JPH0221296B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、気体の放電により発生するプラズマ
の活性種、イオン、放射光を処理用材として利用
し、所定の粉体を製造し、又は、被処理基板表面
にエツチング、デポジシヨン、改質、清浄化等の
表面処理を施す放電反応装置に関する。 （従来技術とその問題点） 従来、上記の種類の放電反応装置で最も多く使
用されているものは、第３図に概略の断面を示す
ような平行平板型の表面処理装置である。この装
置では、ガス導入系３０と排気系３９をそなえる
真空容器３１内に対向設置された平行平板型電極
３２，３３（３３は接地された真空容器３１に接
続）間に、電源３５から直流、交流、高周波など
の電圧を印加して放電を発生させ、その放電プラ
ズマ３８を用いて、ヒーター３６で加熱される電
極３３上の被処理基板３７に表面処理を施すもの
である。３４は絶縁物である。 同類の装置には、平行平板型電極を同軸円筒型
電極に変形・置換したり、電極数を増減したりし
た様々の装置がある。しかしこれらの装置には共
通して、放電プラズマ３８の密度が低く、高速の
処理ができない欠点がある。 また、被処理基板３７が放電プラズマ３８に直
接接触しているため、荷電粒子の照射を受けて基
板が損傷するという問題もある。この基板の照射
損傷を避けるため、放電プラズマを基板から離れ
た場所で作り、プラズマ中の活性種又はイオンだ
けを被処理基板表面に輸送して処理を行なう装置
も種々提供されているが、何れの装置も放電プラ
ズマの密度がかなり低いために、実用に耐える処
理速度を得るには大電力の投入を必要とする等の
欠点を残している。 なお、プラズマの密度が低いことと、使用する
圧力領域が低いことにより、上記した各装置は粉
体の製造には適しない。 高密度の放電プラズマが得られて、処理速度の
速い、粉体の製造にも利用できる放電反応装置と
しては、第４図に概要の断面を略示するような、
電子サイクロトロン共鳴（ECRと略す）を利用
する放電反応装置がある。この装置を説明する
と、プラズマ発生用ガス導入系４２が接続されマ
グネツトコイル４０の作る磁場Ｂの中に設けられ
たプラズマ室４１内に、例えば2.45GHzのマイク
ロ波４３が投入されると、ECR放電によつて導
入ガスのプラズマが発生する。このプラズマは前
記の磁界Ｂの下端に作られる発散磁界によつてプ
ラズマ流４４となつて処理室４５内に拡大および
加速されて噴出し、（必要のときは、ガス導入用
リング状管４６を経由して処理室４５内に反応用
ガスが導入され、これと協力して）試料台５０上
の被処理基板４７に所定の処理を施すものであ
る。処理室４５には排気系４９、プラズマ室４１
には冷却系４８が接続されている。 しかしこの装置は高密度プラズマとは言つて
も、プラズマ密度が10¹¹cm^-3程度であり、イオン
化効率も数％であつてなお低く、そのため大電力
のマイクロ波発振器を必要として、装置が大掛り
で高価になるほか、放電室の形状がECRに適す
る特殊形状に限定されるなどの欠点をもつてい
る。 （発明の目的） 本発明は、上記の問題を解決し、大電力を必要
とせず高効率で高密度のプラズマを生成し、その
プラズマを利用して、経済的に粉体を製造し、ま
たは損傷の少ない高品質の表面処理を高速に行な
うことのできる、小型かつ安価な放電反応装置の
提供を目的とする。 （発明の構成） 本発明は、 (1)ａ 絶縁物よりなる中空構造の筒状体の内部に
所定のガスを導入する手段、 ｂ 前記筒状体の内部空間に、その軸方向に向
う磁場を形成する手段、 ｃ 前記筒状体の内部空間に、前記軸方向の所
定長さに亙つて、この軸と交わる方向の高周
波交番磁界を印加することにより、磁場中の
定在プラズマ波を用いて該空間内にプラズマ
を発生させる手段、 ｄ 該空間内の該プラズマの活性種、イオン、
放射光を処理用材として、その一部又は全部
を、前記筒状体から処理室に導入する手段、 をそなえ、該導入された該処理用材を用い、若く
は、これに該処理室に別途導入されたガスを加味
して、該処理室内で所定の粉体を生成するか、若
くは、該処理室々内に設置された被処理物の表面
に所定の処理を施す放電反応装置によつて、前記
目的を達成したものである。 （実施例） 以下、図に基いて本発明の放電反応装置の実施
例を説明する。第１図は本発明の実施例の表面処
理装置の概略の断面図であつて、装置は大別して
プラズマ発生部１、処理用材導入部２、処理部３
の３部からなる。 プラズマ発生部１にては、ガラス、石英、石英
ガラス、各種セラミクス等の高融点絶縁材料で作
られた円筒１０（必要に応じて、冷却系を付設す
ることがある）内には、図示しないガス供給装置
からバルブ１１を通して放電用ガス１２が導入さ
れ、円筒１０を包囲するコイル１３（１３１，１
３２に分割設置されている）には図示しない直流
電源から直流電流が流されて、円筒１０の軸方向
に、矢印で図示する磁場Ｂ（磁束密度もＢとする）
が形成されている。 磁場Ｂの作成手段として、前記電磁コイルを用
いた場合のみならず、永久磁石を用いても良い
し、永久磁石と電磁コイルを併用しても良い。 更にこの円筒１０（直径Ｄ）には、その表面に
沿つて軸方向の所定長さ（ｌ）に亘つて、図の如
く特殊な形状に曲折されたアンテナ１４が設けら
れ、高周波電源１５から整合回路１６を経由して
高周波電圧が（周波数、電力Ｗ）が印加され
て、円筒１０の中に、前記の磁場Ｂと直交する方
向に、高周波交番磁界が加えられるようになつて
いる。 周知のように、（参考文献。PHYSICS
LETTERS Vol.33A、No.7.P457−P458、
「PLASMA PRODUCTION USING Ａ
STANDING HELICON WAVE（定在ヘリコン
波を用いたプラズマ生成）」14 December1970お
よび、同Vol.91A、No.4.P163−P166、「SOME
FEATURES OF RFEXCITED
FULLYIONIZED LOW PRESSURE ARGON
PLASMA（RFにより励起された低圧完全電離ア
ルゴンプラズマの特性）」６ September1982）、
放電用ガス１２をバルブ１１を通して導入して後
述のガス排気バルブ２５から排気を行ない、円筒
１０内のガス圧力を所定値に保ち、アンテナ１４
に高周波電力を印加するときは、条件ｌ＝（Ba／
nf）^0.5によつて、放電管１０内のプラズマに定在
プラズマ波の１つであるところの低周波共振とし
ての定在ヘリコン波モードを発生させることがで
きる。但し、ａはプラズマの直径、ｎはプラズマ
の電子密度、ｌ、Ｂ、ｆは前述の通りである。 （放電管内に定在プラズマ波を励起してプラズ
マ中のイオンを共鳴的に加熱することにより、放
電管内に効率的に高密度のプラズマを生起させる
ことの可能な定在プラズマ波としては、ICRF
（Ion Cycrotron Range Frequency）、LH
｛Lower Hybrid波（低域混成波）｝、Alfven波等
も考えられるが、こゝでは定在Helicon波で代表
させて説明している。） この条件下では、プラズマ中を電磁波が効果的
に伝搬するため、装置の設計諸元を適当にするこ
とで、現在広く使用されている13.56MHz近辺の
工業用周波数の、比較的小容量の高周波電源を用
いて、極めて効率的に円筒１０内にプラズマ密度
が10¹²cm^-3程度以上の高密度のプラズマを発生さ
せることができる。しかも条件によつては放電用
ガスの殆んど100％をイオン化することが可能で
あつて、これはECRプラズマ装置の10倍以上と
いう高い値である。プラズマが高密度であるた
め、生成する活性種、イオンの量は極めて大き
く、放射される光も強大である。 高密度プラズマの高い温度が円筒１０を破壊す
るおそれがあり、そのときは、投入する高周波電
力を減じ、若くは、高周波電力をパルス状に断続
的に印加して保護する。 またコイル１３に印加する電流をパルス状にし
たり交番状にしたりしても同様の保護作用があ
る。 高密度プラズマの活性種、イオン、放射光等の
処理用材の、一部または全部を処理部３に導入す
る処理用材導入部２は、最も単純には素通りの
まゝにすることもあるが、第１図に示すように、
こゝに金網１７、導電性グリツド、絞り等の一層
または多層を設けて、その各層に、浮遊電位、接
地電位、正・負極性の高低の電位を割当てること
で、前記処理用材を選択したり、通過量を適当に
し加速を加減したりして処理室２０内に導入す
る。なお、この金網等を、処理室２０内に深く侵
入させて基体ホルダー２３上の基体２４に可成り
近接した位置に置かれることもある。 また放射光のみを利用する場合には光学窓を設
置してもよい。 頭記したECRプラズマ装置では、磁場Ｂがこ
の処理用材導入部２またはその下方１９に作る発
散磁界を利用して、イオン流の幅の拡大と、独自
の調整された加速とを行いうる利点があつたが、
本発明の装置では、電子の運動エネルギーが充分
に大きいので、これに類似する作用を同様の発散
磁界に期待することができる。また前記した処理
室２０内に深く侵入させた金網、グリツド等は、
これを上記の発散磁界で拡大されたイオン流の下
方に設置し、これによつてイオン加速の調節の自
由度を高めることもある。かゝる装置は、殊に基
体２４の処理がスパツタイオンエツチング処理で
イオンの加速を調節する必要のあるときなどに有
用である。 処理室２０に接続される排気系は、排気ポンプ
（図示しない）、排気バルブ２５等すべて第３，４
図の従来の場合と同様であつて、処理の種類に適
合したものが使用される。被処理物である基体２
４を加熱ないし冷却するための温度調節系２２に
ついても同様である。 基体ホルダー２３を回転ないし移動させて、処
理が基体２４上で均一になるよう配慮することも
従来と同様である。 さて、基板の処理が単純なエツチングや、Si基
板表面のSiO₂皮膜作りあるいは基板表面の有機
物除去等の場合なら、第１図の装置に放電用ガス
１２としてArやO₂を使用しただけのもので充分
であるが、一層複雑な処理が要求されるときには
第２図の実施例（概要の断面図で示す）のよう
な、処理用ガス２８を導入加味する放電反応装置
が有利である。 図示しないガス供給装置から供給される処理用
ガス２８は、バルブ２７を経由してガス導入用リ
ング状管２６に入り、リング状管２６のリング内
側に多数穿設されたガス噴出孔２６０から央部に
向つて基板２４の表面上に噴出し、円筒１０から
処理室２０へと導入された前述の活性種、イオ
ン、放射光の一部または全部の照射をうけて、そ
れらのエネルギーにより反応を起し、基板２４の
表面に、薄膜堆積などの所定の処理を施すことに
なる。 第１表に、堆積できる薄膜の種類と、そのとき
利用される放電用ガス、処理用ガスの組合せを例
示した。 処理用材導入部２と処理部３の構成を適当に選
ぶときは、これら多種類の薄膜を、膜質、膜厚の
分布を均一にし、かつ荷電粒子の照射衝撃による
損傷を避けながら、基板２４上に高速に堆積させ
ることができる。 なお、例えばECRのように電子の共鳴により
高密度プラズマを得る場合には、電子の平均自由
行程が、そのラーマー半径に比べて十分大きいこ
とが必要であり、ガス圧力をある程度以上あげる
ことはできないが、定在プラズマ波例えば定在ヘ
リコン波によつてプラズマを発生させる場合はガ
ス圧力を上げて、高密度状態で反応を進行させる
ことが可能であり、第１表の左欄の各物質の粉体
を作成することも容易である。この場合は圧力を
上昇させると有効である。

【表】

【表】 （発明の効果） 本発明は、高効率で生成される高密度のプラズ
マにより、経済的に粉体を製造し、または、損傷
の少ない高品質の表面処理を高速に行なうことの
できる小型かつ安価な放電反応装置を提供する効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の放電反応装置の概
略の断面図。第２図は、別の実施例の同様の図。
第３図は、従来の平行平板型表面処理装置の概略
の断面図。第４図は、従来のECRプラズマ装置
の概略の断面図。 １……プラズマ発生部、２……処理用材導入
部、３……処理部、１０……絶縁物よりなる円
筒、１１……放電用ガス１２の導入用バルブ、１
３……電磁コイル、１４……アンテナ、１５……
高周波電源、１６……整合回路、１７……金網、
２０……処理室、２２……温度調節系、２３……
基板ホルダー、２４……基板、２５……排気バル
ブ、２６……ガス導入用リング状管、２７……処
理用ガス２８の導入用バルブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ａ 絶縁物よりなる中空構造の筒状体の内部
   に所定のガスを導入する手段、 ｂ 前記筒状体の内部空間に、その軸方向に向う
   磁場を形成する手段、 ｃ 前記筒状体の内部空間に、前記軸方向の所定
   長さに亙つて、この軸と交わる方向の高周波交
   番磁界を印加することにより、磁場中の定在プ
   ラズマ波を用いて該空間内にプラズマを発生さ
   せる手段、 ｄ 該空間内の該プラズマの活性種、イオン、放
   射光を処理用材として、その一部又は全部を、
   前記筒状体から処理室に導入する手段、 をそなえ、 該導入された処理用材を用い、若くは、これに
   該処理室に別途導入されたガスを加味することに
   よつて、該処理室内で所定の粉体を生成するか、
   若くは、該処理室々内に設置された被処理物の表
   面に所定の処理を施すことを特徴とする放電反応
   装置。 ２ 定在プラズマ波が定在ヘリコン波である特許
   請求の範囲第１項記載の放電反応装置。