JP3517749B2 - 表面改質装置 - Google Patents
表面改質装置Info
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Description
処理物を置いて、高電圧パルスを印加してイオンを注入
する表面改質装置に関する。
にパルス状の負の高電圧を印加してイオン注入処理を行
う技術が既に知られている。ここで高電圧を印加するの
は、プラズマ中のイオンを、処理物の周りにできるプラ
ズマシーズを通して加速し、処理物表面にイオン誘引
(注入・衝突・堆積)させるためである。
電圧パルス幅が短いほど、プラズマシーズの厚さが薄く
なり、細かい形状を持つ被処理物表面をより均一に表面
処理できる。ところで、このプラズマイオン注入によっ
て形成される膜の構造及び特性を左右する条件として、
被処理物の表面温度条件がある。この種のイオン注入に
おける従来の被処理物の加熱方法においては、被処理物
に高電圧パルスを印加するため、通常のヒータ加熱方法
は適用できない。また真空中で使用可能なランプ類を使
用し、被処理物に照射し、加熱制御する方法や外部ヒー
タにより真空チャンバ全体を加熱する方法がある。
御方法では、成膜中の堆積物の汚れなどで実用化に限界
がある。また、被処理物の表面全体に均一に加熱するに
は、加熱平衡時間までの時間がかかったり、あるいは複
数の方向から照射しなければならないか、あるいは回転
をさせるなどして均一になるのを待たねばならない。ま
た、さらに照射の陰の部分は、熱平衡するまで待たねば
ならないという問題がある。
温度均一になってしまう。アルミニュームやマグネシュ
ウムなどの表面処理の場合に、素材の軟化を防止するた
め、内部温度を上昇させないで、表面温度だけを加熱制
御したい場合に不可能か、非常に難しいのが事実であ
り、そのために被処理物を低温処理したいニーズがある
にもかかわらず、実現できていないという問題があっ
た。
ものであって、被処理物のイオン注入の表面処理を表面
均一になし得るとともに、表面の定温加熱制御を実現す
る表面改質装置を提供することを目的としている。
は、外部からガスを導入するガス導入部、真空引きする
真空引き部及び内部で被処理物に接続し、外部から高電
圧を印加する導体を備えたチャンバと、このチャンバ内
の被処理物の表面周囲にプラズマを発生するプラズマ発
生手段と、負の高電圧パルスを発生し、前記導体に印加
する負の高電圧パルス発生手段と、正の高電圧パルスを
発生し、前記導体に印加する正の高電圧パルス発生手段
と、前記プラズマ発生手段を動作させて被処理物の表面
にプラズマを発生させ、次に負の高電圧パルス発生手段
と正の高電圧パルス発生手段のいずれか一方を先に動作
させ、他方を後に動作させるように制御する制御手段
と、を備えている。
ラズマ発生手段は、前記チャンバ内に設けられるアンテ
ナと、このアンテナに前記チャンバ外部から高周波電力
を与えるプラズマ発生用電源とからなるものである。表
面改質装置。 また、この発明の表面改質装置において、
前記チャンバ内の被処理部の表面の温度を検出する温度
センサを備え、この温度センサの出力に応じて、前記正
の高電圧パルス発生手段のパルス特性を制御するように
しても良い。
明をさらに詳細に説明する。図1はこの発明の一実施形
態である表面改質装置の概略構成を示す図である。この
実施形態表面改質装置は、チャンバ10と、このチャン
バ10内にガスを導入するガス導入装置(図示せず)
と、チャンバ10内を真空引きする真空装置(図示せ
ず)と、チャンバ10内に設けられ、チャンバ10内の
所定位置に配置される被処理物1の周囲にプラズマを発
生させるためのアンテナ30と、このアンテナ30にフ
ィルドスルー12を介して高周波電力を印加するプラズ
マ発生用電源40と、被処理物1に接続する導体11に
負の高電圧パルスを印加する負の高電圧パルス発生電源
50と、同じく被処理物1に接続する導体11に正の高
電圧パルスを印加する正の高電圧パルス発生電源60
と、負の高電圧パルス発生電源50からの負の高電圧パ
ルスと、正の高電圧パルス発生電源60からの正の高電
圧パルスがそれぞれ他の電源へ干渉するのを防止すると
ともに、それぞれの高電圧パルスを導体11を介して被
処理物1に印加するための干渉防止回路70と、チャン
バ10内の被処理物1の表面温度を検出する温度センサ
80と、検出された温度等によりプラズマ発生用の高周
波信号、負の高電圧パルス電源、正の高電圧パルス電源
の発生タイミング、周波数、周期、振幅等を制御する制
御部90とを備えている。なお、この実施形態ではプラ
ズマ発生用電源として高周波電力を使用しているが、E
CR放電などの他の手段を用いて発生させてもよい。
正の高電圧パルス発生電源60及び干渉防止回路70の
具体回路例を示す回路図である。負の高電圧パルス電源
50は負の直流電源51と、ONにより負の高電圧パル
スを出力するための真空管52と、この真空管52を制
御部90からの指令に応じたタイミングでON/OFF
するスイッチング回路53と、安全用接地スイッチ回路
を構成する抵抗54、スイッチ55と、充電保護用抵抗
56、充放電コンデンサ57を備えている。正の高電圧
パルス電源60は正の直流電源61と、ONにより正の
高電圧パルスを出力するための真空管62と、この真空
管62を制御部90からの指令に応じたタイミングでO
N/OFFするスイッチング回路63と、安全用接地ス
イッチ回路を構成する抵抗64、スイッチ65と、充電
保護用抵抗66、充放電コンデンサ67を備えている。
74で限流し、ダイオード72、抵抗73を介して、回
生電流として流している。この実施形態表面改質装置
で、被処理物1に誘引注入、誘引堆積、誘引衝突を行う
には、チャンバ10内に被処理物1を導体11を接続し
た状態で配し、真空装置でチャンバ10を真空引きする
とともに、ガス導入装置でチャンバ10内にガス(例え
ば窒素)を導入し、所定のガス圧にする。その上でプラ
ズマ発生用電源40から高周波電力をアンテナ30に加
え、被処理物1の周囲にプラズマを発生させる。その後
に、負の高電圧パルス発生電源50からの負の高電圧パ
ルスを被処理物1に印加する。これにより、プラズマ中
の正の電荷、つまりイオンを被処理物1に誘引させる。
続いて、負の高電圧パルスを印加したと同じ導体11に
干渉防止回路70を介して、正の高電圧パルス電源60
より正の高電圧パルスを印加する。この正の高電圧パル
スの印加により、プラズマ中の電子を被処理物1表面に
誘引衝突させることで、つまり電子ボンバードにより、
表面を面均一に加熱することが可能になり、より精度の
良い表面改質を行うことができる。また、正のパルス電
圧の印加時に発生するパルスグロー放電により生成され
たプラズマ中の電子のボンバードによっても加熱され
る。
温度を検出し、これをフィードバックして、制御部90
で正の高電圧パルスの周波数、パルス幅、周期、振幅を
制御することにより、理想的な反応温度での表面改質が
できる。図3は、上記実施形態表面改質装置の波形を示
す図3中、aはプラズマ発生用電源40から出力させる
高周波信号を、bは負の高電圧パルス発生電源50から
出力される負の高電圧パルスを、cは正の高電圧パルス
発生電源60から出力される正の高電圧パルスのそれぞ
れ波形を示している。
次、さらに大にした波形図である。ここでは、負の高電
圧パルスの印加から次の負の高電圧パルスの印加までの
間に、20数発の正の高電圧パルスが印加されている。
なお、上記説明ではプラズマ状態とした後、負の高電圧
パルスを印加した後、正の高電圧パルスを印加するよう
にしているが、プラズマ状態で正の高電圧パルスを印加
して、被処理物1を加熱し、一定温度に加熱した状態で
負の高電圧パルスを印加するようにしてもよい。
面のみの温度が上昇すればよく、それ以外の表面を含む
内部は高温になると好ましくない。例えば、被処理物が
アルミニウムからなる場合、例えば、被処理物全体が高
温になると、被処理物部材が焼きなましされ、軟化など
の好ましくない事態が起こる。これを防ぐためには、例
えば図6に示すような導体を用いる。ここに示す導体1
は端部が被処理物10を取り付ける円形の取付台2にな
っている。また、導体1は内部が冷媒流通用の空胴にな
っており、この空胴に同じく冷媒流通用の中管3が配置
されている。中管3は端部に円形状の平板部3aを有
し、この平板部3aと導体1の端部の円形状の平板部1
aとにより流路21が形成される。更に、中管3の平板
部3aには渦巻状の仕切壁4aを有する円形の蓋体4が
取り付けられている。この蓋体4と平板部3aにより渦
巻状の流路22が形成され、流路22は流路21と連通
する。ここでは平板部1a、3a及び蓋体4で取付台2
が構成される。
いる。また、流路22は渦巻状である必要はなく、取付
台2を通じて被処理物10を冷却できるのであれば、ど
のような流路パターンでもよい。更には、蓋体4を平板
部1a、3aと一体に構成してもよいが、着脱可能とす
れば流路21、22の清掃などのメンテナンスが容易と
なる。
に被処理物10を取り付け、冷媒を流しながらイオン誘
引を行う。冷媒は、例えば矢印で示すように、中管3か
ら渦巻状の流路22に入り、→の順に流れた後、流
路21から導体1の空胴を通って元に戻り、このような
流れで循環する。但し、冷媒が流れる方向は矢印とは反
対でもよい。取付台2に冷媒を流すことで取付台2に取
り付けられた被処理物10の底面を含む内部全体が冷却
され、表面のみの温度が上昇することになるので、イオ
ン誘引を好条件で行うことができる。
電圧により被処理物の周囲に電子を衝突させて加熱し、
一定の温度にして負の高電圧パルスを印加して、任意の
形状・大きさの被処理物の表面を改質できる。また、被
処理物の周囲に均等に電子衝突させるので、従来の加熱
方法に比べ、面均一な温度分布特性が得られる。さら
に、電子衝突を被処理物の周囲から全面的に行うことが
できるので、被処理物あるいは加熱手段を回転させる等
の構成が不要であり、構成が簡単で安価な装置を実現で
きる。
略構成を示す図である。
パルス発生電源、正の高電圧パルス発生電源、及び重畳
回路の具体回路例を示す回路図である。
グ、及び波形を示す図である。
グ、及び波形を示す図である。
グ、及び波形を示す図である。
図である。
Claims (4)
- 【請求項1】外部からガスを導入するガス導入部、真空
引きする真空引き部及び内部で被処理物に接続し、外部
から高電圧を印加する導体を備えたチャンバと、 このチャンバ内の被処理物の表面周囲にプラズマを発生
するプラズマ発生手段と、 負の高電圧パルスを発生し、前記導体に印加する負の高
電圧パルス発生手段と、正の高電圧パルスを発生し、前
記導体に印加する正の高電圧パルス発生手段と、 前記プラズマ発生手段を動作させて被処理物の表面にプ
ラズマを発生させ、次に負の高電圧パルス発生手段と正
の高電圧パルス発生手段のいずれか一方を先に動作さ
せ、他方を後に動作させるように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする表面改質装置。 - 【請求項2】前記プラズマ発生手段は、前記チャンバ内
に設けられるアンテナと、このアンテナに前記チャンバ
外部から高周波電力を与えるプラズマ発生用電源とから
なるものであることを特徴とする請求項1記載の表面改
質装置。 - 【請求項3】前記チャンバ内の被処理部の表面の温度を
検出する温度センサを備え、この温度センサの出力に応
じて、前記正の高電圧パルス発生手段のパルス特性を制
御するようにしたことを特徴とする請求項1記載の表面
改質装置。 - 【請求項4】前記被処理物の取付台に冷却手段を設け、
前記被処理物の内部を低温に保つようにしたことを特徴
とする請求項1、請求項2又は請求項3記載の表面改質
装置。
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