(57)【要約】【課題】ＳＰ２結合とＳＰ３結合との比率を制御することが可能であり、構造が異なる炭素質膜の形成が容易な成膜装置を実現できるようにする。【解決手段】成膜装置は、成膜室１１と、成膜室１１内に設けられた第１の電極２１と第２の電極２２とを有するプラズマ発生部と、成膜室１１の中に設けられ、成膜室１１内を運動する中性粒子が感ずる電子エネルギー分布関数を変化させるエネルギー分布関数可変部とを備えている。エネルギー分布関数可変部は、第１の電極２１と第２の電極２２との間に配置され、グリッド電極２３と、成膜室１１内においてグリッド電極２３を移動させる移動機構３０とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に炭素質膜を成膜する成膜装置であって、
成膜室と、
前記成膜室内にプラズマを発生するプラズマ発生部と、
前記成膜室の中に設けられ、前記成膜室内を運動する中性粒子が感ずる電子エネルギー分布関数を変化させるエネルギー分布関数可変部とを備え、
前記エネルギー分布関数可変部は、
グリッド電極と、
前記成膜室内において前記グリッド電極を移動させる移動機構とを有していることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記エネルギー分布関数可変部は、前記グリッド電極にバイアス電圧を印加するバイアス電源を有していることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記プラズマ発生部は、前記成膜室内に互いに平行に配置された第１の電極及び第２の電極を有する容量結合型のプラズマ装置であり、
前記グリッド電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されてい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】
前記プラズマ発生部は、誘導結合アンテナを有する誘導結合型のプラズマ装置であり、
前記グリッド電極は、前記プラズマ発生部と、前記基材との間に配置されてい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５】
前記プラズマ発生部は、マイクロ波発生部と磁石とを有する電子サイクロトロン共鳴型のプラズマ装置であり、
前記グリッド電極は、共鳴層と、前記基材との間に配置されてい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６】
前記プラズマ発生部は、誘電体窓を有する表面波型のプラズマ装置であり、
前記グリッド電極は、前記誘電体窓と、前記基材との間に配置されてい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７】
前記移動機構は、
前記グリッド電極を移動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータの動作を制御する制御部とを有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置に関し、特にダイヤモンド様膜に代表される炭素質膜の成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド様膜（ＤＬＣ膜）に代表される炭素質膜は、幅広い分野において利用が期待されている。例えば、高硬度の特性を有するため切削工具等の表面コーティングとしての利用が進められている。また、高い生体適合性に注目した医療分野への利用及び半導体としての特性に注目した半導体分野への応用等が期待されている。
【０００３】
各分野において炭素質膜に要求される特性は互いに異なっている。炭素質膜の特性は、炭素質膜の構造、つまり炭素質膜を構成する炭素原子におけるグラファイト結合（ＳＰ２結合）とダイヤモンド結合（ＳＰ３結合）との比率によって変化する。このため、炭素質膜におけるＳＰ２結合とＳＰ３結合との比率を自由に制御することができる成膜方法が必要とされている。
【０００４】
特性が異なる炭素質膜を形成するための最も確実な方法は、異なる設計の成膜装置を用いることである。しかし、複数種類の成膜装置を揃えることはコストの点からみても現実的ではない。このため、成膜の際の外部パラメータを変化させることにより、炭素質膜の特性を変化させることが一般に行われている。外部パラメータとは、例えば、プラズマ化学気相堆積（ＣＶＤ）法においては、電極への印加電圧、チャンバ（成膜室）内の圧力又はガス流量又は基板バイアス等である。また、成膜に用いるガスの種類を変えたり、シリコン等の炭素以外の成分を添加することも行われている。
【０００５】
また、陰極アーク放電による成膜方法においては、イオン行程距離を変化させることにより特性が異なる炭素質膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００５−３５０７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の炭素質膜の特性を変化させる方法には、以下のような問題がある。
【０００７】
まず、電圧等の外部パラメータを変化させる方法においては、ＤＬＣ膜の構造を大きく変化させることができないという問題がある。また、ガス種を変化させたり、シリコン等を添加したりする場合には、炭素質膜の構造だけでなく炭素以外の成分の含有量が大きく変化してしまうという問題もある。
【０００８】
イオン行程距離を変化させる方法の場合には、基板と陰極との間隔を確保するために成膜室の上下方向の長さが長くなるという問題がある。また、アーク放電を用いるため、熱の影響を大きく受けること及び消費電力が大きいという問題もある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、ＳＰ２結合とＳＰ３結合との比率を制御することが可能であり、構造が異なる炭素質膜の形成が容易な成膜装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は炭素膜の成膜装置を、成膜室内における中性粒子に対する電子エネルギー分布関数を可変する機構を備えた構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る成膜装置は、基材の表面に炭素質膜を成膜する成膜装置を対象とし、成膜室と、成膜室内にプラズマを発生するプラズマ発生部と、成膜室の中に設けられ、成膜室内を運動する中性粒子が感ずる電子エネルギー分布関数を変化させるエネルギー分布関数可変部とを備え、エネルギー分布関数可変部は、グリッド電極と、成膜室内においてグリッド電極を移動させる移動機構とを有していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の成膜装置は、グリッド電極と、成膜室内においてグリッド電極を移動させる移動機構とを有するエネルギー分布関数可変部を備えている。このため、成膜に寄与するプラズマの電子エネルギー分布関数を容易に制御することができる。このため、炭素質膜におけるＳＰ２結合とＳＰ３結合との比率を自由に制御することが可能となる。また、電子エネルギー分布関数の制御は、成膜室内におけるグリッド電極の位置を調整するだけであるから、非常に簡便であるという利点を有している。
【００１３】
本発明の成膜装置において、エネルギー分布関数可変部は、グリッド電極にバイアス電圧を印加するバイアス電源を有していてもよい。
【００１４】
本発明の成膜装置において、プラズマ発生部は、成膜室内に互いに平行に配置された第１の電極及び第２の電極を有する容量結合型のプラズマ装置であり、グリッド電極は、第１の電極と第２の電極との間に配置されている構成としてもよい。
【００１５】
本発明の成膜装置において、プラズマ発生部は、誘導結合アンテナを有する誘導結合型のプラズマ装置であり、グリッド電極は、プラズマ発生部と、基材との間に配置されている構成としてもよい。
【００１６】
本発明の成膜装置において、プラズマ発生部は、マイクロ波発生部と磁石とを有する電子サイクロトロン共鳴型のプラズマ装置であり、グリッド電極は、共鳴層と、基材との間に配置されている構成としてもよい。
【００１７】
本発明の成膜装置において、プラズマ発生部は、誘電体窓を有する表面波型のプラズマ装置であり、グリッド電極は、誘電体窓と、基材との間に配置されている構成としてもよい。
【００１８】
本発明の成膜装置において、移動機構は、グリッド電極を移動させるアクチュエータと、アクチュエータの動作を制御する制御部とを有している構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る成膜装置によれば、ＳＰ２結合とＳＰ３結合との比率を制御することが可能であり、構造が異なる炭素質膜の形成が容易な成膜装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係る成膜装置を示している。図１に示すように、本実施形態の成膜装置は、容量結合型のプラズマ発生部を有するプラズマ化学気相堆積（ＣＶＤ）装置である。ガス導入機構１２及び排気機構１３を有する成膜室１１の内部には、第１の電極２１と第２の電極２２とが互いに対向するように配置されている。第１の電極２１、第２の電極２２、高周波電源２５及びマッチングボックス２６により、容量結合型のプラズマ発生部が構成されている。第１の電極２１と第２の電極２２との間に、マッチングボックス２６を介して接続された高周波電源２５を用いて高周波電力を印加することにより、放電を生じさせ、成膜室１１内にプラズマを発生させる。
【００２１】
第１の電極２１と第２の電極２２との間には、グリッド電極２３が設けられている。グリッド電極２３には、バイアス電源２７が接続されており、負バイアス電圧が印加されている。但し、条件によっては、グリッド電極２３を浮遊状態としたり、絶縁体としてもかまわない。
【００２２】
グリッド電極２３は、アクチュエータ３１とコントローラ３２とを有する移動機構３０により、第１の電極２１と第２の電極２２との間を移動可能となっている。アクチュエータ３１は、プラズマチャンバ内において用いることができればどのようなものであってもよい。空気圧又は電動モータ等により駆動されるアクチュエータが好ましい。
【００２３】
図２は、成膜室１１内におけるプラズマの発生状態を示している。第１の電極２１とグリッド電極２３との間の領域は、発光が強い強発光領域１１ａとなり、第２の電極２２とグリッド電極２３と間の領域は、発光が弱い弱発光領域１１ｂとなる。なお、弱発光領域１１ｂは、グリッドバイアスの設定によっては、発光がない領域となる場合もある。
【００２４】
強発光領域１１ａにおける中性粒子に対する電子エネルギー分布関数ｆ１及び弱発光領域１１ｂにおける中性粒子に対する電子エネルギー分布関数ｆ２は、それぞれ図３（ａ）及び（ｂ）のようになる。強発光領域１１ａにおいては、電子エネルギー分布関数がブロードとなり、電子温度Ｔｅが高い。一方、弱発光領域１１ｂにおいては、電子エネルギー分布関数がシャープとなり、電子温度Ｔｅが低い。
【００２５】
強発光領域１１ａにおける電子エネルギー分布関数をｆ１、弱発光領域１１ｂにおける電子エネルギー分布関数をｆ２とすると、成膜室１１内を動き回る中性粒子が感ずる平均的な電子エネルギー分布関数ｆは、次の式１のように表される。但し、成膜室は半径がＲの円筒形であるとし、第１の電極２１とグリッド電極２３との間隔をＬ１、第２の電極２２とグリッド電極２３との間隔をＬ２とする。
【００２６】
【数１】
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式１に示すように成膜室１１内を運動する中性粒子が感ずる平均的な電子エネルギー分布関数ｆは、Ｌ１とＬ２との比率に依存する。従って、グリッド電極２３の位置を移動させることにより、成膜室１１内を運動する中性粒子が感ずる電子エネルギー分布関数を容易に変化させることが可能となる。つまり、グリッド電極２３とその位置を移動させる移動機構３０とは、成膜室１１内における中性粒子に対する電子エネルギー分布関数を変化させるエネルギー分布関数可変部として機能する。
【００２７】
電子エネルギー分布関数ｆを変化させることにより、成膜室１１内を運動する中性粒子が感ずる平均的な電子温度が変化する。炭素質膜をプラズマＣＶＤ法により成膜する場合に、プラズマの電子温度が高いとＳＰ２結合が増加し、プラズマの電子温度が低いとＳＰ３結合が増加することが知られている。
【００２８】
図４は、電子温度Ｔｅが異なるプラズマを用いて形成した炭素質膜のラマンスペクトルを示している。電子温度Ｔｅが低くなるに従い、ＳＰ２結合の存在を示すＧピーク（１５８０ｃｍ-1付近）は減少し、ＳＰ３結合の存在を示すＤピーク（１３５０ｃｍ-1付近）が増大すると共に、形状がシャープになっている。これは、ＳＰ２結合が多いＤＬＣ膜から次第にＳＰ２結合をほとんど含まないダイヤモンド膜へと変化していることを示している。
【００２９】
電子温度を制御する方法として、ホットフィラメントを用いたり、磁場を用いたりする方法が知られている。しかし、これらの方法では、一旦設定した電子温度を簡単に変えることができない。しかし、本実施形態の成膜装置は、グリッド電極２３及びその移動機構３０を有するエネルギー分布関数可変部を備えているため、成膜室１１内に発生するプラズマの電子温度Ｔｅを容易に変化させることができる。このため、炭素質膜に含まれるＳＰ２結合とＳＰ３結合の割合を大きく変化させ、グラファイト膜からダイヤモンド膜までの種々の組成の炭素質膜を容易に成膜することができる。
【００３０】
本実施形態の成膜装置に用いるグリッド電極２３は、バイアスが印加できる導電性の材料により形成されていればよく、通常の金属製のグリッドを用いることができる。特に、タングステン又はカーボン等のグリッドであれば、プラズマの放射熱に対する耐性が高いため好ましい。
【００３１】
グリッドの間隔は、特に限定されず、成膜室の大きさ、プラズマの発生条件及び目的とする炭素質膜の組成等に応じて調整すればよい。但し、間隔が大きすぎると低エネルギー電子のグリッドの通過が容易となるため、電子エネルギー分布関数の制御が困難となる。また、間隔が小さすぎると高エネルギー電子がグリッドを通過できなくなるため、電子エネルギー分布関数の制御が困難となる。
【００３２】
グリッド電極２３に印加するバイアス電圧は、グリッドを通過できる粒子に影響を与える。しかし、本実施形態の成膜装置においては、低エネルギー電子が透過しないようにできればよく、０Ｖ〜−１００Ｖ程度の値であればよい。また、低エネルギー電子が透過しないようにできれば、グリッド電極２３を浮遊電位としたり、絶縁体により形成したりしてもかまわない。
【００３３】
炭素質膜を形成する基材は、基材の上に成膜しようとする炭素膜の特性に応じて、明領域１１ａに配置しても暗領域１１ｂに配置してもよい。通常は、第２の電極２２の近傍に設けたステージに保持して成膜を行えばよい。また、基材の材質は特に限定されず、金属、セラミクス、シリコン又は樹脂等のどのようなものでもよい。形状も特に限定されず基板等の板状、棒状又は線状等であっても、製品の形状に加工したものであってもよい。
【００３４】
炭素質膜を形成する際の原料ガスには、アセチレン又はベンゼン等の炭化水素を用いればよい。また、酸素原子等を含むガスを用いてもよい。また、シリコン又はフッ素等の原子を含むガスを添加してもよい。
【００３５】
本実施形態の成膜装置は、容量結合型のプラズマ発生部を備えている。しかし、プラズマＣＶＤ装置として機能すれば、プラズマ発生部はどのような構成であってもよい。例えば、誘導結合型のプラズマ発生部又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型のプラズマ発生装置を備えた成膜装置においても同様の効果が得られる。
【００３６】
図５は誘導結合型のプラズマ発生部を備えている場合の例を示している。図５に示すように誘導結合アンテナ４１と、マッチングボックス２６を介して誘導結合アンテナ４１と接続された高周波電源２５とにより誘導結合型のプラズマ発生部が構成されている。この場合、グリッド電極２３は、成膜室１１内における誘導結合アンテナ４１と対応する位置と、ステージ１６に載置された基材１７との間に配置すればよい。
【００３７】
図６は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型のプラズマ発生部を備えている場合の例を示している。図６に示すようにマイクロ波発生部４３とマグネットコイル４４とによりＥＣＲ型のプラズマ発生部が構成されている。この場合には、電子サイクロトロン波が減衰を始める共鳴層（ＥＣＲ層）４５と基材１７との間にグリッド電極２３を配置すればよい。
【００３８】
図７は表面波型のプラズマ発生部を備えている場合の例を示している。図７に示すように、マイクロ波が伝達されるマイクロ波ランチャ４７と石英ガラスからなる誘電体窓４８とにより表面波型のプラズマ発生部が構成されている。この場合には、誘電体窓４８と基材１７との間にグリッド電極２３を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る成膜装置は、構造が異なる炭素質膜を容易に形成する成膜装置を実現でき、特にダイヤモンド様膜に代表される炭素質膜の成膜装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る成膜装置の成膜室内におけるプラズマの発生状態を示す概略図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は成膜室内におけるエネルギー分布関数の状態を説明する図であり、（ａ）は明領域におけるエネルギー分布関数の状態であり、（ｂ）は暗領域におけるエネルギー分布関数の状態である。
【図４】プラズマの電子温度が異なる条件において成膜した炭素質膜のラマンスペクトルである。
【図５】本発明の一実施形態に係る成膜装置の変形例を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る成膜装置の変形例を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る成膜装置の変形例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１      成膜室
１１ａ    明領域
１１ｂ    暗領域
１２      ガス導入機構
１３      排気機構
１６      ステージ
１７      基材
２１      第１の電極
２２      第２の電極
２３      グリッド電極
２５      高周波電源
２６      マッチングボックス
２７      バイアス電源
３０      移動機構
３１      アクチュエータ
３２      コントローラ
４１      誘導結合アンテナ
４３      マイクロ波発生部
４４      マグネットコイル
４５      ＥＣＲ層
４７      マイクロ波ランチャ
４８      誘電体窓
【図１】
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【図２】
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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３】
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