JP2001026887A

JP2001026887A - 表面改質方法及び表面改質装置

Info

Publication number: JP2001026887A
Application number: JP11196924A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Chatanihara; 昭義茶谷原; Yuji Horino; 裕治堀野; Yoshimi Nishimura; 芳実西村
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Kurita Seisakusho Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kurita Seisakusho Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP3555928B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理物の周囲におけるプラズマの密度を高
くし、任意の形状や大きさの被処理物にもイオンの誘引
注入、誘引堆積、誘引衝突を容易に行うことができる表
面改質方法を提供する。【解決手段】チャンバ１０内に被処理物１を導体１１
に接続した状態で配置し、チャンバ１０内を真空引きす
ると共にチャンバ１０内にガスを導入した上で、導体１
１に高周波電力を印加して被処理物１の周囲にプラズマ
を発生させ、導体１１を通じて被処理物１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処理物１
に誘引させ、イオンの注入・堆積・衝突を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ中に配置
した被処理物に高電圧パルスを印加し、プラズマ中のイ
オンを誘引させて被処理物に注入する誘引注入、被処理
物に薄膜を形成する誘引堆積、及び被処理物をスパッタ
クリーニングする誘引衝突を行う表面改質方法、並びに
その方法を実施するための表面改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、金属やセラミック等からなる被
処理物の表層にイオンを注入すると、長寿命化、耐摩耗
性の向上、硬度の増加、濡れ性の改善等の表面改質を行
うことができる。この表面改質を行う方法としては、イ
オンビームを注入する方法、プラズマ中で高電圧パルス
を印加してイオンを誘引注入する方法がある。

【０００３】プラズマを利用して表面改質を行う装置
は、一般に図１２に示すように、チャンバ７０と、この
チャンバ７０内にガス（窒素、メタン等）を導入するガ
ス導入装置（図示せず）と、チャンバ７０内を真空引き
する真空装置（図示せず）と、チャンバ７０内の所定位
置に配置される被処理物９０に接続する導体７１に高電
圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源７２と、被処
理物９０の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用
電源（高周波電力発生源７５と一対の電極７６で構成さ
れるもの）とを備える。ガス導入装置及び真空装置は、
それぞれバルブ８１，８２を介してチャンバ７０に接続
されている。又、導体７１はフィードスルー（高電圧導
入部）８３を介して高電圧パルス発生電源７２に接続さ
れている。

【０００４】この表面改質装置では、導体７１に被処理
物９０を接続した後、チャンバ７０内を真空装置により
真空引きすると共に、チャンバ７０内にガス導入装置に
よりガスを導入した上で、プラズマ発生用電源により被
処理物９０の周囲にプラズマを発生させ、導体７１を通
じて被処理物９０に高電圧パルス発生電源７２により高
電圧パルス（負の高圧パルス）を印加する。すると、被
処理物９０の表面が負電位になるので、プラズマ中のプ
ラスイオンが被処理物９０に向かって誘引加速され、被
処理物９０に注入される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の表面改質装
置では、チャンバ７０内において、プラズマ発生部位
（電極７６付近）と被処理物９０とが離れて位置するの
で、イオンを被処理物９０に注入するにはプラズマを被
処理物９０の周囲に輸送する必要があり、次のような問
題点〜がある。プラズマ発生用の電極７６や輸送構造を要するため、
装置が複雑・大型になる。輸送途中でプラズマが発散し、被処理物９０の周囲で
はプラズマの密度が小さくなってしまうので、イオン注
入効率が悪くなる。任意の形状や大きさの被処理物９０に対応し難い。即
ち、球体等の表面が単純な形態のものには、イオンを均
一に注入できるが、例えば内側が空胴になったシリンダ
やパイプのようなものには、空胴部分へのイオン注入が
非常に難しい。

【０００６】従って、本発明は、そのような問題点〜
に着目してなされたもので、被処理物の周囲における
プラズマの密度を高くし、任意の形状や大きさの被処理
物にもイオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を容易に
行うことができる表面改質方法、並びに簡素・小型で、
被処理物の周囲におけるプラズマの密度を高くし、しか
も任意の形状や大きさの被処理物にもイオンの誘引注
入、誘引堆積、誘引衝突を容易に行うことができる表面
改質装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の表面改質方法は、チャンバ
内に被処理物を導体に接続した状態で配置し、チャンバ
内を真空引きすると共にチャンバ内にガスを導入した上
で、被処理物の周囲にプラズマを発生させ、導体を通じ
て被処理物に高電圧パルスを印加することで、プラズマ
中のイオンを被処理物に誘引させる表面改質方法におい
て、前記被処理物に高電圧パルスを印加するための導体
に高周波電力を印加することで、被処理物の周囲にプラ
ズマを発生させることを特徴とする。

【０００８】この表面改質方法は、高電圧パルスを被処
理物に印加するために用いる導体を、プラズマ発生のた
めにも共用するものである。即ち、プラズマ発生用電源
からの高周波電力を導体に印加することで、被処理物に
高周波電界を直接加え、被処理物の周囲に被処理物の形
状に沿ったプラズマを発生させる。そして、同じ導体に
高電圧パルスを印加することで、プラズマ中のイオンを
被処理物に誘引させる。この方法によると、プラズマが
被処理物の形状に沿って発生するので、必然的に被処理
物の周囲におけるプラズマの密度が高くなり、イオンの
誘引注入、誘引堆積、誘引衝突の効率が向上する。しか
も、プラズマが被処理物の形状に沿って発生するので、
任意の形状や大きさの被処理物にも容易且つ均一にイオ
ンを誘引させることができる。

【０００９】又、請求項１０記載の表面改質装置は、チ
ャンバと、このチャンバ内にガスを導入するガス導入装
置と、チャンバ内を真空引きする真空装置と、チャンバ
内の所定位置に配置される被処理物に接続する導体に高
電圧パルスを印加する高電圧パルス発生電源と、前記導
体に高周波電力を印加し、被処理物の周囲にプラズマを
発生させるプラズマ発生用電源とを備えることを特徴と
する。

【００１０】この表面改質装置は、上記方法を実施する
ためのもので、同様の作用効果が得られる上に、従来の
装置に比べて装置の簡素化・小型化を実現できる。な
お、本発明において、被処理物は、材料としては金属、
半導体のような導電体、セラミック、高分子フィルム材
料、繊維等の誘電率を持つもの、等からなるもので、形
態としては金型、工具、シリンダ、缶、電子・磁気素
子、フィルム、シート、布、織物等である。又、チャン
バ内に導入するガスとしては、誘引注入及び誘引堆積で
は窒素、メタン等の炭化水素系ガス、酸素等が使用さ
れ、誘引衝突（スパッタクリーニング）ではアルゴン、
炭酸ガス等が使用される。

【００１１】又、本発明において、“イオンを被処理物
に誘引させる”とは、被処理物の表層にイオンを注入す
ること（誘引注入）、被処理物の表面にイオンを成膜さ
せること（誘引堆積）、被処理物の表面にイオンを衝突
させてクリーニングすること、即ちスパッタによるエッ
チングを行うこと（誘引衝突）を含蓄し、いずれの処理
を行うかは、高周波電力、高電圧パルス等の設定条件や
導入ガス等により決定される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。その実施形態に係る表面改質装置の概略
構成図を図１に示す。この表面改質装置は、チャンバ１
０と、このチャンバ１０内にガスを導入するガス導入装
置（図示せず）と、チャンバ１０内を真空引きする真空
装置（図示せず）と、チャンバ１０内の所定位置に配置
される被処理物１に接続する導体１１に高電圧パルスを
印加する高電圧パルス発生電源２０と、導体１１に高周
波電力を印加し、被処理物１の周囲にプラズマを発生さ
せるプラズマ発生用電源３０と、高電圧パルス及び高周
波電力の印加を１つの導体１１で共用するために、高電
圧パルス発生電源２０及びプラズマ発生用電源３０と導
体１１との間に設けられた重畳装置４０とを備える。

【００１３】ガス導入装置及び真空装置は、それぞれバ
ルブ１５，１６を介してチャンバ１０に接続されてい
る。又、導体１１はフィードスルー（高電圧導入部）１
８を介して重畳装置４０に接続されている。この表面改
質装置は、従来の装置と比較して、被処理物１に高電圧
パルスを印加するための導体１１を高周波電力の印加用
としても共用することが特徴である。これを実現するた
めに、本装置では、高電圧パルスと高周波電力を重畳装
置４０を介して印加するようにしている。この重畳装置
４０を構成する回路の一例を図２に示す。

【００１４】図２に示す重畳装置４０は、被処理物１と
高電圧パルス発生電源２０との間を結合すると共に、高
電圧パルス発生電源２０とプラズマ発生用電源３０との
間の相互干渉を阻止する結合・相互干渉阻止回路部４０
_Aと、プラズマ発生用電源３０と被処理物１とのインピ
ーダンスを整合する整合回路部４０_Bとから構成されて
いる。

【００１５】結合・相互干渉阻止回路部４０_Aは、高電
圧パルスによりアーク放電を生じさせ、回路を導通する
ためのギャップＧ、プラズマ発生用電源３０からの高周
波電力が、高電圧パルス発生電源２０に影響するのを阻
止するためのダイオードＤ及びコイルＬ₁、さらに高電
圧パルス発生電源２０の高電圧パルスが、プラズマ発生
用電源３０に影響しないようにするための抵抗Ｒ₁、保
護ギャップｇを有する。ギャップＧはパルス印加電圧が
低い場合は、短絡して使用することがある。また、ギャ
ップＧに抵抗を並列接続すれば、パルス印加電圧を低く
することができる。この重畳回路４０の結合・相互干渉
回路部４０_Aは、ダイオードＤのカソード側が高電圧パ
ルス発生電源２０に接続されている。また、抵抗Ｒの非
接地側端が同軸ケーブル３１により、プラズマ発生用電
源３０に接続されている。

【００１６】整合回路部４０は共振用の可変コンデンサ
Ｃ₁及びコイルＬ₂と、インピーダンス変換用のコンデ
ンサＣ₂とから構成されている。コンデンサＣ₂は抵抗
Ｒに並列に接続されているので、非接地側端がやはり同
軸ケーブル３１により、プラズマ発生用電源３０に接続
されている。可変コンデンサＣ₁のギャップＧ側の端子
は、フィールドスル１８及び被処理物１側のギャップＧ
導体に接続されている。

【００１７】又、高電圧パルス発生電源２０とプラズマ
発生用電源３０は、高電圧パルス及び高周波電力の印加
が例えば図５に示すようなタイミングで行われるよう
に、ＣＰＵ（例えばパソコン）４５で統括制御される。
ここで、この表面改質装置における高電圧パルス発生電
源２０の高電圧パルスの概念的な数値は、１００Ｖ〜１
００ｋＶであるが、具体例を次に示す。

【００１８】出力電圧：誘引注入を重点に行う場合、１０〜４０ｋＶ誘引注入と誘引堆積を併用する場合、５〜２０ｋＶ誘引堆積を重点に行う場合、数百Ｖ〜数ｋＶ誘引衝突を重点に行う場合、数百Ｖ〜数ｋＶパルス幅：１μｓ〜１０ｍｓｅｃパルス数：１〜複数回のパルス列を繰り返す又、プラズマ発生用電源３０の高周波電力の出力周波数
の概念的な数値は、数十ｋＨｚ〜数ＧＨｚである。実施
形態では次の通りである。

【００１９】出力周波数：１３．５６ＭＨｚ出力電力：数百Ｗ〜数ｋＷ（可変）パルス幅：数μｓ〜数百ｍｓ（可変）（図５の符号
ａ）繰り返し数：０．１〜５０００ｐｐｓ（可変）更に、チャンバ１０内のガス圧は可変である。

【００２０】このように構成した表面改質装置で誘引注
入、誘引堆積、誘引衝突を行うには、チャンバ１０内に
被処理物１を導体１１に接続した状態で配置し、真空装
置でチャンバ１０内を真空引きすると共に、ガス導入装
置でチャンバ１０内にガス（例えば窒素）を導入し、所
定のガス圧にする。その上で、上記条件に設定されたプ
ラズマ発生用電源３０からの高周波電力を被処理物１に
印加し、被処理物１の周囲に被処理物１の形状に沿って
プラズマを発生させ、その後に高電圧パルス発生電源２
０からの高電圧パルス（負の高圧パルス）を被処理物１
に印加し、プラズマ中のイオンを被処理物１に誘引させ
る。

【００２１】この表面改質装置を使用すれば、任意の形
状や大きさの被処理物にも容易且つ均一にイオンを誘引
させることができる。例えば、図１及び図２に示された
被処理物１は、図３の（ａ）に示すような球体３である
が、図３の（ｂ）の直方体４や、図３の（ｃ）のような
Ｌ字状体５でも同様である。これら球体３、直方体４、
Ｌ字状体５等のような単純な形状の被処理物の他に、特
に内側に露出する面を有する被処理物の内側露出面に集
中的にイオンを誘引させることが可能となる。この内側
露出面を持つ被処理物としては、例えば内側が空胴にな
ったシリンダ、パイプ、缶のようなものである。一例と
してシリンダ形状の被処理物の場合を図４に示す。被処
理物２がシリンダ形状のような内側露出面を有するもの
である場合は、被処理物２の内側の領域Ｆ１のプラズマ
密度が外側の領域Ｆ２よりも極めて高くなる。この結
果、被処理物２の内側露出面にイオンを効率良く集中的
に誘引させることができ、内側露出面へのイオンの注
入、堆積、衝突を顕著に行うことができる。

【００２２】次に、高電圧パルスの印加と高周波電力の
印加のタイミングについて、図５のタイミングチャート
例を参照して説明する。図５において、マスターパルス
は前記ＣＰＵ４５からの信号であり、このマスターパル
スが発せられるたびにプラズマ発生用電源３０から高周
波電力（パルス変調波）が出力され、被処理物の周囲に
プラズマが発生する。ここでは、マスターパルスは一定
周期で発せられ、それに対応して高周波電力も一定周期
で出力される。その後、高電圧パルス発生電源２０から
高電圧パルス（負の高圧パルス）が出力されるが、その
出力形態は例えば４通りある。

【００２３】まず出力形態は１回の高周波電力出力後
に１回出力される場合で、出力形態は１回の高周波電
力出力中に１回出力される場合で、出力形態は１回の
高周波電力出力後に複数回出力される場合で、出力形態
は高周波電力の出力中から出力後にわたって複数回出
力される場合である。これら出力形態〜において、
複数回の高電圧パルスを被処理物に印加する形態，
の方が、プラズマ中のイオンを被処理物に効率良く誘引
させることができ、更に形態よりも形態の方がより
効率が良い。

【００２４】但し、図５のタイミングチャートでは、高
周波電力は一定周期で間欠的に出力されているが、連続
して出力されてもよい。次に、種々の形状の被処理物に
対するイオンの誘引注入実験について説明する。図６〜
図８は、注入分布を確認するために、ポリイミドフィル
ムテープ（商品名：カプトン）を貼付した各種形状の被
処理物を示す。ポリイミドフィルムテープは、通常その
ままではオレンジ色を呈しているが、窒素注入の度合に
応じて茶色や黒色に変色するものである。図６では、球
体３の縦方向と横方向に、それぞれ帯状のポリイミドフ
ィルムテープ５０，５１を１周だけ貼付したものであ
る。図７では、シリンダ形状体２の表側から内側にわた
って縦方向に同様のテープ５２を貼付し、横方向にもテ
ープ５３を１周だけ貼付したものである。図８では、Ｌ
字状体５に導体１１を取付け、同様のテープ５４を一部
が裏側に回るように貼付し、テープ５５を角に沿って貼
付したものである。

【００２５】これらの被処理物に対して、前記表面改質
装置を用いて前記設定条件でイオンの誘引注入を行っ
た。但し、ガスは窒素を用いた。ポリイミドフィルムテ
ープ５０〜５５は、イオン注入前はオレンジ色をしてい
たが、イオン注入の度合に応じて茶色や黒色に変化し
た。その変色の結果を図９〜図１１に示す。図９は図６
の球体３のテープ５０，５１を示す。テープ５０の点線
で囲まれた領域５０ａはテープ５１が重なった部分であ
る。この場合、テープ５０，５１とも茶色に均等に変色
したことから、球体３の周囲にプラズマが均一に発生し
たこと、即ちイオンが球体３に均一に注入されたことが
分かる。

【００２６】図１０は図７のシリンダ形状体２のテープ
５２，５３を示す。シリンダ形状体２の表側に位置する
テープ５２の部分５２Ａは、テープ５３との重なり部分
５２ａを除いて茶色に変色し、内側に位置する部分５２
Ｂ（シリンダ形状体２の下端部に位置する部分を含む）
は黒色に変色した。テープ５３は全体に茶色に変色し
た。このことから、前記したようにシリンダ形状体２の
内側ではプラズマの密度が外側よりも高くなることが分
かる。

【００２７】図１１は図８のＬ字状体５のテープ５４，
５５を示す。Ｌ字状体５の側端部に位置するテープ５４
の部分５４ｂを除いて、表側及び裏側に位置する部分５
４ａ，５４ｃは共に茶色に変色し、部分５４ｂだけは黒
色に変色した。テープ５５では、Ｌ字状体５の角に位置
する部分５５ａが黒色に変色し、それ以外の部分は茶色
に変色した。このことから、被処理物に狭い端部や角が
ある場合は、その部分にイオンが集中して注入されるこ
とが分かる。従って、この特質を利用すれば、刃物等の
刃先や各種物体の先鋭部分に集中的にイオン注入をする
ことができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面改質
方法及び表面改質装置によれば、次の効果が得られる。（１）プラズマが被処理物の形状に沿って発生するの
で、必然的に被処理物の周囲におけるプラズマの密度が
高くなり、イオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突の効
率が向上する。（２）プラズマが被処理物の形状に沿って発生するの
で、任意の形状や大きさの被処理物にも容易且つ均一に
イオンの誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を行うことがで
きる。（３）上記（２）と関連して、特に被処理物が内側に露
出する面を有するものである場合、被処理物の内側露出
面側のプラズマ密度が高くなるので、内側露出面にプラ
ズマ中のイオンを効率良く集中的に誘引させることが可
能となり、パイプ、シリンダ、缶等の内面処理を行うの
に有利である。（４）プラズマが被処理物の周囲に発生するので、プラ
ズマを輸送する従来に比べ、イオンの誘引注入、誘引堆
積、誘引衝突の均一性に優れる。（５）プラズマを輸送しないので、プラズマ発生の利用
効率が良い。（６）チャンバ内に反応性ガスを導入する場合、不要な
堆積物・生成物を最小限に留めることができる。（７）高電圧パルスを特に１ｋＶ以下にする場合、又は
高電圧パルスを使わない場合は、通常のプラズマＣＶＤ
やバイアスプラズマＣＶＤによる成膜を連続して行うこ
とができる。（８）装置では、プラズマ発生用の電極、プラズマ輸送
構造を必要としないため、簡素化・小型化を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る表面改質装置の概略構成図であ
る。

【図２】重畳装置の回路構成例を示す同装置の概略構成
図である。

【図３】同装置のチャンバ内に配置する被処理物の形態
例を示す斜視図である。

【図４】同装置のチャンバ内に配置する被処理物として
シリンダ形状体を用いた場合の概略構成図である。

【図５】同装置の高周波電力と高電圧パルスの印加タイ
ミング示すチャートである。

【図６】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場
合に使用する被処理物としての球体の斜視図である。

【図７】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場
合に使用する被処理物としてのシリンダ形状体の斜視図
である。

【図８】同装置を用いてイオンの誘引注入実験を行う場
合に使用する被処理物としてのＬ字状体の斜視図であ
る。

【図９】図６の球体に貼付したテープの変色度合を示す
平面図である。

【図１０】図７のシリンダ形状体に貼付したテープの変
色度合を示す平面図である。

【図１１】図８のＬ字状体に貼付したテープの変色度合
を示す平面図である。

【図１２】従来例に係る表面改質装置の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１〜５被処理物１０チャンバ１１導体２０高電圧パルス発生電源３０プラズマ発生用電源４０重畳装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茶谷原昭義大阪府池田市緑丘１丁目８番31号工業技術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者堀野裕治大阪府池田市緑丘１丁目８番31号工業技術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者西村芳実京都府綴喜郡宇治田原町大字湯屋谷小字西塔ヶ谷１番33 株式会社栗田製作所内Ｆターム(参考） 4K029 CA10 DE00 4K057 DA01 DA16 DB01 DB20 DD01 DD02 DD09 DE14 DE20 DG15 DM06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバ内に被処理物を導体に接続した状
態で配置し、チャンバ内を真空引きすると共にチャンバ
内にガスを導入した上で、被処理物の周囲にプラズマを
発生させ、導体を通じて被処理物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処理物に誘引させ
る表面改質方法において、前記被処理物に高電圧パルスを印加するための導体に高
周波電力を印加することで、被処理物の周囲にプラズマ
を発生させることを特徴とする表面改質方法。
【請求項２】前記高周波電力は、一定周期で繰り返し印
加することを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
【請求項３】前記高電圧パルスは、高周波電力の印加後
に印加することを特徴とする請求項２記載の表面改質方
法。
【請求項４】前記高電圧パルスは、高周波電力の印加中
に印加することを特徴とする請求項２記載の表面改質方
法。
【請求項５】前記高電圧パルスは、高周波電力の印加中
から印加後にわたって印加することを特徴とする請求項
２記載の表面改質方法。
【請求項６】前記高周波電力は、連続して印加すること
を特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
【請求項７】前記高電圧パルスは、１回印加することを
特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又
は請求項６記載の表面改質方法。
【請求項８】前記高電圧パルスは、複数回印加すること
を特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、請求項５
又は請求項６記載の表面改質方法。
【請求項９】前記被処理物は内側に露出する面を有する
ものであり、この被処理物の内側露出面にプラズマ中の
イオンを誘引させることを特徴とする請求項１、請求項
２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項
７又は請求項８記載の表面改質方法。
【請求項１０】チャンバと、このチャンバ内にガスを導
入するガス導入装置と、チャンバ内を真空引きする真空
装置と、チャンバ内の所定位置に配置される被処理物に
接続する導体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発
生電源と、前記導体に高周波電力を印加し、被処理物の
周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源とを備
えることを特徴とする表面改質装置。
【請求項１１】前記高電圧パルス及び高周波電力の印加
を前記導体で共用するための重畳装置を、高電圧パルス
発生電源及びプラズマ発生用電源と導体との間に備える
ことを特徴とする請求項１０記載の表面改質装置。
【請求項１２】前記重畳装置は、被処理物と高電圧パル
ス発生電源との間を結合すると共に、高電圧パルス発生
電源とプラズマ発生用電源との間の相互干渉を阻止する
結合・相互干渉阻止回路部と、プラズマ発生用電源と被
処理物とのインピーダンスを整合する整合回路部とを有
することを特徴とする請求項１１記載の表面改質装置。