JPS6369538A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は１反応装置に関するもので、特に、縮小拡大ノ
ズルを有する反応装置に関するものである。

本明細書において、縮小拡大ノズルとは、流入口側から
中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部となり
、こののど部から流出口に向って徐々に開口面積が拡大
されているノズルをいう。

また、反応とは、化学反応だけでなく、気相、液相及び
固相間の原料の相変化、クラスターの生成、更には原料
の活性化等、化学反応は伴なわない物性変化をも含むも
のである。また、ビームとは、理想的には流れ方向に断
面積がほぼ一定の噴流のことをいい、その断面形状は問
わないものである。また、非成膜ガスとは、それのみで
は膜形成能を生じないガスをいう。成膜ガスとは、エネ
ルギーの付与によって膜形成能を生じるガス及び当該ガ
スと非成膜ガスの混合ガスをいう。

［従来の技術］ 従来より、プラズマ室と捕集室との間に末広ノズルを設
けた反応装置が知られている。この装置は上流側のプラ
ズマ室に非成膜ガスを導入し、プラズマを発生させ励起
活性種のプラズマガスをつくり出した後、末広ノズルに
よってこのプラズマガスを下流側の捕集室に移送すると
共に、捕集室内において成膜ガスと接触・反応させ、基
体上において薄膜形成を行うようにしたものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような装置にあっては、雰囲気状の
Ｂ物質に、ノズルから導かれたＡ物質を噴射させるもの
であるため、下流側においては、その反応場となる領域
が拡散してしまう、したがって、物質相互の混合密度が
低くなり、原料の利用効率が悪くなるばかりでなく１反
応によって得られる生成物の歩留りも低下してしまう、
また、２室が分離しているため、プラズマ室で生成され
た励起活性種のうち、特に寿命の短いものは基体に到達
する前に活性化エネルギーを失い、基体上において目的
とする膜の生成が十分に行なわれなくなるという欠点が
あった。

本発明は、上述の従来技術の欠点を解決した新規な反応
装置を提供することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために講じられた手段を、本発明
の一実施例に対応する第１図を用いて説明すると１本発
明は流路に加熱可能な材質から成る縮小拡大ノズル等の
ノズル１を設けると共に、このノズルｌの本体に加熱手
段１１を設けたことを特徴とする反応装置である。

なお、本発明における縮小拡大ノズルとは、流入口１ａ
から中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部２
となり、こののど部２から流出口１ｂに向って徐々に開
口面積が拡大されているノズルをいう、第１図において
は、説明の便宜上、縮小拡大ノズルの流入側と流出側は
、各々密閉系であるプラズマ室４と捕集室５に連結され
ている。しかし、本発明における縮小拡大ノズルの流入
側と流出側は、両者間に差圧を生じさせて、下流側で排
気しつつプラズマガスを流過させることができれば、密
閉系であっても開放系であってもよい。

［作　用］ 第１図に示されるように、供給管１０からプラズマ発生
装置３に非成膜ガスを供給する一方、捕集室５内の空気
を真空ポンプ等（図示せず）で排気口１５から排気する
と、プラズマ室４と捕集室５間に圧力差を生じる。従っ
て、プラズマ発生装置３においで発生するプラズマガス
は、供給環１３から供給される成膜ガスと接触してプラ
ズマ室４からノズルｌを流過して捕集室５へと流入する
ことになる。ところで、ノズル１は加熱可能な材質であ
るので、このノズル１への流入によって流れが集束され
た状態となったときに、ノズルｌを介して熱エネルギー
を付与すれば、全体に均一に且つ効率良く熱エネルギー
付与を行うことができる。

この熱エネルギーを付与する位置は、第２図の矢印イの
ようにのど部２より上流側で行ってもよいし、矢印口に
ようにのど部２より下流側で行ってもよい。

また、ノズル部を加熱し、ノズルの温度ＴＮを基板温度
Ｔｓよりも高い温度に保てば、そのままでは反応しにく
い成膜ガス材料から化学的に反応しやすいラジカルを作
り、低い温度Ｔｓの基体１２上に膜を成長させる事が出
来る。この方法では低温での反応とする事が出来るため
１反応表面での再反応を防止する事が出来る。

また上記方法によれば従来と同一原材料を用いても、従
来とは異なる１漠を得る事も可能である。

縮小拡大ノズルは、上流側であるプラズマ室４の圧力Ｐ
０と下流側である捕集室５の圧力Ｐの圧力比Ｐ／Ｐｏと
、のど部２の開口面積Ａ−と流出口１ｂの開口面ＭＡと
の比Ａ／Ａ”とを調節することによって、噴出するプラ
ズマガスの流れを音速より速くすることができる。そし
て、プラズマ室４と捕集室５内の圧力比Ｐ／Ｐ　ｏが臨
界圧力比より大きければ、ｌｉ！小拡大ノズルの出口流
速が亜音速以下の流れとなり、プラズマガスは減速噴出
される。また、上記圧力比が臨界圧力比以下であれば、
縮小拡大ノズルの出口流速は超音速流となり、プラズマ
ガスを超音速にて噴出させることができる。

なお、臨界圧力比とは次の様なものとする。すなわちノ
ズルののど部２で流速が音速に一致すると、ノズル出口
の流速は理想的にはのど部２の断面積Ａ°とノズル出口
の断面［Ａとの比で決るマツハ数Ｍに一致する様になる
。この関係は具体的には後述する（２）式で決まる。こ
のようなマツ／＼数Ｍに対し１次の（１）式 で定まるプラズマ室４の圧力ＰＯと捕集室５の圧力Ｐと
の圧力比Ｐ／Ｐ　Ｏを臨界圧力比と呼ぶ。

ここで、流れの速度をＵ、その点における音速をａ、流
れの比熱比をγとし、流れを圧縮性の一次元流で断熱膨
張すると仮定すれば、流れの到達マツハ数Ｍは、上流側
の圧力Ｐａと下流側の圧力Ｐ′とから次式で定まり、特
にＰ’／ＰＯが臨界圧力比以下の場合１Ｍは１以上とな
る。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとすると、次
式で求めることができる。

ａ＝「「「丁 また、流出口１ｂの開口面積Ａ及びのど部２の開口面精
Ａ°とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、上流側の圧力ＰＯと下流側の圧力Ｐ′の圧力比
Ｐ’／ＰＧによって（２）式から定まるマツハ数Ｍに応
じて開口面積比Ａ／Ａ”を定めることによって、縮小拡
大ノズルから噴出するプラズマガスを超音速の適正膨張
流として噴出させることができる。この適正膨張流とは
、流出口ＩＣにおけるプラズマガスの圧力と捕集室５の
圧力Ｐとが等しい流れで、このときのプラズマガスの速
度Ｕは、上流側の温度を丁０とすると、次の（４）式に
よって求めることができる。なお、　Ｔｏはプラズマ室
４でのガス温度である。

上述のような超音速の適正膨張流としてプラズマガスを
一定方向へ噴出させると、プラズマガスは噴出後最小限
の拡散で直進し、ビーム化される。これによってプラズ
マガスは、最小限の拡散で捕集室５内の空間中を、捕集
室５の壁面との干渉のない空間的に独立状態で、かつ超
音速で噴出されることになる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す反応装置の概略構成図
である。第１図に示されるように１反応装置１００はプ
ラズマ室４と捕集室５が縮小拡大ノズル（以下、ノズル
と称す）１を介して連通されている。

プラズマ室４内には、ノズル１の流入口１ａと対向する
位置に、プラズマ発生装置３が設けられている０本実施
例におけるプラズマ発生装置３は、電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）を使ってプラズマを形成する空胴共振器
６を有するものとなっている。この空胴共振器６は、プ
ラズマを効率良く形成できるよう、ＥＣＲ条件を満すも
のであることが好ましい。

空胴共振器６の後壁部には、例えば石英等のマイクロ波
の透過を許容する材料で形成されたマイクロ波導入窓７
を介して導波管８が接続されている。また、空胴共振器
６内には、非成膜ガスが供給されるようになっている。

ここで非成膜ガスとは、マイクロ波放電によってプラズ
マ化されるガスであって、それ自身のみでは成膜能を生
じないガスをいう、具体的には、例えばＮ２．　Ｎ２．
　Ａｒ等のガスである。

ノズル１は、その流入口１ａをプラズマ室４内に開口さ
せ、流出口１ｂを捕集室５内に開口させて両室４，５を
連通させている。ノズルｌの流入口近傍には、成膜ガス
を供給するための供給環１３が設けられている。供給環
１３は、多数の小孔を有する環状のパイプで、前記空胴
共振器６から引き出されたプラズマガスに向って成膜ガ
スを供給するものである。なお、ここで成膜ガスとは、
活性化されたプラズマガスに触れて分解し、基体上で反
応して成膜能を生じるガスのことで、例えばジシランガ
ス等である。

ノズル１としては、先細ノズルや前述のように、流入口
１ａから徐々に開口面積が絞られてのど部２となり、再
び徐々に開口面間が拡大して流出口１ｂとなっている縮
小拡大ノズルを用いることができる。特に、縮小拡大ノ
ズルを用いた場合、第３図（ａ）に拡大して示しである
ように、流出口ｌｂ付近の内周面が、中心軸に対してほ
ぼ平行であることが好ましい、これは、ガスの流れ方向
が、ある程度流出口ｌｂ付近の内周面の方向によって影
響を受けるので、できるだけ平行流にさせやすくするた
めである。しかし、第３図（ｂ）に示されるように、の
ど部２から流出口１ｂへ至る内周面の中心軸に対する角
度αを、７°以下好ましくは５°以下とすれば、剥離現
象を生じにくく、噴出するガスの流れはほぼ均一に維持
されるので、この場合はことさら上記平行部を形成しな
くともよい、平行部の形成を省略することにより、ノズ
ル１の作製が容易となる。

一方、ノズル１を第３図（Ｃ）に示されるような矩形の
ものとすれば、スリット状に原料を噴出させることがで
きる。なお、第３図（Ｃ）に示した矩形ノズルの縦方向
及び横方向の長さの比率は、図に示したものに限らず、
各々が逆転したものであっても構わない、また、第３図
（ｄ）に示されるような形状のものとすれば、特に大面
私用として有用である。

ここで、前記剥離現象とはノズル１の内面に突起物等が
あった場合に、ノズルｌの内面と流過流体間の境界層が
大きくなって、流れが不均一になる現象をいい、噴出流
が高速になるほど生じやすい、前述の角度αは、この利
殖現象防止のために、ノズル１の内面仕上げ精度が劣る
ものほど小さくすることが好ましい、ノズルｌの内面は
、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１に定められる、表面仕上げ精度
を表わす逆三角形マークで三つ以上、最適には四つ以上
が好ましい、特に、ノズル１の拡大部における剥離現象
が、その後の原料の流れに大きく影響するので、上記仕
上げ精度を、この拡大部を重点にして定めることによっ
て、ノズル１の作製を容易にできる。また、やはり剥離
現象の発生防止のため、のど部２は滑らかな湾曲面とし
、断面積変化率における微係数が国とならないようにす
る必要がある。

ノズルｌの材質としては、熱により電子を放出し易い、
仕事関数の小さな金属が望ましく、例えば鉄、ステンレ
ス・スチール、その他金属の他。

タングステン、トリエイテッドタングステン等を用いる
ことができる。またノズルｌの長さは、装置の大きさ等
によって任意に定めることができる。

ノズルｌの本体周囲には、加熱手段１１が設けられてい
る。この加熱手段１１は、ノズル１を加熱し、内部表面
から熱電子を放出させるためのもので、例えば、タング
ステンなどの高融点の金属線を巻線状に形成し、外部電
源により加熱する方式の抵抗加熱器等を用いることがで
きる。このような加熱手段によって、ノズル１は常温〜
２０００℃程度に加熱される。

また、ノズル１と各室との取付部分には、断熱材１４が
設けられ、プラズマ室４や捕集室５への熱の影響を防ぐ
ようになっている。

さらに捕集室５内には、ノズル１の流出口１ｂと相対向
する位置に基体１２が設けられている。ノズル１から噴
出し、供給環１３を通過したガスはこの基体１２に衝突
し、基体１２上に被膜が形成される。なお、この基体１
２は複数個設けることもでき、その場合、平面的には千
鳥状に、また、立体的にはらせん状に配置することも可
能である。また捕集室５は、例えば真空ポンプ等（図示
せず）で排気されており、余剰ガスや反応ガス等は直に
排出される。

上記構成において、空胴共振器６内に非成膜ガス例えば
、　Ｎ２．０２．　Ａｒ、　Ｎｅ、　Ｘｅ等を供給すル
ト共に、マイクロ波導入窓７を介してマイクロ波を導入
すると、空胴共振器６内にプラズマが形成され、これが
前面の開口９から引き出されることになる。プラズマ発
生装置３で形成されたプラズマガスに、さらに供給環１
３から成膜ガス、例えば、ＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６，５ｉ
３Ｈａ、　ＴＭＳ、　Ｓ＋ＨＣＰ３等を供給すると、プ
ラズマガスと成膜ガスはノズル１によって移送され、捕
集室５に流入する。この時、ノズル１を加熱手段１１に
よって常温〜２０００℃程度に加熱すると、ノズル１の
内部表面から熱電子が放出される。したがって、ノズル
ｌを通過するプラズマガスとｒ＆膜ガスは、この熱電子
と衝突することによって励起され、プラズマ中の活性種
の寿命の短いものは再び活性化されて化学的に反応しゃ
すい状態となる。ここで、基体１２の温度ＴＳをノズル
部の温度丁ｓよりも低温に保てば、基体表面で膜が堆積
する。

［発明の効果］ 本発明によれば、プラズマガスを均一な分散状態の超音
速のビームとして、最小限の拡散状態で移送することが
できるため、原料の利用効率及び生成物の歩留りを向上
させることができる。また、捕集室壁面への不要な膜の
付着による汚れを防止することができる。さらに、ノズ
ル本体に設けられた加熱手段により、ビーム流を乱すこ
となくプラズマガスを再度活性化することができ、比較
的寿命の短い活性種を原料とした場合でも、良好な活性
状態のまま反応場まで導くことができる０例えば、ＣＨ
４とＨ２のプラズマから炭素膜を合成する場合、縮小拡
大ノズル単独では、活性種を良好な状態でノズルの後方
まで引き出すことは困難であるが、ノズルに加熱手段を
併設して電子銃としての機部をもたせることにより、基
体上において十分に固いダイヤモンド状の薄膜を合成す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図はノズ
ル部の部分拡大図、第３図（ａ）〜（ｄ）は各々縮小拡
大ノズルの形状例を示す図である。 ｌ：縮小拡大ノズル、３：プラズマ発生装置、４：プラ
ズマ室、５：捕集室、１１：加熱手段、１２：基体、１
３：供給環、１００：反応装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流路にノズルを設けると共に、このノズルの本体
   に加熱手段を設けたことを特徴とする反応装置。
2. （２）前記ノズルが、仕事関数の小さな金属より成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の反応装置
   。