(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の気体雰囲気内に配置されており、表面処理される試料が載置される試料台と、
該試料の被処理面の形状の相似形状を少なくとも一部に有する壁面が該試料の被処理面に対向して設けられた電極と、
該試料の被処理面に局所的に反応ガスを供給するように該電極の壁面に設けられた反応ガス供給口と、
該電極に電力を印加する電源と、
前記壁面における前記反応ガス供給口から離れた位置に開放端を有し、該電極に印加される電力を該開放端まで伝送するように該電極内に設けられた電力伝送線路とを備え、
該電極の壁面は、該試料の被処理面に近接して設けられており、該試料の被処理面との間に、該反応ガス供給口から該気体雰囲気に向けて低コンダクタンスの気体流路を形成するとともに、該気体雰囲気の圧力と該反応ガス供給口から供給される反応ガスの圧力との差圧によって該気体雰囲気よりも高い圧力を有する高圧反応ガス領域を該低コンダクタンスの気体流路における該開放端の近傍に局所的に形成し、
該開放端に伝送される電力によって高電界を発生させて、該反応ガスに基づく局所的な高圧プラズマを該高圧反応ガス領域に発生させることにより、該高圧プラズマ中の反応ガスの反応種によって該試料に対する表面処理が行われる、プラズマを用いた試料の表面処理装置。
【請求項２】
所定の気体雰囲気内に配置された試料の被処理面の形状の相似形状を少なくとも一部に有する壁面が該試料の被処理面に対向して設けられた電極と、
該試料の被処理面に局所的に反応ガスを供給するように該電極の壁面に設けられた反応ガス供給口と、
該電極に電力を印加する電源とを備え、
該試料及び該電極の少なくとも一方が、該気体雰囲気の圧力と該反応ガス供給口から供給される反応ガスの圧力との差圧によって、該試料の被処理面と前記壁面とが微小間隔を隔てて浮上するように可動に構成されており、該微小間隔によって、該反応ガス供給口から該気体雰囲気に向けて低コンダクタンスの気体流路が形成されるとともに、前記差圧によって該気体雰囲気よりも高い圧力を有する高圧反応ガス領域が該低コンダクタンスの気体流路における前記反応ガス供給口から離れた位置に局所的に形成され、
該電極に電力を印加して、該高圧反応ガス領域に該反応ガスに基づく局所的な高圧プラズマを発生させることにより、該高圧プラズマ中の反応ガスの反応種によって該試料に対する表面処理が行われる、プラズマを用いた試料の表面処理装置。
【請求項３】
前記試料は試料台に載置されている請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
前記気体雰囲気の圧力ｐ０と、前記高圧反応ガス領域における前記高圧プラズマの発生箇所の圧力ｐｘとの比を、ｐｘ／ｐ０＞１に設定する手段を更に備える、請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項５】
前記電極の壁面が、前記試料の被処理面に対して微小間隙を隔てて対向して配置される、請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項６】
前記電極及び前記試料台の少なくとも一方は、前記差圧によって、該電極及び該試料台の他方に対して微小間隙を隔てて浮上するように可動に構成されている、請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項７】
前記電極及び前記試料台の少なくとも一方には、所定の大きさの磁力を発生する磁力発生機構が設けられていて、
該磁力発生機構から発生する磁力と、前記差圧との両方を利用して、該電極及び該試料台の一方を他方に対して微小間隙を隔てて浮上させる、請求項３または６に記載の表面処理装置。
【請求項８】
前記電極の内部には、前記電極の壁面における前記反応ガス供給口から離れた位置に開放端を有する電力伝送線路が設けられており、
該電力伝送線路は、該電極に印加された電力を該開放端まで伝送して、伝送された電力によって、該開放端の近傍に高電界を発生させる、請求項２に記載の表面処理装置。
【請求項９】
前記電力伝送線路は、電力が印加される内側導体と、絶縁体を介して該内側導体を覆い且つ接地されている電界遮蔽導体とによって構成されている、請求項１または８に記載の表面処理装置。
【請求項１０】
前記電極に印加される電力は、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの周波数帯の高周波電力、或いは１ＧＨｚ以上の周波数帯のマイクロ波電力である、請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項１１】
前記電力伝送線路は、導波管によって構成されている、請求項１または８に記載の表面処理装置。
【請求項１２】
前記電極及び前記試料台の少なくとも一方に、使用する電源の周波数の電磁波に対して大きな吸収係数を持つ電力吸収体が設けられており、
該電力吸収体は、前記低コンダクタンスの気体流路において前記高圧プラズマの発生領域よりも低圧力側に配置され、該高圧プラズマの発生領域を通過した電磁波を吸収して、該高圧プラズマの周囲領域における前記気体雰囲気の中でのプラズマの発生を抑制する、請求項１または２に記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いた表面処理方法及び表面処理装置に関し、更に詳しくは、半導体装置や液晶装置などの各種デバイスの多層構造における成膜或いは表面改質、並びに各種機能性材料の成膜或いは表面改質を、高圧プラズマを用いて高速に且つ清浄雰囲気下において行なう表面処理方法及び表面処理装置に関する。なお、本願明細書における「表面処理」とは、上記のような成膜や表面改質などを包括的に含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置や液晶装置などの各種デバイスの多層構造における成膜並びに各種機能性材料の成膜を行なう方式としては、プラズマＣＶＤが既に公知であり、現在の製造プロセスに広く用いられている。また、半導体装置や液晶装置などの各種デバイスの多層構造における表面改質並びに各種機能性材料の表面改質を行なう方式としては、同じくプラズマによる表面改質方式が既に公知である。
【０００３】
前記のプラズマＣＶＤ法或いはプラズマによる表面改質方法は、目的とする成膜又は表面改質に応じて選択された反応ガスを高電界によってプラズマ状態にし、前記プラズマ中に発生した活性種によって被処理表面に成膜又は表面改質を行なう方式であり、プラズマを発生させる方式、プラズマを発生させる圧力範囲等によって、分類することができる。前記圧力範囲には明確な規定は存在しないが、低圧プラズマにおける方法においては、前記プラズマを発生させる圧力が低いために前記活性種の密度が小さく、成膜速度或いは表面改質の速度が小さい。このため、装置のスループットが低く、その結果として製品の単価が高くなる一因となっていた。
【０００４】
この点を解決する目的で成膜速度或いは表面改質の速度を向上させるために、前記プラズマを発生させる圧力を大気圧程度の高圧力にし、前記活性種の密度を大きくする方法が、例えば特開平２−５０９６９号公報、特開平２−７３９７８号公報、或いは特開平２−７３９７９号公報などに開示されている。以下では、特開平２−７３９７８号公報に開示される方法を、図２４を参照して説明する。
【０００５】
図２４は、上記の公報に開示される装置の構成を示す概略図である。図２４において、２４１は成膜室、２４２は非接地基板、２４３は接地電極、２４４は多孔板高抵抗体、２４５は試料基板、２４６はガス導入口、２４７はＲＦ電極、２４８はヒータ、２４９はガス排出口である。
【０００６】
上記の公報によれば、成膜室２４１中に互いに対向する電極２４２及び２４３を設け、一方の非接地電極２４２にはＲＦ電源２４７が接続され、接地電極２４３はアースに接続されている。接地電極２４３上には、電極２４３以上の大きさの高抵抗体（不図示）を必要に応じて設置し、更にその上に、試料基板２４５を設置する。非接地電極２４２には、多孔板高抵抗体２４４が設置されており、非接地電極２４２の内部から多孔板高抵抗体２４４の穴を通じて、成膜室２４１に膜形成用ガスとＨｅとの混合ガスを供給する。供給されたガスは、同時にガス排気口２４９より排気され、成膜室２４１内部を大気圧近傍の圧力下に維持する。このとき、多孔板高抵抗体２４４と試料基板２４５との間の距離を基板間距離２４０ｇとすると、この基板間距離２４０ｇは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下になっている。
【０００７】
このような構成において、ＲＦ電源２４７より非接地電極２４２に高周波電力を供給し、非接地電極２４２と接地電極２４３との間に大気圧プラズマ２４０ｐを発生させて、試料基板２４５に成膜処理を行なう。
【０００８】
図２４に示される従来技術の装置を用いて成膜実験を行なった時の実験条件を表１、実験結果を表２及び表３に示す。このうちの表２は、基板間距離２４０ｇと膜厚分布との相関を表した表である。また、表３は、全ガス流量Ｑを放電空間の体積Ｓで割った値Ｑ／Ｓと基板２４５の中央部における成膜速度との相関を表した表である。
【０００９】
【表１】
0003543672.tif 000002
【００１０】
【表２】
0003543672.tif 000003
【００１１】
【表３】
0003543672.tif 000004
【００１２】
表１〜表３の記載内容から把握されるように、上記の公報に開示されている装置は、
（１）安定なグロー放電を得ることを目的として、成膜を行なうための原料ガスをＨｅで大量に希釈する、
（２）大面積に均一な成膜を行なうために、高抵抗体２４４を、電極２４２及び２４３の少なくとも一方に取り付けることにより、直流電流が流れずに交流電流のみが流れるようにして、単位面積当たりの電流密度を制限してプラズマ２４０ｐが均一に広がりやすくする、
（３）表２に示した実験結果より、試料基板２４５と高抵抗体２４４との間の距離２４０ｇが小さいほど、膜厚分布の小さい均一な膜が形成されるので、膜厚分布を均一にするために、試料基板２４５と高抵抗体２４４との間の距離２４０ｇを１０ｍｍ〜０．１ｍｍに設定する、及び
（４）表３に示した実験結果より、全ガス流量Ｑを放電空間の体積Ｓで割った値Ｑ／Ｓが１０−１ｓｅｃ−１のときには、供給された原料ガスがすぐに分解してしまうために基板２４５上の成膜速度が低下し、一方、値Ｑ／Ｓが大きいと供給ガスがプラズマ２４０ｐを直ちに通過するために分解されず、成膜速度を低下させ且つ原料ガスが有効に使用されないので、放電空間のガスが、１０−２ｓｅｃ〜１ｓｅｃで置換されるように、上記のＱ／Ｓが、１ｓｅｃ−１〜１０２ｓｅｃ−１となるように成膜用の原料ガスとＨｅとからなる混合ガスを放電空間に供給する、
という特徴をもつ。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術は、以下の様な問題点を有する。
【００１４】
すなわち、成膜用原料ガスとＨｅとの混合ガスによって成膜室２４１の全体を大気圧周近傍の高圧力雰囲気で充たして高圧プラズマ２４０ｐを発生させ、成膜用原料ガスを分解して試料基板２４５の上に成膜を行なうので、プラズマ２４０ｐの中で発生した反応生成物が、プラズマ２４０ｐの外部に拡散後、雰囲気気体中を長時間浮遊・凝縮する。これによって、反応生成物の粒径の増大、及び、このように粒径が増大した反応生成物の粒子数の増加が発生する。粒径が増大した反応生成物が成膜基板２４５の表面に再付着すると、膜中に粒子状生成物が混入して膜質を低下させ、また反応容器の内壁に付着することにより、プロセス自体の歩留りを悪化させる。
【００１５】
また、成膜室内を大気圧近傍の高圧力に充填させるために、ガス漏洩時に成膜室の外に漏洩するガスのモル数が多く、装置の安全性が低い。
【００１６】
更に、試料基板２４５の搬出時の反応ガスパージの際に、反応ガスの排気に時間がかかる。このため、成膜速度は早いものの、成膜装置全体のスループットが低い。
【００１７】
上記の３つの問題点は何れも、反応容器全体を高圧力雰囲気に充填させることに起因する。
【００１８】
更に、電極間ギャップ２４０ｇを小さくすると、多孔板高抵抗体２４４の穴より噴出した反応ガス流が試料基板２４５の表面に衝突し、噴出穴の直下が周囲とは異なった成膜量分布を呈して、試料基板２４５の表面におけるの膜の均一性を悪化させる。
【００１９】
電極間ギャップ２４０ｇを小さくする場合、試料基板２４５に対する非接地電極２４２の傾きにより、反応ガスの流量分布が変化し、膜均一性を悪化させる。
【００２０】
拡散し難い高圧プラズマ２４０ｐを電力負荷した非接地電極２４２と試料基板２４５を設置した接地電極２４３との間で発生させるために、高圧プラズマ２４０ｐが試料基板２４５の全体に発生し難く、大面積試料基板の全体に均一に成膜することが困難である。また、試料基板２４５より小さい領域にプラズマ２４０ｐを発生させて、非接地電極２４２と試料基板２４５とを相対移動させて基板２４５の表面全体を成膜する場合においても、電極２４２或いは基板２４５の移動により電力供給路の等価回路が変化するために、成膜量分布を発生して膜均一性を悪化させる。
【００２１】
以下では、上記のような従来技術の問題点のうちで、特に第１に説明した粒径の大きな反応生成物の形成・付着に関連する点、及び第４に説明した多孔板高抵抗体２４４の噴出穴の直下における成膜量分布の変化について、更に説明する。
【００２２】
まず、成膜室２４１の内部を大気圧近傍に充填することによる膜質の劣化及びプロセス歩留り低下の原理について、説明する。
【００２３】
供給された原料ガスは、大気圧プラズマ２４０ｐの中で分解された後に成膜基板２４５に到達し、成膜基板２４５上に膜を形成する。ここで、プラズマ２４０ｐ中においては、原料ガスの分解・解離反応のみでなく、重合・凝縮反応も同時に起こる。このため、成膜室２４１内部に混入した不純物と原料ガス原子とからなる粉状の反応生成物も多数存在して、これらの反応生成物も、基板２４５の表面に到達する。ここで、プラズマ中で凝縮した反応生成物は、プラズマ２４０ｐによって即座に再分解されるので、基板２４５の表面に到達しない。しかし、プラズマ２４０ｐの外部に放出された反応生成物は、再分解されることがなく、むしろ、互いに或いは反応容器２４２の中の不純物と凝縮して、その粒径を増大させる。また、これに伴って、このような粒径の大きい反応生成物の粒子数も、増大する。ここで問題となるのは、粒径の大きな反応生成物であり、これらは、再びプラズマ２４０ｐの中へ拡散した場合においても即座に再分解されず、試料基板２４５に到達して、基板２４５上に形成された膜中に混入し、膜質を著しく低下させる。更に、これらの粒径の大きな反応生成物は、成膜室２４１の内壁に付着して成膜室２４１の内部を汚染し、その結果として成膜後の膜表面を汚染して、プロセス自体の歩留りを悪化させる。
【００２４】
ここで問題となるのは、前述の従来技術は大気圧近傍の高圧力に成膜室２４１の内部を充填させるために、プラズマ２４０ｐの外部においても、プラズマ２４０ｐの内部と同等の圧力状態であることである。この様な場合、成膜室２４１の内の雰囲気圧力を低下させて、プラズマ２４０ｐの外部における反応生成物の粒径及び粒子数の増大を抑制することも考えられるが、その場合には、同時にプラズマ２４０ｐの圧力も低下して成膜速度を低下させ、更にはプロセスのスループットを悪化させる。
このように、前述の従来技術では、大気圧近傍において成膜を行なうと膜質が劣化し、或いは、圧力を低下させて成膜を行なうと高速成膜が実現できない。これは、前述の従来技術自体が、原理的に成膜室２４１内を大気圧近傍の圧力に充填してプラズマ２４０ｐを発生させることによって成膜を行う方法である点に起因する。
【００２５】
次に、多孔板高抵抗体２４４の供給口直下において成膜を行なう場合に発生する膜厚分布について、図２５を参照しながら説明する。
【００２６】
図２５は、反応ガス供給口２５０の直下に形成される薄膜２５２の膜厚分布を示す概略図である。図中で、２５０はガス供給口、２５１は試料基板に衝突する反応ガスの流れ、２５２は不図示の基板上に形成される薄膜、２５３は、反応ガス供給口２５０の直下に形成される薄膜２５２の凸部である。
【００２７】
図２４の従来技術の構成では、非接地電極２４２と試料基板２４５との間に大気圧近傍のプラズマ２４０ｐを発生させ、プラズマ領域中に多数のガス供給口２５０より原料ガスを含んだＨｅ混合気体を噴出させる。例えば、電極２４２及び２４３の間隔は１０ｍｍ以下で０．１ｍｍ以上と記載されている。
【００２８】
しかし、電極２４２及び２４３の間隔が狭い場合は、ガス供給口２５０より噴出した反応ガスの流れ２５１は、ガス供給口２５０の直下の試料基板表面に垂直に衝突するので、この箇所に効率よく反応ガスが供給されることになり、結果として、ガス供給口２５０の直下がその周辺より成膜量が多くなり、図２５に示されるような凸部（不均一な膜厚分布）２５３を形成する。
【００２９】
従って、図２４に示された従来技術では、電極２４２と試料基板２４５との間のギャップは、上記のような不均一な膜厚分布２５３の発生を抑制するためには狭くできない。これは、電極２４２及び試料基板２４５の間にプラズマ２４０ｐを発生させて、プラズマ発生部分に反応ガス供給口２５０を設置するという構成に起因する。
【００３０】
上記では、従来技術により試料基板２４５に成膜を行う場合を例にとってその課題を説明してきたが、表面改質を行なう場合においても同様の問題点が存在する。
【００３１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）試料表面に高能率に成膜或いは表面改質を行ない、且つ清浄雰囲気下において試料表面に反応生成物が再付着することなく、良質な膜形成或いは表面改質を行なうことができる、プラズマを用いた表面処理方法及び表面処理装置を提供すること、（２）所望の気体雰囲気圧力を少なくともプラズマ発生部より低圧に或いは真空に維持することによって、反応生成物の凝縮や、反応ガス噴出領域直下の成膜量或いは処理層厚さの不均一な分布を発生させずに、大面積試料の上に均一に成膜或いは表面改質を行なうことのできる、プラズマを用いた表面処理方法及び表面処理装置を提供すること、である。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマを用いた試料の表面処理装置は、所定の気体雰囲気内に配置されており、表面処理される試料が載置される試料台と、該試料の被処理面の形状の相似形状を少なくとも一部に有する壁面が該試料の被処理面に対向して設けられた電極と、該試料の被処理面に局所的に反応ガスを供給するように該電極の壁面に設けられた反応ガス供給口と、該電極に電力を印加する電源と、前記壁面における前記反応ガス供給口から離れた位置に開放端を有し、該電極に印加される電力を該開放端まで伝送するように該電極内に設けられた電力伝送線路とを備え、該電極の壁面は、該試料の被処理面に近接して設けられており、該試料の被処理面との間に、該反応ガス供給口から該気体雰囲気に向けて低コンダクタンスの気体流路を形成するとともに、該気体雰囲気の圧力と該反応ガス供給口から供給される反応ガスの圧力との差圧によって該気体雰囲気よりも高い圧力を有する高圧反応ガス領域を該低コンダクタンスの気体流路における該開放端の近傍に局所的に形成し、該開放端に伝送される電力によって高電界を発生させて、該反応ガスに基づく局所的な高圧プラズマを該高圧反応ガス領域に発生させることにより、該高圧プラズマ中の反応ガスの反応種によって該試料に対する表面処理が行われ、そのことによって、上記の目的が達成される。
また、本発明によるプラズマを用いた試料の表面処理装置は、所定の気体雰囲気内に配置された試料の被処理面の形状の相似形状を少なくとも一部に有する壁面が該試料の被処理面に対向して設けられた電極と、該試料の被処理面に局所的に反応ガスを供給するように該電極の壁面に設けられた反応ガス供給口と、該電極に電力を印加する電源とを備え、該試料及び該電極の少なくとも一方が、該気体雰囲気の圧力と該反応ガス供給口から供給される反応ガスの圧力との差圧によって、該試料の被処理面と前記壁面とが微小間隔を隔てて浮上するように可動に構成されており、該微小間隔によって、該反応ガス供給口から該気体雰囲気に向けて低コンダクタンスの気体流路が形成されるとともに、前記差圧によって該気体雰囲気よりも高い圧力を有する高圧反応ガス領域が該低コンダクタンスの気体流路における前記反応ガス供給口から離れた位置に局所的に形成され、該電極に電力を印加して、該高圧反応ガス領域に該反応ガスに基づく局所的な高圧プラズマを発生させることにより、該高圧プラズマ中の反応ガスの反応種によって該試料に対する表面処理が行われ、そのことによって、上記の目的が達成される。
好ましくは、前記試料は試料台に載置されている。
好ましくは、前記気体雰囲気の圧力ｐ０と、前記高圧反応ガス領域における前記高圧プラズマの発生箇所の圧力ｐｘとの比を、ｐｘ／ｐ０＞１に設定する手段を更に備える。
好ましくは、前記電極の壁面が、前記試料の被処理面に対して微小間隙を隔てて対向して配置される。
好ましくは、前記電極及び前記試料台の少なくとも一方は、前記差圧によって、該電極及び該試料台の他方に対して微小間隙を隔てて浮上するように可動に構成されている。
好ましくは、前記電極及び前記試料台の少なくとも一方には、所定の大きさの磁力を発生する磁力発生機構が設けられていて、該磁力発生機構から発生する磁力と、前記差圧との両方を利用して、該電極及び該試料台の一方を他方に対して微小間隙を隔てて浮上させる。
好ましくは、前記電極の内部には、前記電極の壁面における前記反応ガス供給口から離れた位置に開放端を有する電力伝送線路が設けられており、該電力伝送線路は、該電極に印加された電力を該開放端まで伝送して、伝送された電力によって、該開放端の近傍に高電界を発生させる。
好ましくは、前記電力伝送線路は、電力が印加される内側導体と、絶縁体を介して該内側導体を覆い且つ接地されている電界遮蔽導体とによって構成されている。
好ましくは、前記電極に印加される電力は、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの周波数帯の高周波電力、或いは１ＧＨｚ以上の周波数帯のマイクロ波電力である。
好ましくは、前記電力伝送線路は、導波管によって構成されている。
好ましくは、前記電極及び前記試料台の少なくとも一方に、使用する電源の周波数の電磁波に対して大きな吸収係数を持つ電力吸収体が設けられており、該電力吸収体は、前記低コンダクタンスの気体流路において前記高圧プラズマの発生領域よりも低圧力側に配置され、該高圧プラズマの発生領域を通過した電磁波を吸収して、該高圧プラズマの周囲領域における前記気体雰囲気の中でのプラズマの発生を抑制する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
具体的な本発明の実施形態の説明に先立って、まず、本発明における気体雰囲気内に配した試料近傍に成膜又は表面処理を行なうための高圧反応ガスを局所的に供給すると同時に、前記の気体雰囲気より局所的な高圧反応ガス領域を前記試料近傍に形成する様な気体の流れ場を構成する方式について、図２２及び図２３を参照して説明する。
【００５５】
図２２は、円板Ｈ０による気体の流れ場の形成を示す概略図である。
【００５６】
具体的には、被成膜試料Ｊの被成膜面形状が平面である場合、外半径Ｒ２、内半径Ｒ１、厚さＴ１の平面形状を持つ円板Ｈ０をギャップｔ０だけ離れて被成膜試料Ｊに対向させ、更に高圧気体供給路１０１によって半径Ｒ１の内径穴を通じて、圧力ｐｓの高圧気体を局所的に供給する。更に、この高圧気体は、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間に形成された気体流路を通じて、圧力ｐ０の円板Ｈ０の周囲の気体雰囲気へ流れるものとする。
【００５７】
ここで、円板Ｈ０と被成膜試料Ｊとの間を流れる気体の重量流量ｗ、及び圧力分布ｐを、図２３を用いて求める。図２３は、円板Ｈ０と被成膜試料Ｊとの間に円筒座標軸を設定した図である。
【００５８】
図２３に示される様に、被成膜平面及び円板Ｈ０に垂直で且つ円板Ｈ０の中心を通る直線をｚ軸とし、前記ｚ軸が被成膜平面と交わる点を原点Ｏとする。更に、図２３の様に、原点Ｏを通り且つ被成膜平面上にある直線を円筒座標系のｒ軸とし、また、そこから反時計周りに回転角θ０をとるものとする。
【００５９】
まず第１に、円板Ｈ０と被成膜試料Ｊとの間を流れる気体の重量流量ｗを求める。前記気体の流量ｗは、粘性を考慮した気体の運動方程式であるナビエ・ストークス方程式によって規定される流速を用いて求めることができる。このナビエ・ストークス方程式を円筒座標系で示すと、以下の式（１）のようになる。
【００６０】
【数１】
0003543672.tif 000005
【００６１】
ここで、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間を流れる気体流量ｗを求めるために、以下の仮定を行なう：
（１）円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間の距離ｔ０は円板外半径Ｒ２に比べて非常に小さい
（２）円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間の流れは、発達した境界層流れである
（３）ｚ軸方向に圧力分布はなく、従ってｚ軸方向の気体の速度を無視する
（４）θ方向にも圧力分布はなく、従ってθ軸方向の気体の速度も無視する
（５）圧力勾配の項に比べて、慣性力の項は小さい
（６）主なる粘性力はδ２ｖｒ／δｚ２のみであり、他は無視する。
以上の仮定を式（１）に当てはめると、以下の式（２）のように簡略化される。
【００６２】
【数２】
0003543672.tif 000006
【００６３】
但し、ｐはｒ方向の圧力分布、ｖｒはｒ方向の流速分布、及びμは気体の粘性係数である。
【００６４】
壁面においては、気体の速度は壁面の速度に等しいとすることができるので、境界条件は、
【００６５】
【数３】
0003543672.tif 000007
【００６６】
となる。圧力ｐはｚ方向に分布を持たないので、式（２）を式（３）の境界条件について解くと、
【００６７】
【数４】
0003543672.tif 000008
【００６８】
が得られる。従って、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間を流れる気体の重量流量ｗは、
【００６９】
【数５】
0003543672.tif 000009
【００７０】
と表される。但し、ρは気体の密度である。
【００７１】
一方、気体の状態方程式より得られる以下の式（６）、
【００７２】
【数６】
0003543672.tif 000010
【００７３】
（但し、ｍは気体の分子量ｍ、Ｒ０は気体定数、Ｔ０は絶対温度）を式（５）に代入すると、
【００７４】
【数７】
0003543672.tif 000011
【００７５】
が得られる。ここで、ｗはｒによらず一定値をとらなければならないため、
【００７６】
【数８】
0003543672.tif 000012
【００７７】
が得られる。これより、
【００７８】
【数９】
0003543672.tif 000013
【００７９】
が得られる（但し、Ｅ０及びＦ０はそれぞれ積分定数）。これに境界条件を代入すると、
【００８０】
【数１０】
0003543672.tif 000014
【００８１】
【数１１】
0003543672.tif 000015
【００８２】
が得られる。従って、円板Ｈ０の下面に、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間の気体圧力によって働く力は、上記の式（１０）を積分して、
【００８３】
【数１２】
0003543672.tif 000016
【００８４】
から求めることができる。また、同時に、円板Ｈ０の上面には、周囲雰囲気の圧力ｐ０が働くため、円板Ｈ０には重力を除いて、
【００８５】
【数１３】
0003543672.tif 000017
【００８６】
なる力ｆが、ｚ軸の正方向に働く。
【００８７】
また、式（１１）より、
【００８８】
【数１４】
0003543672.tif 000018
【００８９】
【数１５】
0003543672.tif 000019
【００９０】
【数１６】
0003543672.tif 000020
【００９１】
が得られる。このとき、式（１６）の中のｗは流量、ｐｓ−ｐ０は差圧であるため、Ｃ０はコンダクタンスを表し、以下の式（１７）、
【００９２】
【数１７】
0003543672.tif 000021
【００９３】
で表される。
【００９４】
ここで、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊで構成される気体流路のコンダクタンスＣ０は、圧力ｐｓ及びｐ０によって変化するが、幾何学的境界条件によってこのコンダクタンスＣ０を設定する場合には、ｔ０、Ｒ２、Ｒ１に依存する。
【００９５】
上記において、プラズマを発生させる気体の圧力を、例えば大気圧近傍の高圧力に設定し、多くの気体分子をプラズマ中に供給して高い成膜速度を達成する方式が、従来技術として説明した方式である。
【００９６】
ここで、圧力ｐｓ１で気体を供給し、要求される所定の気体の流量をｗ１とし、その時の円板Ｈ０の周囲圧力をｐ０１、その時の気体の物性及び円板による境界条件Ｒ１、Ｒ２、ｔ０によって決定される定数ｃの値をｃ＝ｃ１、コンダクタンスをＣ０＝Ｃ０１とする。
【００９７】
ここで、プラズマを発生させるために供給する気体の種類（分子量ｍ）、圧力（ｐｓ）、温度（Ｔ）は、被成膜試料Ｊ、及び目的とする膜仕様やプラズマ現象等によって決定されるため、変更することができない。変更可能であるパラメータは、円板周囲の雰囲気圧力ｐ０、及び円板Ｈ０の配置、すなわち境界条件Ｒ１、Ｒ２、ｔ０である。
【００９８】
まず、ｃ＝ｃ１が非常に大きくなるようにＲ１、Ｒ２、ｔ０を設定する場合を考える。これは、供給部から円板周囲への気体流路の幅ｔ０を広くし、Ｒ２／Ｒ１を大きくすることによって、高圧反応ガス供給部から周囲気体雰囲気への気体流路のコンダクタンスＣ０を高くした場合に相当する（Ｃ０＝Ｃ０１）。
【００９９】
このとき、式（１４）及び式（１５）より、ｐｓ１≒ｐ０１となり、高圧ガス供給部圧力ｐｓと円板周囲圧力ｐ０が等しくなる。また、式（１０）より、ｐ≒ｐｓ≒ｐ０（Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ２）となり、高圧力供給部から周囲気体雰囲気への気体流路である円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間に圧力分布は発生しない。
【０１００】
これに対して、必要気体供給量ｗ１及び供給気体圧力ｐｓ１をそれぞれ同じ値に保ったままで、コンダクタンスＣ０を低くしてＣ０＝Ｃ０２とし（Ｃ０１＞Ｃ０２）、それに対応して周囲気体圧力ｐ０を小さく設定する場合を考える（ｐ０＝ｐ０２＜ｐｓ１≒ｐ０１）。
【０１０１】
このときには、式（１４）及び式（１５）より、気体流量ｗがｗ＝ｗ１＝ｃ２（ｐｓ１２−ｐ０２２）を保つようにＣ０２及びｐ０２が設定され、且つｐｓ１（供給部圧力）＞ｐ０２（円板Ｈ０の周囲雰囲気圧力）であるために、式（１０）によって示される圧力分布が、円板Ｈ０−被加工物Ｊの間、つまり低コンダクタンス流路部分に形成される。これより、円板Ｈ０−試料Ｊの間の圧力は、円板周囲の圧力ｐ０＝ｐ０２より、全て高圧力状態となる。
【０１０２】
以上の点を考慮すると、同じ圧力ｐｓ１によって気体を供給し、ある同じ気体の供給量ｗ１を実現する方法としては、
（１）供給部から周囲雰囲気への気体流路のコンダクタンスが大きくなる様に、気体の流れ場（今回は前記壁面Ｈ０）を設定し、供給圧力ｐｓと周囲圧力ｐ０とが等しい状態で気体を流す、或いは、
（２）前記のコンダクタンスが低くなる様に上記の壁面Ｈ０を設定し、供給圧力ｐｓと周囲圧力ｐ０との差圧が大きい状態で気体を流す、
という２通りのケースが存在することになる。
【０１０３】
ここで更に、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間にプラズマを発生させ、高成膜速度を達成するためにｐｓを大きくして高圧力気体を供給するケースを考える。
【０１０４】
前述したように、上記（１）及び（２）の何れの場合においても、円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間には同じ気体流量ｗ＝ｗ１が流れ、（１）及び（２）の各々における成膜速度は同じである。
【０１０５】
しかし、前記（１）の場合には、供給部の圧力ｐｓ、プラズマを発生させる円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間、更に周囲圧力ｐ０に圧力分布はなく、全て同じ圧力である。ここで、プラズマ部は高圧力であるので、粒子の平均自由行程が短く、このために容易に衝突・凝縮して反応生成物を形成する。これらの反応生成物は、プラズマ中においては即座に再分解し、被成膜表面を汚染することはない。しかし、周囲気体雰囲気においては、その周囲雰囲気圧力がプラズマ部と同等の高圧力であるため、その平均自由行程の短さから、非常に頻繁に衝突・凝縮を繰り返し、粒径の大きい反応生成物が形成される。粒径の大きい反応生成物は、プラズマ中に拡散した場合においてもその粒径の大きさから即座に分解されず、被成膜表面に付着して膜中に取り込まれ、膜質を劣化させる。また、成膜後においても膜表面に付着し、高成膜速度を達成する代わりに加工物表面を汚染しやすくなる。なお、前述したようにプラズマ中において発生した反応生成物は即座に再分解されて粉状反応生成物は成長しないため、上記の問題点は、大きな粒径の反応生成物が、プラズマ外部の高圧力により成長することに起因する。
【０１０６】
反応生成物の発生を抑制するために周囲気体雰囲気圧力ｐ０＝ｐ０１を低くすると、供給部の圧力ｐｓ、プラズマを発生させる円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間、更に周囲圧力ｐ０が等しい状態であるため、プラズマ部の圧力も減少する。この結果、良好な膜質や清浄表面を得ることはできるが、高成膜速度を達成できない。
【０１０７】
これより、上記（１）の状態においては、高成膜速度及び清浄表面を同時に実現することができない。
【０１０８】
一方、上記の（２）のケースでは、高成膜速度を達成するための同じ気体供給量ｗ１が実現されると同時に、その気体流路のコンダクタンスＣ０の低さから、供給部の圧力ｐｓに対してｐｓ＞ｐ０２なる周囲雰囲気圧力ｐ０２が維持される。このような状態では、プラズマ中において発生した反応生成物は、（１）と同様に即座に再分解され、被成膜表面を汚染しない。更に（２）の場合には、周囲気体雰囲気も、プラズマを発生させる円板Ｈ０−被成膜試料Ｊの間より低圧力であるために、平均自由行程が比較的長い。このため、反応生成物の衝突及び凝縮が生じ難く、粒径の大きな反応生成物が成長せずに、清浄な成膜を行なうことができる。
【０１０９】
このように、上記（２）の場合には、プラズマ部を高圧力に設定することによって高成膜速度を達成し、同時に、周囲雰囲気がプラズマ部より低圧力であることから、良好な膜質で且つ清浄な被成膜表面を得ることができる。
【０１１０】
周囲圧力ｐ０が小さければ小さいほど、清浄な成膜を行なうことができる。この最小値は、ｐ０＝０、つまり周囲が真空状態のときである。
【０１１１】
上記（１）及び（２）の各々の場合において、供給圧力ｐｓ、周囲雰囲気ｐ０、重量流量ｗ、コンダクタンスＣ０、定数ｃの状態を示すと、以下の表４のようになる。
【０１１２】
【表４】
0003543672.tif 000022
【０１１３】
本発明では、高圧ガス供給部から円板Ｈ０の周囲の雰囲気への気体流路を、内半径Ｒ１及び外半径Ｒ２である円板Ｈ０と、そこから間隔ｔ０だけ離れて対向させた被成膜試料Ｊによって形成する。この気体流路のコンダクタンスも、粘性気体の運動方程式であるナビエ・ストークス方程式（式１）を用いて求めた。
【０１１４】
但し、高圧ガス供給部と周囲雰囲気との差圧は、高圧ガス供給部から周囲雰囲気への気体の流れ場を設定し、更に流れ場のコンダクタンスを低くすることによって、形成することができる。このときの具体的な手法としては、円板Ｈ０−被加工物Ｊの間の間隔ｔ０を小さくし、Ｒ２／Ｒ１を大きくする方法に限定されるものではない。また、流れる気体の圧力が低い場合におけるコンダクタンスＣ０は、実際には、上述のナビエ・ストークス方程式によってではなく、気体分子運動論を用いて求めなければならない。しかし、コンダクタンスＣ０の求め方に関わらず、高圧ガス供給部から周囲の雰囲気への気体流路を低いコンダクタンスに設定することによって、先に（２）の場合に示したような、高い成膜速度での清浄表面の形成が実現される。
【０１１５】
以下には、以上のような考察に基づいて達成された本発明のプラズマを用いた表面処理（成膜或いは表面改質）の方法及び装置を、添付の図面を参照しながら説明する。
【０１１６】
（第１の実施形態）
図１は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と、試料Ｊ、試料台Ｔ、走査ステージＳ、反応容器Ｃ、電源Ｇ、共振・整合装置Ｍ、フレキシブル電力伝送線路Ｉ、電力伝送線路Ｋ、高圧反応ガス供給装置Ｒ、排気装置Ｅ、電極走査装置Ｕ、及びそれらを制御する制御装置Ｎとの配置関係を示す全体概念図である。なお、図示しないが、試料−電極間ギャップを測定する試料−電極間ギャップ測定装置が設けられ、更に電極Ｈ１及び試料台Ｔには、それぞれの温度を調整するための水冷機構或いは加熱機構（不図示）が設けられる。また、試料台Ｔは、更に試料固定部Ｆを備えている。
【０１１７】
図２は、前述した電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の断面図である。
【０１１８】
図２において、１は、高圧反応ガスを高圧反応ガス供給装置Ｒから電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１へ輸送する高圧反応ガス供給経路である。２は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料Ｊに対向する位置に設けられて、高圧反応ガス供給装置Ｒから輸送された高圧反応ガスを噴出する高圧力反応ガス供給口である。１１１は、高圧反応ガス供給口２から供給する反応ガスの圧力を、供給口２によって分布が発生しない様にするバッファ部であり、図中に描かれている複数のバッファ部１１１は、実際にはお互いにつながっている。３は、反応ガス排気口４と排気装置Ｅとをつなぐ反応生成物排気経路である。また、反応ガス排気口４は、排気装置Ｅにつながっており、局所的な高圧プラズマＰ（「局所高圧プラズマＰ」とも称する）の中での反応によって発生した反応生成物を排気する。５及び６は、それぞれ電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の内側電極及び外側電極である。１１は、内側電極５と外側電極６との間を絶縁する絶縁体であり、７は、内側電極５及び外側電極６と絶縁体１１とによって形成される電力伝送線路開放端である。８は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１とフレキシブル電力伝送線路Ｉとを接続するコネクタである。９は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と駆動モータ１０とを接続する走査ワイヤ或いはベルトであり、これを通じて駆動モータ１０を回転させることによって、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１を試料Ｊに対して相対的に移動させる。走査ワイヤ（ベルト）９と駆動モータ１０とを総称して、走査装置Ｕと呼ぶ。
【０１１９】
図３は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分を表した下方斜面図である。
【０１２０】
図示されるように、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の電極形状を、反応生成物排気口４を中心に持つ円盤型形状とする。また、高圧反応ガス供給口２は、図３の中に示される微小孔とし、この微小孔を同一円周上に多数個配置する。これらの微小孔は、ここから供給されるガスの圧力分布（流量分布）が均一になるように配置することが好ましく、具体的には、ある円周上に等間隔で配置されることが好ましい。また、局所高圧プラズマＰを発生させる電力伝送線路開放端７も、同様の円周形状とし、その形成位置は、高圧反応ガス供給口２よりも反応ガス排出口４に近い側に、十分離れて設ける。
【０１２１】
更に、図４は、試料Ｊと試料台Ｔとの間の段差ｔを示す部分断面図である。
【０１２２】
本発明の第１の実施形態においては、反応容器Ｃの内に試料Ｊ及び電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１を対向させて配置し、高圧反応ガス供給装置Ｒより、目的とする膜特性などに基づいて決定された高圧反応ガスを、高圧反応ガス供給経路１を通じて電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１に供給する。高圧浮上電極Ｈ１は、高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとが対向する部分に、高圧反応ガスを高圧反応ガス供給口２より供給することによって、試料Ｊに対して微小間隔Ｄだけ浮上する。上記の構成では、電極Ｈ１と試料Ｊとの間の間隔Ｄが非常に狭いために、この部分に供給されたガスは、電極周囲の雰囲気に流出し難い。従って、電極Ｈ１と試料Ｊとに挟まれた部分が高圧力に維持されて、ここに高圧部分が形成される。
【０１２３】
これにより、低コンダクタンスの気体流路における差圧発生理論（先述の（２）のように供給圧力ｐｓと周囲圧力ｐ０との間の差圧を利用するケース）に関連して説明したように、高圧浮上電極Ｈ１の試料Ｊと対向する部分を、高圧反応ガス供給口２から反応容器Ｃ内の気体雰囲気へ向かう気体流路を低コンダクタンスな気体流路にする壁面とし、この低コンダクタンスにより、排気装置Ｅにより排気される反応容器Ｃ内の気体圧力より高圧力の反応ガス領域（高圧反応ガス領域）を、高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊの間の微小間隔Ｄによる低コンダクタンス部分に、局所的に形成する。
【０１２４】
更に、電源Ｇから発生した電力は、電力伝送線路Ｋ、共振・整合装置Ｍ、フレキシブル電力伝送線路Ｉを通じて高圧浮上電極Ｈ１に伝達され、更に内側電極５、外側電極６、及び絶縁体１１によって構成される電極内電力伝送線路を通じて、高圧浮上電極Ｈ１の試料Ｊと対向する部分であって且つ高圧反応ガス供給口２より離れた位置に設けられた電力伝送線路開放端７に伝達される。これによって発生された高電界は、電力伝送線路開放端７の位置、すなわち高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとの間の微小間隔Ｄの中の高圧力反応ガス領域中であって、且つ高圧反応ガス供給口２より離れた部分に、局所高圧プラズマＰを発生させる。この局所高圧プラズマＰの中で高圧反応ガスを分解・活性化し、プラズマＰの直下における試料Ｊに対して成膜を行う。
【０１２５】
プラズマＰにおいて生じた反応生成物は、反応生成物排気口４から、反応生成物排気経路３を通じて排気装置Ｅによって即座に排気される。また、反応容器Ｃ内の気体雰囲気へ流れた反応生成物は、反応容器Ｃ全体を同様に排気装置Ｅによって即座に排気することにより、除去される。
【０１２６】
更に、以上の構成では、走査装置Ｕ及び走査ステージＳを用いて高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとの相対的位置を変化させることによって、試料Ｊの表面の全体に渡って成膜を行うことができる。また、制御装置Ｎによって、所望の成膜を行うための制御が行われる。
【０１２７】
このように、以上の構成では、高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとの間の微小間隔Ｄ中の高圧力雰囲気に局所高圧プラズマＰを発生させるため、高密度な活性種を生成でき、その結果として高い成膜速度を実現できる。また、同時に、反応容器Ｃ内の圧力（周囲気体雰囲気の圧力）が、局所高圧プラズマＰが発生して成膜が行われている高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとの間の高圧力雰囲気に比べて低圧に、或いは真空に維持されていることから、前述したように、粒径の大きな反応生成物が成長することは無く、試料Ｊに良質な膜を形成できて、且つ膜表面も清浄に維持できる。
【０１２８】
反応容器Ｃ内の圧力が低いほど、清浄な膜表面が得られて、良質な成膜を行なうことができる。特に、反応容器Ｃ内の雰囲気が真空である場合に、最大の効果を得ることができる。
【０１２９】
また、反応容器Ｃ内の圧力が１気圧以下である場合には、反応容器Ｃの外の大気よりも圧力が低いため、ガス漏洩時においても反応容器Ｃの中のガス雰囲気が反応容器Ｃの外に漏洩せず、装置の安全性を高めることができる。
【０１３０】
更に、反応容器Ｃ内の雰囲気が真空雰囲気である場合は、試料Ｊを反応容器Ｃの外に搬出する際の反応ガスパージ時に、反応ガスを排気する時間を非常に短く、或いは完全に無くすことができるので、装置のスループットが向上する。
【０１３１】
また、以上のように、微小間隔Ｄの高圧力と反応容器Ｃ内の雰囲気（周囲気体雰囲気）との差圧により、電極Ｈ１を試料Ｊに対して浮上させるので、電極Ｈ１が試料Ｊに対して傾くこと無く、微小間隔Ｄを維持することができる。また、前記微小間隔Ｄ中には、試料表面に沿って、高圧反応ガス供給口２から反応容器Ｃ内の雰囲気或いは反応生成物排気口４へ向かう反応ガスのよどみの無い流れが形成されており、このような流れが形成される微小間隔Ｄ中に局所高圧プラズマＰを発生させることにより、膜厚分布の均一な膜を形成することができる。
【０１３２】
また、高圧反応ガス供給口２の直下でなく、供給口２より離れた部分に局所高圧プラズマＰを発生させることにより、供給口２の反応ガス噴出流によって供給口２の周辺の成膜量より供給口２の直下の成膜量が多くなるような成膜量分布が形成されることがない。これによって、膜厚分布の均一な成膜を行うことができる。
【０１３３】
更に、以下には、
（１）電極Ｈ１を試料Ｊに対して微小間隔Ｄだけ浮上させる方式及びその効果、
（２）電力伝送線路開放端７によってプラズマＰを発生させる方式及びその効果、
（３）良質な膜質及び清浄な成膜表面を得る方式、並びに
（４）ガス供給口２の直下における成膜量分布の形成防止方式
について、詳述する。
【０１３４】
まず、（１）として、電極Ｈ１を試料Ｊに対して微小間隔Ｄだけ浮上させる方式について説明する。
【０１３５】
図５（ａ）は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の微小間隔Ｄの近傍の模式的断面図であり、図５（ｂ）は、上記の微小間隔Ｄ中の高圧反応ガスの圧力分布を示す模式図である。図５（ｂ）において、Ｐ０は高圧反応ガス供給口部の圧力、Ｐ１は反応容器内の気体圧力、並びに、Ｐ２は反応ガス排気口部の圧力である。
【０１３６】
この圧力分布は、図２２として示されるような簡単な場合においては、代数的に規定することができ、同時に、気体圧力より受ける力を前記式（１３）により計算できる。しかし、電極Ｈ１のように高圧反応ガス供給口２を多数持つ場合には、代数的に求めることはできず、有限要素法等の方法を用いて数値解析を行なうことになる。同様に、気体圧力より電極Ｈ１が同時に受ける力も、数値解析的に求めることになる。
【０１３７】
高圧反応ガス供給装置Ｒより、反応ガス種、温度、圧力、流量、混合比を制御されながら供給された高圧反応ガスは、高圧反応ガス供給経路１を通じて、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の内部へと供給される。電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の内部へ供給された高圧反応ガスは、図２の断面図に示される電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１において、試料Ｊと対向する位置に設けられた高圧力反応ガス供給口２から、高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊとの間隔へ供給される。そして、排気装置Ｅにより排気されて低圧或いは真空となった反応容器Ｃ内の気体雰囲気との差圧による力を受けて、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１を試料Ｊより微小間隔Ｄだけ浮上させる。
【０１３８】
微小間隔Ｄの浮上量が小さいため、高圧力反応ガス供給口２から反応容器Ｃの低圧或いは真空雰囲気へと向かう気体流路のコンダクタンスは非常に小さくなり、図５中の反応ガス供給口２における反応ガス供給圧力Ｐ０から、反応容器Ｃの低圧或いは真空雰囲気の圧力Ｐ１へ、連続的に変化する圧力分布を形成する。同時に、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２に開口すると共に反応生成物排気経路３を通じて排気装置Ｅに接続され、微小間隔Ｄ中の反応ガス及び反応生成物を排気する反応ガス排気口４には、圧力Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ０）の低圧雰囲気が形成されている。これによって、同様に、高圧反応ガス供給口２における圧力Ｐ０から、反応ガス排気口４の周辺領域の低圧力Ｐ２へ変化する圧力分布を形成する。このような微小間隔Ｄによって変化する圧力分布による反応容器Ｃ内の雰囲気との差圧と電極Ｈ１の重量とのバランスによって、電極Ｈ１は浮上する。
【０１３９】
この微小間隔Ｄは、反応ガス供給圧力Ｐ０、反応容器内圧力Ｐ１、電極重量、電極−試料対向面積、高圧反応ガス供給口２の出口形状、高圧浮上電極内の反応生成物排気口における排気速度によって決定される。そこで、図示しない試料電極間ギャップ測定装置によって電極―試料間隔を測定し、反応ガス供給圧力Ｐ０、温度、混合比また周囲圧力、温度等を制御することによって、電極Ｈ１と試料Ｊの広い対向面積に対して、電極―試料間隔を、１μｍ〜数百μｍの微小間隔に安定して制御できる。
【０１４０】
この時、電極間ギャップ測定装置によって電極―試料間隔を測定し、ステージＳによって電極―試料間隔を一定に保つことも、原理的には可能である。しかし、実際には、プラズマの熱による電極Ｈ１及び試料Ｊの変形、プラズマを発生させるための電界、更に腐食性雰囲気によって、精密なギャップ測定を行なうことが困難である。この様な場合においても、本発明によれば、電極―試料間の圧力と反応容器Ｃ内の雰囲気との差圧を用いて電極Ｈ１を試料Ｊに対して浮上させることにより、電極Ｈ１と試料Ｊの広い対向面積に対して、電極―試料間隔を１μｍから数百μｍの微小間隔に、安定して制御することができる。
【０１４１】
更に、図示しないが、磁性体或いは磁力発生機構を必要に応じて電極Ｈ１及び試料台に設け、この磁性体或いは磁力発生機構から発生する磁力によって電極Ｈ１を浮上させれば、高圧反応ガス供給口部の圧力Ｐ０を低く設定することが可能となり、電極Ｈ１の重量でなく目的とする膜特性によって、高圧反応ガス供給口部の圧力条件を設定することも可能になる。
【０１４２】
次に、（２）として、微小間隔Ｄ中の高圧反応ガス領域に局所高圧プラズマＰを発生させる方式について、説明する。
【０１４３】
図６は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料Ｊと対向する部分に設けられた電力伝送線路開放端７における、局所高圧プラズマＰの発生を示す概略図である。
【０１４４】
図１の電源Ｇより発生した電力は、電力伝送線路Ｋを通り、共振・整合装置Ｍに達する。共振・整合装置Ｍにより必要に応じて昇圧及びインピーダンスマッチングを行われた電力は、効率よく高圧浮上電極Ｈ１へ伝達される。共振・整合装置Ｍにより昇圧された電力は、フレキシブル電力伝送線路Ｉを通じて電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１に供給され、更に、内側電極５、外側電極６、及び絶縁体１１によって構成される電極内電力伝送線路を通じて、高圧浮上電極Ｈ１の試料Ｊに対向する部分であって且つ高圧反応ガス供給口２より離れた位置に設けられた電力伝送線路開放端７に達する。
【０１４５】
電力伝送線路開放端７は、図２に示される実施形態においては、電源Ｇより直流或いは交流電圧を伝送する電力伝送線路Ｋ、フレキシブル電力伝送線路Ｉ、及び電極内電力伝送線路が、最終的に高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２において、絶縁体１１によって内側電極５と外側電極６とが絶縁された状態のままで終端している部分を意味する。この電力伝送線路開放端７の設置により、図６に示されるように、内側電極５と外側電極６との間で高電圧或いは強電界を発生させて、試料Ｊの有無に関係なく、内側電極５と外側電極６との間でプラズマＰを発生させることが可能になる。更に、外側電極６−内側電極５間以外にプラズマＰが拡大することを抑制することができ、局所高圧プラズマＰを発生させることができる。
【０１４６】
電力伝送線路開放端７は、高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２に形成されているため、高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の高圧反応ガス領域に、局所高圧プラズマＰを発生させる。局所高圧プラズマＰの中で高圧反応ガスは解離し、反応ガスに基づく活性種を発生して試料Ｊの表面に成膜を行う。高圧反応ガスに基づいて活性種は非常に高密度となり、高速度な成膜を行うことを可能とする。
【０１４７】
本実施形態の場合には、内側電極５をカソード電極、外側電極６をアノード電極として、試料Ｊの有無に関係なく、内側電極５と外側電極６との間でプラズマＰを発生させることが可能であるため、電極走査の際に電力伝送線路Ｋの等価回路が変化せず、プラズマＰが安定して、均一な膜厚分布を得ることができる。このプラズマＰの安定は、内側電極５をカソード電極、外側電極６をアノード電極とする場合に限らず、電力伝送線路開放端において高電界を発生させて、試料Ｊの有無に関係なくプラズマＰを発生させることに起因する。
【０１４８】
更に、ここで図示しないが、電極Ｈ１及び試料台Ｔの少なくとも何れか一方に、使用する電源Ｇの周波数の電磁波に対して大きな吸収係数を持つ電力吸収体を、反応ガス供給部２から周囲の気体雰囲気へ流れる低コンダクタンス流路のうちで局所高圧プラズマＰが発生する領域より低圧力側に設ければ、局所高圧プラズマＰで消費されず通過した電磁波を吸収することができる。これにより、特に反応容器内圧力が真空雰囲気である場合に、周囲の気体雰囲気にプラズマが発生することを防ぐことができる。更に、上記のような電力吸収体を設ければ、電極走査の際に電力伝送線路Ｋの等価回路が変化せず、プラズマが安定して、更に均一な膜厚分布を得ることができる。
【０１４９】
次に、（３）として、本実施形態によって、高速度で試料Ｊの成膜を行い、且つ良好な膜質を有する清浄な成膜表面を得る方式について、以下に説明する。
【０１５０】
本発明においては、高圧反応ガス領域中における局所高圧プラズマにより高圧反応ガスに基づく高密度活性種を発生させて、試料Ｊに対する高成膜速度を達成し、同時に、反応容器内圧力を局所高圧プラズマ発生部の圧力より低く或いは真空に維持することによって、良質な膜質及び清浄な成膜表面を得る。反応ガスに用いるガス種、温度、圧力は、目的とする膜材料によって選択されなければならない。また、反応ガス種に用いるガスは、一種類に限定されず、希ガス或いは他の反応ガスと混合させて、最適条件を設定する。
【０１５１】
高圧反応ガス供給口２より供給された高圧反応ガスは、図５に示されるように高圧反応ガス供給口２の高圧力Ｐ０から、低圧或いは真空雰囲気に排気された反応容器内の圧力Ｐ１或いは反応ガス排気口４の圧力Ｐ２へ、連続的に変化する圧力分布に従って移動する。そして、高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２に設けられた電力伝送線路開放端７に発生した局所高圧プラズマＰにおいて、分解・励起され、反応ガスに基づく活性種を発生して、局所高圧プラズマＰの直下で成膜を行う。
【０１５２】
ここで、局所高圧プラズマＰによる反応において生じるのは、成膜に寄与する活性種のみでなく、他に、成膜に寄与しない分子や原子、及びそれらが互いに或いは反応容器内の炭化粉末物や金属粉末物などと付着・重合した反応生成物も、生じる。この炭化粉末物や金属粉末物などは、供給ガス、電極材料、反応容器材料などの各種構造物材料から発生する。これらを、不純物と呼ぶ。上記のような反応生成物も試料Ｊの表面に到達するが、試料Ｊの表面にこれらの反応生成物が付着したままで成膜が進行すると、反応生成物が膜中に取り込まれて膜質を劣化させる。
【０１５３】
プラズマ中においては、凝縮した反応生成物は、粒径が小さい場合はプラズマによって即座に再分解され、反応生成物として基板表面に到達することはない。しかし、プラズマ外部に放出された反応生成物は再分解されること無く、互いに或いは容易に反応容器内の不純物と凝縮する。これによって、反応生成物の粒径が増大し、また、粒径の大きい反応生成物の粒子数が増大する。ここで問題となるのは、上記のようにして生成される、粒径の大きな反応生成物である。それらの粒径の大きな反応生成物は、再びプラズマ中に拡散した場合においても即座に再分解されず、ある一定の粒子径を持ったままで試料基板Ｊに到達して、基板Ｊの上に形成された膜中に混入することによって、膜質を著しく低下させる。或いは、粒径の大きな反応生成物は、反応容器Ｃの内壁に付着して、反応容器Ｃの内部を汚染し、その結果として、成膜後の膜表面を汚染してプロセス自体の歩留りを悪化させる。
【０１５４】
上記で問題となるのは、プラズマの外部が、プラズマ部と同等の圧力状態である点である。このために、プラズマ外部に放出された反応生成物が成膜室内を長時間浮遊し、その間に、高圧力雰囲気に起因する平均自由行程の短さから互いに或いは反応容器中の不純物と多数回の衝突・凝縮を繰り返して、反応生成物の粒径の増大や粒径の大きい反応生成物の粒子数の増大を引き起こす。また、前述したように再びプラズマ中に拡散した場合においても、即座に再分解されずに試料Ｊの表面に到達し、膜中に混入することによって膜質を著しく低下させる。
【０１５５】
これに対して本実施形態では、試料Ｊに高圧浮上電極Ｈ１を対向させ、高圧反応ガス供給口２から反応容器Ｃの内部雰囲気への気体流路を、低コンダクタンスな気体流路とする。これにより、試料Ｊ−電極Ｈ１間の気体流路部分に反応容器Ｃ内の雰囲気圧力より高圧力な反応ガス領域を形成し、そこにプラズマＰを発生させることにより高成膜速度を達成する。その一方で、反応容器Ｃ内の雰囲気圧力はプラズマ部より低圧力であるため、平均自由行程が大きくなる。これによって、反応生成物が互いに衝突・凝縮せず、反応生成物の粒径が大きく成長しない。粒径の小さい反応生成物は、プラズマに拡散した場合に即座に再分解され、成膜表面に到達することが無いので、良質な膜質及び清浄な膜表面を得ることができる。
【０１５６】
反応容器Ｃ内の雰囲気圧力は、低圧であるほど良質な膜質及び清浄な膜表面を得ることができ、真空雰囲気がその下限となることは言うまでもない。
【０１５７】
また、高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の微小間隔Ｄ中の試料表面に沿った流れによる、局所高圧プラズマＰ中で発生した反応生成物の輸送及び除去について考えると、局所高圧プラズマＰ中の高圧反応ガスに基づく反応生成物は、試料表面に沿った流れによって速やかに局所高圧プラズマＰから移動し、一定領域によどむことの無いまま、高圧浮上電極Ｈ１中に設けられた反応ガス排気口４を通じて反応ガス排気装置Ｅへ排出される。これによって、膜表面或いは反応容器内の雰囲気の清浄化が実現される。また同時に、反応生成物は、よどむことの無いままに高圧浮上電極Ｈ１の周囲の真空或いは低圧雰囲気にも放出される。反応容器Ｃの内部を常時排気して真空或いは一定の圧力以下に維持することで、放出された反応生成物の雰囲気パーティクルとの凝縮や被加工物表面への再付着を避けることができて、反応容器内及び膜表面の清浄化を実現することができる。
【０１５８】
なお、反応容器Ｃから排気されたガスを再処理して、反応ガス或いは反応容器Ｃ内の周囲気体雰囲気として、反応容器Ｃに再び供給する手段を更に備えることも可能である。
【０１５９】
更に、本実施例において、電力伝送線路開放端７を高圧反応ガス供給口２より離れた位置に設置することによる、高圧反応ガス供給口２の直下における成膜量分布形成の防止について、更に説明する。
【０１６０】
図７（ａ）は、高圧反応ガス供給口２の近傍における構成を模式的に示す断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成を利用して高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に、供給口２の直下に形成される膜厚分布を示す断面図、更に図７（ｃ）は、上記に際して微小間隙Ｄに発生するガス流の状態を模式的に示す図である。一方、図８（ａ）は、高圧反応ガス供給口２から離れた位置に電力伝送線路開放端７を設置する場合の、高圧反応ガス供給口２及び線路開放端７の近傍における構成を模式的に示す断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の構成を利用して高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に、供給口２の直下に形成される膜厚分布を示す断面図、更に図８（ｃ）は、上記に際して微小間隙Ｄに発生するガス流の状態を模式的に示す図である。図７（ｂ）及び図８（ｂ）において、１７１１は、高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に供給口２の直下に形成される成膜量分布、１７１２は、高圧反応ガス供給口２から離れた位置に電力伝送線路開放端７を設置して局所高圧プラズマＰを発生させる場合に局所高圧プラズマＰの直下に形成される成膜量分布である。また、図７（ａ）及び図８（ａ）において、１６１１は、高圧反応ガス供給口２から噴出する高圧反応ガス噴出流、１６１２は、微小間隔Ｄ中で試料表面に沿う流れとなった高圧反応ガス流であり、図７（ｃ）及び図８（ｃ）において、１６１３は、供給口２の近傍で乱流になった反応ガスの流速分布、１６１４は、供給口２から離れて、せん断流へ変化する反応ガスの流速分布、１６１５は、供給口２から十分に離れて、せん断流になった反応ガスの流速分布である。
【０１６１】
高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の微小間隔Ｄの中の高圧反応ガスの流速分布においては、高圧反応ガス供給口２の直下及びその近傍においては乱流１６１３が発生し、その流速分布は乱れた分布となって、また時間的に変化する非定常流になる。この場合には、試料表面に沿った流速分布のみではなく、試料表面に垂直な方向にも流速分布を有する。しかし、供給口２から離れるに従って、流速分布は１６１４に示すように次第に安定化し、試料表面に沿った方向の流速分布のみを有するようになる。最終的には、微小間隔Ｄ及び反応ガスの流速などのパラメータにもよるが、１６１５に示されるように、試料表面に沿った流速分布のみを有する定常せん断流になる。参照番号１６１５で示される、この定常せん断流の流速分布Ｕは、以下の式（１８）、
【０１６２】
【数１８】
0003543672.tif 000023
【０１６３】
で表される。但し、上記の式（１８）において、微小間隔Ｄの中心に座標原点をとり、試料表面に垂直な方向にｘ軸をとるものとし、Ｕは、原点から距離ｘだけ離れた位置における試料表面に沿った方向の流速分布、Ｕｍａｘは、原点、すなわち微小間隔Ｄの中心に発生する最大流速、ｘは、原点からの距離である。
【０１６４】
高圧反応ガス供給口２の直下を含む高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２の全面でプラズマを発生させる場合、試料Ｊの成膜領域は、プラズマ発生領域、即ち、高圧反応ガス供給口２の直下を含む高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分全面となる。このとき、図７（ａ）に示されるように、特に高圧反応ガス供給口２の直下においては、噴出した高圧反応ガス流１６１１が試料表面に、該試料表面に垂直な方向から衝突し、時間的に流速分布が変化する不安定な乱流が発生している。従って、反応ガス供給口２の直下では、反応ガス供給口２の周辺以外で試料表面に沿う流れ１６１２（流速分布１６１５）が形成されている領域に比べて、成膜量が多くなる。このため、図７（ｂ）に１７１１として示されるような成膜量分布を形成する。従って、高圧浮上電極Ｈ１の走査を行って試料全面の成膜を行う際に、高圧反応ガス供給口２の位置と電極Ｈ１を走査する軌跡によって決定される膜厚分布が、成膜後の成膜表面に形成される。
【０１６５】
そこで、本実施形態では、図８（ａ）に示される様に、内側電極５及び外側電極６によって構成される電力伝送線路開放端７にプラズマを発生させることにより、プラズマ発生領域を規定して局所高圧プラズマＰとする。また、局所高圧プラズマＰの位置を高圧反応ガス供給口２より十分離れた位置であって、安定したせん断流１６１５が発生している領域に設置することで、高圧反応ガス供給口２の直下における成膜量分布１７１１の形成を防ぎ、微小間隔Ｄ中の試料表面に沿う流れによって、局所高圧プラズマＰの発生部における成膜を行うことにより、非常に安定した前記局所プラズマ直下の加工量分布１７１２を得る。この状態で成膜領域を試料全体に走査させることにより、成膜量分布の無い均一な成膜を行なうことができる。
【０１６６】
本発明の表面処理では、局所的な高圧プラズマＰを発生させて、そのプラズマ近傍の局所的な成膜を行い、電極Ｈ１と試料Ｊとを相対的に移動させることによって試料表面全体の成膜を行う。また、電極Ｈ１と試料Ｊとの間の微小間隔Ｄ中の反応ガスの高圧力と電極重量、及び反応容器Ｃ内の低圧或いは真空雰囲気との釣合によって、微小間隔Ｄを形成している。これらのため、共振・整合装置Ｍと電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１とを接続する電力伝送線路は、変形可能なフレキシブル電力伝送線路Ｉを用いることが望ましい。また、フレキシブル電力伝送線路Ｉと高圧浮上電極Ｈ１との接続は、コネクタ８によって行われ、この接続は、接続部での接触抵抗による損失、電磁波漏れの無い様に行わなければならない。
【０１６７】
絶縁体１１は、電力伝送線路開放端７に発生した局所高圧プラズマＰによって腐食されることの無い材料、例えば高純度アルミナ、窒化珪素等を用いることが望ましく、更に条件に応じて、膜材料を構成する元素を少なくとも１種類以上含む材料を用いることが望ましい。例えば、Ｓｉ膜を成膜する場合、絶縁体１１に窒化珪素（ＳｉＮ）を用いることにより、膜中への不純物混入を低減させることができる。
【０１６８】
試料固定部Ｆに関して、試料Ｊを固定する固定用治具が高圧浮上電極Ｈ１と対向する部分へ突出した場合、前述したように高圧浮上電極Ｈ１と試料Ｊは非常に接近しているため、接触による高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２の損傷や、微小間隔Ｄ内の圧力分布の変化など、好ましくない状態を引き起こす。従って、試料固定部Ｆは、真空チャックや静電チャック等の、試料固定治具などが電極対向部に突出しない機構を用いることが望ましい。
【０１６９】
また、図４に示される、試料Ｊと試料台Ｔの段差ｔは、微小間隔Ｄ内の高圧反応ガスの圧力分布を変化させ、試料Ｊに対する電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の電極傾斜を引き起こし、更には成膜速度分布の変化、電極表面への試料の接触等の問題を発生させるため、可能な限り小さくしなければならない。
【０１７０】
高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２に耐蝕性を有して高硬度の絶縁膜、例えばアルミナ溶射膜などを形成し、高精度に平坦化することにより、プラズマによる試料対向部分１２の腐食を軽減させ、寿命を長期化させた高圧浮上電極を実現することも可能である。
【０１７１】
図９のように、高精度に平坦化させた高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体１８、例えば高純度アルミナ或いは窒化珪素などからなる絶縁体１８を、試料対向部１２の全体に取り付けることによって、膜形成の困難な耐蝕・高硬度絶縁材料を試料対向部分１２に用いることも可能である。
【０１７２】
或いは、図１０のように、反応ガス供給口２に多孔質材料１９、例えば多孔質アルミナ等を用いることによって、非常に安定して電極Ｈ１−試料Ｊの間の狭ギャップ間隔Ｄを制御することを可能とする高圧力浮上電極Ｈ１を実現することも可能である。
【０１７３】
また、高圧浮上電極Ｈ１において、高圧反応ガス供給口２及び反応ガス排気口４の位置及び数量は１つに限定されるものではない。例えば、図１１のように、試料台Ｔに、或いは高圧浮上電極Ｈ１及び試料台Ｔの両方に、高圧反応ガス供給口２及び反応ガス排気口４を設置することも可能である。
【０１７４】
先に図１を参照して説明した走査ステージＳは、目的に応じて、鉛直方向運動機構、水平方向運動機構、回転機構などを有することができる。また、試料台Ｔに固定される試料Ｊの数は、１つに限定されない。試料を多数固定する試料台を用いたバッチ処理を行うことにより、生産効率の向上を行うことができる。
【０１７５】
例えば、図１２は、多回転軸且つ回転数をもつ多数試料固定用試料台Ｔ１１を用いたバッチ処理を示す概念図である。図１２において、Ｔ１１は多数試料固定用試料台である。
【０１７６】
図１２に示される構成例においては、ＸＹＺ方向への多方向走査が可能な走査ステージＳ上に、回転機構θ１をもつ試料台Ｔ１１が設置され、更にＴ１１上には、試料台Ｔ１１の持つ回転機構θ１と同じ或いは異なる回転数、回転方向、回転軸の回転機構θをそれぞれ持つ試料台Ｔが多数個設置される。各試料台Ｔの上に試料Ｊをそれぞれ設置し、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１が試料Ｊに対向することにより、バッチ処理を行う。このとき、走査ワイヤ或いはベルト９を通じて電極Ｈ１を走査させ、また、走査ステージＳの多方向走査、或いは試料台Ｔ及び試料台Ｔ１１の回転機構を用いてランダムに加工を行うことによって、試料Ｊをそれぞれ均一に成膜し、非常に膜均一性の高い成膜を行なうと同時に、バッチ処理により生産効率の向上を行うことができる。
【０１７７】
高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の微小間隔Ｄへ高圧反応ガスを供給する高圧反応ガス供給口２、反応生成物排気口４、及び高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分１２の形状は、試料Ｊの形状、大きさ、仕上げ精度など、目的とする成膜に応じて変化する。高圧浮上電極Ｈ１の実施形態は、これに限定しない。
【０１７８】
なお、反応容器Ｃの中に、試料などの横方向の位置決め用に高圧力部を形成することも可能である。但し、その場合の高圧力部は、上記で説明したところの「供給圧力よりも低い圧力を有する周囲気体雰囲気部」には含まれない。
【０１７９】
（第２の実施形態）
次に、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２を用いた本発明の第２の実施形態について、以下に説明する。
【０１８０】
本実施形態における試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２とは、電力を電源Ｇより伝達されて局所高圧プラズマＰを発生し得る電極に対して、浮上試料Ａを浮上させる方式を用いた高圧浮上電極である。この場合、反応容器Ｃ内に設置されるのは試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２であり、浮上するのは浮上試料Ａである。
【０１８１】
図１３は、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２の概略断面図であり、Ａは浮上試料、Ｈ２は試料浮上型高圧浮上電極、Ｙは浮上試料走査ワイヤー或いはベルトである。また、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２は、図１３には図示されない走査ステージＳ上に設置され、走査ステージＳにより試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２を走査することにより、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２と浮上試料Ａとの相対的位置を変化させることができる。
【０１８２】
浮上試料走査ワイヤ或いはベルトＹは、図１３には図示されない駆動モータ１０に接続される。これより、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と同様に、駆動モータ１０を回転させることによって浮上試料Ａを走査させて、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２と浮上試料Ａとの相対的位置を変化させることができる。駆動モータ１０及び浮上試料走査ワイヤ或いはベルトＹを総称して、試料台走査装置と呼ぶ。
【０１８３】
このように、本実施形態は、局所高圧プラズマＰを発生させる試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２に対して、浮上試料Ａを微小間隔Ｄだけ浮上させる試料浮上方式を用いている。電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と同様に、微小間隔Ｄ中に発生した局所高圧プラズマＰ中の高圧反応ガスに基づく活性種により、浮上試料Ａの局所高圧プラズマＰの近傍に局所的な成膜を行う。また、走査ステージＳ及び試料台走査装置を用いて試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２と浮上試料Ａの相対的位置を変化させることによって、試料Ａの表面に全体的な成膜を行う。また、本実施形態においては、第１の実施形態にて、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１に関して説明した高圧反応ガス供給口２の形状及び位置、反応生成物排気口４の形状及び位置、電力伝送線路開放端７の形状及び位置や構造は、第１の実施形態と同様とする。特に、本実施形態では、ガラス基板などの軽量な試料Ａに対して、比較的低圧な供給圧力によって試料Ａを試料台Ｔと共に浮上させることができる。これより、加工条件の圧力条件を広く設定することを可能し、同時に比較的容易に試料Ａの搬送を行うことができるので、装置全体の生産性を向上させることができる。
【０１８４】
なお、図１３に図示しない装置全体の構成、浮上試料Ａの浮上原理及び方式、局所高圧プラズマＰの発生原理及び方式、局所高圧プラズマＰ中における成膜現象、高成膜速度、膜質向上、及び成膜後の表面の清浄化を同時に実現する原理及び方式、高圧反応ガス供給口２より離れた位置に局所高圧プラズマＰを発生させて高圧反応ガス供給口２の直下における成膜量分布１７１１の形成を防止する原理及び方式については、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と同様に、本実施形態においても適用できる。
【０１８５】
また、第１の実施形態で説明した高圧浮上電極Ｈ１の形状、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部１２に対する耐蝕・高硬度の絶縁膜の形成、図９に示した電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部１２に対する高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁材料１８の設置、図１０に示した高圧反応ガス供給口２に対する多孔質材料の設置、図１２に示した多回転軸且つ回転数をもつ多数試料固定用試料台Ｔ１１によるバッチ処理方式、試料台Ｔや試料固定部Ｆなどの構成などに関する特徴は、本実施形態の試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２に対しても同様に適用することができる。
【０１８６】
或いは、図１４のように試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２においても、高圧反応ガス供給口２及び反応生成物排気口４の位置及び数量は１つに限定されず、試料台Ｔに、或いは高圧浮上電極Ｈ２及び試料台Ｔの両方に、設置することも可能である。
【０１８７】
図１５は、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２において、浮上体を、図１３に示した浮上試料Ａを固定した試料台Ｔでなく、浮上試料Ａのみとした構成である。
【０１８８】
図１５におけるＹ１１は、浮上試料Ａを拘束或いは走査させ得る浮上試料拘束走査機構であり、直接前記走査ワイヤ或いはベルトＹを浮上試料Ａに接続させること無く、浮上試料Ａの浮上方向とは別に側面より浮上試料を押すことにより、浮上試料Ａを走査させる機構である。
【０１８９】
この構成によれば、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１或いは試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２における試料のチャッキング時間を省略することができる。従って、このような浮上試料拘束走査機構により、１方向に浮上試料を移動させて、流れ作業的に成膜し、その後に試料搬送を行うことにより、プロセスの生産性を向上させることができる。
【０１９０】
（第３の実施形態）
次に、導波管を電力伝達線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３による、本発明の第３の実施形態について説明する。
【０１９１】
導波管を電力伝達線路に用いる場合、電力伝送線路は直流及び周波数の低い交流を伝送することができない。従って、電源Ｇとしては、少なくとも周波数１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波、或いは１ＧＨｚ以上のマイクロ波電源Ｇ１１を用いる。
【０１９２】
図１６は、導波管を前記電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の断面図であり、図１７は、電極Ｈ３を別の方向より見た部分断面図、図１８Ａ及び図１８Ｂは、それぞれ電極Ｈ３の下方斜面図及び上方斜面図である。
【０１９３】
図１６において、Ｈ３は導波管を前記電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極、Ｐは局所高圧プラズマ、２４はマイクロ波を印加することによって高電界を発生し、電極Ｈ３−試料Ｊの間の微小間隔Ｄに局所高圧プラズマＰを発生させる導波管の開放端、２１はマイクロ波電源Ｇ１１より供給されたマイクロ波を必要に応じて昇圧・マッチングする共振・整合装置Ｍから、高圧浮上電極Ｈ３にマイクロ波を伝送するフレキシブル導波管、２２はフレキシブル導波管２１より電極Ｈ３の試料対向部分２８に位置する導波管開放端２４へマイクロ波を伝達する電極内導波管、２３は、電極内導波管２２の内部空間と、電極Ｈ３−試料Ｊの間の微小間隔Ｄの高圧反応ガス領域とを分離する絶縁体、２０は、高圧反応ガス供給口として機能し、形状がスリット形状である高圧反応ガス供給スリットである。
【０１９４】
また、図１７において、Ｔ１２は、凹状形状をなし、凹部内側底面において試料Ｊを固定し、凹部内側側壁において電極Ｈ３の移動を拘束する凹状試料台である。２５は高圧気体供給口であり、凹状試料台Ｔ１２の内側側壁に設けられ、該供給口より噴出する高圧気体により、電極Ｈ３に接触すること無く、電極Ｈ３の運動方向を１方向に拘束する。２６は、高圧気体供給口２５に、図示しない高圧気体供給装置より高圧気体を輸送する高圧気体供給経路である。
【０１９５】
図１８Ａにおいて、２７は、高圧反応ガス供給スリット２０から、反応ガス排気口４へ、或いは電極Ｈ３周囲の気体雰囲気へ向かって、電極Ｈ３−試料Ｊの間の微小間隔Ｄを流れる試料表面に沿った流れである。
【０１９６】
また、これらの各図における試料Ｊ、試料固定部Ｆ、高圧反応ガス供給経路１、反応生成物排気経路３、反応生成物排気口４については、内側電極５、外側電極６及び絶縁体１１によって電極内電力伝送線路を構成する高圧浮上電極Ｈ１或いはＨ２と同様の構成である。また、図示しない走査ステージＳ、反応容器Ｃ、電源Ｇ、電力伝達線路Ｋ、共振・整合装置Ｍ、高圧反応ガス供給装置Ｒ、排気装置Ｅ、高圧浮上電極走査装置Ｕ、制御装置Ｎも、高圧浮上電極Ｈ１或いはＨ２と同様の構成となる。但し、電源Ｇに代えて、高周波或いはマイクロ波電源Ｇ１１を用いる。
【０１９７】
以下に、導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の構成、高圧浮上電極Ｈ３の浮上方式、高圧浮上電極Ｈ３の成膜方式、導波管を電力伝送線路に用いることの効果、及びマイクロ波電源Ｇ１１を用いることの効果について、順に説明する。
【０１９８】
まず、導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３について、あらためて説明すると、図１８Ａ及び図１８Ｂに示されるように、この電極Ｈ３は、金属立方体において、試料Ｊと対向する一面を高精度に平坦化し、その面を電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の試料対向部分２８とする。更に、前記金属立方体内部にマイクロ波電力を伝達し得る電極内導波管２２を設け、且つ試料対向部分２８内の所望の位置に向かって、導波管２２を開放終端化させる。開放終端化した電極内導波管２２の内部空間を絶縁体２３によって塞ぎ、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の周囲の気体雰囲気より分離する。この電極内導波管２２の、試料対向部分２８において開放終端化された部分を、導波管開放端２４と呼ぶ。電極内導波管２２に、導波管開放端２４とは反対方向からフレキシブル導波管２１を接続することにより、電源Ｇ１１より発生したマイクロ波電力を、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３内の電極内導波管２２、更には導波管開放端２４にまで伝達させる。これによって、該導波管開放端２４の位置に局所高圧プラズマＰを発生させる。
【０１９９】
ここで、絶縁体２３は、高硬度で且つ局所高圧プラズマＰに対して耐食性を持つ材質から構成されることが望ましく、そのような材質としては、例えば高純度アルミナや窒化珪素などが挙げられる。更に、場合に応じて、成膜材質を構成する元素を少なくとも１種類以上含む材料、例えばＳｉ膜を成膜する場合には、絶縁体２３に窒化珪素を用いて、膜中への不純物混入を低減させることが望ましい。絶縁体２３の設置後も、試料対向部分２８が高精度な平坦面となる程度まで、再度平坦化加工することが望ましい。更に、試料対向部分２８に高圧反応ガスを噴出するための高圧反応ガス供給スリット２０を開口させ、その位置は、導波管開放端２４より離れた位置とする。高圧反応ガス供給スリット２０に高圧反応ガス供給装置Ｒから高圧反応ガス供給経路１を通じて高圧反応ガスを供給し、高圧反応ガス供給スリット２０から、高圧反応ガスを噴出させる。更に、試料対向部分２８にあって、且つ前記高圧反応ガス供給スリット２０と導波管開放端２４とに挟まれた位置に、反応生成物排気経路３を通じて排気装置Ｅに接続され、且つプラズマ中の反応によって発生した反応生成物を排気する反応生成物排気口４を設ける。
【０２００】
ここで、図１８Ａ及び図１８Ｂに示されるように、反応生成物排気口４及び導波管開放端２４は、その形状を幅の広いスリット状とし、スリット２０、反応生成物排気口４、及び導波管開放端２４は、互いに平行関係になる様に設置する。
【０２０１】
次に、高圧浮上電極Ｈ３の浮上方式について説明する。
【０２０２】
図１７に示されるように、高圧浮上電極Ｈ３を、試料Ｊを固定した凹状試料台Ｔ１２の凹部に、両者を非接触状態に保った状態ではめ込む。高圧反応ガス供給装置Ｒより、高圧反応ガス供給経路１を通じて高圧反応ガス供給スリット２０より高圧反応ガスを噴出させることにより、高圧反応ガスと反応容器Ｃ内の気体雰囲気との差圧により、高圧浮上電極Ｈ３を試料Ｊに対して微小間隔Ｄだけ浮上させる。従って、凹状試料台Ｔ１２及び試料Ｊと高圧浮上電極Ｈ３の試料対向部分２８は、非接触状態を保つ。更に、凹状試料台Ｔ１２の内側凹部側面６３と該内側側面に対向する高圧浮上電極Ｈ３の側面６２は、高精度に平坦化されている。更に、凹状試料台Ｔ１２の凹部の幅Ｑ１２は、高圧浮上電極Ｈ３の幅Ｑ１１より僅かに大きく、図示しない高圧気体供給装置より高圧気体供給経路２６を通じて高圧気体供給口２５より高圧気体を噴出させることにより、凹状試料台Ｔ１２の内側凹部側面６３と該内側側面に対向する高圧浮上電極Ｈ３の側面６２は非接触状態を保ち、更に高圧浮上電極Ｈ３の運動方向を１方向に限定する。つまり、導波管を電力伝送線路として用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３は、電力伝送線路として電極内導波管２２を採用しただけであるため、その浮上方式では、第１の実施形態における電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と同じく、高圧反応ガス供給スリット２０より供給された反応ガスの高圧力Ｐ０と、排気装置Ｅによって排気された反応容器Ｃ内の低圧或いは真空雰囲気圧力Ｐ１との差圧によって、微小間隔Ｄだけ浮上する。高圧反応ガス供給口をスリット状にし、更にスリット２０及び反応生成物排気口４を互いに平行関係になる様に設置することにより、供給スリット２０から反応ガス排気口４へ向かう高圧反応ガスの流れにおいて、スリット２０の長手方向の流速分布を均一化させることができる。このように流速分布を均一化させることにより、導波管開放端２４に発生する局所高圧プラズマＰにおける前記成膜速度分布を、均一化させることができる。
【０２０３】
次に、本実施形態の電極Ｈ３による成膜方法を説明する。
【０２０４】
マイクロ波電源Ｇ１１より発生したマイクロ波電力は、共振・整合装置Ｍとフレキシブル導波管２１、更に電極内導波管２２を通じて、高圧浮上電極Ｈ３の試料対向部２８に設けられた導波管開放端２４に達する。導波管開放端２４に達したマイクロ波電力は、電極Ｈ３−試料Ｊの間の微小間隔Ｄ中の高圧反応ガスに向かって放射される。これによって高圧反応ガスは解離し、反応ガスに基づく局所高圧プラズマＰを発生させる。更に、プラズマＰ中に発生した反応ガスに基づく活性種により、試料Ｊの局所高圧プラズマＰの直下の成膜を行う。
【０２０５】
ここで、導波管２２の断面形状は、マイクロ波電源Ｇ１１の周波数と、試料Ｊと目的とする成膜特性、成膜領域より決定される。
【０２０６】
更に、高圧反応ガス供給スリット２０より供給された反応ガスは、反応容器Ｃ内の低圧或いは真空雰囲気、及び前記反応ガス排気口４へ向かって、電極Ｈ３の浮上によって形成された電極Ｈ３―被加工物Ｊの間の微小間隔Ｄ中を、試料表面に沿った流れ２７となって移動する。また、導波管を用いた電力伝送線路開放端２４を、試料対向部２８中で且つ高圧反応ガス供給スリット２０より離れた反応ガス排気口４で挟まれる位置に設けることによって、高圧反応ガスの試料表面に沿った流れ中に局所高圧プラズマＰを形成して、よどみの無い反応ガスの流れ場の中で、表面に均一な成膜を行う。
【０２０７】
次に、導波管を電力伝送線路に用いることの効果を説明する。
【０２０８】
電極Ｈ１及びＨ２のような内側電極５と外側電極６を用いて電力伝送線路を構成する実施形態においては、電源Ｇに、マイクロ波電源Ｇ１１のみでなく、直流からマイクロ波電源まで、全ての周波数の電力を用いることができる。しかし、内側電極５−外側電極６の間の絶縁、及び内側電極５と外側電極６とによって囲まれる電力伝達部分と前記電極―被加工物間の微小間隔Ｄ中の反応ガス領域との分離を行うための絶縁体１１は、内側電極５の外径及び外側電極６の内径に対して、隙間なく取り付けられていることが必要である。その場合、発生した局所高圧プラズマＰから発生する熱によって、内側電極５及び外側電極６が熱変形し、特に内側電極５の熱膨張によって絶縁体１１の破損を引き起こす可能性が存在する。従って、外側電極６及び内側電極５の冷却を行うが、現実には、この様に複雑な構造体である高圧浮上電極Ｈ１或いはＨ２を製作し、更に電極Ｈ１或いはＨ２の全体を均一に冷却する機構を設けることは、非常に困難である。
【０２０９】
しかし、本実施形態においては、電力伝送線路に導波管を用いることにより、電圧印加する内側電極５と、電界を閉じ込める外側電極６との区別が無く、マイクロ波を伝播させる場合において、高圧浮上電極内部の電力伝送線路及び電極内冷却経路の製作を容易にする。また、金属構造体が絶縁体２３を取り囲む構造となり、金属の熱膨張係数と絶縁体の熱膨張係数とでは金属の熱膨張係数の方が一般的に大きいことから、金属体の熱膨張による絶縁体２３の破損が起こり難い。
【０２１０】
また、電源としてマイクロ波電源Ｇ１１を用いることにより得られる効果について説明すると、以下の表５は、最大電界強度Ｅ０及び周波数ｆで周期的に変化する振動電界Ｅ＝Ｅ０・ｓｉｎ（２πｆｔ）の中（但しｔは時間）において、真空中で各種荷電粒子（電荷量ｅ、質量ｍ）が振動する時の振動振幅Ｌ＝（ｅ・Ｅ０／４ｍπ２ｆ２）の値を示した表である。但し、電界強度を１．０×１０６［Ｖ／ｍ］としている。
【０２１１】
【表５】
0003543672.tif 000024
【０２１２】
また、図１９（ａ）は、荷電粒子２９の前記振動電界Ｅ（図１９（ｂ）参照）による振動振幅Ｌを示す概念図である。
【０２１３】
表５に示されるように、振動電界Ｅの振動振幅Ｌは、周波数を向上させるにしたがって小さくなる。微小間隔Ｄは１μｍ〜数百μｍ程度の狭ギャップであるが、局所高圧プラズマＰを発生させる電源に周波数が１ＭＨｚ程度である高周波電源を用いると、それによる振動振幅ＬはＨｅイオンの場合で０．６０７［ｍ］と非常に大きくなる。この結果、荷電粒子を狭ギャップ中に捕捉することができず、結果として荷電粒子が試料表面及び成膜中の膜表面に衝突して膜に損傷を与え、欠陥密度の大きい膜質となる。
【０２１４】
しかし、電極−試料の微小間隔Ｄが数百μｍ程度の時には、局所高圧プラズマＰを発生させる電源に最低１０ＭＨｚ以上の高周波を用いる一方で、微小間隔Ｄが数十μｍ程度の時には周波数１ＧＨｚ以上のマイクロ波を用いることにより、荷電粒子が電極−試料間の微小間隔Ｄ中に確実に捕捉されて、膜に損傷を与えない低損傷な成膜を実現することができる。
【０２１５】
図１７に示されるように、試料Ｊと高圧浮上電極Ｈ３との相対的な移動にあたっては、凹状試料台Ｔ１２の内側底部に試料Ｊを試料固定部Ｆによって固定し、試料台Ｔ１２の内側側面６３に設置された高圧気体供給口２５より噴出した高圧気体により、エアスライド的に摺動部を用いること無く非接触に、高圧浮上電極Ｈ３の走査方向を試料Ｊに水平な方向のみに限定する。更に、試料Ｊに水平な方向の走査は、高圧浮上電極Ｈ３に接続された走査ワイヤ或いはベルト９を図示しない駆動モータ１０に接続し、この駆動モータを回転させることによって行う。
【０２１６】
高圧気体供給口２５より噴出させる高圧気体は、試料Ｊの成膜に用いる高圧反応ガスに限定せず、絶縁性の高いガスや希ガス、或いは空気など、目的に応じて変化させる。
【０２１７】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【０２１８】
図２０Ａ、図２０Ｂ、及び図２０Ｃは、それぞれ、導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極の断面図、正面図、及び上面図である。また、これらの図中で、Ｈ４は、導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極、３０は突起のついた浮上試料送りベルト、３１は送りベルトの突起、３２は浮上試料送りモータである。
【０２１９】
導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧力浮上電極Ｈ４は、先の実施形態で説明した導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３と同様に、導波管によってマイクロ波を伝達し、電極Ｈ４の試料対向部に設けられた導波管開放端２４において局所高圧プラズマＰを発生させる。そして、微小間隔Ｄ中に供給された高圧反応ガスを分解し、反応ガスに基づく活性種を発生して浮上試料Ａの表面の成膜を行う。更に、電極Ｈ４−試料Ａの間の微小間隔Ｄ中の反応ガスの試料表面に沿った流れにより、試料Ａの表面に均一に成膜を行なう。試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２と同様に、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１、及び図１４の試料浮上型高圧浮上電極における試料Ｊ及びＡのチャッキング時間を省略することができるので、流れ作業的に加工・試料搬送を行うことにより、プロセスの生産性を更に向上させることができる。
【０２２０】
導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極Ｈ４において、図２０Ａ、図２０Ｂ、及び図２０Ｃに図示しない装置全体の構成や、試料の浮上原理、プラズマ発生方式、及び局所プラズマ中における成膜現象、高成膜速度、膜質の向上及び試料の成膜後表面の清浄化を同時に実現する原理及び方式については、先に説明した電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１と同様である。
【０２２１】
また、図示しないが、図１４のように試料台に前記試料を固定し、試料台と共に試料を浮上させる方式を実施することも可能である。
【０２２２】
浮上試料の走査は、図２０Ｃに示すような、両端を浮上試料送りモータ３２によって拘束・回転される突起３１のついた浮上試料送りベルト３０によって、突起３１で試料を固定しながら両端のモータ３２を回転させることによって、試料を１方向に送ったり往復走査させたりする機構を用いることもできる。
【０２２３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
【０２２４】
図２１は、被成膜表面の形状が球面である試料に成膜を行う高圧浮上電極の部分断面図である。図２１において、Ｈ５は、試料対向部に球面形状をもつ高圧浮上電極、Ｔ１３は球面試料固定用試料台、Ｂは被成膜表面の形状が球面である試料、６０は、球面試料固定用試料台Ｔ１３の電極対向面、６１は、高圧浮上電極Ｈ５の試料対向部分である。
【０２２５】
被成膜表面の形状が球面である試料Ｂに成膜を行う場合、球面試料固定用試料台Ｔ１３の電極対向面６０を球面とし、その半径を試料Ｂの形状の球面半径に一致させて、試料Ｂの成膜面の球面が試料台Ｔ１３の電極対向面６０の球面に段差なく重なる様に設置する。一方、高圧浮上電極Ｈ５の試料対向部分６１の形状を同じく球状とし、その半径を試料Ｂの球面半径と同じ或いはそれ以上とする。このような状態で、高圧浮上電極Ｈ５の試料対向部分６１と試料Ｂの球面とを対向させ、多孔質材料１９を用いた高圧反応ガス供給口より供給した高圧反応ガスと反応容器内の低圧及び真空雰囲気との差圧により、高圧浮上電極Ｈ５を、試料Ｂの表面より微小間隔Ｄだけ浮上させる。
【０２２６】
図示しないが、同様に高圧反応ガス供給口より供給した高圧反応ガスと反応容器内の低圧及び真空雰囲気との差圧により、試料Ｂを高圧浮上電極Ｈ５より微小間隔Ｄだけ浮上させることも可能である。
【０２２７】
プラズマの発生は、高圧浮上電極Ｈ１と同様に、電極Ｈ５の試料対向面に設置した電力伝送線路開放端７に、図示しない電源Ｇより発生した直流或いは交流電圧を伝達し、高圧反応ガスの供給された電極Ｈ５−試料Ｂの間の微小間隔Ｄに強電界を発生させることによって局所高圧プラズマＰを発生させ、反応ガスに基づく活性種によって試料Ｂに成膜を行う。
【０２２８】
図２１の構成において、電力伝送線路は内側電極５及び外側電極６によって構成されており、電源Ｇより発生した直流或いは交流を、電力伝送線路開放端７、更に局所高圧プラズマＰまで、伝達している。或いは、電源がマイクロ波電源である場合は、例えば、先の実施形態に関連して図１６に示したように導波管を用いてマイクロ波を伝達させ、更に、図１８Ａの試料対向部分２８を、高圧浮上電極Ｈ５の試料対向部分６１に示されるような球面とし、試料と対向する部分に同様に設置した導波管開放端に強電界を発生させて局所高圧プラズマＰを発生させ、球面試料Ｂに成膜すればよい。
【０２２９】
電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１、試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２、Ｈ３、導波管をマイクロ波伝送線路として用いた高圧浮上電極Ｈ４で示した前記高圧反応ガス供給口形状及び位置、反応生成物排気口形状及び位置、マイクロ波開放端形状及び位置、高圧浮上電極形状及び試料対向部耐蝕・高硬度絶縁膜形成及び試料対向部耐蝕・高硬度絶縁材料設置、試料台、試料固定部などに関する先述の特徴は、本実施形態のように試料の成膜面形状が球面である場合の高圧浮上電極Ｈ５にも、同様に適用することができる。
【０２３０】
上記において、本発明の各実施形態の説明では、本発明によって成膜を行なう場合を中心として述べたが、表面の改質処理を行なう場合においても、同様に適用できる。
【０２３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、所望の気体雰囲気内に試料及び電力を印加する電極を対向させて配置し、電力印加によって局所的にプラズマを発生させる。このとき、局所的なプラズマ発生部のみを高圧力に維持することにより、試料表面に高能率に表面処理（例えば、成膜或いは表面処理）を行う。同時に、所望の気体雰囲気圧力を少なくとも前記の局所高圧プラズマ発生部より低圧に、或いは真空に維持することにより、反応生成物が凝縮せず且つ試料表面に再付着することもなく、良質な膜形成或いは表面処理を行なうことができる。また、プラズマ発生領域を、電極−試料間隔の反応ガス供給口近傍の反応ガス噴出領域以外の場所であって、反応ガスの試料表面に沿った流れが形成される領域中のみに限定することにより、成膜処理時には、反応ガス噴出領域の直下に成膜量分布が形成されること無く、或いは、表面処理時には、反応ガス噴出領域の直下に処理層厚さ分布が形成されること無く、試料表面の表面処理（成膜或いは表面改質）を行なうことができる。
【０２３２】
更に、本発明によれば、局所的に形成した高圧反応ガス領域においてプラズマを発生させることにより、試料に高速に成膜することができ、同時に前記プラズマの発生している局所的に高圧力となった領域以外が前記高圧反応ガス領域より低圧に維持されることにより、試料周辺雰囲気における反応生成物の凝縮が少なく、良質な膜形成を行なうことができ、また更に膜表面を清浄に保つことができる。
【０２３３】
また、本発明によれば、試料を配した気体雰囲気の圧力ｐ０に対する、前記低コンダクタンス流路部分に局所的に維持された高圧気体雰囲気中のプラズマ発生する部分の圧力ｐｘの比ｐｘ／ｐ０をｐｘ／ｐ０＞１とすることにより、プラズマ部において高密度活性種を発生して高成膜速度を達成する。同時に、プラズマ部より周囲雰囲気の圧力が低いことから、試料周辺雰囲気における反応生成物の凝縮を更に少なくし、良質な膜形成を行なうと同時に、膜表面を清浄に保つことができる。
【０２３４】
また、本発明によれば、プラズマの発生する局所的に高圧力となった部分以外の領域を、圧力１気圧以下とすることにより、反応ガスが大気に拡散し難くなって、装置の安全性を高めることができる。
【０２３５】
また、本発明によれば、プラズマの発生する局所的に高圧力となった部分以外の領域を、更に真空雰囲気とすることにより、被加工物周辺雰囲気における反応生成物の粒径、及び数の絶対値を低くすることができ、良質な膜形成を行なうことができるとともに、更に膜表面を更に清浄に保つことができる。同時に、試料の大気雰囲気への搬出時のパージに際して、雰囲気が真空に保たれているため、反応ガスをその都度排気する必要が無く、装置のスループットを向上させることができる。
【０２３６】
また、本発明によれば、低コンダクタンス流路部に局所的に形成された高圧反応ガス領域中の、更に特定領域において局所的な高圧プラズマを発生させることにより、所望の位置に局所的に成膜を行なうことができる。
【０２３７】
また、前記の局所高圧プラズマを発生させて試料表面に成膜を行なう領域を、反応ガスを供給する部分より離れた位置に設けることにより、反応ガス供給部分直下における膜厚分布形成を防ぎ、均一な成膜を行なうことができる。
【０２３８】
更に、試料に応じた形状を持ち、更に高圧反応ガス供給口を少なくとも何れか一方に持つ電極及び試料台において、電極と試料とを微小間隔を隔てて設置することにより、電極を、供給口から気体雰囲気への気体流路の低コンダクタンス部分を形成する壁面として、先に述べた高圧反応ガス領域を局所的に形成することができる。更に、電極に電力を印加して、低コンダクタンスにより局所的に高圧反応ガスとなった電極−試料間の微小間隔にプラズマを発生させれば、試料に対して高速に且つ良質な成膜を行なうことができ、更に膜表面を清浄に維持することができる。
【０２３９】
また、供給口より供給した高圧反応ガスの圧力によって局所的に形成された高圧力の反応ガス領域と気体雰囲気圧力との間の差圧により、電極を試料に対して、或いは試料を電極に対して、微小間隔を隔てて浮上させることにより、プラズマの熱による電極や試料の変形、或いはプラズマを発生させる電界や腐食性ガスの存在により微小間隔の測定・制御が困難な環境においても、低コンダクタンスな気体流路を安定して広面積に微小間隙を形成することができる。また、電極を試料に対して傾くこと無く配置することができ、反応ガスの流量分布を均一にすることにより、膜厚均一性を向上させることができる。
【０２４０】
また、更に磁性体或いは磁力発生機構を電極或いは試料台の少なくとも何れか一方に持ち、この磁性体或いは磁力発生機構より発生した磁力により、電極を試料に対して、或いは試料を電極に対して、微小間隔を隔てて浮上させることにより、低コンダクタンスな気体流路を安定して広面積に形成することができる。更に、電極或いは試料を浮上させる力に新たに設けた磁力発生機構或いは磁性体から発生した磁力を用いることにより、反応ガス圧力範囲を広く設定でき、電極重量でなく、目的とする成膜特性によって、反応ガスの供給圧力を決定できる。
【０２４１】
また、更に前記電極内に電力伝達線路を設けて、試料と対向する部分にこの電力伝達線路開放端を設けることにより、電極に印加された電力を電力伝送線路開放端に伝送させ、開放端の近傍のみに局所的にプラズマを発生させることができる。また、電力伝送線路がプラズマによって終端化されていることにより、試料を全面成膜するために電極と試料とを相対的に移動させた場合においても、電力投入機構部分の等価回路が変化しない。この結果、プラズマに対する影響が少なく、広い面積に更に均一に成膜を行なうことができる。
【０２４２】
また、プラズマを発生させる電力をマイクロ波電力とすることにより、電極と試料との間の微小間隔に発生したプラズマ中の荷電粒子を微小間隔にて確実に捕捉し、試料表面及び形成された膜に与える損傷を更に低減させることができる。また、同時に、微小間隔に保たれた電極―試料の間にプラズマを発生させることができる。
【０２４３】
また、電極内の電力伝送線路を導波管とすることにより、電極の構成を簡略化でき、プラズマの熱による電極の変形による電極自体の破損を防止することにより、装置の信頼性を向上させることができると共に、部品形状の簡略化により装置コストを低減させることができる。
【０２４４】
電極或いは試料台に、プラズマの発生する微小間隔に向かって開口する反応生成物排気口を設け、この排気口よりプラズマにおいて発生した反応生成物を即座に排気することによって、試料に良質な膜を形成することができ、また膜表面を更に清浄に維持することができる。
【０２４５】
また、試料に対して、試料と対向する部分の形状に少なくとも、試料表面に対して相似形状を含む形状をもつ電極を用いて、電極−試料間の微小間隔内の反応ガス供給口の高圧力部から電極周囲の気体雰囲気或いは反応ガス排気口へ向かう試料表面に沿う流れ中において局所的なプラズマを発生させ、このプラズマによって生じた反応ガスに基づく活性種の試料表面に沿うよどみの無い流れにより、試料に均一に成膜を行なうことができる。
【０２４６】
また、電極及び試料台の少なくとも何れか一方に、使用する電源の周波数の電磁波に対して大きな吸収係数を持つ電力吸収体を、反応ガス供給部から周囲の気体雰囲気へと流れる低コンダクタンス流路のうちの、局所高圧プラズマが発生する領域より低圧力側に設けることにより、局所高圧プラズマで消費されず通過した電磁波を吸収し、局所的な高圧雰囲気の外部における、低圧な気体雰囲気中にプラズマが発生することを防ぐことができる。
【０２４７】
また、プラズマを発生させる電極と試料とを相対的に移動させることにより、試料に対して大面積に成膜を行なうことができ、また走査速度を制御することにより、所望の膜厚分布に成膜することができる。
【０２４８】
また、反応容器内の気体雰囲気を排気し、更に処理後に再び反応ガス或いは反応容器内の気体雰囲気として供給することにより、反応ガス及び雰囲気ガスを無駄にすることが無く、成膜コストを低減させることができる。
【０２４９】
なお、電極には、直流から低周波、高周波、マイクロ波の広い範囲の電力を印加することが可能である。
【０２５０】
また、上記の本発明の効果は、本発明によって成膜を行なう場合について述べたが、表面処理を行なう場合についても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の全体概念図である。
【図２】電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の断面図である。
【図３】電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分を表した下方斜面図である。
【図４】試料Ｊと試料台Ｔとの段差ｔを示す部分断面図である。
【図５】（ａ）は、電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１−試料Ｊの間の微小間隔Ｄの近傍の模式的断面図であり、（ｂ）は、上記の微小間隔Ｄ中の高圧反応ガスの圧力分布を示す模式図である。
【図６】電極浮上型高圧力浮上電極Ｈ１の試料Ｊと対向する部分に設けられた電力伝送線路開放端における局所領域プラズマＰの発生を示す概略図である。
【図７】（ａ）は、高圧反応ガス供給口２の近傍における構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成を利用して高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に、供給口２の直下に形成される膜厚分布を示す断面図であり、（ｃ）は、上記に際して微小間隙Ｄに発生するガス流の状態を模式的に示す図である。
【図８】（ａ）は、高圧反応ガス供給口２から離れた位置に電力伝送線路開放端７を設置する場合の、高圧反応ガス供給口２及び線路開放端７の近傍における構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成を利用して高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に、供給口２の直下に形成される膜厚分布を示す断面図であり、（ｃ）は、上記に際して微小間隙Ｄに発生するガス流の状態を模式的に示す図である。
【図９】高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体を試料対向部分に用いた電極浮上型高圧浮上電極の断面図である。
【図１０】高圧反応ガス供給口に多孔質材料を用いた電極浮上型高圧浮上電極の断面図である。
【図１１】試料台Ｔに高圧反応ガス供給口を設置した電極浮上型高圧浮上電極の断面図である。
【図１２】多回転軸及び回転数をもつ試料多数固定用試料台Ｔ１１を用いたバッチ処理を示す概略図である。
【図１３】試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２の概略断面図である。
【図１４】試料台Ｔに高圧反応ガス供給口を設置した試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２の断面図である。
【図１５】試料のみを浮上させた試料浮上型高圧浮上電極Ｈ２の概略断面図である。
【図１６】導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の断面図である。
【図１７】導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３を別の方向より見た部分断面図である。
【図１８Ａ】導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の下方斜面図である。
【図１８Ｂ】導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極Ｈ３の上方斜面図である。
【図１９】（ａ）は、荷電粒子の振動電界による振動振幅を示す概念図であり、（ｂ）は、（ａ）の振動を生じさせる振動電界を示す模式図である。
【図２０Ａ】導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極Ｈ４の断面図である。
【図２０Ｂ】導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極Ｈ４の正面図である。
【図２０Ｃ】導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極Ｈ４の上面図である。
【図２１】試料仕上げ形状が球面である試料の表面平滑化及び形状成膜を行う高圧浮上電極Ｈ５の部分断面図である。
【図２２】円板Ｈ０による気体の流れ場の形成を示す概略図である。
【図２３】図２２の構成において、円板−被成膜試料間に円筒座標軸を設定した図である。
【図２４】ある従来技術によるプラズマを用いた表面処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２５】原料ガス供給口直下に形成されると考えられる薄膜の膜厚分布を模式的に示す図である。
【符号の説明】
Ａ  浮上試料
Ｂ  成膜面形状が球面である試料
Ｃ  反応容器
Ｄ  微小間隔
Ｅ  排気装置
Ｆ  試料固定部
Ｇ  電源
Ｇ１１  マイクロ波電源
Ｈ０  円板
Ｈ１  電極浮上型高圧浮上電極
Ｈ２  試料浮上型高圧浮上電極
Ｈ３  導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧浮上電極
Ｈ４  導波管を電力伝送線路に用いた試料浮上型高圧浮上電極
Ｈ５  試料対向部に球面形状をもつ高圧浮上電極
Ｉ  フレキシブル電力伝送線路
Ｊ  試料
Ｋ  電力伝送線路
Ｌ  荷電粒子の振動電界による振動振幅
Ｍ  共振・整合装置
Ｎ  制御装置
Ｒ  高圧反応ガス供給装置
Ｓ  走査ステージ
Ｔ  試料台
Ｔ１１  試料多数固定用試料台
Ｔ１２  凹状試料台
Ｔ１３  球面試料固定用試料台
Ｕ  電極走査装置
Ｙ  浮上試料走査ワイヤ
Ｙ１１  浮上試料拘束走査機構
θ  試料台Ｔの持つ回転機構
θ１  試料多数固定用試料台Ｔ１１の持つ回転機構
１  高圧反応ガス供給経路
１１１  バッファ部
２  高圧力反応ガス供給口
３  反応生成物排気経路
４  反応ガス排気口
５  内側電極
６  外側電極
７  電力伝送線路開放端
８  コネクタ
９  走査ワイヤ（ベルト）
１０  駆動モータ
１１  絶縁体
１２  電極浮上型高圧浮上電極Ｈ１の試料対向部分
１６１１  高圧反応ガス供給口２から噴出する高圧反応ガス噴出流
１６１２  微小間隔Ｄ中で試料表面に沿う流れとなった高圧反応ガス流
１６１３  供給口２の近傍で乱流になった反応ガスの流速分布
１６１４  供給口２から離れてせん断流へ変化する反応ガスの流速分布
１６１５  供給口２から十分に離れてせん断流になった反応ガスの流速分布
１７１１  高圧反応ガス供給口２を含む近傍に局所高圧プラズマＰを発生させる場合に供給口２の直下に形成される成膜量分布
１７１２  高圧反応ガス供給口２から離れた位置に電力伝送線路開放端７を設置して局所高圧プラズマＰを発生させる場合に局所高圧プラズマＰの直下に形成される成膜量分布
１８  高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体
１９  多孔質金属或いは多孔質絶縁体材料
２０  高圧反応ガス供給スリット
２１  フレキシブル導波管
２２  電極内導波管
２３  絶縁体
２４  導波管開放端
２５  高圧気体供給口
２６  高圧気体供給経路
２７  試料の表面に沿った流れ
２８  導波管を電力伝送線路に用いた電極浮上型高圧力浮上電極Ｈ３の試料対向部分
２９  荷電粒子
３０  突起のついた浮上試料送りベルト
３１  送りベルトの突起
３２  浮上試料送りモータ
６０  球面試料固定用試料台Ｔ１３の電極対向面
６１  高圧浮上電極Ｈ５の試料対向部分
６２  高圧浮上電極Ｈ３の側面
６３  凹状試料台Ｔ１２の内側凹部側面
１０１  高圧気体供給路
２４０ｐ  高圧プラズマ
２４０ｇ  基板間距離
２４１  成膜室
２４２  非接地基板
２４３  接地電極
２４４  多孔板高抵抗体
２４５  試料基板
２４６  ガス導入口
２４７  ＲＦ電極
２４８  ヒータ
２４９  ガス排出口
２５０  ガス供給口
２５１  前記試料基板に衝突する原料ガスの流れ
２５２  薄膜
２５３  原料ガス供給口直下に形成される薄膜の凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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