JP6532450B2

JP6532450B2 - 成膜方法

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Publication number: JP6532450B2
Application number: JP2016236514A
Authority: JP
Inventors: 竜蔵山田; 太田　淳; 淳太田; 伸浅利; 一也斎藤; 斎藤　　一也
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: CN108149226A; JP2018090868A; CN108149226B

Description

本発明は、成膜対象物を、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設されたものとし、この成膜対象物の少なくとも凹孔の内表面にポリマー膜を成膜する成膜方法に関し、より詳しくは、例えば自動車用ヘッドライトのリフレクタ用のポリマー膜を成膜するのに適したものに関する。

従来、この種の成膜装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空チャンバに原料モノマーを導入する原料モノマー導入手段と、電極と交流電源とを有して当該電極への交流電力の投入によりプラズマを発生させるプラズマ発生源（手段）とを備える。そして、真空チャンバ内でプラズマ発生源のプラズマ放射面から離間させ、且つ、凹孔がプラズマ放射面に対向するように成膜対象物を保持させ、原料モノマーをプラズマ放射面と成膜対象物との間に導入し、プラズマ発生源を作動させて真空チャンバ内にプラズマを形成し、プラズマで原料モノマーを分解、重合させて生成したイオン及びラジカルを付着、堆積させて凹孔の内表面にポリマー膜を成膜している。

然しながら、上記従来例のものでは、プラズマ発生源と成膜対象物とが離間配置されているため、プラズマで分解、重合させて生成されたイオン及びラジカルが成膜対象物の凹孔内にその全面に亘って効率良く取り込まれず、成膜レートが低く、これでは、量産性良く成膜できないという問題がある。この場合、凹孔内に効率良くイオンを取り込むために、成膜対象物にバイアス電力を投入することも考えられるが、これでは、コストアップや装置構成の複雑化を招来する。

国際公開第２００９／１３１０３６号

本発明は、以上の点に鑑み、成膜対象物の凹孔の内表面に高い成膜レートでポリマー膜を成膜することができる成膜方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、成膜対象物を、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設されたものとし、この成膜対象物の少なくとも凹孔の内表面にポリマー膜を成膜する本発明の成膜装置は、成膜対象物が配置される真空チャンバに原料モノマーを導入する原料モノマー導入手段と、電極と交流電源とを有して当該電極への交流電力の投入により真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、プラズマで原料モノマーを分解、重合させて生成したイオン及びラジカルを付着、堆積させてポリマー膜を成膜するものにおいて、前記電極は、有底の筒状体で構成され、凹孔の孔軸が有底筒状体の底壁に直交する姿勢にし、成膜対象物を当該底壁で支持させて筒状体内に収容した状態でプラズマを発生させると、プラズマと凹孔の内表面との間にイオンシース層が形成されるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、電極に交流電力を投入すると、成膜対象物の凹孔内まで入り込むように真空チャンバ内にプラズマが発生する。このとき、例えば電極から凹孔の内表面までの距離を適宜設定することで、プラズマと凹孔の内表面との間にイオンシース層が形成されるようにしたため、特に、プラズマ中で生成したイオンが凹孔の内表面に向けて加速されて付着、堆積する。結果として、成膜対象物の凹孔の内表面にポリマー膜を成膜するときの成膜レートを上記従来例と比較して著しく向上させることができる。

ところで、上記従来例のものでは、凹孔の内表面にその全面に亘って付き回り良く成膜するために、成膜中、成膜対象物を回転させている。それに対して、本発明では、プラズマと凹孔の内表面との間にイオンシース層を形成しているため、凹孔の内表面全面に亘ってイオンが引き込まれることで、成膜対象物を回転させることなしに、凹孔の内表面にポリマー膜を付き回り良く成膜でき、有利である。尚、電極から凹孔の内表面までの距離が３ｍｍ以内であれば、イオンシース層が形成され、高い成膜レートで成膜できることが確認された。

また、本発明においては、前記電極が、前記底壁を構成する支持板部と、支持板部の一方の面に設置されて前記筒状体を構成する周壁部とを有し、成膜対象物をその外表面に金属膜が成膜されたものとし、成膜対象物を前記支持板部の一方の面で支持させたときに、前記周壁部が成膜対象物の金属膜で構成されるようにしてもよい。これによれば、成膜対象物自体で電極の一部が構成されるようになり、電極構造を簡素化でき、有利である。この場合、前記支持板部の一方の面に前記成膜対象物の複数個が間隔を存して設置されるように構成すれば、これら複数個の成膜対象物に対するポリマー膜の成膜を同時に行うことができ、量産性を著しく向上できる。

また、上記成膜装置を用い、成膜対象物を、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設されたものとし、この成膜対象物の少なくとも凹孔の内表面にポリマー膜を成膜する本発明の成膜方法は、真空チャンバ内に成膜対象物を配置し、真空チャンバ内に原料モノマーを導入し、電極に交流電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマで原料モノマーを分解、重合させて形成したイオン及びラジカルを付着、堆積させてポリマー膜を成膜する工程を含み、前記ポリマー膜の成膜中、成膜対象物を電極の底壁で支持させて筒体内に収容した状態でプラズマを発生させることにより、プラズマと凹孔の内表面との間にイオンシース層を形成することを特徴とする。

本発明の実施形態の成膜装置の模式図。本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。電極の変形例を模式的に示す断面図。（ａ）は電極の他の変形例を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。

以下、図面を参照して、成膜対象物を、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設されたものとし、この成膜対象物の少なくとも凹孔の内表面にポリマー膜を成膜する場合を例に、本発明の実施形態の成膜装置について説明する。

図１を参照して、ＦＭは、本実施形態の成膜装置である。成膜装置ＦＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、原料モノマーを貯留するタンク１１に通じる、マスフローコントローラ１２が介設された導入管１３が接続され、処理室１０に原料モノマーを所定流量で導入できるようになっている。原料モノマーとしては、例えば、ヘキサメチルジシロキサンのような公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。これらタンク１１、マスフローコントローラ１２及びガス管１３が、特許請求の範囲の原料モノマー導入手段を構成する。また、真空チャンバ１の底壁には、公知の真空ポンプ等で構成される真空排気手段１４に通じる排気管１５が接続され、真空チャンバ１内を真空引きできるようになっている。

真空チャンバ１内の底部には、有底の筒状体で構成される電極２が配置されている。電極２は、底壁を構成する支持板部２１と、支持板部２１の一方の面２１ａに立設されて前記筒状体を構成する周壁部２２とを有し、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの孔軸が底壁２１に直交する姿勢にし、成膜対象物Ｗを底壁で支持させて筒状体内に収容できるようになっている。支持板部２１の他方の面２１ｂには、図示省略する真空シール手段を介して真空チャンバ１の底壁を貫通する支持軸２３が接続されている。支持軸２３と支持板部２１及び周壁部２２とは導通しており、支持軸２３には交流電源Ｅの出力が接続され、電極２に交流電力を投入できるようになっている。尚、支持板部２１及び周壁部２２並びに支持軸２３は一体に形成されてもよい。また、電極２の外周面は、プラズマＰから周壁部２２を保護するための保護部材２４で覆われている。保護部材２４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂で形成することができる。導入管１３から真空チャンバ１内に原料モノマーを導入し、電極２に交流電力を投入することで、真空チャンバ１内にプラズマＰを発生させることができる。これら電極２及び交流電源Ｅは、特許請求の範囲のプラズマ発生手段を構成する。

上記成膜装置ＦＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段（図示省略）を有し、制御手段により交流電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１２の稼働や真空排気手段１４の稼働等を統括管理するようになっている。以下、上記成膜装置ＦＭを用いて、処理対象物Ｗを樹脂製のものとし、原料モノマーとしてヘキサメチルジシロキサンを用い、処理対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面にポリマー膜を成膜する場合を例に、本発明の成膜方法について説明する。

先ず、真空チャンバ１内の電極２に成膜対象物Ｗをセットする。ここで、成膜対象物Ｗの凹孔の孔軸が支持板部２１に直交する姿勢とし、成膜対象物Ｗを支持板部２１で支持させて周壁部２２で構成される筒状体内に収容する。

次に、真空排気手段１４を作動させて真空チャンバ１内（処理室１０）を真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定圧力に達すると、導入管１３から真空チャンバ１内にヘキサメチルジシロキサンを所定流量で導入し（このとき、真空チャンバ１内の圧力が０．１〜２００Ｐａの範囲となる）、電極２に交流電力（例えば、５〜３００Ｗ）を投入することでプラズマＰが発生する。プラズマＰによりヘキサメチルジシロキサンが分解、重合されてイオン及びラジカルが生成する。

このとき、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａ内まで入り込むようにプラズマＰが発生する。例えば、電極２から凹孔Ｗａの内表面までの距離を適宜設定することで、プラズマＰと成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面との間にイオンシース層Ｌが形成される。これにより、特に、プラズマＰ中で生成したイオンが凹孔Ｗａの内表面に向けて加速されて付着、堆積する。結果として、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面にポリマー膜を成膜するときの成膜レートを上記従来例と比較して著しく向上させることができる。また、本発明では、均一な成膜レートが得られるような分布を持つイオンシース層Ｌを形成しているため、凹孔Ｗａの内表面全面に亘ってイオンが引き込まれることで、成膜対象物を回転させることなしに、凹孔Ｗａの内表面にポリマー膜を付き回り良く成膜でき、有利である。尚、電極２から凹孔Ｗａの周壁部２２の内表面までの距離が３ｍｍ以下であれば、イオンシース層Ｌが形成され、高い成膜レートで成膜できることが確認された。

次に、上記効果を確認するために、上記成膜装置ＦＭを用いて次の実験を行った。本実験では、処理対象物Ｗとして開口部がΦ７２．５ｍｍ、底部がΦ５１．８ｍｍ、凹孔Ｗａの深さが８３ｍｍである樹脂製のカップとし、真空チャンバ１内にヘキサメチルジシロキサンを導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は６Ｐａ）、電極２に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５０Ｗ投入してプラズマＰを発生させ、３０秒間成膜した。成膜終了後、処理対象物Ｗを取り出し、その凹孔Ｗａの開口部から底部に亘る内表面に成膜されたポリマー膜の膜厚をエリプソメータにより測定し、その測定結果から求めた成膜レートを図２に示す。尚、図２の横軸は、凹孔Ｗａの開口部からの深さ位置を表したものであり、開口部の位置を０．０、底部の位置を１．０として数値化したもので示している。本実験によれば、１点を除いて２０００Å／ｍｉｎ以上の高い成膜レートでポリマー膜を成膜できることが確認され、また、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面全面に亘って付き回り良くポリマー膜を成膜できることが確認された。これより、プラズマと凹孔の内表面との間に、成膜レートが均一になるような分布を持つイオンシース層Ｌを形成できることが判った。

これに対する比較実験として、上記従来例の成膜装置を用い、原料モノマーをプラズマ放射面と成膜対象物Ｗとの間に４０ｓｃｃｍの流量で導入し、プラズマ発生源に電力を８００Ｗ投入してプラズマを形成し、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面にポリマー膜を成膜し、成膜レートを測定した。その結果を図２に比較例として示す。これによれば、成膜レートが３００Å／ｍｉｎ以下であり、本発明と比較して著しく低いことが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、電極２として支持板部２１と周壁部２２とを有するものを例に説明したが、図３に示すように、成膜対象物Ｗとしてその外表面に金属膜Ｗｍが成膜されたものを用い、この成膜対象物Ｗを電極２の支持板部２１の一方の面で支持させたときに、周壁部が成膜対象物Ｗの金属膜Ｗｍで構成されるようにしてもよい。これによれば、成膜対象物自体で電極の一部が構成されるようになり、図１に示すバルクの周壁部２２を立設する必要はないため、電極構造を簡素化でき、有利である。このように周壁部２２を立設しない場合、成膜対象物Ｗを確実に保持できなくなる虞があるが、成膜対象物Ｗの側面部が底面部よりも下方に伸びるように定寸してこの底面部の下方に凹部Ｗｂを形成し、当該凹部Ｗｂを上記電極２の支持板部２１に外挿すれば、成膜対象物Ｗを確実に保持でき、有利である。本変形例によれば、成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面だけでなく、成膜対象物Ｗの外表面にもポリマー膜が形成されるため、成膜対象物Ｗの外表面にもポリマー膜を成膜する場合に適している。但し、本変形例では、上記実施形態のようにバルクの周壁部２２を立設するものと比べてプラズマ密度が小さくなるため、所望のプラズマ密度に応じて、図１に示す電極２を用いるようにしてもよい。

また、図４に示すように、支持板部２１の一方の面２１ａに成膜対象物Ｗの複数個（本変形例では１６個）を間隔を存して設置してもよい。この場合、支持板部２１の上部に複数の凸部２１ｃを形成し、各凸部２１ｃに成膜対象物Ｗの凹部Ｗｂを夫々外挿すれば、複数個の成膜対象物Ｗに対するポリマー膜の成膜を同時に行うことができ、量産性を著しく向上できる。尚、隣接する成膜対象物Ｗの間に絶縁壁を設けて、成膜対象物Ｗ相互間でプラズマＰを分離してもよい。また、支持板部２１の上部に複数の凹部を形成し、各凹部に成膜対象物Ｗの下部を夫々内挿することで、成膜対象物Ｗが確実に保持されるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、原料モノマーとしてヘキサメチルジシロキサンを用いる場合を例に説明したが、プラズマにより原料モノマーを分解、重合して形成されるイオン及びラジカルを成膜対象物Ｗの凹孔Ｗａの内表面に付着させるものであれば、本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、カップ状の成膜対象物Ｗに成膜する場合を例に説明したが、成膜対象物Ｗの形状はカップ状に限定されず、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設された成膜対象物あればよい。

ＦＭ…成膜装置、Ｌ…イオンシース層、Ｐ…プラズマ、Ｗ…成膜対象物、Ｗａ…凹孔、Ｗｍ…金属膜、１…真空チャンバ、１２…マスフローコントローラ（原料モノマー導入手段）、１３…導入管（原料モノマー導入手段）、２…電極、２１…支持板部（底壁）、２２…周壁部（筒状体）。

Claims

成膜対象物を、立体形状を持つと共にその外表面に一方向にのびる凹孔が凹設されたものとし、この成膜対象物が配置される真空チャンバに原料モノマーを導入する原料モノマー導入手段と、電極と交流電源とを有して当該電極への交流電力の投入により前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備える成膜装置を用い、この成膜対象物の少なくとも前記凹孔の内表面にポリマー膜を成膜する成膜方法であって、
前記電極は、前記成膜対象物を支持する支持板部を有するものにおいて、
前記真空チャンバ内に前記成膜対象物を配置し、前記真空チャンバ内に前記原料モノマーを導入し、前記電極に交流電力を投入して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマで原料モノマーを分解、重合させて形成したイオン及びラジカルを付着、堆積させてポリマー膜を成膜する工程を含み、
前記成膜対象物として、その外表面に金属膜が成膜されたものを用い、前記ポリマー膜の成膜中、前記成膜対象物を前記電極の前記支持板部の一方の面に設置して前記凹孔の孔軸が前記支持板部に直交する姿勢にし、前記支持板部と前記成膜対象物の前記金属膜とで有底筒状体を構成した状態でプラズマを発生させることにより、プラズマと前記凹孔の内表面との間にイオンシース層を形成することを特徴とする成膜方法。
前記支持板部の一方の面に前記成膜対象物の複数個が間隔を存して設置されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。