距離を従来よりも著しく低減でき、従来のパルス電源を用いて生産性を向上できる効果を奏する。また、広い面積の被加工基材表面に密着性に優れた機能性薄膜を安定に被着形成できる効果を奏する。
３）一方の電極群に高周波電力とパルス電圧を重畳して印加し、対向する電極群を接地することによって、両電極群間の放電を容易にし、被加工基材表面に高濃度のプラズマを発生することが可能になり、機能性表面形成速度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は複数枚の被加工基材全面に均一なイオン注入、或いは均一な機能性薄膜を安価に形成することを目的とし、真空容器内に複数枚の被加工基材を一定間隔で設置し、該真空容器と被加工基材間に高周波電力を印加して放電プラズマを発生させ、奇数番目の基材群と偶数番目の基材群に交互に高周波電力と負のパルス電圧を繰り返し印加ことによって、被加工基材の間隔を従来技術の少なくとも２分の１以下に低減することを可能にし、生産性を２倍以上に向上する。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態に係る機能性表面形成方法について図を参照しながら説明する。図１に本発明による高周波放電プラズマを用いた機能性表面形成装置の一実施例の断面斜視図を示す。なお、図１には便宜上、本発明の一実施例として機能性表面形成装置の要部構成を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
図１において、１１は内径８０ｃｍ、高さ１２０ｃｍの真空容器である。真空容器１１は電気的に接地されている。真空容器１１内には、４枚のドーナツ形状の被加工基材１２−Ａ１、１２−Ａ２、１２−Ｂ１及び１２−Ｂ２がほぼ等間隔で、ほぼ平行に係止されている。本実施例では、被加工基材として外径６０ｃｍ、内径２０ｃｍ、厚さ１ｍｍのドーナツ形状ステンレス基材４枚を用い、基材間隔７ｃｍを保持してほぼ平行に係止した。これら基材１２−Ａ１、１２−Ａ２、１２−Ｂ１、１２−Ｂ２は奇数番目及び偶数番目毎に電気的に接続され、二つの基材群Ａ及びＢに分けられる。この二つの基材群はスイッチング手段１５及びマッチングボックス（図示せず）を介して高周波電源１３に、またスイッチング手段１５を介してパルス電源１４に接続されている。
【００３１】
高周波電源１３は周波数１３．５６ＭＨｚ、０．３ｋＷ〜２ｋＷの出力を有する。高周波出力は被加工基材の数量、面積、放電条件等によって所定の出力に調整される。本実施例では、０．４〜０．５ｋＷに調整した。ドーナツ形状基材１２の内側端部から高周波電力及びパルス電圧を印加した。
【００３２】
パルス電源１４は波高０．５〜２０ｋＶ、パルス幅１〜１０μｓ、立ち上がり時間０．２〜１μｓの出力を有する。本実施例では、波高１０ｋＶ、パルス幅１μｓ、立ち上がり時間０．５μｓ、周波数２ｋＨｚの負のパルス電圧を印加した。また、二つの電極群にはスイッチング手段１５を介して、高周波電力及びパルス電圧をそれぞれ基材群Ａ及び基材群Ｂに周期０．１秒で交互に印加した。
【００３３】
本実施例では、真空容器内を予め高真空に排気して十分ガス出しした後、水素ガス２０％とアルゴンガス８０％の混合ガスを導入して圧力２．６パスカルに調整し、０．５ｋＷの高周波電力を被加工基材１２と真空容器１１間に印加して放電プラズマを発生させ、基材表面のクリーニングを行った。次に、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスの導入を停止し、メタンガスを導入して圧力５．２パスカルに保持した。一方の基板群に周波数１３．５６ＭＨｚ、出力０．５ｋＷ、持続時間２５０μｓ、休止時間２５０μｓの間歇的な高周波電力を印加し、他方の電極群に波高１０ｋＶ、パルス幅１μｓ、立ち上がり時間０．５μｓ、周波数２ｋＨｚの負のパルス電圧を印加した。スイッチング手段１５によって高周波電力とパルス電圧を０．１秒周期で交互に切り替え、両電極群に６０分間印加した。
【００３４】
本実施例では、一方の基材群Ａに周期５００μｓの間歇的な高周波電力を印加し、この間は他方の基材群Ｂには周期５００μｓのパルス電圧を印加した。このような運転条件において、電極群Ｂはプラズマ電位、即ち実質的に接地電位に保持され、電極群Ｂの表面にも電極群Ａの表面と同程度のプラズマ密度が維持されるため、ＤＬＣ膜が成長する。また、高周波電力遮断後も一定時間プラズマ状態は維持され、イオン化された原子及び分子、励起状態にある活性原子及び分子によって該休止時間中にも機能性薄膜形成は持続される。この休止時間中はプラズマ中の高エネルギーイオンの照射による照射損傷が低減されるため、間歇的な高周波電力の印加方法は結晶性等材料物性の優れた機能性薄膜を形成するのに有効な手段である。
【００３５】
前記の条件で機能性膜形成を行った結果、基板の両面に厚さ１μｍのＤＬＣ膜が形成され、同一基材内での膜厚及び基材間の膜厚のばらつきはそれぞれ３％及び５％以内であることが確認された。また、密着強度が約１０Ｎ／ｃｍ２、硬度が１５００ｋｇｆ／ｃｍ２のＤＬＣ膜が得られた。以上の結果は、従来基材間隔を１５〜２０ｃｍに保持してＤＬＣ膜を形成したものとほぼ同等な結果である。本実施例は基材間隔を従来例の２分の１以下に低減できることを示すものである。
【００３６】
本実施例では、原料ガスとしてメタンガスを用いたが、本原料ガスに限られるものではなく、アセチレン、トルエン等の炭化水素ガスも使用できることは云うまでもない。また、印加する高周波電力バーストの幅、繰り返し周期及びパルス電圧のパルス波高、パルス幅、繰り返し周期等は機能性表面形成の目的に応じて任意に選択でき、本実施例に限定されるもではない。
【実施例２】
【００３７】
本発明による他の実施例として用いた機能性表面形成装置の断面斜視図を図２に示す。本実施例では、複数枚の被加工基材の奇数番目２２−Ａ１、２２−Ａ２及び偶数番目２２−Ｂ１、２２−Ｂ２の基材をそれぞれ電気的に接続し、二つの基材群の何れか一方の基材群にスイッチング手段２５及び重畳手段２６を介して高周波電力とパルス電圧を印加し、他方の基材群はスイッチング手段２５によって接地するように構成されている。この実施例においても、所定の時間間隔で奇数番目の基材群Ａと偶数番目の基材群Ｂに交互に印加する。
【００３８】
本実施例では、被加工基材の係止方法及び運転条件等は実施例１と同じ条件でＤＬＣ膜の形成を行った。本実施例では、高周波電力を印加する基材群にはパルス電圧も印加され、対向する電極群が接地されているため、両電極群間の放電が強化され、基材表面に高濃度のプラズマを励起することが可能になり、機能性表面形成速度の向上が図られた。また、両基材群に所定の時間間隔で高周波電力とパルス電圧を交互に印加することによって、両基材群とも基材表面に一様な機能性表面を形成することができた。
【００３９】
本実施例では基材の両面に厚さ１．３μｍのＤＬＣ膜が形成され、同一基材内での膜厚及び基材間の膜厚のばらつきはそれぞれ３％及び５％以内であった。ＤＬＣ膜の成長速度は約３割増加した。また、密着強度及び硬度等は実施例１の結果とほぼ同等のＤＬＣ膜が得られた。
【００４０】
本発明によれば、高周波電力は基材群Ａと基材群Ｂとの間に印加され、実質的に両基材間で放電プラズマが形成される。従って、基材群Ｂの表面にも基材群Ａの表面と同程度のプラズマ密度が維持されるため、基板群Ｂの表面にも基材群Ａの表面と同程度のＤＬＣ膜が成長する。また、実施例１と同様に、高周波電力遮断後も一定時間プラズマ状態は維持され、イオン種及び励起状態にある活性種によって該休止時間中にも機能性薄膜の形成は持続される。この休止時間中はプラズマ中の高エネルギーイオンの照射による照射損傷が低減されるため結晶性等材料物性の優れた機能性薄膜の形成が可能である。
【００４１】
本実施例では、一方の基材群Ａに周期５００μｓの間歇的な高周波電力と周期５００μｓの負のパルス電圧を印加し、この間は他方の基材群Ｂは接地した。即ち、パルス電圧をトリガーとして持続時間２５０μｓのバースト状の高周波電力を印加したが、高周波電力の間歇的印加とパルス電圧の印加とは必ずしも同期して印加する必要はない。また、本発明による機能性表面形成方法では、ＤＬＣ膜は主として高周波放電による化学反応によって形成され、負のパルス電圧印加はイオン照射による基材との密着性の向上に寄与するものである。従って、パルス電圧の周期と間歇的に印加する高周波電力の周期は必ずしも同一である必要はなく、所望の機能性薄膜表面形成に応じて決められる設計要因である。また、被加工基材の数量及びサイズも本実施例に限定されるものではなく、必要に応じて決められる設計要因である。
【００４２】
更に、本実施例では、被加工基材としてドーナツ状円板を用いたが、図３に示すようにドーナツ状の円板を被加工基材の支持基板とし、該支持基板３１の片面又は両面に複数の被加工基材３２を係止して運転すれば、任意のサイズと任意の形状の被加工基材表面に機能性薄膜を形成することができる。
【実施例３】
【００４３】
本発明による他の実施例を図４に示す。図４は本実施例で用いた機能性表面形成装置の断面斜視図である。真空容器４１内に８枚の長方形状の被加工基材４２−Ａ１乃至４２−Ａ４及び４２−Ｂ１乃至４２−Ｂ４をほぼ等間隔で、真空容器４１の中心軸から放射状に係止して実施した実施例について説明する。本実施例では、被加工基材として幅２０ｃｍ、高さ８０ｃｍ、厚さ１ｍｍの長方形状ステンレス基材を用い、最短基材間隔７ｃｍを保持してほぼ垂直に係止した。これらの基材は奇数番目（４２−Ａ１乃至４２−Ａ４、基材群A）及び偶数番目（４２−Ｂ１乃至４２−Ｂ４、基材群Ｂ）毎に電気的に接続され、二つの基材群に分けられる。二つの基材群の何れか一方の基材群にスイッチング手段４５と重畳手段４６及びマッチングボックス（図示せず）を介して高周波電力とパルス電圧を印加し、他方の基材群を接地するように構成されている。本実施例においても、所定の時間間隔で高周波電力とパルス電圧が奇数番目の基材群Ａと偶数番目の基材群Ｂに交互に印加される。
【００４４】
本実施例では、実施例１と同様に真空容器内を予め高真空に排気して十分ガス出しした後、圧力２．６パスカルの水素ガス２０％とアルゴンガス８０％の混合ガスを導入し、周波数１３．５６ＭＨｚ、出力０．５ｋＷの高周波電力を被加工基材群ＡとＢの間に印加して放電プラズマを発生させ、基板表面のクリーニングを行った。次に、メタンガスを導入し、圧力５．６パスカルに保持して一方の基板群に周波数１３．５６ＭＨｚ、出力０．８ｋＷ、印加時間２５０μｓ、休止時間２５０μｓの間歇高周波電力と波高５ｋＶ、パルス幅１μｓ、立ち上がり時間０．５μｓ、周波数２ｋＨｚの負のパルス電圧をスイッチング手段４５及び重畳手段４６を介して印加した。他方の電極群はスイッチング手段４５を介して接地した。両電極群はスイッチング手段４５によって０．１秒周期で切り替え、高周波電力及びパルス電圧と接地を繰り返し６０分間運転した。
【００４５】
また、パルス電圧と高周波電力は被加工基材の上端部から印加した。奇数番目の基材（４２−Ａ１乃至４２−Ａ４）及び偶数番目の基材（４２−Ｂ１乃至４２−Ｂ４）はそれぞれ上端部で電気的に接続されている。このような構成にすると、奇数番目の基材に流れる電流と偶数番目の基材に流れる電流は、流れる方向がお互いに逆向きとなり、発生する磁界が相殺されるため、インダクタンスを低減することができる。立ち上がり時間１μｓ以下の高電圧パルスを印加する場合、極めて有効な方法であって、安価な機能性表面形成装置を提供することができる。
【００４６】
前記の条件でＤＬＣ膜形成実験を行った結果、基材の両面に厚さ１．５μｍのＤＬＣ膜が形成され、同一基材内での膜厚及び基材間の膜厚のばらつきはそれぞれ５％及び１０％以内であることが確認された。また、密着強度が約１０Ｎ／ｃｍ２、硬度が１５００ｋｇｆ／ｃｍ２のＤＬＣ膜が得られた。以上の結果は、従来基材間隔を１５〜２０ｃｍに保持してＤＬＣ膜を形成したものとほぼ同等な結果である。本実施例は基材間隔を従来例の２分の１以下に低減できることを示すものである。
【００４７】
本実施例では、被加工基材として長方形基材を用いたが、図５に示すように長方形基板を被加工基材の支持基板とし、該支持基板５１の片面又は両面に複数の被加工基材５２を係止して運転することができる。この場合、任意の形状及び任意のサイズの被加工基材表面に機能性薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】機能性表面形成方法の一実施形態を示す要部断面斜視図である。
【図２】機能性表面形成方法の他の一実施形態を示す要部断面斜視図である。
【図３】ドーナツ状支持板に被加工基材を係止した実施形態の斜視図である。
【図４】機能性表面形成方法の他の一実施形態を示す要部断面斜視図である。
【図５】長方形状支持板に被加工基材を係止した実施形態の斜視図である。
【図６】従来技術の一実施例を示す要部断面斜視図である。
【図７】被加工基材に負のパルス電圧を印加したときのイオンシース形状を示す図である。
【図８】プラズマ密度とマトリックスシース幅及び定常シース幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１・・・真空容器、１２−Ａ１・・・被加工基材、１２−Ａ２・・・被加工基材、１２−Ｂ１・・・被加工基材、１２−Ｂ２・・・被加工基材、１３・・・高周波電源、１４・・・パルス電源、１５・・・スイッチング手段、２１・・・真空容器、２２−Ａ１・・・被加工基材、２２−Ａ２・・・被加工基材、２２−Ｂ１・・・被加工基材、２２−Ｂ２・・・被加工基材、２３・・・高周波電源、２４・・・パルス電源、２５・・・スイッチング手段、２６・・・重畳手段、３１・・・支持基板、３２・・・被加工基材、４１・・・真空容器、４２−Ａ１〜４２−Ａ４・・・被加工基材、４２−Ｂ１〜４２−Ｂ４・・・被加工基材、４３・・・高周波電源、４４・・・パルス電源、４５・・・スイッチング手段、４６・・・重畳手段、５１・・・支持基板、５２・・・被加工基材、６１・・・真空容器、６２・・・被加工基材、６３・・・高周波電源、６４・・・パルス電源、６５・・・重畳手段、７１・・・被加工基材、７２・・・プラズマ、７３・・・イオンシース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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