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JP2005272948A - Plasma enhanced chemical vapor deposition system - Google Patents

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JP2005272948A
JP2005272948A JP2004089081A JP2004089081A JP2005272948A JP 2005272948 A JP2005272948 A JP 2005272948A JP 2004089081 A JP2004089081 A JP 2004089081A JP 2004089081 A JP2004089081 A JP 2004089081A JP 2005272948 A JP2005272948 A JP 2005272948A
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JP
Japan
Prior art keywords
vacuum chamber
plasma
film
gas
magnetic field
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2004089081A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Terayama
暢之 寺山
Akitaka Kashiwabara
哲隆 柏原
Nobuyuki Shimizu
信行 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinko Seiki Co Ltd
Original Assignee
Shinko Seiki Co Ltd
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Publication date
Application filed by Shinko Seiki Co Ltd filed Critical Shinko Seiki Co Ltd
Priority to JP2004089081A priority Critical patent/JP2005272948A/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma enhanced CVD system which can deal with applications of an in-line type and can satisfactorily treat even a large-sized object to be treated at a low cost. <P>SOLUTION: A coaxial magnetron cathode 34 which is a kind of cold cathode is employed as a means for generating a plasma. As a result, the system can deal with the applications of the in-line type for which the freedom from maintenance is demanded, unlike in the case a hot cathode is used. Also, permanent magnets 36, 36, etc., are built as magnetic field generating means into the coaxial magnetron cathode 36, and thereby the higher density of the plasma is attained. Accordingly, the magnetic field generating means can be made smaller in size and lower in cost as compared to the case the outer side of, for example, a vacuum chamber 12 is provided with an electromagnetic coil as the magnetic field generating means. In addition, the control of the shape of the plasma is facilitated. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置に関し、特に例えばDLC(Diamond Like Carbon)膜のような高硬度被膜を生成するのに適したプラズマCVDに関する。   The present invention relates to a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, and more particularly, to a plasma CVD suitable for producing a high hardness film such as a DLC (Diamond Like Carbon) film.

この種のプラズマCVD装置として、従来、例えば特許文献1に開示されたものがある。この従来技術によれば、真空槽内にプラズマを供給するためのプラズマ室が設けられている。具体的には、プラズマ室には、熱陰極,陽極および電子注入電極が、設けられている。このプラズマ室は、真空槽の内部と共に排気され、その後、当該プラズマ室に放電用のガスが導入される。この状態で、熱陰極,陽極および電子注入電極のそれぞれに直流電力が供給されると、熱陰極が加熱されて、当該熱陰極から熱電子が放出される。放出された熱電子は、陽極に向かって加速され、放電用ガスの分子と衝突する。この衝突によって、放電用ガスの分子が電離(解離)し、プラズマが発生する。発生したプラズマは、真空槽内に向けて真っ直ぐに供給される。なお、プラズマ室は、上述の電子注入電極によって一定の空間電位に保たれており、これによって当該プラズマ室での異常放電が抑えられ、安定したプラズマが得られる。   Conventionally, for example, this type of plasma CVD apparatus is disclosed in Patent Document 1. According to this prior art, a plasma chamber for supplying plasma into the vacuum chamber is provided. Specifically, the plasma chamber is provided with a hot cathode, an anode, and an electron injection electrode. The plasma chamber is evacuated together with the inside of the vacuum chamber, and then a discharge gas is introduced into the plasma chamber. In this state, when DC power is supplied to each of the hot cathode, the anode, and the electron injection electrode, the hot cathode is heated and thermoelectrons are emitted from the hot cathode. The emitted thermoelectrons are accelerated toward the anode and collide with molecules of the discharge gas. Due to this collision, molecules of the discharge gas are ionized (dissociated), and plasma is generated. The generated plasma is supplied straight into the vacuum chamber. Note that the plasma chamber is maintained at a constant spatial potential by the above-described electron injection electrode, whereby abnormal discharge in the plasma chamber is suppressed and stable plasma is obtained.

一方、真空槽内には、プラズマの形状を制御するべく、第1の磁界および第2の磁界が印加される。具体的には、プラズマは、これらの磁界によって真空槽の中央付近に閉じ込められ、これによって当該プラズマの高密度化が図られる。そして、かかるプラズマの周囲に被処理物が配置される。この状態で、真空槽内に材料ガスが導入されると、当該材料ガスの分子がプラズマによって電離される。そして、この電離によって生じたイオンが、被処理物の表面に衝突し、その結果、当該被処理物の表面に被膜が生成される。このように高密度なプラズマを発生させることによって、材料ガスの分子を効率よく電離させることができるので、DLC膜等の高硬度被膜の生成が可能となる。なお、第1の磁界および第2の磁界を発生させるための第1の磁界発生手段および第2の磁界発生手段の具体例として、一対の電磁コイル(電磁石)が提示されている。また、被処理物には、当該被処理物の表面におけるチャージアップを防止しつつ、当該表面に対するイオンの衝突エネルギを増大させるべく、パルス電圧が印加される。
特開2000−96250号公報
On the other hand, in the vacuum chamber, a first magnetic field and a second magnetic field are applied to control the shape of the plasma. Specifically, the plasma is confined in the vicinity of the center of the vacuum chamber by these magnetic fields, whereby the density of the plasma is increased. A workpiece is disposed around the plasma. In this state, when a material gas is introduced into the vacuum chamber, molecules of the material gas are ionized by plasma. And the ion produced by this ionization collides with the surface of a to-be-processed object, As a result, a film is produced | generated on the surface of the said to-be-processed object. By generating high-density plasma in this manner, the molecules of the material gas can be efficiently ionized, so that a high-hardness film such as a DLC film can be generated. A pair of electromagnetic coils (electromagnets) is presented as a specific example of the first magnetic field generating means and the second magnetic field generating means for generating the first magnetic field and the second magnetic field. In addition, a pulse voltage is applied to the object to be processed in order to increase the collision energy of ions against the surface while preventing charge-up on the surface of the object to be processed.
JP 2000-96250 A

ところで、上述の熱陰極は、例えば直径が0.8[mm]〜1.0[mm]程度のタングステンフィラメントとされている。このタングステンフィラメントは、成膜過程において、材料ガスにより炭化されて脆くなり、またそれ自体がスパッタされてしまうため、その寿命は短く、例えば10時間〜15時間程度である。従って、従来技術では、かかる短寿命の熱陰極を頻繁に交換する必要があり、そのための手間および費用が多分に掛かる、という問題がある。特に、近年は、大量生産に対応するべくインライン型でしかもメンテナンスフリーのプラズマCVD装置の実現が望まれているが、従来技術のように短寿命の熱陰極を有する装置では、当該インライン型の用途には十分に対応することができない。   By the way, the above-mentioned hot cathode is, for example, a tungsten filament having a diameter of about 0.8 [mm] to 1.0 [mm]. This tungsten filament is carbonized and brittle by the material gas in the film formation process, and itself is sputtered, so that its lifetime is short, for example, about 10 to 15 hours. Therefore, in the prior art, it is necessary to frequently replace such a short-lived hot cathode, and there is a problem that much labor and cost are required. In particular, in recent years, it has been desired to realize an in-line type and maintenance-free plasma CVD apparatus in order to cope with mass production. However, in an apparatus having a short-lived hot cathode as in the prior art, the in-line type application is required. Can't cope with it enough.

さらに、上述の第1の磁界発手段および第2の磁界発生手段を構成する電磁コイルは、真空槽の外部に設けられている。従って、真空槽が大型化すると、換言すれば大きな被処理物をも処理できるようにすると、それ相応に大きな電磁コイルが必要となり、その分、当該電磁コイルを含む装置全体のコストが高騰する。また、このように電磁コイルが大型化すると、真空槽内における磁界の制御が難しくなり、例えば均一な膜厚分布を得られなくなる。その解決策として、例えば電磁コイルの数を増やすことが考えられるが、このように電磁コイルの数を増やすと、その分、装置のコストがさらに高騰する。つまり、従来技術では、インライン型の用途に対応することができず、しかも大型の被処理物を処理できるようにすると装置のコストが極端に高くなる、という問題がある。   Further, the electromagnetic coils constituting the first magnetic field generating means and the second magnetic field generating means are provided outside the vacuum chamber. Therefore, if the vacuum chamber is enlarged, in other words, if a large workpiece can be processed, a correspondingly large electromagnetic coil is required, and the cost of the entire apparatus including the electromagnetic coil increases accordingly. Further, when the electromagnetic coil is increased in size as described above, it becomes difficult to control the magnetic field in the vacuum chamber, and for example, a uniform film thickness distribution cannot be obtained. As a solution for this, for example, the number of electromagnetic coils can be increased. However, when the number of electromagnetic coils is increased in this way, the cost of the apparatus further increases. That is, the prior art cannot cope with in-line applications, and there is a problem that the cost of the apparatus becomes extremely high if a large object to be processed can be processed.

そこで、この発明は、インライン型の用途に十分に対応することができ、しかも大型の被処理物をも良好に処理することができるプラズマCVD装置を低コストで提供することを、目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a low-cost plasma CVD apparatus that can sufficiently cope with an in-line type application and that can satisfactorily process a large object to be processed.

かかる目的を達成するために、この発明のプラズマCVD装置は、被処理物が収容される真空槽と、この真空槽内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入手段と、真空槽内に設けられ放電用電力が供給されることによって放電用ガスを放電させる放電用電極と、被膜の材料となる材料ガスを真空槽内に導入する材料ガス導入手段と、を具備する。そして、放電用電極が、被処理物の被膜の生成対象部分に対向する表面を有する外側体と、当該表面に沿う磁界を発生させるように外側体に内蔵された磁界発生手段と、を備えるものである。   In order to achieve this object, a plasma CVD apparatus according to the present invention is provided in a vacuum chamber in which an object to be processed is stored, a discharge gas introducing means for introducing a discharge gas into the vacuum chamber, and a vacuum chamber. And a discharge electrode for discharging the discharge gas when supplied with the discharge power, and a material gas introduction means for introducing a material gas as a film material into the vacuum chamber. The discharge electrode includes an outer body having a surface facing a portion to be coated of the coating of the object to be processed, and magnetic field generating means built in the outer body so as to generate a magnetic field along the surface. It is.

即ち、この発明では、放電用ガス導入手段によって真空槽内に放電用ガスが導入される。この状態で、放電用電極に放電用電力が供給されると、当該放電用電極の表面、具体的には外側体の表面に、電界が生じ、これによって放電用ガスの分子が電離されて、プラズマが発生する。さらに、外側体には磁界発生手段が内蔵されており、この磁界発生手段によって、当該外側体の表面に沿う磁界、換言すれば上述の電界に対して直交する磁界が、発生する。従って、プラズマは、この磁界によって外側体の表面に沿う空間内に閉じ込められ、その結果、当該プラズマの高密度化が図られる。そして、材料ガス導入手段によって真空槽内に材料ガスが導入されると、当該材料ガスの分子がプラズマによって電離される。そして、この電離によって生じた材料ガスのイオンが、被処理物の被膜生成対象部分に衝突し、これによって当該被膜生成対象部分に被膜が生成される。   That is, in the present invention, the discharge gas is introduced into the vacuum chamber by the discharge gas introduction means. In this state, when discharge power is supplied to the discharge electrode, an electric field is generated on the surface of the discharge electrode, specifically the surface of the outer body, thereby ionizing the molecules of the discharge gas, Plasma is generated. Further, the outer body contains a magnetic field generating means, and the magnetic field generating means generates a magnetic field along the surface of the outer body, in other words, a magnetic field orthogonal to the above-described electric field. Therefore, the plasma is confined in the space along the surface of the outer body by this magnetic field, and as a result, the density of the plasma is increased. When the material gas is introduced into the vacuum chamber by the material gas introduction means, the molecules of the material gas are ionized by the plasma. And the ion of the material gas produced by this ionization collides with the film production | generation object part of a to-be-processed object, and a film is produced | generated by the said film production | generation object part by this.

なお、磁界発生手段は、1個または複数個の永久磁石を備えるのが、望ましい。即ち、磁界発生手段として1個以上の永久磁石を採用することで、例えば電磁石を採用する場合に比べて、当該磁界発生手段の構成を簡素化し、かつ低コスト化することができる。また、永久磁石の数を増やすことで、プラズマの形状をより精密に制御することができる。これは、例えば被処理物に対して均一な成膜処理を施すのに、有効である。   Note that the magnetic field generating means preferably includes one or a plurality of permanent magnets. That is, by adopting one or more permanent magnets as the magnetic field generating means, the configuration of the magnetic field generating means can be simplified and the cost can be reduced as compared with the case where, for example, an electromagnet is used. Moreover, the shape of plasma can be controlled more precisely by increasing the number of permanent magnets. This is effective, for example, for performing a uniform film forming process on an object to be processed.

また、放電用電極は、複数であってもよい。このようにすれば、例えば大型の被処理物や、複雑な構造の被処理物に対して、効果的に成膜処理を施すことができる。   Moreover, the discharge electrode may be plural. In this way, for example, a film forming process can be effectively performed on a large object to be processed or an object having a complicated structure.

そして、放電用電極に供給される放電用電力は、非直流電力とするのが、望ましい。具体的には、周波数が50kHz乃至250kHzのパルス電力、または周波数が13.56MHz乃至26MHzの高周波電力とする。特に、パルス電力については、非対称パルス電力とするのが、望ましい。   It is desirable that the discharge power supplied to the discharge electrode is non-DC power. Specifically, pulse power with a frequency of 50 kHz to 250 kHz or high frequency power with a frequency of 13.56 MHz to 26 MHz is used. In particular, the pulse power is preferably asymmetric pulse power.

さらに、被処理物に被処理物電力を供給する電力供給手段を設けてもよい。このようにすれば、被処理物の被膜生成対象部分に対するイオンの衝突エネルギを増大させることができる。   Furthermore, you may provide the electric power supply means to supply to-be-processed object power to a to-be-processed object. If it does in this way, the collision energy of the ion with respect to the film production | generation target part of a to-be-processed object can be increased.

この場合、被処理物電力は、非直流電力とするのが、望ましい。具体的には、周波数が50kHz乃至250kHzのパルス電力、または周波数が13.56MHz乃至26MHzの高周波電力とする。特に、パルス電力については、非対称パルスとするのが、望ましい。このように被処理物電力として非直流電力を採用することによって、例えば被処理物が絶縁物であるときに、当該被処理物の被膜生成対象部分におけるチャージアップを防止することができる。   In this case, the workpiece power is preferably non-DC power. Specifically, pulse power with a frequency of 50 kHz to 250 kHz or high frequency power with a frequency of 13.56 MHz to 26 MHz is used. In particular, the pulse power is preferably an asymmetric pulse. By adopting non-direct current power as the object power in this way, for example, when the object to be processed is an insulator, it is possible to prevent charge-up in the film generation target portion of the object to be processed.

そしてさらに、外側体については、生成しようとする被膜に対して密着性を有する物質により形成するのが、望ましい。即ち、成膜過程においては、外側体にも被膜が生成される。ここで、例えば当該外側体に生成された被膜が剥離した場合、剥離した被膜が被処理物の被膜生成対象部分に付着して、当該被膜生成対象部分にピンホールや微小突起等の不具合が生じる可能性がある。そこで、外側体を被膜に対して密着性のある物質によって形成すれば、当該外側体に生成された被膜が剥離するのを防止することができ、ひいては上述のようなピンホールや微小突起等の不具合の発生を防止することができる。   Further, it is desirable that the outer body is formed of a substance having adhesion to the film to be generated. That is, in the film forming process, a film is also formed on the outer body. Here, for example, when the film generated on the outer body is peeled off, the peeled film adheres to the film generation target portion of the object to be processed, and defects such as pinholes and minute protrusions occur in the film generation target portion. there is a possibility. Therefore, if the outer body is formed of a substance having adhesiveness to the coating, it is possible to prevent the coating generated on the outer body from being peeled off. The occurrence of defects can be prevented.

なお、生成しようとする被膜が、例えばDLC膜である場合、外側体を形成する物質として、例えばチタン(Ti)を用いるのが、望ましい。即ち、チタンは、DLC膜に対して高い密着性を有するので、かかるチタンによって外側体を形成すれば、当該外側体に生成されたDLC膜の剥離を防止することができ、ひいては上述のような不具合の発生を防止することができる。また、チタン以外に、例えばクロム(Cr)やシリコン(Si)も、DLC膜に対して高い密着性を有するので、これらクロムまたはシリコンによって外側体を形成してもよい。   In addition, when the film to be generated is, for example, a DLC film, it is desirable to use, for example, titanium (Ti) as a substance forming the outer body. That is, since titanium has high adhesion to the DLC film, if the outer body is formed of such titanium, it is possible to prevent the DLC film generated on the outer body from being peeled off. The occurrence of defects can be prevented. In addition to titanium, for example, chromium (Cr) and silicon (Si) also have high adhesion to the DLC film, so that the outer body may be formed of these chromium or silicon.

この発明によれば、プラズマを発生させる手段として、冷陰極の一種である放電用電極が採用される。冷陰極は、熱陰極に比べて遥かに寿命が長いので、メンテナンスフリーが要求される上述したインライン型の用途にも十分に対応することができる。また、プラズマを高密度化するための磁界発生手段は、放電用電極を構成する外側体に内蔵されており、つまり真空槽内に設けられている。従って、真空槽の外部に電磁コイルが設けられる構成の上述した従来技術に比べて、磁界発生手段を小型化することができ、その分、当該磁界発生手段を含む装置全体のコストを低減することができる。そのうえ、真空槽内における磁界の制御も、容易になる。即ち、この発明によれば、インライン型の用途に十分に対応することができ、しかも大型の被処理物をも良好に処理することができるプラズマCVD装置を、低コストで実現することができる。   According to the present invention, a discharge electrode, which is a kind of cold cathode, is employed as means for generating plasma. Since the cold cathode has a much longer life than the hot cathode, the cold cathode can sufficiently cope with the above-mentioned in-line type application that requires maintenance-free operation. The magnetic field generating means for increasing the density of the plasma is built in the outer body constituting the discharge electrode, that is, provided in the vacuum chamber. Therefore, the magnetic field generating means can be reduced in size as compared with the above-described conventional technique in which the electromagnetic coil is provided outside the vacuum chamber, and accordingly, the cost of the entire apparatus including the magnetic field generating means is reduced. Can do. In addition, the magnetic field in the vacuum chamber can be easily controlled. That is, according to the present invention, it is possible to realize a plasma CVD apparatus that can sufficiently cope with an in-line type application and that can satisfactorily process a large object to be processed at low cost.

この発明の一実施形態について、図1から図11を参照して説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、この実施形態のプラズマCVD装置10は、真空槽12を備えている。この真空槽12は、例えば直径が約1[m]、高さが約0.8[m]の概略円筒形に成形されたステンレス(SUS304)製のものであり、それ自体(筺体)は、基準電位としての接地電位(GND)に接続されている。また、真空槽12の側壁(図1において右側の部分)には、排気口14が設けられており、この排気口14には、排気手段としての図示しない真空ポンプが結合されている。   As shown in FIG. 1, the plasma CVD apparatus 10 of this embodiment includes a vacuum chamber 12. The vacuum chamber 12 is made of stainless steel (SUS304) formed into a substantially cylindrical shape having a diameter of about 1 [m] and a height of about 0.8 [m], for example. It is connected to a ground potential (GND) as a reference potential. Further, an exhaust port 14 is provided on the side wall (right side in FIG. 1) of the vacuum chamber 12, and a vacuum pump (not shown) serving as an exhaust unit is coupled to the exhaust port 14.

そして、真空槽12の上壁には、ガス導入口16が設けられており、このガス導入口16には、4本のガス管18,20,22および24が並列に結合されている。このうちの1本、例えばガス管18は、放電用ガス導入手段として機能し、具体的には、当該ガス管18を介して真空槽12内に放電用ガスとしてのアルゴン(Ar)ガスが導入される。なお、このガス管18には、アルゴンガスの流量を調整するための放電用ガス流量調整手段、例えばマスフローコントローラ26が、設けられている。そして、ガス管20は、後述するイオンボンバード用の水素(H)ガスを真空槽12内に導入するためのものであり、このガス管20にもガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ28が設けられている。また、ガス管22は、第1の材料ガス導入手段として機能するものであり、具体的には、当該ガス管22を介して真空槽12内に第1の材料ガスとしてのTMS(Tetramethyl silane)ガスが導入される。このガス管22にも、第1の材料ガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ30が設けられている。そして、ガス管24は、真空槽12内に第2の材料ガスとしてのアセチレン(C)ガスを導入するためのものであり、このガス管24にもまた、第2の材料ガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ32が設けられている。 A gas inlet 16 is provided on the upper wall of the vacuum chamber 12, and four gas pipes 18, 20, 22, and 24 are coupled in parallel to the gas inlet 16. One of these, for example, the gas tube 18 functions as a discharge gas introduction means. Specifically, argon (Ar) gas as a discharge gas is introduced into the vacuum chamber 12 through the gas tube 18. Is done. The gas pipe 18 is provided with discharge gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of argon gas, for example, a mass flow controller 26. The gas pipe 20 is for introducing hydrogen (H 2 ) gas for ion bombardment, which will be described later, into the vacuum chamber 12. The gas pipe 20 is also provided with a mass flow controller 28 as a gas flow rate adjusting means. It has been. The gas pipe 22 functions as a first material gas introduction means, and specifically, TMS (Tetramethyl silane) as a first material gas is introduced into the vacuum chamber 12 via the gas pipe 22. Gas is introduced. The gas pipe 22 is also provided with a mass flow controller 30 as first material gas flow rate adjusting means. The gas pipe 24 is for introducing acetylene (C 2 H 2 ) gas as the second material gas into the vacuum chamber 12. The gas pipe 24 also has a second material gas flow rate. A mass flow controller 32 as adjustment means is provided.

さらに、真空槽12の略中央には、垂直方向に延伸するように放電用電極としての円柱状の同軸マグネトロンカソード34が設けられている。この同軸マグネトロンカソード34は、複数個、例えば6個の永久磁石36,36,…を内蔵しており、具体的には、図2に示すような構成とされている。   Furthermore, a cylindrical coaxial magnetron cathode 34 as a discharge electrode is provided at a substantially center of the vacuum chamber 12 so as to extend in the vertical direction. The coaxial magnetron cathode 34 incorporates a plurality of, for example, six permanent magnets 36, 36,..., Specifically, configured as shown in FIG.

即ち、同軸マグネトロンカソード34は、外側体としてのステンレス(SUS304)製の筺体340を有している。この筺体340は、上側円筒部342と下側円筒部344とから成り、これら上側円筒部342と下側円筒部344とは、それぞれの中心軸(図2に一点鎖線で示す軸)を互いに一致させた状態で結合されている。なお、上側円筒部342の内径および外径は、下側円筒部344のそれよりも大きく、それぞれの中空部346および348は、互いに連通している。そして、上側円筒部342の中空部346に、磁界発生手段としての上述の永久磁石36,36,…が収容されている。   That is, the coaxial magnetron cathode 34 has a housing 340 made of stainless steel (SUS304) as an outer body. The housing 340 includes an upper cylindrical portion 342 and a lower cylindrical portion 344, and the upper cylindrical portion 342 and the lower cylindrical portion 344 coincide with each other with their respective central axes (axes indicated by a one-dot chain line in FIG. 2). It is combined in the state of letting. The inner and outer diameters of the upper cylindrical portion 342 are larger than that of the lower cylindrical portion 344, and the hollow portions 346 and 348 communicate with each other. .. Are housed in the hollow portion 346 of the upper cylindrical portion 342. The permanent magnets 36, 36,.

これらの永久磁石36,36,…は、一般に知られているフェライト磁石であり、概略ドーナツ状に成形されたものである。各永久磁石36,36,…は、それぞれの中心軸を上側円筒部342の中心軸に一致させた状態、言わば同軸状態で、当該上側円筒部342が延伸する方向(垂直方向)に沿って一列に配置されている。また、互いに隣り合う永久磁石36および36間では、同種の極同士が向き合うように、つまりN極同士またはS極同士が向き合うように、配置されている。なお、各永久磁石36,36,…の内径は、下側円筒部344の内径と略同等とされている。また、各永久磁石36,36,…の間には、当該各永久磁石36,36,…を上側円筒部342の内周壁に固定するための概略円盤状の固定具350,350,…が設けられている。これらの固定具350,350,…は、磁極としても機能する。そして、上側円筒部342の上端は、概略円盤状の蓋体352によって閉鎖されている。   These permanent magnets 36, 36,... Are generally known ferrite magnets and are generally formed in a donut shape. The permanent magnets 36, 36,... Are arranged in a row along the direction (vertical direction) in which the upper cylindrical portion 342 extends in a state where the respective central axes coincide with the central axis of the upper cylindrical portion 342, that is, in a coaxial state. Is arranged. Further, the permanent magnets 36 and 36 adjacent to each other are arranged so that the same kind of poles face each other, that is, the N poles or the S poles face each other. The inner diameters of the permanent magnets 36, 36,... Are substantially the same as the inner diameter of the lower cylindrical portion 344. Further, between the permanent magnets 36, 36,..., There are provided substantially disc-shaped fixtures 350, 350,... For fixing the permanent magnets 36, 36,. It has been. These fixtures 350, 350,... Also function as magnetic poles. The upper end of the upper cylindrical portion 342 is closed by a substantially disc-shaped lid 352.

一方、下側円筒部344の下端には、当該下側円筒部344の中空部348から外側に貫通する2つの貫通孔354および356が、設けられている。そして、これらの貫通孔354および356の内側開口部(図2において上側の開口部)には、互いに長さの異なる2本の直管358および360が結合されている。これらの直管358および360は、当該各貫通孔354および356の内側開口部から、蓋体352のある方向(図2において上方向)に向かって、真っ直ぐに延伸しており、短い方の直管358の長さは、例えば十数[mm]〜数十[mm]程度とされている。そして、長い方の直管360は、例えば蓋体352の内側面(図2において下側の面)付近にまで延伸する程の長さとされている。なお、各貫通孔354および356の外側開口部(図2において下側の開口部)には、同軸マグネトロンカソード34(筺体340)内に冷却水を循環させるための図示しない給水ポンプが結合される。即ち、後述する成膜過程においては、同軸マグネトロンカソード34は数百[℃]という温度にまで熱せられる。そこで、このような高温に熱せられる同軸マグネトロンカソード34を冷却するべく、冷却水が、給水ポンプから一方の貫通孔354に供給される。そして、この冷却水は、直管358→筺体340(中空部346および348)内→直管360→貫通孔356、という順番で流通し、当該貫通孔356から排出される。   On the other hand, at the lower end of the lower cylindrical portion 344, two through holes 354 and 356 that penetrate outward from the hollow portion 348 of the lower cylindrical portion 344 are provided. Two straight pipes 358 and 360 having different lengths are coupled to the inner openings (the upper openings in FIG. 2) of these through holes 354 and 356. These straight pipes 358 and 360 are straightly extended from the inner openings of the respective through holes 354 and 356 toward the direction in which the lid 352 is located (upward in FIG. 2). The length of the tube 358 is, for example, about several tens [mm] to several tens [mm]. The longer straight pipe 360 has a length that extends to, for example, the vicinity of the inner surface (the lower surface in FIG. 2) of the lid 352. A water supply pump (not shown) for circulating cooling water in the coaxial magnetron cathode 34 (housing 340) is coupled to the outer openings (lower openings in FIG. 2) of the through holes 354 and 356. . That is, in the film forming process described later, the coaxial magnetron cathode 34 is heated to a temperature of several hundred [° C.]. Therefore, in order to cool the coaxial magnetron cathode 34 heated to such a high temperature, cooling water is supplied to one through hole 354 from the water supply pump. The cooling water flows in the order of the straight pipe 358 → the housing 340 (hollow portions 346 and 348) → the straight pipe 360 → the through hole 356 and is discharged from the through hole 356.

さらに、下側円筒部344の外側には、円筒形の絶縁部材362が設けられている。この絶縁部材362は、耐熱性のある硬質樹脂によって形成されており、その外径は、上側円筒部342の外径と略同等とされている。そして、絶縁部材362の周壁の下側寄りの部分に当該周壁の全周にわたって嵌合するように、概略丸鍔状のフランジ364が設けられている。このフランジ364もまた、筺体340と同様のステンレス(SUS304)製とされている。ただし、このフランジ364と筺体340とは、絶縁部材362によって互いに絶縁されている。   Further, a cylindrical insulating member 362 is provided outside the lower cylindrical portion 344. The insulating member 362 is formed of a heat-resistant hard resin, and the outer diameter thereof is substantially the same as the outer diameter of the upper cylindrical portion 342. A substantially round flange-like flange 364 is provided so as to fit over the entire circumference of the peripheral wall of the insulating member 362 on the lower side of the peripheral wall. The flange 364 is also made of stainless steel (SUS304) similar to the case 340. However, the flange 364 and the housing 340 are insulated from each other by the insulating member 362.

なお、図(特に図1)には詳しく示さないが、同軸マグネトロンカソード34は、真空槽10の底壁に固定されている。即ち、真空槽10の底壁の中央部分には、同軸マグネトロンカソード34の筺体340(上側円筒部344)の外径よりも少し大きめの図示しない円形の貫通孔が設けられている。同軸マグネトロンカソード34は、フランジ364の上面(図2において上側の面)から蓋体352までの部分を当該貫通孔に挿通させて真空槽12内に位置させ、残りの部分(図2においてフランジ364の下面から下側の部分)を真空槽12の外部に露出させた状態で、例えば図示しないボルトによって真空槽10の底壁に固定されている。なお、同軸マグネトロンカソード34の全長(高さ寸法)は、例えば約500[mm]であり、このうち上側円筒部342が占める寸法は、約250[mm]である。そして、この上側円筒部342の外径は、約100[mm]であり、当該上側円筒部342の肉厚は、約6[mm]である。   Although not shown in detail in the figure (particularly FIG. 1), the coaxial magnetron cathode 34 is fixed to the bottom wall of the vacuum chamber 10. That is, a circular through hole (not shown) that is slightly larger than the outer diameter of the casing 340 (upper cylindrical portion 344) of the coaxial magnetron cathode 34 is provided in the central portion of the bottom wall of the vacuum chamber 10. In the coaxial magnetron cathode 34, a portion from the upper surface (upper surface in FIG. 2) of the flange 364 to the lid 352 is inserted into the through-hole and positioned in the vacuum chamber 12, and the remaining portion (flange 364 in FIG. 2). In a state where the lower part from the lower surface of the vacuum chamber 12 is exposed to the outside of the vacuum chamber 12, it is fixed to the bottom wall of the vacuum chamber 10 by, for example, a bolt (not shown). The total length (height dimension) of the coaxial magnetron cathode 34 is about 500 [mm], for example, and the dimension occupied by the upper cylindrical portion 342 is about 250 [mm]. The outer diameter of the upper cylindrical portion 342 is about 100 [mm], and the thickness of the upper cylindrical portion 342 is about 6 [mm].

このような構成の同軸マグネトロンカソード36に対して、真空槽10の外部に設けられた高周波電源装置38から、放電用電力としての高周波電力Ecが供給される。具体的には、当該高周波電力Ecは、筺体340に供給される。この高周波電力Ecは、例えば周波数が13.56[MHz]〜26[MHz]のいわゆるHF帯の交流電力であり、当該周波数は同範囲内(13.56[MHz]〜26[MHz]の範囲内)で任意に調整可能とされている。また、この高周波電力Ecの大きさ(パワー)も、例えば0[W]〜1200[W]の範囲内で任意に調整可能とされている。   The coaxial magnetron cathode 36 having such a configuration is supplied with high-frequency power Ec as discharge power from a high-frequency power supply device 38 provided outside the vacuum chamber 10. Specifically, the high frequency power Ec is supplied to the housing 340. The high-frequency power Ec is, for example, so-called HF band AC power having a frequency of 13.56 [MHz] to 26 [MHz], and the frequency is within the same range (13.56 [MHz] to 26 [MHz]. (In). Also, the magnitude (power) of the high-frequency power Ec can be arbitrarily adjusted within a range of, for example, 0 [W] to 1200 [W].

そして、同軸マグネトロンカソード36の側面を取り囲むように、複数、例えば数個〜十数個の被処理物40,40,…が配置される。具体的には、各被処理物40,40,…は、同軸マグネトロンカソード36の側面から所定の距離Dを置いて、かつそれぞれの成膜対象面を当該同軸マグネトロンカソード36の側面に対向させた状態で、配置される。なお、ここで言う同軸マグネトロンカソード36の側面とは、上述した上側円筒部342の外周壁面を言う。また、距離Dは、例えば約200[mm]である。   A plurality of, for example, several to dozens of workpieces 40, 40,... Are arranged so as to surround the side surface of the coaxial magnetron cathode 36. Specifically, each of the workpieces 40, 40,... Has a predetermined distance D from the side surface of the coaxial magnetron cathode 36 and the respective film formation target surfaces are opposed to the side surfaces of the coaxial magnetron cathode 36. Placed in a state. In addition, the side surface of the coaxial magnetron cathode 36 mentioned here means the outer peripheral wall surface of the upper cylindrical portion 342 described above. The distance D is about 200 [mm], for example.

これらの被処理物40,40,…は、支持手段としてのホルダ42,42,…によって個別に支持されており、これらのホルダ42,42,…は、個別のギヤ機構44,44,…を介して回転テーブル46に結合されている。そして、回転テーブル46の中央部分には、回転軸48の一端が結合されており、当該回転軸48の他端は、真空槽12の外部に設けられた駆動手段としてのモータ50のシャフト52に結合されている。即ち、モータ50が駆動されて、回転軸48が図1に矢印54で示す方向に回転すると、回転テーブル46も同じ方向に回転する。これによって、各被処理物40,40,…は、同軸マグネトロンカソード34を中心として回転し、言わば公転する。この公転速度は、任意に調整することができるが、概ね1[rpm]程度とされる。さらに、ギア機構44,44,…による回転伝達作用によって、各被処理物40,40,…は、ホルダ42,42,…を軸として図1に矢印56,56,…で示す方向に回転し、言わば自転する。この自転速度は、公転速度によって決まるが、例えば当該公転速度の20倍程度とされている。従って、例えば公転速度が1[rpm]であるとき、自転速度は概ね20[rpm]程度となる。   These workpieces 40, 40,... Are individually supported by holders 42, 42,... As support means, and these holders 42, 42,. The rotary table 46 is coupled to the rotary table 46 via the rotary table 46. One end of a rotary shaft 48 is coupled to the central portion of the rotary table 46, and the other end of the rotary shaft 48 is connected to a shaft 52 of a motor 50 as a driving means provided outside the vacuum chamber 12. Are combined. That is, when the motor 50 is driven and the rotating shaft 48 rotates in the direction indicated by the arrow 54 in FIG. 1, the rotary table 46 also rotates in the same direction. As a result, the workpieces 40, 40,... Rotate around the coaxial magnetron cathode 34, so to speak, revolve. Although this revolution speed can be adjusted arbitrarily, it is about 1 [rpm]. Further, due to the rotation transmission action by the gear mechanisms 44, 44,..., The workpieces 40, 40,... Rotate in the directions indicated by arrows 56, 56,. Rotate so to speak. The rotation speed is determined by the revolution speed, and is, for example, about 20 times the revolution speed. Therefore, for example, when the revolution speed is 1 [rpm], the rotation speed is approximately 20 [rpm].

さらに、各被処理物40,40,…には、真空槽12の外部に設けられた電力供給手段としてのパルス電源装置58から、回転軸48,回転テーブル46,ギア機構44,44,…およびホルダ42,42,…を介して、被処理物電力としてのバイアス電圧Ebが印加される。このバイアス電圧Ebは、図3に示すような非対称パルス電圧であり、その周波数は、50[kHz]〜250[kHz]の範囲内で任意に調整可能とされている。また、当該バイアス電圧Ebのデューティ比、具体的には1周期Taに対するパルス幅(ハイレベルの期間)Tbの比率R(=Tb/Ta)についても、例えば1[%]〜40[%]の範囲内で任意に調整可能とされている。そして、ハイレベルの電圧値Vaもまた、設置電位を基準として例えば0[V]〜+50[V]の範囲内で任意に調整可能とされている。さらに、ローレベルの電圧値Vbも、設置電位を基準として例えば0[V]〜−2000[V]の範囲内で任意に調整可能とされている。なお、この実施形態では、バイアス電圧Ebの大きさを、図3に点線で示すように直流の電圧値、つまり平均値Vdcで表す。この平均値Vdcは、言うまでもなくデューティ比R,ハイレベルの電圧値Vaおよびローレベルの電圧値Vbによって変わるが、この実施形態では、ハイレベルの電圧値Vaを例えば+50[V]一定とし、デューティ比Rおよびローレベルの電圧値Vbによって当該平均値Vdcを調整することとする。   Further, each of the workpieces 40, 40,... Is supplied with a rotating shaft 48, a rotating table 46, gear mechanisms 44, 44,... From a pulse power supply device 58 as a power supply means provided outside the vacuum chamber 12. A bias voltage Eb as the workpiece power is applied through the holders 42, 42,. The bias voltage Eb is an asymmetric pulse voltage as shown in FIG. 3, and the frequency thereof can be arbitrarily adjusted within a range of 50 [kHz] to 250 [kHz]. Further, the duty ratio of the bias voltage Eb, specifically, the ratio R (= Tb / Ta) of the pulse width (high level period) Tb to one period Ta is, for example, 1 [%] to 40 [%]. It can be arbitrarily adjusted within the range. The high-level voltage value Va can also be arbitrarily adjusted within a range of, for example, 0 [V] to +50 [V] with respect to the installation potential. Further, the low-level voltage value Vb can be arbitrarily adjusted within a range of, for example, 0 [V] to −2000 [V] with respect to the installation potential. In this embodiment, the magnitude of the bias voltage Eb is represented by a DC voltage value, that is, an average value Vdc as shown by a dotted line in FIG. Needless to say, the average value Vdc varies depending on the duty ratio R, the high-level voltage value Va, and the low-level voltage value Vb. However, in this embodiment, the high-level voltage value Va is, for example, +50 [V] constant, The average value Vdc is adjusted by the ratio R and the low-level voltage value Vb.

そしてさらに、真空槽12の側壁の近傍であって、例えば排気口14が設けられている側とは反対側の位置に、スパッタカソード60が配置されている。このスパッタカソード60は、後述するスパッタリング処理において使用されるものであり、当該スパッタリング処理における被膜の材料となる平板状のターゲット材62と、このターゲット材62の背面に沿って配置されたマグネット64とを、有している。なお、ターゲット材62は、その表面を同軸マグネトロンカソード34の側面に真っ直ぐに向けた状態で配置されており、マグネット64は、当該ターゲット材62の表面に沿う磁界を発生させるように形成されている。そして、ターゲット材62には、真空槽12の外部に設けられた直流電源装置66から負電圧の直流電力Esが供給される。この直流電力Esの大きさもまた、任意に調整可能とされている。   Further, a sputter cathode 60 is disposed in the vicinity of the side wall of the vacuum chamber 12, for example, at a position opposite to the side where the exhaust port 14 is provided. The sputter cathode 60 is used in a sputtering process to be described later. A flat target material 62 serving as a film material in the sputtering process, and a magnet 64 disposed along the back surface of the target material 62, have. Note that the target material 62 is arranged with the surface thereof straight toward the side surface of the coaxial magnetron cathode 34, and the magnet 64 is formed to generate a magnetic field along the surface of the target material 62. . The target material 62 is supplied with DC power Es having a negative voltage from a DC power supply device 66 provided outside the vacuum chamber 12. The magnitude of the DC power Es can also be arbitrarily adjusted.

さて、このように構成されたプラズマCVD装置10によれば、DLC膜等の高硬度被膜を生成するのに、極めて有効である。   Now, according to the plasma CVD apparatus 10 configured as described above, it is extremely effective in generating a high hardness film such as a DLC film.

即ち、今、図1に示すように真空槽12内に複数の被処理物40,40,…が設置されているとする。なお、当該被処理物40,40,…は、例えば幅寸法が90[mm]、高さ寸法が200[mm]、厚みが1[mm]のステンレス(SUS304)製の板状体であり、それぞれの表面(一方主面)を同軸マグネトロンカソード34の側面に真っ直ぐに向けた状態で配置されているとする。そして、モータ50は停止状態にあり、つまり各被処理物40,40,…は公転も自転もしていないとする。また、全てのマスフローコントローラ26,28,30および32は閉じられた状態にあり、高周波電源装置38,パルス電源装置58および直流電源装置66はいずれもOFF(電源OFF)の状態にあるとする。   That is, it is assumed that a plurality of workpieces 40, 40,... Are installed in the vacuum chamber 12 as shown in FIG. In addition, the said to-be-processed object 40,40, ... is a plate-shaped object made from stainless steel (SUS304) whose width dimension is 90 [mm], height dimension is 200 [mm], and thickness is 1 [mm], for example. It is assumed that the respective surfaces (one main surface) are arranged in a state in which they are directed straight to the side surface of the coaxial magnetron cathode 34. It is assumed that the motor 50 is in a stopped state, that is, the workpieces 40, 40,... Are neither revolving nor rotating. Further, it is assumed that all the mass flow controllers 26, 28, 30 and 32 are in a closed state, and that the high frequency power supply device 38, the pulse power supply device 58 and the DC power supply device 66 are all in an OFF (power supply OFF) state.

この状態で、まず、真空ポンプによって真空槽12内を1×10−3[Pa]程度にまで排気させる。そして、この排気後に、マスフローコントローラ26の制御によって、20[SCCM]という流量で、ガス管18からガス導入口16を介して真空槽12内にアルゴンガスを導入させる。このとき、真空槽12内の圧力が0.2[Pa]〜0.8[Pa]の範囲内に維持されるように、当該真空槽12内を真空ポンプによって継続して排気させる。そして、高周波電源装置38をON(電源ON)させて、当該高周波電源装置38から同軸マグネトロンカソード34に例えば周波数が13.56MHzの高周波電力Ecを1000[W]の大きさで供給させる。 In this state, first, the inside of the vacuum chamber 12 is evacuated to about 1 × 10 −3 [Pa] by a vacuum pump. After the exhaust, the argon gas is introduced into the vacuum chamber 12 from the gas pipe 18 through the gas inlet 16 at a flow rate of 20 [SCCM] under the control of the mass flow controller 26. At this time, the inside of the vacuum chamber 12 is continuously evacuated by the vacuum pump so that the pressure in the vacuum chamber 12 is maintained within the range of 0.2 [Pa] to 0.8 [Pa]. Then, the high frequency power supply 38 is turned on (power ON), and the high frequency power Ec having a frequency of, for example, 13.56 MHz is supplied from the high frequency power supply 38 to the coaxial magnetron cathode 34 with a magnitude of 1000 [W].

この高周波電力Ecの供給によって、同軸マグネトロンカソード34(筺体340の上側円筒部342)の表面に電界が生じ、これによってアルゴンガスの分子が電離されて、プラズマが発生する。ここで、同軸マグネトロンカソード34の表面には、これに内蔵された6個の永久磁石36,36,…によって、同図に点線68,68,…で示すように6個の概略円環状の磁界が発生している。換言すれば、同軸マグネトロンカソード34の表面には、当該表面に沿う方向に磁界68,68,…が発生しており、より換言すれば上述の電界に対して直交する磁界68,68,…が発生している。従って、電離によって生じたγ電子(二次電子)は、これらの磁界68,68,…によって同軸マグネトロンカソード34の表面の近傍に閉じ込められる。さらに、γ電子は、磁界68,68,…を軸として螺旋運動を行うので、当該γ電子とアルゴンガス分子との衝突確率が増大し、これによってプラズマの高密度化が図られる。なお、磁界68,68,…の強さ(磁束密度)は、同軸マグネトロンカソード34の表面付近において、約0.05[T](=500[G])である。また、このとき、同軸マグネトロンカソード34は数百[℃]にまで熱せられるが、上述の冷却水によって冷却される。   By supplying the high-frequency power Ec, an electric field is generated on the surface of the coaxial magnetron cathode 34 (the upper cylindrical portion 342 of the housing 340), whereby the argon gas molecules are ionized to generate plasma. Here, on the surface of the coaxial magnetron cathode 34, six permanent magnets 36, 36,. Has occurred. In other words, the magnetic field 68, 68,... Is generated on the surface of the coaxial magnetron cathode 34 in a direction along the surface, in other words, the magnetic field 68, 68,. It has occurred. Therefore, γ electrons (secondary electrons) generated by ionization are confined in the vicinity of the surface of the coaxial magnetron cathode 34 by these magnetic fields 68, 68,. Further, since the γ electrons spirally move around the magnetic fields 68, 68,..., The probability of collision between the γ electrons and the argon gas molecules increases, thereby increasing the plasma density. The strength (magnetic flux density) of the magnetic fields 68, 68,... Is about 0.05 [T] (= 500 [G]) in the vicinity of the surface of the coaxial magnetron cathode 34. At this time, the coaxial magnetron cathode 34 is heated to several hundred [° C.], but is cooled by the above-described cooling water.

図4(a)および同図(b)(参考図(a)および(b))に、このプラズマが発生している状態を実際に撮影した写真(画像)を示す。これら図4(a)および同図(b)のそれぞれにおいて、略中央に見える円柱状のものが、同軸マグネトロンカソード34である。そして、この同軸マグネトロンカソード34の周囲を取り巻く6個の円環状の白い部分が、高密度化されたプラズマである。このように高密度なプラズマが発生している状況下では、成膜過程において真空槽12内に導入される材料ガスの分子を効率よく電離させることができるので、DLC膜等の高硬度被膜の生成が可能となる。   FIG. 4A and FIG. 4B (reference views (a) and (b)) show photographs (images) obtained by actually photographing the state where the plasma is generated. In each of FIG. 4A and FIG. 4B, the cylindrical magnetron cathode 34 that is visible at the approximate center is the coaxial magnetron cathode 34. Six annular white portions surrounding the periphery of the coaxial magnetron cathode 34 are high-density plasma. In such a situation where high-density plasma is generated, the molecules of the material gas introduced into the vacuum chamber 12 can be efficiently ionized during the film formation process, so that a high-hardness film such as a DLC film can be formed. Generation is possible.

また、図4(a)および同図(b)から明らかなように、プラズマは、言わば同軸マグネトロンカソード34の延伸方向に沿って発生する。従って、同軸マグネトロンカソード34の延伸方向において、それぞれの被処理物40の表面に対して均一な成膜処理を施すことができる。さらに、同軸マグネトロンカソード34は、上述した従来技術におけるタングステンフィラメントのような熱陰極ではなく、一種の冷陰極である。しかも、その(上側円筒部342の)肉厚は、当該タングステンフィラメントの直径よりも大きい。従って、かかる同軸マグネトロンカソード34は、従来技術における熱陰極に比べて、極めて耐食性が高く、よって寿命も遥かに長い。   Further, as is apparent from FIGS. 4A and 4B, the plasma is generated along the extending direction of the coaxial magnetron cathode 34. Therefore, a uniform film forming process can be performed on the surface of each workpiece 40 in the extending direction of the coaxial magnetron cathode 34. Further, the coaxial magnetron cathode 34 is a kind of cold cathode, not a hot cathode such as the tungsten filament in the prior art described above. Moreover, the wall thickness (of the upper cylindrical portion 342) is larger than the diameter of the tungsten filament. Therefore, the coaxial magnetron cathode 34 has extremely high corrosion resistance and therefore has a much longer life than the hot cathode in the prior art.

次に、上述の如くプラズマが発生している状態において、パルス電源装置58をONさせて、当該パルス電源装置58から各被処理物40,40,…に対して、例えば周波数が100[kHz]で、デューティ比Rが30[%]、平均電圧値Vdcが−100[V]のバイアス電圧Ebを印加させる。これによって、プラズマ中のアルゴンイオンは、各被処理物40,40,…の表面に向かって加速され、当該各被処理物40,40,…の表面に入射される。ここで、高周波電源装置38を操作して、同軸マグネトロンカソード34に供給される13.56MHzの高周波電力Ecの大きさを、50[W]〜1000[W]の範囲内で段階的に変化させる。そして、このときパルス電源装置58から各被処理物40,40,…に流れる電流Ibを測定した。その結果を、図5に実線の曲線100で示す。   Next, in the state where the plasma is generated as described above, the pulse power supply device 58 is turned ON, and the frequency of the processing object 40, 40,. Thus, a bias voltage Eb having a duty ratio R of 30 [%] and an average voltage value Vdc of −100 [V] is applied. As a result, the argon ions in the plasma are accelerated toward the surface of each workpiece 40, 40,..., And are incident on the surface of each workpiece 40, 40,. Here, the magnitude of the 13.56 MHz high frequency power Ec supplied to the coaxial magnetron cathode 34 is changed stepwise within a range of 50 [W] to 1000 [W] by operating the high frequency power supply device 38. . And the electric current Ib which flows into each to-be-processed object 40,40, ... from the pulse power supply 58 at this time was measured. The result is shown by a solid curve 100 in FIG.

この曲線100から明らかなように、高周波電力Ecが増大すると、これに略比例して、被処理物40,40,…に流れる電流Ibも増大する。ここで、電流Ibは、各被処理物40,40,…の表面に入射されるアルゴンイオンの量、換言すればプラズマ密度を、示している。即ち、高周波電力Ecを上げると、プラズマ密度が上がり、当該高周波電力Ecを下げると、プラズマ密度が下がる。このことから、高周波電力Ecによってプラズマ密度を制御することができることが判る。   As is apparent from the curve 100, when the high-frequency power Ec increases, the current Ib flowing through the workpieces 40, 40,. Here, the current Ib indicates the amount of argon ions incident on the surfaces of the workpieces 40, 40,..., In other words, the plasma density. That is, when the high frequency power Ec is increased, the plasma density is increased, and when the high frequency power Ec is decreased, the plasma density is decreased. This shows that the plasma density can be controlled by the high frequency power Ec.

さらに、上述の如くプラズマが発生している状態において、マスフローコントローラ32を制御して、100[SCCM]という流量で、ガス管24からガス導入口16を介して真空槽12内にアセチレンガスを導入させる。つまり、後述するDLC膜の生成過程と同じ環境を形成させる。そして、高周波電力Ecの大きさを50[W]〜1000[W]の範囲内で段階的に変化させ、このときの電流Ibを測定した。その結果を、図5に点線の曲線102で示す。   Further, in the state where plasma is generated as described above, the mass flow controller 32 is controlled to introduce acetylene gas into the vacuum chamber 12 from the gas pipe 24 through the gas inlet 16 at a flow rate of 100 [SCCM]. Let That is, the same environment as that of the DLC film generation process described later is formed. And the magnitude | size of the high frequency electric power Ec was changed in steps within the range of 50 [W]-1000 [W], and current Ib at this time was measured. The result is shown by a dotted curve 102 in FIG.

この曲線102から明らかなように、DLC膜の生成過程と同じ環境下においても、高周波電力Ecが増大すると、これに略比例して、各被処理物40,40,…に流れる電流Ibが増大する。つまり、高周波電力Ecによってプラズマ密度を制御し、ひいては各被処理物40,40,…の表面に入射されるアセチレンイオンの量を制御することができることが判る。   As is apparent from the curve 102, even in the same environment as the DLC film generation process, when the high-frequency power Ec increases, the current Ib flowing through the workpieces 40, 40,. To do. That is, it can be seen that the plasma density can be controlled by the high-frequency power Ec, and the amount of acetylene ions incident on the surfaces of the workpieces 40, 40,.

続いて、上述の如くDLC膜の生成過程と同じ環境下において、高周波電力Ecの大きさを400[W]一定とし、この状態で、バイアス電圧Ebの電圧値を0[V]〜−1200[V]の範囲内で段階的に変化させ、このときの電流Ibを測定した。その結果を、図6に実線の曲線110で示す。そして、これと同様に、高周波電力Ecの大きさを1000[W]一定とし、この状態で、バイアス電圧Ebの電圧値を0[V]〜−1200[V]の範囲内で段階的に変化させ、このときの電流Ibを測定した。その結果を、同図6に点線の曲線112で示す。   Subsequently, in the same environment as the DLC film generation process as described above, the magnitude of the high-frequency power Ec is kept constant at 400 [W], and in this state, the voltage value of the bias voltage Eb is set to 0 [V] to -1200 [ V], and the current Ib at this time was measured. The result is shown by a solid curve 110 in FIG. Similarly, the magnitude of the high-frequency power Ec is constant at 1000 [W], and in this state, the voltage value of the bias voltage Eb changes stepwise within the range of 0 [V] to -1200 [V]. The current Ib at this time was measured. The result is shown by a dotted curve 112 in FIG.

これらの曲線110および112から明らかなように、高周波電力Ecが大きいほど、電流Ibが大きくなり、つまり高密度なプラズマが得られる。このことは、上述の図5に示す関係と同様である。そして、高周波電力Ecの大きさが400[W]および1000[W]のいずれである場合でも、バイアス電圧Ebの絶対値が50[V]を超える範囲では、当該電流Ibは概ね飽和する。ここで、バイアス電圧Ebの電圧値は、被処理物40,40,…の表面に対するイオンの入射エネルギ(衝突力)を意味する。具体的には、バイアス電圧Ebの絶対値が大きいほど、当該入射エネルギは大きくなり、バイアス電圧Ebの絶対値が小さいほど、入射エネルギは小さくなる。つまり、バイアス電圧Ebによって、イオンの入射エネルギを制御することができる。   As is clear from these curves 110 and 112, the larger the high-frequency power Ec, the larger the current Ib, that is, a high-density plasma is obtained. This is the same as the relationship shown in FIG. Then, regardless of whether the magnitude of the high-frequency power Ec is 400 [W] or 1000 [W], the current Ib is almost saturated in the range where the absolute value of the bias voltage Eb exceeds 50 [V]. Here, the voltage value of the bias voltage Eb means the incident energy (impact force) of ions with respect to the surface of the workpieces 40, 40,. Specifically, the incident energy increases as the absolute value of the bias voltage Eb increases, and the incident energy decreases as the absolute value of the bias voltage Eb decreases. That is, the incident energy of ions can be controlled by the bias voltage Eb.

このように、この実施形態によれば、同軸マグネトロンカソード34に供給される高周波電力Ecによって、プラズマ密度を制御することができ、ひいては各被処理物40,40,…に入射されるイオンの量を制御することができる。そして、各被処理物40,40,…に印加されるバイアス電圧Ebによって、当該各被処理物40,40,…の表面に対するイオンの入射エネルギを制御することができる。つまり、イオンの量と、当該イオンの入射エネルギとのそれぞれを、個別に制御することができる。これは、DLC膜を始めとする様々な被膜を良好に生成する上で、極めて重要なことである。   As described above, according to this embodiment, the plasma density can be controlled by the high frequency power Ec supplied to the coaxial magnetron cathode 34, and the amount of ions incident on the workpieces 40, 40,. Can be controlled. And the incident energy of the ion with respect to the surface of each said to-be-processed object 40,40, ... can be controlled with the bias voltage Eb applied to each to-be-processed object 40,40, .... That is, the amount of ions and the incident energy of the ions can be individually controlled. This is extremely important for successfully producing various coatings including a DLC film.

そこで、この実施形態によってどのようなDLC膜を生成することができるのかを検証するために、次のような実験を行ってみた。即ち、被処理物40,40,…として、高速度工具鋼の1つであるハイス(SKH4A)鋼を設置する。具体的には、一辺が8[mm]で、長さ寸法が30[mm]の四角柱のハイス鋼を、その長手方向が垂直方向に延伸するように、上述した板状体の表面に固定する(つまり、当該板状体を言わば取り付け治具として用いる)。そして、このハイス鋼の表面に、図7に示すようにチタン膜70,シリコン含有DLC膜72およびDLC膜74を、この順番で生成する。なお、DLC膜74の下にシリコン含有DLC膜72を設けるのは、当該DLC膜74の内部応力を緩和するためである。また、シリコン含有DLC膜72の下にチタン膜70を設けるのは、被処理物40の表面に対する当該シリコン含有DLC72の密着性を向上させるためである。そして、この実験に入る前に、各マスフローコントローラ26,28,30および32は、いずれも閉じられた状態にあり、高周波電源装置38,パルス電源装置58および直流電源装置66は、いずれもOFFの状態にあるとする。そして、モータ50は、停止された状態にあるとする。   Therefore, in order to verify what kind of DLC film can be generated by this embodiment, the following experiment was performed. That is, as the workpieces 40, 40,..., High-speed tool steel, high-speed (SKH4A) steel, is installed. Specifically, a square pillar high-speed steel having a side of 8 [mm] and a length of 30 [mm] is fixed to the surface of the plate-like body described above so that its longitudinal direction extends in the vertical direction. (That is, the plate-like body is used as an attachment jig). Then, as shown in FIG. 7, a titanium film 70, a silicon-containing DLC film 72, and a DLC film 74 are formed in this order on the surface of the high-speed steel. The reason why the silicon-containing DLC film 72 is provided under the DLC film 74 is to relieve internal stress of the DLC film 74. The reason why the titanium film 70 is provided under the silicon-containing DLC film 72 is to improve the adhesion of the silicon-containing DLC 72 to the surface of the workpiece 40. Before entering this experiment, each of the mass flow controllers 26, 28, 30 and 32 is in a closed state, and the high frequency power supply device 38, the pulse power supply device 58 and the DC power supply device 66 are all OFF. Suppose you are in a state. The motor 50 is assumed to be stopped.

この状態で、まず、真空ポンプによって真空槽12内を1×10−3[Pa]程度にまで排気させる。そして、この排気後に、モータ50を駆動させて、各被処理物40,40,…を1[rpm]で公転させる。この公転によって、各被処理物40,40,…は、20[rpm]で自転する。そして、マスフローコントローラ26の制御によって、20[SCCM]という流量で真空槽12内にアルゴンガスを導入させると共に、マスフローコントローラ28の制御によって、100[SCCM]という流量で真空槽12内に水素ガスを導入させる。このとき、真空槽12内の圧力が0.2[Pa]に維持されるように、当該真空槽12内を真空ポンプによって継続して排気させる。さらに、高周波電源装置38をONさせて、当該高周波電源装置38から同軸マグネトロンカソード34に、13.56MHzの高周波電力Ecを500[W]の大きさで供給させる。そして、パルス電源装置58をONさせて、当該パルス電源装置58から各被処理物40,40,…に対して、周波数が100[kHz]で、デューティ比Rが30[%]、平均電圧値Vdcが−600[V]のバイアス電圧Ebを印加させる。このような状況下では、上述したようにアルゴンガスおよび水素ガスの各分子が電離され、プラズマが発生する。そして、この電離によって生じたアルゴンイオンおよび水素イオンは、各被処理物40,40,…の表面に向かって加速され、当該各被処理物40,40,…の表面に入射される。これによって、当該各被処理物40,40,…の表面が洗浄され、いわゆるイオンボンバード処理が施される。このイオンボンバード処理を、20分間にわたって行う。 In this state, first, the inside of the vacuum chamber 12 is evacuated to about 1 × 10 −3 [Pa] by a vacuum pump. Then, after this exhaust, the motor 50 is driven to revolve the workpieces 40, 40,... At 1 [rpm]. By this revolution, each of the workpieces 40, 40,... Rotates at 20 [rpm]. Then, argon gas is introduced into the vacuum chamber 12 at a flow rate of 20 [SCCM] by the control of the mass flow controller 26, and hydrogen gas is introduced into the vacuum chamber 12 at a flow rate of 100 [SCCM] by the control of the mass flow controller 28. Let it be introduced. At this time, the vacuum chamber 12 is continuously evacuated by a vacuum pump so that the pressure in the vacuum chamber 12 is maintained at 0.2 [Pa]. Further, the high frequency power supply device 38 is turned on, and the high frequency power Ec of 13.56 MHz is supplied from the high frequency power supply device 38 to the coaxial magnetron cathode 34 in a magnitude of 500 [W]. Then, the pulse power supply device 58 is turned on, the frequency is 100 [kHz], the duty ratio R is 30 [%], and the average voltage value from the pulse power supply device 58 to each workpiece 40, 40,. A bias voltage Eb with Vdc of −600 [V] is applied. Under such circumstances, as described above, each molecule of argon gas and hydrogen gas is ionized, and plasma is generated. The argon ions and hydrogen ions generated by this ionization are accelerated toward the surface of each object to be processed 40, 40,..., And are incident on the surface of each object to be processed 40, 40,. Thereby, the surface of each said processed material 40,40, ... is wash | cleaned, and what is called an ion bombard process is performed. This ion bombardment process is performed for 20 minutes.

このイオンボンバード処理の終了後、スパッタリング処理によってチタン膜70を生成する。即ち、マスフローコントローラ28を制御して、水素ガスの導入を停止させる。そして、マスフローコントローラ26を制御して、アルゴンガスの流量を80[SCCM]に上げる。このとき、真空槽12内の圧力が0.3[Pa]となるように、当該圧力を調整する。さらに、直流電源装置66をONさせて、当該直流電源装置66からターゲット材62に対して、1[kW]の直流電力Esを供給させる。これによって、プラズマ中のアルゴンイオンが、ターゲット材62の表面に衝突して、当該表面からターゲット材62の分子(または原子)が叩き出される。叩き出された分子は、プラズマによって電離され、この電離によって生じたチタンイオンは、各被処理物40,40,…の表面に向かって加速され、当該各被処理物40,40,…の表面に入射される。これによって、各被処理物40,40,…の表面に、チタン膜70が生成される。このスパッタリング処理を、15分間にわたって行う。この結果、当該チタン膜70の膜厚は、約150[nm]となった。   After the ion bombardment process is completed, a titanium film 70 is generated by a sputtering process. That is, the introduction of hydrogen gas is stopped by controlling the mass flow controller 28. Then, the mass flow controller 26 is controlled to increase the flow rate of the argon gas to 80 [SCCM]. At this time, the pressure is adjusted so that the pressure in the vacuum chamber 12 becomes 0.3 [Pa]. Further, the DC power supply device 66 is turned ON, and 1 [kW] of DC power Es is supplied from the DC power supply device 66 to the target material 62. Thereby, argon ions in the plasma collide with the surface of the target material 62, and molecules (or atoms) of the target material 62 are knocked out from the surface. The struck molecules are ionized by the plasma, and the titanium ions generated by this ionization are accelerated toward the surface of each object 40, 40,..., And the surface of each object 40, 40,. Is incident on. Thereby, the titanium film 70 is produced | generated on the surface of each to-be-processed object 40,40, .... This sputtering process is performed for 15 minutes. As a result, the thickness of the titanium film 70 was about 150 [nm].

かかるスパッタリング処理の実行後、シリコン含有DLC膜72を生成する。即ち、直流電源装置66をOFFさせる。そして、マスフローコントローラ26によって、アルゴンガスの流量を20[SCCM]に下げると共に、マスフローコントローラ30によって、30[SCCM]という流量で真空槽12内にTMSガスを導入させる。さらに、マスフローコントローラ32によって、100[SCCM]という流量で真空槽12内にアセチレンガスを導入させる。このとき、真空槽12内の圧力を0.4[Pa]に調整する。この条件によれば、TMSガスおよびアセチレンガスの各分子が、プラズマによって電離され、この電離によって生じたTMSイオンおよびアセチレンイオンのそれぞれが、各被処理物40,40,…の表面に向かって加速され、当該各被処理物40,40,…の表面、厳密には上述のチタン膜70の表面に入射される。これによって、当該チタン膜70の上に、シリコン含有DLC膜72が生成される。この処理を、5分間にわたって行う。この結果、当該シリコン含有DLC膜72の膜厚は、約100[nm]となった。   After performing the sputtering process, a silicon-containing DLC film 72 is generated. That is, the DC power supply device 66 is turned off. Then, the mass flow controller 26 lowers the flow rate of argon gas to 20 [SCCM], and the mass flow controller 30 introduces TMS gas into the vacuum chamber 12 at a flow rate of 30 [SCCM]. Further, the acetylene gas is introduced into the vacuum chamber 12 by the mass flow controller 32 at a flow rate of 100 [SCCM]. At this time, the pressure in the vacuum chamber 12 is adjusted to 0.4 [Pa]. According to this condition, each molecule of TMS gas and acetylene gas is ionized by plasma, and TMS ions and acetylene ions generated by this ionization are accelerated toward the surfaces of the workpieces 40, 40,. Are incident on the surfaces of the workpieces 40, 40,..., Strictly, the surfaces of the titanium film 70 described above. As a result, a silicon-containing DLC film 72 is generated on the titanium film 70. This treatment is carried out for 5 minutes. As a result, the film thickness of the silicon-containing DLC film 72 was about 100 [nm].

そして、次に(シリコンを含有しない)DLC膜74を生成する。即ち、直流電源装置66をOFFさせる。そして、マスフローコントローラ30を制御して、TMSガスの導入を停止させる。つまり、アルゴンガスおよびアセチレンガスのみを真空槽12内に導入させる。これによって、プラズマ中のアセチレンガスの各分子が、各被処理物40,40,…の表面、厳密にはシリコン含有DLC膜72の表面に入射され、これによって、当該シリコン含有DLC膜72の上に、シリコンを含有しないDLC膜74が生成される。かかるDLC膜74の生成処理を、1時間にわたって行う。そして、このDLC膜74の生成処理の終了をもって、被処理物40,40,…に対する一連の表面処理を終了する。   Next, a DLC film 74 (containing no silicon) is generated. That is, the DC power supply device 66 is turned off. Then, the mass flow controller 30 is controlled to stop the introduction of the TMS gas. That is, only argon gas and acetylene gas are introduced into the vacuum chamber 12. Thereby, each molecule of acetylene gas in the plasma is incident on the surface of each object to be processed 40, 40,..., Strictly, the surface of the silicon-containing DLC film 72. In addition, a DLC film 74 containing no silicon is generated. The generation process of the DLC film 74 is performed for 1 hour. Then, upon completion of the generation process of the DLC film 74, a series of surface treatments on the workpieces 40, 40,.

なお、上述のDLC膜74の生成処理において、バイアス電圧Ebとして上述とは異なる電圧値Vdcのパルス電圧を印加させ、この条件下においても当該DLC膜74を生成してみた。具体的には、バイアス電圧Ebの電圧値Vdcを−50[V],−100[V],−200[V]および−400[V]とし、これらの条件下で、DLC膜74を生成した。そして、このように互いに異なる条件下で生成されたDLC膜74の硬度を測定すると共に、その膜厚から成膜速度を算出した。その結果を、図8に示す。   In the above-described generation process of the DLC film 74, a pulse voltage having a voltage value Vdc different from that described above was applied as the bias voltage Eb, and the DLC film 74 was generated even under this condition. Specifically, the voltage value Vdc of the bias voltage Eb is set to −50 [V], −100 [V], −200 [V], and −400 [V], and the DLC film 74 is generated under these conditions. . Then, the hardness of the DLC film 74 generated under different conditions was measured, and the film formation rate was calculated from the film thickness. The result is shown in FIG.

この図8において、実線の曲線120が硬度を表す。この曲線120から判るように、バイアス電圧Ebの電圧値(絶対値)Vbが大きいほど、硬度が高くなる。特に、当該絶対値Vbを400[V]以上とすることによって、2000[HK]以上の硬度が得られる。この2000[HK]以上という値は、上述した従来技術によって生成されるDLC膜と同程度以上の硬さを表す。つまり、この実施形態によれば、従来技術によって生成されるのと同程度以上の硬さのDLC膜74を生成することができる。   In FIG. 8, a solid curve 120 represents hardness. As can be seen from this curve 120, the greater the voltage value (absolute value) Vb of the bias voltage Eb, the higher the hardness. In particular, by setting the absolute value Vb to 400 [V] or more, a hardness of 2000 [HK] or more can be obtained. This value of 2000 [HK] or higher represents a hardness equal to or higher than that of the DLC film generated by the above-described conventional technology. That is, according to this embodiment, it is possible to generate the DLC film 74 having the same or higher hardness as that generated by the conventional technique.

そして、図8において、点線の曲線122が成膜速度を表す。この曲線122によれば、バイアス電圧Ebの電圧値(絶対値)Vbが大きいと、成膜速度が低下することが、判る。具体的には、当該絶対値Vbが200[V]以上になると、成膜速度は約2.3[μm/h]程度で飽和する。これは、上述したように当該絶対値Vbが大きくなると被処理物40,40,…の表面に対するイオンの入射エネルギが増大し、これによってDLC膜74が緻密化され、その結果、当該成膜速度が低下するものと、考えられる。   In FIG. 8, a dotted curve 122 represents the deposition rate. According to this curve 122, it can be seen that when the voltage value (absolute value) Vb of the bias voltage Eb is large, the film formation rate is lowered. Specifically, when the absolute value Vb is 200 [V] or more, the film formation rate is saturated at about 2.3 [μm / h]. As described above, when the absolute value Vb increases, the incident energy of ions on the surface of the workpieces 40, 40,... Increases, thereby densifying the DLC film 74. As a result, the film formation speed is increased. Is considered to decrease.

さらに、DLC膜74のトライポロジ特性を測定してみた。具体的には、バイアス電圧Ebの電圧値Vbが−600[V]という条件下で生成されたDLC膜74について、高炭素クロム軸受鋼材(SUJ2)に対する摩擦係数を測定したところ、当該摩擦係数は0.1以下であった。また、比磨耗量は、3×10−8[mm/N・m]であった。これらの値は、一般に「DLC膜」と呼ばれるのに必要な値(仕様)を、十分に満足する値である。つまり、この実施形態によれば、「DLC膜」として十分なトライポロジ特性を有するDLC膜74が得られることが、証明された。 Further, the triploidy characteristics of the DLC film 74 were measured. Specifically, when the friction coefficient with respect to the high carbon chromium bearing steel (SUJ2) is measured for the DLC film 74 generated under the condition that the voltage value Vb of the bias voltage Eb is −600 [V], the friction coefficient is It was 0.1 or less. The specific wear amount was 3 × 10 −8 [mm 3 / N · m]. These values are values that sufficiently satisfy a value (specification) necessary to be generally called a “DLC film”. That is, according to this embodiment, it was proved that a DLC film 74 having sufficient triploidy characteristics as a “DLC film” can be obtained.

そしてさらに、DLC膜74の膜厚分布を測定してみた。ただし、この膜厚分布の測定においては、被処理物40,40,…としてシリコン基板を用いた。具体的には、一辺が20[mm]、厚みが0.56[mm]のシリコン基板、複数枚を、それぞれの表面(一方主面)が垂直方向に沿うように、上述の板状体の表面に並べて固定する。そして、このシリコン基板に対し、上述したのと同じ要領で、イオンボンバード処理,スパッタリング処理(チタン膜72の生成処理),シリコン含有DLC膜72の生成処理およびDLC膜74の生成処理を、この順番で施す。さらに、これらの一連の表面処理を施したシリコン基板のうちの1つを無作為に抽出し、抽出したシリコン基板の表面の各箇所におけるDLC膜74の膜厚を測定する。そして、当該DLC膜74の厚みが最も大きい部分の膜厚を1とし、それ以外の部分の膜厚を当該1に対する比率で表す。その結果を、図9に示す。   Further, the thickness distribution of the DLC film 74 was measured. However, in the measurement of the film thickness distribution, silicon substrates were used as the workpieces 40, 40,. Specifically, the above-mentioned plate-like body is formed so that each surface (one main surface) is along a vertical direction with a silicon substrate having a side of 20 [mm] and a thickness of 0.56 [mm]. Fix it side by side on the surface. The silicon substrate is subjected to ion bombardment, sputtering (titanium film 72 generation), silicon-containing DLC film 72 generation, and DLC film 74 generation in this order in the same manner as described above. Apply with. Further, one of the silicon substrates subjected to the series of surface treatments is randomly extracted, and the film thickness of the DLC film 74 at each location on the surface of the extracted silicon substrate is measured. Then, the thickness of the portion where the thickness of the DLC film 74 is the largest is set to 1, and the thickness of the other portion is expressed as a ratio to 1. The result is shown in FIG.

この図9において、横軸(X軸)は、シリコン基板の表面の各部分を、当該シリコン基板の上方側端縁からの距離で表す。そして、縦軸(Y軸)は、当該各部分における膜厚(比率)を表す。この図9から判るように、膜厚の最小値は、膜厚の最大値に対して、約0.86である。換言すれば、シリコン基板全体における膜厚の中間値を基準値とすると、この基準値に対する膜厚のバラツキは±7[%]以内である。この±7[%]という値は、例えばエンジンのシリンダ等の摺動部品にとって十分に満足できる値である。つまり、この実施形態によれば、摺動部品として十分に適用可能な精度の膜厚分布を得られることが判る。   In FIG. 9, the horizontal axis (X axis) represents each part of the surface of the silicon substrate as a distance from the upper edge of the silicon substrate. The vertical axis (Y axis) represents the film thickness (ratio) in each portion. As can be seen from FIG. 9, the minimum value of the film thickness is about 0.86 with respect to the maximum value of the film thickness. In other words, when the intermediate value of the film thickness in the entire silicon substrate is used as a reference value, the film thickness variation with respect to the reference value is within ± 7 [%]. The value of ± 7 [%] is a value that is sufficiently satisfactory for a sliding part such as an engine cylinder. That is, according to this embodiment, it can be seen that a film thickness distribution with sufficient accuracy as a sliding component can be obtained.

以上のように、この実施形態によれば、一種の冷陰極である同軸マグネトロンカソード34によってプラズマが発生される。かかる同軸マグネトロンカソード34は、上述した従来技術における熱陰極に比べて遥かに寿命が長いので、メンテナンスフリーが要求されるインライン型の用途にも十分に対応することができる。また、この同軸マグネトロンカソード34には、プラズマを高密度化させるべく磁界発生手段としての永久磁石36,36,…が内蔵されている。従って、従来技術のように真空槽の外部に磁界発生手段としての電磁コイルが設けられる構成に比べて、当該磁界発生手段を小型化し、かつ低コスト化することができる。そのうえ、プラズマの形状の制御も、容易である。これらを総合すると、インライン型の用途に十分に対応することができ、しかも大型の被処理物40,40,…をも良好に処理することができる、という特有の効果を発揮する。   As described above, according to this embodiment, plasma is generated by the coaxial magnetron cathode 34 which is a kind of cold cathode. The coaxial magnetron cathode 34 has a much longer life than the hot cathode in the prior art described above, and therefore can sufficiently cope with an in-line type application requiring maintenance-free. Further, the coaxial magnetron cathode 34 incorporates permanent magnets 36, 36,... As magnetic field generating means for increasing the density of plasma. Therefore, the magnetic field generating means can be reduced in size and cost compared to the configuration in which the electromagnetic coil as the magnetic field generating means is provided outside the vacuum chamber as in the prior art. In addition, the shape of the plasma can be easily controlled. When these are combined, it is possible to sufficiently deal with in-line applications, and it is possible to exhibit a unique effect that large objects 40, 40,.

なお、この実施形態においては、同軸マグネトロンカソード34を1つのみ設けたが、これに限らない。例えば、被処理物40として大型のもの、或いは複雑な構造のものを処理する場合には、図10に示すように、当該被処理物40を真空槽12内の略中央に設置し、その周りに複数の同軸マグネトロンカソード34,34,…を配置してもよい。   In this embodiment, only one coaxial magnetron cathode 34 is provided, but the present invention is not limited to this. For example, when a large object or a complicated structure is processed as the object to be processed 40, the object to be processed 40 is installed in the approximate center in the vacuum chamber 12, as shown in FIG. A plurality of coaxial magnetron cathodes 34, 34,...

また、上述のシリコン含有DLC膜72の生成過程においては、同軸マグネトロンカソード34の側面、詳しくは上側円筒部342の側面にも、当該シリコン含有DLC膜が生成される。ここで、上側円筒部342は、上述したようにステンレス製であるので、当該シリコン含有DLC膜との密着性が良くない。従って、このシリコン含有DLC膜72の生成過程において、上側円筒部342に生成されたシリコン含有DLC膜が剥離して、被処理物40,40,…の表面に再付着し、これによって当該被処理物40,40,…の表面にピンホールや微小突起等の不具合が生じる可能性がある。そこで、かかる不具合の発生を防止するべく、例えば図11に示すように、上側円筒部342の側面に、当該シリコン含有DLC膜との密着性の良いチタン層370を設けてもよい。このようにすれば、シリコン含有DLC膜72の生成過程において、当該チタン層370に生成されたシリコン含有DLC膜の剥離を防止することができ、ひいては当該不具合の発生を防止することができる。   Further, in the process of generating the silicon-containing DLC film 72 described above, the silicon-containing DLC film is also generated on the side surface of the coaxial magnetron cathode 34, specifically, the side surface of the upper cylindrical portion 342. Here, since the upper cylindrical portion 342 is made of stainless steel as described above, the adhesion with the silicon-containing DLC film is not good. Therefore, in the production process of the silicon-containing DLC film 72, the silicon-containing DLC film produced on the upper cylindrical portion 342 is peeled off and reattached to the surface of the workpieces 40, 40,. There is a possibility that defects such as pinholes and minute protrusions may occur on the surfaces of the objects 40, 40,. Therefore, in order to prevent the occurrence of such a problem, for example, as shown in FIG. 11, a titanium layer 370 having good adhesion to the silicon-containing DLC film may be provided on the side surface of the upper cylindrical portion 342. In this way, in the process of generating the silicon-containing DLC film 72, it is possible to prevent the silicon-containing DLC film generated on the titanium layer 370 from being peeled off, thereby preventing the occurrence of the problem.

そして、このようにチタン層370を設けた場合には、当該チタン層370を上述したスパッタリング処理におけるターゲット材として流用することもできる。このようにチタン層370をターゲット材として流用することで、当該スパッタリング処理におけるチタン膜70の成膜速度を向上させることができる。また、当該成膜速度を向上させる必要がない場合には、スパッタカソード60を省略することができる。   When the titanium layer 370 is thus provided, the titanium layer 370 can be used as a target material in the above-described sputtering process. In this way, by using the titanium layer 370 as a target material, the deposition rate of the titanium film 70 in the sputtering process can be improved. Further, when there is no need to improve the film forming speed, the sputter cathode 60 can be omitted.

さらに、この実施形態では、上述の永久磁石36,36,…として、フェライト磁石を用いたが、これに限らない。例えば、Sm−Co磁石やネオジム磁石、アルニコ磁石等の他の磁石を用いてもよい。ただし、同軸マグネトロンカソード36の表面近傍において、少なくとも0.02[T]以上、より好ましくは0.05[T]〜0.1[T]程度の磁束密度が得られるような強力な磁石を用いる必要がある。   Further, in this embodiment, ferrite magnets are used as the above-described permanent magnets 36, 36,..., But are not limited thereto. For example, you may use other magnets, such as a Sm-Co magnet, a neodymium magnet, and an alnico magnet. However, a strong magnet is used in the vicinity of the surface of the coaxial magnetron cathode 36 so as to obtain a magnetic flux density of at least 0.02 [T] or more, more preferably about 0.05 [T] to 0.1 [T]. There is a need.

また、永久磁石36,36,…に代えて、電磁コイル(電磁石)を用いてもよい。ただし、この実施形態のように永久磁石36,36,…を用いた方が、電磁コイルを用いるよりも、構成を簡素化し、かつ低コスト化するのに有利である。   Further, instead of the permanent magnets 36, 36,..., Electromagnetic coils (electromagnets) may be used. However, the use of the permanent magnets 36, 36,... As in this embodiment is more advantageous for simplifying the configuration and reducing the cost than using the electromagnetic coils.

そして、材料ガスとしてTMSガスおよびアセチレンガスを用いたが、これに限らない。例えばメタン(CH)ガスやエチレン(C)ガス等の他の炭化水素系ガス、或いはシラン(SiH)ガスや三塩化ホウ素(BCl)等の炭化水素系ガス以外のガスを用いてもよい。 And although TMS gas and acetylene gas were used as material gas, it is not restricted to this. For example, other hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ) gas and ethylene (C 2 H 4 ) gas, or gases other than hydrocarbon gases such as silane (SiH 4 ) gas and boron trichloride (BCl 3 ). It may be used.

さらに、図7におけるいわゆる中間層としてのチタン膜70に代えて、例えばクロム膜、或いはシリコン膜を生成してもよい。即ち、クロムやシリコンも、シリコン含有DLC膜72との密着性が高いので、これらクロムまたはシリコンを材料として中間層70を生成してもよい。   Furthermore, instead of the titanium film 70 as the so-called intermediate layer in FIG. 7, for example, a chromium film or a silicon film may be generated. That is, since chromium and silicon also have high adhesion to the silicon-containing DLC film 72, the intermediate layer 70 may be generated using these chromium or silicon as a material.

そして、同軸マグネトロンカソード36に対して高周波電力Ecを供給するようにしたが、これに代えて、周波数が50[kHz]〜250[kHz]の非対称パルス波形のパルス電力を供給してもよい。ただし、高周波電力Ecを供給した方が、非対称パルス電力を供給する場合に比べて、高密度なプラズマが得られる傾向がある。   The high-frequency power Ec is supplied to the coaxial magnetron cathode 36. Alternatively, pulse power having an asymmetric pulse waveform with a frequency of 50 [kHz] to 250 [kHz] may be supplied. However, high-frequency plasma Ec tends to be obtained when high-frequency power Ec is supplied, compared to when asymmetric pulse power is supplied.

また、被処理物40,40,…に対して非対称パルス波形のパルス電圧をバイアス電圧Ebとして印加したが、これに代えて、周波数が13.56[MHz]〜26[MHz]の高周波電力を供給してもよい。特に、被処理物40,40,…が絶縁物である場合には、このように高周波電力を供給することによって、当該被処理物40,40,…の表面でのチャージアップを抑制しつつ、良好な成膜処理を施すことができる。ただし、この場合、各被処理物40,40,…と当該高周波電力の供給源との間に、これら両者間でのインピーダンスの整合を図るためのマッチング回路を設ける必要がある。   Moreover, although the pulse voltage of the asymmetrical pulse waveform was applied to the workpieces 40, 40,... As the bias voltage Eb, high frequency power having a frequency of 13.56 [MHz] to 26 [MHz] was used instead. You may supply. In particular, when the workpieces 40, 40,... Are insulators, by suppressing the charge-up on the surfaces of the workpieces 40, 40,. A good film forming process can be performed. However, in this case, it is necessary to provide a matching circuit between each of the workpieces 40, 40,... And the high-frequency power supply source in order to match impedance between them.

そして、この実施形態では、一具体例として、図7に示すようなチタン層70,シリコン含有DLC膜72およびDLC膜74を生成する場合について説明したが、これ以外の被膜を生成する場合にも、この発明を適用できることは、言うまでもない。また、成膜処理に限らず、例えば窒化処理等の他の表面処理にも、この発明を適用することができる。   In this embodiment, as a specific example, the case where the titanium layer 70, the silicon-containing DLC film 72, and the DLC film 74 as shown in FIG. 7 are generated has been described. Needless to say, the present invention can be applied. Further, the present invention can be applied not only to the film forming process but also to other surface processes such as a nitriding process.

この発明の一実施形態の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of one Embodiment of this invention. 同実施形態における同軸マグネトロンカソードの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the coaxial magnetron cathode in the same embodiment. 同実施形態において被処理物に印加されるバイアス電圧の波形を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the waveform of the bias voltage applied to a to-be-processed object in the same embodiment. 同実施形態における同軸マグネトロンカソードによるプラズマの発生状態を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the generation state of the plasma by the coaxial magnetron cathode in the same embodiment. 同実施形態において同軸マグネトロンカソードに供給される高周波電力と被処理物に流れる電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the high frequency electric power supplied to a coaxial magnetron cathode in the same embodiment, and the electric current which flows into a to-be-processed object. 同実施形態において被処理物に印加されるバイアス電圧と当該被処理物に流れる電流との関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a bias voltage applied to a workpiece and a current flowing through the workpiece in the embodiment. 同実施形態において一連の表面処理を施された後の被処理物の断面を拡大して示す図解図である。It is an illustration figure which expands and shows the cross section of the to-be-processed object after giving a series of surface treatments in the same embodiment. 同実施形態における実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the same embodiment. 図8とは異なる実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result different from FIG. 同実施形態の別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the embodiment. 図2と異なる構造の同軸マグネトロンカソードの縦断面図である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a coaxial magnetron cathode having a structure different from that in FIG. 2.

符号の説明Explanation of symbols

10 プラズマCVD装置
12 真空槽
16 ガス導入口
18,20,22,24 ガス管
26,28,30,32 マスフローコントローラ
34 同軸マグネトロンカソード
36 永久磁石
40 被処理物
340 筺体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma CVD apparatus 12 Vacuum chamber 16 Gas inlet 18, 20, 22, 24 Gas pipe 26, 28, 30, 32 Mass flow controller 34 Coaxial magnetron cathode 36 Permanent magnet 40 To-be-processed object 340 Housing

Claims (8)

被処理物が収容される真空槽と、
上記真空槽内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入手段と、
上記真空槽内に設けられ放電用電力が供給されることによって上記放電用ガスを放電させる放電用電極と、
被膜の材料となる材料ガスを上記真空槽内に導入する材料ガス導入手段と、
を具備し、
上記放電用電極は、上記被処理物の上記被膜の生成対象部分に対向する表面を有する外側体と、該表面に沿う磁界を発生させるように上記外側体に内蔵された磁界発生手段と、を備える、
プラズマCVD装置。
A vacuum chamber in which an object to be processed is stored;
A discharge gas introduction means for introducing a discharge gas into the vacuum chamber;
A discharge electrode that is provided in the vacuum chamber and discharges the discharge gas by being supplied with discharge power; and
A material gas introducing means for introducing a material gas as a material of the coating into the vacuum chamber;
Comprising
The discharge electrode comprises: an outer body having a surface facing the generation target portion of the coating of the object to be processed; and a magnetic field generating means incorporated in the outer body so as to generate a magnetic field along the surface. Prepare
Plasma CVD equipment.
上記磁界発生手段は少なくとも1つの永久磁石を備える、請求項1に記載のプラズマCVD装置。   The plasma CVD apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field generating means includes at least one permanent magnet. 複数の上記放電用電極を備える、請求項1または2に記載のプラズマCVD装置。   The plasma CVD apparatus according to claim 1, comprising a plurality of the discharge electrodes. 上記放電用電力は周波数が50kHz乃至250kHzのパルス電力または周波数が13.56MHz乃至26MHzの高周波電力である、請求項1乃至3のいずれかに記載のプラズマCVD装置。   The plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the discharge power is pulse power having a frequency of 50 kHz to 250 kHz or high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to 26 MHz. 上記被処理物に被処理物電力を供給する電力供給手段をさらに備える、請求項1乃至4のいずれかに記載のプラズマCVD装置。   The plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising power supply means for supplying workpiece power to the workpiece. 上記被処理物電力は周波数が50kHz乃至250kHzのパルス電力または周波数が13.56MHz乃至26MHzの高周波電力である、請求項5に記載のプラズマCVD装置。   6. The plasma CVD apparatus according to claim 5, wherein the power of the object to be processed is pulse power having a frequency of 50 kHz to 250 kHz or high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to 26 MHz. 上記外側体は上記被膜に対して密着性を有する物質によって形成された、請求項1乃至6のいずれかに記載のプラズマCVD装置。   The plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the outer body is formed of a substance having adhesion to the film. 上記被膜はDLC膜であり、
上記物質はチタン、クロムおよびシリコンのいずれかである、請求項7に記載のプラズマCVD装置。
The coating is a DLC film,
The plasma CVD apparatus according to claim 7, wherein the substance is any one of titanium, chromium, and silicon.
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