(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理装置において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉して、ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮して、前記ピストンの上死点側に配置された基板に、前記原料ガスを供給するようにした
表面処理装置。
【請求項２】
前記ピストンが上死点まで作動されたときに前記原料ガスが活性化に適した温度となるように、前記ピストンが下死点にあるときに前記シリンダ内の原料ガスを予め所定の温度まで上昇させておく予備加熱手段を、さらに具えるようにした請求項１記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記ピストンが上死点まで作動されたときにスキッシュ流となって、前記原料ガスが前記基板上に供給されるように、前記シリンダと前記ピストンとの間にスキッシュエリアを形成するようにした請求項１記載の表面処理装置。
【請求項４】
自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理方法において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉する密閉行程と、
前記ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮する断熱圧縮行程と、
前記ピストンが上死点まで作動された際に、前記ピストンによって断熱圧縮された前記原料ガスを、上死点側に配置された基板に、供給するガス供給行程と
を具えた表面処理方法。
【請求項５】
前記ピストンが上死点まで作動されたときに前記原料ガスが活性化に適した温度となるように、前記ピストンが下死点にあるときに前記シリンダ内の原料ガスを予め所定の温度まで上昇させておく予備加熱行程を、
前記断熱圧縮行程の前に実行するようにした請求項４記載の表面処理装置。
【請求項６】
自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理方法において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉する密閉行程と、
前記ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮する断熱圧縮行程と、
前記ピストンが上死点まで作動された際に、前記ピストンによって断熱圧縮された前記原料ガスを、スキッシュ流にして、上死点側に配置された基板に、供給するガス供給行程と
を具えた表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ダイヤモンド、ＣＢＮ等の機能性多結晶薄膜を基板上に成膜するなど、基板を表面処理する装置および方法に関し、特に、高成膜速度で高品質の膜を成膜することができる装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、トーチで発生させたアーク放電の熱エネルギーにより、原料ガスをプラズマ化し、これをノズルを介して、プラズマジェットとして基板に噴射させることにより、基板上にダイヤモンド薄膜を気相合成により成膜するなどの表面処理を行う装置が、成膜加工などの分野で採用されている。この種の技術として特開昭６４−３３０９６号公報に記載されたものがある。
【０００３】
すなわち、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ダイヤモンド、ＣＢＮ等の機能性多結晶薄膜を成膜するには、直流アーク放電によりアーク放電経路を生成し、このアーク放電経路で発生する熱エネルギーを、原料ガス（メタンガスなど）および水素、酸素、ハロゲンガス、不活性ガスなどの放電ガス（プラズマ形成用のガス）に与えることで、原料ガスの分解した中性ラジカルおよびプラズマ形成用ガスの分解した原子状ガスを生成するようにしている。
【０００４】
そして、これらアーク放電により励起された原料ガスおよびプラズマ形成用ガスが、ノズルを介して基板上まで到達され、基板上でダイヤモンド薄膜などが成膜される。
【０００５】
この場合に、アーク放電により励起された原料ガスおよびプラズマ形成用ガスの活性化状態を維持して基板上まで到達させることが、高成膜速度で高品質の薄膜を成膜する上で必要となる。
【０００６】
ここで、原料ガスの活性化率は、温度のみならず、圧力も関係している。
【０００７】
たとえば、ダイヤモンド薄膜を成膜する場合を想定する。
【０００８】
この場合、原料ガスであるＣＨ4（メタン）がＣＨ3ラジカルと原子状水素Ｈに分解されるが、この分解によって生成されたＣＨ3ラジカルが成膜に寄与する。したがって、ＣＨ3ラジカルの濃度を高くすれば、成膜が高速で品質よく行われる。反応が進行し過ぎてＣＨ3ラジカルが更に分解されると、成膜に寄与するＣＨ3ラジカルが減り、成膜が高速で品質よく行われなくなる。
【０００９】
結局、反応がＣＨ3ラジカルとＨの分解にとどまり、ＣＨ3ラジカル濃度が高くなり、成膜が高速で品質よく行われるという温度範囲、圧力範囲が存在し、それは図３に示される。
【００１０】
図３は、温度と圧力によって変化するＣＨ3ラジカル濃度を示している。ただし、ＣＨ4とＨ2が体積比でそれぞれ５％、９５％となっている場合である。
【００１１】
この図３からもわかるように、概ね２９００Ｋ〜３２００ＫでＣＨ3ラジカル濃度は最大となり、圧力を１００ｔｏｒｒから７６０ｔｏｒｒ（１気圧）へと高くするほど、ＣＨ3ラジカル濃度を高くすることができる。
【００１２】
しかし、従来の直流アーク放電により原料ガスの活性化を行う技術によれば、原料ガスを活性化に適した温度にまで上昇させることはできるものの、さらに活性化率を高めるために原料ガスの圧力を高くすることはできない。
【００１３】
これは、原料ガスの圧力を高くすると、アーク放電自体が困難となったり、電極の消耗が激しくなるからである。また、圧力上昇によって、活性化できる領域が非常に狭くなってしまうという問題もある。
【００１４】
また、アーク放電による方法は、原料ガスの使用量が多く、電気エネルギーを投入したガスをチャンバ外に排出しているため、原料ガスの利用効率および電気エネルギーの利用効率が悪いという問題もある。
【００１５】
また、マイクロ波を原料ガスに投入して原料ガスを活性化する方法において原料ガスの圧力を高くする試みがなされているが、圧力を高くするほど活性化できる領域が狭くなってしまい、高速で高品質の成膜を行うことは難しい。
【００１６】
また、熱フィラメントにより原料ガスを加熱して活性化する方法において原料ガスの圧力を高くした場合には、熱フィラメントの消耗が激しくなるので、これを採用することはできない。
【００１７】
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、原料ガスを高圧にしても電極、熱フィラメント等の部品が消耗したり、活性化領域が狭くなったりするなどの不都合をなくして、成膜等各種表面処理に高速かつ高品質で行うとともに、高い原料ガス利用効率、高いエネルギー効率を達成することができる表面処理装置および表面処理方法を提供することを解決課題とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段および効果】
そこで、本発明の第１発明では、上記解決課題を達成するために、
自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理装置において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉して、ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮して、前記ピストンの上死点側に配置された基板に、前記原料ガスを供給するようにしている。
【００１９】
第１発明では、図１に示されるように、原料ガス６がシリンダ１内に密閉され、ピストン２が下死点２ａから上死点２ｂまで作動されることによってシリンダ１内の原料ガス６が断熱圧縮される。これによって、原料ガス６が活性化に適した高い温度範囲であって高い圧力にされ、成膜に寄与する活性種である中性ラジカルの濃度が高められる。しかも、断熱圧縮によりシリンダ１内に密閉された原料ガス６が隅々まで活性化され、従来のように活性化領域が狭くなることはない。さらに、断熱圧縮による方法をとっており電極、熱フィラメント等を必要としないので、従来のようにこれらの部品が消耗することはない。
【００２０】
こうして断熱圧縮により、高い濃度の中性ラジカルが得られ、この多量の原料ガス６の中性ラジカルが、ピストン２の上死点２ｂ側に配置された基板１０に供給されることで、成膜が高速かつ高品質に行われる。さらに、断熱圧縮によりエネルギーを原料ガス６に与えており、原料ガスの利用効率およびエネルギーの利用効率を高めることができる。
【００２１】
また、第２発明では、第１発明において、前記ピストンが上死点まで作動されたときに前記原料ガスが活性化に適した温度となるように、前記ピストンが下死点にあるときに前記シリンダ内の原料ガスを予め所定の温度まで上昇させておく予備加熱手段を、さらに具えるようにしている。
【００２２】
第２発明によれば、予備加熱手段１１により、ピストン２が下死点２ａにあるときにシリンダ１内の原料ガス６が予め所定の温度まで上昇されておかれ、ピストン２が上死点２ｂまで作動されたときに原料ガス６が活性化に適した温度にされる。
【００２３】
また、第３発明では、第１発明において、
前記ピストンが上死点まで作動されたときにスキッシュ流となって、前記原料ガスが前記基板上に供給されるように、前記シリンダと前記ピストンとの間にスキッシュエリアを形成するようにしている。
【００２４】
第３発明によれば、図２に示すように、シリンダ１とピストン２との間にスキッシュエリア２０が形成されており、ピストン２が上死点２ｂまで作動されたときにスキッシュ流２１となって、原料ガス６の中性ラジカルが基板１０上に供給される。このスキッシュ流２１は、流速の大きいジェット流であり、渦を発生するスワール流である。
【００２５】
よって、スキッシュ流２１によって、きわめて速い流速で原料ガス６の中性ラジカルが基板１０に到達する。また、原料ガス６がスワール流となることによって原料ガス６全体の温度が均一になるとともに、基板全体にわたって均一に原料ガス６の中性ラジカルが到達する。また、スキッシュエリア２０から噴出されるジェット流によって、シリンダ１とピストン２との間に存在する全ての原料ガス６を隅々に至るまで、基板１０上に搬送することができ、原料ガス６の利用効率がさらに高められる。
【００２６】
また、第４発明では、自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理方法において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉する密閉行程と、
前記ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮する断熱圧縮行程と、
前記ピストンが上死点まで作動された際に、前記ピストンによって断熱圧縮された前記原料ガスを、上死点側に配置された基板に、供給するガス供給行程と
を具えている。
【００２７】
第４発明の方法によれば、第１発明の装置と同様の効果が得られる。
【００２８】
また、第５発明では、第４発明において、
前記ピストンが上死点まで作動されたときに前記原料ガスが活性化に適した温度となるように、前記ピストンが下死点にあるときに前記シリンダ内の原料ガスを予め所定の温度まで上昇させておく予備加熱行程を、
前記断熱圧縮行程の前に実行するようにしている。
【００２９】
第５発明の方法によれば、第２発明の装置の同様の効果が得られる。
【００３０】
また、第６発明では、自身の分解によって少なくともＣＨ3を発生させる原料ガスを所定の温度範囲でかつ所定の圧力範囲となる条件で活性化して、この活性化したガスを基板に供給することにより、当該基板を前記原料ガスにより表面処理しダイヤモンドを成膜する表面処理方法において、
前記原料ガスをシリンダ内に密閉する密閉行程と、
前記ピストンを下死点から上死点まで作動させることにより前記シリンダ内の原料ガスを断熱圧縮する断熱圧縮行程と、
前記ピストンが上死点まで作動された際に、前記ピストンによって断熱圧縮された前記原料ガスを、スキッシュ流にして、上死点側に配置された基板に、供給するガス供給行程と
を具えるようにしている。
【００３１】
第６発明の方法によれば、第３発明の装置と同様の効果が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る表面処理装置および方法の実施の形態について説明する。
【００３３】
なお、本実施形態では、表面処理として、ダイヤモンド薄膜を成膜する場合を想定している。
【００３４】
図１は、実施形態の全体構成図であり、ダイヤモンド薄膜を気相成長させる装置を示している。図２は、スキッシュ流発生の様子を示す図であり、図１の一部を取り出して示したものである。
【００３５】
本実施形態装置は、図１、図２に示すように、大きくは、原料ガス６が密閉されているシリンダ１と、下死点２ａから上死点２ｂまで作動されることによりシリンダ１内の原料ガス６を断熱圧縮するピストン２と、ピストン２の上死点２ｂ側に配置され、ピストン２により圧縮された原料ガス６が供給される基板１０とから構成されている。
【００３６】
ピストン２は、油圧プレス３を駆動源として、下死点２ａから上死点２ｂまでの方向Ａに向けてシリンダ１内を摺動しつつ下降移動されるとともに、上死点２ｂから下死点２ａまでの方向Ｂに向けてシリンダ１内を摺動しつつ上昇移動される。ここで、ピストン２がＡ方向に下降移動し、さらにＢ方向に上昇移動することで元の位置に復帰するまでの行程を、この実施形態では１行程と呼ぶ。この明細書では、油圧プレス３に最も近くなるピストン２の位置を下死点２ａと呼び、油圧プレス３から最も遠くなるピストン２の位置を上死点２ｂと呼ぶ。
【００３７】
なお、油圧プレス３以外の駆動源を使用してもよい。
【００３８】
シリンダ１内は、シリンダ径の大きい予備加熱室８と、基板１０が配置された、シリンダ径の小さい成膜室９とに分かれている。
【００３９】
これらシリンダ１とピストン２による圧縮比は、たとえば１６に設定される。
【００４０】
シリンダ１内には、ガス供給路４を介して、原料ガス６と希釈用ガス７が供給される。この実施形態では、原料ガス６は、ＣＨ4（メタン）ガスが使用される。また、この原料ガス６を希釈するための希釈用ガス７は、Ｈ2（水素）ガスが使用される。
【００４１】
水素ガス７に対するメタンガス６の体積比は、１気圧下で、ＣＨ4/Ｈ2＝５/９５の比とする。
【００４２】
このような体積比の原料ガス６および希釈用ガス７は、ガス供給路４に設けられたバルブ５が開かれることによりシリンダ１の予備加熱室８に導入される。
【００４３】
シリンダ１には、予備加熱室８内に導入された原料ガス６および希釈用ガス７を、予め所定の温度、たとえば５００°Ｃ程度まで上昇させておくヒータ１１が配設されている。すなわち、ヒータ１１は、ヒータ用電源１２を電源として作動され、予備加熱室温度コントローラ１３によって制御される。予備加熱室温度コントローラ１３は、温度センサである熱電対１４で検出された予備加熱室８内の温度検出信号をフィードバック信号として、予備加熱室８内の温度をフィードバック制御する。つまり、予備加熱室温度コントローラ１３からヒータ１１に対して駆動制御信号が出力されることで予備加熱室８内の温度が上記所定の温度まで上昇され、この所定の温度に維持される。
【００４４】
また、基板１０の下方には、この基板１０の温度を所定の温度に調整するための基板加熱用ヒータ１５が配設されている。すなわち、基板加熱用ヒータ１５は、基板加熱用ヒータ電源１７を電源として作動され、基板用温度コントローラ１８によって制御される。基板用温度コントローラ１８は、温度センサである熱電対１６で検出された基板１０の温度検出信号をフィードバック信号として、基板１０の温度をフィードバック制御する。つまり、基板用温度コントローラ１８から基板加熱用ヒータ１５に対して駆動制御信号が出力されることで基板１０の温度が、ダイヤモンド薄膜生成のために適正な反応温度、たとえば５００°Ｃ〜１２００°Ｃの適正温度範囲内に保持される。なお、ピストン２が上死点２ｂまで下降され、成膜がなされるときには、６００°Ｃ〜１２００°Ｃの温度範囲内に保持される。
【００４５】
なお、ヒータ１５以外に、冷却水を基板１０の下面に向けて噴射することで基板１０を冷却する冷却装置を設けて、上記温度制御を行うようにしてもよい。
【００４６】
また、ピストン２の上昇下降の行程が数行程がなされると、上記ＣＨ4/Ｈ2の体積比が５/９５からずれてくることがある。そこで、数工程が繰り返されたなら、排気管路１９を介して予備加熱室８内のガスを排気して、体積比を調整してもよい。なお、この排気管路１９は排気時以外は、シリンダ１内のガスが排出されないように排気管路１９は閉じられているものとする。
【００４７】
また、上記ピストン２は下降移動によって断熱圧縮を行うものであり、シリンダ１の壁は断熱材料で構成されている。ただし、基板１０の下方に向かう方向には熱が逃げられるようにしておく。
【００４８】
また、図２に示すように、シリンダ１とピストン２との間には、スキッシュエリア２０が形成されている。すなわち、シリンダ１の予備加熱室８の径に対して成膜室９の径が小さくなっており、これによりスキッシュエリア２０が形成される。スキッシュエリア２０は、ピストン２が上死点２ｂに位置されたときにシリンダ１とピストン２との間に形成されるごく狭いすきまのことである。
【００４９】
ピストン２が上死点２ｂまで圧縮されると、スキッシュエリア２０から基板１０に向けてスキッシュ流２１が発生する。スキッシュ流２１は、流速の大きいジェット流であり、渦を発生するスワール流である。
【００５０】
つぎに、図１に示す装置を用いて行われる成膜処理の手順について説明する。
【００５１】
（行程１）原料ガス６および希釈ガス７の導入
まず、バルブ５が開かれ、ガス供給路４を介して、水素ガス７に対するメタンガス６の体積比が、１気圧下で、ＣＨ4/Ｈ2＝５/９５の比となるように、これら原料ガス６および希釈用ガス７が、シリンダ１の予備加熱室８内に導入される。ガス導入後は、バルブ５が閉じられる。
【００５２】
（行程２）予備加熱および基板温度調整
つぎに、予備加熱室温度コントローラ１３によりヒータ１１が制御され、シリンダ１の予備加熱室８内に導入された原料ガス６および希釈用ガス７の温度が、予め５００°Ｃ程度まで上昇され、この温度に保持される。
【００５３】
また、基板用温度コントローラ１８により基板加熱用ヒータ１５が制御され、基板１０の温度が、ダイヤモンド薄膜生成のために適正な反応温度、たとえば５００°Ｃ〜１２００°Ｃの適正温度範囲内に保持される。なお、ピストン２が上死点２ｂまで下降され、成膜がなされるときには、６００°Ｃ〜１２００°Ｃの温度範囲内に保持される。
【００５４】
なお、つぎの断熱圧縮行程で、ピストン２が上死点２ｂに到達したときに原料ガス６を活性化に適した温度範囲（１５００°Ｃ〜３５００°Ｃ）まで上昇させることができるのであれば、上記予備加熱の処理を省略する実施も可能である。
【００５５】
（行程３）断熱圧縮行程
つぎに、油圧プレス３が駆動されることにより、ピストン２が下死点２ａから上死点２ｂまで矢印Ａ方向に下降移動され、これによりシリンダ１内の原料ガス６および希釈用ガス７が断熱圧縮される。これによって、原料ガスであるＣＨ4が活性化に適した高い温度範囲、たとえば１５００°Ｃ〜３５００°Ｃまで上昇されるとともに、活性化率の高い大きな圧力まで上昇される。このため、ＣＨ4の分解反応は、ＣＨ4→ＣＨ3＋Ｈにとどまり、成膜に寄与する中性ラジカルＣＨ3の濃度が高められる。
【００５６】
しかも、断熱圧縮によってシリンダ１内に密閉された原料ガス６が隅々まで活性化され、従来のように活性化領域が狭くなることはない。さらに、断熱圧縮による方法をとっており電極、熱フィラメント等を必要としないので、従来のようにこれらの部品が消耗することはない。
【００５７】
こうして断熱圧縮により、高い濃度の中性ラジカルＣＨ3が得られ、この多量の中性ラジカルＣＨ3が、ピストン２の上死点２ｂ側に配置された基板１０に供給されることで、成膜が高速かつ高品質に行われる。さらに、断熱圧縮によりエネルギーを原料ガス６に与えているので、原料ガス６の利用効率およびエネルギーの利用効率を高めることができる。
【００５８】
しかも、本実施形態によれば、シリンダ１とピストン２との間にスキッシュエリア２０が形成されており、ピストン２が上死点２ｂまで作動されたときにスキッシュ流２１となって、原料ガス６の中性ラジカルＣＨ3が基板１０上にきわめて速い流速で到達する。
【００５９】
また、原料ガス６がスワール流となることによって原料ガス６全体の温度が均一になるとともに、基板１０の全体にわたって均一に原料ガス６の中性ラジカルＣＨ3が到達する。また、スキッシュエリア２０から噴出されるジェット流によって、シリンダ１とピストン２との間に存在する全ての原料ガス６を隅々に至るまで、基板１０上に搬送することができ、原料ガス６の利用効率がさらに高められる。
【００６０】
このようにしてスキッシュエリア２０を設けることによって、さらに成膜の速度、成膜の品質を高めることができる。
【００６１】
（行程４）ピストン保持
ピストン２は、上死点２ｂ位置に、０〜数分保持される。保持時間は、成膜の種類等に応じて決定される。
【００６２】
（行程５）ピストン上昇
その後、油圧プレス３が駆動されることにより、ピストン２が下死点２ａまで上昇移動される。そして、基板１０上のダイヤモンド成膜で消費された分の炭素（Ｃ）を補充するために、バルブ５が開かれ、原料ガスであるメタン（ＣＨ4）がガス供給路４からシリンダ１の予備加熱室８内に、補充に必要な分だけ導入される。
【００６３】
以上が１行程である。以後、手順は行程２に移行され、同様の処理が繰り返し実行される。
【００６４】
なお、数行程がなされると、上記ＣＨ4/Ｈ2の体積比が理想の体積比５/９５からずれてくることがある。そこで、数行程が繰り返されたなら、排気管路１９を開き、予備加熱室８内のガスを排気して、体積比を調整してもよい。なお、この排気処理が不要であるならば、排気管路１９の配設を省略する実施も可能である。
【００６５】
以上説明した実施形態では、ダイヤモンド薄膜を成膜加工する場合を想定しているが、本発明としては、原料ガスを基板に到達させることで表面処理を行うものであれば、エッチング、酸化、窒化等の各種表面処理に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態装置の構成を示す図である。
【図２】図２は図１に示す装置でスキッシュ流が発生する様子を示す図である。
【図３】図３は温度と圧力によって変化するラジカル濃度を示す図である。
【符号の説明】
１    シリンダ
２    ピストン
４    ガス供給路
６    原料ガス
７    希釈用ガス
８    予備加熱室
９    成膜室
１０  基板
１１  ヒータ
１３  予備加熱室温度コントローラ
１５  基板加熱用ヒータ
１８  基板用温度コントローラ
２０  スキッシュエリア
２１  スキッシュ流
【図１】
0003866854.tif 000002
【図２】
0003866854.tif 000003
【図３】
0003866854.tif 000004