JP7209572B2 - 負イオン生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、負イオン生成装置に関する。

従来、負イオン生成装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この負イオン生成装置は、チャンバ内へ負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、チャンバ内において、プラズマを生成するプラズマ生成部と、を備えている。プラズマ生成部は、チャンバ内でプラズマを間欠的に生成することで負イオンを生成し、対象物へ照射している。

特開２０１７－０２５４０７号公報

ここで、上述のような負イオン生成装置においては、チャンバ内で生成される負イオンを増加させることが求められていた。このための方法として、放電電力を上げることが挙げられる。しかし、当該方法では、ある程度放電電力を上げた段階で電子数が増加してしまい、負イオンの増加量が頭打ちになることに加え、プラズマを停止してから負イオンの生成量が立ち上がるまでの立ち上がり時間が遅くなるという問題も生じる。

そこで本発明は、負イオンの立ち上がり時間が遅くなることを抑制しつつ、負イオンの量を増加させることができるイオン生成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る負イオン生成装置は、負イオンを生成する負イオン生成装置であって、内部で負イオンの生成が行われるチャンバと、負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、チャンバ内において、プラズマを生成するプラズマ生成部と、ガスを加熱する加熱部と、負イオン生成装置の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバ内にガスを供給し、プラズマ生成部を制御して、チャンバ内にプラズマを生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで負イオンを生成し、加熱部を制御して、ガスを加熱する。

本発明に係る負イオン生成装置では、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバ内にガスを供給する。そして、制御部は、プラズマ生成部を制御して、チャンバ内にプラズマを生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで負イオンを生成する。ここで、制御部は、加熱部を制御して、ガスを加熱している。この場合、負イオンの原料となるガスが加熱されることによって、チャンバ内での反応が促進される。従って、負イオンの生成量を増加させることができる。その一方、放電電力を増加させる場合などと異なり、ガスを加熱しても、チャンバ内の電子数を増加させることにはなり難いため、負イオンの立ち上がり時間が遅くなることを抑制できる。以上より、負イオンの立ち上がり時間が遅くなることを抑制しつつ、負イオンの量を増加させることができる。

制御部は、少なくともガス供給部がガスの供給を行っている間、加熱部でガスを加熱してよい。この場合、チャンバ内で反応するときにガスの温度を高くしておくことができる。

加熱部は、ガスがチャンバ内へ入る前段階でガスを加熱してよい。この場合、ガスがチャンバ内へ入って拡散する前段階で、密集した状態のガスを加熱することができる。

加熱部は、チャンバ内のガスを加熱してよい。この場合、チャンバ内でガスが温度低下することを抑制することができる。

本発明によれば、負イオンの立ち上がり時間が遅くなることを抑制しつつ、負イオンの量を増加させることができるイオン生成装置を提供する。

本発明の実施形態に係る負イオン生成装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ生成時における動作状態を示す図である。 図１の負イオン生成装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ停止時における動作状態を示す図である。 本実施形態に係る負イオン生成装置の制御方法を示すフローチャートである。 プラズマのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフである。 変形例に係る負イオン生成装置の構成を示す概念図である。 変形例に係る負イオン生成装置の構成を示す概略断面図である。 ガスの温度と、負イオンの立ち上がり時間及び負イオンの生成量との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る負イオン生成装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る負イオン生成装置の構成について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る負イオン生成装置の構成を示す概略断面図である。図１は、プラズマ生成時の動作状態を示し、図２は、プラズマ停止時における動作状態を示している。

図１及び図２に示すように、本実施形態の負イオン生成装置１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられる成膜技術を負イオン照射に応用した装置である。負イオン生成装置１は、モードの切り替えにより、負イオン照射モードの他に、基板１１に対して成膜を行う成膜モードにて動作することもできる。なお、説明の便宜上、図１及び図２には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する基板が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、基板の厚さ方向である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

負イオン生成装置１は、基板１１の板厚方向が略鉛直方向となるように基板１１がチャンバ１０内に配置されて搬送されるいわゆる横型の負イオン生成装置であってもよい。この場合には、Ｚ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｘ軸方向は鉛直方向且つ板厚方向となる。なお、負イオン生成装置１は、基板１１の板厚方向が水平方向（図１及び図２ではＸ軸方向）となるように、基板１１を直立又は直立させた状態から傾斜した状態で、基板１１がチャンバ１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の負イオン生成装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸方向は水平方向且つ基板１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向となる。本発明の一実施形態に係る負イオン生成装置は、以下、横型の負イオン生成装置を例として説明する。

負イオン生成装置１は、チャンバ１０、搬送機構３、プラズマ生成部１４、ガス供給部４０、加熱部１０１、回路部３４、電圧印加部９０、及び制御部５０を備えている。

チャンバ１０は、基板１１を収納し成膜処理を行うための部材である。チャンバ１０は、基板１１を搬送するための搬送室１０ａと、負イオンを生成するための生成室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰをチャンバ１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、生成室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、チャンバ１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

生成室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

搬送機構３は、生成室１０ｂと対向した状態で基板１１を保持する基板保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。搬送機構３は、基板１１を配置する配置部として機能する。例えば基板保持部材１６は、基板１１の外周縁を保持する枠体である。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、基板保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。負イオン照射の対称となる基板１１として、例えば、基材の表面にＩＴＯ、ＩＷＯ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＯＮなどの膜を形成したものが採用される。なお、成膜モードの場合は、基板１１として、例えばガラス基板やプラスチック基板などの板状部材が採用される。このような基板１１に対して、前述のような膜が成膜される。

続いて、プラズマ生成部１４の構成について詳細に説明する。プラズマ生成部１４は、チャンバ１０内において、プラズマ及び電子を生成する。プラズマ生成部１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、を有している。

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が生成室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して生成室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、チャンバ１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから生成室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

プラズマガン７は、陰極６０により一端が閉塞されている。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極６１（グリッド）と、第２の中間電極６２（グリッド）とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。

プラズマガン７は、負イオンを生成するときは、生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマガン７は、後述の制御部５０によって生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御されている。この制御については、制御部５０の説明において詳述する。

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを生成室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。

ハース機構２は、プラズマガンからのプラズマＰを所望の位置へ導く機構である。ハース機構２は、主ハース１７及び輪ハース６を有している。主ハース１７は、負イオン生成装置１を用いて成膜を行う場合に、成膜材料を保持する陽極として機能する。主ハース１７は、成膜材料、または成膜材料の周囲にプラズマを導くことで、成膜材料を蒸発させて、基板１１に付着させることで成膜を行う。ただし、負イオン生成を行う際には、プラズマＰが成膜材料に導かれないように、輪ハース６へプラズマが誘導される。従って、負イオン生成装置１が成膜を行わず、負イオン照射のみを行う場合は、主ハース１７に成膜材料は保持されていなくてよい。

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する陽極である。輪ハース６は、主ハース１７の充填部１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＸ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｘ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。

ガス供給部４０は、チャンバ１０の外部に配置されている。ガス供給部４０は、生成室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口４１を通し、チャンバ１０内へガスを供給する。ガス供給部４０は、負イオンの原料となるガスを供給する。ガスとして、例えば、Ｏ^－などの負イオンの原料となるＯ_２、ＮＨ^－などの窒化物の負イオンの原料となるＮＨ_２、ＮＨ_４、その他、Ｃ^－やＳｉ^－などの負イオンの原料となるＣ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_４などが採用される。なお、ガスは、Ａｒなどの希ガスも含む。ガス供給部４０で供給されるガスは、加熱部１０１によって加熱される。加熱部１０１の詳細な構成については後述する。

ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近の位置が好ましい。この場合、ガス供給部４０からのガスを、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する負イオンの生成が行われる。よって、生成した負イオンを、搬送室１０ａにおける基板１１に好適に注入させることができる。なお、ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に限られない。

回路部３４は、可変電源８０と、第１の配線７１と、第２の配線７２と、抵抗器Ｒ１～Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有している。

可変電源８０は、接地電位にあるチャンバ１０を挟んで、負電圧をプラズマガン７の陰極６０に、正電圧をハース機構２の主ハース１７に印加する。これにより、可変電源８０は、プラズマガン７の陰極６０とハース機構２の主ハース１７との間に電位差を発生させる。

第１の配線７１は、プラズマガン７の陰極６０を、可変電源８０の負電位側と電気的に接続している。第２の配線７２は、ハース機構２の主ハース１７（陽極）を、可変電源８０の正電位側と電気的に接続している。

抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマガン７の第１の中間電極６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極６１と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマガン７の第２の中間電極６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極６２と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ３は、一端が生成室１０ｂの壁部１０Ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、生成室１０ｂの壁部１０Ｗと可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース６と可変電源８０との間において直列接続されている。

短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ制御部５０からの指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを生成するときはＯＦＦ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰがチャンバ１０内に出射される。なお、プラズマガン７からのプラズマＰをチャンバ１０内に出射する場合、第２の中間電極６２への電流を流れにくくする事に代えて、第１の中間電極６１への電流を流れにくくしてもよい。この場合、短絡スイッチＳＷ１は、第２の中間電極６２側に代えて、第１の中間電極６１側に接続される。

一方、短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを停止するときはＯＮ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマガン７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰがチャンバ１０内に出射されなくなる。

負イオンを生成するときは、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰがチャンバ１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、チャンバ１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、プラズマＰを主ハース１７側に導くか輪ハース６側へ導くかにより、制御部５０でＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２がＯＮ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１７よりも輪ハース６に電流を流しやすくなる。これにより、プラズマＰは、輪ハース６に導かれやすくなる。一方、短絡スイッチＳＷ２がＯＦＦ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース６よりも主ハース１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰが主ハース１７側へ導かれやすくなる。なお、負イオン生成時には、短絡スイッチＳＷ２はＯＮ状態で保たれる。成膜時には、短絡スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態に保たれる。

電圧印加部９０は、成膜後の基板１１（対象物）に正の電圧を印加可能である。電圧印加部９０は、バイアス回路３５と、トロリ線１８と、を備える。

バイアス回路３５は、成膜後の基板１１に正のバイアス電圧を印加するための回路である。バイアス回路３５は、基板１１に正のバイアス電圧（以下、単に「バイアス電圧」ともいう）を印加するバイアス電源２７と、バイアス電源２７とトロリ線１８とを電気的に接続する第３の配線７３と、第３の配線７３に設けられた短絡スイッチＳＷ３とを有している。バイアス電源２７は、バイアス電圧として、周期的に増減する矩形波である電圧信号（周期的電気信号）を印加する。バイアス電源２７は、印加するバイアス電圧の周波数を制御部５０の制御によって変更可能に構成されている。第３の配線７３は、一端がバイアス電源２７の正電位側に接続されていると共に、他端がトロリ線１８に接続されている。これにより、第３の配線７３は、トロリ線１８とバイアス電源２７とを電気的に接続する。

短絡スイッチＳＷ３は、第３の配線７３によって、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側との間において直列に接続されている。短絡スイッチＳＷ３は、トロリ線１８へのバイアス電圧の印加の有無を切り替える切替部である。短絡スイッチＳＷ３は、制御部５０によってそのＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時に所定のタイミングでＯＮ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＮ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側とが互いに電気的に接続され、トロリ線１８にバイアス電圧が印加される。

一方、短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時における所定のタイミングにおいてＯＦＦ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＦＦ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７とが互いに電気的に切断され、トロリ線１８にはバイアス電圧が印加されない。

トロリ線１８は、基板保持部材１６への給電を行う架線である。トロリ線１８は、搬送室１０ａ内に搬送方向（矢印Ａ）に延伸して設けられている。トロリ線１８は、基板保持部材１６に設けられた給電ブラシ４２と接触することで、給電ブラシ４２を通して基板保持部材１６への給電を行う。トロリ線１８は、例えばステンレス製の針金等により構成されている。

制御部５０は、負イオン生成装置１全体を制御する装置であり、装置全体を統括的に管理するＥＣＵ[Electronic Control Unit]を備えている。ＥＣＵは、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。ＥＣＵでは、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。ＥＣＵは、複数の電子ユニットから構成されていてもよい。

制御部５０は、チャンバ１０の外部に配置されている。また、制御部５０は、ガス供給部４０によるガス供給を制御するガス供給制御部５１と、プラズマ生成部１４によるプラズマＰの生成を制御するプラズマ制御部５２と、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を制御する電圧制御部５３と、加熱部１０１による加熱を制御する加熱制御部５４を備えている。

ガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、生成室１０ｂ内にガスを供給する。続いて、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７からのプラズマＰを生成室１０ｂ内で間欠的に生成するようにプラズマ生成部１４を制御する。例えば、制御部５０によって、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内で間欠的に生成される。

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態とされているとき（図１の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されるため、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。プラズマＰは、中性粒子、正イオン、負イオン（酸素ガスなどの負性気体が存在する場合）、及び電子を構成物質としている。従って、生成室１０ｂ内に電子が生成されることとなる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態とされているとき（図２の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されないので生成室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子温度が急激に低下する。このため、生成室１０ｂ内に供給されたガスの粒子に、電子が付着し易くなる。これにより、生成室１０ｂ内には、負イオンが効率的に生成される。

図４は、プラズマＰのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフである。図中、「ＯＮ」と記載されている領域はプラズマＰの生成状態を示し、「ＯＦＦ」と記載されている領域はプラズマＰの停止状態を示す。時間ｔ１のタイミングで、プラズマＰが停止される。プラズマＰの生成中は、正イオンが多く生成される。このとき、チャンバ１０中に電子も多く生成される。そして、プラズマＰが停止されると、正イオンが急激に減少する。このとき、電子も減少する。負イオンは、プラズマＰの停止後、所定時間経過した時間ｔ２から急激に増加し、時間ｔ３にてピークとなる。以降の説明では、プラズマＰを停止してから（時間ｔ１）負イオンの生成量がピークになる（時間ｔ３）までの時間を「立ち上がり時間ｔ０」と称する場合がある。なお、正イオン及び電子は、プラズマＰの停止後から減少してゆき時間ｔ３付近で、正イオンは負イオンと同量となり、電子はほとんど無くなる。

制御部５０の電圧制御部５３は、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を制御する。電圧制御部５３は、所定のタイミングにて、電圧印加部９０によるバイアス電圧を印加する。なお、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を開始するタイミングは、制御部５０にて予め設定される。電圧印加部９０によって基板１１に正のバイアス電圧が付与されることで、チャンバ１０内の負イオンが基板１１へ導かれる。これにより、負イオンが基板１１へ照射される。また、チャンバ１０内に電子が存在している場合は、電子も基板１１へ導かれる。

次に、加熱部１０１及び制御部５０の加熱制御部５４について詳細に説明する。

加熱部１０１は、原料となるガスを加熱する機器である。加熱部１０１は、チャンバ１０内でガスが反応を起こすときに、当該ガスが高温の状態になるように加熱を行う。

加熱部１０１は、ガスがチャンバ１０内へ入る前段階でガスを加熱する。ここでは、加熱部１０１は、ガス供給口４１にてガスを加熱する。具体的には、加熱部１０１は、ガス供給口４１の流路内に設けられたヒーター、熱交換器、またはガス供給口４１を構成する管壁の内部又は外周部に設けられたヒーターなどによって構成される。ヒーターは、電気を流すことによって発熱を行う機器である。ただし、加熱部１０１は、ガスを加熱することができる手段であれば、電気式のヒーターに限定されず、熱媒体による加熱など、あらゆる方式の加熱手段が採用されてよい。

なお、加熱効率を上げるために、ガス供給口４１の形状自体に工夫がなされていてもよい。例えば、ガスが加熱部１０１のヒーターと接触する時間を増やすために、ガス供給口４１の流路を螺旋状に構成したり、複数本の流路に分岐させて各流路で加熱を行うなどしてもよい。

負イオン生成装置１は、加熱部１０１を制御するために、温度検出部１０２を備えている。温度検出部１０２は、ガスの温度を検出するための機器である。温度検出部１０２は、好ましくは、チャンバ１０内のガスの温度を検出することが好ましい。ただし、温度検出部１０２は、チャンバ１０内のガスを直接検出しなくとも、チャンバ１０内でのガスの温度を推定できる値を検出してもよい。例えば、温度検出部１０２は、加熱部１０１に対して設けられた熱電対などの温度センサであってよい。あるいは、温度検出部１０２は、ガス供給口４１の流路などに設けられてもよい。あるいは、温度検出部１０２は、チャンバ１０内の複数箇所に設けられてもよい。また、温度検出部１０２の測定方式は特に限定されない。例えば、温度検出部１０２は、隔膜式圧力計のように、膜の歪みから圧力を測定し、圧力と温度とが比例関係であることから、温度を推定するものであってもよい。また、温度検出部１０２は、分光器による光の分光態様から温度を推定するものであってもよい。また、温度検出部１０２はガス流れに伴う抵抗の温度変化によって温度を推定するものであってもよい。

加熱制御部５４は、少なくともガス供給部４０がガスの供給を行っている間、加熱部１０１を制御してガスを加熱する。加熱制御部５４は、プラズマのＯＮ／ＯＦＦ状況に関わらず、継続的にガス供給及びガス加熱を行ってよい。ただし、加熱制御部５４が加熱部１０１を制御してガスの加熱を行うタイミングは、限定されるものではなく、任意のタイミングで加熱部１０１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えてもよい。

加熱制御部５４は、温度検出部１０２の検出結果に基づいて、加熱部１０１を制御する。すなわち、加熱制御部５４は、温度検出部１０２で検出された温度が目標温度となるように、加熱部１０１の加熱態様を制御する。温度検出部１０２がガスの温度を直接検出できる場合、加熱制御部５４は、ガスの温度が目標温度となるように、加熱部１０１を制御する。温度検出部１０２が加熱部１０１の温度自体を検出する場合、加熱制御部５４は、加熱部１０１の温度が目標温度になるように、加熱部１０１を制御する。

なお、プラズマや昇温した主ハース１７などによってもガスは多少加熱される。しかし、加熱部１０１によってガスに付与される熱量は、プラズマや主ハース１７に比して大きい。加熱部１０１は、プラズマガン７や主ハース１７とは別の機器として設けられたものであり、プラズマガンや主ハース１７は、本請求項における「加熱部」には該当しない。すなわち、本実施形態において加熱部１０１で加熱を行った場合の、反応時におけるチャンバ１０内の温度は、加熱部１０１を設けず、プラズマや主ハース１７のみでガスの加熱が行われた場合のチャンバ１０内の温度に比して高くなる。

具体的な温度は特に限定されるものではないが、イオン生成時におけるチャンバ１０内のガスは、２００℃以上となるように加熱されてよく、より好ましくは、３００℃以上となるように加熱されてよい。なお、温度が高いほどガスの活性が促進されることで負イオンの生成量を増やすことができるが、安全性の観点から、チャンバ１０内のガスは、１００℃以下となるように加熱されてよい。加熱部１０１は人が容易に触れないよう、またチェンバ自体は大気側まで高温にならないように断熱又は冷却されても良い。なお、加熱部１０１を有さない従来のイオン生成装置では、イオン生成時におけるチャンバ１０内のガスの温度は６０℃～１００℃程度であり、少なくとも加熱部１０１を用いて加熱を行う場合よりも低くなる。

次に、図３を参照して、負イオン生成装置１の制御方法について説明する。図３は、本実施形態に係る負イオン生成装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、ここでは、Ｏ^－の負イオンを照射する場合を例にして説明する。

図３に示すように、負イオン生成装置１の制御方法は、ガス供給・加熱工程Ｓ１０と、プラズマ生成工程Ｓ２０と、電圧印加工程Ｓ３０と、を備える。各工程は、制御部５０によって実行される。

まず、制御部５０のガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、チャンバ１０内にガスを供給すると共に、加熱制御部５４は、加熱部１０１を制御してガスを加熱する（ガス供給・加熱工程Ｓ１０）。これにより、チャンバ１０の生成室１０ｂには加熱されて高温状態となったＯ_２のガスが存在した状態となる。その後、プラズマ生成工程Ｓ２０が実行される。

制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマ生成部１４を制御して、チャンバ１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成する（プラズマ制御工程Ｓ２０）。なお、プラズマ生成中にも厳密には負イオンは生成されている。チャンバ１０の生成室１０ｂ内でプラズマＰ及び電子が生成されると、プラズマＰによって「Ｏ_２＋ｅ^－→２Ｏ＋ｅ^－」という反応が進む。その後、プラズマＰの生成が停止されると、生成室１０ｂ内では、電子温度が急激に低下することで、「Ｏ＋ｅ^－→Ｏ^－」という反応が進む。プラズマ生成工程Ｓ２０が実行された後、所定のタイミングで、電圧印加工程Ｓ３０が実行される。

制御部５０の電圧制御部５３は、電圧印加部９０を制御して基板１１にバイアス電圧を印加する（電圧制御工程Ｓ３０）。制御部５０は、プラズマＰ停止後に基板１１にバイアス電圧を印加する。これにより、生成室１０ｂ内のＯ^－の負イオン８１が基板１１側へ向かい、当該基板１１へ照射される（図２参照）。

次に、本実施形態に係る負イオン生成装置１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る負イオン生成装置１では、制御部５０は、ガス供給部４０を制御して、チャンバ１０内にガスを供給する。そして、制御部５０は、プラズマ生成部１４を制御して、チャンバ１０内にプラズマＰを生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで負イオンを生成する。ここで、制御部５０は、加熱部１０１を制御して、ガスを加熱している。この場合、負イオンの原料となるガスが加熱されることによって、チャンバ１０内での反応が促進される。従って、負イオンの生成量を増加させることができる。その一方、放電電力を増加させる場合などと異なり、ガスを加熱しても、チャンバ１０内の電子数を増加させることにはなり難いため、負イオンの立ち上がり時間ｔ０が遅くなることを抑制できる。以上より、負イオンの立ち上がり時間ｔ０が遅くなることを抑制しつつ、負イオンの量を増加させることができる。

ここで、ガスの温度と、負イオンの立ち上がり時間ｔ０及び負イオンの生成量との関係について、図７を参照して説明を行う。図７は、計算を行うことによって得られた、ガスの温度と、負イオンの立ち上がり時間ｔ０及び負イオンの生成量との関係を示すグラフである。図７では、実線のグラフが酸素負イオンの生成量を示すグラフであり、破線のグラフが負イオンの立ち上がり時間ｔ０を示すグラフである。図７に示すように、酸素負イオンの生成量は、ガスの温度が高くなるに従って一様に増加している。その一方、負イオンの立ち上がり時間ｔ０は、ガスの温度が高くなっても微増または変化無しとなっている。このことより、ガスを加熱部１０１で加熱することによって、負イオンの立ち上がり時間ｔ０が遅くなることを抑制しつつ、負イオンの量を増加させることが可能となることが理解できる。

制御部５０は、少なくともガス供給部４０がガスの供給を行っている間、加熱部１０１でガスを加熱する。この場合、チャンバ１０内で反応するときにガスの温度を高くしておくことができる。

加熱部１０１は、ガスがチャンバ１０内へ入る前段階でガスを加熱する。この場合、ガスがチャンバ１０内へ入って拡散する前段階で、密集した状態のガスを加熱することができる。

以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、図５に示すように、チャンバ１０側に加熱部を設けてもよい。図５（ａ）に示す例では、チャンバ１０の内部空間にヒーターを配置することによって加熱部１１０が構成されてよい。この場合、チャンバ１０の内部空間に拡散しているガスの粒子が加熱部１１０と衝突するときに加熱される。加熱部１１０を構成するヒーターは、プラズマＰの邪魔にならないように、壁ぎわ、壁の端部などの設置される事が好ましい。また、加熱部１１０を構成するヒーターを覆うようなカバーを設けてもよい。このような構成により、加熱部１１０は、チャンバ１０内のガスを加熱することができる。この場合、チャンバ１０内でガスが温度低下することを抑制することができる。

具体的に、図６（ａ）に示すように、加熱部１１０は、チャンバ１０の各壁部と近接した位置で、当該壁部に沿って延びるように配置されてよい。このとき、加熱部１１０は、プラズマＰ、主ハース１７及び輪ハース６と干渉しない位置に設けられる。

また、図６（ｂ）に示す例では、チャンバ１０の壁部自体を加熱するヒーターを設けることによって加熱部１２０を構成してもよい。加熱部１２０は、例えば、チャンバ１０の厚みを大きくして、当該壁部内にヒーターを埋設することによって構成されてよい。または、加熱部１２０は、チャンバ１０の壁部の外面にヒーターを設けることによって構成されてもよい。この場合、チャンバ１０の内部空間に拡散しているガスの粒子がチャンバ１０の壁部と衝突するときに加熱される。なお、チャンバ１０の壁部が加熱部１１０によって高温になるため、チャンバ１０全体をカバーなどで覆うことによって安全性を向上してもよい。このような構成により、加熱部１１０は、チャンバ１０内のガスを加熱することができる。この場合、チャンバ１０内でガスが温度低下することを抑制することができる。

具体的に、図６（ｂ）に示すように、加熱部１２０は、チャンバ１０の壁部の内部において、当該壁部と共に広がるように設けられている。このとき、加熱部１１０は、プラズマＰと干渉しない位置に設けられる。また、加熱部１１０は、ハース機構や配線などが壁部を貫通する箇所を回避するように設けられる。

なお、図１及び図２に示す加熱部１０１、図５（ａ）に示す加熱部１１０、及び図５（ｂ）に示す加熱部１２０の中から、少なくとも二つを組み合わせて用いてもよい。

また、上記実施形態では、イオンプレーティング型の成膜装置としての機能も備えた負イオン生成装置について説明したが、負イオン生成装置は、成膜装置の機能を有していなくてもよい。従って、プラズマＰは、例えばプラズマガンと対向する壁部の電極などに導かれてよい。

例えば、上記実施形態では、プラズマガン７を圧力勾配型のプラズマガンとしたが、プラズマガン７は、チャンバ１０内にプラズマを生成できればよく、圧力勾配型のものには限られない。

また、上記実施形態では、プラズマガン７とプラズマＰを導く箇所（ハース機構２）の組がチャンバ１０内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一箇所に対して、複数のプラズマガン７からプラズマＰを供給してもよい。

１…負イオン生成装置、１０…チャンバ、１４…プラズマ生成部、４０…ガス供給部、５０…制御部、１０１，１１０，１２０…加熱部。

Claims (4)

1. 負イオンを生成する負イオン生成装置であって、
   内部で前記負イオンの生成が行われるチャンバと、
   前記負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、
   前記チャンバ内において、プラズマを生成するプラズマ生成部と、
   前記ガスを加熱する加熱部と、
   前記負イオン生成装置の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記ガス供給部を制御して、前記チャンバ内に前記ガスを供給し、
   前記プラズマ生成部を制御して、前記チャンバ内に前記プラズマを生成し、且つ、前記プラズマの生成を停止することで前記負イオンを生成し、
   前記加熱部を制御して、前記ガスを加熱する、負イオン生成装置。
2. 前記制御部は、少なくとも前記ガス供給部が前記ガスの供給を行っている間、前記加熱部で前記ガスを加熱する、請求項１に記載の負イオン生成装置。
3. 前記加熱部は、前記ガスが前記チャンバ内へ入る前段階で前記ガスを加熱する、請求項１又は２に記載の負イオン生成装置。
4. 前記加熱部は、前記チャンバ内の前記ガスを加熱する、請求項１又は２に記載の負イオン生成装置。
   

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