JPH07106092A

JPH07106092A - 衝撃波プラズマ発生装置

Info

Publication number: JPH07106092A
Application number: JP5247773A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Yoshida; 善一吉田; Shinichi Mizuguchi; 信一水口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】イオン又は励起子の密度が高く、不純物の混
入の少ない衝撃波プラズマ発生装置を提供する。【構成】不活性ガス導入口３１を４個の高速弁３２
ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに接続し、これら高速弁３
２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオリフィス３３ａ、３
３ｂ、３３ｃ、３３ｄを真空槽３４に取り付ける。ま
た、真空槽３４に、反応性ガスを導入する反応性ガス導
入口３５と排気口３６を設ける。さらに、真空槽３４内
に、グロー放電を起こすためのフィラメント３７及びア
ノード３８と、ガラス基板３９とを設ける。そして、カ
ウンター４３によって、個々の高速弁３２ａ、３２ｂ、
３２ｃ、３２ｄのタイミングをずらし、衝撃波によるプ
ラズマが減衰する前に次の衝撃波を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＶＤ（化学蒸着）、
エッチング、イオン源などに用いられる衝撃波プラズマ
発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】衝撃波プラズマ発生装置としては、
（１）膜（ダイヤフラム）によって二つの部分に分けら
れた一定断面の管の一方に高圧気体を詰め、他方を低圧
にし、瞬間的に膜を破って低圧室に伝搬する衝撃波を利
用する圧力衝撃波管型、（２）一部で急激な放電を引き
起こすことによって急峻な圧力差をつくることにより、
衝撃波を発生させる電磁衝撃波管型、（３）グリッドに
よって二つの部分に分けられたプラズマのポテンシャル
を変えておき、それを瞬間的に変化させてイオン音波に
よる衝撃波を発生させる差動プラズマ型などがある。

【０００３】例えば、Ｇ．Ｌ．オーガム、Ｊ．Ｓ．チャ
ン、Ｒ．Ｍ．ホブソン、フィジカルレビューＡ、第２１
巻、ｐ．９８２、１９８０年（Ｇ．Ｌ．Ｏｇｒａｍ，Ｊ
ｅｎ−ＳｈｉｈＣｈａｎｇ，ａｎｄＲ．Ｍ．Ｈｏ
ｂｓｏｎ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＡ，Ｖ
ｏｌ．２１，ｐ．９８２（１９８０））には、圧力衝撃
波管型について述べられている。以下、これに基づいて
従来の圧力衝撃波プラズマ発生装置について説明する。

【０００４】図４は従来の圧力衝撃波プラズマ発生装置
の断面図である。図４において、１はステンレス製の高
圧室、２はガラス製の低圧室であり、高圧室１と低圧室
２とはマイラー膜３によって仕切られている。高圧室１
には駆動ガスを導入するガス導入口４が設けられてお
り、低圧室２には排気口５と高周波放電電極６が設けら
れている。そして、ガス導入口４から水蒸気を導入して
加圧していくと、高圧の駆動ガスがマイラー膜３を破
り、低圧室２内で衝撃波が発生する。また、プラズマ
は、高周波放電電極６に、１００Ｗの高周波（ＲＦ）電
源よって発生する高周波をパルス幅１ｍｓの単一パルス
で変調をかけることにより発生させる。このときのプラ
ズマ密度は約１０¹²ｃｍ^-3、ガスの温度は８００〜３０
００ケルビンである。

【０００５】また、電磁衝撃波管型に関しては、例え
ば、伏見康治編集、平野克己著『プラズマ・核融合』共
立出版、１９７９年、第５章、ｐ．５９に述べられてい
る。以下、これに基づいて従来の電磁衝撃波プラズマ発
生装置について説明する。

【０００６】図５は従来の電磁衝撃波プラズマ発生装置
の断面図である。図５において、１１は高速弁、１２は
放電管である。放電管１２には、その後端に排気口１３
が設けられており、周囲にはθ放電コイル１４と磁気コ
イル１５が設けられている。そして、高速弁１１によっ
て１気圧−ｃｃ前後のＨｅガスを放電管１２に打ち込
み、θ放電コイル１４の所に広がってきたときにθピン
チ（磁場の立ち上がり速度（ｄＢ／ｄｔ）〜１０⁹Ｇ／
ｓｅｃ、磁場〜１５ｋＧ）でプラズマを作る（温度１０
ｅＶ、密度１０¹⁶ｃｍ^-3の程度）。このプラズマは、磁
気コイル１５によって形成されたミラー磁場の磁気ミラ
ー付近で衝撃波を発生させる。

【０００７】尚、これらに対して、衝撃波加熱は積極的
には使用されていないが、パルス化された超音速分子線
として材料ガスを供給する薄膜形成法が、例えば、英貢
ら、マテリアルリサーチソサエティシンポジウム予稿
集、第７５巻、ｐ．２０９、１９８７年（Ｍ．Ｈａｎａ
ｂｕｓａ，Ｔ．Ｔｓｕｂｏｉ，Ｔ．Ｓａｔｏ，Ｓ．Ｆｕ
ｒｕｎｏ，Ｓ．Ｉｇｕｃｈｉ，ａｎｄＴ．Ｉｎｏｕ
ｅ，ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＳｏｃｉ
ｅｔｙＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
Ｖｏｌ．７５，ｐ．２０９（１９８７））に述べられ
ている。

【０００８】図６は従来のプラズマ発生装置の断面図で
ある。図６において、２１はガス導入口、２２は高速
弁、２３は真空槽である。真空槽２３には、その下端に
排気口２４が設けられており、内部には石英基板２５
と、石英基板２５の下側に位置する基板加熱手段２６と
が設けられている。また、高速弁２２と基板２５との間
にはタングステンフィラメント２７が設けられている。
そして、ガス導入口２１から、ＳｉＨ₄／Ｈｅの混合ガ
ス（混合比１：２０）を高速弁２２に１００Ｔｏｒｒ導
入し、高速弁２２をパルス幅１ｍｓｅｃ、繰り返し数５
０Ｈｚで動作させることにより、基板２５に混合ガスを
吹き付ける。このとき、タングステンフィラメント２７
を焚くと、混合ガスが分解したり励起したりする。これ
により、石英基板２５の上に約６０ｎｍ／ｍｉｎの成膜
速度でシリコン薄膜を形成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】衝撃波によるプラズマ
加熱を採用すれば、高密度のプラズマを生成できること
が古くから知られている。しかし、放電が間欠的であ
り、また、管壁の材料が不純物としてプラズマ中に混入
することや、装置が巨大となることなどから、核融合や
宇宙工学の実験にのみ使用されてきた。これに対して、
超音速ガスを使用した薄膜形成プロセスは存在していた
が、高密度プラズマが得られる衝撃波加熱を積極的に使
用したプロセシングプラズマ装置は存在していなかっ
た。また、ＣＶＤ等においては、低ダメージの高速成膜
法として大気圧付近でのプラズマ生成が望まれている。
衝撃波による電離は、運動エネルギーが熱エネルギーに
変換されることによって起こるものであるため、まず、
初期過程においては原子−原子衝突によって質量の大き
い原子が加熱され、原子内の電子は衝突によってこれら
の重い粒子からエネルギーを得て累積電離を起こし、そ
の後、電子−原子の非弾性衝突によって原子を電離す
る。このため、気体の圧力は極めて低く、イオンの平均
自由行程が放電管の径よりもはるかに大きくなると、衝
撃波は発生しなくなる。従って、ベースガス圧は数百ｍ
ｍＴｏｒｒから数百Ｔｏｒｒの範囲にあるのが望まし
い。しかし、このような特徴を有する衝撃波プラズマ加
熱法をＣＶＤ等のプロセシングに用いるに当たり、従来
の装置では、間欠的であるために時間平均として見た場
合にプラズマ密度が低くなったり、補助放電電極や管壁
から不純物が混入するといった問題点があった。

【００１０】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、イオン又は励起子の密度が高く、不純物の混入の
少ない衝撃波プラズマ発生装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る衝撃波プラズマ発生装置は、衝撃波発
生用のガスを導入するための複数個の高速弁と、プラズ
マ発生用のガスを導入するための反応性ガス導入口と、
排気口とが少なくとも設けられた真空槽を備え、前記個
々の高速弁のタイミングをずらすことにより、衝撃波に
よるプラズマが減衰する前に次の衝撃波を発生させるこ
とを特徴とする。

【００１２】また、前記構成においては、高速弁が電磁
バルブによって開閉するのが好ましく、この場合にはさ
らに、高速弁をパルス電圧又は交流電圧によって動作さ
せるのが好ましい。

【００１３】また、前記構成においては、高速弁の吹き
出し口がノズルとスキマーとからなるのが好ましい。ま
た、前記構成においては、真空槽内にトリガー放電手段
を設け、衝撃波による放電が定常状態となった時点でト
リガー放電を停止させるのが好ましく、この場合にはさ
らに、トリガー放電手段が熱電子を用いたグロー放電で
あるのが好ましい。

【００１４】また、前記構成においては、衝撃波発生用
のガスが不活性ガスであり、プラズマ発生用のガスが活
性ガスであるのが好ましい。

【００１５】

【作用】前記本発明の構成によれば、プラズマを連続的
に発生させることができるので、高密度のプラズマを発
生させることができる。

【００１６】また、前記構成において、高速弁の吹き出
し口がノズルとスキマーとからなるという好ましい構成
によれば、衝撃波発生用のガスを超音速のパルスビーム
として放出することができる。

【００１７】また、前記構成において、真空槽内にトリ
ガー放電手段を設け、衝撃波による放電が定常状態とな
った時点でトリガー放電を停止させるという好ましい構
成によれば、不純物の混入を避けることができるので、
高密度でかつ高純度のプラズマを発生させることができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。（実施例１）図１は本発明に係る衝撃波プラズマ発生装
置の断面図である。

【００１９】図１において、３１は不活性ガス導入口で
あり、不活性ガス導入口３１は４個の高速弁３２ａ、３
２ｂ、３２ｃ、３２ｄに接続されている。ここで、高速
弁３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオリフィス３３
ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは真空槽３４に取り付けら
れている。高速弁３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは電
磁バルブによって開閉する方式であり、オリフィス３３
ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの直径は０．５ｍｍであ
る。尚、高速弁３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは各々
電源４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに接続されてお
り、例えば開口時間を０．５ｍｓｅｃ、繰り返し数を３
０Ｈｚにすれば、オリフィス３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、
３３ｄから噴出するアルゴンガスの速度は音速の数十倍
となり、真空槽３４内に超音速流として噴出させること
ができる。また、真空槽３４には、反応性ガスを導入す
る反応性ガス導入口３５と排気口３６が設けられてい
る。排気口３６にはターボ分子ポンプ（図示せず）が取
り付けられており、排気速度は約１０００ｌ／ｓｅｃで
ある。また、真空槽３４内には、グロー放電を起こすた
めのフィラメント３７及びアノード３８と、ガラス基板
３９とが設けられている。尚、図１中、４１、４２は電
源、４３はカウンター、４４は基板加熱手段である。

【００２０】以上のような構成を有する衝撃波プラズマ
発生装置において、まず、不活性ガス導入口３１からＸ
方向に例えばアルゴンガスを５気圧導入すると、このア
ルゴンガスがオリフィス３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３
ｄから超音速流として噴出する。このとき、反応性ガス
導入口３５からＹ方向に例えばアルゴンガスを、真空槽
３４内の圧力が３Ｔｏｒｒとなるように導入すれば、オ
リフィス３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄから噴出する
原子と真空槽３４内に残留している原子との間で原子−
原子衝突が起こって原子が加熱され、原子内の電子はこ
の衝突によってエネルギーを得て累積電離を起こす。し
かる後に、電子−原子の非弾性衝突によって原子を電離
させる衝撃波プラズマ加熱が起こる。

【００２１】また、初期放電をスムーズに行わせるため
に、フィラメント３７の電源４１を動作させると共に、
電源４２によってフィラメント３７とアノード３８との
間に電位を与えることにより、アルゴンのグロー放電を
起こさせる。そして、図２のタイミングチャートに示す
ように、カウンター４３によって、個々の高速弁３２
ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのタイミングをずらすよう
に電源４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを動作させ、衝
撃波によるプラズマが減衰する前に次の衝撃波を発生さ
せることを繰り返すことにより、プラズマを連続的に発
生させる。因みに、以上のようにしてプラズマを連続的
に発生させ、ラングミュア探針法によってプラズマ密度
を測定したところ、１０¹²ｃｍ^-3以上であった。

【００２２】次いで、衝撃波プラズマが定常状態となっ
た時点で電源４１、４２をオフにしてグロー放電を停止
させ、衝撃波のみによってプラズマを発生させる。次い
で、反応性ガス導入口３５から導入していたアルゴンガ
スを例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスに置換する。こ
のようにして発生させたモノシランとアルゴンの混合ガ
スプラズマにおいては、グロー放電が停止しているため
に、フィラメント３７やアノード３８からの不純物の混
入は無い。また、高速弁３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２
ｄにはアルゴンガスのみが流れているため、モノシラン
ガスによる腐食も抑えることができる。ここで、基板加
熱手段４４によってガラス基板３９を３００℃まで加熱
すると、ガラス基板３９の上にアモルファスシリコンが
堆積する。

【００２３】尚、本実施例１においては、高速弁３２
ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを動作させるのにパルス電
圧を用いているが、必ずしもこれに限定されるものでは
なく、交流電圧であっても同様の効果を得ることができ
る。

【００２４】（実施例２）図３は本発明に係る衝撃波プ
ラズマ発生装置の他の実施例における高速弁の断面図で
ある。上記実施例１と異なる点は高速弁の構造のみであ
る。図３において、不活性ガス導入口５１から導入され
たガス流は、まず、高速弁５２内のノズル５３を通過
し、次いで、流束の中心部だけを通過させるスキマー５
４と呼ばれる孔を通過する。ここで、高速弁５２は電源
５５に接続されており、開口時間は０．５ｍｓｅｃ、繰
り返し数は３０Ｈｚである。

【００２５】スキマー５４は、ノズル５３の先端から
２．６ｍｍだけ離れた位置に設けられている。このスキ
マー５４は、内部の傾斜が２５度、外部の傾斜が３５度
の円錐管であり、その開口径は０．６ｍｍである。尚、
空気力学の一般法則から、例えば、Ｌ．Ｖａｌｙｉ著
ＡＴＯＭＡＮＤＩＯＮＳＯＵＲＣＥＳ（ＪＯＨＮ
ＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ出版、ロンドン、１９７７
年、ｐ．９１の設計によれば、スキマー５４を通過した
原子は超音速となり、ビームを形成するのに十分な速度
と方向性とを有する。

【００２６】以上のような構成を有する衝撃波プラズマ
発生装置において、不活性ガス導入口５１からＸ方向に
例えばアルゴンガスを３気圧導入する。高速弁５２が開
口したとき、アルゴンガスは３０度の円錐で０．３ｍｍ
径、長さ０．６ｍｍの管に導かれ、ノズル５３から噴出
する。そして、このノズル５３とスキマー５４とによっ
て、アルゴンガスは超音速のパルスビームとして放出さ
れる。以下の作用は上記実施例１の場合と同様であるの
で、省略する。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る衝撃
波プラズマ発生装置の構成によれば、プラズマを連続的
に発生させることができるので、高密度のプラズマを発
生させることができる。

【００２８】また、前記構成において、高速弁の吹き出
し口がノズルとスキマーとからなるという好ましい構成
によれば、衝撃波発生用のガスを超音速のパルスビーム
として放出することができる。

【００２９】また、前記構成において、真空槽内にトリ
ガー放電手段を設け、衝撃波による放電が定常状態とな
った時点でトリガー放電を停止させるという好ましい構
成によれば、不純物の混入を避けることができるので、
高密度でかつ高純度のプラズマを発生させることができ
る。従って、例えば、石英基板上にアモルファスシリコ
ンを高速で形成することができる等、数々の優れた効果
を有する衝撃波プラズマ発生装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る衝撃波プラズマ発生装置の一実施
例を示す断面図である。

【図２】本発明に係る衝撃波プラズマ発生装置の動作説
明図である。。

【図３】本発明に係る衝撃波プラズマ発生装置の他の実
施例における高速弁の断面図である。

【図４】従来技術における圧力衝撃波プラズマ発生装置
の断面図である。

【図５】従来技術における電磁衝撃波プラズマ発生装置
の断面図である。

【図６】従来技術におけるプラズマ発生装置の断面図で
ある。

【符号の説明】

３１、５１不活性ガス導入口３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、５２高速弁３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄオリフィス３４真空槽３５反応性ガス導入口３６排気口３７フィラメント３８アノード３９ガラス基板４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４１、４２、５５
電源４３カウンター４４基板加熱手段５３ノズル５４スキマー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】衝撃波発生用のガスを導入するための複
数個の高速弁と、プラズマ発生用のガス導入口と、排気
口とが少なくとも設けられた真空槽を備え、前記個々の
高速弁のタイミングをずらすことにより、衝撃波による
プラズマが減衰する前に次の衝撃波を発生させることを
特徴とする衝撃波プラズマ発生装置。
【請求項２】高速弁が電磁バルブによって開閉する請
求項１に記載の衝撃波プラズマ発生装置。
【請求項３】高速弁をパルス電圧によって動作させる
請求項２に記載の衝撃波プラズマ発生装置。
【請求項４】高速弁を交流電圧によって動作させる請
求項２に記載の衝撃波プラズマ発生装置。
【請求項５】高速弁の吹き出し口がノズルとスキマー
とからなる請求項１に記載の衝撃波プラズマ発生装置。
【請求項６】真空槽内にトリガー放電手段を設け、衝
撃波による放電が定常状態となった時点でトリガー放電
を停止させる請求項１に記載の衝撃波プラズマ発生装
置。
【請求項７】トリガー放電手段が熱電子を用いたグロ
ー放電である請求項６に記載の衝撃波プラズマ発生装
置。
【請求項８】衝撃波発生用のガスが不活性ガスであ
り、プラズマ発生用のガスが活性ガスである請求項１に
記載の衝撃波プラズマ発生装置。