JPH08990A

JPH08990A - ガス噴射による表面処理方法および表面処理装置

Info

Publication number: JPH08990A
Application number: JP13446794A
Authority: JP
Inventors: Naoya Tsurumaki; 直哉鶴巻; Shunichi Sakuragi; 俊一桜木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1996-01-09
Also published as: WO1995034376A1; EP0767001A1; CA2192349A1

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜処理等の表面処理の品質向上と作業効率の
向上を図る。【構成】被処理対象１５の表面に噴射すべきガス６が、
加熱手段５によって加熱、プラズマ化され、高反応性状
態（励起状態、活性状態）となる。そして、加熱、プラ
ズマ化されたガスがラバールノズル１によって断熱膨張
されて音速よりも大きい流速にされる。そして、この音
速よりも大きい流速にされたガス７が被処理対象１５の
表面に向けて噴射される。こうして、加熱、プラズマ化
され高反応性状態となったガス７が、噴射対象である被
処理対象１５まで超音速で短時間内に到達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被処理対象の表面にガ
スを噴射することにより被処理対象の表面処理を行うガ
ス噴射による表面処理方法および装置に関し、特に工具
チップにダイヤモンド薄膜を成膜する場合や各種基板に
半導体薄膜を成膜する場合等に適用して好適な表面処理
方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インダクションプラズマ法やＤＣプラズ
マジェット法により、ガスをプラズマ化して、ガスを活
性化状態にして被処理対象表面との反応性を高めた状態
にもっていき、このプラズマガスを被処理対象表面に高
速で噴射させて表面処理を行うという技術は既に公知の
ものであり、ダイヤモンドの成膜（ダイヤモンドコー
ト）等に利用されている。

【０００３】そして、特開平２―２６８９５号公報、特
開平２―６４０９７号公報、特開平２―３９４２１号公
報、特開平２―２９６７９６号公報等にこの種の技術が
開示されている。

【０００４】こうした薄膜の成膜処理を行う場合には、
プラズマ化され高反応性状態となったガスを、噴射対象
である被処理対象まで超音速で短時間に到達させてやる
必要がある。短時間で噴射がなされないと、高反応性状
態（励起状態、活性状態）を維持できず、被処理対象と
反応生成物との密着性が低下し、反応生成物の剥離等と
いった不都合が生じるからである。また、短時間で噴射
されないと、成膜速度が遅くなり、作業効率も悪化する
こととなるからである。

【０００５】また、プラズマ化されたガスは、非常に温
度が高いので、ガスが被処理対象上に噴射された時点で
は、被処理対象が耐えられる温度まで低下された状態と
なっていなければならない。仮に高温のまま噴射がなさ
れると、被処理対象の表面における薄膜処理が不良とな
ることもある。

【０００６】また、プラズマ化された高反応性ガス中に
不純物が混入されないことも要求される。不純物が混入
された場合には、成膜の品質が悪化するからである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平２
―２６８９５号公報、特開平２―６４０９７号公報に記
載の技術は、超音速に達しない構造のノズルを使用して
いるため、上述した短時間で噴射を終了させるという要
求を満たさない。

【０００８】また、上記特開平２―３９４２１号公報に
記載には、ガスを超音速化させる技術が開示されている
ものの、２種類のガスを二重管の別々の管路を通して被
処理対象上に噴射させるようにしている。この場合、外
周部の高温プラズマガスに中心部の低温ガスが加熱部よ
りも下流で接触するので、断熱膨張過程とはならず、高
反応性状態を維持したまま噴射を行うという要求を満た
さない。

【０００９】また、上記特開平２―２９６７９６号公報
記載の技術は、ガスがプラズマ化された後、その下流で
さらにガスを導入しているため、断熱膨張過程とはなら
ない。すなわち、導入ガスによって冷却はなされるもの
の流速が十分増加しないため、上述した短時間で噴射を
終了させるという要求を満たさない。

【００１０】このように従来の技術は、いずれも薄膜の
成膜処理等を行う場合の要求の全てを満足しないもので
あった。

【００１１】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、薄膜の成膜処理等を行う場合の要求の全て
を満足できるようにし、もって作業効率の向上および表
面処理の品質向上を図ることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明の第１
発明では、被処理対象の表面にガスを噴射することによ
り前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面
処理方法において、前記被処理対象の表面に噴射すべき
ガスを加熱、プラズマ化する工程と、前記加熱、プラズ
マ化されたガスを断熱膨張させて音速よりも大きい流速
にする工程と、前記音速よりも大きい流速にされたガス
を前記被処理対象の表面に向けて噴射させる工程とを具
えている。

【００１３】また、この発明の第２発明では、同様なガ
ス噴射による表面処理装置において、ノズル内を通過す
るガスが断熱膨張されてノズル出口から音速よりも大き
い流速で噴射されるように超音速ノズルを構成するとと
もに、前記超音速ノズルの管路途中にノズル内を通過す
るガスを加熱、プラズマ化する加熱手段を配設し、前記
被処理対象の表面に噴射すべきガスを、前記超音速ノズ
ルの入口または前記加熱手段の配設位置よりもガス流路
の上流側のガス供給位置からノズル内に供給し、該供給
されたガスを前記加熱手段によって加熱、プラズマ化
し、該加熱、プラズマ化されたガスを前記ノズル出口か
ら前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにして
いる。

【００１４】また、この発明の第３発明では、上記加熱
手段を、プラズマガスと直接接触する電極を使用しない
でガスを加熱、プラズマ化するよう構成している。

【００１５】なお、厳密には「断熱」という状況は作り
得ないが、熱の出入りが極めて少ないという意味で「断
熱」という語を用いている。

【００１６】

【作用】かかる第１および第２発明の構成によれば、図
１に示すように、被処理対象１５の表面に噴射すべきガ
ス６が加熱手段５によって加熱、プラズマ化され、高反
応性状態（励起状態、活性状態）となる。

【００１７】そして、加熱、プラズマ化されたガスが超
音速ノズル１によって断熱膨張されて音速よりも大きい
流速にされる。そして、この音速よりも大きい流速にさ
れたガス７が被処理対象１５の表面に向けて噴射され
る。こうして、加熱、プラズマ化され高反応性状態とな
ったガス７が、噴射対象である被処理対象１５まで超音
速で短時間で到達する。

【００１８】この結果、高反応性状態（励起状態、活性
状態）を維持したままの状態で、ガス７が被処理対象１
５の表面と反応し、被処理対象１５と反応生成物との密
着性が向上し、反応生成物の剥離等といった不都合が生
じない。また、短時間で噴射が終了し、成膜速度が高ま
り、作業効率も向上することとなる。さらに、加熱、プ
ラズマ化されたガス７の温度は、断熱膨張によって被処
理対象１５が耐えられる温度にまで低下され、被処理対
象１５の表面における薄膜処理の品質が向上する。

【００１９】また、上記第３発明の構成によれば、プラ
ズマガスと直接接触する電極を使用しないでガスが加
熱、プラズマ化されるので、プラズマ化された高反応性
ガス中に、電極の消耗に伴う不純物（電極材料）が混入
されることがなく、成膜等の表面処理の品質が向上す
る。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るガス噴射
による表面処理方法および装置の実施例について説明す
る。

【００２１】・第１の実施例図１は、実施例装置の構成を示す図であり、同図に示す
ようにノズル内を通過するガスが断熱膨張されてノズル
出口４ａから音速ａよりも大きい流速ｕで噴射されるよ
う後述する条件の下で、超音速ノズルであるラバールノ
ズル（末広ノズルともいう）１が構成されている。

【００２２】ラバールノズル１は、中細のノズルであ
り、被処理対象（例えば切削工具チップ）１５の表面に
噴射すべきガス６（例えばＣＨ4とＨ2の混合ガス）がガ
ス導入口２ａから導入され、ガス進行に伴い断面積が徐
々に小さくなるよう構成されているガス導入管２と、ノ
ズル全体で最小の断面積Ａ1（直径ｄ1）を有しているス
ロート部（喉部）３と、所定の広がり角θをもって断面
積が徐々に拡大し、最大断面積Ａ2（直径ｄ2）のガス噴
射口４ａからガス７が噴射されるガス噴射管４とから構
成されている。そして、ラバールノズル１は、噴射口４
ａから噴射されるガス７が被処理対象１５の表面に向け
て噴射されるように配置されている。

【００２３】スロート部３には、インダクションプラズ
マ装置が配設されている。すなわち、スロート部３の外
周には、誘導コイル５が巻き付けられており、該誘導コ
イル５に高周波電流が通電され得るようになっている。
このため、コイル５に通電がなされるとスロート部３内
に誘導電磁場が形成され、スロート部３を通過するガス
が加熱され、プラズマ化される。このように、インダク
ションプラズマ装置は、誘導電磁場を利用した無電極の
プラズマ装置であり、ＤＣプラズマ装置のように、プラ
ズマガスと電極が直接接触してしまい、この結果、電極
の消耗に伴って電極材料（タングステン等）がプラズマ
ガス中に混入してしまうようなことがなく、不純物の混
入を防止することができる。

【００２４】いま、ガス導入口２ａからラバールノズル
１内部に被処理対象１５に噴射すべき高密度の混合ガス
６が供給されたものとする。すると、上述したようにス
ロート部３においては、高周波誘導コイル５に高周波電
流が通電されているため、管内に誘導電磁場が発生し、
この場のエネルギーによって高密度のガスが、加熱さ
れ、プラズマ化される。

【００２５】そして、加熱、プラズマ化された高密度ガ
スは、下流側のガス噴出管４によるノズルの広がりのた
めに膨張加速され、ガス噴射口４ａから超音速プラズマ
ジェット７となって噴射される。

【００２６】さて、気体力学の理論によれば、たとえば
２原子気体の場合、導入ガス６のよどみ圧Ｐ0と噴射口
４ａの下流の圧力Ｐ1との比Ｐ1／Ｐ0が、約０．５２以
下、スロート部３の断面積Ａ1と噴射口４ａの断面積Ａ2
の比（末広比）Ａ2／Ａ1が１を越える場合に、ガスが断
熱膨張されて、噴射流速が超音速、つまり音速ａよりも
大きい流速ｕとなる。

【００２７】また、スロート部３の前後の広がり角θ
は、あまり大きいと壁面で境界層の剥離が発生するの
で、適切な大きさ、たとえば１５°程度でなければなら
ない。

【００２８】スロート部３において加熱、プラズマ化さ
れた高密度ガスは、その熱によって反応性の高い、つま
り被処理対象１５上において反応し易い状態に励起され
る。ただし、この高反応性ガスは、温度が非常に高く、
場合によっては１万数千度にも達するため、これを直接
被処理対象１５上に噴射した場合には、噴射対象１５が
この温度に耐えられないことがある。

【００２９】この点、ラバールノズル１は、上述するよ
うに断熱膨張されるように設計されているので、この断
熱膨張過程において急冷され、噴射対象１５に達するま
でには適切な温度になる。このときの温度は、上記末広
比Ａ2／Ａ1によって決まるので、ノズル１の設計条件に
よって任意の温度を得ることができる。このように被処
理対象１５上に噴射されるガス７を処理に適した温度に
することができるので、成膜処理等の品質を向上させる
ことができる。

【００３０】さらに、高反応性ガス７は、超音速ｕで移
動するため、噴射対象１５に到達するまでの時間が極め
て短く、噴射対象１５に達するまでに、加熱、プラズマ
化によって励起された状態が定常状態（反応の起こりず
らい状態）に戻ってしまうことがない。このように、い
わゆる励起状態を凍結したまま温度を適温まで下げるこ
とができる。したがって、被処理対象１５と反応生成物
との密着性が向上し、反応生成物の剥離等といった不都
合が生じない。よって、成膜処理等の品質を向上させる
ことができる。また、短時間で噴射が終了するため、成
膜速度が高まり、作業効率も向上することとなる。

【００３１】以上説明した現象は、一次元気体力学の理
論により次のように説明される。

【００３２】すなわち、完全気体の断熱流れにおける流
体温度と流速の関係は次式により表される。なお、次式
において（）nとあるのは、「ｎ乗」を意味するもの
とする。

【００３３】Ｔ0＝Ｔ＋（１／２）・｛（γ―１）／γ・Ｒ｝・（ｕ）2 …（１）あるいは、Ｔ0／Ｔ＝１＋｛（γ―１）／２｝・（Ｍ）2 …（２）ここに、Ｔ0：流れの全温度（加熱部であるスロート部３の温度
にほぼ等しい）Ｔ：流れの静温度（いわゆる温度） γ：ガスの比熱比Ｒ：ガス定数ｕ：流れの流速Ｍ：マッハ数である。

【００３４】上記（２）式は、上記（１）式をマッハ数
（ｕ／ａ、ａ：音速）を用いて書き換えたものである。
また、マッハ数Ｍは、末広比Ａ2／Ａ1の関数として一義
的に決定される。

【００３５】上記（１）式より断熱膨張過程では、全温
度Ｔ0の値が一定に保たれるため、流速ｕの増加ととと
もに、静温度Ｔの低下が起こることがわかる。つまり、
流れの速度が大きいほど、急速な温度低下が起こる。

【００３６】また、上記（２）式より、温度比Ｔ0／Ｔ
の値は、マッハ数Ｍの２乗に比例して増加する。たとえ
ば、２原子気体（γ＝１．４）の場合、マッハ数Ｍ＝５
のとき、温度比Ｔ0／Ｔ＝６となる。すなわち、高温に
加熱された反応性プラズマをラバールノズル１を用いて
高マッハ数まで断熱膨張加速させることにより、プラズ
マ温度Ｔを被処理対象１５に適する温度まで下げること
ができるのがわかる。また、このときプラズマ粒子は極
めて高速に加速されるため（たとえば、Ｔ＝１５００
（Ｋ）、γ＝１．４、Ｒ＝５００（Ｊ／ｋｇＫ）、Ｍ＝
５の場合、ｕ＝５１２３（ｍ／ｓ）となる）、被処理対
象１５に到達するまでの時間が非常に短く、プラズマは
初期活性状態をほぼ維持したまま低温度で被処理対象１
５に到達することができる。

【００３７】そして、この高活性度を持つ低温・高速プ
ラズマ流７は、指向性の良い粒子束として被処理対象１
５に供給されるため、原料ガスの使用効率が極めて高い
という特徴も持っている。

【００３８】しかも、前述したようにプラズマ中に電極
材料による不純物が混入することがない。

【００３９】このように、この実施例によれば、不純物
の極めて少ない高密度の高反応性のガスを、任意の温度
にまで低下させて、被処理対象１５上に噴射することで
き、この結果作業効率を飛躍的に向上させることができ
るとともに、処理品質を飛躍的に向上させることができ
る。

【００４０】なお、この実施例では、コイル５をスロー
ト部３に配設しているが、これに限定されることなくノ
ズル１の任意の場所に設けることができる。

【００４１】・第２の実施例図２は、ノズル１の出口圧Ｐ1を任意の圧力に調整して
圧力比Ｐ1／Ｐ0を任意の値に設定することができる実施
例を示している。なお、図１と同一構成要素には同一符
号を付けて重複した説明は省略する。

【００４２】同図２に示すように、真空チャンバ８内
に、スロート部３およびガス噴射管４が配設されてお
り、さらにチャンバ８内に被処理対象１５を支持した支
持体１４が配設されている。真空チャンバ８内のエア
は、排気ポンプ１３によって排気される。そして、ガス
導入管２への供給ガス量は、ガス供給管１６に配設され
たガス供給量調整弁１１によって調整され、噴射ガス７
の出口圧Ｐ1は、Ｐ1調整弁１２によって調整される。ガ
ス導入管２内の圧力Ｐ0はＰ0測定ゲージ９によって検出
されるとともに、ガス噴射管４の出口圧Ｐ1はＰ1測定ゲ
ージ１０によって検出され、これら検出結果をフィード
バック信号として、上記各調整弁１１、１２の調整がな
されて、圧力比Ｐ1／Ｐ0が所定の値に設定される。な
お、１７は、高周波誘導コイル５に電流を通電する高周
波電源である。

【００４３】実験では、供給ガス６としてＣＨ4とＨ2の
混合気体を用い、切削工具チップを噴射対象１５とし
た。そして、末広比Ａ2／Ａ1を約６に設定し、チャンバ
８内が約１０ｍＴｏｒｒ、圧力比がＰ1／Ｐ0が約１．４
／１０００になるように、Ｐ1調整弁１２、供給量調整
弁１１を調整した。この条件で、超音速プラズマジェッ
ト７のマッハ数Ｍは、約５となる。

【００４４】なお、高周波誘導コイル５には、冷却を行
いつつ、１ｋＷで１３．５６ＭＨzの電流を通電した。

【００４５】この結果、炭素を含む高密度で反応性の高
い混合ガスが、超音速で噴射され、チップ１５上に供給
された。これによって、チップ１５上に、該チップ１５
と密着性の高い薄膜が形成された。この薄膜を、Ｘ線回
折、ラマン分光法で評価したところ、グラファイトを含
まない良質なダイヤモンド多結晶膜であることがわかっ
た。５分間の噴射（成膜）を行った結果、膜厚は２０μ
ｍとなった。

【００４６】このようなダイヤモンド薄膜の成膜（ダイ
ヤモンドコート）によって工具チップ１５の耐久性は飛
躍的に向上することとなった。

【００４７】また、原料ガスとして、ＳiＨ4あるいはＳ
iＨ4とＨ2の混合ガス６を用い、セラミック基板１５を
噴射対象とし、その他の条件を、上述したものと同一条
件で行った実験結果は以下のようになった。

【００４８】すなわち、Ｓiを含む、高密度で反応性の
高い混合ガスが基板１５上に供給され、セラミック基板
１５上にＳi薄膜が形成された。このＳi薄膜をＳＥＭ観
察、Ｘ線回折で評価したところ、緻密な多結晶膜である
ことがわかった。Ｓi薄膜の膜厚は、３０分間の噴射
（成膜）を行った結果、約６０μｍとなった。

【００４９】同様にして、例えばＮＨ4ガスとＢ2Ｈ6ガ
ス等を原料ガス６として用いれば、ｃ-ＢＮを成膜する
ことができる。

【００５０】また、原料ガス６の種類によっては、エッ
チング、酸化、窒化等の各種表面処理を行うこともでき
る。

【００５１】なお、実施例では、高周波誘導コイル５に
よってガスを加熱、プラズマ化しているが、ＥＣＲプラ
ズマ、ヘリコンプラズマ等、他の無電極のプラズマ装置
を使用してもよい。

【００５２】また、通常のプラズマ溶射やプラズマ溶接
において利用されている不活性ガス、原料ガス、希釈ガ
ス等によるジェットシールド技術を適用してもよい。

【００５３】また、実施例では、被処理対象１５に噴射
すべきすべてのガス６を、ノズル１の入口である導入口
２ａ（第１の実施例）ないしは供給管１６を介して導入
口２ａ（第２の実施例）から供給しているが、ガス６の
供給位置としては、ガス６が加熱、プラズマ化される位
置であるコイル５の配設位置よりもガス流路の上流側で
あれば任意の位置に設けることができる。

【００５４】また、半導体膜を成長させる場合には、不
純物を添加する必要がある。そこで、この場合には、ｐ
型、ｎ型といった半導体を形成するためのドーピングの
材料を、ＳiＨ4等のガスと混合させ、かかる混合ガス６
を、加熱、プラズマ化される位置であるコイル５よりも
上流の位置から供給するようにすればよい。

【００５５】ただし、ドーピング材料は、ごく微量であ
るので、たとえドーピング材料のみを上記コイル５の配
設位置よりも下流の位置より供給しても、他のＳiＨ4等
のガスが断熱膨張することを阻害することはない。よっ
てドーピング材料に限っては、ガスが加熱、プラズマ化
される位置よりも下流の位置から供給してもよい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、不
純物の少ない高反応性のガスが生成され、このガスの温
度が被処理対象に到達するまでに、処理に適合する温度
まで低下され、かつ、高反応性ガスを被処理対象まで超
音速で短時間内に到達させることができるため、反応性
の高さが維持されたまま短時間に処理を終了させること
ができるようになる。この結果、薄膜処理等の品質が飛
躍的に向上するとともに、作業効率が飛躍的に向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るガス噴射による表面処理方
法および装置の実施例の構成を示す図である。

【図２】図２は他の実施例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ラバールノズル（超音速ノズル）５高周波誘導コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理対象の表面にガスを噴射する
ことにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射に
よる表面処理方法において、前記被処理対象の表面に噴射すべきガスを加熱、プラズ
マ化する工程と、前記加熱、プラズマ化されたガスを断熱膨張させて音速
よりも大きい流速にする工程と、前記音速よりも大きい流速にされたガスを前記被処理対
象の表面に向けて噴射させる工程とを具えたガス噴射に
よる表面処理方法。
【請求項２】被処理対象の表面に噴射すべきガス
のすべてを、ガス流路のうち、ガスを加熱、プラズマ化
する位置よりも上流側の位置から供給するようにした請
求項１記載のガス噴射による表面処理方法。
【請求項３】被処理対象の表面にガスを噴射する
ことにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射に
よる表面処理装置において、ノズル内を通過するガスが断熱膨張されてノズル出口か
ら音速よりも大きい流速で噴射されるように超音速ノズ
ルを構成するとともに、前記超音速ノズルの管路途中にノズル内を通過するガス
を加熱、プラズマ化する加熱手段を配設し、前記被処理対象の表面に噴射すべきガスを、前記超音速
ノズルの入口または前記加熱手段の配設位置よりもガス
流路の上流側のガス供給位置からノズル内に供給し、該
供給されたガスを前記加熱手段によって加熱、プラズマ
化し、該加熱、プラズマ化されたガスを前記ノズル出口
から前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにし
たガス噴射による表面処理装置。
【請求項４】前記加熱手段は、プラズマガスと直
接接触する電極を使用しないでガスを加熱、プラズマ化
するように構成されている請求項３記載のガス噴射によ
る表面処理装置。