JP2007277638A - Apparatus and method for treating surface of base material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for treating the surface of a base material, which can uniformly deposit a film on a base material having a large surface area by sputtering and reform the surface of the base material by plasma ion implantation. <P>SOLUTION: The apparatus 100 for treating the surface of a base material is equipped with: a film deposition tank 30; a sheet-like plasma generating device for generating sheet-like plasma 27 inside the film deposition tank 30; a sputtering target 33A arranged inside the film deposition tank 30; a base material holder 34 which can hold the base material 34A arranged inside the film deposition tank 30 so as to face the sputtering target 33A; a bias voltage application device V2 for applying a negative direct current bias voltage against the potential of the sheet-like plasma 27 to the sputtering target 33A; and a pulse voltage application device P for applying a negative pulse voltage against the potential of the sheet-like plasma 27 to the base material 34A through the base material holder 34. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、シート状に変形されたプラズマを用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを行う、基材表面処理装置及び基材表面処理方法に関する。   The present invention relates to a substrate surface treatment apparatus and a substrate surface treatment method that perform film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation using plasma transformed into a sheet shape.

近年、図4に示すように、プラズマ源から発生する円柱状のプラズマ(以下、円柱状プラズマという)に永久磁石による磁界を作用させ、シート状に変形したプラズマ(以下、シート状プラズマという)を用いたシートプラズマ成膜装置が注目されている(特許文献1参照)。このシートプラズマ成膜装置では、陰極側5からの円柱状プラズマ流を永久磁石3によりシート状プラズマ6に形成し、該シート状プラズマ6に磁場コイル2を用いて陽極1へと導く。そして、シート状プラズマ6の移動過程において、スパッタリング室でターゲット7からスパッタ粒子を発生させ、基材8に成膜する。これにより、大面積の基材8に対しても成膜をすることが可能になる。   In recent years, as shown in FIG. 4, a plasma (hereinafter referred to as sheet-like plasma) deformed into a sheet shape by applying a magnetic field by a permanent magnet to a cylindrical plasma generated from a plasma source (hereinafter referred to as a cylindrical plasma). The sheet plasma film forming apparatus used has attracted attention (see Patent Document 1). In this sheet plasma film forming apparatus, a cylindrical plasma flow from the cathode side 5 is formed into a sheet plasma 6 by the permanent magnet 3, and the sheet plasma 6 is guided to the anode 1 using the magnetic field coil 2. Then, in the process of moving the sheet-like plasma 6, sputtered particles are generated from the target 7 in the sputtering chamber and deposited on the substrate 8. Thereby, it is possible to form a film on the base material 8 having a large area.

また、スパッタリング室を接地電位とし、スパッタリング室とシートプラズマ成形室とを異なる電位としたシートプラズマ成膜装置も知られている(特許文献2の図1を参照)。このようなシートプラズマ成膜装置によると、シートプラズマ成形室でのシート状プラズマの電流ロス等による電力効率の低下を防止できる。   There is also known a sheet plasma film forming apparatus in which the sputtering chamber is set to the ground potential and the sputtering chamber and the sheet plasma forming chamber are set to different potentials (see FIG. 1 of Patent Document 2). According to such a sheet plasma film forming apparatus, it is possible to prevent a reduction in power efficiency due to a current loss of sheet plasma in the sheet plasma forming chamber.

一方、ワークの表面に正イオンを注入する表面処理装置として、プラズマCVD装置が知られている(特許文献3の図13を参照)。当該プラズマCVD装置は、平行平板電極を用いてプラズマを発生する。当該プラズマCVD装置は、真空容器を備え、該真空容器内において互いに平行に配置された一対の平板電極を備えている。そのうちの一方の平板電極の上にはワークが載置され、負電圧パルス電源が接続されている。負電圧パルス電源は、負電圧パルスをワークが載置された平板電極に印加する。他方の平板電極は、マッチングボックスを介して高周波電源(RF電源)に接続されている。高周波電源は、高周波電圧(RF電圧)を、他方の平板電極に供給する。   On the other hand, a plasma CVD apparatus is known as a surface treatment apparatus for injecting positive ions into the surface of a workpiece (see FIG. 13 of Patent Document 3). The plasma CVD apparatus generates plasma using parallel plate electrodes. The plasma CVD apparatus includes a vacuum vessel and a pair of plate electrodes arranged in parallel to each other in the vacuum vessel. A workpiece is placed on one of the plate electrodes, and a negative voltage pulse power source is connected thereto. The negative voltage pulse power supply applies a negative voltage pulse to the plate electrode on which the workpiece is placed. The other plate electrode is connected to a high frequency power source (RF power source) through a matching box. The high frequency power supply supplies a high frequency voltage (RF voltage) to the other plate electrode.

当該プラズマCVD装置は、下記の動作によってワークの上に薄膜を成膜する。薄膜の原料を含む原料ガスが真空容器の内部に導入される。原料ガスが導入されている状態で、高周波電圧が他方の平板電極に供給されると、真空容器の内部には、プラズマが発生する。プラズマにより反応が促進されて、ワークの上に薄膜が成膜される。成膜の間、負電圧パルスが一方の平板電極に印加され、プラズマに存在する正イオンがワークに注入される。正イオンの注入は、ワークの上に成膜された薄膜の膜質の最適化を可能にする。
特開2005−179767号公報 特開平7−296988号公報 特開2004−76069号公報
The plasma CVD apparatus forms a thin film on a workpiece by the following operation. A source gas containing a thin film source is introduced into the vacuum vessel. When a high frequency voltage is supplied to the other plate electrode while the source gas is introduced, plasma is generated inside the vacuum vessel. The reaction is accelerated by the plasma, and a thin film is formed on the workpiece. During film formation, a negative voltage pulse is applied to one plate electrode, and positive ions present in the plasma are injected into the workpiece. The positive ion implantation enables optimization of the film quality of the thin film formed on the workpiece.
JP 2005-179767 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-296888 JP 2004-76069 A

ところで、シートプラズマ成膜装置を用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができれば便利である。しかしながら、従来例は、これについて一切開示されていない。また、これを実行するためには、以下のような問題がある。   By the way, it is convenient if film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be simultaneously performed using a sheet plasma film formation apparatus. However, the conventional example is not disclosed at all about this. In order to execute this, there are the following problems.

すなわち、特許文献1の構成においては、スパッタリング室(成膜槽)を接地電位としていない。したがって、特許文献1に記載された装置を用いてプラズマイオン注入を行おうと考えた場合には、負のパルス電圧を基材に印加すると、基材の周辺に形成されたイオンシースが成膜槽と干渉する。そうすると、成膜槽と基材とが同電位となるため、形成されるシート状プラズマが不安定になり、基材に対してスパッタイオンが引き込まれにくくなる。   That is, in the configuration of Patent Document 1, the sputtering chamber (deposition tank) is not set at the ground potential. Therefore, when it is thought that plasma ion implantation is performed using the apparatus described in Patent Document 1, when a negative pulse voltage is applied to the base material, an ion sheath formed around the base material is formed into a film formation tank. Interfere with. If it does so, since a film-forming tank and a base material will become the same electric potential, the formed sheet-like plasma will become unstable and it will become difficult to be attracted | sputtered with respect to a base material.

また、特許文献1の構成においては、たとえ、基材と成膜槽との間に、イオンシースが干渉しないような十分な距離が設けられていたとしても、基材に負のパルス電圧を印加することで、基材におけるシート状プラズマに面していない部分にもプラズマが形成され、所望の箇所以外にもイオンが注入されてしまう。さらに、基材と成膜槽とを電気的に絶縁している絶縁碍子に膜が形成されないように保護する機構を設けない限り、基材と成膜槽とが同電位となってしまうため、基材に対してプラズマイオン注入を安定して行うことができない。   In the configuration of Patent Document 1, a negative pulse voltage is applied to the substrate even if a sufficient distance is provided between the substrate and the film formation tank so that the ion sheath does not interfere. By doing so, plasma is also formed in the portion of the base material that does not face the sheet-like plasma, and ions are implanted other than the desired portion. Furthermore, unless a mechanism for protecting the base material and the film formation tank from being formed on the insulator that electrically insulates the base material and the film formation tank is provided, the base material and the film formation tank have the same potential. Plasma ion implantation cannot be stably performed on the substrate.

また、特許文献2の構成においては、スパッタリング室(成膜槽)を接地電位としているが、基材と成膜槽との間が電気的に絶縁されておらず、負のパルス電圧を印加することができない。たとえ、基材と成膜槽との間を絶縁碍子で電気的に絶縁したとしても、プラズマが基材の周囲で発生することが予測され、絶縁碍子の保護機構を設けない限り、基材に対するプラズマイオン注入は安定して行うことができないと考えられる。   Further, in the configuration of Patent Document 2, the sputtering chamber (film formation tank) is set to the ground potential, but the substrate and the film formation tank are not electrically insulated, and a negative pulse voltage is applied. I can't. Even if the insulator between the substrate and the film formation tank is electrically insulated with an insulator, it is predicted that plasma will be generated around the substrate, and unless the insulator protection mechanism is provided, It is considered that plasma ion implantation cannot be performed stably.

さらに、特許文献3の構成においては、プラズマ発生源が基材とターゲットとであるため、プラズマを形成するためには、加速された電子と中性粒子とが衝突するための十分な距離が必要となる。特に、基材の面積が大きい場合には、それに伴いターゲットの面積も大きくしなければならず、かつ、基材とターゲットとの間の距離を広くしなければならない。しかし、基材とターゲットとの距離が広くなればなるほど成膜レートが低くなる。また、スパッタされた粒子が他の中性粒子と衝突することで熱中性化が進み、緻密な膜が形成できなくなる。すなわち、特許文献3の構成においては、プラズマの形成と、成膜レート及び緻密な膜の形成とが、基材とターゲットとの距離の観点においてトレードオフの関係にある。   Further, in the configuration of Patent Document 3, since the plasma generation source is the base material and the target, in order to form the plasma, a sufficient distance is required for the accelerated electrons and the neutral particles to collide with each other. It becomes. In particular, when the area of the substrate is large, the area of the target must be increased accordingly, and the distance between the substrate and the target must be increased. However, the greater the distance between the substrate and the target, the lower the film formation rate. Further, when the sputtered particles collide with other neutral particles, thermal neutralization proceeds, and a dense film cannot be formed. That is, in the configuration of Patent Document 3, the formation of plasma and the film formation rate and the formation of a dense film are in a trade-off relationship in terms of the distance between the base material and the target.

また、特許文献3の構成においては、ターゲットをスパッタするためにターゲットに負のバイアス電圧を印加し、プラズマイオン注入をするために基材に負の高電圧バイアスを印加すると、互いの周囲に形成されたイオンシースが干渉し、基材とターゲットとの間の電子が他に追いやられてプラズマを維持できなくなる。換言すると、基材とターゲットとの間の電位差が消失するため、スパッタリングターゲットへのスパッタと基材に対するプラズマイオン注入とが行えなくなる。   Further, in the configuration of Patent Document 3, when a negative bias voltage is applied to the target for sputtering the target and a negative high voltage bias is applied to the base material for plasma ion implantation, the target is formed around each other. The ion sheath thus formed interferes, and electrons between the base material and the target are driven away by others, and the plasma cannot be maintained. In other words, since the potential difference between the substrate and the target disappears, it becomes impossible to perform sputtering on the sputtering target and plasma ion implantation on the substrate.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる基材表面処理装置及び基材表面処理方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a substrate capable of uniformly performing film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation on a substrate having a large area. It aims at providing a material surface treatment apparatus and a substrate surface treatment method.

そこで、上記課題を解決するために、本発明の基材表面処理装置は、内部を減圧可能な成膜槽と、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える。   Then, in order to solve the above-mentioned subject, the substrate surface treatment apparatus of the present invention includes a film forming tank capable of reducing the pressure inside, a sheet plasma generating apparatus for generating a sheet-shaped plasma inside the film forming tank, A sputtering target disposed on one side in the thickness direction of the generated sheet-shaped plasma in the film-forming tank, and on the other side in the thickness direction of the sheet-shaped plasma in the film-forming tank. A base material holder arranged to hold the base material so as to face the sputtering target, and a bias voltage application for applying a negative DC bias voltage to the potential of the sheet-like plasma to the sputtering target. A negative pulse voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma was applied to the base material via the apparatus and the base material holder. Comprising a pulse voltage application device.

このような構成とすると、スパッタリングターゲットに負の直流バイアス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオン(たとえば、Arイオン)が引き付けられて、スパッタリングターゲットをスパッタする。一方、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオンが基材中に注入される。したがって、基材に対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に又は交互に行うことができる。   With such a configuration, by applying a negative DC bias voltage to the sputtering target, positive ions (for example, Ar ions) in the sheet-like plasma are attracted and the sputtering target is sputtered. On the other hand, by applying a negative pulse voltage with respect to the potential of the sheet-shaped plasma to the substrate via the substrate holder, cations in the sheet-shaped plasma are injected into the substrate. Therefore, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be performed simultaneously or alternately on the substrate.

また、上記のような構成とすると、スパッタリングターゲットと基材の周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマによって仕切られるため、基材及びスパッタリングターゲットの面積に依存せず、基材とスパッタリングターゲットとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。   In addition, with the above configuration, the sputtering target and the ion sheath formed around the substrate are partitioned by the sheet-like plasma, so that the substrate and the sputtering target are not dependent on the area of the substrate and the sputtering target. Can be set to an arbitrary interval. Therefore, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be performed uniformly on a substrate having a large area.

前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。   The sheet-shaped plasma generator preferably has an anode on which the sheet-shaped plasma converges, and the film formation tank and the anode are preferably at ground potential.

このような構成とすると、基材の周囲のイオンシースと前記成膜槽とが干渉することが防止され、その結果、前記基材と前記成膜槽との電位がシート状プラズマと同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマを安定して維持したまま、基材に対してプラズマイオン注入を行うことができる。   With such a configuration, the ion sheath around the base material and the film formation tank are prevented from interfering with each other. As a result, the potential of the base material and the film formation tank is the same as that of the sheet plasma. Is prevented. Therefore, plasma ion implantation can be performed on the substrate while the sheet-like plasma is stably maintained.

前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。   It is preferable that the sputtering target and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member, and the base material holder and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member.

前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の100分の1以上10分の1以下の範囲であることが好ましい。   The distance between the outer edge of the base material or the base material holder and the inner wall of the film formation tank is in the range of 1/100 to 1/10 of the mean free path of the gas particles constituting the sheet-like plasma. It is preferable.

前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、0.7mm以上70mm以下の範囲であることが好ましい。   It is preferable that the distance between the outer edge of the base material or the base material holder and the inner wall of the film formation tank is in a range of 0.7 mm or more and 70 mm or less.

このような構成とすると、前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダの裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材の表面に導電性の膜が形成されず、前記基材ホルダと成膜槽との導通が防止される。したがって、基材の周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材に対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。   With such a configuration, there is no sufficient distance between the outer edge of the base material or the base material holder and the inner wall of the film formation tank where the neutral particles and the electrons collide with each other. It can be prevented that it wraps around the back side. Thereby, a conductive film is not formed on the surface of the insulating member, and conduction between the substrate holder and the film formation tank is prevented. Therefore, since the ion sheath formed around the substrate is stable, plasma ion implantation can be appropriately performed on the substrate.

前記成膜槽内が1×10−3Pa以上1×10−1Pa以下の圧力である状態において基材表面処理を行うことが好ましい。 The substrate surface treatment is preferably performed in a state where the inside of the film forming tank is at a pressure of 1 × 10 −3 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less.

このように、成膜槽内の圧力を1×10−3Pa以上にすると、シート状プラズマの形成が良好になり、基材に対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽内の圧力を、1×10−1Pa以下にするとプラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材に対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。 Thus, when the pressure in the film formation tank is set to 1 × 10 −3 Pa or more, the formation of the sheet-like plasma is improved, and the sputtering on the substrate can be sufficiently performed. On the other hand, when the pressure in the film formation tank is set to 1 × 10 −1 Pa or less, the existence probability of a gas not involved in plasma ion implantation is reduced, and plasma ion implantation can be sufficiently performed on the substrate.

前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、1×10cm−3以上1×1012cm−3以下の範囲であることが好ましい。 The plasma density at the center of the generated sheet-like plasma is preferably in the range of 1 × 10 9 cm −3 to 1 × 10 12 cm −3 .

このように、プラズマ密度を1×10cm−3以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を1×1012cm−3以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材の加熱が防止される。 Thus, when the plasma density is 1 × 10 9 cm −3 or more, the ion sheath is prevented from spreading too much. On the other hand, when the plasma density is 1 × 10 12 cm −3 or less, the influence of the heat of the plasma is suppressed, and heating of the substrate is prevented.

前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス30kV以上マイナス6kV以下の範囲であり、パルスの幅が0.1μsec以上20μsec以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が500Hz以上5000Hz以下の範囲であることが好ましい。   The negative pulse voltage applied to the substrate has a voltage value in the range of minus 30 kV to minus 6 kV with respect to the potential of the sheet plasma, the pulse width is in the range of 0.1 μsec to 20 μsec, and The pulse frequency is preferably in the range of 500 Hz to 5000 Hz.

このような構成とすると、基材の周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材に対するプラズマイオン注入が適切に行われる。   With such a configuration, it is possible to prevent the ion sheath formed around the base material from spreading too much, and plasma ion implantation to the base material is appropriately performed.

前記成膜槽が反応性ガス導入部を有することが好ましい。   The film formation tank preferably has a reactive gas introduction part.

このような構成とすると、基材に対して、反応性スパッタリングによる成膜を行うことが可能になる。   With such a configuration, it becomes possible to perform film formation by reactive sputtering on the base material.

一方、本発明の基材表面処理方法は、成膜槽の内部を減圧し、シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。   On the other hand, in the substrate surface treatment method of the present invention, the inside of the film formation tank is depressurized, and a sheet-like plasma generator generates sheet-like plasma inside the film formation tank. A sputtering target is disposed on one side in the thickness direction of the generated sheet-shaped plasma, and a base material is disposed inside the film formation tank so as to face the sputtering target on the other side in the thickness direction of the sheet-shaped plasma. The substrate holder is disposed so as to be able to hold, a bias DC voltage application device applies a negative DC bias voltage to the sputtering target with respect to the sheet plasma potential, and the pulse voltage application device applies the base voltage. A negative pulse voltage is applied to the base material through the material holder with respect to the potential of the sheet-like plasma. To the substrate, performing a surface modification by deposition and plasma ion implantation by sputtering simultaneously or alternately in the deposition bath.

前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。   The sheet-shaped plasma generator preferably has an anode on which the sheet-shaped plasma converges, and the film formation tank and the anode are preferably at ground potential.

前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。   It is preferable that the sputtering target and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member, and the base material holder and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member.

前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行うことが好ましい。   Sputtering is preferably performed by causing secondary electrons generated during the plasma ion implantation to enter the sputtering target.

このような構成とすると、基材表面にプラズマイオン注入されることで発生する二次電子が、イオンシース内で反発してシート状プラズマの方向へと加速され、スパッタリングターゲットに入射される。そうすると、絶縁物からなるスパッタリングターゲットがプラズマイオンによってチャージアップされた場合においても、二次電子がこれを電気的に中和することができる。したがって、絶縁物からなるスパッタリングターゲットに対しても、直流バイアス電源を用いてスパッタリングが行うことができる。   With such a configuration, secondary electrons generated by plasma ion implantation on the substrate surface are repelled in the ion sheath, accelerated in the direction of the sheet plasma, and incident on the sputtering target. Then, even when the sputtering target made of an insulator is charged up by plasma ions, the secondary electrons can be neutralized electrically. Therefore, sputtering can also be performed on a sputtering target made of an insulating material using a DC bias power source.

また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う。   Further, in the substrate surface treatment method of the present invention, the film formation tank has a reactive gas introduction part, and the sheet voltage is applied by the pulse voltage application device while introducing the reactive gas from the reactive gas introduction part. A negative pulse voltage with respect to the plasma potential is applied to the base material, surface modification is performed on the base material by plasma ion implantation of a reactive gas, and then the reactivity from the reactive gas introduction part The introduction of the gas is stopped, a negative DC bias voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma is applied to the sputtering target by the bias applying device, and film formation by sputtering is performed on the substrate.

また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。   Further, in the substrate surface treatment method of the present invention, the film formation tank has a reactive gas introduction part, and the sheet voltage is applied by the pulse voltage application device while introducing the reactive gas from the reactive gas introduction part. A negative pulse voltage with respect to the plasma potential is applied to the substrate, and a negative DC bias voltage with respect to the sheet plasma potential is applied to the sputtering target by the bias applying device, whereby the substrate On the other hand, reactive sputtering, surface modification by plasma ion implantation, and plasma polymerization using energy generated by the plasma ion implantation are performed simultaneously or alternately in the film formation tank.

前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスであることが好ましい。   The reactive gas is at least one gas selected from nitrogen, ammonia, nitric oxide, oxygen, ozone, hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide, carbon dioxide, silane gas, and halide gas. Is preferred.

本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、上記のような構成としたため、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能となる。   Since the substrate surface treatment apparatus and the substrate surface treatment method of the present invention are configured as described above, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation are uniformly applied to a substrate having a large area. Can be performed.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図2は、図1の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。以下、図1及び図2を参照しながら、本実施形態に係る基材表面処理装置について説明する。なお、ここでは便宜上、図1に示すように、プラズマ輸送の方向をZ方向にとり、このZ方向に直交し、かつ永久磁石24A、24B(後述)の磁化方向をY方向にとり、これらのZ方向及びY方向の両方に直交する方向をX方向にとって、この基材表面処理装置の構成を説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front view showing an example of a schematic configuration of a substrate surface treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a waveform diagram showing a waveform of a negative pulse voltage applied to the substrate holder of the substrate surface treatment apparatus of FIG. Hereinafter, the substrate surface treatment apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Here, for convenience, as shown in FIG. 1, the direction of plasma transport is taken in the Z direction, the magnetization direction of the permanent magnets 24A and 24B (described later) is taken in the Y direction, and these Z directions are taken. The configuration of the substrate surface treatment apparatus will be described with the direction orthogonal to both the Y direction and the X direction.

<一般的構成>
まず、本実施形態の基材表面処理装置100の一般的構成について説明する。
<General configuration>
First, a general configuration of the substrate surface treatment apparatus 100 of the present embodiment will be described.

本実施形態の基材表面処理装置100は、図1に示すように、YZ平面において略十字形をなしている。本実施形態の基材表面処理装置100は、プラズマ輸送の方向(Z方向)から見て順番に、プラズマを高密度に形成するプラズマガン10と、Z方向の軸を中心とした円筒状のシートプラズマ変形室20と、Y方向の軸を中心とした円筒状の成膜槽30と、Z方向の軸を中心とした円筒状の陽極室50と、を備えて構成されている。なおこれらの各部10、20、30、50は、プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。ここで、プラズマガン10と、シートプラズマ変形室20と、陽極室50とが、シート状プラズマ発生装置を構成する。   As shown in FIG. 1, the substrate surface treatment apparatus 100 of the present embodiment has a substantially cross shape in the YZ plane. The substrate surface treatment apparatus 100 according to the present embodiment includes a plasma gun 10 that forms plasma in high density in order as viewed from the direction of plasma transport (Z direction), and a cylindrical sheet that is centered on an axis in the Z direction. The plasma deformation chamber 20, a cylindrical film formation tank 30 centered on the axis in the Y direction, and a cylindrical anode chamber 50 centered on the axis in the Z direction are configured. These parts 10, 20, 30, and 50 are communicated with each other while maintaining an airtight state through a passage for transporting plasma. Here, the plasma gun 10, the sheet plasma deformation chamber 20, and the anode chamber 50 constitute a sheet plasma generator.

プラズマガン10は、筒状部材13から構成される減圧可能な放電空間14を有し、このプラズマガン10のZ方向の一端は、この放電空間14を塞ぐようにフランジ11が配置されている。筒状部材13は、例えば、ガラスで構成される。フランジ11には、プラズマ放電誘発用の熱電子を放出する陰極12が配置されている。そして、フランジ11には、この放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン(Ar)ガスを、この放電空間14に導くガス導入手段17が設けられている。ガス導入手段17には、マスフローコントローラ16が配設されている。マスフローコントローラ16は、放電空間14への放電ガスの流量を調節する。なお、放電ガスとしては、アルゴン以外の希ガス等の不活性ガスを用いることができる。   The plasma gun 10 has a discharge space 14 that can be depressurized constituted by a cylindrical member 13, and a flange 11 is disposed at one end of the plasma gun 10 in the Z direction so as to close the discharge space 14. The cylindrical member 13 is made of glass, for example. The flange 11 is provided with a cathode 12 that emits thermoelectrons for inducing plasma discharge. The flange 11 is provided with gas introduction means 17 for introducing argon (Ar) gas as a discharge gas ionized by this discharge into the discharge space 14. A mass flow controller 16 is disposed in the gas introduction means 17. The mass flow controller 16 adjusts the flow rate of the discharge gas to the discharge space 14. As the discharge gas, an inert gas such as a rare gas other than argon can be used.

そして、上記陰極12と、後述する陽極51とが、抵抗体Rを介して主バイアス電圧印加装置Vの負極端子及び正極端子にそれぞれ接続されている。プラズマガン10は、第一中間電極Gと第二中間電極Gとを備えている。第一中間電極Gは、抵抗体Rを介して上記主バイアス電圧印加装置Vの正極端子と接続されている。第二中間電極Gは、抵抗体Rを介して上記主バイアス電圧印加装置Vの正極端子と接続されている。そして、陰極12と陽極51との間でプラズマ放電(グロー放電)を維持するため、直流の主バイアス電圧印加装置Vと適宜の抵抗体R、R、Rとの組合せにより所定のプラス電圧が印加される。このようなプラズマ放電により、プラズマガン10の放電空間14には、荷電粒子(ここではArと電子)の集合体としてのプラズマが形成される。なおここでは、主バイアス電圧印加装置Vに基づく低電圧かつ大電流の直流アーク放電により、陰極12と後述する陽極51との間に高密度のプラズマ放電を可能にする、公知の圧力勾配型のプラズマガン10が採用されている。プラズマガン10は、円柱状のソースプラズマ(以下、「円柱状プラズマ22」という)を発生させる。 Then, the above cathode 12, an anode 51 which will be described later, via a resistor R V are connected to the main bias voltage negative terminal and the positive terminal of the application device V 1. The plasma gun 10 includes a first intermediate electrode G 1 and the second intermediate electrode G 2. The first intermediate electrode G 1 is connected to the positive terminal of the main bias voltage applying device V 1 via a resistor R 1. Second intermediate electrode G 2 is is connected to the positive terminal of the main bias voltage applying device V 1 via a resistor R 2. Then, in order to maintain the plasma discharge (glow discharge) between the cathode 12 and the anode 51, the appropriate main bias voltage applying device V 1 of the DC resistor R V, given by a combination of R 1, R 2 A positive voltage is applied. Due to such plasma discharge, plasma as an aggregate of charged particles (here, Ar + and electrons) is formed in the discharge space 14 of the plasma gun 10. Note here, the DC arc discharge of low voltage and large current based on the main bias voltage applying device V 1, to allow high-density plasma discharge between the anode 51 to be described later as a cathode 12, a known pressure gradient type The plasma gun 10 is employed. The plasma gun 10 generates a cylindrical source plasma (hereinafter referred to as “cylindrical plasma 22”).

プラズマガン10のZ方向の他端には、シートプラズマ変形室20が配設されている。プラズマガン10とシートプラズマ変形室20とは、絶縁物15を介して接続されている。シートプラズマ変形室20は、筒状部材19を備えている。筒状部材19の内部は、Z方向の軸を中心とした円柱状の輸送空間21を有する。筒状部材19は、非磁性体で構成されており、例えば、ガラスやステンレスを用いて構成される。筒状部材19のXY平面に平行な断面の形状は、例えば、円形又は四角形であり、本実施形態においては円形に構成されている。筒状部材19の外側には、一対の永久磁石24A,24Bが配設されている。一対の永久磁石24A,24Bは、各永久磁石24A,24BのN極を、筒状部材19をY方向において挟んで対向させるように配設されている。筒状部材19の長さ方向において永久磁石24A,24Bの両側に、第一電磁コイル23と第二電磁コイル28とが配設されている。第一電磁コイル23は、プラズマガン10から筒状部材19へと円柱状プラズマ22を引き出すために用いられる。第一電磁コイル23及び第二電磁コイル28は、後述するシート状プラズマ27の幅方向(X方向)の形状を整えるために用いられる。   A sheet plasma deformation chamber 20 is disposed at the other end in the Z direction of the plasma gun 10. The plasma gun 10 and the sheet plasma deformation chamber 20 are connected via an insulator 15. The sheet plasma deformation chamber 20 includes a cylindrical member 19. The inside of the cylindrical member 19 has a cylindrical transport space 21 centering on the axis in the Z direction. The cylindrical member 19 is made of a nonmagnetic material, and is made of, for example, glass or stainless steel. The cross-sectional shape parallel to the XY plane of the cylindrical member 19 is, for example, a circle or a quadrangle, and is configured to be a circle in the present embodiment. A pair of permanent magnets 24 </ b> A and 24 </ b> B are disposed outside the cylindrical member 19. The pair of permanent magnets 24A and 24B are arranged so that the N poles of the permanent magnets 24A and 24B face each other with the cylindrical member 19 sandwiched in the Y direction. A first electromagnetic coil 23 and a second electromagnetic coil 28 are disposed on both sides of the permanent magnets 24 </ b> A and 24 </ b> B in the length direction of the tubular member 19. The first electromagnetic coil 23 is used to draw the cylindrical plasma 22 from the plasma gun 10 to the cylindrical member 19. The 1st electromagnetic coil 23 and the 2nd electromagnetic coil 28 are used in order to arrange the shape of the width direction (X direction) of the sheet-like plasma 27 mentioned later.

図1に示すように、プラズマガン10から放出された円柱状プラズマ22は、輸送空間21の永久磁石24A,24Bが配設された位置にまで進むと、永久磁石24A,24Bによって形成された磁界により、シート状に変形される(以下、シート状プラズマ27という)。シート状プラズマ27は、第二電磁コイル28により、その幅方向(X方向)の形状が規制される。形成されたシート状プラズマ27は、後述する陽極51へと導かれる。   As shown in FIG. 1, when the cylindrical plasma 22 emitted from the plasma gun 10 advances to a position where the permanent magnets 24A and 24B are disposed in the transport space 21, the magnetic field formed by the permanent magnets 24A and 24B. Thus, it is deformed into a sheet shape (hereinafter referred to as sheet-shaped plasma 27). The shape of the sheet plasma 27 in the width direction (X direction) is regulated by the second electromagnetic coil 28. The formed sheet-like plasma 27 is guided to the anode 51 described later.

シートプラズマ変形室20のZ方向の前端は、成膜槽30と連結されている。成膜槽30は、円筒状の導電性のチャンバ40を備えている。チャンバ40の一方の端部は上蓋35により閉鎖されており、チャンバ40の他方の端部は下蓋36により閉鎖されている。チャンバ40は、非磁性の材料、例えば、ステンレスで構成される。チャンバ40には、その高さ方向(Y方向)のほぼ中間に、第一開口部42が設けられている。第一開口部42の内部空間は、形成されたシート状プラズマ27が該開口を通り抜けることができる大きさに形成されている。第一開口部42には、該開口と接合するフランジ29が配設されている。シートプラズマ変形室20と成膜槽30とは、チャンバ40の側壁に形成された第一開口部42及びフランジ29を介して連結されている。   The front end in the Z direction of the sheet plasma deformation chamber 20 is connected to the film formation tank 30. The film forming tank 30 includes a cylindrical conductive chamber 40. One end of the chamber 40 is closed by an upper lid 35, and the other end of the chamber 40 is closed by a lower lid 36. The chamber 40 is made of a nonmagnetic material such as stainless steel. The chamber 40 is provided with a first opening 42 substantially in the middle of the height direction (Y direction). The internal space of the first opening 42 is formed in a size that allows the formed sheet-like plasma 27 to pass through the opening. The first opening 42 is provided with a flange 29 that is joined to the opening. The sheet plasma deformation chamber 20 and the film formation tank 30 are connected via a first opening 42 and a flange 29 formed on the side wall of the chamber 40.

チャンバ40は、その内部に成膜空間31を有する。ここで、以下においては、成膜空間31は、その機能上、上下方向(Y方向)において、第一開口部42の内部空間に対応する水平面(XZ平面)に沿った中央空間を境にして、後述するスパッタリングターゲット33Aを格納する囲い部により区画されたターゲット空間31Aと、後述する基材34Aを格納する囲い部により区画された基材空間31Bと、に区分けして説明する。なお、上記中央空間は、成膜槽30においてシートプラズマ27の高密度部分が輸送される空間である。   The chamber 40 has a film formation space 31 therein. Here, in the following, the film-forming space 31 has a function as a boundary in the vertical direction (Y direction) with a central space along the horizontal plane (XZ plane) corresponding to the internal space of the first opening 42 as a boundary. The description will be made by dividing into a target space 31A defined by an enclosure storing a sputtering target 33A described later and a base material space 31B defined by an enclosure storing a substrate 34A described later. The central space is a space in which the high density portion of the sheet plasma 27 is transported in the film formation tank 30.

ターゲット空間31Aには、スパッタリングターゲット33Aを保持する導電性のターゲットホルダ33が配設されている。ターゲットホルダ33は、円板状の導電性のホルダ33Bを備えている。該ホルダ33Bには、Y方向に延びる円柱状の導電性の支軸33Cが接続されている。そして、支軸33Cは、前記成膜槽30の上蓋35に設けられた貫通穴(図示せず)に挿通されている。支軸33Cは、絶縁部材33Dを介して上蓋35に取り付けられている。すなわち、支軸33Cは、成膜槽30と短絡しないよう、成膜槽30に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材33Dとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。支軸33Cは、成膜槽30内部の成膜空間31の真空度を保つことができるよう、チャンバ40に対して気密的に配設されている。スパッタリングターゲット33Aの材料としては、単体の金属材料や誘電体等の絶縁物材料その他の材料を用いることができる。この材料は、後述する基材34Aに形成される膜に応じて適宜選択される。以下では、スパッタリングターゲット33Aの材料が絶縁物である場合について説明する。   A conductive target holder 33 that holds the sputtering target 33A is disposed in the target space 31A. The target holder 33 includes a disk-shaped conductive holder 33B. A cylindrical conductive support shaft 33C extending in the Y direction is connected to the holder 33B. The support shaft 33 </ b> C is inserted through a through hole (not shown) provided in the upper lid 35 of the film formation tank 30. The support shaft 33C is attached to the upper lid 35 via an insulating member 33D. That is, the support shaft 33 </ b> C is electrically insulated from the film formation tank 30 so as not to be short-circuited with the film formation tank 30. As the insulating member 33D, an insulator such as alumina ceramic or a resin such as polytetrafluoroethylene is used. The support shaft 33 </ b> C is airtightly disposed with respect to the chamber 40 so that the degree of vacuum of the film formation space 31 inside the film formation tank 30 can be maintained. As a material of the sputtering target 33A, a single metal material, an insulator material such as a dielectric, or other materials can be used. This material is appropriately selected according to a film formed on the base material 34A described later. Below, the case where the material of sputtering target 33A is an insulator is demonstrated.

また、基材空間31Bには、基材34Aを保持する導電性の基材ホルダ34が配設されている。基材ホルダ34は、円板状の導電性のホルダ34Bを備えている。該ホルダ34Bには、Y方向に延びる円柱状の導電性の支軸34Cが接続されている。そして、支軸34Cは、前記成膜槽30の下蓋36に設けられた貫通穴(図示せず)に挿通されている。支軸34Cは、絶縁部材34Dを介して下蓋36に取り付けられている。すなわち、支軸34Cは、成膜槽30と短絡しないよう、成膜槽30に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材34Dとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。基材ホルダ34は、形成されたシート状プラズマ27を挟んで前記ターゲットホルダ33と対向するよう(ここでは共に水平に)配設されている。支軸34Cは、成膜槽30内部の成膜空間31の真空度を保つことができるよう、成膜槽30に対して気密的に配設されている。   In addition, a conductive base material holder 34 that holds the base material 34A is disposed in the base material space 31B. The base material holder 34 includes a disk-shaped conductive holder 34B. A cylindrical conductive support shaft 34C extending in the Y direction is connected to the holder 34B. The support shaft 34 </ b> C is inserted into a through hole (not shown) provided in the lower lid 36 of the film formation tank 30. The support shaft 34C is attached to the lower lid 36 via an insulating member 34D. That is, the support shaft 34 </ b> C is electrically insulated from the film formation tank 30 so as not to be short-circuited with the film formation tank 30. As the insulating member 34D, an insulator such as alumina ceramic or a resin such as polytetrafluoroethylene is used. The substrate holder 34 is disposed so as to face the target holder 33 with the formed sheet-shaped plasma 27 interposed therebetween (here, both are horizontal). The support shaft 34 </ b> C is airtightly disposed with respect to the film formation tank 30 so that the degree of vacuum of the film formation space 31 inside the film formation tank 30 can be maintained.

チャンバ40の適所には、該チャンバ40内の成膜空間31を真空引きするための排気口32が設けられている。排気口32は、バルブ37により開閉可能に構成されている。排気口32には、真空ポンプ38が接続されている。真空ポンプ38は、シート状プラズマ27が輸送できるレベルにまで、成膜空間31内を速やかに減圧する。   An exhaust port 32 for evacuating the film formation space 31 in the chamber 40 is provided at an appropriate position of the chamber 40. The exhaust port 32 is configured to be opened and closed by a valve 37. A vacuum pump 38 is connected to the exhaust port 32. The vacuum pump 38 quickly depressurizes the film formation space 31 to a level at which the sheet-like plasma 27 can be transported.

成膜槽30のチャンバ40の後端(Z方向)には第二開口部45が形成されている。第二開口部45には、該開口に接合する第二フランジ47が配設されている。成膜槽30と後述する陽極室50とは、第二開口部45及び第二フランジ47を介して連結されている。   A second opening 45 is formed at the rear end (Z direction) of the chamber 40 of the film formation tank 30. The second opening 45 is provided with a second flange 47 that is joined to the opening. The film formation tank 30 and an anode chamber 50 described later are connected via a second opening 45 and a second flange 47.

陽極室50は、筒状部材53を備えている。筒状部材53は、本実施形態ではガラスで構成される。陽極室50は、上記フランジ47に筒状部材53の一端が接続され、該筒状部材53の他端が陽極51で閉鎖されて形成されている。筒状部材53の周囲には、第三電磁コイル48が配設されている。該第三電磁コイル48は、形成されたシート状プラズマ27の幅方向の形状を整えるために用いられる。筒状部材53と陽極51とは、絶縁物(図示せず)を介して接続されている。陽極51の裏面には、永久磁石52が配設されている。永久磁石52は、そのS極が陽極51と接触するように配設されている。永久磁石52は、シート状プラズマ27のZ方向の末端の形状を整える。   The anode chamber 50 includes a cylindrical member 53. In the present embodiment, the cylindrical member 53 is made of glass. The anode chamber 50 is formed by connecting one end of a cylindrical member 53 to the flange 47 and closing the other end of the cylindrical member 53 with the anode 51. A third electromagnetic coil 48 is disposed around the cylindrical member 53. The third electromagnetic coil 48 is used for adjusting the shape of the formed sheet-like plasma 27 in the width direction. The cylindrical member 53 and the anode 51 are connected via an insulator (not shown). A permanent magnet 52 is disposed on the back surface of the anode 51. The permanent magnet 52 is disposed so that its south pole is in contact with the anode 51. The permanent magnet 52 adjusts the shape of the end of the sheet-like plasma 27 in the Z direction.

また、本実施形態の基材表面処理装置100は、制御装置(図示せず)を備えている。制御装置は、主バイアス電圧印加装置V、真空ポンプ38、後述するバイアス電圧印加装置V、パルス電圧印加装置P等の動作を制御する。 In addition, the substrate surface treatment apparatus 100 of this embodiment includes a control device (not shown). The control device controls operations of the main bias voltage application device V 1 , the vacuum pump 38, a bias voltage application device V 2 , which will be described later, a pulse voltage application device P, and the like.

なお、本実施形態においては、円筒状プラズマ22及びシート状プラズマ27の形状を整えるための磁場の発生手段として第一電磁コイル23乃至第三電磁コイル48を用いたが、その他の手段を用いることも可能である。例えば、第一電磁コイル23乃至第三電磁コイル48の替わりに、永久磁石や、超伝導体(により発生するマイスナー効果)を用いることもできる。   In the present embodiment, the first electromagnetic coil 23 to the third electromagnetic coil 48 are used as the magnetic field generating means for adjusting the shapes of the cylindrical plasma 22 and the sheet plasma 27, but other means are used. Is also possible. For example, instead of the first electromagnetic coil 23 to the third electromagnetic coil 48, a permanent magnet or a superconductor (Meissner effect generated by) can be used.

<特徴的構成>
次に、本実施形態の基材表面処理装置100の特徴的構成について説明する。
<Characteristic configuration>
Next, a characteristic configuration of the substrate surface treatment apparatus 100 of the present embodiment will be described.

本実施形態では、陽極51が接地されている。このような場合、成膜槽30におけるチャンバ40は通常は接地されないが、本実施形態ではチャンバ40は接地されている。これにより、チャンバ40(成膜槽30)の電位は接地電位とされている。つまり、チャンバ40と陽極51とが同電位となる。この場合、シート状プラズマ27が、チャンバ40の第一開口部42を通過して成膜槽30内に移動するか否かが懸念されるが、本実施形態では、圧力勾配型のプラズマガン10が用いられているので、シート状プラズマ27は、上記第一開口部42を通過して成膜槽30内に移動する。   In the present embodiment, the anode 51 is grounded. In such a case, the chamber 40 in the film forming tank 30 is not normally grounded, but in the present embodiment, the chamber 40 is grounded. Thereby, the potential of the chamber 40 (film formation tank 30) is set to the ground potential. That is, the chamber 40 and the anode 51 are at the same potential. In this case, there is a concern as to whether or not the sheet-like plasma 27 moves through the first opening 42 of the chamber 40 and moves into the film formation tank 30, but in this embodiment, the pressure gradient type plasma gun 10 is used. Therefore, the sheet-like plasma 27 passes through the first opening 42 and moves into the film formation tank 30.

このような構成とすると、基材34Aの周囲のイオンシースと成膜槽30とが干渉することが防止され、その結果、基材34Aと成膜槽30との電位がシート状プラズマ27と同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマ27を安定して維持したまま、基材34Aに対してプラズマイオン注入を行うことができる。   With such a configuration, the ion sheath around the base material 34A and the film formation tank 30 are prevented from interfering with each other. As a result, the potential of the base material 34A and the film formation tank 30 is the same as that of the sheet plasma 27. A potential is prevented. Therefore, plasma ion implantation can be performed on the base material 34A while the sheet-like plasma 27 is stably maintained.

ここで、発生されるシート状プラズマ27の中心のプラズマ密度は、1×10cm−3以上1×1012cm−3以下の範囲である。 Here, the plasma density at the center of the generated sheet-like plasma 27 is in the range of 1 × 10 9 cm −3 to 1 × 10 12 cm −3 .

このように、プラズマ密度を1×10cm−3以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を1×1012cm−3以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材34Aの加熱が防止される。 Thus, when the plasma density is 1 × 10 9 cm −3 or more, the ion sheath is prevented from spreading too much. On the other hand, when the plasma density is 1 × 10 12 cm −3 or less, the influence of the heat of the plasma is suppressed, and heating of the base material 34A is prevented.

基材34A又は基材ホルダ34の外縁と成膜槽30の内壁との距離は、以下のような範囲とする。   The distance between the outer edge of the substrate 34 </ b> A or the substrate holder 34 and the inner wall of the film formation tank 30 is set as follows.

基材ホルダ34(ホルダ34B)の外縁よりも基材34Aの外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ34に保持された基材34Aの外縁と成膜槽30の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程100分の1以上10分の1以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽30内の圧力に応じて、前記基材34Aの外縁と前記成膜槽30の内壁との距離が、0.7mm以上70mm以下の範囲になるように構成する。   When the outer edge of the base material 34A protrudes from the outer edge of the base material holder 34 (holder 34B), the distance between the outer edge of the base material 34A held by the base material holder 34 and the inner wall of the film formation tank 30 is as follows. The average free path of argon particles is configured to be in the range of 1/100 to 1/10. Specifically, the distance between the outer edge of the base material 34A and the inner wall of the film formation tank 30 is in a range of 0.7 mm or more and 70 mm or less according to the pressure in the film formation tank 30 described later. To do.

一方、基材ホルダ34に保持された基材34Aの外縁よりも基材ホルダ34(ホルダ34B)の外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ34(ホルダ34B)の外縁と成膜槽30の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程100分の1以上10分の1以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽30内の圧力に応じて、前記基材ホルダ34(ホルダ34B)の外縁と前記成膜槽30の内壁との距離が、0.7mm以上70mm以下の範囲になるように構成する。   On the other hand, when the outer edge of the substrate holder 34 (holder 34B) protrudes from the outer edge of the substrate 34A held by the substrate holder 34, the outer edge of the substrate holder 34 (holder 34B) and the film formation tank The distance from the inner wall of 30 is in a range of 1/100 to 1/10 of the mean free path of argon particles. Specifically, the distance between the outer edge of the substrate holder 34 (holder 34B) and the inner wall of the film formation tank 30 is in the range of 0.7 mm to 70 mm in accordance with the pressure in the film formation tank 30 described later. To be configured.

このような構成とすると、前記基材34A又は前記基材ホルダ34(ホルダ34B)の外縁と前記成膜槽30の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダ34の裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材34Dの表面に導電性の膜が形成されず、基材ホルダ34と成膜槽30との導通が防止される。したがって、基材34Aの周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材34Aに対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。   With such a configuration, there is no sufficient distance between the outer edge of the base material 34A or the base material holder 34 (holder 34B) and the inner wall of the film formation tank 30 where neutral particles and electrons collide. Therefore, it is possible to prevent the plasma from flowing around to the back side of the substrate holder 34. Thereby, a conductive film is not formed on the surface of the insulating member 34D, and conduction between the substrate holder 34 and the film formation tank 30 is prevented. Therefore, since the ion sheath formed around the base material 34A is stable, plasma ion implantation can be appropriately performed on the base material 34A.

ターゲットホルダ33には、バイアス電圧印加装置Vが接続されている。このバイアス電圧印加装置Vにより、ターゲットホルダ33を介してスパッタリングターゲット33Aに、シート状プラズマ27の電位に対する負の直流バイアス電圧が印加される。負の直流バイアス電圧は、マイナス1000V以上マイナス10V以下の範囲である。 The target holder 33, the bias voltage applying unit V 2 is connected. By this bias voltage application device V 2 , a negative DC bias voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma 27 is applied to the sputtering target 33 A through the target holder 33. The negative DC bias voltage is in the range of minus 1000V to minus 10V.

基材ホルダ34には、パルス電圧印加装置Pが接続されている。このパルス電圧印加装置Pにより、基材ホルダ34を介して基材34Aに負のパルス電圧が印加される。ここで、負のパルス電圧は、電圧値がシート状プラズマ27の電位に対してマイナス10kVであり、パルスの幅が10μsecであり、かつ、パルスの周波数が2500Hzである。なお、負の電圧パルスは、電圧値が、シート状プラズマ27の電位に対しマイナス30kV以上マイナス6kV以下の範囲であり、パルスの幅が0.1μsec以上20μsec以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が500Hz以上5000Hz以下の範囲であることが好ましい。   A pulse voltage application device P is connected to the base material holder 34. By this pulse voltage application device P, a negative pulse voltage is applied to the base material 34 </ b> A through the base material holder 34. Here, the negative pulse voltage has a voltage value of minus 10 kV with respect to the potential of the sheet plasma 27, a pulse width of 10 μsec, and a pulse frequency of 2500 Hz. The negative voltage pulse has a voltage value in a range of minus 30 kV to minus 6 kV with respect to the potential of the sheet plasma 27, a pulse width in a range of 0.1 μsec to 20 μsec, and The frequency is preferably in the range of 500 Hz to 5000 Hz.

このような構成とすると、基材34Aの周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材34Aに対するプラズマイオン注入が適切に行われる。   With such a configuration, the ion sheath formed around the base material 34A is prevented from spreading too much, and plasma ion implantation is appropriately performed on the base material 34A.

<動作>
本実施形態の基材表面処理装置100は、前述のように制御装置を備えていて、この制御装置により、以下の動作が遂行される。
<Operation>
The substrate surface treatment apparatus 100 of this embodiment includes the control device as described above, and the following operations are performed by this control device.

まず、接地電位にされた成膜槽30内を、真空ポンプ38により1×10−6Paのオーダーまで真空引きする。次に、シートプラズマ変形室20内に、プラズマガン10で形成した円柱状プラズマ22を導入する。そして、この円柱状プラズマ22は、一対の永久磁石24A,24Bにより、シート状プラズマ27に形成される。その後、成膜槽30内の圧力は、1×10−2Paのオーダーとされる。ここで、成膜槽30内が1×10−3Pa以上1×10−1Pa以下の圧力である状態において成膜を行うことが好ましい。このように、成膜槽30内の圧力を1×10−3Pa以上にすると、シート状プラズマ27の形成が良好になり、基材34Aに対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽30内の圧力を1×10−1Pa以下にすると、プラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材34Aに対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。 First, the inside of the film forming tank 30 brought to the ground potential is evacuated to the order of 1 × 10 −6 Pa by the vacuum pump 38. Next, the cylindrical plasma 22 formed by the plasma gun 10 is introduced into the sheet plasma deformation chamber 20. The cylindrical plasma 22 is formed into a sheet-like plasma 27 by a pair of permanent magnets 24A and 24B. Thereafter, the pressure in the film formation tank 30 is set to the order of 1 × 10 −2 Pa. Here, the film formation is preferably performed in a state where the pressure in the film formation tank 30 is 1 × 10 −3 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less. As described above, when the pressure in the film formation tank 30 is set to 1 × 10 −3 Pa or more, the formation of the sheet-like plasma 27 is improved, and the base material 34A can be sufficiently sputtered. On the other hand, when the pressure in the film forming tank 30 is set to 1 × 10 −1 Pa or less, the existence probability of the gas not involved in the plasma ion implantation is reduced, and the plasma ion implantation to the base material 34A can be sufficiently performed.

次に、バイアス電圧印加装置Vがバイアス電圧をスパッタリングターゲット33Aに印加する場合の、基材表面処理装置100の動作について説明する。 Then, when the bias voltage applying unit V 2 is to apply a bias voltage to the sputtering target 33A, the operation of the substrate surface treatment apparatus 100.

まず、バイアス電圧印加装置Vが、ターゲットホルダ33を介して、スパッタリングターゲット33Aに、シート状プラズマ27の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ27を構成するプラズマイオン(本実施形態では、アルゴンイオン)をスパッタリングターゲット33Aに入射させる。これにより、スパッタリングターゲット33Aを構成する物質が弾性衝突により弾き出され、この弾き出された物質が中性のスパッタ粒子となる。なお、スパッタ粒子は、スパッタリングターゲット33Aに入射したアルゴンイオンの運動エネルギーを弾性衝突により引き継ぐ。したがって、スパッタ粒子の運動エネルギーは、シート状プラズマ27を構成するアルゴンイオンの運動エネルギーよりも高くなる。上記スパッタ粒子は、シート状プラズマ27をその厚み方向に通過する際に、スパッタ粒子の一部が正の電荷を持つ陽イオンに変換され、スパッタイオンとなる。この場合、スパッタイオンは、陽イオンに変換されなかった中性のスパッタ粒子とともに、基材34Aに堆積される。一方、シート状プラズマ27中のアルゴンイオン(正電荷)は、絶縁物からなるスパッタリングターゲット33Aに捕捉され、スパッタリングターゲット33Aの表面が正電荷によりチャージアップされる。 First, the bias voltage application device V 2 applies a negative DC bias voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma 27 to the sputtering target 33 A via the target holder 33. Thereby, plasma ions (argon ions in the present embodiment) constituting the sheet-like plasma 27 are incident on the sputtering target 33A. Thereby, the substance constituting the sputtering target 33A is ejected by elastic collision, and the ejected substance becomes neutral sputtered particles. The sputtered particles inherit the kinetic energy of argon ions incident on the sputtering target 33A by elastic collision. Therefore, the kinetic energy of the sputtered particles is higher than the kinetic energy of argon ions constituting the sheet-like plasma 27. When the sputtered particles pass through the sheet-like plasma 27 in the thickness direction, some of the sputtered particles are converted into positive ions having a positive charge, and become sputtered ions. In this case, the sputtered ions are deposited on the base material 34A together with neutral sputtered particles that have not been converted into positive ions. On the other hand, argon ions (positive charge) in the sheet-like plasma 27 are captured by the sputtering target 33A made of an insulating material, and the surface of the sputtering target 33A is charged up by the positive charge.

次に、基材34Aに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを同時に行う場合の、基材表面処理装置100の動作について説明する。   Next, the operation of the substrate surface treatment apparatus 100 in the case where surface modification by plasma ion implantation and film formation by sputtering are simultaneously performed on the substrate 34A will be described.

この場合、パルス電圧印加装置Pが、基材ホルダ34を介して基材34Aに、図2に示す負のパルス電圧を印加する。ここで、負のパルス電圧がオンのとき、基材34Aの周囲の電子は急速に追い返されるが、アルゴンイオンの質量は電子の質量に比べて大きいので、基材34Aの周囲のアルゴンイオンはその場にとどまる。このようにして、シート状プラズマ27と基材34Aとの間にアルゴンイオンリッチなイオンシースが形成される。そして、シート状プラズマ27と基材34Aとの間の電位差によりアルゴンイオンは加速され、基材34Aに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。   In this case, the pulse voltage application device P applies the negative pulse voltage shown in FIG. 2 to the base material 34A via the base material holder 34. Here, when the negative pulse voltage is on, electrons around the base material 34A are rapidly repulsed, but since the mass of argon ions is larger than the mass of electrons, the argon ions around the base material 34A Stay in play. In this way, an ion sheath rich in argon ions is formed between the sheet-like plasma 27 and the base material 34A. The argon ions are accelerated by the potential difference between the sheet-like plasma 27 and the base material 34A, and surface modification is performed on the base material 34A by plasma ion implantation.

また、プラズマイオン注入の際に基材34Aから発生する二次電子は、基材34Aの周囲に形成されたイオンシースの電場で加速され、シート状プラズマ27を挟んで反対側の位置に配設されたスパッタリングターゲット33Aに入射される。このようにして、プラズマイオン注入の際に基材34Aから発生した二次電子が、正電荷によりチャージアップされた絶縁物からなるスパッタリングターゲット33Aの表面を電気的に中和する。これにより、シート状プラズマ27中のアルゴンイオンがスパッタリングターゲット33Aをスパッタすることが可能になる。したがって、基材34Aに印加する負のパルス電圧がオンの場合には、基材34Aに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを、同時に行うことができる。   Further, secondary electrons generated from the base material 34A at the time of plasma ion implantation are accelerated by an electric field of an ion sheath formed around the base material 34A, and are arranged on the opposite side of the sheet-like plasma 27. It is incident on the sputtering target 33A. In this way, secondary electrons generated from the base material 34A during plasma ion implantation electrically neutralize the surface of the sputtering target 33A made of an insulator charged up by positive charges. Thereby, the argon ions in the sheet-like plasma 27 can sputter the sputtering target 33A. Therefore, when the negative pulse voltage applied to the base material 34A is on, surface modification by plasma ion implantation and film formation by sputtering can be simultaneously performed on the base material 34A.

そして、基材34Aに印加された負のパルス電圧がオフすると(負のパルス電圧の電圧値がシート状プラズマ27の電位Vと等しくなると)、シート状プラズマ27と基材34Aとの間に負の電位差が生じなくなるので、スパッタイオンは加速されず、中性のスパッタ粒子と共に基材34Aに堆積する。すなわち、基材34Aに対して、通常のスパッタリングによる成膜のみが行われる。このようにして、基材34A上に成膜し、かつその膜をプラズマイオン注入により表面改質しながら、当該成膜を行うことができる。 When the negative pulse voltage applied to the substrate 34A is turned off (the voltage value of the negative pulse voltage becomes equal to the potential V P of the sheet-shaped plasma 27), between the sheet-shaped plasma 27 and the substrate 34A Since no negative potential difference occurs, the sputter ions are not accelerated and are deposited on the base material 34A together with the neutral sputtered particles. That is, only film formation by normal sputtering is performed on the base material 34A. In this manner, the film formation can be performed while forming the film on the base material 34A and modifying the surface of the film by plasma ion implantation.

なお、スパッタリングターゲット33Aが導電物である場合にも、スパッタリングターゲット33Aにチャージアップが生じない点を除いて、上記と同様である。   Even when the sputtering target 33A is a conductive material, it is the same as the above except that the sputtering target 33A is not charged up.

以上のように、本実施形態の基材表面処理装置100によれば、スパッタリングターゲット33Aと基材34Aの周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマ27によって仕切られる。これにより、基材34A及びスパッタリングターゲット33Aの面積に依存せず、基材34Aとスパッタリングターゲット33Aとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材34Aに対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。   As described above, according to the substrate surface treatment apparatus 100 of the present embodiment, the sputtering target 33A and the ion sheath formed around the substrate 34A are partitioned by the sheet-like plasma 27. Thereby, the space | interval of 34 A of base materials and sputtering target 33A can be made into arbitrary space | intervals, without depending on the area of 34 A of base materials and sputtering target 33A. Therefore, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be performed uniformly on the base material 34A having a large area.

また、基材34Aに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に行うことができる。   Further, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be simultaneously performed on the base material 34A.

さらに、プラズマイオン注入の際に基材34Aから発生する二次電子を用いてスパッタリングターゲット33Aに捕捉されたアルゴンイオンを電気的に中和することができるため、スパッタリングターゲット33Aが絶縁物で構成される場合においても、スパッタリングターゲット33Aのチャージアップが防止され、直流バイアス電源を用いたスパッタリングを行うことが可能になる。   Further, since the argon ions captured by the sputtering target 33A can be electrically neutralized using secondary electrons generated from the base material 34A during plasma ion implantation, the sputtering target 33A is made of an insulator. In this case, the sputtering target 33A can be prevented from being charged up, and sputtering using a DC bias power source can be performed.

[変形例]
上記第1実施形態においては、基材34Aに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
[Modification]
In the first embodiment, the case where film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation are simultaneously performed on the base material 34A has been described, but the present invention is not limited to this.

すなわち、本変形例の基材表面処理装置においては、まず、バイアス電圧印加装置Vにより、スパッタリングターゲット33Aに、シート状プラズマ27の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、基材34Aに対してスパッタリングによる成膜が行われる。次に、スパッタリングターゲット33Aへの直流バイアス電圧の印加を停止し、パルス電圧印加装置Pにより、基材ホルダ34を介して基材34Aに負のパルス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ27中からアルゴンイオンが引き出され、基材34Aに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。 That is, in the substrate surface treatment apparatus of the present modified example, first, by a bias voltage applying device V 2, a sputtering target 33A, applying a negative DC bias voltage with respect to the potential of the sheet-shaped plasma 27. Thereby, film formation by sputtering is performed on the base material 34A. Next, the application of the DC bias voltage to the sputtering target 33A is stopped, and a negative pulse voltage is applied to the base material 34A via the base material holder 34 by the pulse voltage application device P. Thereby, argon ions are extracted from the sheet-like plasma 27, and surface modification is performed on the base material 34A by plasma ion implantation.

このようにして、基材34Aに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とが、交互に行われる。   In this manner, film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation are alternately performed on the base material 34A.

(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図3において、図1と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a front view showing an example of a schematic configuration of the substrate surface treatment apparatus according to the second embodiment of the present invention. 3, parts that are the same as or correspond to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.

以下、第1実施形態と同様の構成については説明を省略し、本実施形態の基材表面処理装置200の特徴的構成のみ説明する。   Hereinafter, description about the same structure as 1st Embodiment is abbreviate | omitted, and only the characteristic structure of the base-material surface treatment apparatus 200 of this embodiment is demonstrated.

本実施形態の基材表面処理装置200は、成膜槽30を構成する上蓋35に反応性ガス導入部(貫通孔)64が設けられている。反応性ガス導入部64には、反応性ガス導入管61が挿入され、その先端部が成膜槽30の内部に導入されている。反応性ガス導入管61は、成膜槽30の上蓋35に対して、気密的に挿入されている。反応性ガス導入管61の途中には、マスフローコントローラ62が配設されている。マスフローコントローラ62は、成膜槽30内への反応性ガスの流量を調節する。また、成膜槽30内に挿入された反応性ガス導入管61の先端には、反応性ガス噴霧部材63が取り付けられている。反応性ガス噴霧部材63は、本実施形態では、多数の孔を有する中空ドーナツ状に形成されている。それ以外の構成については、第1実施形態の基材表面処理装置100と同様である。   In the substrate surface treatment apparatus 200 of the present embodiment, a reactive gas introduction part (through hole) 64 is provided in the upper lid 35 constituting the film formation tank 30. A reactive gas introduction pipe 61 is inserted into the reactive gas introduction part 64, and a tip part thereof is introduced into the film forming tank 30. The reactive gas introduction pipe 61 is hermetically inserted into the upper lid 35 of the film formation tank 30. A mass flow controller 62 is disposed in the middle of the reactive gas introduction pipe 61. The mass flow controller 62 adjusts the flow rate of the reactive gas into the film formation tank 30. A reactive gas spray member 63 is attached to the tip of the reactive gas introduction pipe 61 inserted into the film forming tank 30. In this embodiment, the reactive gas spray member 63 is formed in a hollow donut shape having a large number of holes. About another structure, it is the same as that of the base-material surface treatment apparatus 100 of 1st Embodiment.

次に、以上のように構成された基材表面処理装置200の動作を説明する。本実施形態の基材表面処理装置200には以下のような使い方がある。そこで、その使い方に応じて動作を説明する。   Next, the operation of the substrate surface treatment apparatus 200 configured as described above will be described. The substrate surface treatment apparatus 200 of this embodiment has the following usage. Therefore, the operation will be described according to the usage.

<表面改質を行った後に成膜を行う場合>
基材34Aの種類によっては、まず基材34Aの表面を表面改質した後に、成膜を行うことが好ましい場合がある。この場合には、本実施形態の基材表面処理装置200は、以下のように動作する。
<When film formation is performed after surface modification>
Depending on the type of the base material 34A, it may be preferable to perform film formation after first modifying the surface of the base material 34A. In this case, the substrate surface treatment apparatus 200 of this embodiment operates as follows.

まず、反応性ガス導入管61を介して、反応性ガスを反応性ガス導入部64から成膜槽30内に導入する。そうすると、成膜槽30内が、反応性ガス噴霧部材63から噴霧される反応性ガスで満たされる。ここで、反応性ガスとしては、例えば、窒素、アンモニア、酸化窒素(NO)、酸素、オゾン、水素、炭化水素(C)、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス(SiH等)、及びハロゲン化ガス(BF等)等から選択される少なくとも一種類以上のガスを含むものを用いることができる。この反応性ガスの種類は、基材34Aの材料に基づき、適宜選択される。 First, a reactive gas is introduced from the reactive gas introduction unit 64 into the film formation tank 30 through the reactive gas introduction pipe 61. Then, the inside of the film forming tank 30 is filled with the reactive gas sprayed from the reactive gas spray member 63. Here, examples of the reactive gas include nitrogen, ammonia, nitrogen oxide (NO x ), oxygen, ozone, hydrogen, hydrocarbon (C x H y ), carbon monoxide, carbon dioxide, and silane-based gas (SiH 4). Etc.), and a gas containing at least one kind of gas selected from a halogenated gas (BF 3 or the like) can be used. The type of the reactive gas is appropriately selected based on the material of the base material 34A.

次に、成膜槽30内が反応性ガスで満たされた状態でシート状プラズマ27を発生させると、シート状プラズマ27中に、放電ガスからなるプラズマイオンと共に、反応性ガスからなるプラズマイオンも含まれるようになる。この状態で、パルス電圧印加装置Pにより、基材ホルダ34を介して基材34Aに負のパルス電圧を印加すると、反応性ガスからなるプラズマイオンが基材34Aの表面にプラズマイオン注入されて、表面改質が行われる。   Next, when the sheet-like plasma 27 is generated in a state where the inside of the film forming tank 30 is filled with the reactive gas, the plasma ions made of the reactive gas and the plasma ions made of the reactive gas are also contained in the sheet-like plasma 27. To be included. In this state, when a negative pulse voltage is applied to the base material 34A via the base material holder 34 by the pulse voltage application device P, plasma ions made of reactive gas are injected into the surface of the base material 34A, Surface modification is performed.

次に、マスフローコントローラ62が、反応性ガスの成膜槽30への供給を停止する。その後、バイアス電圧印加装置Vにより、ターゲットホルダ33を介してスパッタリングターゲット33Aにバイアス電圧を印加する。これにより、プラズマイオン注入によって表面改質された基材34Aの表面に、さらにターゲット材料による膜が形成される。 Next, the mass flow controller 62 stops the supply of the reactive gas to the film formation tank 30. Thereafter, the bias voltage applying unit V 2, a bias voltage is applied to the sputtering target 33A via the target holder 33. As a result, a film made of the target material is further formed on the surface of the base material 34A whose surface has been modified by plasma ion implantation.

<反応性スパッタリングを行う場合>
次に、本実施形態の基材表面処理装置200を用いて、基材34Aに対して反応性スパッタリングを行う場合について説明する。
<When reactive sputtering is performed>
Next, a case where reactive sputtering is performed on the base material 34A using the base material surface treatment apparatus 200 of the present embodiment will be described.

具体的には、前記反応性ガス導入部64から反応性ガスを導入しながら、バイアス電圧印加装置Vにより、ターゲットホルダ33を介してスパッタリングターゲット33Aにバイアス電圧を印加する。このようにすると、いわゆる反応性スパッタリングにより、基材34Aに対して複数の材料からなる複合膜を形成することができる。例えば、スパッタリングターゲット33Aの材料としてチタンを用い、反応性ガスとして窒素を用いた場合には、反応性スパッタリングによりTiNからなる膜を基材34Aに形成することができる。 Specifically, a bias voltage is applied to the sputtering target 33 </ b > A through the target holder 33 by the bias voltage application device V < b > 2 while introducing the reactive gas from the reactive gas introduction unit 64. If it does in this way, the composite film which consists of a several material with respect to 34 A of base materials can be formed by what is called reactive sputtering. For example, when titanium is used as the material of the sputtering target 33A and nitrogen is used as the reactive gas, a film made of TiN can be formed on the base material 34A by reactive sputtering.

次に、パルス電圧印加装置Pにより、基材ホルダ34を介して基材34Aに対し、図2に示す負のパルス電圧が印加される。これにより、負のパルス電圧がオンの場合には、基材34Aに対して、プラズマイオン注入による表面改質を行うことができる。   Next, the negative pulse voltage shown in FIG. 2 is applied to the base material 34 </ b> A through the base material holder 34 by the pulse voltage application device P. Thereby, when the negative pulse voltage is on, surface modification by plasma ion implantation can be performed on the base material 34A.

したがって、基材34Aに対して、反応性スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができる。   Therefore, film formation by reactive sputtering and surface modification by plasma ion implantation can be simultaneously performed on the base material 34A.

<反応性スパッタリングとプラズマ重合とを行う場合>
また、本実施形態の基材表面処理装置200においては、プラズマイオン注入時に発生したエネルギーを利用して、上記反応性ガスを活性化し、プラズマ重合反応を起こさせることが可能である。このように、プラズマ重合反応によって得られた物質(例えば、シラン系ガスと窒素とを反応性ガスとして用いた場合の窒化シリコン)を、基材34Aに対して成膜することができる。すなわち、基材34Aに対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うと共に、さらに同時に、プラズマ重合による成膜を行うことも可能になる。
<When reactive sputtering and plasma polymerization are performed>
Further, in the substrate surface treatment apparatus 200 of the present embodiment, it is possible to activate the reactive gas and cause a plasma polymerization reaction by using energy generated during plasma ion implantation. In this manner, a substance obtained by the plasma polymerization reaction (for example, silicon nitride when a silane-based gas and nitrogen are used as reactive gases) can be formed on the base material 34A. That is, reactive sputtering and surface modification by plasma ion implantation are simultaneously performed on the base material 34A, and at the same time, film formation by plasma polymerization can be performed.

なお、本実施形態においては、反応性ガスを、反応性ガス導入管61及び反応性ガス導入部64を介して成膜槽30内に導入したが、第1実施形態の基材表面処理装置100を用い、放電ガス導入管17を介して反応性ガスを導入し、放電ガスと反応性ガスとからなるシート状プラズマ27を発生させてもよい。このようにしても、上記と同様の効果が得られる。   In the present embodiment, the reactive gas is introduced into the film forming tank 30 through the reactive gas introduction pipe 61 and the reactive gas introduction unit 64. However, the substrate surface treatment apparatus 100 according to the first embodiment. May be used to introduce a reactive gas through the discharge gas introduction tube 17 to generate a sheet-like plasma 27 composed of the discharge gas and the reactive gas. Even if it does in this way, the effect similar to the above is acquired.

本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能な基材表面処理装置及び基材表面処理方法として有用である。   The substrate surface treatment apparatus and the substrate surface treatment method of the present invention are capable of uniformly performing film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation on a substrate having a large area. It is useful as a surface treatment apparatus and a substrate surface treatment method.

本発明の第1実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。It is a front view which shows an example of schematic structure of the base-material surface treatment apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform of the negative pulse voltage applied to the base-material holder of the base-material surface treatment apparatus of FIG. 本発明の第2実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。It is a front view which shows an example of schematic structure of the base-material surface treatment apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 従来におけるシートプラズマ成膜装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional sheet plasma film-forming apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

10 プラズマガン
11 フランジ
12 陰極
13 筒状部材
14 放電空間
15 絶縁体
16 マスフローコントローラ
17 放電ガス導入管
19 筒状部材
20 シートプラズマ変形室
21 輸送空間
22 円柱状プラズマ
23 第一電磁コイル
24A,24B 永久磁石
27 シート状プラズマ
28 第二電磁コイル
29 第一フランジ
30 成膜槽
31 成膜空間
31A ターゲット空間
31B 基材空間
32 排気口
33 ターゲットホルダ
33A スパッタリングターゲット
33B ホルダ
33C 支軸
33D 絶縁部材
34 基材ホルダ
34A 基材
34B ホルダ
34C 支軸
34D 絶縁部材
35 上蓋
36 下蓋
37 バルブ
38 真空ポンプ
40 チャンバ
42 第一開口部
45 第二開口部
47 第二フランジ
48 第三電磁コイル
50 陽極室
51 陽極
52 永久磁石
53 筒状部材
61 反応性ガス導入管
62 マスフローコントローラ
63 反応性ガス噴霧部材
64 反応性ガス導入部(貫通孔)
100,200 基材表面処理装置
第一中間電極
第二中間電極
P パルス電圧印加装置
主バイアス電圧印加装置
バイアス電圧印加装置
シート状プラズマの電位
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma gun 11 Flange 12 Cathode 13 Cylindrical member 14 Discharge space 15 Insulator 16 Mass flow controller 17 Discharge gas introduction pipe 19 Cylindrical member 20 Sheet plasma deformation chamber 21 Transport space 22 Cylindrical plasma 23 1st electromagnetic coil 24A, 24B Permanent Magnet 27 Sheet-like plasma 28 Second electromagnetic coil 29 First flange 30 Deposition tank 31 Deposition space 31A Target space 31B Base material space 32 Exhaust port 33 Target holder 33A Sputtering target 33B Holder 33C Support shaft 33D Insulating member 34 Base material holder 34A base material 34B holder 34C support shaft 34D insulating member 35 upper lid 36 lower lid 37 valve 38 vacuum pump 40 chamber 42 first opening 45 second opening 47 second flange 48 third electromagnetic coil 50 anode chamber 1 anode 52 permanent magnet 53 the tubular member 61 the reactive gas introducing pipe 62 mass flow controller 63 reactive gas spray member 64 reactive gas inlet (through hole)
100, 200 Substrate surface treatment device G 1 first intermediate electrode G 2 second intermediate electrode P pulse voltage application device V 1 main bias voltage application device V 2 bias voltage application device V P sheet-like plasma potential

Claims (16)

内部を減圧可能な成膜槽と、
該成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、
前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、
前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える、基材表面処理装置。
A film forming tank capable of reducing the pressure inside,
A sheet-shaped plasma generator for generating a sheet-shaped plasma inside the film formation tank;
Inside the film formation tank, a sputtering target disposed on one side in the thickness direction of the generated sheet-like plasma,
Inside the film formation tank, a substrate holder disposed so as to be able to hold the substrate so as to face the sputtering target on the other side in the thickness direction of the sheet-like plasma,
A bias voltage application device for applying a negative DC bias voltage to the sputtering target with respect to the potential of the sheet-like plasma;
A substrate surface treatment apparatus comprising: a pulse voltage application device for applying a negative pulse voltage with respect to a potential of the sheet plasma to the substrate via the substrate holder.
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項1に記載の基材表面処理装置。   2. The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein the sheet-shaped plasma generator has an anode on which the sheet-shaped plasma converges, and the film formation tank and the anode are at a ground potential. 前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項1に記載の基材表面処理装置。   The substrate surface according to claim 1, wherein the sputtering target and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member, and the substrate holder and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member. Processing equipment. 前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の100分の1以上10分の1以下の範囲である、請求項1に記載の基材表面処理装置。   The distance between the outer edge of the base material or the base material holder and the inner wall of the film formation tank is in the range of 1/100 to 1/10 of the mean free path of the gas particles constituting the sheet-like plasma. The substrate surface treatment apparatus according to claim 1. 前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、0.7mm以上70mm以下の範囲である、請求項1に記載の基材表面処理装置。   The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein a distance between an outer edge of the substrate or the substrate holder and an inner wall of the film formation tank is in a range of 0.7 mm to 70 mm. 前記成膜槽内が1×10−3Pa以上1×10−1Pa以下の圧力である状態において基材表面処理を行う、請求項1に記載の基材表面処理装置。 The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein the substrate surface treatment is performed in a state where the inside of the film formation tank is at a pressure of 1 × 10 −3 Pa to 1 × 10 −1 Pa. 前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、1×10cm−3以上1×1012cm−3以下の範囲である、請求項1に記載の基材表面処理装置。 The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein a plasma density at a center of the generated sheet-like plasma is in a range of 1 × 10 9 cm −3 to 1 × 10 12 cm −3 . 前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス30kV以上マイナス6kV以下の範囲であり、パルスの幅が0.1μsec以上20μsec以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が500Hz以上5000Hz以下の範囲である、請求項1に記載の基材表面処理装置。   The negative pulse voltage applied to the substrate has a voltage value in the range of minus 30 kV to minus 6 kV with respect to the potential of the sheet plasma, the pulse width is in the range of 0.1 μsec to 20 μsec, and The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein the pulse frequency is in a range of 500 Hz to 5000 Hz. 前記成膜槽が反応性ガス導入部を有する、請求項1に記載の基材表面処理装置。   The substrate surface treatment apparatus according to claim 1, wherein the film formation tank has a reactive gas introduction unit. 成膜槽の内部を減圧し、
シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、
バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、
パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、
これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、基材表面処理方法。
Depressurize the inside of the film formation tank,
A sheet-like plasma generator generates a sheet-like plasma inside the film formation tank,
Inside the film formation tank, a sputtering target is arranged on one side in the thickness direction of the generated sheet-like plasma,
Inside the film formation tank, a substrate holder is arranged so that the substrate can be held so as to face the sputtering target on the other side in the thickness direction of the sheet-like plasma,
A negative DC bias voltage is applied to the sputtering target by a bias voltage application device with respect to the potential of the sheet-like plasma,
By applying a negative pulse voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma to the base material via the base material holder by a pulse voltage application device,
Thus, a substrate surface treatment method in which film formation by sputtering and surface modification by plasma ion implantation are simultaneously or alternately performed on the substrate in the film formation tank.
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項10に記載の基材表面処理方法。   The substrate surface treatment method according to claim 10, wherein the sheet-shaped plasma generator has an anode on which the sheet-shaped plasma converges, and the film formation tank and the anode are at ground potential. 前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項10に記載の基材表面処理方法。   The substrate surface according to claim 10, wherein the sputtering target and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member, and the substrate holder and the film formation tank are electrically insulated by an insulating member. Processing method. 前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行う、請求項10に記載の基材表面処理方法。   The substrate surface treatment method according to claim 10, wherein sputtering is performed by causing secondary electrons generated during the plasma ion implantation to enter the sputtering target. 前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、
その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う、請求項10に記載の基材表面処理方法。
The film formation tank has a reactive gas introduction part,
By introducing a reactive gas from the reactive gas introduction part, a negative pulse voltage is applied to the substrate with respect to the potential of the sheet plasma by the pulse voltage application device, and plasma ion implantation of the reactive gas is performed. Surface modification to the substrate,
Thereafter, the introduction of the reactive gas from the reactive gas introduction unit is stopped, and a negative direct current bias voltage with respect to the potential of the sheet-like plasma is applied to the sputtering target by the bias application device to form a film by sputtering. The substrate surface treatment method according to claim 10, wherein the substrate is performed on the substrate.
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、
これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、請求項10に記載の基材表面処理方法。
The film formation tank has a reactive gas introduction part,
While the reactive gas is introduced from the reactive gas introduction unit, a negative pulse voltage is applied to the substrate with respect to the potential of the sheet-like plasma by the pulse voltage applying device, and the sheet-like shape is applied by the bias applying device. Applying a negative DC bias voltage to the sputtering target with respect to the plasma potential;
Accordingly, reactive sputtering, surface modification by plasma ion implantation, and plasma polymerization using energy generated by the plasma ion implantation are simultaneously or alternately performed on the substrate in the film formation tank. The substrate surface treatment method according to claim 10, which is performed.
前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスである、請求項14又は請求項15に記載の基材表面処理方法。   The reactive gas is at least one gas selected from nitrogen, ammonia, nitric oxide, oxygen, ozone, hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide, carbon dioxide, silane-based gas, and halide gas. The substrate surface treatment method according to claim 14 or 15.
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