JPH0636300U

JPH0636300U - 中性粒子ビーム発生装置

Info

Publication number: JPH0636300U
Application number: JP7688192U
Authority: JP
Inventors: 實中島
Original assignee: 株式会社テックサイエンス
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】放電管で発生させた中性粒子を減少させずま
た拡散させずに効率よく出力させること。【構成】試料ガスを高周波或はマイクロ波により励起
してプラズマ中に中性粒子を発生させる放電管１と、真
空容器２内に突出している同放電管１の開口窓３に取付
けられて前記中性粒子を真空度の低い放電管１から真空
度の高い真空容器２へその圧力差を保ったまま吹き出さ
せる蓋板４とからなる中性粒子ビーム発生装置におい
て、前記蓋板４に直径５０μｍ以下の通孔５を１ｃｍ²
当たり２万個以上形成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、各種試料や基板等の表面処理や薄膜形成等に用いられる中性粒子ビームを発生させる中性粒子ビーム発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

例えば水素、酸素、窒素等の試料ガスをグロー放電、高周波放電、マイクロ波放電等で励起するとプラズマ中にイオン、電子、ラジカル等の荷電粒子や中性粒子を生成することができる。これらの粒子は固体表面との相互作用により、種々の物理的、化学的反応を引き起こすため、従来から試料や基板等への各種表面処理や薄膜形成等に用いられてきた。中でも中性粒子ビームは荷電粒子ビームを用いる表面処理或は薄膜作成と比較すると、試料や基板等への荷電粒子によるダメージが殆ど無く、また試料や基板の温度も比較的低温に保つことができるため近年各種分野での利用が期待されている。利用分野としては、例えば高温超電導酸化膜の作成や、シリコン表面の自然酸化膜やカーボンの除去、或は光デバイスでのＰ型ＺｎＳｅ薄膜の作成等がある。

【０００３】図３（ａ）にこのような中性粒子ビームの発生装置の概略を示す。この装置は石英ガラスで作成した円筒形状の放電管Ａの外周に、１３．５６ＭＨｚの高周波を発生させる高周波コイルＢが取付けられ、同放電管Ａの一端に同放電管Ａへ酸素、水素、窒素等の試料ガスを規定量ずつ供給するガス導入系Ｃが取り付けられ、他端の開口窓Ｄが試料や基板Ｅ等を設置する真空容器Ｆ内に突出されて開口している。図３のＲＦ電源と高周波コイルＢとの間に取付けられているＲＦマッチングボックスは両者のインピーダンス整合を取るためのものであり、また図３の光学モニターは放電管Ａで生成された中性粒子ビームの種類、強度等をモニタするためのものである。

【０００４】図３の装置では、高周波コイルＢを作動させて１３．５６ＭＨｚの高周波を発生させ、それによる誘導結合により放電管Ａ内に磁界を作り出し、ガス導入系Ｃからその磁界中に試料ガスを一定量ずつ供給するとグロー放電が発生し、このとき放電電圧を適当に調整すると荷電粒子を殆ど含まないプラズマが発生し、最終的に放電管Ａの開口窓Ｄより中性粒子が吹き出すようになる。

【０００５】ところで、前記放電管Ａは活性な中性粒子を効率よく発生させるため動作真空度を１Ｐａ以上にしておく必要がある。このため放電管Ａから中性粒子ビームを真空容器Ｆ内の基板Ｅに照射して表面処理或は薄膜形成を行う場合、真空容器Ｆの真空度が放電管Ａと同様に低い場合は問題ないが、真空容器Ｆの真空度が放電管Ａの真空度より高い場合は（１Ｐａ以下）、同放電管Ａの開口窓Ｄに放電管Ａと真空容器Ｆとの真空度の圧力差を付ける蓋板（アパチャー）Ｇを取付けなければならない。

【０００６】従来このようなアパチャーＧとしては、図３（ｂ）（ｃ）に示すように板厚Ｌが１ｍｍ前後の石英板に直径ｄが０．１〜２ｍｍ前後の細管Ｈを細いドリル等で１個或は数十個開けたものを用いていた。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら図３（ｂ）（ｃ）のアパチャーＧには下記のような問題があった。ドリル等で穴を開けるので細管Ｈの直径ｄは０．１ｍｍが限界であり、このアパチャーＧで放電管Ａと真空容器Ｆとの圧力差を規定通りに保つようにすると、放電管Ａの開口窓Ｄの断面積（アパチャーＧの断面積）Ｓに対するアパチャーＧの全細管Ｈの断面積の合計Ｔとの比（Ｔ／Ｓ：開孔比）は最大でも１０％前後しか取れない。従って、このような開孔比の小さいアパチャーＧでは、放電管Ａで発生させた中性粒子が同アパチャーＧによって大幅に減少させられてしまい、中性粒子ビームの出力が低下してしまうという問題があった。さらに、アパチャーＧの板厚（細管長）Ｌと細管Ｈの直径ｄとの比（Ｌ／ｄ：アスペック比）は１〜１０前後しか取れず、アパチャーＧより吹き出す中性粒子はアスペック比に反比例した広がりを持って拡散するため、結局、試料基板Ｅに照射される中性粒子ビームの濃度が低下してしまうという問題があった。

【０００８】本考案の目的は、放電管で発生させた中性粒子を減少させずまた拡散させずに効率よく出力する中性粒子ビーム発生装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

放電管１と真空容器２とに圧力差を設けるべく放電管１の開口窓３に通孔５を開けた蓋板４を設ける場合、その圧力差は蓋板４に形成する全通孔５のコンダクタンスの合計の大小によって変化する。そこで適当なコンダクタンスの通孔５を適当な数だけ蓋板４に形成すれば放電管１と真空容器２との真空度を所望の圧力差に保つことができる。

【００１０】このコンダクタンスは通孔５における流体の流れ易さを示す値であり、同コンダクスタンスは一般的にガスが粘性流の場合は通孔５の直径の４乗に比例し、分子流の場合は通孔５の直径の３乗に比例し、中間流の場合には粘性流と分子流の合成された値になることが知られている。例えば板厚Ｌの蓋板４に直径Ｄ₁ の通孔５をＮ個形成する場合、分子流に対する全通孔５のコンダクタンスの合計ＣはＣ＝１２．１＊Ｄ₁ ＾３＊Ｎ／Ｌ・・・・・（１）また放電管１の開口窓３の内径Ｄ₂ に対する全通孔５の断面積の合計の比である開孔比ＫはＫ＝（Ｄ₁ ／Ｄ₂ ）＾２＊Ｎ・・・・・・・（２）により夫々求められる。

【００１１】前記式（１）、（２）を以下のように変形するとＣ＝１２．１＊Ｄ₂ ＾２＊Ｋ＊Ｄ₁ ／Ｌ・・・・・・・（３）同式（３）のコンダクタンスＣを一定に保ったまま開孔比Ｋを大きくするにはＬ、Ｄ₂ は一定であることから、Ｄ₁ を小さくすれば良いことがわかる。さらにＤ₁ を小さくして開孔比Ｋを大きくするには式（２）よりＮを多くすれば良いこともわかる。即ちコンダクタンスＣを一定に保ったまま開孔比Ｋを大きくするには蓋板４に形成する通孔５の直径Ｄ₁ を小さくしてその数Ｎを増やせば良いということになる。

【００１２】そこで本考案の中性粒子ビーム発生装置は、図１に示すように試料ガスを高周波或はマイクロ波により励起してプラズマ中に中性粒子を発生させる放電管１と、真空容器２内に突出している同放電管１の開口窓３に取付けられて前記中性粒子を真空度の低い放電管１から真空度の高い真空容器２へその圧力差を保ったまま吹き出させる蓋板４とからなる中性粒子ビーム発生装置において、前記蓋板４に直径５０μｍ以下の通孔５を１ｃｍ² 当たり２万個以上形成したことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】

本考案の中性粒子ビーム発生装置では、蓋板４に直径が５０μｍ以下の通孔５を１ｃｍ² 当たり２万個以上設けることで、蓋体４のコンダクタンスを変えることなく蓋体４の開孔比を大きくすることができるようになり、結果、放電管１で発生させた中性粒子ビームを蓋板４で減少させることなく出力させることができるようになる。また蓋板４の板厚Ｌと通孔５の直径Ｄ₁ との比（Ｌ／Ｄ₁ ：アスペック比）は直径Ｄ₁ が小さくなることから大きくなり、蓋板４の通孔５より吹き出す中性粒子が拡散せずに出射するようになる。

【００１４】

【実施例】

本考案の中性粒子ビーム発生装置の一実施例を図１に示す。同図の１は石英ガラスで作成した円筒形状の放電管である。この放電管１の外周には高周波コイル１０が取付けられ、同高周波コイル１０は１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源１２によって放電管１内に磁界を発生させることができるようになっている。なお、ＲＦ電源１２と高周波コイル１０との間に取付けられているＲＦマッチングボックス１１は両者のインピーダンス整合を取るためのものであり、光学モニター１５は放電管１で生成された中性粒子ビームの種類、強度等をモニタするためのものである。

【００１５】前記放電管１の一端の開口部１３には酸素、水素、窒素等の試料ガスを規定量ずつ放電管１に供給するガス導入系１４が取付けられており、前記放電管１に１３．５６ＭＨｚの高周波による誘導結合による磁界を作り出して、ガス導入系１４から前記磁界に試料ガスを導入するとプラズマが発生し、同プラズマ内に中性粒子が発生するようになっている。なお、このガス導入系１４は試料ガスの供給量を任意に調整することができるようになっている。

【００１６】前記放電管１の他端の開口窓３は後述する真空容器２内に突き出すように取付けられて開口しており、同開口窓３には放電管１内を１Ｐａ以上に保ったまま真空容器２内を１Ｐａ以下に保持するための蓋板４が取付けられている。

【００１７】前記蓋板４は図１（ｂ）に示すように板材に直径５０μｍ以下の通孔５が１ｃｍ² 当たり２万個以上形成されているもので、例えばこのような蓋板４としては浜松ホトニクス株式会社が製造しているキャピラリープレートを使用することができる。このキャピラリープレートは図２に示すように直径（Ｄ₁ ）が数μｍ〜数十μｍのガラスパイプ（通孔５）を規則正しく２次元に配列し、０．４ｍｍ〜数十ｍｍの厚さ（Ｌ）に一体化したガラスプレートである。

【００１８】図１における２は真空排気系１７によって１Ｐａ以下の高真空を作り出すことができる真空容器である。同真空容器２の中には表面処理や薄膜形成等の対象となる各種試料や基板１６等を取り付けることができるようになっており、また同真空容器２の側面に取付けられている前記放電管１の開口窓３から中性粒子を基板１６に向けて放射できるようになっている。

【００１９】

【実験１】一例として、内径Ｄ₂ が２．７ｃｍの放電管１にガス導入系１４から酸素ガスを流し、１３．５６ＭＨｚの高周波による誘導結合によるプラズマを発生させると、同放電管１の動作真空度が１０〜１００Ｐａ領域で活性な中性粒子の多い高輝度のプラズマを得ることができる。このとき前記放電管１の開口窓３には下記のような蓋板４を取り付けておく。同蓋板４の板厚：Ｌ＝０．１ｃｍ同蓋板４に形成する通孔５の直径：Ｄ₁ ＝０．００１ｃｍ〃〃の数：Ｎ＝４、６００、００個この場合、蓋板４に形成されている通孔５のコンダクタンスの合計Ｃは式（１）よりＣ＝１２．１＊０．００１＾３＊４、６００、００／０．１［１／ｓｅｃ］Ｃ＝０．５５６６［１／ｓｅｃ］となり、またこのときの蓋板４の開孔比Ｋは式（２）よりＫ＝（０．００１／２．７）＾２＊４、６００、００＝０．６３１０Ｋ＝６３．１０％となる。更に蓋板４の板厚（通孔長）Ｌと通孔５の直径Ｄ₁ との比（Ｌ／Ｄ₁ ：アスペック比）は０．１／０．００１＝１００となる。

【００２０】

【比較例】

以下に比較例として前記実験１と同様の条件で蓋板４だけを下記の条件で作製したものについてのコンダクタンスの合計Ｃと開孔比Ｋとを求める。同蓋板４の板厚：Ｌ＝０．１ｃｍ同蓋板４に形成する通孔５の直径：Ｄ₁ ＝０．１ｃｍ〃〃の数：Ｎ＝５個この場合、蓋板４に形成されている通孔５のコンダクタンスの合計Ｃは式（１）よりＣ＝１２．１＊０．１＾３＊５／０．１［１／ｓｅｃ］Ｃ＝０．６０５［１／ｓｅｃ］となり、またこのときの蓋板４の開孔比Ｋは式（２）よりＫ＝（０．１／２．７）＾２＊５＝０．００６８５８５Ｋ＝０．６８５８５％となる。更に蓋板４の板厚（通孔長）Ｌと通孔５の直径Ｄ₁ との比（Ｌ／Ｄ₁ ：アスペック比）は０．１／０．１＝１となる。

【００２１】以上本考案の装置による実験１と従来装置による比較例とを比較すると、本考案の方がコンダクタンスで約８％少なく、開孔比では約９２倍大きくなる。放電管１の蓋板４より吹き出すガス中の中性粒子の割合は、ほぼ蓋板４の通孔５の開孔比Ｋに比例することから本考案の装置の方が従来のものに較べて約９２倍となりより高濃度の中性粒子ビームを発生させることができる。

【００２２】また、アスペック比が従来のものに較べて本考案では約１００倍になるので、蓋板４より吹き出す中性粒子ビームは拡散せずに基板１６に照射されるようになる。

【００２３】

【考案の効果】

以上説明したように本考案の中性粒子ビーム発生装置によれば、既存の装置を大幅に改良することなく容易に拡散の少ない高濃度の中性粒子ビームを得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本考案の中性粒子ビーム発生装置の一
実施例を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の中性粒子ビーム
発生装置に使用される蓋板の正面図。

【図２】（ａ）は図１の中性粒子ビーム発生装置におけ
る蓋板の斜視図、（ｂ）は同蓋板に形成される通孔の断
面図。

【図３】（ａ）は従来の中性粒子ビーム発生装置の一例
を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の中性粒子ビーム発生装
置に使用される蓋板の正面図、（ｃ）は前記蓋板の側面
図。

【符号の説明】

１放電管２真空容器３開口窓４蓋板５通孔

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】試料ガスを高周波或はマイクロ波により
励起してプラズマ中に中性粒子を発生させる放電管１
と、真空容器２内に突出している同放電管１の開口窓３
に取付けられて前記中性粒子を真空度の低い放電管１か
ら真空度の高い真空容器２へその圧力差を保ったまま吹
き出させる蓋板４とからなる中性粒子ビーム発生装置に
おいて、前記蓋板４に直径５０μｍ以下の通孔５を１ｃ
ｍ² 当たり２万個以上形成したことを特徴とする中性粒
子ビーム発生装置。