表面波励起マイクロ波プラズマを利用した奥行きのある凹面形状に対するスパッタコーティング法の開発
名古屋大学大学院工学研究科

機械理工学専攻 生産プロセス工学グループ

助手

上坂 裕之

（平成 15 年度奨励研究助成 AF-2003024）

キーワード：凹面コーティング，プラズマ，マイクロ波，表面波
１．研究の目的と背景
産業上幅広く活用されてきた材料表面のプラズマ
表面改質・コーティング技術は，主に平面や凸面を加工対象としており，プラズマの輸送に難のある円筒内面や凹面の加工には不向きである場合が多い(図 1)．これは外部で生成したプラズマを内部へ輸送する際に内壁への拡散損失が生じ，コーティングが不均一となるためである．よって円筒内面や凹面を処理するためには被加工面近傍でプラズマが生成される必要があり，一般にそのような用途には直流グロー放電が用いられる(図 2)．円筒内面へのスパッタリング成膜を例に取ると，円筒内にターゲット棒を挿入し，被加工円筒との間に直流電圧を印加して得られるグロー放電を利用する．この場合ターゲット表面はすべて等電位，同じく円筒内面もすべて等電位(典型的には接地)であることから，円筒端部を除いて軸方向に非常に均一なプラズマが生成される．すなわち軸方向に均一に成膜が行われる．印加電圧を高周波(～数十MHz)とする場合も同様である．
しかしながら直流または高周波の電圧印加によって得られるプラズマの密度は一般に低く(109 ～1010cm-3), 高速成膜を望むことは出来ない．そこで本研
究では表面波励起マイクロ波プラズマを利用して，高密度プラズマをターゲット表面近傍で直接かつ均一に生成する技術を開発する．本技術は，ピストンシリンダーや軸受け等の円筒面，金型上に形成された凹面への固体潤滑薄膜高速成膜技術として応用可能であると考えている．また耐食性が必要な配管内面への高速コーティング技術としての応用も期待される表面波とは誘電体と高密度プラズマとが接する境界に沿って伝播する電磁波のモードである(図 3)．
表面波励起プラズマ生成法は磁場との共鳴効果を利用せずに高密度プラズマを生成することが出来る方法として知られ，2.45 GHzのマイクロ波を用いた場
合は 1011 cm-3以上の高密度プラズマが生成可能である．表面波励起プラズマは誘電体近接領域において電磁波からパワーを吸収するため，一般に誘電体部材が必要である．しかし負にバイアスされた金属表面のシース層を誘電体層として機能させ，シース-d

従来のプラズマ生成法及び装置l

円筒内面(l/d»1)
凹形面

凸形面、平面高アスペクト比（奥行き長／開口径≫1）の高アスペクト比
円筒内面や凹形面の処理は困難。
円筒内面や凹形面→加工面近傍でのプラズマ生成の必要性

図1

典型的なプラズマ表面処理/コーティング
装置とその問題点

円筒内面に均一に処理するには？

DC，
DC，RF放電型
RF放電型（原理的に均一しかし低密度プラズマ）

マイクロ波による高密度化

図2

電圧印加型グロー放電による円筒面の均一処理法

Dielectric εd

Plasma εpzyx
Amplitude of Surface Waves

図3

表面波の概略プラズマ境界面に沿って表面波を伝搬させれば，導電体近接領域でもパワー吸収が可能となる(図 4：特願 2002-201025)．生成されるプラズマ中のイオンはバイアスによってターゲットに衝突し，ターゲット原子をスパッタする．バックグラウンドガス圧力が十分に低圧であれば，このターゲットを奥行きのある凹面内に挿入することにより，その内壁にターゲット原子を効果的にスパッタ蒸着できると考えられる(図 5)．本原理によるスパッタ装置を表面波同軸スパッタ装置と称する．ガス圧力が高い場合スパッタは抑制されるものの，内壁でCVDや窒化等を行うためのプラズマ源として利用可能ではないかと期待される．

従来型

新型

石英（ε=3.7）

シース（ε≒1）

プラズマ
誘電体層

金属面
誘電体有り

図4

誘電体無し

導電体近接領域で生成される表面波プラズマ
金属アンテナ（ターゲット）

シース層

表面波DC：低密度

PECVD
DC

図5

Sputtering

SWP(+DC）：高密度SWP

表面波励起マイクロ波プラズマを用いた表面改質・コーティング装置の概念

QuartzPlate

Microwave
2.45 GHzr100

MagneticprobeQuartz tube
188

AA’

Insulator

Metalrod500

２．実験と考察
２．１ 導電体近接領域で表面波励起プラズマが生成されることの実証
導電体近接領域で表面波励起プラズマを生成する
原理は，これまでにない独創的な方法であり，我々による予備実験を除いてはその特性を明らかにした研究は存在しない．よってまずは本原理を計測により物理的・定量的に実証する必要である．
図 6 に本実験用に開発した表面波励起マイクロ波プラズマ源の概略図を示す．コーティング対象となる長尺物(奥行きのある凹面，円筒部品等)を配置できるよう直径 150 mm，長さ 500 mmの高真空チャンバーを用いた．チャンバー内の圧力は接続された油拡散ポンプによって 10-4 Pa台まで排気可能である．チャンバーの一端にはWX-39D同軸導波管が接続されており，真空をシールする石英窓を通して 2.45GHzマイクロ波がチャンバー内に投入される．直径 1 cmのグラファイトターゲットがチャンバーの中心軸に沿って挿入され，その一端はマイクロ波導入部石英窓に接している．ターゲットのもう一方の端には高電圧を印加するための配線が接続されている．また図に示すようにターゲットの一部は絶縁体で覆われ，プラズマにさらされる有効ターゲット長は 188 mmとなっている．マイクロ波導入部から下流に 100 mmの位置に計測ポートが設けられ，半径 40 mmの位置に固定されたラングミュアプローブと半径方向に稼動可能な磁気プローブとが同時に 90°異なる方向から挿入されている．
Ar ガス流量 20 sccm，圧力 4.5 Pa，投入マイクロ波パワー200 W にてプラズマ点火を行った．図 7(a)にターゲットにバイアスを印加しない場合のチャンバー内部写真を示す．図中 Bottom View によるとプラズマが点火していることが明らかであり，SideView(z=100 mm)からは生成されているプラズマが入り口側に局在していることが明らかである．この場合入り口の石英窓部を伝播する表面波によってプラズマが生成され，そのプラズマが下流へ拡散してきていると考えられる．図 7(b)はターゲットに-240Vのバイアスを印加した場合のチャンバー内の様子をLangmuir
Probe40
Metal rod

Section A-A’Φ150z

DC POWERSUPPLY

図 6 実験装置図

Langmuir
Probe

100

Microwave

40188

SideView

500

Insulateor

TargetDC POWERSUPPLY

Φ150

Vt
BottomView
Gas: Ar 20sccm
Pressure: 4.5 Pa
Microwave: 200W
Target: Carbon(Φ10mm)

Target Voltage: Vt=0 V

Target Voltage: Vt=-240 V(Target Current: 0.54 A)

Increase Vt

プラズマ点火．(a)ターゲットバイアス無し，(b)バイアス有り．

図7

示している．Side View からは生成されているプラズマが入り口側に局在せず，ターゲット全体を覆うように存在していることが確認できる．電圧印加時には表面波がグラファイトターゲットに沿ってチャンバー内に深く伝播・進入している，即ちプラズマの生成領域がターゲットに沿ってチャンバー内に伸展してきたと考えられる．このことを電磁波の分布から実証するため磁気プローブを用いてマイクロ波磁界強度の直接測定を行った．図 8 に z=100 mm における磁界強度の半径方向分布を示す．黒線(●)はマイクロ波が投入されているもののプラズマが点火していない場合の分布であり，プラズマ不在時は図のようにチャンバー全体にマイクロ波が分布していることがわかる．プラズマ点火直後(図 7(a)写真)は赤線(▽)が示すように，磁界がゼロでありマイクロ波が z=100 mm の位置までは進入していないことがわかる．これはマイクロ波導入部石英窓近傍に局在する高密度プラズマのカットオフ効果により，マイクロ波の進入が阻害されているためである．これに対してバイアスを印加した場合(図 7(b)写真)のマイク
ロ波磁界分布は緑色の線(□)であり，1 cm 程度の特性減衰長をもつ電磁界分布の存在を示している．このような指数関数的減衰傾向は表面波の最大の特徴であり，ここでは金属面に存在しかつバイアスによって拡大されたシースと高密度プラズマとの境界に伝播する表面波に起因すると考えられる．
ターゲットに沿って表面波が存在するのであれば，同様にターゲットに沿って高密度プラズマが生成されていなければならない．そこで同じ z=100 mmでr=40 mmの位置に固定したラングミュアプローブにより電子密度計測を行った．図 9 に電子エネルギー分 布 (EEDF: Electron Energy DistributionFunction)の測定結果を示す(電子密度はEEDFより算出)．電圧を印加しない場合はne=4.37×1010 cm-3と低密度である．これは石英窓部で生成されたプラズマが拡散によって下流に輸送されてきたためである．
1012

Vt=−240 V

0.3

Chamber Wall (r=75 mm)

0.2−3/2

1010
109

EEDF (cm eV

Without plasmas
Vt=0 V

0.4−3)0.5|Bθ| (rel. units)Ar, 4.5 Pa, Microwave Power 200 W

1011

Rod Surface (r=5 mm)

VT=−240 V (IT=0.54 A)
ne=2.46x10

cm−3108107

VT=0 V106

ne=4.37x1010 cm−30.1
10kTe=1.82 eV

500.0

11kTe=1.79 eV

5101520253035

Electron Energy ( eV)
020406080

100r (mm)

図 8 プラズマ中の電磁波成分Bθの分布．

120

図９

プラズマ中の電子エネルギー分布測定（ターゲットバイアス電圧有無での比較）．

Taget Current, It (A)

0.6

0.4

63 Pa
18 Pa
6.2 Pa
3.1 Pa
1.0 Pa121WW

２．２ 生成されるプラズマ柱の圧力依存性
導電体近接領域で表面波励起プラズマを生成する原理によって生成されるプラズマを奥行きのある凹面コーティングへ応用するには，プラズマ中の空間分布を明らかにする必要がある．またガス圧力は非常に重要なパラメーターであり，例えばスパッタリングに適用する場合は低圧(数 Pa 未満)で望ましいプラズマ特性が得られなければならない．本研究のように長尺物に対するスパッタを目的とすれば，低圧でプラズマ柱が軸方向に均一になることが望まれる．
はじめにマイクロ波投入パワー300 W，Ar 流量 10sccm でガス圧力を 1.0, 3.1, 6.2, 18, 63 Pa と変化させた場合のプラズマ柱の特性変化を調べた．図10 にそれぞれの圧力時のターゲット電圧とターゲット電流の関係を示す．いずれのガス圧力時にも印加可能な最大電圧が存在し，それ以上の電圧を印加するとプラズマ生成が不安定となった．また電圧印加とともにプラズマ中が伸長することも視認により確認された．図 11 に 1.0, 6.2, 63 Pa におけるプラズマ柱最大進展時(最大電圧印加時)の写真を示す．

0.839これに対してターゲットにバイアスを印加した場合はne=2.46×1011 cm-3と高密度のプラズマが計測された．これはターゲットに沿って表面波が伝播し，プローブ計測位置近傍でプラズマが生成されるようになったためである．
（ここまでの結果は，参考文献１として学会発表，参考文献２として論文発表されていた．
）

0.20.00100200300

400500600700

Target Voltage, Vt (V)
図 10

ターゲット電圧とターゲット電流の関係

低ガス圧力時にはマイクロ波導入石英窓から離れるにしたがって発光が弱まっていることが確認できる．
それに対して高ガス圧力になると発光が比較的軸方向に均一になる．図 10 からは 63 Pa で最大伸張時に39W の DC 電力を要したことがわかり，高ガス圧力時には低電圧，低電力で均一性の高いプラズマ柱が得られることを示唆している．
上記の傾向を実測によって確認するため，軸方向に稼動可能なラングミュアプローブを用いてターゲットに沿ったプラズマの分布を計測した［（a）低圧力条件：1.0 Pa，マイクロ波パワー100 W．(b)高圧
力条件：33 Pa，マイクロ波パワー200 W．両条件ともに Ar ガスを流量 5 sccm で使用］．図 12 にそれぞれのガス圧力においてバイアス量とプラズマ分布と図 11 アルゴンガス圧力 1.0, 6.2, 63 Pa における表面波励起マイクロ波プラズマ柱．いずれも最大進展時(最大電圧印加時)の写真．

３．結論及び今後の予定
出願特許(特願 2002-201025，導電体近接領域において表面波励起プラズマを生成する方法)を利用し，棒状金属ターゲットに沿って高密度表面波プラズマ柱を生成する装置を新規設計，開発した．当該装置を用い，円筒内に挿入された棒状グラファイトター
ゲット周囲で安定的にプラズマが生成されることを確認した(ワーキングガスAr，圧力 0.1-100 Pa)．この時ターゲット面に沿って伝搬するマイクロ波が表面波モードであることを高周波電磁界測定により明らかにした．さらに得られたプラズマが 1011 cm-3以上の高密度であることも実証した．
（しかしながら得られたプラズマの軸方向分布が不均一であり，現状では奥行のある凹面内壁を均一にコーティングすることは難しいと判断される．）ここで試験的にArガス
1 Paの雰囲気下で， Cターゲットを用いたガラス基板へのカーボン膜スパッタ成膜実験を行った(投入
マイクロ波パワー250 W，スパッタ電圧 250 V)．プ
ラズマ分布の軸方向不均一に起因して膜厚分布も同

Normalized Ion Density

1000V
700V
500V
300V
100V
50V
25V
0V

1.4
1.2
1.00.80.6
0.40.20.0-0.2
50100150200250300

Normalized Ion Density

z (mm)
1.445V
35V
25V
0V

1.2
1.00.80.6
0.40.20.0050100

150200250300z (mm)
図 12 ターゲット電圧とプラズマの軸方向分布の関係．
アルゴンガス圧力，(a)1.0 Pa, (b)33 Pa.

thickness(μm)

２．３ スパッタ成膜試験
奥行きのある凹面形状への成膜特性を調べるため，トライアルとしてカーボン膜の成膜実験を行った．
成膜基板としてガラスを用い 11 枚の基板をターゲット軸に沿って配列した．ターゲットと基板との距
離は 6.5 cm とした．圧力条件として 0.8, 6.1 Paを選び，前者ではマイクロ波投入パワー250 W，アルゴン流量 5 sccm，ターゲットバイアス電圧-260V，後者ではマイクロ波投入パワー200 W，アルゴン流量
20 sccm，ターゲットバイアス電圧-65 V で成膜を行った．いずれの印加電圧もプラズマ柱の最大伸張時の値である．図 1３にターゲット軸方向の膜圧分布を示す．いずれの圧力時も z=60 mm までは比較的均一な，膜厚分布であるものの，z=60 mm 以降は顕著な減衰傾向を示した．これは前節で計測されたプラズマ分布の軸方向不均一に起因している．成膜速度で見ると，低圧時のマイクロ波導入部近傍（z=10-40mm）では 0.4 μm/h と比較的高い成膜速度が得られた．これは表面波によって生成された高密度プラズ
マにより高速成膜が可能であることを示している．

1.600.6250W/5sccm/0.8Pa/250V

0.5200W/20sccm/6.1Pa/65V

0.40.30.20.101020406080100120140160180200140160180200position(mm)Depositon rate (μm/h)の関係を示す．1Pa においては 0-1000 V においてほとんどプラズマ分布が変化せず，いずれのバイアス量においてもプラズマは指数関数的減衰傾向を示していた．これは上流でのみプラズマ生成が行われ，拡散によって輸送されてきたプラズマが計測されているからである．このことは 1.0 Pa 付近においてはバイアスによって表面波プラズマ柱を伸張させる効果が低いことを示している．高ガス圧力の 33 Pa になるとバイアス量の増加によってプラズマ柱が伸張する様子が強く見られた．-45V の印加電圧においては入り口から 200mm 程の領域で入り口付近と変わらないプラズマ密度を達成できた．

0.50.40.30.20.101020406080100120position(mm)

図 13 (a)ターゲット軸方向のカーボン膜圧分布及び(b)成膜速度分布（スパッタ成膜，直径 1 cm グラファイ
トターゲット，基板：ガラス，ターゲット-基板間距離6.5 cm）．成膜条件，(1)0.8 Pa，マイクロ波投入パワー
250 W，アルゴン流量 5 sccm，ターゲットバイアス電圧-260 V，(2)6.1 Pa，マイクロ波投入パワー200 W，アルゴン流量 20 sccm，ターゲットバイアス電圧-65 V．

様の軸方向不均一性を示したが，最高 0.4μm/hの成膜速度が得られた．
(今後の予定)z 設計した装置において生成されるプラズマの軸方向均一化を計る．ターゲットの両端間で表面波の定在波を立てることが重要であると考え，ターゲットの電圧負荷側にμ波を反射させる構造を取り入れることを考えている．
z プラズマ分布の均一化を達成した後，長さや径の異なる SUS 管に対してカーボン膜スパッタ成膜を行い，膜特性(膜厚，硬度，密着強度，摩擦係数等)分布を測定する．
z 高ガス圧力(>10 Pa)の方がプラズマ分布の軸方向均一性が良いという結果が得られている．このことから低圧(<1 Pa)で行うスパッタよりもより高圧(>10 Pa)で行う CVD 成膜による内壁コーティングにもトライする．
謝辞
本研究はＨ15 年度NEDO産業技術研究助成事業及び平成15 年度天田金属機械加工技術振興財団，奨励研究助成の援助を受けて遂行されました．
参考文献･発表[1] Hiroyki Kousaka, Noritsugu Umehara, Kouichi
Ono, and Junqi Xu: Proc. Plasma ScienceSymposium 2005 / 22th Symposium on Plasma
Processing (2005.01) Nagoya, Japan.
[2] Hiroyuki Kousaka, Junqi Xu, Noritsugu Umehara,and Kouichi Ono: Proc. 52st Spring Meeting oftheJapan Society of Applied Physics and RelatedSocieties (2005.03) Saitama, Japan [in Japanese].
[3] Hiroyuki Kouaka, Noritsugu Umehara, Kouichi
Ono, Junqi Xu: submitted to Applied Physics
Letters.