(57)【要約】【課題】直流電圧にパルス電圧を重ねるようにすることにより、電極アンテナを使用することなく被処理基材の表面にイオン注入を行うことができるようにして、電極アンテナの使用による欠点を回避すると共に電極アンテナを使用しないことに伴う処理速度の低下を防ぎ、また、密着性に優れた膜を被処理基材の表面に均一に形成することにある。【解決手段】減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、導電性の被処理基材２を設置し、当該被処理基材２に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、上記直流電圧に重ねて上記被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを被処理基材２の表面に均一に注入させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、導電性の被処理基材を設置し、当該被処理基材に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、上記直流電圧に重ねて上記被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを被処理基材の表面に均一に注入させることを特徴とする自己放電電極方式によるイオン注入法。
【請求項２】
炭化水素系有機化合物ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、導電性の被処理基材を設置し、当該被処理基材に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、上記直流電圧に重ねて上記被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中の炭素イオンを被処理基材の表面に均一に注入させることを特徴とする自己放電電極方式によるイオン注入法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン注入法を用いて被処理基材の表面にイオンを注入する技術に係り、特に、直流電圧に高電圧パルスを重ねることによって電極アンテナを使用することなく被処理基材の表面にイオンを注入する自己放電電極方式によるイオン注入法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーなどの中空体内壁面に対し、耐摩耗性、摺動性などの機械的表面特性を付与すること、あるいは、中空体内壁面に優れた機能性を付与する技術開発は産業界から求められていた。
一方、プラズマに曝した被処理材に負の高電圧パルスを印加することを基本原理としたプラズマソースイオン注入法は、立体物全面へのイオン注入法および薄膜作製法として最近注目されている方法である。
プラズマソースイオン注入法は、数１０ｋｅＶ〜ＭｅＶに加速した粒子（イオン）を固体に照射し、固体内部に打ち込む技術である。イオンは、固体表面原子をスパッタリング効果によって弾き飛ばす作用もあるが、多くは固体内部につきささる。このような大きな運動エネルギーを持ったイオンが固体表面に衝突し侵入する際に、様々な物理的現象及び化学的現象が起こり、これを利用して固体表面の表層改質を図ることができるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のイオン注入法では、プラズマを発生させるために、真空容器内部又は外部にグロー放電を起こさせるための電極アンテナを設置する必要があるが、電極アンテナを使用する場合には次のような欠点があった。
（１）電極アンテナに堆積する微粒子が真空容器内部を浮遊し、被処理基材の表面に付着する問題があった。
（２）電極アンテナに面している被処理基材の表面部分にはイオン注入が十分に行われるが、電極アンテナに面していない被処理基材の表面部分にはイオン注入が十分でなく、特に立体状の被処理基材にあっては電極アンテナに面していない陰部分が生じ易いために、表面全体に均一にイオン注入を図ることが困難であるという問題があった。
（３）被処理基材の表面全体に均一にイオン注入を図ることができるように、電極アンテナを設置するために装置が複雑になり、電極アンテナの設置に手間と時間が掛かるという問題があった。
（４）前記の（１）〜（３）の問題点を解消する案として、電極アンテナを使用しないことが考えられるが、電極アンテナを使用しないと、イオン注入の処理速度が極端に遅くなり、処理効率が非常に低下するという別の問題があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、直流電圧にパルス電圧を重ねるようにすることにより、電極アンテナを使用することなく被処理基材の表面にイオン注入を行うことができるようにして、電極アンテナの使用による欠点を回避すると共に電極アンテナを使用しないことに伴う処理速度の低下を防ぎ、また、密着性に優れた膜を被処理基材の表面に均一に形成することのできる自己放電電極方式によるイオン注入法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、導電性の被処理基材を設置し、当該被処理基材に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、上記直流電圧に重ねて上記被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを被処理基材の表面に均一に注入させる手段よりなるものである。
【０００６】
また、請求項２の発明は、炭化水素系有機化合物ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、導電性の被処理基材を設置し、当該被処理基材に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、上記直流電圧に重ねて上記被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中の炭素イオンを被処理基材の表面に均一に注入させる手段よりなるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に記載の発明の実施の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は装置の概略構成図である。
【０００８】
図１において、イオン注入装置１は、直流電圧にパルス電圧を重ねることで電極アンテナを不要にし、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中の導電性の立体状の被処理基材２の表面の全面に均一にイオンを注入させる装置である。イオン注入装置１は電極アンテナを不要にすることにより、電極アンテナを使用することによる欠点を解消できる特徴を備えている。
【０００９】
このイオン注入装置１は、真空状態となる真空容器３、真空容器３の内部に設置され立体状の被処理基材２を支持する支持盤４、真空容器３内部の立体状の被処理基材２にマイナス電位のパルス電圧を印加する高電圧パルス電源５、真空容器３内部の立体状の被処理基材２にマイナス電位のパルス電圧に重ねて直流電圧を印加する直流電圧電源６、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給するプラズマ発生用原料ガス供給装置７、真空容器３の空気を排出して真空状態にする真空排気装置８などから構成されている。
【００１０】
真空容器３は、内部の空気を排出して真空状態にして、内部でプラズマａが発生する環境を造り出す場所である。真空容器３の内部には、電極アンテナは配置されていなく、このため、従来のように、立体状の被処理基材２の電極アンテナに面している部分と陰になっている部分によって、不均一なイオン注入の状態になるのが解消される。
【００１１】
支持盤４は、立体状の被処理基材２を支持するもので、真空容器３の内部に設置されている。支持盤４は真空容器３の内部に例えばアルミナ絶縁板４ａを介して支持部材４ｂによって支持されている。支持盤４は導電性の材料から造られている。
【００１２】
高電圧パルス電源５は、例えば、接地電位に対して負の電圧−１６ｋＶ、周波数１００Ｈｚ、パルスオン時間１００μｓのパルス電圧を導電性の支持盤４を介して立体状の被処理基材２に印加するものであり、通常の電圧に比べて、少ない電気エネルギーで大きな電圧を得ることができる。高電圧パルス電源５の一端は真空容器３内に延設されて支持盤４に接続されている。高電圧パルス電源５にはオシロスコープ５ａが接続されている。
【００１３】
直流電圧電源６は、真空容器３内部の立体状の被処理基材２にマイナス電位のパルス電圧に重ねて、接地電位に対して負の電圧例えば−２ｋＶの直流電圧を印加するものであり、様々な欠点を有する電極アンテナを不要にすることができると共に、電極アンテナを使用しないことに伴うイオン注入の処理速度の大幅な低下を回避する機能を果たす。なお、直流電圧電源６の直流電圧は、例えば最大で−４ｋＶ程度の放電しない範囲である。直流電圧電源６は高電圧パルス電源５を介して支持盤４に接続されている。
【００１４】
プラズマ発生用原料ガス供給装置７は、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給する装置で、真空容器３に一端が接続されている。プラズマ発生用原料ガス供給装置７は複数の流量調整器（ＭＦＣ）７ａの切り替えを通じて、プラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガス、炭化水素系有機化合物ガスとしての例えばアセチレンガス等を適宜、真空容器３に供給することができるようになっている。
【００１５】
真空排気装置８は、真空容器３の内部の空気を排出して真空状態にする装置で、図示しない真空ポンプを装備している。真空排気装置８は真空容器３の内部を真空に近い状態まで減圧してプラズマａが発生し易い状態にする。
【００１６】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく立体状の被処理基材の表面へのイオンの注入方法について以下説明する。
真空容器３の内部に立体状の被処理基材２を入れて、立体状の被処理基材２を支持盤４に取り付けて保持させる。従来のように、立体状の被処理基材２との関係で適切な位置に電極アンテナを配置することがなく、電極アンテナを適切な位置に配置する煩わしい作業を不要にすることができる。
【００１７】
その後、真空排気装置８を作動して、真空容器３の空気を排出する。真空容器３の内部の空気は真空排気装置８の図示しない真空ポンプの作動により排出されて内部は真空状態になる。真空状態としては例えば１０−２パスカルの真空度である。
【００１８】
真空容器３を真空状態にした後、プラズマ発生用原料ガス供給装置７の流量調整器（ＭＦＣ）７ａを切り替え調整してプラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガスと炭化水素系有機化合物ガスの例えばアセチレンガスを真空容器３内に導入して、直流電圧電源６から接地電位に対してマイナスの直流電圧を印加すると、立体状の被処理基材２の周辺の窒素ガス及びアセチレンガスからプラズマａが発生する。発生したプラズマａは立体状の被処理基材２の周囲をプラズマ雰囲気にする。
【００１９】
そして、立体状の被処理基材２の周囲がプラズマ雰囲気になった後、高電圧パルス電源５により、直流電圧に重ねて接地電位に対してマイナスの電圧をかけて、直流電圧電源６からの直流電圧と共に立体状の被処理基材２をマイナスの電位状態にする。
【００２０】
立体状の被処理基材２がマイナスの電位状態になると、立体状の被処理基材２とその周囲のアセチレンガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオンは、マイナスの電位状態の立体状の被処理基材２の表面に吸引加速され、運動エネルギーを持ち立体状の被処理基材２の表面に衝突して、立体状の被処理基材２の表面に炭素が注入されて、立体状の被処理基材２の表面の全面を炭素膜で均一にコーティングする。
【００２１】
また、立体状の被処理基材２の表面の炭素膜の膜厚の調整は、炭化水素系有機化合物ガスの導入量を調整したり、作業時間で調整する。炭素の膜厚を厚くしたい場合には作業時間を長くする。立体状の被処理基材２の表面に窒素イオンなどガスイオンのみを導入したい場合には窒素ガスのみを導入する。
【００２２】
本願発明は、真空容器３内に絶縁された立体状の被処理基材２を設置し、真空容器３内に所望のプラズマ発生用原料ガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、被処理基材に放電を生じない範囲で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマａを発生させ、立体状の被処理基材２にマイナス電位のパルス電圧を繰り返し印加することによって立体状の被処理基材２の表面にプラズマａ中の正イオンを引き込み、照射する手段よりなる。これにより立体状の被処理基材２の表面の全面に均一にイオンを注入して表面の改質を達成すること、および原料ガスの一部として炭化水素を用いた場合、立体状の被処理基材２の表面を炭素膜のコーティングを行うことができる。
【００２３】
【実験例】
立体状の被処理基材２としてシリコンウェハーを使用した。
〔実験条件〕
シリコンウェハーサイズ：直径１００ｍｍ
導入ガス　　　　　：アセチレンガス
ガス圧力　　　　　：２．５パスカル
パルス電圧　　　　：０〜−１８ＫＶ
パルス周波数　　　：１００Ｈｚ
パルス幅　　　　　：１００μｓ
直流電圧　　　　　：０〜−４ＫＶ
処理時間　　　　　：１時間
〔実験結果〕
図２に示すように、アセチレンガスを使用したときの被処理基材２（シリコンウェハー）の表面の膜厚と直流電圧との関係は、直流電圧を高めるとこれに比例して膜厚が厚くなることがわかる。これより、電極アンテナを使用しなくても、直流電圧を高めることにより、膜厚の形成処理速度を高められることがわかる。但し、直流電圧を高め過ぎると放電が生じるために、直流電圧の範囲には限界がある。
【００２４】
なお、本願発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上の記載より明らかなように、請求項１、請求項２の発明に係る自己放電電極方式によるイオン注入法によれば、被処理基材に放電を生じない電圧の範囲内で接地電位に対して負の直流電圧を印加して被処理基材の周囲にプラズマを発生させると共に、被処理基材に接地電位に対し負の高電圧パルスを繰り返し印加することによって、従来のような電極アンテナを使用することなく被処理基材の表面の全体に均一にイオンを注入させることができ、電極アンテナの使用に伴う電極アンテナに堆積した微粒子が被処理基材の表面に付着するという不都合を回避することができる。しかも、電極アンテナを使用しないことによって被処理基材の表面へのイオン注入の処理速度が極端に遅くなるという不都合を解消して、イオン注入処理速度が遅くなるのを防ぐことができる。更に、電極アンテナを使用する場合には、電極アンテナに面する部分と面しない陰部分ではイオン注入に差があり、均一なイオン注入が困難であったが、電極アンテナを使用しないことによって、被処理基材の表面全体に均一にイオン注入を図ることができる。更にまた、電極アンテナを装置に設置する必要がないので、装置の構造を簡素化できると共に設置の手間と時間を省略でき、全体の作業時間を短縮することができる。また、本技術の応用としては、内燃機関などのシリンダー、機械金属部品、金型などが想定される。
また、請求項２の発明にあっては、被処理基材の表面へのイオン注入を併用した薄膜作製が可能になる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す装置の概略構成図である。
【図２】この発明の実験例におけるアセチレンガスを使用したときの被処理基材（シリコンウェハー）の表面の膜厚と直流電圧との関係図である。
【符号の説明】
１　　イオン注入装置
２　　被処理基材
３　　真空容器
４　　支持盤
４ａ　アルミナ絶縁板
４ｂ　支持部材
５　　高電圧パルス電源
５ａ　オシロスコープ
６　　直流電圧電源
７　　プラズマ発生用原料ガス供給装置
７ａ　流量調整器（ＭＦＣ）
８　　真空排気装置
ａ　　プラズマ
【図１】
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【図２】
2004087842.tif 000004