プラズマ表面処理装置
【課題】プラズマ表面処理における絶縁性の被処理物の帯電を抑止し、イオンのエネルギー制御性および平行性を向上する。
【解決手段】第１の真空容器１と、第２の真空容器２と、それらの間に配設された導電性グリッド１１と、第２の真空容器２に配置された絶縁性の被処理物１２と、第１の真空容器１から第２の真空容器２内の被処理物１２に対してイオンビーム１３を照射するイオンビーム照射手段から構成され、第１の真空容器１の電位を第２の真空容器２の電位に対して正とし、導電性グリッド１１の電位を第２の真空容器２の電位に対して負となるように構成した。
【解決手段】第１の真空容器１と、第２の真空容器２と、それらの間に配設された導電性グリッド１１と、第２の真空容器２に配置された絶縁性の被処理物１２と、第１の真空容器１から第２の真空容器２内の被処理物１２に対してイオンビーム１３を照射するイオンビーム照射手段から構成され、第１の真空容器１の電位を第２の真空容器２の電位に対して正とし、導電性グリッド１１の電位を第２の真空容器２の電位に対して負となるように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面や３次元形状を有する被処理物の表面を微細に加工したり、表面物性を物理的ないし化学的に改質したり、異種物質を膜状に堆積させるプラズマ表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電性を有する被処理物をプラズマ中に浸し、これに負の直流電圧、ないしはパルス電圧、ないしは高周波電圧を加えると、プラズマと被処理物の間に電位差が発生し、これによってプラズマと被処理物との間にイオンシースと呼ばれるプラズマとは異なり正イオンのみから成る層が形成される。プラズマ中の正イオンは、このイオンシースにかかる電位差で加速され、イオンビームとなって、被処理物の表面にほぼ垂直に入射する。
【０００３】
ここで被処理物がSi半導体の場合、プラズマ源として塩素（Cl2）などの反応性ガスを用いると、プラズマ中で発生するCl+イオンがSi基板に入射し、Si + 2Cl →SiCl2↑なる化学反応を起こし、Si基板が浸蝕（エッチング）される。これを反応性イオンエッチング(RIE)という。特に、イオンシースにかかる電位差を数百Vとし、イオンのエネルギーを高めると、イオンは基板面に垂直に運動し、照射面のみを削るので、基板面に垂直な深い縦穴や溝を形成することができる。これを異方性RIEと言う。異方性RIEによる微細加工技術は半導体デバイスやMEMS（微小電子機械システム）デバイスの製造に欠くことのできない公知の基盤技術になっている。
【０００４】
次に非反応性の元素、金属元素からプラズマを発生すると、イオンシースで加速された正イオンが被処理物の表面に堆積して、被処理物に密着する薄膜を形成する（イオン支援堆積）。さらにイオンシースの電位差を数十kV以上にする（その際は定常の電位差ではなく、短い時間幅のパルス状の電位差を印加する）と、正イオンが被処理物の内部まで到達し、導入不純物として作用して被処理物の表面物性を物理化学的に変化させる（イオン注入）。こうしてプラズマと被処理物との間の電位差を制御するだけで、イオンエネルギーを変化させることで、イオン支援堆積とイオン注入を使い分けることができ、これらを組み合わせた複合表面改質法としてプラズマイオン注入堆積法（PBII&D法）が知られている。
【０００５】
このようにプラズマの化学反応性とイオンの運動エネルギー制御を組み合わせることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質したり、異種物質を膜状に堆積させる装置を、本発明が対象とするプラズマ表面処理装置と定義する。
【０００６】
前述の従来のプラズマ表面処理装置では、被処理物の表面に自発的に形成されるイオンシース内の電界でイオンを加速し、被処理物の表面に垂直に照射することを特徴としていた。しかし、被処理物が絶縁物であると、正イオンの入射と２次電子の放出が同時に起こるため、表面が急速に正に帯電し、プラズマと被処理物の間の電位差が消失して、イオンが加速されなくなる。すなわち、上記の異方性RIEや複合表面改質法が、広く産業利用されているガラス、セラミック、ダイヤモンド、ポリマなどの絶縁物には十分適用できない問題があった。
【０００７】
絶縁物の帯電の問題を解決するため、主として以下の４つの方法が公知になっているが、いずれも課題を残す。
【０００８】
第一の方法は、特許文献１の方法で、被処理物にパルスないしは高周波電圧を加える方法である。この方法によると、絶縁物の電位は時間的に正負に振れるので、時間平均して帯電を緩和できるが、このときシースで加速されるイオンのエネルギーは拡がり、かつ時間変化するので、高精度の微細加工、表面改質を難しくする（課題１）。
第２の方法は、特許文献２の方法で、プラズマと被処理物の間に複数の多孔板を置いて、その中にガスを満たし、荷電交換衝突過程を利用して、正イオンを途中で中性原子に換えてしまう方法である。中性原子であれば帯電の心配はない。しかし、荷電交換衝突はイオンが加速される途中で確率的に起こるため、発生する中性原子は様々なエネルギーを持ってしまい、さらに、容器内のガス圧力を高めに設定する必要があるため、基板に到達する中性原子の量が散乱によって大きく減少してしまう問題がある（課題２）。
【０００９】
第３の方法は、特許文献３の方法で、プラズマから複数の電極を介してエネルギーの制御されたイオンビームを引き出し、このイオンビームに別に設けた電子源から電子ビームを入射して、イオンビームの正電荷を中和する方法である。この方法はイオンのエネルギー制御性には優れるものの、引き出せるイオン電流が低く、電極面積の制約から大面積の表面処理が難しい問題がある（課題３）。また電子ビームによるイオンビームの完全な中和は技術的に確立していないし、たとえイオンビームが中和されたとしても、イオンが被処理物に衝突した際に２次電子を放出するので、被処理物の帯電除去が完全には行われない（課題４）。何より装置が複雑で高価になる（課題５）。
【００１０】
第４の方法は、特許文献４の方法で、第３の方法の引出電極を1枚にしたものである。装置がより簡素化され、イオン電流の増加と大面積化へも対応しやすくなるので、課題３と課題５は解決されるが、引き出された正イオンの電荷を電子ビームで中和する着想は同じなので課題４が残される。
【００１１】
【特許文献１】特開平6-61182号公報
【特許文献２】特開平6-69158号公報
【特許文献３】特開平11-117253号公報
【特許文献４】特開平5-144774号公報
【非特許文献１】R.J.Taylor、 K.R. MacKenzie、 and H. Ikezi、 Rev. Sci. Instrum. 43、1675-1678(1972)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は上記の課題１〜５の新たな認識に基づき、電気的絶縁性を有する被処理物の帯電を常に中和しつつ、エネルギーのそろったビーム状のプラズマイオンを定常またはパルス的に被処理物の表面に照射し処理することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らは、日々の研究の中で、絶縁性の被処理物のプラズマ表面処理において、被処理物の帯電を常に中和しつつ、エネルギーのそろったビーム状のイオンを定常またはパルス的に被処理物の表面に照射できる方法を創案し、実験によってその実現性を実証した。これは過去にプラズマ物理の基礎研究のために考案され、そのものは公知であるダブルプラズマ装置（以下DP装置）（非特許文献１）を応用することにより上記の課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
プラズマ表面処理における絶縁性の被処理物の帯電を抑止し、プラズマイオンのエネルギー制御性および平行性を向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
従来、DP装置を固体材料の表面処理に適用する着想及び実施例はかつてなく、本願発明はDP装置を利用した新規且つ特許性あるプラズマ表面処理装置を提供するものである。
【実施例１】
【００１６】
本願発明の第１の実施例としてのプラズマ表面処理装置の構成と動作を図１を用いて説明する。真空容器を絶縁体スペーサ３によって電気的に第１の真空容器１と第２の真空容器２に二分割する。第１の真空容器１には電源８から電位V1[V]を、第２の真空容器２には電源１０から電位V2[V]を与える。真空容器１と真空容器２の間にはそれぞれから電気的に絶縁された導電性グリッド１１が配設され、電源９から電位VG[V]が与えられる。別に設けたガス導入口から動作ガスを真空容器１および２内に満たす。第１のプラズマ発生手段４により真空容器１内に第１のプラズマ（ドライバープラズマとも呼ぶ）６を発生し、さらに第２のプラズマ発生手段５により真空容器２内に第２のプラズマ（ターゲットプラズマとも呼ぶ）７を発生する。プラズマは直流放電、高周波放電乃至はマイクロ波放電によって導入されたガス分子をイオン化することによって発生される。第２の真空容器２内にプラズマ７に接触するように、絶縁性の被処理物１２が配置される。その被処理物は表面が導電性グリッドの面と概ね平行になるように調整するものとする。また、電位V1は電位V2より正であり、電位VGは電位V2より負であるように設定されるものとする。すると第１のプラズマ６と導電性グリッド１１の間に正イオンの層からなるイオンシース１４が自発的に形成され、電位差V1-V2[V]がこのイオンシース間にかかることになる。第１のプラズマ６内の正イオンは、イオンシース１４を通過する際にエネルギーQ(V1-V2)[J]（Q[C]はイオンの電荷）まで加速され、イオンビーム１３となって、導電性グリッド１１、第２のプラズマ７を通過して、被処理物１２の表面に入射する。このイオンビームと被処理物の物理的、化学的相互作用によって被処理物の表面が処理される。
【００１７】
次に、本願プラズマ表面処理装置内のプラズマ電位の分布と正イオン、電子の挙動を図２を用いて説明する。第１のプラズマ６及び第２のプラズマ７の電位は、それぞれV1、 V2に概ね電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V] （k=1.38x10-23J/Kはボルツマン定数、e=1.60x10-19Cは電気素量）の約5倍を加えた値になる。導電性グリッド１１の電位VGはV2よりも電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V]の数倍だけ低くする。またV1はV2より高くする。プラズマは導電性が高いのでプラズマ６及び７の間に電位差を与えると、その電位差は導電性グリッド１１近傍に局在することになる。第１のプラズマ６と導電性グリッド１１の境界にイオンシースと呼ばれる正イオンのみの薄い層が形成され、電位差V1-V2はイオンシース１４にかかることになる。
【００１８】
ここでプラズマ内の正イオン、電子の挙動を考える。まず第２のプラズマ７から導電性グリッド１１に向かう電子１８は、大きさVG+5kT/e[V]の障壁電位によって反射されてしまう。第２のプラズマ７から導電性グリッド１１に向かう正イオン１７は、障壁電位１５（V1-V2[V]に相当）によってやはり反射されてしまう。次に第１のプラズマ６から導電性グリッド１１に向かう電子１６は概ねV1-V2+VG+5kT/e[V]の大きな障壁電位によって反射される。最後に第１のプラズマ６から導電性グリッド１１に向かう正イオン１３はイオンシース１４にかかる電位差V1-V2[V]でエネルギーQ(V1-V2)[J]まで加速され、導電性グリッドを通過して第２のプラズマ７内に入射する。上記の説明から次のことが言える。プラズマ６とプラズマ７の間を流れる電流はイオンビーム１３の電流のみである。イオン電流は電子電流に比べて圧倒的に小さい（1/100のオーダー）。すなわちプラズマ６とプラズマ７間の電気抵抗が比較的大きくなるため、両プラズマ間に電位差V1-V2[V]を定常的かつ安定的に維持できる。このことにより、課題１が解決される。また動作ガス圧はプラズマ発生が可能な範囲で十分低くすることができ、課題２が解決される。また本装置は１枚の導電性グリッドを要するのみで比較的簡素であり、大面積化も容易である。よって課題３及び課題５が解決される。
【００１９】
次に本願発明によって、絶縁性被処理物の帯電がどのように抑止されるのか、その機構を図１および図２を参照しつつ説明する。絶縁性被処理物１２の表面は、第１のプラズマ６から入射する正イオン１３、及びイオン衝撃によって放出される２次電子によって正に帯電するが、周囲を第２のプラズマ７で囲まれているため、プラズマ７の電子１８が流入して、たちどころに帯電を中和する。重要な点は、プラズマの特質上、帯電中和のために入射する電子１８の数が自動調整され、被処理物１２の表面電位が常にプラズマ７の浮遊電位（被処理物に流入する正味の電流が０となるときの電位）に固定されることである。この浮遊電位は、プラズマ７の電位より、電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V] の約5倍低くなるので、結局、絶縁性被処理物１２の表面電位は概ねV2に固定される。従来法はイオンビームに電子を入射して帯電中和を行うが、この場合は被処理物の表面電位が時間的、空間的に一定値に固定される保証はない。一方、本願発明では、特徴的に付加している第２のプラズマ７（ターゲットプラズマ）の効果として、プラズマ７内に浸された全ての被処理物（絶縁性及び導電性に関わらず）の表面電位をプラズマ７の電位より若干低い一定値に固定できることが特徴である。このことにより、課題４が解決される。
【実施例２】
【００２０】
真空容器を図１の導体とは異なり、絶縁体で構成した本願発明の第２の実施例を図３に示す。図１のように真空容器に直接電圧を加えるのは、安全上好ましくない場合がある。図３では第１の真空容器１９及び第２の真空容器２０はガラス、セラミックスなどの絶縁体で構成される。新たに真空容器から電気的に絶縁して第１のプラズマ６内に陽極２２を挿入する。陽極２２に電源２３から正電位V1を与えることによってプラズマ６の電位を制御する。第２の真空容器２０の内部ないしは端部に電極２１を配置する。電極２１は第２のプラズマ７と電気的に接触するように配置する。プラズマ７の電位を電極２１の電位に概ね固定するためである。図３では電極２１を接地電位としたが、電位V1より負である任意の電位V2としても差し支えない。導電性グリッド１１には電極２１の電位より負である電位VGが電源９によって与えられる。図３の実施例は、真空容器が全て絶縁体で構成され、電圧がかからないのでより安全で実用的と思われる。図３の装置の動作と効果は、上述の図１と図２の説明と全く同じである。
【実施例３】
【００２１】
次に、本願発明を３次元形状を有する絶縁性被処理物の表面処理に適用した第３の実施例を図４に示す。導体または絶縁体の真空容器２４の内部に被処理物１２を配置し、この被処理物を取り囲むように導電性グリッド１１が配置される。さらに導電性グリッドを取り囲むように包囲体型陽極２５が配置される。包囲体型陽極２５と導電性グリッド１１の間には第１のプラズマ発生手段によりプラズマ６が生成され、導電性グリッド１１と被処理物１２の間には第２のプラズマ発生手段によりプラズマ７が生成される。導体２７は第２のプラズマ７に電気的に接触し、絶縁性被処理物１２を支える様に接続されている。図４では導体２７は接地電位にあるが、任意の電位V2[V]としても良い。導電性グリッド１１には電源９から導体２７より負である電位VG[V]が加えられている。陽極２５にはパルス電源２６から導体２７の電位より十分高い電位V1がパルス的に加えられる。V1を数kVから数十kVとすれば被処理物へのイオン注入が可能になる。電源２６を直流電源とすることも可能である。図４の陽極２５はプラズマ６を取り囲むことを特徴とするが、プラズマ６を取り囲まなくても、プラズマ６と十分電気的に接触していれば、本願発明の効果が得られる。ただし、プラズマ６の一部が真空容器２４に触れ、電流が流れてしまうので、真空容器２４を絶縁体にするか、真空容器２４の内面に絶縁コーティングないしは絶縁シートを貼付する必要がある。図４の実施例では、イオンシース１４が導電性グリッド１１の外周に球面状に形成されることから、イオンビーム１３は被処理物１２に向かって四方八方から（径方向内向き）入射する。３次元形状の絶縁性被処理物の表面を改質できる。
【００２２】
図５は、本願発明の特徴であるデュアルプラズマ配位（DP配位）の原理検証を行った実験装置の例である。動作ガスは0.3Paのアルゴンでアルゴンプラズマを用いた。第１のプラズマは高周波誘導結合放電、第２のプラズマは設置された基材と直流放電電極との間の直流放電で発生した。導電性メッシュはステンレス製で0〜-600Vの直流電圧を印加できる。真空容器は導電性で接地されており、その内面には絶縁シート（カプトンシート）が貼付されていて、第１のプラズマが導電性メッシュ(-100V以下の電圧を印加)と絶縁シートによって周囲から電気的に孤立した状態を作っている。
【００２３】
図６は、図５の実験装置において、陽極に加えるパルス電圧振幅（VA）を変化させたときの、第１のプラズマ（driver plasma）と第２のプラズマ（target plasma）の電位（VF）の変化をプロットしたものである。陽極には0から9kVまでのパルス電圧が加えられた。第１のプラズマの電位はVAとともに直線的に増加しているのに対し、第２のプラズマの電位はほぼ０で一定のままである。すなわち両プラズマ間に電位差が発生していることを意味し、デュアルプラズマ配位の形成が実証された。
【００２４】
次に図７は、本願発明（図中でDual plasma modeと表記）のプラズマ電位（VF）の軸方向（z方向）分布と従来法（図中でPPB modeと表記）のプラズマ電位の軸方向分布とを比較したものである。非処理物表面はz=0mm、導電性グリッドはz=80mmに位置する。陽極にパルス電圧5.7kVが加えられた。従来法では、被処理物（図中でtargetと表記）の表面近傍にイオンシースが形成されているのに対し、本願発明のデュアルプラズマ配位では、イオンシースは第１のプラズマと導電性グリッドの間に形成されており、導電性グリッドと被処理物間の第２のプラズマの電位は概ね0Vで一定である。図７の実験データからもデュアルプラズマ配位の形成、言い換えれば本願発明の実効性が証明された。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
プラズマ表面処理における絶縁性の被処理物の帯電が抑止され、イオンのエネルギー制御性および平行性が向上するので、高集積電子デバイスの製造における歩留まり改善に寄与する。また、従来困難であったダイヤモンド、ガラスなどの絶縁体の微細加工、表面改質の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のプラズマ表面処理装置の構成した第１の実施例の動作を説明する図である。
【図２】本発明のプラズマ表面処理装置におけるプラズマ電位の分布と正イオン、電子の挙動を説明する模式図である。
【図３】真空容器を絶縁体で構成した第２の実施例を示す図である。
【図４】本発明を３次元形状の被処理物の表面処理に適用する第３の実施例である。
【図５】本発明によるデュアルプラズマ配位の形成の原理検証を行った実験装置例を説明する図である。
【図６】図５の実験装置において、陽極に加えるパルス電圧（VA）を変化させたときの、第１のプラズマ（driver plasma）の電位（VF）と第２のプラズマ（target plasma）の電位（VF）の変化を示す図で、陽極には0から9kVまでのパルス電圧が加えられている。
【図７】図５の実験装置において、本発明（Dual plasma mode）のプラズマ電位（VF）の軸方向（z方向）分布と従来法（PPB mode）のプラズマ電位（VF）の軸方向分布との比較を示す図で、被処理物表面はz=0mm、グリッドはz=80mmに位置し、陽極にパルス電圧5.7kVが加えられている。
【符号の説明】
【００２７】
１ 第１の真空容器
２ 第２の真空容器
３ 第１と第２の真空容器を電気絶縁する絶縁体スペーサ
４ 第１のプラズマ発生手段
５ 第２のプラズマ発生手段
６ 第１のプラズマ（ドライバープラズマ）
７ 第２のプラズマ（ターゲットプラズマ）
８ 第１の真空容器に電圧V1を与える電源
９ 第２の真空容器に電圧V2を与える電源
１０ グリッドに電圧VGを与える電源
１１ 導電性グリッド
１２ 絶縁性の被処理物
１３ 第１のプラズマから第２のプラズマを通過して被処理物に向かうイオンビーム
１４ 第１のプラズマとグリッドの間に自発的に形成されるイオンシース
１５ 第１のプラズマとグリッドの間のイオンシースがつくる電位差
１６ 第１のプラズマの電子の挙動、第１のプラズマからグリッドに向かう電子１６はイ オンシースのつくる電位差１５によって反射され、第１のプラズマに戻される
１７ 第２のプラズマの正イオンの挙動、第２のプラズマからグリッドに向かう正イオン １７はイオンシースのつくる電位差１５によって反射され、第２のプラズマに戻さ れる。
１８ 第２のプラズマの電子の挙動、第２のプラズマからグリッドに向かう電子１８はグ リッドに加えられた負の電圧VGによって反射され、第２のプラズマに戻される
１９ 絶縁体で構成された第１の真空容器
２０ 絶縁体で構成された第２の真空容器
２１ 第２のプラズマ７と電気的に接触し、接地電位にある電極
２２ 第１のプラズマ６に電位を与えるための陽極
２３ 陽極２２に電圧V1を与える電源
２４ 導体または絶縁体で構成される真空容器
２５ プラズマを取り囲むことを特徴とする包囲体形陽極
２６ 第１のプラズマ６にパルスの正電位を与えるためのパルス電源
２７ 第２のプラズマ７に電気的に接触し、絶縁性被処理物を支える接地電位にある導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面や３次元形状を有する被処理物の表面を微細に加工したり、表面物性を物理的ないし化学的に改質したり、異種物質を膜状に堆積させるプラズマ表面処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電性を有する被処理物をプラズマ中に浸し、これに負の直流電圧、ないしはパルス電圧、ないしは高周波電圧を加えると、プラズマと被処理物の間に電位差が発生し、これによってプラズマと被処理物との間にイオンシースと呼ばれるプラズマとは異なり正イオンのみから成る層が形成される。プラズマ中の正イオンは、このイオンシースにかかる電位差で加速され、イオンビームとなって、被処理物の表面にほぼ垂直に入射する。
【０００３】
ここで被処理物がSi半導体の場合、プラズマ源として塩素（Cl2）などの反応性ガスを用いると、プラズマ中で発生するCl+イオンがSi基板に入射し、Si + 2Cl →SiCl2↑なる化学反応を起こし、Si基板が浸蝕（エッチング）される。これを反応性イオンエッチング(RIE)という。特に、イオンシースにかかる電位差を数百Vとし、イオンのエネルギーを高めると、イオンは基板面に垂直に運動し、照射面のみを削るので、基板面に垂直な深い縦穴や溝を形成することができる。これを異方性RIEと言う。異方性RIEによる微細加工技術は半導体デバイスやMEMS（微小電子機械システム）デバイスの製造に欠くことのできない公知の基盤技術になっている。
【０００４】
次に非反応性の元素、金属元素からプラズマを発生すると、イオンシースで加速された正イオンが被処理物の表面に堆積して、被処理物に密着する薄膜を形成する（イオン支援堆積）。さらにイオンシースの電位差を数十kV以上にする（その際は定常の電位差ではなく、短い時間幅のパルス状の電位差を印加する）と、正イオンが被処理物の内部まで到達し、導入不純物として作用して被処理物の表面物性を物理化学的に変化させる（イオン注入）。こうしてプラズマと被処理物との間の電位差を制御するだけで、イオンエネルギーを変化させることで、イオン支援堆積とイオン注入を使い分けることができ、これらを組み合わせた複合表面改質法としてプラズマイオン注入堆積法（PBII&D法）が知られている。
【０００５】
このようにプラズマの化学反応性とイオンの運動エネルギー制御を組み合わせることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質したり、異種物質を膜状に堆積させる装置を、本発明が対象とするプラズマ表面処理装置と定義する。
【０００６】
前述の従来のプラズマ表面処理装置では、被処理物の表面に自発的に形成されるイオンシース内の電界でイオンを加速し、被処理物の表面に垂直に照射することを特徴としていた。しかし、被処理物が絶縁物であると、正イオンの入射と２次電子の放出が同時に起こるため、表面が急速に正に帯電し、プラズマと被処理物の間の電位差が消失して、イオンが加速されなくなる。すなわち、上記の異方性RIEや複合表面改質法が、広く産業利用されているガラス、セラミック、ダイヤモンド、ポリマなどの絶縁物には十分適用できない問題があった。
【０００７】
絶縁物の帯電の問題を解決するため、主として以下の４つの方法が公知になっているが、いずれも課題を残す。
【０００８】
第一の方法は、特許文献１の方法で、被処理物にパルスないしは高周波電圧を加える方法である。この方法によると、絶縁物の電位は時間的に正負に振れるので、時間平均して帯電を緩和できるが、このときシースで加速されるイオンのエネルギーは拡がり、かつ時間変化するので、高精度の微細加工、表面改質を難しくする（課題１）。
第２の方法は、特許文献２の方法で、プラズマと被処理物の間に複数の多孔板を置いて、その中にガスを満たし、荷電交換衝突過程を利用して、正イオンを途中で中性原子に換えてしまう方法である。中性原子であれば帯電の心配はない。しかし、荷電交換衝突はイオンが加速される途中で確率的に起こるため、発生する中性原子は様々なエネルギーを持ってしまい、さらに、容器内のガス圧力を高めに設定する必要があるため、基板に到達する中性原子の量が散乱によって大きく減少してしまう問題がある（課題２）。
【０００９】
第３の方法は、特許文献３の方法で、プラズマから複数の電極を介してエネルギーの制御されたイオンビームを引き出し、このイオンビームに別に設けた電子源から電子ビームを入射して、イオンビームの正電荷を中和する方法である。この方法はイオンのエネルギー制御性には優れるものの、引き出せるイオン電流が低く、電極面積の制約から大面積の表面処理が難しい問題がある（課題３）。また電子ビームによるイオンビームの完全な中和は技術的に確立していないし、たとえイオンビームが中和されたとしても、イオンが被処理物に衝突した際に２次電子を放出するので、被処理物の帯電除去が完全には行われない（課題４）。何より装置が複雑で高価になる（課題５）。
【００１０】
第４の方法は、特許文献４の方法で、第３の方法の引出電極を1枚にしたものである。装置がより簡素化され、イオン電流の増加と大面積化へも対応しやすくなるので、課題３と課題５は解決されるが、引き出された正イオンの電荷を電子ビームで中和する着想は同じなので課題４が残される。
【００１１】
【特許文献１】特開平6-61182号公報
【特許文献２】特開平6-69158号公報
【特許文献３】特開平11-117253号公報
【特許文献４】特開平5-144774号公報
【非特許文献１】R.J.Taylor、 K.R. MacKenzie、 and H. Ikezi、 Rev. Sci. Instrum. 43、1675-1678(1972)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は上記の課題１〜５の新たな認識に基づき、電気的絶縁性を有する被処理物の帯電を常に中和しつつ、エネルギーのそろったビーム状のプラズマイオンを定常またはパルス的に被処理物の表面に照射し処理することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らは、日々の研究の中で、絶縁性の被処理物のプラズマ表面処理において、被処理物の帯電を常に中和しつつ、エネルギーのそろったビーム状のイオンを定常またはパルス的に被処理物の表面に照射できる方法を創案し、実験によってその実現性を実証した。これは過去にプラズマ物理の基礎研究のために考案され、そのものは公知であるダブルプラズマ装置（以下DP装置）（非特許文献１）を応用することにより上記の課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
プラズマ表面処理における絶縁性の被処理物の帯電を抑止し、プラズマイオンのエネルギー制御性および平行性を向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
従来、DP装置を固体材料の表面処理に適用する着想及び実施例はかつてなく、本願発明はDP装置を利用した新規且つ特許性あるプラズマ表面処理装置を提供するものである。
【実施例１】
【００１６】
本願発明の第１の実施例としてのプラズマ表面処理装置の構成と動作を図１を用いて説明する。真空容器を絶縁体スペーサ３によって電気的に第１の真空容器１と第２の真空容器２に二分割する。第１の真空容器１には電源８から電位V1[V]を、第２の真空容器２には電源１０から電位V2[V]を与える。真空容器１と真空容器２の間にはそれぞれから電気的に絶縁された導電性グリッド１１が配設され、電源９から電位VG[V]が与えられる。別に設けたガス導入口から動作ガスを真空容器１および２内に満たす。第１のプラズマ発生手段４により真空容器１内に第１のプラズマ（ドライバープラズマとも呼ぶ）６を発生し、さらに第２のプラズマ発生手段５により真空容器２内に第２のプラズマ（ターゲットプラズマとも呼ぶ）７を発生する。プラズマは直流放電、高周波放電乃至はマイクロ波放電によって導入されたガス分子をイオン化することによって発生される。第２の真空容器２内にプラズマ７に接触するように、絶縁性の被処理物１２が配置される。その被処理物は表面が導電性グリッドの面と概ね平行になるように調整するものとする。また、電位V1は電位V2より正であり、電位VGは電位V2より負であるように設定されるものとする。すると第１のプラズマ６と導電性グリッド１１の間に正イオンの層からなるイオンシース１４が自発的に形成され、電位差V1-V2[V]がこのイオンシース間にかかることになる。第１のプラズマ６内の正イオンは、イオンシース１４を通過する際にエネルギーQ(V1-V2)[J]（Q[C]はイオンの電荷）まで加速され、イオンビーム１３となって、導電性グリッド１１、第２のプラズマ７を通過して、被処理物１２の表面に入射する。このイオンビームと被処理物の物理的、化学的相互作用によって被処理物の表面が処理される。
【００１７】
次に、本願プラズマ表面処理装置内のプラズマ電位の分布と正イオン、電子の挙動を図２を用いて説明する。第１のプラズマ６及び第２のプラズマ７の電位は、それぞれV1、 V2に概ね電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V] （k=1.38x10-23J/Kはボルツマン定数、e=1.60x10-19Cは電気素量）の約5倍を加えた値になる。導電性グリッド１１の電位VGはV2よりも電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V]の数倍だけ低くする。またV1はV2より高くする。プラズマは導電性が高いのでプラズマ６及び７の間に電位差を与えると、その電位差は導電性グリッド１１近傍に局在することになる。第１のプラズマ６と導電性グリッド１１の境界にイオンシースと呼ばれる正イオンのみの薄い層が形成され、電位差V1-V2はイオンシース１４にかかることになる。
【００１８】
ここでプラズマ内の正イオン、電子の挙動を考える。まず第２のプラズマ７から導電性グリッド１１に向かう電子１８は、大きさVG+5kT/e[V]の障壁電位によって反射されてしまう。第２のプラズマ７から導電性グリッド１１に向かう正イオン１７は、障壁電位１５（V1-V2[V]に相当）によってやはり反射されてしまう。次に第１のプラズマ６から導電性グリッド１１に向かう電子１６は概ねV1-V2+VG+5kT/e[V]の大きな障壁電位によって反射される。最後に第１のプラズマ６から導電性グリッド１１に向かう正イオン１３はイオンシース１４にかかる電位差V1-V2[V]でエネルギーQ(V1-V2)[J]まで加速され、導電性グリッドを通過して第２のプラズマ７内に入射する。上記の説明から次のことが言える。プラズマ６とプラズマ７の間を流れる電流はイオンビーム１３の電流のみである。イオン電流は電子電流に比べて圧倒的に小さい（1/100のオーダー）。すなわちプラズマ６とプラズマ７間の電気抵抗が比較的大きくなるため、両プラズマ間に電位差V1-V2[V]を定常的かつ安定的に維持できる。このことにより、課題１が解決される。また動作ガス圧はプラズマ発生が可能な範囲で十分低くすることができ、課題２が解決される。また本装置は１枚の導電性グリッドを要するのみで比較的簡素であり、大面積化も容易である。よって課題３及び課題５が解決される。
【００１９】
次に本願発明によって、絶縁性被処理物の帯電がどのように抑止されるのか、その機構を図１および図２を参照しつつ説明する。絶縁性被処理物１２の表面は、第１のプラズマ６から入射する正イオン１３、及びイオン衝撃によって放出される２次電子によって正に帯電するが、周囲を第２のプラズマ７で囲まれているため、プラズマ７の電子１８が流入して、たちどころに帯電を中和する。重要な点は、プラズマの特質上、帯電中和のために入射する電子１８の数が自動調整され、被処理物１２の表面電位が常にプラズマ７の浮遊電位（被処理物に流入する正味の電流が０となるときの電位）に固定されることである。この浮遊電位は、プラズマ７の電位より、電子温度T[K]の電圧換算値kT/e[V] の約5倍低くなるので、結局、絶縁性被処理物１２の表面電位は概ねV2に固定される。従来法はイオンビームに電子を入射して帯電中和を行うが、この場合は被処理物の表面電位が時間的、空間的に一定値に固定される保証はない。一方、本願発明では、特徴的に付加している第２のプラズマ７（ターゲットプラズマ）の効果として、プラズマ７内に浸された全ての被処理物（絶縁性及び導電性に関わらず）の表面電位をプラズマ７の電位より若干低い一定値に固定できることが特徴である。このことにより、課題４が解決される。
【実施例２】
【００２０】
真空容器を図１の導体とは異なり、絶縁体で構成した本願発明の第２の実施例を図３に示す。図１のように真空容器に直接電圧を加えるのは、安全上好ましくない場合がある。図３では第１の真空容器１９及び第２の真空容器２０はガラス、セラミックスなどの絶縁体で構成される。新たに真空容器から電気的に絶縁して第１のプラズマ６内に陽極２２を挿入する。陽極２２に電源２３から正電位V1を与えることによってプラズマ６の電位を制御する。第２の真空容器２０の内部ないしは端部に電極２１を配置する。電極２１は第２のプラズマ７と電気的に接触するように配置する。プラズマ７の電位を電極２１の電位に概ね固定するためである。図３では電極２１を接地電位としたが、電位V1より負である任意の電位V2としても差し支えない。導電性グリッド１１には電極２１の電位より負である電位VGが電源９によって与えられる。図３の実施例は、真空容器が全て絶縁体で構成され、電圧がかからないのでより安全で実用的と思われる。図３の装置の動作と効果は、上述の図１と図２の説明と全く同じである。
【実施例３】
【００２１】
次に、本願発明を３次元形状を有する絶縁性被処理物の表面処理に適用した第３の実施例を図４に示す。導体または絶縁体の真空容器２４の内部に被処理物１２を配置し、この被処理物を取り囲むように導電性グリッド１１が配置される。さらに導電性グリッドを取り囲むように包囲体型陽極２５が配置される。包囲体型陽極２５と導電性グリッド１１の間には第１のプラズマ発生手段によりプラズマ６が生成され、導電性グリッド１１と被処理物１２の間には第２のプラズマ発生手段によりプラズマ７が生成される。導体２７は第２のプラズマ７に電気的に接触し、絶縁性被処理物１２を支える様に接続されている。図４では導体２７は接地電位にあるが、任意の電位V2[V]としても良い。導電性グリッド１１には電源９から導体２７より負である電位VG[V]が加えられている。陽極２５にはパルス電源２６から導体２７の電位より十分高い電位V1がパルス的に加えられる。V1を数kVから数十kVとすれば被処理物へのイオン注入が可能になる。電源２６を直流電源とすることも可能である。図４の陽極２５はプラズマ６を取り囲むことを特徴とするが、プラズマ６を取り囲まなくても、プラズマ６と十分電気的に接触していれば、本願発明の効果が得られる。ただし、プラズマ６の一部が真空容器２４に触れ、電流が流れてしまうので、真空容器２４を絶縁体にするか、真空容器２４の内面に絶縁コーティングないしは絶縁シートを貼付する必要がある。図４の実施例では、イオンシース１４が導電性グリッド１１の外周に球面状に形成されることから、イオンビーム１３は被処理物１２に向かって四方八方から（径方向内向き）入射する。３次元形状の絶縁性被処理物の表面を改質できる。
【００２２】
図５は、本願発明の特徴であるデュアルプラズマ配位（DP配位）の原理検証を行った実験装置の例である。動作ガスは0.3Paのアルゴンでアルゴンプラズマを用いた。第１のプラズマは高周波誘導結合放電、第２のプラズマは設置された基材と直流放電電極との間の直流放電で発生した。導電性メッシュはステンレス製で0〜-600Vの直流電圧を印加できる。真空容器は導電性で接地されており、その内面には絶縁シート（カプトンシート）が貼付されていて、第１のプラズマが導電性メッシュ(-100V以下の電圧を印加)と絶縁シートによって周囲から電気的に孤立した状態を作っている。
【００２３】
図６は、図５の実験装置において、陽極に加えるパルス電圧振幅（VA）を変化させたときの、第１のプラズマ（driver plasma）と第２のプラズマ（target plasma）の電位（VF）の変化をプロットしたものである。陽極には0から9kVまでのパルス電圧が加えられた。第１のプラズマの電位はVAとともに直線的に増加しているのに対し、第２のプラズマの電位はほぼ０で一定のままである。すなわち両プラズマ間に電位差が発生していることを意味し、デュアルプラズマ配位の形成が実証された。
【００２４】
次に図７は、本願発明（図中でDual plasma modeと表記）のプラズマ電位（VF）の軸方向（z方向）分布と従来法（図中でPPB modeと表記）のプラズマ電位の軸方向分布とを比較したものである。非処理物表面はz=0mm、導電性グリッドはz=80mmに位置する。陽極にパルス電圧5.7kVが加えられた。従来法では、被処理物（図中でtargetと表記）の表面近傍にイオンシースが形成されているのに対し、本願発明のデュアルプラズマ配位では、イオンシースは第１のプラズマと導電性グリッドの間に形成されており、導電性グリッドと被処理物間の第２のプラズマの電位は概ね0Vで一定である。図７の実験データからもデュアルプラズマ配位の形成、言い換えれば本願発明の実効性が証明された。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
プラズマ表面処理における絶縁性の被処理物の帯電が抑止され、イオンのエネルギー制御性および平行性が向上するので、高集積電子デバイスの製造における歩留まり改善に寄与する。また、従来困難であったダイヤモンド、ガラスなどの絶縁体の微細加工、表面改質の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のプラズマ表面処理装置の構成した第１の実施例の動作を説明する図である。
【図２】本発明のプラズマ表面処理装置におけるプラズマ電位の分布と正イオン、電子の挙動を説明する模式図である。
【図３】真空容器を絶縁体で構成した第２の実施例を示す図である。
【図４】本発明を３次元形状の被処理物の表面処理に適用する第３の実施例である。
【図５】本発明によるデュアルプラズマ配位の形成の原理検証を行った実験装置例を説明する図である。
【図６】図５の実験装置において、陽極に加えるパルス電圧（VA）を変化させたときの、第１のプラズマ（driver plasma）の電位（VF）と第２のプラズマ（target plasma）の電位（VF）の変化を示す図で、陽極には0から9kVまでのパルス電圧が加えられている。
【図７】図５の実験装置において、本発明（Dual plasma mode）のプラズマ電位（VF）の軸方向（z方向）分布と従来法（PPB mode）のプラズマ電位（VF）の軸方向分布との比較を示す図で、被処理物表面はz=0mm、グリッドはz=80mmに位置し、陽極にパルス電圧5.7kVが加えられている。
【符号の説明】
【００２７】
１ 第１の真空容器
２ 第２の真空容器
３ 第１と第２の真空容器を電気絶縁する絶縁体スペーサ
４ 第１のプラズマ発生手段
５ 第２のプラズマ発生手段
６ 第１のプラズマ（ドライバープラズマ）
７ 第２のプラズマ（ターゲットプラズマ）
８ 第１の真空容器に電圧V1を与える電源
９ 第２の真空容器に電圧V2を与える電源
１０ グリッドに電圧VGを与える電源
１１ 導電性グリッド
１２ 絶縁性の被処理物
１３ 第１のプラズマから第２のプラズマを通過して被処理物に向かうイオンビーム
１４ 第１のプラズマとグリッドの間に自発的に形成されるイオンシース
１５ 第１のプラズマとグリッドの間のイオンシースがつくる電位差
１６ 第１のプラズマの電子の挙動、第１のプラズマからグリッドに向かう電子１６はイ オンシースのつくる電位差１５によって反射され、第１のプラズマに戻される
１７ 第２のプラズマの正イオンの挙動、第２のプラズマからグリッドに向かう正イオン １７はイオンシースのつくる電位差１５によって反射され、第２のプラズマに戻さ れる。
１８ 第２のプラズマの電子の挙動、第２のプラズマからグリッドに向かう電子１８はグ リッドに加えられた負の電圧VGによって反射され、第２のプラズマに戻される
１９ 絶縁体で構成された第１の真空容器
２０ 絶縁体で構成された第２の真空容器
２１ 第２のプラズマ７と電気的に接触し、接地電位にある電極
２２ 第１のプラズマ６に電位を与えるための陽極
２３ 陽極２２に電圧V1を与える電源
２４ 導体または絶縁体で構成される真空容器
２５ プラズマを取り囲むことを特徴とする包囲体形陽極
２６ 第１のプラズマ６にパルスの正電位を与えるためのパルス電源
２７ 第２のプラズマ７に電気的に接触し、絶縁性被処理物を支える接地電位にある導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部にプラズマを発生させる第１のプラズマ発生手段を備えた第１の真空容器と、その内部にプラズマを発生させる第２のプラズマ発生手段を備えた第２の真空容器と、電気的に絶縁して接続した該第１の真空容器と該第２の真空容器の間に配設された導電性グリッドと、該第２の真空容器に配置された絶縁性の被処理材と、該第１の真空容器から該第２の真空容器内の該被処理材に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射手段から構成され、
前記第１の真空容器の電位を前記第２の真空容器の電位に対して正とし、前記導電性グリッドの電位を前記第２の真空容器の電位に対して負としたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ表面処理装置において、前記第２の真空容器の電位は接地電位であることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ表面処理装置において、前記イオンビームは前記第１の真空容器から前記導電性グリッドを介して前記第２の真空容器内の該被処理材に対して照射されることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項４】
その内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備えた真空容器と、該真空容器の内部に絶縁性の被処理材を包囲した導電性グリッドと、該被処理材に電気的に接続される導体と、該真空容器から該真空容器の内部の該被処理材に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射手段から構成され、
前記グリッドの電位を前記導体の電位に対して負とし、前記真空容器の電位を前記導体の電位に対して正としたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ表面処理装置において、前記導体の電位は接地電位であることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項６】
請求項４記載のプラズマ表面処理装置において、前記イオンビームは前記真空容器から前記導電性グリッドを介して前記被処理材に対して照射されることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１】
その内部にプラズマを発生させる第１のプラズマ発生手段を備えた第１の真空容器と、その内部にプラズマを発生させる第２のプラズマ発生手段を備えた第２の真空容器と、電気的に絶縁して接続した該第１の真空容器と該第２の真空容器の間に配設された導電性グリッドと、該第２の真空容器に配置された絶縁性の被処理材と、該第１の真空容器から該第２の真空容器内の該被処理材に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射手段から構成され、
前記第１の真空容器の電位を前記第２の真空容器の電位に対して正とし、前記導電性グリッドの電位を前記第２の真空容器の電位に対して負としたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ表面処理装置において、前記第２の真空容器の電位は接地電位であることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ表面処理装置において、前記イオンビームは前記第１の真空容器から前記導電性グリッドを介して前記第２の真空容器内の該被処理材に対して照射されることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項４】
その内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備えた真空容器と、該真空容器の内部に絶縁性の被処理材を包囲した導電性グリッドと、該被処理材に電気的に接続される導体と、該真空容器から該真空容器の内部の該被処理材に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射手段から構成され、
前記グリッドの電位を前記導体の電位に対して負とし、前記真空容器の電位を前記導体の電位に対して正としたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ表面処理装置において、前記導体の電位は接地電位であることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項６】
請求項４記載のプラズマ表面処理装置において、前記イオンビームは前記真空容器から前記導電性グリッドを介して前記被処理材に対して照射されることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２９４２０９（Ｐ２００７−２９４２０９Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２００９１（Ｐ２００６−１２００９１）
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 「電気学会研究会資料 Ｔｈｅ Ｐａｐｅｒｓ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＥＥ Ｊａｐａｎ プラズマ研究会 ＰＳＴ−０５−７３〜９１」 社団法人電気学会 ２００５年１０月２７日発表
【出願人】（５０４２０３５７２）国立大学法人茨城大学 (99)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２５日（２００６．４．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 「電気学会研究会資料 Ｔｈｅ Ｐａｐｅｒｓ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＥＥ Ｊａｐａｎ プラズマ研究会 ＰＳＴ−０５−７３〜９１」 社団法人電気学会 ２００５年１０月２７日発表
【出願人】（５０４２０３５７２）国立大学法人茨城大学 (99)
【Ｆターム（参考）】
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