JPS6381821A - 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、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桔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接が拡大
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
の活性化環、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
は膜を生じないガスをいう、成膜ガスとは、エネルギー
の付与及びまたは他のガスとの反応によって膜を生じる
ガス及び当該ガスと非成膜ガスの混合ガスをいう。

また、エツチングガスとは、エネルギーの付与及びまた
は他のガスとの反応によって膜のエツチングが可能にな
るガス及び当該ガスと非酸Ｒク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孔のあいた仕切
板を設けた反応装置が知られている。この装置は上流側
のプラズマ室に非酸ｎＱ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、孔に
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。

また、捕集室の（＋わりにエツチング室を設け、成膜ガ
スの科わりにエンチングガスを用いたエツチング装置も
知られている。

この装置は上流側のプラズマ室に非成膜性ガスを導入し
、プラズマを発生させた励起活性種のプラズマガスをつ
くり出した後、仕切板に設けられた孔によってこのプラ
ズマを下流側のエツチング室内においてエツチングガス
と接触・反応させ基体−Ｌにおいて基体のエツチングを
行う様にしたものである。

［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、孔から導かれた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、成膜装
置では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−１−
においてＬＩ的とする膜の生成が十り）に行なわれなく
なり、エツチングが十分に行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ＬＪ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−・実施例に対応する第１図を用いて説明すると１本
発明は波路に疎水性材料で形成された縮小拡大ノズル１
を設けた事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１とは、流入口１
ａ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［１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ｌ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
１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。

し作　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において発生するプラズマガス
は、プラズマ室４から縮小拡大ノズル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１縮小拡大ノズル１は疎水性材料で形成されて
いるので、プラズマ発生装置３で生じた活性種は縮小拡
大ノズルｌを流過する際にノズル壁面に吸着した水分に
よって失活する確率が大幅に減少する。

ノズル１が疎水性材料で形成されている場合には、ノズ
ル壁面に吸着している水分ＦＭは真空装置のバックグラ
ウンド圧力下で含まれている水分量よりも大幅に低いの
で、上述の効果が得られる。

疎水性材料としては、水に対する接触角（０）が大きい
ものが良好である。本発明においては接触角（０）が６
０以上のものが有効である。

縮小拡大ノズル１は、上流側であるプラズマ室４の圧力
ＰＯと下流側である捕集室５の圧力Ｐの圧力比φ／ＰＯ
と、のど部２の開口面積Ａ・と流出ｒｒ　ｉ　ｂの開口
面積Ａ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高速化できる。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、縮小拡大ノズルｌの出［］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、−１−足圧力比が臨界圧力比以下であれば、縮小
拡大ノズルの出［］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。

ここで、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
ノズル出口の断面積Ａとの比で決まるマツハ数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。このようなマツハ数Ｍに対し、次の（１）式 で定まる上流室３の圧力ＰＯと下流室４の圧力Ｐとの圧
力比Ｐ／Ｐａを臨界圧力比と呼ぶ。

また、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、プラズマ
室４の圧力−Ｐｏと捕集室５の圧力Ｐとから次式で定ま
り、特にＰ／Ｐ　ｏが臨界圧力比以下の場合、Ｍ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＝ｒマ］「「 また、流出口１ｂの開口面積Ａ及びのど部２の開口面積
Ａ◆とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、開口面積比Ａ／Ａ　”によって（２）式から定
まるＭに応じて圧力比Ｐ／Ｐｏを調整することによって
、縮小拡大ノズル１から噴出するプラズマガスをａ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１ｃにおけるプラズマガスの圧力と
下流側の圧力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Ｔｏとすると、次の（
３）式に与って求めることができる。

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直後の噴
流断面をほぼ保ちながら直進し、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。

［実施例コ 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、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。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ＩＨ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ｒ＆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、それ自身のみでは膜を生
じないガスをいう。具体的には、例えばＨ２，８２，Ａ
ｒ＄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１としては、前述のように、流入口１ａから徐々
に開［１而植が絞られてのど部２となり、再び徐々に開
口面積が拡大して流出口ｔｂとなっているものであれば
よいが、第２図（ａ）に拡大して示しであるように、流
出１１１ｂ伺近の内周面が、中心軸に対してほぼＹ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ｉｂ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（するためである
、しかし、第２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、２ＩＩ＃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ｆ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。また、ノズル１を第２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。

尚、ここでノズルの縦横比は図示されたものと逆転した
ものであっても構わない。

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、この剥
離現象防止のために、ノズル１の内面仕Ｊ二げ精度が劣
るものほど小さくすることが好ましい。ノズル１の内面
は、ＪＩＳ　８０６０１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１
−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、−１
−足任上げ精度を、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（１）とならな
いようにする必要がある。

縮小拡大ノズル１の材質として用いる疎水性材料として
は、水に対する接触角（θ）の値が大きな材料を用いれ
ば良い。

例えば、ポリフッ化エチレン（θ；１１２）。

ポリエチレン（θ＝９５）、ポリスチレン（０＝８４）
、ポリメチルメタクリレート（θ＝７４）、ポリビニル
クロライド（θ＝８３）、ポリエチレンテレフタレー）
　（０＝７１）　　、ポリ（１，４−シクロへ午サンジ
メチレンテレフタレート（θ＝７０）、ナイロン−１１
（θ＝７５）、ナイロン−６６（θ＝６５）等の合成樹
脂を用いる！１（が出来る。

水に対する接触角（θ）の大きな材料を用いると水分の
吸着が少なく、しかも水分の吸着があったとしても吸着
層の形成は起こりにくくなるという利点がある。

一方、成１１１２装置においてはノズル１の出口近傍に
は、成膜ガスを供給するための供給環１２が設けられて
いる。供給ＪＥ７１３は、多数の小孔を有する環状のパ
イプで、前記ノズルｌを通過し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
」二で反応して成膜能を生じるガスのことで、例えばシ
ラン、ジシランガス等である。

さらに捕集室５内には、ノズルｌの流出口１ｂと相対向
する位置に基体１１が設けられている。ノズルｌから噴
出し、供給環１２を通過したガスはこの基体１１に衝突
し、基体ｌｌ上に被膜が形成される。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内に非成膜ガスを供給
すると共に、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［１９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は、縮小拡大
ノズル１によって移送され、捕集室５に流入する。

このとき、ノズル１を疎水性材料で形成しておくと、ノ
ズル表面に吸着している水分量は真空装置のバックグラ
ウンド圧力下で含まれている水分量よりも大幅に低い。

従って、プラズマ中の活性種はノズル１を流過してもノ
ズル壁面に吸着した水分によって失活される現象は極め
て稀なものとなる。次に、ノズル１を通過したプラズマ
ガスに供給環１２から成膜ガスを導入すると、成膜ガス
はこの活性化されたプラズマガスに触れて分解し、基体
表面で反応して膜が堆積する。

他方、エツチング装置においては成膜ガスの什わりにエ
ツチングガス、例えばテトラフロロメタン、テトラクロ
ロメタン、塩素等を用い、捕集室はエツチング室となる
。

従って、ノズル１を通過したプラズマガスに供給環１２
からエツチングガスを導入すると、エツチングガスはこ
の活性化されたプラズマガスに触れて分解し、基体表面
で基体のエツチングが起こる。

［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。

更に、ノズルを疎水性材料で形成した事によす活性種を
失活させる工１９なく、良好な活性状ｊｆ１のまま反応
場まで導く事が出来る０例えば、成膜装置としてはＣＨ
ａとＨ２のプラズマから炭素膜を合成する場合、非疎水
性材料からなる縮小拡大ノズルを用いると活性種を良好
な状態でノズルの後方まで引き出す事は困難である。し
かし、ノズルを疎水性材料で形成した場合には基体上に
おいて充分に硬い炭素膜を合成する五が可能となる。

また、エツチング装置としてはＣＦ４と０２のプラズマ
でシリコン膜をエツチングする場合にも疎水性材料で形
成した場合にはシリコン膜のエツチングが可能であった
・ ノズルをプラズマ移送手段として用いる場合、ノズルを
疎水性材料で形成する事は活性種の失活防止に有効な手
段である。

【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（ａ）
〜（ｃ）は各々縮小拡大ノズルの形状例を示す図である
。 ｌコ縮小拡大ノズル、３：プラズマ発生装置、４：プラ
ズマ室、５：捕集室、１１：基体、１２：供給環、１０
０：反応袋は。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流路にノズルを設けると共に、このノズルを疎水
   性材料で形成した事を特徴とする反応装置。