WO1997008361A1

WO1997008361A1 - Appareil pour traitement de surface utilisant un jet de gaz

Info

Publication number: WO1997008361A1
Application number: PCT/JP1996/002401
Authority: WO
Inventors: Shunichi Sakuragi
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1997-03-06
Also published as: EP0851040A1; EP0851040A4; JPH0967191A

Description

明細書発明の名称

ガス噴射による表面処理装置技術分野

本発明は、被処理対象の表面にガスを噴射することにより被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置に関し、特に工具チップにダイヤモンド薄膜を成膜する場合や各種基板に半導体薄膜を成膜する場合等に適用して好適な表面処理装置に関する。背景技術

インダクションプラズマ法や D Cプラズマジエツト法により、ガスをプラズマ化して、ガスを活性ィ匕状態にして被処理対象表面との反応性を高めた状態にもつていき、このプラズマガスを被処理対象表面に高速で噴射させて表面処理を行うという技術は既に公知のものであり、ダイヤモンドの成膜（ダイヤモンドコート）等に利用されている。

そして、特開平 2— 2 6 8 9 5号公報、特開平 2— 6 4 0 9 7号公報、特開平 2— 3 9 4 2 1号公報、特開平 2— 2 9 6 7 9 6号公報等にこの種の技術が開示されている。

こうした薄膜の成膜処理を行う場合には、プラズマ化され高反応性状態となつたガスを、噴射対象である被処理対象まで超音速で短時間に到達させてやる必要がある。短時間で噴射がなされないと、高反応性状態（励起状態、活性状態）を維持できず、被処理対象と反応生成物との密着性が低下し、反応生成物の剥離等といった不都合が生じるからである。また、短時間で噴射されないと、成膜速度が遅くなり、作業効率も悪化することとなるからである。

また、プラズマ化されたガスは、非常に温度が高いので、ガスが被処理対象上に噴射された時点では、被処理対象が耐えられる温度まで低下された状態となつていなければならない。仮に高温のまま噴射がなされると、被処理対象の表面における薄膜処理が不良となることもある。

また、プラズマ化された高反応性ガス中に不純物が混入されないことも要求される。不純物が混入された場合には、成膜の品質が悪化するからである。

しかし、上記特開平 2— 2 6 8 9 5号公報、特開平 2— 6 4 0 9 7号公報に記載の技術は、超音速に達しない構造のノズルを使用しているため、上述した短時間で噴射を終了させるという要求を満たさない。

また、上記特開平 2— 3 9 4 2 1号公報に記載には、ガスを超音速化させる技術が開示されているものの、 2種類のガスを二重管の別々の管路を通して被処理対象上に噴射させるようにしている。この場合、外周部の高温プラズマガスに中心部の低温ガスが加熱部よりも下流で接触するので、断熱膨張過程とはならず、高反応性状態を維持したまま噴射を行うという要求を満たさない。

また、上記特開平 2— 2 9 6 7 9 6号公報記載の技術は、ガスがプラズマ化された後、その下流でさらにガスを導入しているため、断熱膨張過程とはならない。すなわち、導入ガスによって冷却はなされるものの流速が十分増加しないため、上述した短時間で噴射を終了させるという要求を満たさない。

このように従来の技術は、いずれも薄膜の成膜処理等を行う場合の要求の全てを満足しないものであった。

そこで、薄膜の成膜処理等を行う場合の要求の全てを満足できるようにし、もつて作業効率の向上および表面処理の品質向上を図ることを目的とする表面処理方法および装置に係る発明が、本出願人によって特願平 6—1 3 4 4 6 7号として既に特許出願されている。

上記特願平 6— 1 3 4 4 6 7号に係る発明を実験等したところ、以下の点が明らかになつた。

すなわち、上記特許出願の実施例装置では、図 2に示すように、ガス加熱用の誘導コイル 5が、被処理対象（成膜対象） 1 5と同じ真空チャンバ 8 (成膜室）内に配置されている。このため、原料ガスがこの成膜室中に充満すると、高い真空度を保つことができず、コイル卷線間で不正放電が発生しやすくなる。不正放電が発生すると、卷線コイルの材料成分（たとえば銅）がスパッタ作用により成膜室中に不純物として放出される。この不純物は、成膜過程で薄膜中に不純物として取り込まれ、薄膜の性能を著しく低下させる。

また、不正放電の発生は、ノズル 1内部のプラズマへの安^したパワー供給を阻害する。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、誘導コイルで不正放電を生じないようにして、被処理対象の品質を向上させることができ、ノズル内部のプラズマに安定したパワーを供給することができる装置を提供することを第 1の目的とするものである。

また、超音波ノズル 1は、図 1に示すように、ノズル 1の出口からガスが超音速プラズマジエツト 7として噴射されることが望まれる。

しかしながら、導入ガス 6のよどみ圧 P 0、噴出口 4 aの下流の圧力（成膜室内圧） P 1の値によっては、プラズマジェットは亜音速ジェットとなってしまい、著しく成膜性能が低下してしまう。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、上記圧力を調整することによってプラズマジエツトを超音速ジエツトにすることができ、これにより被処理対象の品質を向上させることができる装置を提供することを第 2の目的とするものである。

また、被処理対象 1 5の品質を向上させるには、被処理対象 1 5に噴射されるプラズマジエツト 7の速度を上昇させて反応効率を高めることが必要である。本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、プラズマ中に付加的なェネルギーを注入させ、もってプラズマジエツト 7の速度を上昇させ被処理対象 1 5の品質を向上させることができる装置を提供することを第 3の目的とするものである。

また、被処理対象 1 5において、金属または金属化合物の薄膜を成膜することが必要な場合がある。

しかし、金属または金属化合物はガスにならないため、ガスとして被処理対象 1 5に噴射することができない。

本発明は、ガスとなり得ない金属または金属化合物であっても、これらを被処理対象に噴射でき、もって金属等の薄膜を形成することができる装置を提供することを第 4の目的とするものである。

また、被処理対象 1 5において薄膜の結晶性を向上させたいとの要求がある。結晶性の向上は、プラズマ粒子を規則正しく、被処理対象 1 5の表面に到達させることで達成される。

そこで、本発明は、プラズマ粒子を規則正しく、被処理対象 1 5の表面に到達させるようにすることで、被処理対象 1 5の薄膜の結晶性を向上させることができる装置を提供することを第 5の目的とするものである。発明の開示

そこで、上記第 1の目的を達成するために、この発明の第 1発明では、図 3に示すように、超音速ノズル 1の出口および被処理対象 1 5を囲む、該ノズル出口の圧力調整用の室 1 8と、誘導コイル 5を囲む、該誘導コイル 5近傍の圧力調整用の室 1 9とを設け、かつこれらの室 1 8、 1 9を分離するようにしている。また、超音速ノズル 1の出口おょぴ被処理対象 1 5を囲む、該ノズル出口の圧力調整用の室 1 8を設けるとともに、誘導コイル 5を大気に開放するようにしてちょい。

また、上記第 2の目的を達成するために、本発明の第 2発明では、図 5に示すように、ガス 6が供給される点のよどみ点圧力を P0とし、超音速ノズル 1の出口の圧力を P 1とし、超音速ノズル 1の出口面におけるマッハ数を Mとし、ガス 6の比熱比を γとしたとき、 r - Y

一 1 2 rM²- ( r- 1 )

Ρ ^ο く ( 2 ^十 1

なる式を満たすように、圧力 P 0、 P Iの値を調整するようにしている。

この場合、超音速ノズル 1内に供給されるガス 6の流量を制御することによつて、上記式を満足させるようにすることができる。

また、上記第 3の目的を達成するために、本発明の第 3発明では、図 7 ( a ) に示すように、超音速ノズル 1の入口および出口の下流にそれぞれ、プラズマ化されたガス 2 7に接触するように電極 2 8、 2 0を設け、これら電極 2 8、 2 0 間に所定の電圧を印加するようにしている。

この場合、超音速ノズル 1の入口の電極 2 8を、プラズマ化ガス 2 7の流れ方向に移動させる駆動手段 2 9と、プラズマ電流を検出する検出手段 3 2とを設け、プラズマ電流が所望の値となるように駆動手段 2 9によってノズル入口電極 2 8 を移動させるようにすることができる。

また、図 8に示すように、超音速ノズル 1の出口の下流に、プラズマ化されたガス 2 7に接触するように電極 2 0を設け、かつ超音速ノズル 1の入口に、プラズマ化されたガス 2 7に接触しないように電極 2 8を設け、これら電極 2 8、 2 0間に所定の電圧を印加するようにしてもよい。

また、上記第 4の目的を達成するために、本発明の第 4発明では、図 1 0に示すように、被処理対象 1 5の表面に付着すべき原料を当該被処理対象 1 5まで搬送するキャリアガス 6 ,を、超音速ノズル 1の入口または加熱手段 5の配設位置よりもガス流路の上流側のガス供給位置からノズル 1内に供給するとともに、該キャリアガス 6 'が供給される位置より下流に、上記原料からなる両電極 3 6、 3 7を配設し、両電極 3 6、 3 7間で放電を行なわせ、両電極 3 6、 3 7から放出される原料をキャリアガス 6 ,中に混入させ、該原料が混入されたキャリアガス 6 を加熱手段 5によって加熱、プラズマ化し、該加熱、プラズマ化されたガス 7をノズル出口から被処理対象 1 5の表面に向けて噴射させるようにしている。この場合、両電極 3 6、 3 7間の距離 dを変化させるよう、当該両電極 3 6、 3 7を移動させる駆動手段 3 9、 4 0と、両電極 3 6、 3 7間の放電電圧を検出する検出手段 4 2とを設け、放電電圧が所望の値となるように駆動手段 3 9、 4 0によって両電極 3 6、 3 7を移動させるようにすることができる。

また、上記第 5の目的を達成するために、本発明の第 5発明では、図 1 1に示すように、超音速ノズル 1の出口と被処理対象 1 5との間で、プラズマ化されたガス 7の流れ方向に沿って互いに平行な磁力線 4 7 a、 4 7 b、 4 7 cが形成されるように磁場発生コイル 4 6を配設するようにしている。図面の簡単な説明 1 図 1は本発明に係るガス噴射による表面処理装置の基本的な構成を示す図である。

図 2は、図 1に示す装置にノズル出口圧調整装置を付加した構成を示す図である。

図 3は第 1発明に対応する第 1の実施例装置の構成を示す図である。

図 4はパッシェンの法則を示すダラフである。

図 5は第 2発明に対応する第 2の実施例装置の構成を示す図である。

図 6は第 2の実施例を説明するために用いた図である。

図 7 ( a ) 、 ( b ) は第 3発明に対応する第 3の実施例装置の構成を示す図である。

図 8は第 3の実施例を説明するために用いた図である。

図 9は第 3の実施例を説明するために用いた図である。

図 1 0は第 4発明に対応する第 4の実施例装置の構成を示す図である。

図 1 1は第 5発明に対応する第 5の実施例装置の構成を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明に係るガス噴射による表面処理装置の実施例について説明する。

まず、最初に実施例装置の基本的な構成について図 1を参照して説明する。図 1は、実施例装置の基本構成を示す図であり、同図に示すようにノズル内を通過するガスが断熱膨張されてノズル出口 4 aから音速 aよりも大きい流速 uで噴射されるよう後述する条件の下で、超音速ノズルであるラパールノズル（末広ノズルともいう） 1が構成されている。

ラバールノズル 1は、中細のノズルであり、被処理対象（例えば切削工具チップ） 1 5の表面に噴射すべきガス 6 (例えば C H4と H2の混合ガス）がガス導入口 2 a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ているガス導入管 2と、ノズル全体で最小の断面積 A1 (直径 d l) を有しているスロート部（喉部） 3と、所定の広がり角 0をもって断面積が徐々に拡大し、スロート部より下流において最大断面積 A2 (直径 d 2) のガス噴射口 4 aからガス 7 が噴射されるガス噴射管 4とから構成されている。そして、ラパールノズル 1は、噴射口 4 aから噴射されるガス 7が被処理対象 1 5の表面に向けて噴射されるように配置されている。

スロート部 3には、インダクションプラズマ装置が配設されている。すなわち、スロート部 3の外周には、誘導コイル 5が卷き付けられており、該誘導コイル 5 に高周波電流が通電され得るようになつている。このため、コイル 5に通電がな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 3を通過するガスが加熱され、プラズマ化される。このように、インダクションプラズマ装置は、誘導電磁場を利用した無電極のプラズマ装置であり、 D Cプラズマ装置のように、プラズマガスと電極が直接接触してしまい、この結果、電極の消耗に伴って電極材料（タングステン等）がプラズマガス中に混入してしまうようなことがなく、不純物の混入を防止することができる。

いま、ガス導入口 2 aからラバールノズル 1内部に被処理対象 1 5に噴射すベき高密度の混合ガス 6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 3においては、高周波誘導コイル 5に高周波電流が通電されているため、管内に誘導電磁場が発生し、この場のエネルギーによって高密度のガスが、加熱され、プラズマ化される。

そして、加熱、プラズマ化された高密度ガスは、下流側のガス噴出管 4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 4 aから超音速プラズマジェット 7となって噴射される。

さて、気体力学の理論によれば、たとえば 2原子気体の場合、導入ガス 6のよどみ圧 P 0と噴射口 4 aの下流の圧力 P 1との比 P 1Z P 0が、約 0 . 5 2以下、スロート部 3の断面積 A1と噴射口 4 aの断面積 A2の比（末広比）八2 1が1を越える場合に、ガスが断熱膨張されて、噴射流速が超音速、つまり音速 aよりも大きい流速 uとなる。

また、スロート部 3の前後の広がり角 Θ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 1 5 ° 程度でなければならない。スロート部 3において加熱、プラズマ化された高密度ガスは、その熱によって反応性の高い、つまり被処理対象 1 5上において反応し易い状態に励起される。ただし、この高反応性ガスは、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、これを直接被処理対象 1 5上に噴射した場合には、噴射対象 1 5 がこの温度に耐えられないことがある。

この点、ラパールノズル 1は、上述するように断熱膨張されるように設計されているので、この断熱膨張過程において急冷され、噴射対象 1 5に達するまでには適切な温度になる。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 1の設計条件によって任意の温度を得ることができる。このように被処理対象 1 5上に噴射されるガス 7を処理に適した温度にすることができるので、成膜処理等の品質を向上させることができる。

さらに、高反応性ガス 7は、超音速 uで移動するため、噴射対象 1 5に到達するまでの時間が極めて短く、噴射対象 1 5に達するまでに、加熱、プラズマ化によって励起された状態が定常状態（反応の起こりずらい状態）に戻ってしまうことがない。このように、いわゆる励起状態を凍結したまま温度を適温まで下げることができる。したがって、被処理対象 1 5と反応生成物との密着性が向上し、反応生成物の剥離等といった不都合が生じない。よって、成膜処理等の品質を向上させることができる。また、短時間で噴射が終了するため、成膜速度が高まり、作業効率も向上することとなる。

以上説明した現象は、一次元気体力学の理論により次のように説明される。

すなわち、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。なお、次式において（） nとあるのは、「n乗」を意味するものとする _c

T0=T+ ( 1/2) · { (r— 1) /y - R} - (u) 2 … （1)

あるいは、

T0/T= 1 + { (r— l) /2 } · (Μ) 2 ··· (2)

ここに、

TO：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）

y ：ガスの比熱比

R ：ガス定数 U ：流れの流速

M：マツノヽ数

である。

上記（2) 式は、上記 (1) 式をマッハ数（uZa、 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 A2ZA1の関数として一義的に決定される。

上記（1) 式より断熱膨張過程では、全温度 TO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。

また、上記（2) 式より、温度比 T0/Tの値は、マッハ数 Mの 2乗に比例して増加する。たとえば、 2原子気体（γ = 1. 4) の場合、マッハ数 M= 5のとき、温度比 T0ZT=6となる。すなわち、高温に加熱された反応性プラズマをラバ一ルノズル 1を用いて高マッハ数まで断熱膨張加速させることにより、プラズマ温度 Τを被処理対象 15に適する温度まで下げることができるのがわかる。また、このときプラズマ粒子は極めて高速に加速されるため（たとえば、 T-1500 (Κ) 、 y = l. 4、 R= 500 (jZkgK) 、 M=5の場合、 u=5123 (m/s) となる）、被処理対象 15に到達するまでの時間が非常に短く、ブラズマは初期活性状態をほぼ維持したまま低温度で被処理対象 15に到達することができる。

そして、この高活性度を持つ低温 ·高速プラズマ流 7は、指向性の良い粒子束として被処理対象 15に供給されるため、原料ガスの使用効率が極めて高いという特徴も持っている。

しかも、前述したようにプラズマ中に電極材料による不純物が混入することがない。

このように、この実施例装置によれば、不純物の極めて少ない高密度の高反応性のガスを、任意の温度にまで低下させて、被処理対象 15上に噴射することでき、この結果作業効率を飛躍的に向上させることができるとともに、処理品質を飛躍的に向上させることができる。

なお、この実施例装置では、コイル 5をスロート部 3に配設しているが、これに限定されることなくノズル 1の任意の場所に設けることができる。

つぎに、図 2は、図 1の装置に対して、ノズル 1の出口圧 P1を任意の圧力に調整して圧力比 P 1 P 0を任意の値に設定することができる装置を付カ卩した構成を示している。

なお、図 1と同一構成要素には同一符号を付けて重複した説明は省略する。同図 2に示すように、真空チャンバ 8内に、スロート部 3およびガス噴射管 4 が配設されており、さらにチャンバ 8内に被処理対象 15を支持した支持体 14 が配設されている。真空チャンバ 8内のエアは、排気ポンプ 13によって排気される。そして、ガス導入管 2への供給ガス量は、ガス供給管 16に配設されたガス供給量調整弁 11によって調整され、噴射ガス 7の出口圧 P1は、 P1調整弁 1 2によつて調整される。ガス導入管 2内の圧力 P 0は P 0測定ゲージ 9によって検出されるとともに、ガス噴射管 4の出口圧 P1は P1測定ゲージ 10によって検出され、これら検出結果をフィードバック信号として、上記各調整弁 11、 12の調整がなされて、圧力比 P1ZP0が所定の値に設定される。なお、 17は、高周波誘導コイル 5に電流を通電する高周波電源である。

実験では、供給ガス 6として CH4と H2の混合気体を用い、切削工具チップを噴射対象 15とした。そして、末広比 A2ZA1を約 6に設定し、チャンバ 8内が約 1 OmTo r r、圧力比が P が約 1. 4Zl 000になるように、 P1調整弁 12、供給量調整弁 1 1を調整した。この条件で、超音速プラズマジエツト 7のマッハ数 Mは、約 5となる。

なお、高周波誘導コイル 5には、冷却を行いつつ、 l kWで 13. 56MHzの電流を通電した。

この結果、炭素を含む高密度で反応性の高い混合ガスが、超音速で噴射され、チップ 15上に供給された。これによつて、チップ 15上に、該チップ 15と密着性の高い薄膜が形成された。この薄膜を、 X線回折、ラマン分光法で評価したところ、グラフアイトを含まない良質なダイヤモンド多結晶膜であることがわかつた。 5分間の噴射（成膜）を行った結果、膜厚は 20 μπιとなった。

このようなダイヤモンド薄膜の成膜（ダイヤモンドコート）によって工具チップ 15の耐久性は飛躍的に向上することとなった。また、原料ガスとして、 S iH4あるいは S iH4と H2の混合ガス 6を用い、セラミック基板 1 5を噴射対象とし、その他の条件を、上述したものと同一条件で行つた実験結果は以下のようになった。

すなわち、 S iを含む、高密度で反応性の高い混合ガスが基板 1 5上に供給され、セラミック基板 1 5上に S i薄膜が形成された。この S i薄膜を S EM観察、 X線回折で評価したところ、緻密な多結晶膜であることがわかった。 S i薄膜の膜厚は、 3 0分間の噴射（成膜）を行った結果、約 6 0 /x mとなった。

同様にして、例えば NH3ガスと B2H6ガス等を原料ガス 6として用いれば、 c -B Nを成膜することができる。

また、原料ガス 6の種類によっては、エッチング、酸化、窒化等の各種表面処理を行うこともできる。

なお、実施例装置では、高周波誘導コイル 5によってガスを加熱、プラズマ化しているが、 E C Rプラズマ、ヘリコンプラズマ等、他の無電極のプラズマ装置を使用してもよい。

また、通常のプラズマ溶射やプラズマ溶接において利用されている不活性ガス、原料ガス、希釈ガス等によるジェットシールド技術を適用してもよい。

また、実施例装置では、被処理対象 1 5に噴射すべきすべてのガス 6を、ノズル 1の入口である導入口 2 a (第 1の実施例）ないしは供給管 1 6を介して導入口 2 a (第 2の実施例）から供給しているが、ガス 6の供給位置としては、ガス 6が加熱、プラズマ化される位置であるコイル 5の配設位置よりもガス流路の上流側であれば任意の位置に設けることができる。

また、半導体膜を成長させる場合には、不純物を添加する必要がある。そこで、この場合には、 p型、 n型といった半導体を形成するためのドーピングの材料を、 S iH4等のガスと混合させ、かかる混合ガス 6を、加熱、プラズマ化される位置であるコイル 5よりも上流の位置から供給するようにすればよい。

ただし、ドーピング材料は、ごく微量であるので、たとえドーピング材料のみを上記コイル 5の配設位置よりも下流の位置より供給しても、他の S iH4等のガスが断熱膨張することを阻害することはない。よってドーピング材料に限っては、ガスが加熱、プラズマ化される位置よりも下流の位置から供給してもよい。つぎに、本発明の第 1の目的を達成することができる第 1の実施例装置、第 2 の目的を達成することができる第 2の実施例装置、第 3の目的を達成することができる第 3の実施例装置、第 4の目的を達成することができる第 4の実施例装置、第 5の目的を達成することができる第 5の実施例装置をそれぞれ説明する。いずれも、図 1の基本構成を前提としている。また、図 1、図 2に示すものと同じ符号は同じ機能を表すものとする。

•第 1の実施例装置

図 3に示すように、この装置は、ガス噴射管 4のうちの出口部分および被処理対象である基板 1 5を囲むように、成膜室 1 8が設けられているとともに、誘導コイル 5を囲むように、コイル室 1 9が設けられている。

成膜室 1 8は、被処理対象である基板 1 5において半導体薄膜を形成させるための室であり、ノズル 1の出口圧力 P 1を調整するための室である。

また、コイル室 1 9は、誘導コイル 5近傍の圧力を調整するための室である。いずれの室 1 8、 1 9も、図 2に示す排気ポンプ 1 3と同様の真空ポンプによつて室内のエアが排出され、かつ調整弁 1 2と同様の弁によって、室内が高真空に調整、保持される。なお、 2 0は、基板 1 5を保持する基板ホルダである。これらの室 1 8、 1 9は、空間的に分離されている。

この第 1の実施例装置によれば、図 2に示す装置と比較してつぎのような効果を奏する。

すなわち、図 2の構成の場合、ガス加熱用の誘導コイル 5力 S、成膜対象 1 5と同じ真空チャンバ 8 (成膜室）内に配置されている。このため、原料ガスがこの成膜室 8中に充満すると、高い真空度を保つことができず、誘導コイル 5のコィル卷線間で不正放電が発生しやすくなる。そして、不正放電が発生すると、卷線コイルの材料成分（たとえば銅）がスパッタ作用により成膜室 8中に不純物として放出される。

この不純物は、成膜過程で薄膜中に不純物として取り込まれ、薄膜の性能を著しく低下させるおそれがある。つまり半導体であるべき成膜対象 1 5に銅などの不純物が付着してしまい品質が低下するおそれがある。

また、不正放電の発生は、ノズル 1内部のプラズマへの安定したパワー供給を阻害する。

し力し、第 1の実施例装置では、放電コイル 5の室 1 9と成膜室 1 8とを分離し、それぞれ別個に高真空に保持するようにしたので、原料ガスの影響によって誘導コイル 5近傍の高真空維持が阻害され不正放電が発生するという事態が回避され、被処理対象の品質が飛躍的に向上するとともに、ノズル 1内部のプラズマに安定したパワーを供給することができるようになる。

ところで、図 4はパッシェンの法則を示すグラフであり、ガス圧力と絶縁破壊電圧との関係を示している。このグラフから明かなように、斜線領域より低圧側 (髙真空）のみならず、斜線領域より高圧側でも絶縁破壊電圧が大きくなつているのがわかる。したがって、誘導コイル 5近傍を高圧にしても、高真空にした場合と同様に不正放電を防止できる。一方、成膜室 1 8内の圧力は、斜線で示す真空圧に保持する必要がある。

そこで、図 3の構成において、成膜室 1 8をそのまま残すとともに、コイル室 1 9を除去し、誘導コイル 5を大気に開放するようにしてもよい。つまり、図 5、図 6に示すような装置構成とすればよい。

'第 2の実施例

さて、図 6の構成において、導入ガス 6が供給される点のよどみ点圧力を P 0とし、超音速ノズル 1の出口の圧力（成膜室 1 8の圧力）を P 1とし、超音速ノズル 1の出口面におけるマッハ数を Mとし、ガス 6の比熱比を T/としたとき、ノズル 1から超音速のプラズマジエツト 7を噴出させるためには、流体力学の原理より、つぎの（3 ) 式が満足される必要がある。

… ( 3 )

もし、上記（3 ) 式が満足されずに、 P l/ P0= f (M) となってしまうと、図 6に示すように、ノズル出口面に垂直衝擎波 7 aが形成されてしまい、プラズ T/ 96/02401 マジェットは亜音速ジェット 7 ,となってしまう。このため、著しく成膜性能が低下してしまい、基板 1 5の品質不良を招来する。

また、同様に、上記（3 ) 式が満足されずに、 P lZP0> f (Μ) となってしまうと、ノズル 1の内部に垂直衝撃波が形成されてしまい、プラズマジェットはやはり亜音速ジェット 7一となつてしまう。このため、同様に、基板 1 5の品質不良を招来する。

そこで、この実施例装置では、図 5に示すように構成して、上記（3 ) 式が成立するように、圧力 P0を制御している。

図 5に示す装置では、超音速ノズル 1内に供給されるガス 6の流量を制御することによって、上記 ( 3 ) 式を満足させるようにしている。

すなわち、ガス導入管 2の内部には、よどみ点圧力 P0を検出する圧力センサ 2 1が設けられているとともに、成膜室 1 8の内部には、超音速ノズル 1の出口圧力（成膜室 1 8の圧力）を検出する圧力センサ 2 2が設けられており、これらの圧力センサ 2 1、 2 2の出力は、除算器 2 3に加えられる。

除算器 2 3では、演算 P 1/ P0が実行されて、その演算結果が比較器 2 5のプラス端子に加えられる。 —方、比較器 2 3の他方のマイナス端子には、関数発生器 2 4から関数 f (M) が加えられる。

この結果、比較器 2 3からは、偏差 P 1Z P0— f (M) に応じた駆動信号、つまり上記（3 ) 式を満足させるための駆動信号がモータ 2 6に対して出力される。モータ 2 6は、上記駆動信号に応じてガス供給管 1 6に配設されたガス供給量調整弁 1 1を駆動し弁開度を調整し、ガス供給管 2への供給ガス量を制御する。この結果、ガス導入管.2内のよどみ点圧力 P0は、上記（3 ) 式が成立するような値に変化される。

なお、よどみ点圧力 P0の値を変化させることにより、熱平衡プラズマや非平衡ブラズマを所要に生成することができる。

すなわち、よどみ点圧力 P0の値を大気圧程度の高圧に設定すれば、熱平衡ブラズマを生成することができ、数十 Torr以下の低圧に設定すれば、非平衡プラズマを生成することができる。成膜の目的や要求される膜質に応じて所要に生成すればよい。なお、図 5に示す装置では、よどみ点圧力 P0を制御するようにしているが、ノズル出口圧 P 1を制御するようにしてもよく、あるいは両圧力 P0、 P Iを制御することにより、上記（3 ) 式を満足させるようにしてもよい。 '

以上のように、この第 2の実施例によれば、圧力 P0、 P Iを調整することによつてプラズマジエツトを超音速ジエツトにすることができ、これにより被処理対象の品質を著しく向上させることができる。

，第 3の実施例

図 7 ( a ) に示す装置は、被処理対象 1 5に噴射されるプラズマジェット 7の速度を上昇させて反応効率を高め、これにより被処理対象 1 5の品質をより向上させることができる装置を示している。

図 7 ( a ) に示す装置では、電極を用いてプラズマに電気的なバイアスを付加し、プラズマ中に付加的なエネルギーを注入させ、もってプラズマジェット 7の速度を上昇させるようにしている。

すなわち、同図 7 ( a ) に示すように、超音速ノズノレ 1のガス導入管 2内部には、プラズマ化されたガス 2 7に接触するように電極 2 8が設けられている。電極 2 8としては、平板形状のものでもよく、棒状のものでもよレ、。

—方、基板ホルダ 2 0は電極としても機能する材料より成っており、 I T Oである基板 1 5を介してプラズマ電流 2 7が流れる込むようになつている。

これら電極 2 8、 2 0は、交流電源 3 3に接続されている。よって、この電源 3 3によろて、電極 2 8、 2 0間に所定の電圧が印加される。さらに、可変抵抗 3 4によって電流の調整が可能となっている。

なお、交流電源 3 3の代わりに直流電源を使用してもよい。

電極 2 8、 2 0間を流れるプラズマ電流 Aは、電流計 3 2によって検出される。電流計 3 2の検出電流 Aは、電流一電圧変換器 3 1を介して比較器 3 0のマイナス端子に加えられる。一方、比較器 3 0のプラス端子には基準電流値 Aref (電流所望値）が加えられる。この基準電流値 Arefは、プラズマジェット 7の所望の速度に応じて設定される。

•第 1の制御

比較器 3 0からは、偏差 Aref— Aに応じた駆動信号、つまりプラズマ電流 Aを所望電流値 Arefにするための駆動信号が駆動部 2 9に対して出力される。

駆動部 2 9は、電極 2 8を、プラズマ化ガス 2 7の流れ方向に移動させるモータ等で構成されている。

よって、駆動部 2 9が上記駆動信号に応じて駆動されると、電極 2 8は、駆動信号に応じてガス下流方向である矢印 B方向（プラズマ電流が大きくなる方向）あるいはガス上流方向である矢印 B ,方向（プラズマ電流が小さくなる方向）に移動され、最終的にプラズマ電流が所望値 Arefとなる位置に位置決めされる。このように、この第 1の制御によれば、図 9に示すように、電極 2 8、 2 0を共に、プラズマ化ガス 2 7に接触させ、電源 3 3によりプラズマ化ガス 2 7に電圧を印加し、電流回路 5 0を形成することにより、プラズマ中に電流を誘起し基板 1 5に電流を流れ込ませるようにしているので、プラズマ粒子が加速され、基板 1 5表面における反応効率が高められ、この結果基板 1 5の品質が向上することとなる。

•第 2の制御

また、プラズマ化ガス 2 7に電圧のみを印加することで、プラズマ粒子を加速させる一方で、基板 1 5には電流を流れ込ませないようにすることもできる。この場合、図 7 ( a ) の装置において電極 2 8を上流方向 B ,に引き込み、プラズマ電流を基準電流値 Aref以下の値にすればよい。

このとき、電極 2 8は、図 8に示すように、プラズマ化ガス 2 7に接触しない位置に位置決めされることになる。

この第 2の制御は、上記第 1の制御と同様に、プラズマ粒子を電源 3 3による電界によって加速することができ、基板 1 5の品質を向上させることができるとともに、基板 1 5へ電流が流れ込むことによる不都合が除去される。

すなわち、基板 1 5への電流の流れ込みは、成膜条件によっては基板 1 5の膜の品質を向上させる場合があるものの、膜質に悪影響を及ぼす場合もある。よって、膜質を悪影響を及ぼす場合には、第 2の制御を適用すると、有効である。

また、この第 3の実施例では、ガス下流側の電極 2 0を基板ホルダと兼用させているが、図 7 ( b ) に、その断面図として示すように、基板ホルダ 2 0とは別に、円環状の電極 3 5を設けるようにしてもよい。

'第 4の実施例

さて、基板 1 5において、金属または金属化合物の薄膜を成膜することが必要な場合がある。し力し、金属または金属化合物はガスにならないため、ガスとして基板 1 5に噴射することができず、図 1の装置をそのまま適用することはできない。

し力し、図 1 0に示すように装置を構成すれば、金属または金属化合物の薄膜を形成することが可能となる。

すなわち、同図 1 0に示すように、基板 1 5の表面に付着すべき原料（たとえばチタン酸バリウム）を当該基板 1 5まで搬送するキャリアガス 6 ' (たとえばアルゴン、水素、酸素）を、超音速ノズル 1の入口から当該ノズル 1内に供給させるとともに、超音速ノズル 1のガス導入管 2の内部（キャリアガス 6 ,が供給される位置より下流）に、上記原料からなる両電極 3 6、 3 7を配設させる。そこで、電源 4 1によって両電極 3 6、 3 7に所定の電圧を印加し、これら電極間で放電 3 8 (たとえばアーク放電、グロ一放電）を行なわせると、両電極 3 6、 3 7から原料が金属原子やクラスタとなって放出され、キャリアガス 6 '中に混入される。そして、原料が混入されたキャリアガス 6 'がスロート部 3で加熱、プラズマ化され、この加熱、プラズマ化されたガス 7がノズル出口から基板 1 5の表面に向けて噴射される。

この場合、基板 1 5の薄膜の品質を一定にするためには、原料の混入量を一定にする必要がある。そのためには、両電極 3 6、 3 7間の放電距離 dを所望の一定値 d refになるよう制御する必要がある。

そこで、両電極 3 6、 3 7の摩耗によって変化する距離 dが一定値 d refになるように、両電極 3 6、 3 7を移動させる駆動機構 3 9、 4 0が、電極 3 6、 3 7 にそれぞれ付設されている。

距離 dの変化は、電極 3 6、 3 7間の放電電圧 Vを検出することによってわかるので、放電電圧 Vを検出する電圧計 4 2が設けられている。電圧計 4 2の出力は、比較器 4 3のプラス端子に加えられる。一方、比較器 4 3のマイナス端子には、所望の放電距離 d refに対応する基準電圧 Vrefが入力される。そこで、比較器 4 3からは、偏差 V— Vrefに応じた駆動信号、つまり、放電電圧を所望値 Vrefにするための駆動信号が出力され、駆動機構 3 6、 3 7をそれぞれ駆動するモータ 4 4、 4 5に加えられる。

駆動機構 3 9、 4 0がモータ 4 4、 4 5によって駆動されると、電極 3 6、 3 7は、放電距離 dを変化させる方向 Cに移動され、電圧 Vrefに対応する所望放電距離 d refが得られる位置に、電極 3 6、 3 7が位置決めされる。

以上のように、この第 4の実施例によれば、ガスにはなり得ない金属または金属化合物を、基板 1 5に噴射でき、金属薄膜等を形成することが可能となる。 •第 5の実施例

さて、基板 1 5において薄膜の結晶性を向上させたいとの要求がある。結晶性の向上は、プラズマ粒子を規則正しく、被処理対象 1 5の表面に到達させることで達成される。

そこで、この第 5の実施例では、プラズマ粒子を規則正しく、被処理対象 1 5 の表面に到達させるようにすることで、基板 1 5の薄膜の結晶性を向上させるようにしている。

すなわち、この実施例装置では、図 1 1に示すように、超音速ノズル 1の出口と基板 1 5との間で、プラズマ化されたガス 7の流れ方向に沿って互いに平行な磁力線 4 7 a、 4 7 b、 4 7 c…が形成されるように、磁場発生コイル 4 6を配設するようにしている。

プラズマ粒子は磁力線に沿って運動するので、磁力線 4 7 a、 4 7 b、 4 7 c …が互いに平行であれば、プラズマ粒子は整然と平行運動をするようになり、規則的に基板 1 5の表面に到達する。この結果、薄膜の結晶性が向上することになる。

この場合、磁場発生コイル 4 6により印加される磁場強度（磁力線密度）の大きさを所要に変化させることで、ブラズマ粒子の運動を薄膜結晶の格子定数に適合させることが可能である。よって、薄膜の種類に応じて（格子定数の大きさに応じて）、磁場強度を変化させることで、結晶化を最適なものとすることができる。

上述した第 1ないし第 5の実施例は、適宜組み合わせることが可能である。たとえば、第 3の実施例に対して第 1の実施例あるいは第 2の実施例あるいは第 3の実施例を組み合わせる実施、第 5の実施例に対して第 1の実施例あるいは第 2の実施例あるいは第 3の実施例あるいは第 4の実施例を組合わせる実施が可能である。

以上説明したように本発明の第 1発明によれば、誘導コィルで不正放電を生じないようにしたので、被処理対象の品質を向上させることができ、ノズル内部のプラズマに安定したパワーを供給することができるようになる。

また、第 2発明によれば、ノズルの入口あるいは出口の圧力を調整することによってプラズマジヱットを超音速ジエツ卜にするようにしたので、被処理対象の品質を向上させることができるようになる。

また、第 3発明によれば、プラズマ中に付加的なエネルギーを注入させ、もつてプラズマジュットの速度を上昇させるようにしたので、被処理対象の品質を向上させることができる。

また、第 4発明によれば、ガスになり得ない金属または金属化合物であっても被処理対象に噴射できるようにしたので、金属または金属化合物の薄膜を形成することができるようになる。

また、第 5発明によれば、プラズマ粒子を規則正しく、被処理対象の表面に到達させるようにしたので、被処理対象の薄膜の結晶性を向上させることができるようになる。産業上の利用可能性

本発明は、薄膜を成膜する場合のみならず、ガス噴射によって行われる任意の表面処理に適用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

ノズル内を通過するガスが断熱膨張されてノズル出口から音速よりも大きい流速でガスが噴射される超音速ノズルと、

前記超音速ノズルの管路途中の外側に配設され、ノズル內を通過するガスを加熱、プラズマ化する誘導コイルと、

前記被処理対象の表面に噴射すべきガスを、前記超音速ノズルの入口または前記誘導コイルの配設位置よりもガス流路の上流側のガス供給位置からノズル内に供給する供給手段と、

前記供給されたガスを、前記誘導コイルに通電させることによって加熱、ブラズマ化する加熱手段と

を具え、前記加熱、プラズマ化されたガスを前記ノズル出口から前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにし、さらに、

前記超音速ノズル出口および前記被処理対象を囲む、該ノズル出口の圧力調整用の室と、前記誘導コイルを囲む、該誘導コイル近傍の圧力調整用の室とを設け、かつこれらの室を分離するようにした、

ガス噴射による表面処理装置。

2 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

前記超音速ノズルの管路途中の外側に配設され、通電されることによって、ノズル内を通過するガスを加熱、ブラズマ化する誘導コイルと、

前記超音速ノズル出口および前記被処理対象を囲む、該ノズル出口の圧力調整用の室を設けるとともに、前記誘導コイルを大気に開放するようにした、ガス噴射による表面処理装置。

3 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

前記超音速ノズルの管路途中に配設され、ノズル内を通過するガスを加熱、プラズマ化する加熱手段と、

前記被処理対象の表面に噴射すべきガスを、前記超音速ノズルの入口または前記加熱手段の配設位置よりもガス流路の上流側のガス供給位置からノズル内に供給する供給手段と

を具え、前記供給されたガスを前記加熱手段によって加熱、プラズマ化し、該加熱、プラズマ化されたガスを前記ノズル出口から前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにし、さらに、

前記ガスが供給される点のよどみ点圧力を P 0とし、前記超音速ノズルの出口の圧力を P 1とし、前記超音速ノズルの出口面におけるマッハ数を Mとし、前記ガスの比熱比を γとしたとき、

- r

_Ρι_ r- i_ 2 rM²- ( r-j )

< 1 + r- i

Po 2 ^十 1

なる式を満たすように、圧力 PO、 P Iの値を調整するようにした、

ガス噴射による表面処理装置。

4 . 前記超音速ノズル内に供給されるガスの流量を制御することによって、前記式を満足させるようにした請求の範囲 3項記載のガス噴射による表面処理装

5 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

を具え、前記供給されたガスを前記加熱手段によって加熱、プラズマ化し、該加熱、ブラズマ化されたガスを前記ノズル出口から前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにし、さらに、

前記超音速ノズルの入口およぴ出口の下流にそれぞれ配設され、前記ブラズマ化されたガスに接触する電極と、

前記電極間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と

を具えるようにした、

ガス噴射による表面処理装置。

6 . 前記超音速ノズルの入口の電極を、前記プラズマ化ガスの流れ方向に移動させる駆動手段と、プラズマ電流を検出する検出手段とを設け、前記プラズマ電流が所望の値となるように前記駆動手段によつて前記ノズル入口電極を移動させるようにした請求の範囲 5項記載のガス噴射による表面処理装置。

7 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

前記超音速ノズルの出口の下流に配設され、前記プラズマ化されたガスに接触する電極と、

前記超音速ノズルの入口に配設され、前記ブラズマ化されたガスに接触しない電極と、

前記電極間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と

を具えるようにした、

ガス噴射による表面処理装置。

8 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

ノズル内を通過するガスが断熱膨張されてノズル出口から音速よりも大きい流速でガス噴射される超音速ノズルと、

前記ガスのうち、前記被処理対象の表面に付着すべき原料を当該被処理対象まで搬送するキヤリアガスを、前記超音速ノズルの入口または前記加熱手段の配設位置よりもガス流路の上流側のガス供給位置からノズル内に供給する供給手段と前記キャリアガスが供給される位置より下流に配設され、前記原料からなる両電極と、

前記両電極間で放電を行なわせる放電手段と

を具え、両電極から放出される原料を前記キャリアガス中に混入させ、該原料が混入されたキャリアガスを前記加熱手段によって加熱、プラズマ化し、該加熱、プラズマ化されたガスを前記ノズル出口から前記被処理対象の表面に向けて噴射させるようにした、ガス噴射による表面処理装置。

9 . 前記両電極間の距離を変化させるよう、当該両電極を移動させる駆動手段と、前記両電極間の放電電圧を検出する検出手段とを設け、前記放電電圧が所望の値となるように前記駆動手段によって前記両電極を移動させるようにした請求の範囲 8項記載のガス噴射による表面処理装置。

1 0 . 被処理対象の表面にガスを噴射することにより前記被処理対象の表面処理を行うガス噴射による表面処理装置において、

前記超音速ノズルの出口と前記被処理対象との間で、前記プラズマ化されたガスの流れ方向に沿って互いに平行な磁力線を形成させる磁場発生コイル

を具えるようにした、

ガス噴射による表面処理装置。