JP4088823B2 - 負電荷酸素イオン発生用真空処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形照射の負電荷酸素イオンを発生させるための真空処理装置に関する。負電荷に帯電した酸素イオンは、半導体製造の酸化プロセスやディスプレイデバイス用の透明導電膜に対する酸化プロセスに有用であると共に、化学分野においてもその酸化力を利用した化学反応や殺菌用途などに転用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、円形照射可能に負電荷酸素イオンを発生させる真空処理装置の略断面図である。図１を参照して、酸素イオン発生装置１は、円筒状ランプ２と円筒状多孔質セラミックス基板３とが、酸素導入口４を有する真空室内に配置されて構成されている。
【０００３】
ランプ２は、電流導入端子５を介して装置外のランプ電源６により通電可能とされている。また、多孔質セラミックス基板３の材質には、（ＣａＯ）₁₂（Ａｌ₂Ｏ₃）₇などの酸化物が用いられ、さらに、基板３は、封止された一端３ａ側と開口フランジ形状の他端３ｂ側とにより形成される両端部形状のものが多く用いられる。このような盲管構造は一般にタンマン管と称され、封止端３ａが、直径４０ｍｍ及び厚さ３ｍｍの円板形状に形成され、また、封止端３ａと開口端３ｂとの間の距離が、嵌挿されるランプ２の長さに合せて４０ｍｍ程度必要となる。タンマン管３の封止端３ａ部分の内壁には、中央にピンホールを通孔した金属膜７が蒸着されており、装置外部の引出電源８と金属配線８ａを介して接続している。この金属膜７は、引出電源８の負極に接続されて負電圧が印加される。また、タンマン管３は、Ｏリング押圧部材９で保持されるＯリング１０で密着させた状態で袋ナット１１により取付けフランジ１２のブラケット部１２ａに固定されている。そして、タンマン管３の外側と約３ｍｍの間隔を保って、タンマン管３を引出電極１３で包囲し、引出電極１３の終端を取付けフランジ１２に接続する。さらに、装置１の側面に設けられた酸素導入口４は、導入バルブ１４ａ、１４ｂを介して酸素ボンベ１５やこれに連通するガス流量調節器１６及び減圧弁１７に接続されている。
【０００４】
上記のように構成された従来装置を用いて酸素イオンを発生させるには、あらかじめ、図外の排気口に連なる真空排気ポンプにより装置１内を１．３×１０^-3Ｐａ以下に保ち、この状態で、ランプ電源６により円筒ランプ２を点灯する。そして、ランプ２からの発光により金属膜７が加熱され、これによる熱伝導で、多孔質セラミックス基板から成るタンマン管３が５００〜６５０℃に加熱される。
【０００５】
そして、装置１内の圧力状態を１．３×１０^-3Ｐａ程度に保ちながら、導入バルブ１４ａ、１４ｂの開放を調整して、ガス導入口４経由で導入される酸素ガスの流量を０．０１〜０．１ｓｃｃｍに維持する。これにより、タンマン管３のセラミックス基板に酸素が充填され、この状態で、引出電源８から所定電圧を印加して、タンマン管３に付着した金属膜７の電位を−３００Ｖとする。このとき、多孔質セラミックス基板３に充填された酸素種が、負電荷に帯電した酸素イオンとなって放出される。このようにして発生する負電荷酸素イオンは電流値換算で約３μＡ／ｃｍ²（総量約１０μＡ）である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記装置において発生する負電荷の酸素イオンの照射面積を増大させるには、タンマン管形状の多孔質セラミックス基板３の封止端を形成する円形底面の直径を増大して大面積のものとする必要がある。そして、このような場合でも、多孔質セラミックス基板底面の円盤全体で、ランプ２からの放射熱による温度分布を均等に保って、これにより発生する酸素イオンのイオンビーム電流値分布のばらつきを抑制する必要がある。
【０００７】
しかしながら、多孔質セラミックス基板底面を、例えば、直径１０ｃｍ以上の円盤にした場合、円盤全体における温度分布や、加熱時に発生する負電荷酸素イオンのイオンビーム電流値分布にばらつきが生じるのは避けられない。
【０００８】
また、大面積の円盤で封止端を形成する場合、強度維持のため側面部も含めたタンマン管全体を大型化する必要がある。しかしながら、タンマン管の側面部は、本装置本来の目的たる酸素イオン発生に対する寄与は小さく、大型タンマン管の製作に要する難度の高い工程には見合わない。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、円形照射される負電荷酸素イオンの照射面積を増大するため大面積にした多孔質セラミックス基板円の全体に亘り、均等に負電荷酸素イオンを発生することが可能で、簡素な構造で構成される負電荷酸素イオン発生用真空処理装置を提供することを課題としている。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、金属付着面を底面に備えた多孔質セラミックス基板と前記多孔質セラミックス基板の前記金属付着面に所定の電圧を印加するための電源と加熱手段と酸素導入手段とを有する負電荷酸素イオン発生用真空処理装置において、石英部材に設けた金属製基板ステージ上に円板状多孔質セラミックス基板を載置し、酸素導入手段による酸素雰囲気下、石英部材を介して加熱手段により多孔質セラミックス基板を加熱するとともに、電源により金属付着面が負電位となるように電圧を印可することにより負電荷酸素イオンを発生させるものとした。
【００１１】
即ち、高耐熱性と耐酸化性の石英部材を介することにより、多孔質セラミックス基板全体に対して相当の高温環境で加熱を行うことが可能となり、これにより、大面積の多孔質セラミックス基板を用いても全体に均等に加熱することができて、均等な負電荷酸素イオン発生が実現する。そして、石英部材は、タンマン管製作に比べ成形が容易であるため装置構造も簡素になる。このとき、石英部材を加熱する加熱手段としては、例えば、高融点材料のＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）ヒータが好適である。
【００１２】
そして、酸素導入手段として、セラミックス基板と石英部材との間に位置する基板ステージ側面を貫通する酸素導入管を経由して酸素ガスを導入する機構を用いることにより、石英部材がセラミックス基板と加熱手段との間の電気絶縁材料を兼ねて介在することになり、多孔質セラミックス基板に印加すべき引出電圧分の電位差を確保することができる。また、加熱系が高温中で酸素にさらされない。このため、導入する酸素ガスにより酸素が充填された多孔質セラミックス基板から負電荷酸素イオンの連続発生が可能となる。
【００１３】
この場合、この石英部材として、セラミックス基板と加熱手段との間の介在部分で閉鎖した一端と開口形状の他端とを有する石英管形状のものを用い、石英管内を真空排気可能とすることにより、空気混入による加熱手段の劣化を防止することができる。例えば、ＰＢＮヒータを用いる場合、酸化による寿命短縮防止の対策のため窒素雰囲気下で作動させることがあるが、窒素フローを通流させることにより熱が奪われてヒータ性能が低下することが多い。このような事態は、石英管内部の真空排気を可能とすることにより回避でき、加熱手段の劣化防止に効果的である。そして、多孔質セラミックス基板全体に対して相当の高温環境で長期に亘り加熱を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の負電荷酸素イオン発生用真空処理装置の概略図であり、図１の装置と同等の機能を有する部位には同一の符号を付している。図２を参照して、酸素イオン発生装置１は、石英管２０内部の円筒状ＰＢＮヒータ２と円板状多孔質セラミックス基板３とが、酸素導入パイプ４を挿入した真空室内に配置されて構成されている。
【００１５】
ＰＢＮヒータ２は、取付けフランジ１２に設けた電流導入端子５を介して装置外の加熱電源６に接続されている。さらに、熱電対２１の一端がＰＢＮヒータ２に接続される一方、他端が装置外の温調計２２に接続されている。温調計２２は、熱電対２１の起電力を変換した温度が表示され、基板２の測定温度に応じて加熱電源６を制御して基板温度の安定化を可能としている。
【００１６】
石英管２０内部には、ヒータ２の近傍など複数箇所にリフレクタ２３が配設され、ヒータ２からの発熱が効率良くセラミックス基板３に伝導される。さらにリフレクタ２４が取付けフランジ１２の石英管２０内部位置にも設けられ、ヒータ２からの輻射熱による、石英管２０の密着用Ｏリング１０の加熱を防止する。
【００１７】
多孔質セラミックス基板３には、（ＣａＯ）₁₂（Ａｌ₂Ｏ₃）₇などの酸化物の材質が用いられ、直径１０ｃｍ及び厚さ３〜４ｃｍ程度の円板形状に形成されている。また、多孔質セラミックス基板３の底面（下面）には、白金若しくは金が蒸着されており、その中央にはピンホールが通孔している。これにより、ヒータ２による輻射熱の透過防止対策となる。そして、このような多孔質セラミックス基板３を、中央の開口部が直径１０ｃｍ以下であるような基板ステージ２５上に載置する。この開口部は、石英管２０を介して到達するヒータ２からの輻射熱をセラミックス基板３に伝導して、その金属膜付着面側を加熱する。
【００１８】
なお、基板ステージ２５上に載置された多孔質セラミックス基板３は、基板ホルダ２６により固定され、基板ステージ２５は、固定ボルト２７により石英管２０に固定されている。また、固定ボルト２７には、装置外の引出電源８に接続された金属配線８ａが結線されている。そして、多孔質セラミックス基板３の外側と約３ｍｍの間隔を保って引出電極１３を配設し、引出電極１３の終端を取付けフランジ１２に接続する。
【００１９】
さらに、石英管２０は、開口部側の端縁２０ａを押圧する押圧部材２８により、Ｏリング１０を介して取付けフランジ１２に固定される。このとき、Ｏリング１０近傍に設けた取付けフランジ１２内の水冷配管により、Ｏリング１０の温度上昇を防止し、変形や変質などを生じないようにしている。
【００２０】
また、装置外部において導入バルブ１４ａ、１４ｂを介して酸素ボンベ１５やこれに連通するガス流量調節器１６及び減圧弁１７に連なる酸素導入パイプ２９を、基板ホルダ２５の側面方向から多孔質セラミックス基板３と石英管２０との間に貫通させ、この空隙に面して設けられた酸素導入口４から酸素ガスが導入される。
【００２１】
さらに、装置１には上記以外に、装置内部と外部とを接続するバイパス配管３０が設けられ、配管３０はバイパスバルブ３１により作動可能である。また、本装置全体は取付けフランジ３２により固定される。
【００２２】
図２の装置を用いて酸素イオンを発生させるには、あらかじめ、図外の排気口に連なる真空排気ポンプにより装置１内を１．３×１０^-3Ｐａ以下に保ち、この状態で、加熱電源６によりＰＢＮヒータ２を加熱する。そして、ヒータ２からの輻射熱が石英管２０を介して金属膜７を加熱し、これによる熱伝導で、多孔質セラミックス基板３の金属膜側が５００〜６５０℃に加熱される。
【００２３】
そして、装置１内の圧力状態を１．３×１０^-3Ｐａ程度に保ちながら、導入バルブ１４ａ、１４ｂの開放を調整して、ガス導入口４経由で酸素ガスを流量０．０１〜０．１ｓｃｃｍに維持して導入する。これにより、セラミックス基板３に酸素が充填され、この状態で、引出電源８から所定電力を印加して、基板３に付着した金属膜７の電位を−３００Ｖとする。このようにして、多孔質セラミックス基板３に充填された酸素種が、負電荷に帯電した酸素イオンとなって放出される。このとき発生する負電荷酸素イオンは電流値換算で約３〜５μＡ／ｃｍ²であるが、総量では約０．２〜０．４ｍＡの電流が得られ、図１の装置で得られる総電流値約１０μＡに比べ格段に良好な結果が得られる。そして、発生する負電荷酸素イオンは円形照射面に対して均一照射される。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の負電荷酸素イオン発生用真空処理装置は、酸素イオンを充填する多孔質セラミックス基板に対して、石英部材を介して加熱手段よりの輻射熱を伝導するため、所望の高温加熱が可能となり、負電荷酸素イオンの発生及び照射を確実に行うことができる。
【００２５】
また、セラミックス基板と石英部材との間に位置する基板ステージ側面を貫通する酸素導入管を経由して酸素ガスを導入する際に、石英部材の介在により負電荷酸素イオンの連続発生が可能となる。
【００２６】
したがって、多孔質セラミックス基板を大面積にしても、その全体で所望の負電荷酸素イオンの発生を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の負電荷酸素イオン発生装置
【図２】本発明の負電荷酸素イオン発生装置
【符号の説明】
１ 負電荷酸素イオン発生装置
２ 加熱手段（ランプ、ＰＢＮヒータ）
３ 多孔質セラミックス基板
４ 酸素ガス導入口
２０ 石英管
２５ 基板ステージ
２９ 酸素導入パイプ

Claims (3)

1. 金属付着面を底面に備えた多孔質セラミックス基板と前記多孔質セラミックス基板の前記金属付着面に所定の電圧を印加するための電源と加熱手段と酸素導入手段とを有する負電荷酸素イオン発生用真空処理装置において、石英部材に設けた金属製基板ステージ上に円板状多孔質セラミックス基板を載置し、前記酸素導入手段による酸素雰囲気下、前記石英部材を介して前記加熱手段により前記多孔質セラミックス基板を加熱するとともに、前記電源により前記金属付着面が負電位となるように電圧を印可することにより負電荷酸素イオンを発生させることを特徴とする負電荷酸素イオン発生用真空処理装置。
2. 前記酸素導入手段は、前記セラミックス基板と前記石英部材との間に位置する前記基板ステージ側面を貫通する酸素導入管から成ることを特徴とする請求項１に記載の負電荷酸素イオン発生用真空処理装置。
3. 前記石英部材は、前記セラミックス基板と前記加熱手段との間の介在部分で閉鎖した一端と開口形状の他端とを有する石英管から成り、該石英管内を真空排気可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の負電荷酸素イオン発生用真空処理装置。

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