JPH1050622A - Nozzle for surface treatment apparatus, surface treatment apparatus and surface treatment method using it - Google Patents
Nozzle for surface treatment apparatus, surface treatment apparatus and surface treatment method using itInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、表面処理装置用ノ
ズル、表面処理装置およびこれを用いた表面処理方法に
係り、特に反応性ガスの供給方法に関する。The present invention relates to a nozzle for a surface treatment apparatus, a surface treatment apparatus and a surface treatment method using the same, and more particularly to a method for supplying a reactive gas.
【0002】[0002]
【従来技術】インダクションプラズマ法やDCプラズマ
ジェット法により、ガスをプラズマ化して、活性化し反
応性を高めた状態で、このプラズマ化されたガスを被処
理基体表面に向けて高速で噴射させることにより、薄膜
形成あるいはエッチングなどの表面処理を行うという技
術は既に公知であり、半導体薄膜の形成あるいはエッチ
ング等に広く利用されている。2. Description of the Related Art In a state in which a gas is converted into a plasma by an induction plasma method or a DC plasma jet method, and the gas is activated and the reactivity is enhanced, the plasma-converted gas is jetted at high speed toward the surface of a substrate to be processed. The technique of performing a surface treatment such as thin film formation or etching is already known, and is widely used for forming or etching a semiconductor thin film.
【0003】ところで、プラズマを用いた薄膜形成を行
う場合には、プラズマ化され反応性が高められたガス
を、処理対象である被処理基体まで、超音速で短時間に
到達するように導く必要がある。これは次のような理由
による。プラズマ化されたガスを短時間で被処理基体ま
で導くことができないと、励起状態(活性状態)を維持
することができず、被処理基体と反応生成物との密着性
が低下し、反応生成物の剥離等の不都合が生じたり、ま
た、成膜速度が低下し、作業効率が低下することになる
からである。また、エッチングの場合にはエッチング速
度が低下するなどの不都合が生じることもある。When a thin film is formed by using plasma, it is necessary to guide the gas, which has been converted into plasma and whose reactivity is enhanced, to reach the substrate to be processed at a supersonic speed in a short time. There is. This is for the following reasons. If the plasma gas cannot be guided to the substrate in a short time, the excited state (active state) cannot be maintained, and the adhesion between the substrate and the reaction product decreases, and This is because inconvenience such as peeling of an object may occur, or the film forming rate may be reduced, and the working efficiency may be reduced. In addition, in the case of etching, inconveniences such as a decrease in etching rate may occur.
【0004】また、プラズマ化されたガスは、非常に温
度が高いため、ガスが被処理基体上に到達した時点で
は、被処理基体が耐えられる温度まで降温された状態と
なっていなければならない。仮に高温のまま到達する
と、被処理基体表面が損傷を受けるのみならず、成膜不
良が生じることもある。[0004] Further, since the temperature of the gasified plasma is extremely high, when the gas reaches the substrate to be processed, the temperature of the gas must be lowered to a temperature that can withstand the substrate to be processed. If the temperature reaches a high temperature, not only the surface of the substrate to be processed is damaged, but also a film formation defect may occur.
【0005】また、プラズマ化された反応性ガス中への
不純物の混入を防ぐことも要求される。不純物の混入
は、膜質低下の原因となるからである。[0005] It is also required to prevent impurities from being mixed into the plasma-formed reactive gas. This is because the contamination of the impurities causes deterioration of the film quality.
【0006】そこで本発明者らは、上記要求を満たし、
作業効率の向上、膜質およびエッチング特性の向上をは
かることを企図した、改良構造の表面処理装置を提案し
ている。Accordingly, the present inventors have satisfied the above requirements,
A surface treatment apparatus having an improved structure has been proposed, which is intended to improve work efficiency, film quality and etching characteristics.
【0007】この装置は、図8に示すように、ラバール
ノズル(末広ノズルともいう)に高周波誘導コイルを巻
回したものである。このラバールノズルは、断面積が徐
々に小さくなるように構成されたガス導入部101と、
ガス導入部101に接続され、ノズル全体で最小の断面
積 A1(直径d1)となるように構成されたスロート部
(喉部)102と、該スロート部102に接続され、所
定の広がり角をもって断面積が徐々に拡大し、最大断面
積A2(直径d2)となるように構成されたガス噴射管1
03とから構成されている。そして、ガス導入部101
の開口端のガス導入口101aから反応性ガス106が
導入されると、ガス導入部101内では、ガスの進行に
伴い断面積が徐々に小さくなり、スロート部で安定化さ
れた後、ガス噴射管103で断熱膨張により加速され、
音速よりも大きい流速をもってプラズマ化された反応性
ガスが、ノズル出口103aに対向するように設けられ
た被処理基体107に対して噴射されるようにしたもの
である。As shown in FIG. 8, a high frequency induction coil is wound around a Laval nozzle (also called a divergent nozzle). The Laval nozzle includes a gas introduction unit 101 configured so that a cross-sectional area gradually decreases,
A throat portion (throat portion) 102 connected to the gas introduction portion 101 and configured to have a minimum cross-sectional area A1 (diameter d1) over the entire nozzle; and a throat portion (throat portion) 102 connected to the throat portion 102 and cut at a predetermined spread angle. Gas injection pipe 1 configured so that its area gradually increases to have a maximum sectional area A2 (diameter d2).
03. And the gas introduction unit 101
When the reactive gas 106 is introduced from the gas introduction port 101a at the opening end of the gas introduction section 101, the cross-sectional area gradually decreases in the gas introduction section 101 with the progress of the gas, and is stabilized at the throat section. Accelerated by adiabatic expansion in tube 103,
The reactive gas that has been converted into plasma with a flow velocity greater than the sonic velocity is injected to the substrate to be processed 107 provided to face the nozzle outlet 103a.
【0008】ここで、スロート部102の外周には、誘
導コイル5が巻き付けられており、該誘導コイル105
に高周波電流が通電され得るようになっている。このた
め、誘導コイル105に通電がなされるとスロート部1
02内に誘導電磁場が形成され、スロート部102を通
過するガスが加熱され、プラズマ励起される。そしてプ
ラズマ励起された高密度プラズマガスは、下流側のガス
噴出管103のノズル径の広がりによって膨張して加速
され、ガス噴射口103aから超音速プラズマジェット
104となって噴射される。Here, the induction coil 5 is wound around the outer periphery of the throat portion 102, and the induction coil 105
A high-frequency current can be supplied to the power supply. For this reason, when the induction coil 105 is energized, the throat 1
An induced electromagnetic field is formed in the gas flow 02, and the gas passing through the throat section 102 is heated and plasma-excited. Then, the plasma-excited high-density plasma gas expands and accelerates due to the expansion of the nozzle diameter of the gas ejection pipe 103 on the downstream side, and is ejected as a supersonic plasma jet 104 from the gas ejection port 103a.
【0009】いま、ガス導入口101aからラバールノ
ズル内部に被処理基体107に噴射すべき高密度の混合
ガス106が供給されたものとする。すると、上述した
ようにスロート部電磁場が発生し、この場のエネルギー
によって高密度のガスが、プラズマ励起される。Now, it is assumed that a high-density mixed gas 106 to be injected into the substrate 107 to be processed is supplied from the gas inlet 101a into the Laval nozzle. Then, a throat electromagnetic field is generated as described above, and a high-density gas is plasma-excited by the energy of this field.
【0010】そして、プラズマ化された高密度ガスは、
下流側のガス噴出管103によるノズルの広がりのため
に膨張加速され、ガス噴射口103aから超音速プラズ
マジェット104となって被処理基体に向けて噴射され
る。The high-density gas that has been turned into plasma is
The gas is expanded and accelerated by the gas jet tube 103 on the downstream side due to the expansion of the nozzle, and is formed as a supersonic plasma jet 104 from the gas jet 103a toward the substrate to be processed.
【0011】このような表面処理装置を用いることによ
り、比較的小さな領域に対しては、作業効率の向上、膜
質およびエッチング特性の向上をはかることが可能とな
る。By using such a surface treatment apparatus, it is possible to improve the working efficiency, the film quality and the etching characteristics in a relatively small area.
【0012】ところで、 太陽電池やイメージセンサに
おいては、大面積化が進む一方であり、大きいものでは
1m×1mなどと大面積の基板上に均一な高品質薄膜を
形成するというような要求がある。 しかしながら上述
したような、従来のノズルでは、大面積基板に対して効
率よく薄膜形成やエッチングを行うのは困難であるとい
う問題があった。Meanwhile, the area of solar cells and image sensors has been increasing, and there is a demand to form a uniform high-quality thin film on a substrate having a large area such as 1 mx 1 m. . However, the conventional nozzle as described above has a problem that it is difficult to efficiently form and etch a thin film on a large-area substrate.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】このように従来の高速
ガス噴射を用いた表面処理においては微小領域に対して
なされるものであり、大面積基板に対して効率よく薄膜
形成やエッチングを行うのは困難であった。As described above, the conventional surface treatment using high-speed gas injection is performed on a minute area, and a thin film is formed and etched efficiently on a large-area substrate. Was difficult.
【0014】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、大面積基板に対して均一で信頼性の高い表面処理を
実現することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to realize a uniform and highly reliable surface treatment for a large-area substrate.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】そこで本発明の第1の特
徴は、被処理基体の表面に反応性ガスを噴射することに
より前記被処理基体の表面処理を行う表面処理装置用ノ
ズルにおいて、幅方向に対して長さ方向が十分に長く、
流路に沿った幅方向断面がすべて同一なシート状流路を
構成し、下流に向かうに従って、断面積が徐々に小さく
なるように構成されたガス導入部と、前記ガス導入部に
接続され、ノズル全体で最小の断面積をもつように構成
されたスロート部と、前記スロート部に接続され、所定
の広がり角をもって断面積が徐々に拡大せしめられるよ
うに構成されたガス噴射部とからなり、該ノズル内を通
過するガスを断熱膨張せしめ、ガス噴射部から、前記処
理室内に音速よりも大きい流速となるように加速し、反
応性ガスの噴射面が長尺の線状をなすように噴射せしめ
られることにある。Accordingly, a first feature of the present invention is that a nozzle for a surface treatment apparatus for performing a surface treatment on a substrate to be processed by injecting a reactive gas onto the surface of the substrate to be processed has a width. The length direction is long enough to the direction,
A cross section in the width direction along the flow path constitutes all the same sheet-shaped flow path, and as it goes downstream, the gas introduction section is configured such that the cross-sectional area is gradually reduced, and is connected to the gas introduction section, A throat portion configured to have a minimum cross-sectional area over the entire nozzle, and a gas injection portion connected to the throat portion and configured so that the cross-sectional area is gradually expanded with a predetermined divergence angle, The gas passing through the nozzle is adiabatically expanded and accelerated from the gas injection unit into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the speed of sound, so that the reactive gas injection surface is formed into a long linear shape. To be swayed.
【0016】また本発明の第2の特徴は、処理室内に設
けられた被処理基体の表面にガスプラズマを噴射するこ
とにより前記被処理基体の表面処理を行う表面処理装置
において、前記処理室内を所望の圧力に真空排気する真
空排気手段と、幅方向に対して長さ方向が十分に長く、
流路に沿った幅方向断面がすべて同一なシート状流路を
構成し、下流に向かうに従って、断面積が徐々に小さく
なるように構成されたガス導入部と、前記ガス導入部に
接続され、ノズル全体で最小の断面積をもつように構成
されたスロート部と、前記スロート部に接続され、所定
の広がり角をもって断面積が徐々に拡大せしめられるよ
うに構成されたガス噴射部とからなり、該ノズル内を通
過するガスを断熱膨張せしめ、ガス噴射部から、前記処
理室内に音速よりも大きい流速となるように加速し、反
応性ガスの噴射面が長尺の線状をなすように噴射せしめ
られるようにガス流路を形成する超音速ノズルと、前記
超音速ノズルの流路の一部でノズル内を通過するガスを
プラズマ励起するプラズマ生成手段と、前記超音速ノズ
ルの前記ガス導入部に、前記反応性ガスを供給するガス
供給手段と、前記超音速ノズルのガス噴射部の長手方向
に対して垂直に前記被処理基体を相対的に搬送する搬送
手段とを具備し、二次元方向の表面処理を可能にしたこ
とにある。According to a second aspect of the present invention, there is provided a surface treatment apparatus for performing a surface treatment of a substrate to be processed by injecting gas plasma onto a surface of the substrate to be processed provided in the processing chamber. Vacuum evacuation means for evacuation to a desired pressure, the length direction is sufficiently long with respect to the width direction,
A cross section in the width direction along the flow path constitutes all the same sheet-shaped flow path, and as it goes downstream, the gas introduction section is configured such that the cross-sectional area is gradually reduced, and is connected to the gas introduction section, A throat portion configured to have a minimum cross-sectional area over the entire nozzle, and a gas injection portion connected to the throat portion and configured to gradually expand the cross-sectional area with a predetermined divergence angle, The gas passing through the nozzle is adiabatically expanded and accelerated from the gas injection unit into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the speed of sound, so that the reactive gas injection surface is formed into a long linear shape. A supersonic nozzle that forms a gas flow path to be disturbed, plasma generation means for plasma-exciting a gas passing through the nozzle at a part of the flow path of the supersonic nozzle, and the gas introduction of the supersonic nozzle Further comprising: gas supply means for supplying the reactive gas; and conveyance means for relatively conveying the substrate to be processed in a direction perpendicular to a longitudinal direction of a gas injection unit of the supersonic nozzle. Surface treatment.
【0017】望ましくは、前記プラズマ生成手段は、前
記超音速ノズルのガス導入部またはスロート部の両端に
互いに相対向するように配設された1対の放電電極を介
して前記超音速ノズルを通過する反応性ガスに高周波電
力を印加するように構成されていることにある。Preferably, the plasma generating means passes through the supersonic nozzle via a pair of discharge electrodes disposed at both ends of a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. That is, the high-frequency power is applied to the reactive gas.
【0018】また、望ましくは、前記プラズマ生成手段
は、前記超音速ノズルのガス導入部またはスロート部の
長手方向に沿った外壁に互いに相対向するように配設さ
れた1対の放電電極を介して前記超音速ノズルを通過す
る反応性ガスに高周波電力を印加するように構成されて
いることにある。Preferably, the plasma generating means includes a pair of discharge electrodes disposed on an outer wall along a longitudinal direction of a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. Thus, high-frequency power is applied to the reactive gas passing through the supersonic nozzle.
【0019】また望ましくは、前記プラズマ生成手段
は、前記超音速ノズルのガス導入部またはスロート部の
長手方向に沿った内壁に互いに相対向するように配設さ
れた1対の放電電極を介して前記超音速ノズルを通過す
る反応性ガスに高周波電力を印加するように構成されて
いることにある。Preferably, the plasma generating means includes a pair of discharge electrodes disposed on the inner wall along the longitudinal direction of the gas introduction portion or the throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. The configuration is such that high-frequency power is applied to the reactive gas passing through the supersonic nozzle.
【0020】さらに望ましくは、前記プラズマ生成手段
は、前記超音速ノズルのガス導入部またはスロート部内
に、長手方向に沿って、ガス流に直交して互いに対向す
るように配設された1対のメッシュ状の放電電極を介し
て前記超音速ノズルを通過する反応性ガスに高周波電力
を印加するように構成されていることにある。More preferably, said plasma generating means is provided in a gas introduction portion or a throat portion of said supersonic nozzle, along a longitudinal direction, so as to oppose each other at right angles to a gas flow. The configuration is such that high-frequency power is applied to a reactive gas passing through the supersonic nozzle via a mesh-shaped discharge electrode.
【0021】本発明の第3の方法は、処理室内を所望の
圧力に真空排気する真空排気工程と前記処理室内に噴射
口が設置され、幅方向に対して長さ方向が十分に長く、
流路に沿った幅方向断面がすべて同一なシート状流路を
構成し、下流に向かうに従って、断面積が徐々に小さく
なるように構成されたガス導入部と、前記ガス導入部に
接続され、ノズル全体で最小の断面積をもつように構成
されたスロート部と、前記スロート部に接続され、所定
の広がり角をもって断面積が徐々に拡大せしめられよう
に構成されたガス噴射部とからなり、該ノズル内を通過
するガスを断熱膨張せしめ、ガス噴射部から、前記処理
室内に音速よりも大きい流速となるように加速し、反応
性ガスの噴射面が長尺の線状をなすように噴射せしめら
れるようにガス流路を形成する超音速ノズルの、ガス供
給口から、反応性ガスを供給するガス供給工程と、前記
ノズルの流路に電場を形成し、前記ガスをプラズマ励起
することにより、ガスプラズマを生成する工程と、前記
ガスプラズマを断熱膨張させて音速よりも大きい流速と
なるように所望の方向に加速すると共に、前記噴射口の
近傍で、被処理基板を前記超音速ノズルの長手方向に垂
直に搬送しながら、被処理ガス表面に高速のガスプラズ
マを導くことにより前記被処理基体表面に、二次元方向
の表面処理を行うことができるようにしたことにある。In a third method of the present invention, a vacuum evacuation step of evacuating the processing chamber to a desired pressure and an injection port provided in the processing chamber, wherein the length direction is sufficiently long with respect to the width direction,
A cross section in the width direction along the flow path constitutes all the same sheet-shaped flow path, and as it goes downstream, the gas introduction section is configured such that the cross-sectional area is gradually reduced, and is connected to the gas introduction section, A throat portion configured to have a minimum cross-sectional area over the entire nozzle, and a gas injection portion connected to the throat portion and configured to gradually expand the cross-sectional area with a predetermined divergence angle, The gas passing through the nozzle is adiabatically expanded and accelerated from the gas injection unit into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the speed of sound, so that the reactive gas injection surface is formed into a long linear shape. A gas supply step of supplying a reactive gas from a gas supply port of a supersonic nozzle that forms a gas flow path to be hampered, and forming an electric field in the flow path of the nozzle and exciting the gas by plasma , Generating a plasma and adiabatically expanding the gas plasma to accelerate the gas plasma in a desired direction so as to have a flow velocity larger than the sonic velocity, and moving the substrate to be processed in the vicinity of the injection port in the longitudinal direction of the supersonic nozzle. A second object of the present invention is to conduct a two-dimensional surface treatment on the surface of the substrate to be processed by introducing high-speed gas plasma to the surface of the gas to be processed while transporting the substrate perpendicularly to the direction.
【0022】なお、本発明の装置および方法において、
厳密には「断熱」状態は作り得ないが、熱の出入りを極
めて少なくした状態という意味で「断熱」という語を用
いている。In the apparatus and method of the present invention,
Strictly speaking, "adiabatic" state cannot be created, but the term "adiabatic" is used to mean a state where heat flow is extremely low.
【0023】また、この超音速ノズルはガス噴射部では
断面積が徐々に拡大せしめられるように構成されてお
り、出口ではガス噴射部内で最大断面積を構成するが、
必ずしもノズル全体で最大断面積をとる必要はない。The supersonic nozzle is configured so that the cross-sectional area is gradually enlarged at the gas injection section, and the maximum cross-sectional area is formed within the gas injection section at the outlet.
It is not necessary to take the maximum cross-sectional area over the entire nozzle.
【0024】本発明によれば、長尺のノズルを構成し
二次元的に一様なカーテン状の超音速気流を形成するこ
とができる。 そして、これを走査することにより、作
業性よく、二次元的に均一な表面処理を行うことが可能
である。また、本発明は、超音速ノズルを用いたプラズ
マ表面処理のみならず、高速ガス流を噴射して表面処理
をおこなう表面処理全般についてもいえる。According to the present invention, a long nozzle is formed.
A two-dimensionally uniform curtain-like supersonic airflow can be formed. By scanning this, it is possible to perform a two-dimensionally uniform surface treatment with good workability. The present invention can be applied not only to plasma surface treatment using a supersonic nozzle, but also to general surface treatment in which high-speed gas flow is applied to perform surface treatment.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照しつつ詳細に説明する。本発明実施例の表面処
理装置は、図1に示すように、幅方向に対して長さ方向
が十分に長くなるように形成され、断面積が徐々に小さ
くなるように構成されたガス導入部1と、前記ガス導入
部1に接続され、ノズル全体で最小の断面積をもつよう
に構成されたスロート部2と、前記スロート部2に接続
され、所定の広がり角をもって断面積が徐々に拡大せし
められ、最大断面積をとるように構成されたガス噴射部
3とからなる超音速ノズルと、このガス導入部1の両端
に相対向するように配設された1対の放電電極5a,5
bと、これらを介してガス導入部を通過する反応性ガス
に高周波電圧を印加し、プラズマ励起する高周波電源6
とを具備し、該ノズル内を通過するガスを断熱膨張せし
め、ガス噴射部3から、前記処理室内に音速よりも大き
い流速となるように加速し、反応性ガスの噴射面がやや
幅をもった長尺の線状に噴射せしめられるようにし、搬
送ローラ8によって、この超音速ノズルのガス噴射部の
長手方向に対して垂直に被処理基体7を搬送することに
より、二次元方向の薄膜形成を行うようにしたものであ
る。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the surface treatment apparatus according to the embodiment of the present invention is formed so that the length direction is sufficiently long with respect to the width direction and the cross-sectional area is gradually reduced. 1 and a throat portion 2 connected to the gas introduction portion 1 and configured to have a minimum cross-sectional area over the entire nozzle, and a throat portion 2 connected to the throat portion 2 and having a predetermined divergence angle to gradually increase the cross-sectional area. And a pair of discharge electrodes 5a, 5 disposed at both ends of the gas inlet 1 so as to face each other.
b, and a high-frequency power source 6 for applying a high-frequency voltage to the reactive gas passing through the gas inlet through these to excite the reactive gas.
The gas passing through the nozzle is adiabatically expanded, accelerated from the gas injection unit 3 into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the sonic velocity, and the reactive gas injection surface has a slight width. The substrate 7 to be processed is transported perpendicularly to the longitudinal direction of the gas injection portion of the supersonic nozzle by the transport roller 8 to form a two-dimensional thin film. Is performed.
【0026】なお、図示しないが、少なくともノズルの
噴射口3aは真空排気可能なチャンバー内に配設され、
このチャンバーは、メカニカルブースターポンプとロー
タリーポンプとからなる真空ポンプによって所望の圧力
Pchとなるように真空排気される。また被処理基体はヒ
ータ(図示せず)によって所望の温度に維持されてい
る。さらにこの装置では、ノズルは、内部を通過する反
応性ガスが断熱膨張せしめられてノズルの噴射口3aか
ら音速 aよりも大きい流速uで噴射されるように、後述
する条件の下で、超音速ノズルを構成する。Although not shown, at least the injection port 3a of the nozzle is disposed in a chamber capable of evacuating,
This chamber is evacuated to a desired pressure Pch by a vacuum pump including a mechanical booster pump and a rotary pump. The substrate to be processed is maintained at a desired temperature by a heater (not shown). Further, in this device, the nozzle is operated at a supersonic speed under the conditions described later so that the reactive gas passing therethrough is adiabatically expanded and injected from the injection port 3a of the nozzle at a flow velocity u greater than the sonic velocity a. Configure the nozzle.
【0027】このノズルは、断面中細のノズルであり、
被処理基体7の表面に噴射すべき反応性ガス6(例えば
CH4とH2の混合ガス)がガス導入部1(断面の幅w:
50mmΦ)から導入され、ガス進行に伴い断面積が徐
々に小さくなるよう構成されたガス導入部1と、ノズル
全体で最小の断面積A1(幅d1:16mmΦ) をなす
スロート部(喉部)2 と、所定の広がり角をもって断
面積が徐々に拡大し、最大断面積 A2(幅d2:40m
mΦ)のガス噴射口3aからプラズマ流4が噴射される
ガス噴射部5とから構成されている。そして、被処理基
体7は、ノズルの噴射口3aから噴射される線状のプラ
ズマ流4に対向するように搬送ローラ8によって連続的
に移動される。This nozzle is a thin nozzle having a medium cross section.
The reactive gas 6 (for example, a mixed gas of CH 4 and H 2 ) to be injected onto the surface of the substrate 7 to be treated is introduced into the gas introduction section 1 (cross section width w:
50 mmΦ), and a gas inlet 1 configured so that the cross-sectional area gradually decreases as the gas progresses, and a throat (throat) 2 that forms the smallest cross-sectional area A1 (width d1: 16 mmΦ) across the nozzle. , The cross-sectional area gradually increases with a predetermined spread angle, and the maximum cross-sectional area A2 (width d2: 40 m
(mΦ) from the gas injection port 3a. Then, the substrate 7 is continuously moved by the transport roller 8 so as to face the linear plasma flow 4 ejected from the ejection port 3a of the nozzle.
【0028】スロート部2の両端外壁には、プラズマ生
成手段として1対の放電電極5a,5bが配設されてお
り、該放電電極5a,5bに高周波電流(500W、1
3.56MHz)が通電されるとスロート部3内に誘導
電磁場が形成され、スロート部2を通過するガスが、プ
ラズマ励起される。A pair of discharge electrodes 5a and 5b are disposed on the outer walls at both ends of the throat portion 2 as plasma generating means, and a high-frequency current (500 W, 1 W) is applied to the discharge electrodes 5a and 5b.
When a current of 3.56 MHz is applied, an induced electromagnetic field is formed in the throat section 3, and the gas passing through the throat section 2 is plasma-excited.
【0029】そして、プラズマ化された高密度ガスは、
下流側のガス噴出部3によるノズルの広がりのために膨
張加速され、ガス噴射口3aから超音速のカーテン状の
プラズマ流4となって噴射される。The high-density gas that has been turned into plasma is
The gas is expanded and accelerated due to the expansion of the nozzle by the gas ejecting portion 3 on the downstream side, and is ejected from the gas ejecting port 3a as a supersonic curtain-shaped plasma flow 4.
【0030】ここで、スロート部2の前後の断面広がり
角は、あまり大きいと壁面で境界層の剥離が発生するの
で、適切な大きさ、たとえば15°程度とする必要があ
る。スロート部2において、プラズマ化された高密度の
反応性ガスは、その熱によって反応性の高い、つまり被
処理基体上において反応し易い状態に励起される。2次
元の長尺ノズルについて、実験結果から、立体断面につ
いても、従来のラバールノズルと同様の効果を得ること
ができ、さらに、立体に拡張して演算をおこなった場
合、断面図での演算結果とほぼ一致することがわかる。Here, if the cross-sectional divergence angle before and after the throat portion 2 is too large, separation of the boundary layer occurs on the wall surface, so that it is necessary to set it to an appropriate size, for example, about 15 °. In the throat section 2, the plasma-converted high-density reactive gas is excited by the heat into a highly reactive state, that is, a state in which the gas easily reacts on the substrate to be processed. From the experimental results, for a two-dimensional long nozzle, the same effects as those of the conventional Laval nozzle can be obtained for the three-dimensional cross section. Further, when the calculation is performed by expanding the three-dimensional cross section, the calculation result in the cross-sectional view is obtained. It can be seen that they almost match.
【0031】ところで、この反応性ガスは、温度が非常
に高く、場合によっては1万数千度にも達するため、こ
れを被処理基体上に噴射した場合には、被処理基体自体
がこの温度に耐えられないことがある。Incidentally, the temperature of the reactive gas is very high, and in some cases, reaches as high as 10,000 degrees. Therefore, when the reactive gas is sprayed onto the substrate to be processed, the substrate to be processed itself has the temperature. May not be able to endure.
【0032】しかしながら、内部を通過する反応性ガス
が断熱膨張せしめられるように設計されているため、こ
の断熱膨張過程において急冷され、被処理基体表面に達
するまでには基板の劣化を生じない程度の適切な温度に
なる。このときの温度は、上記末広比A2/A1によって
決まるので、ノズルの設計条件によって任意の温度を得
ることができる。However, since the reactive gas passing through the inside is designed to be adiabatically expanded, the reactive gas is rapidly cooled during the adiabatic expansion process, and is not sufficiently deteriorated before reaching the surface of the substrate to be processed. Get the right temperature. Since the temperature at this time is determined by the divergent ratio A2 / A1, an arbitrary temperature can be obtained depending on the design conditions of the nozzle.
【0033】一次元流体力学の理論によれば、完全気体
の断熱流れにおける流体温度と流速の関係は次式により
表される。According to the theory of one-dimensional hydrodynamics, the relationship between the fluid temperature and the flow velocity in the adiabatic flow of a complete gas is expressed by the following equation.
【0034】 T0=T+(1/2)・{(γ―1)/(γ・R)}・(u)2 …(1) あるいは、 T0/T=1+{(γ―1)/2}・(M)2 …(2) ここに、 T0:流れの全温度(加熱部であるスロート部3の温度
にほぼ等しい) T:流れの静温度(いわゆる温度) γ:ガスの比熱比 R:ガス定数 u:流れの流速 M:マッハ数 である。T 0 = T + (1/2) · {(γ−1) / (γ · R)} · (u) 2 (1) Alternatively, T 0 / T = 1 + {(γ−1) / 2} · (M) 2 (2) where, T 0 : the total temperature of the flow (substantially equal to the temperature of the throat portion 3, which is a heating unit) T: the static temperature of the flow (so-called temperature) γ: the specific heat of the gas Ratio R: gas constant u: flow velocity M: Mach number.
【0035】上記(2)式は、上記(1)式をマッハ数
(u/a、a:音速)を用いて書き換えたものである。
また、マッハ数 Mは、末広比 A2/A1の関数として一
義的に決定される。The above equation (2) is obtained by rewriting the above equation (1) using Mach numbers (u / a, a: sound velocity).
The Mach number M is uniquely determined as a function of divergent ratio A 2 / A 1.
【0036】上記(1)式より断熱膨張過程では、全温
度T0の値が一定に保たれるため、流速uの増加ととと
もに、静温度Tの低下が起こることがわかる。つまり、
流れの速度が大きいほど、急速な温度低下が起こる。From the above equation (1), it can be seen that in the adiabatic expansion process, the value of the total temperature T 0 is kept constant, so that the static temperature T decreases as the flow velocity u increases. That is,
The higher the flow rate, the more rapid the temperature drop.
【0037】さらにまた、本発明の表面処理装置を用い
た表面処理方法によれば、高密度で反応性の高いガス
を、任意の温度にまで低下させて、被処理基体7上に導
くことでき、この結果大面積にわたり均一な膜を形成す
ることができ、作業効率のみならず膜質を大幅に向上す
ることができる。Further, according to the surface treatment method using the surface treatment apparatus of the present invention, a high-density and highly reactive gas can be reduced to an arbitrary temperature and guided onto the substrate 7 to be treated. As a result, a uniform film can be formed over a large area, and not only the working efficiency but also the film quality can be greatly improved.
【0038】なお、この実施例では、成膜について説明
したが、エッチングなどにも適用可能である。また前記
実施例では、基板を搬送するようにしたが、ノズル側を
所望の速度で搬送するようにしてもよい。In this embodiment, the film formation has been described, but the present invention is also applicable to etching and the like. In the above embodiment, the substrate is transported, but the substrate may be transported at a desired speed on the nozzle side.
【0039】また、この実施例では、プラズマ励起のた
めの放電電極をガス導入部の両端にに配設しているが、
これに限定されることなく適宜変更可能である。In this embodiment, the discharge electrodes for exciting the plasma are arranged at both ends of the gas introduction part.
Without being limited to this, it can be changed as appropriate.
【0040】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。この表面処理装置は、図2に示すように、放電電
極15a,15bをメッシュ状にし、ノズル内のガス流
に直交するように配設したことを特徴とするものであ
る。他の部分については前記第1の実施例とまったく同
様に形成されている。この場合、ガス流が放電電極に直
接接触するため、反応性ガスに対して反応しにくい電極
材料を用いる必要がある。Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the surface treatment apparatus is characterized in that the discharge electrodes 15a and 15b are formed in a mesh shape and are arranged so as to be orthogonal to the gas flow in the nozzle. The other parts are formed in exactly the same manner as in the first embodiment. In this case, since the gas flow directly contacts the discharge electrode, it is necessary to use an electrode material that does not easily react with the reactive gas.
【0041】また、本発明の第3の実施例として図3に
示すように、放電電極25a,25bを、ノズルのガス
導入部1の内壁に沿って配設したことを特徴とするもの
である。他の部分については前記第1の実施例とまった
く同様に形成されている。この場合も、ガス流が放電電
極に直接接触するため、反応性ガスに対して反応しにく
い電極材料を用いる必要がある。As a third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the discharge electrodes 25a and 25b are arranged along the inner wall of the gas inlet 1 of the nozzle. . The other parts are formed in exactly the same manner as in the first embodiment. Also in this case, since the gas flow directly contacts the discharge electrode, it is necessary to use an electrode material that does not easily react with the reactive gas.
【0042】また、本発明の第4の実施例として図4に
示すように、放電電極35a,35bを、ノズルのガス
導入部1の外壁に沿って配設し、誘導加熱により、ノズ
ル内を通過するガスをプラズマ励起する様にしてもよ
い。As shown in FIG. 4 as a fourth embodiment of the present invention, discharge electrodes 35a and 35b are arranged along the outer wall of the gas introduction section 1 of the nozzle, and the inside of the nozzle is heated by induction heating. The passing gas may be excited by plasma.
【0043】また、本発明の第5の実施例として図5に
示すように、放電電極45a,45bを、ノズルのスロ
ート部2の内壁に沿って配設し、高周波電源6によって
高周波電圧を印加し、ノズル内を通過するガスをプラズ
マ励起する様にしてもよい。さらに本発明の第6の実施
例として図6に示すように、ノズルのガス導入部1を貫
通するガス供給管11からここに供給される反応性ガス
を、プラズマ励起手段として、導波管55を通過してき
たマイクロ波12によって励起するようにしてもよい。
他の部分については前記実施例と同様に形成されてい
る。そしてこのガス供給管11は図7に示すようにパイ
プの一部に等間隔で配設された孔からパイプに垂直な方
向に噴出されるように構成されている。As a fifth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, discharge electrodes 45a and 45b are arranged along the inner wall of the throat portion 2 of the nozzle, and a high-frequency power source 6 applies a high-frequency voltage. Alternatively, the gas passing through the nozzle may be plasma-excited. Further, as a sixth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, a reactive gas supplied here from a gas supply pipe 11 penetrating through a gas introduction part 1 of a nozzle is used as a plasma exciting means as a waveguide 55. May be excited by the microwave 12 that has passed through.
Other parts are formed in the same manner as in the above embodiment. As shown in FIG. 7, the gas supply pipe 11 is configured to be blown in a direction perpendicular to the pipe from holes provided at equal intervals in a part of the pipe.
【0044】なお、前記実施例では、ラバールノズルに
ついて説明したが、 他の構造のノズルを用いてもよいこ
とはいうまでもない。Although the Laval nozzle has been described in the above embodiment, it goes without saying that a nozzle having another structure may be used.
【0045】加えて、前記実施例では、成膜方法につい
て説明したが、成膜に限定されることなく、エッチング
にも適用可能であることはいうまでもない。In addition, in the above-described embodiment, the film forming method has been described. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the film forming method but can be applied to the etching.
【0046】[0046]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、大面積にわたって高速で均一な薄膜形成あるいはエ
ッチングを効率よく行うことが可能となる。As described above, according to the present invention, a uniform thin film can be formed or etched efficiently over a large area at high speed.
【図1】本発明の第1の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 1 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 2 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 3 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第4の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 4 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第5の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 5 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第6の実施例の表面処理装置を示す図FIG. 6 is a diagram showing a surface treatment apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
【図7】同表面処理装置のガス供給管を示す図FIG. 7 is a view showing a gas supply pipe of the surface treatment apparatus.
【図8】従来例の表面処理装置用を示す図FIG. 8 is a diagram showing a conventional surface treatment apparatus.
1 ガス導入管 2 スロート部(喉部) 3 ガス噴射管 4 プラズマ流 5a,5b 放電電極 6 高周波電源 7 被処理基板 11 ガス供給管 12 マイクロ波 15a,15b 放電電極 25a,25b 放電電極 35a,35b 放電電極 45a,45b 放電電極 55 導波管 101 ガス導入管 102 スロート部(喉部) 103 ガス噴射管 104 プラズマ流 105a,105b 放電電極 106 高周波電源 107 被処理基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas introduction pipe 2 Throat part (throat part) 3 Gas injection pipe 4 Plasma flow 5a, 5b Discharge electrode 6 High frequency power supply 7 Substrate to be processed 11 Gas supply pipe 12 Microwave 15a, 15b Discharge electrode 25a, 25b Discharge electrode 35a, 35b Discharge electrode 45a, 45b Discharge electrode 55 Waveguide 101 Gas introduction tube 102 Throat (throat) 103 Gas injection tube 104 Plasma flow 105a, 105b Discharge electrode 106 High frequency power supply 107 Substrate to be processed
Claims (7)
ることにより前記被処理基体の表面処理を行う表面処理
装置用ノズルにおいて、 幅方向に対して長さ方向が十分に長く、流路に沿った幅
方向断面がすべて同一なシート状流路を構成し、下流に
向かうに従って、断面積が徐々に小さくなるように構成
されたガス導入部と、前記ガス導入部に接続され、ノズ
ル全体で最小の断面積をもつように構成されたスロート
部と、前記スロート部に接続され、所定の広がり角をも
って断面積が徐々に拡大せしめられるように構成された
ガス噴射部とからなり、該ノズル内を通過するガスを断
熱膨張せしめ、ガス噴射部から、前記処理室内に音速よ
りも大きい流速となるように加速し、反応性ガスの噴射
面が長尺の線状をなすように、噴射せしめられることを
特徴とする表面処理装置用ノズル。1. A nozzle for a surface treatment apparatus for performing a surface treatment on a substrate to be treated by injecting a reactive gas onto a surface of the substrate to be treated, wherein a length direction is sufficiently long in a width direction, and a flow path is provided. A cross section in the width direction along the same constitutes the same sheet-shaped flow path, and a gas introduction section configured so that the cross-sectional area gradually decreases toward the downstream, and connected to the gas introduction section, the entire nozzle A throat portion configured to have a minimum cross-sectional area at the throat portion, and a gas injection portion connected to the throat portion and configured to gradually expand the cross-sectional area with a predetermined divergence angle, the nozzle The gas passing therethrough is adiabatically expanded, accelerated from the gas injection unit into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the speed of sound, and injected so that the injection surface of the reactive gas forms a long linear shape. Be Nozzle surface treatment apparatus according to claim and.
にガスプラズマを噴射することにより前記被処理基体の
表面処理を行う表面処理装置において、 前記処理室内を所望の圧力に真空排気する真空排気手段
と、 幅方向に対して長さ方向が十分に長く、流路に沿った幅
方向断面がすべて同一なシート状流路を構成し、下流に
向かうに従って、断面積が徐々に小さくなるように構成
されたガス導入部と、前記ガス導入部に接続され、ノズ
ル全体で最小の断面積をもつように構成されたスロート
部と、前記スロート部に接続され、所定の広がり角をも
って断面積が徐々に拡大せしめられるように構成された
ガス噴射部とからなり、該ノズル内を通過するガスを断
熱膨張せしめ、ガス噴射部から、前記処理室内に音速よ
りも大きい流速となるように加速し、反応性ガスの噴射
面が長尺の線状をなすように噴射せしめられるようにガ
ス流路を形成する超音速ノズルと、 前記超音速ノズルの流路の一部でノズル内を通過するガ
スをプラズマ励起するプラズマ生成手段と、 前記超音速ノズルの前記ガス導入部に、前記反応性ガス
を供給するガス供給手段と、 前記超音速ノズルのガス噴射部の長手方向に対して垂直
に前記被処理基体を相対的に搬送する搬送手段とを具備
し、二次元の表面処理を可能にしたことを特徴とする表
面処理装置2. A surface treatment apparatus for performing a surface treatment of a substrate to be processed by injecting gas plasma onto a surface of the substrate to be processed provided in the processing chamber, wherein a vacuum is evacuated to a desired pressure in the processing chamber. The evacuation means, the length direction is sufficiently long with respect to the width direction, and the width direction cross section along the flow path constitutes the same sheet-shaped flow path, and the cross-sectional area gradually decreases toward the downstream. And a throat portion connected to the gas introduction portion and configured to have a minimum cross-sectional area over the entire nozzle, and a throat portion connected to the throat portion, the cross-sectional area having a predetermined spread angle. A gas injection unit configured to be gradually expanded, and adiabatically expands the gas passing through the nozzle so that the gas injection unit has a flow velocity larger than the sonic velocity in the processing chamber. A supersonic nozzle which forms a gas flow path so that the injection surface of the reactive gas can be ejected so as to form a long linear shape, and passes through the nozzle at a part of the flow path of the supersonic nozzle Plasma generating means for plasma-exciting the gas to be generated; gas supply means for supplying the reactive gas to the gas introduction part of the supersonic nozzle; and perpendicular to the longitudinal direction of the gas injection part of the supersonic nozzle. A surface treatment apparatus comprising: a conveyance unit for relatively conveying the substrate to be processed, thereby enabling two-dimensional surface treatment.
ズルのガス導入部またはスロート部の両端に互いに相対
向するように配設された1対の放電電極を介して前記超
音速ノズルを通過する反応性ガスに高周波電力を印加す
るように構成されていることを特徴とする請求項2記載
の表面処理装置。3. The supersonic nozzle passes through the supersonic nozzle via a pair of discharge electrodes disposed at both ends of a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. 3. The surface treatment apparatus according to claim 2, wherein the apparatus is configured to apply high frequency power to the reactive gas.
ズルのガス導入部またはスロート部の長手方向に沿った
外壁に互いに相対向するように配設された1対の放電電
極を介して前記超音速ノズルを通過する反応性ガスに高
周波電力を印加するように構成されていることを特徴と
する請求項2記載の表面処理装置。4. The plasma generating means includes a pair of discharge electrodes disposed on an outer wall along a longitudinal direction of a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. 3. The surface treatment apparatus according to claim 2, wherein high-frequency power is applied to the reactive gas passing through the sonic nozzle.
ズルのガス導入部またはスロート部の長手方向に沿った
内壁に互いに相対向するように配設された1対の放電電
極を介して前記超音速ノズルを通過する反応性ガスに高
周波電力を印加するように構成されていることを特徴と
する請求項2記載の表面処理装置。5. The plasma generating means includes a pair of discharge electrodes disposed on the inner wall along a longitudinal direction of a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to face each other. 3. The surface treatment apparatus according to claim 2, wherein high-frequency power is applied to the reactive gas passing through the sonic nozzle.
ズルのガス導入部またはスロート部内に、長手方向に沿
って、ガス流に直交して互いに対向するように配設され
た1対のメッシュ状の放電電極を介して前記超音速ノズ
ルを通過する反応性ガスに高周波電力を印加するように
構成されていることを特徴とする請求項2記載の表面処
理装置。6. The plasma generating means includes a pair of mesh-like members arranged in a gas introduction portion or a throat portion of the supersonic nozzle so as to be opposed to each other in a longitudinal direction at right angles to a gas flow. The surface treatment apparatus according to claim 2, wherein high frequency power is applied to the reactive gas passing through the supersonic nozzle via the discharge electrode.
空排気工程と、 前記処理室内に噴射口が設置され、幅方向に対して長さ
方向が十分に長く、流路に沿った幅方向断面がすべて同
一なシート状流路を構成し、下流に向かうに従って、断
面積が徐々に小さくなるように構成されたガス導入部
と、前記ガス導入部に接続され、ノズル全体で最小の断
面積をもつように構成されたスロート部と、前記スロー
ト部に接続され、所定の広がり角をもって断面積が徐々
に拡大せしめられるように構成されたガス噴射部とから
なり、該ノズル内を通過するガスを断熱膨張せしめ、ガ
ス噴射部から、前記処理室内に音速よりも大きい流速と
なるように加速し、反応性ガスの噴射面が長尺の線状を
なすように噴射せしめられるようにガス流路を形成する
超音速ノズルの、ガス供給口から、反応性ガスを供給す
るガス供給工程と、 前記ノズルの流路に電場を形成し、前記ガスをプラズマ
励起することにより、ガスプラズマを生成する工程と、 前記ガスプラズマを断熱膨張させて音速よりも大きい流
速となるように所望の方向に加速すると共に、前記噴射
口の近傍で、被処理基板を前記超音速ノズルの長手方向
に垂直に搬送しながら、被処理基板表面に高速のガスプ
ラズマを導くことにより前記被処理基体の表面処理を行
うようにしたことを特徴とする表面処理方法。7. A vacuum evacuation step of evacuating the processing chamber to a desired pressure, wherein an injection port is provided in the processing chamber, the length direction is sufficiently long with respect to the width direction, and the width direction along the flow path is provided. A cross section constitutes the same sheet-shaped flow path, and a gas introduction section configured so that the cross-sectional area gradually decreases as going downstream, and is connected to the gas introduction section, and has a minimum cross-sectional area of the entire nozzle. A throat portion configured to have the following configuration, and a gas injection portion connected to the throat portion and configured to gradually expand the cross-sectional area with a predetermined divergence angle, and a gas passing through the nozzle. Adiabatic expansion, accelerated from the gas injection unit into the processing chamber so as to have a flow velocity larger than the speed of sound, and the gas flow path so that the reactive gas injection surface is injected so as to form a long linear shape. Super sound forming A gas supply step of supplying a reactive gas from a gas supply port of a nozzle; a step of forming an electric field in a flow path of the nozzle and exciting the gas by plasma to generate a gas plasma; Adiabatic expansion of the substrate to accelerate in a desired direction so as to have a flow velocity larger than the sonic velocity, and transporting the substrate to be processed in the vicinity of the injection port in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the supersonic nozzle. A surface treatment method, wherein a surface treatment of the substrate to be treated is performed by introducing high-speed gas plasma to the surface.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP20610296A JPH1050622A (en) | 1996-08-05 | 1996-08-05 | Nozzle for surface treatment apparatus, surface treatment apparatus and surface treatment method using it |
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