基材表面処理装置及び基材表面処理方法
【課題】面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能な基材表面処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の基材表面処理装置１００は、成膜槽３０と、該成膜槽３０の内部にシート状プラズマ２７を発生させるシート状プラズマ発生装置と、前記成膜槽３０の内部に配置されたスパッタリングターゲット３３Ａと、該スパッタリングターゲット３３Ａに対向するよう前記成膜槽３０の内部に配置された基材３４Ａを保持可能な基材ホルダ３４と、前記スパッタリングターゲット３３Ａに、前記シート状プラズマ２７の電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置Ｖ２と、前記基材ホルダ３４を介して前記基材３４Ａに、前記シート状プラズマ２７の電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置Ｐと、を備える。
【解決手段】本発明の基材表面処理装置１００は、成膜槽３０と、該成膜槽３０の内部にシート状プラズマ２７を発生させるシート状プラズマ発生装置と、前記成膜槽３０の内部に配置されたスパッタリングターゲット３３Ａと、該スパッタリングターゲット３３Ａに対向するよう前記成膜槽３０の内部に配置された基材３４Ａを保持可能な基材ホルダ３４と、前記スパッタリングターゲット３３Ａに、前記シート状プラズマ２７の電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置Ｖ２と、前記基材ホルダ３４を介して前記基材３４Ａに、前記シート状プラズマ２７の電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置Ｐと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状に変形されたプラズマを用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを行う、基材表面処理装置及び基材表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、図４に示すように、プラズマ源から発生する円柱状のプラズマ（以下、円柱状プラズマという）に永久磁石による磁界を作用させ、シート状に変形したプラズマ（以下、シート状プラズマという）を用いたシートプラズマ成膜装置が注目されている（特許文献１参照）。このシートプラズマ成膜装置では、陰極側５からの円柱状プラズマ流を永久磁石３によりシート状プラズマ６に形成し、該シート状プラズマ６に磁場コイル２を用いて陽極１へと導く。そして、シート状プラズマ６の移動過程において、スパッタリング室でターゲット７からスパッタ粒子を発生させ、基材８に成膜する。これにより、大面積の基材８に対しても成膜をすることが可能になる。
【０００３】
また、スパッタリング室を接地電位とし、スパッタリング室とシートプラズマ成形室とを異なる電位としたシートプラズマ成膜装置も知られている（特許文献２の図１を参照）。このようなシートプラズマ成膜装置によると、シートプラズマ成形室でのシート状プラズマの電流ロス等による電力効率の低下を防止できる。
【０００４】
一方、ワークの表面に正イオンを注入する表面処理装置として、プラズマＣＶＤ装置が知られている（特許文献３の図１３を参照）。当該プラズマＣＶＤ装置は、平行平板電極を用いてプラズマを発生する。当該プラズマＣＶＤ装置は、真空容器を備え、該真空容器内において互いに平行に配置された一対の平板電極を備えている。そのうちの一方の平板電極の上にはワークが載置され、負電圧パルス電源が接続されている。負電圧パルス電源は、負電圧パルスをワークが載置された平板電極に印加する。他方の平板電極は、マッチングボックスを介して高周波電源（ＲＦ電源）に接続されている。高周波電源は、高周波電圧（ＲＦ電圧）を、他方の平板電極に供給する。
【０００５】
当該プラズマＣＶＤ装置は、下記の動作によってワークの上に薄膜を成膜する。薄膜の原料を含む原料ガスが真空容器の内部に導入される。原料ガスが導入されている状態で、高周波電圧が他方の平板電極に供給されると、真空容器の内部には、プラズマが発生する。プラズマにより反応が促進されて、ワークの上に薄膜が成膜される。成膜の間、負電圧パルスが一方の平板電極に印加され、プラズマに存在する正イオンがワークに注入される。正イオンの注入は、ワークの上に成膜された薄膜の膜質の最適化を可能にする。
【特許文献１】特開２００５−１７９７６７号公報
【特許文献２】特開平７−２９６９８８号公報
【特許文献３】特開２００４−７６０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、シートプラズマ成膜装置を用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができれば便利である。しかしながら、従来例は、これについて一切開示されていない。また、これを実行するためには、以下のような問題がある。
【０００７】
すなわち、特許文献１の構成においては、スパッタリング室（成膜槽）を接地電位としていない。したがって、特許文献１に記載された装置を用いてプラズマイオン注入を行おうと考えた場合には、負のパルス電圧を基材に印加すると、基材の周辺に形成されたイオンシースが成膜槽と干渉する。そうすると、成膜槽と基材とが同電位となるため、形成されるシート状プラズマが不安定になり、基材に対してスパッタイオンが引き込まれにくくなる。
【０００８】
また、特許文献１の構成においては、たとえ、基材と成膜槽との間に、イオンシースが干渉しないような十分な距離が設けられていたとしても、基材に負のパルス電圧を印加することで、基材におけるシート状プラズマに面していない部分にもプラズマが形成され、所望の箇所以外にもイオンが注入されてしまう。さらに、基材と成膜槽とを電気的に絶縁している絶縁碍子に膜が形成されないように保護する機構を設けない限り、基材と成膜槽とが同電位となってしまうため、基材に対してプラズマイオン注入を安定して行うことができない。
【０００９】
また、特許文献２の構成においては、スパッタリング室（成膜槽）を接地電位としているが、基材と成膜槽との間が電気的に絶縁されておらず、負のパルス電圧を印加することができない。たとえ、基材と成膜槽との間を絶縁碍子で電気的に絶縁したとしても、プラズマが基材の周囲で発生することが予測され、絶縁碍子の保護機構を設けない限り、基材に対するプラズマイオン注入は安定して行うことができないと考えられる。
【００１０】
さらに、特許文献３の構成においては、プラズマ発生源が基材とターゲットとであるため、プラズマを形成するためには、加速された電子と中性粒子とが衝突するための十分な距離が必要となる。特に、基材の面積が大きい場合には、それに伴いターゲットの面積も大きくしなければならず、かつ、基材とターゲットとの間の距離を広くしなければならない。しかし、基材とターゲットとの距離が広くなればなるほど成膜レートが低くなる。また、スパッタされた粒子が他の中性粒子と衝突することで熱中性化が進み、緻密な膜が形成できなくなる。すなわち、特許文献３の構成においては、プラズマの形成と、成膜レート及び緻密な膜の形成とが、基材とターゲットとの距離の観点においてトレードオフの関係にある。
【００１１】
また、特許文献３の構成においては、ターゲットをスパッタするためにターゲットに負のバイアス電圧を印加し、プラズマイオン注入をするために基材に負の高電圧バイアスを印加すると、互いの周囲に形成されたイオンシースが干渉し、基材とターゲットとの間の電子が他に追いやられてプラズマを維持できなくなる。換言すると、基材とターゲットとの間の電位差が消失するため、スパッタリングターゲットへのスパッタと基材に対するプラズマイオン注入とが行えなくなる。
【００１２】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる基材表面処理装置及び基材表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、上記課題を解決するために、本発明の基材表面処理装置は、内部を減圧可能な成膜槽と、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える。
【００１４】
このような構成とすると、スパッタリングターゲットに負の直流バイアス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオン（たとえば、Ａｒイオン）が引き付けられて、スパッタリングターゲットをスパッタする。一方、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオンが基材中に注入される。したがって、基材に対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に又は交互に行うことができる。
【００１５】
また、上記のような構成とすると、スパッタリングターゲットと基材の周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマによって仕切られるため、基材及びスパッタリングターゲットの面積に依存せず、基材とスパッタリングターゲットとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。
【００１６】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。
【００１７】
このような構成とすると、基材の周囲のイオンシースと前記成膜槽とが干渉することが防止され、その結果、前記基材と前記成膜槽との電位がシート状プラズマと同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマを安定して維持したまま、基材に対してプラズマイオン注入を行うことができる。
【００１８】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００１９】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の１００分の１以上１０分の１以下の範囲であることが好ましい。
【００２０】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００２１】
このような構成とすると、前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダの裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材の表面に導電性の膜が形成されず、前記基材ホルダと成膜槽との導通が防止される。したがって、基材の周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材に対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。
【００２２】
前記成膜槽内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において基材表面処理を行うことが好ましい。
【００２３】
このように、成膜槽内の圧力を１×１０−３Ｐａ以上にすると、シート状プラズマの形成が良好になり、基材に対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽内の圧力を、１×１０−１Ｐａ以下にするとプラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材に対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。
【００２４】
前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲であることが好ましい。
【００２５】
このように、プラズマ密度を１×１０９ｃｍ−３以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を１×１０１２ｃｍ−３以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材の加熱が防止される。
【００２６】
前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲であることが好ましい。
【００２７】
このような構成とすると、基材の周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材に対するプラズマイオン注入が適切に行われる。
【００２８】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有することが好ましい。
【００２９】
このような構成とすると、基材に対して、反応性スパッタリングによる成膜を行うことが可能になる。
【００３０】
一方、本発明の基材表面処理方法は、成膜槽の内部を減圧し、シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。
【００３１】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。
【００３２】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００３３】
前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行うことが好ましい。
【００３４】
このような構成とすると、基材表面にプラズマイオン注入されることで発生する二次電子が、イオンシース内で反発してシート状プラズマの方向へと加速され、スパッタリングターゲットに入射される。そうすると、絶縁物からなるスパッタリングターゲットがプラズマイオンによってチャージアップされた場合においても、二次電子がこれを電気的に中和することができる。したがって、絶縁物からなるスパッタリングターゲットに対しても、直流バイアス電源を用いてスパッタリングが行うことができる。
【００３５】
また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う。
【００３６】
また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。
【００３７】
前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、上記のような構成としたため、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図２は、図１の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。以下、図１及び図２を参照しながら、本実施形態に係る基材表面処理装置について説明する。なお、ここでは便宜上、図１に示すように、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ永久磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向及びＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、この基材表面処理装置の構成を説明する。
【００４１】
＜一般的構成＞
まず、本実施形態の基材表面処理装置１００の一般的構成について説明する。
【００４２】
本実施形態の基材表面処理装置１００は、図１に示すように、ＹＺ平面において略十字形をなしている。本実施形態の基材表面処理装置１００は、プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、プラズマを高密度に形成するプラズマガン１０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の成膜槽３０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状の陽極室５０と、を備えて構成されている。なおこれらの各部１０、２０、３０、５０は、プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。ここで、プラズマガン１０と、シートプラズマ変形室２０と、陽極室５０とが、シート状プラズマ発生装置を構成する。
【００４３】
プラズマガン１０は、筒状部材１３から構成される減圧可能な放電空間１４を有し、このプラズマガン１０のＺ方向の一端は、この放電空間１４を塞ぐようにフランジ１１が配置されている。筒状部材１３は、例えば、ガラスで構成される。フランジ１１には、プラズマ放電誘発用の熱電子を放出する陰極１２が配置されている。そして、フランジ１１には、この放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを、この放電空間１４に導くガス導入手段１７が設けられている。ガス導入手段１７には、マスフローコントローラ１６が配設されている。マスフローコントローラ１６は、放電空間１４への放電ガスの流量を調節する。なお、放電ガスとしては、アルゴン以外の希ガス等の不活性ガスを用いることができる。
【００４４】
そして、上記陰極１２と、後述する陽極５１とが、抵抗体ＲＶを介して主バイアス電圧印加装置Ｖ１の負極端子及び正極端子にそれぞれ接続されている。プラズマガン１０は、第一中間電極Ｇ１と第二中間電極Ｇ２とを備えている。第一中間電極Ｇ１は、抵抗体Ｒ１を介して上記主バイアス電圧印加装置Ｖ１の正極端子と接続されている。第二中間電極Ｇ２は、抵抗体Ｒ２を介して上記主バイアス電圧印加装置Ｖ１の正極端子と接続されている。そして、陰極１２と陽極５１との間でプラズマ放電（グロー放電）を維持するため、直流の主バイアス電圧印加装置Ｖ１と適宜の抵抗体ＲＶ、Ｒ１、Ｒ２との組合せにより所定のプラス電圧が印加される。このようなプラズマ放電により、プラズマガン１０の放電空間１４には、荷電粒子（ここではＡｒ＋と電子）の集合体としてのプラズマが形成される。なおここでは、主バイアス電圧印加装置Ｖ１に基づく低電圧かつ大電流の直流アーク放電により、陰極１２と後述する陽極５１との間に高密度のプラズマ放電を可能にする、公知の圧力勾配型のプラズマガン１０が採用されている。プラズマガン１０は、円柱状のソースプラズマ（以下、「円柱状プラズマ２２」という）を発生させる。
【００４５】
プラズマガン１０のＺ方向の他端には、シートプラズマ変形室２０が配設されている。プラズマガン１０とシートプラズマ変形室２０とは、絶縁物１５を介して接続されている。シートプラズマ変形室２０は、筒状部材１９を備えている。筒状部材１９の内部は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の輸送空間２１を有する。筒状部材１９は、非磁性体で構成されており、例えば、ガラスやステンレスを用いて構成される。筒状部材１９のＸＹ平面に平行な断面の形状は、例えば、円形又は四角形であり、本実施形態においては円形に構成されている。筒状部材１９の外側には、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設されている。一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂは、各永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極を、筒状部材１９をＹ方向において挟んで対向させるように配設されている。筒状部材１９の長さ方向において永久磁石２４Ａ，２４Ｂの両側に、第一電磁コイル２３と第二電磁コイル２８とが配設されている。第一電磁コイル２３は、プラズマガン１０から筒状部材１９へと円柱状プラズマ２２を引き出すために用いられる。第一電磁コイル２３及び第二電磁コイル２８は、後述するシート状プラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の形状を整えるために用いられる。
【００４６】
図１に示すように、プラズマガン１０から放出された円柱状プラズマ２２は、輸送空間２１の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設された位置にまで進むと、永久磁石２４Ａ，２４Ｂによって形成された磁界により、シート状に変形される（以下、シート状プラズマ２７という）。シート状プラズマ２７は、第二電磁コイル２８により、その幅方向（Ｘ方向）の形状が規制される。形成されたシート状プラズマ２７は、後述する陽極５１へと導かれる。
【００４７】
シートプラズマ変形室２０のＺ方向の前端は、成膜槽３０と連結されている。成膜槽３０は、円筒状の導電性のチャンバ４０を備えている。チャンバ４０の一方の端部は上蓋３５により閉鎖されており、チャンバ４０の他方の端部は下蓋３６により閉鎖されている。チャンバ４０は、非磁性の材料、例えば、ステンレスで構成される。チャンバ４０には、その高さ方向（Ｙ方向）のほぼ中間に、第一開口部４２が設けられている。第一開口部４２の内部空間は、形成されたシート状プラズマ２７が該開口を通り抜けることができる大きさに形成されている。第一開口部４２には、該開口と接合するフランジ２９が配設されている。シートプラズマ変形室２０と成膜槽３０とは、チャンバ４０の側壁に形成された第一開口部４２及びフランジ２９を介して連結されている。
【００４８】
チャンバ４０は、その内部に成膜空間３１を有する。ここで、以下においては、成膜空間３１は、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、第一開口部４２の内部空間に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、後述するスパッタリングターゲット３３Ａを格納する囲い部により区画されたターゲット空間３１Ａと、後述する基材３４Ａを格納する囲い部により区画された基材空間３１Ｂと、に区分けして説明する。なお、上記中央空間は、成膜槽３０においてシートプラズマ２７の高密度部分が輸送される空間である。
【００４９】
ターゲット空間３１Ａには、スパッタリングターゲット３３Ａを保持する導電性のターゲットホルダ３３が配設されている。ターゲットホルダ３３は、円板状の導電性のホルダ３３Ｂを備えている。該ホルダ３３Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の導電性の支軸３３Ｃが接続されている。そして、支軸３３Ｃは、前記成膜槽３０の上蓋３５に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３３Ｃは、絶縁部材３３Ｄを介して上蓋３５に取り付けられている。すなわち、支軸３３Ｃは、成膜槽３０と短絡しないよう、成膜槽３０に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材３３Ｄとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。支軸３３Ｃは、成膜槽３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、チャンバ４０に対して気密的に配設されている。スパッタリングターゲット３３Ａの材料としては、単体の金属材料や誘電体等の絶縁物材料その他の材料を用いることができる。この材料は、後述する基材３４Ａに形成される膜に応じて適宜選択される。以下では、スパッタリングターゲット３３Ａの材料が絶縁物である場合について説明する。
【００５０】
また、基材空間３１Ｂには、基材３４Ａを保持する導電性の基材ホルダ３４が配設されている。基材ホルダ３４は、円板状の導電性のホルダ３４Ｂを備えている。該ホルダ３４Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の導電性の支軸３４Ｃが接続されている。そして、支軸３４Ｃは、前記成膜槽３０の下蓋３６に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３４Ｃは、絶縁部材３４Ｄを介して下蓋３６に取り付けられている。すなわち、支軸３４Ｃは、成膜槽３０と短絡しないよう、成膜槽３０に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材３４Ｄとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。基材ホルダ３４は、形成されたシート状プラズマ２７を挟んで前記ターゲットホルダ３３と対向するよう（ここでは共に水平に）配設されている。支軸３４Ｃは、成膜槽３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、成膜槽３０に対して気密的に配設されている。
【００５１】
チャンバ４０の適所には、該チャンバ４０内の成膜空間３１を真空引きするための排気口３２が設けられている。排気口３２は、バルブ３７により開閉可能に構成されている。排気口３２には、真空ポンプ３８が接続されている。真空ポンプ３８は、シート状プラズマ２７が輸送できるレベルにまで、成膜空間３１内を速やかに減圧する。
【００５２】
成膜槽３０のチャンバ４０の後端（Ｚ方向）には第二開口部４５が形成されている。第二開口部４５には、該開口に接合する第二フランジ４７が配設されている。成膜槽３０と後述する陽極室５０とは、第二開口部４５及び第二フランジ４７を介して連結されている。
【００５３】
陽極室５０は、筒状部材５３を備えている。筒状部材５３は、本実施形態ではガラスで構成される。陽極室５０は、上記フランジ４７に筒状部材５３の一端が接続され、該筒状部材５３の他端が陽極５１で閉鎖されて形成されている。筒状部材５３の周囲には、第三電磁コイル４８が配設されている。該第三電磁コイル４８は、形成されたシート状プラズマ２７の幅方向の形状を整えるために用いられる。筒状部材５３と陽極５１とは、絶縁物（図示せず）を介して接続されている。陽極５１の裏面には、永久磁石５２が配設されている。永久磁石５２は、そのＳ極が陽極５１と接触するように配設されている。永久磁石５２は、シート状プラズマ２７のＺ方向の末端の形状を整える。
【００５４】
また、本実施形態の基材表面処理装置１００は、制御装置（図示せず）を備えている。制御装置は、主バイアス電圧印加装置Ｖ１、真空ポンプ３８、後述するバイアス電圧印加装置Ｖ２、パルス電圧印加装置Ｐ等の動作を制御する。
【００５５】
なお、本実施形態においては、円筒状プラズマ２２及びシート状プラズマ２７の形状を整えるための磁場の発生手段として第一電磁コイル２３乃至第三電磁コイル４８を用いたが、その他の手段を用いることも可能である。例えば、第一電磁コイル２３乃至第三電磁コイル４８の替わりに、永久磁石や、超伝導体（により発生するマイスナー効果）を用いることもできる。
【００５６】
＜特徴的構成＞
次に、本実施形態の基材表面処理装置１００の特徴的構成について説明する。
【００５７】
本実施形態では、陽極５１が接地されている。このような場合、成膜槽３０におけるチャンバ４０は通常は接地されないが、本実施形態ではチャンバ４０は接地されている。これにより、チャンバ４０（成膜槽３０）の電位は接地電位とされている。つまり、チャンバ４０と陽極５１とが同電位となる。この場合、シート状プラズマ２７が、チャンバ４０の第一開口部４２を通過して成膜槽３０内に移動するか否かが懸念されるが、本実施形態では、圧力勾配型のプラズマガン１０が用いられているので、シート状プラズマ２７は、上記第一開口部４２を通過して成膜槽３０内に移動する。
【００５８】
このような構成とすると、基材３４Ａの周囲のイオンシースと成膜槽３０とが干渉することが防止され、その結果、基材３４Ａと成膜槽３０との電位がシート状プラズマ２７と同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマ２７を安定して維持したまま、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入を行うことができる。
【００５９】
ここで、発生されるシート状プラズマ２７の中心のプラズマ密度は、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲である。
【００６０】
このように、プラズマ密度を１×１０９ｃｍ−３以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を１×１０１２ｃｍ−３以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材３４Ａの加熱が防止される。
【００６１】
基材３４Ａ又は基材ホルダ３４の外縁と成膜槽３０の内壁との距離は、以下のような範囲とする。
【００６２】
基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁よりも基材３４Ａの外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ３４に保持された基材３４Ａの外縁と成膜槽３０の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程１００分の１以上１０分の１以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽３０内の圧力に応じて、前記基材３４Ａの外縁と前記成膜槽３０の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲になるように構成する。
【００６３】
一方、基材ホルダ３４に保持された基材３４Ａの外縁よりも基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と成膜槽３０の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程１００分の１以上１０分の１以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽３０内の圧力に応じて、前記基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と前記成膜槽３０の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲になるように構成する。
【００６４】
このような構成とすると、前記基材３４Ａ又は前記基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と前記成膜槽３０の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダ３４の裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材３４Ｄの表面に導電性の膜が形成されず、基材ホルダ３４と成膜槽３０との導通が防止される。したがって、基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。
【００６５】
ターゲットホルダ３３には、バイアス電圧印加装置Ｖ２が接続されている。このバイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧が印加される。負の直流バイアス電圧は、マイナス１０００Ｖ以上マイナス１０Ｖ以下の範囲である。
【００６６】
基材ホルダ３４には、パルス電圧印加装置Ｐが接続されている。このパルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧が印加される。ここで、負のパルス電圧は、電圧値がシート状プラズマ２７の電位に対してマイナス１０ｋＶであり、パルスの幅が１０μｓｅｃであり、かつ、パルスの周波数が２５００Ｈｚである。なお、負の電圧パルスは、電圧値が、シート状プラズマ２７の電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲であることが好ましい。
【００６７】
このような構成とすると、基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入が適切に行われる。
【００６８】
＜動作＞
本実施形態の基材表面処理装置１００は、前述のように制御装置を備えていて、この制御装置により、以下の動作が遂行される。
【００６９】
まず、接地電位にされた成膜槽３０内を、真空ポンプ３８により１×１０−６Ｐａのオーダーまで真空引きする。次に、シートプラズマ変形室２０内に、プラズマガン１０で形成した円柱状プラズマ２２を導入する。そして、この円柱状プラズマ２２は、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂにより、シート状プラズマ２７に形成される。その後、成膜槽３０内の圧力は、１×１０−２Ｐａのオーダーとされる。ここで、成膜槽３０内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において成膜を行うことが好ましい。このように、成膜槽３０内の圧力を１×１０−３Ｐａ以上にすると、シート状プラズマ２７の形成が良好になり、基材３４Ａに対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽３０内の圧力を１×１０−１Ｐａ以下にすると、プラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。
【００７０】
次に、バイアス電圧印加装置Ｖ２がバイアス電圧をスパッタリングターゲット３３Ａに印加する場合の、基材表面処理装置１００の動作について説明する。
【００７１】
まず、バイアス電圧印加装置Ｖ２が、ターゲットホルダ３３を介して、スパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ２７を構成するプラズマイオン（本実施形態では、アルゴンイオン）をスパッタリングターゲット３３Ａに入射させる。これにより、スパッタリングターゲット３３Ａを構成する物質が弾性衝突により弾き出され、この弾き出された物質が中性のスパッタ粒子となる。なお、スパッタ粒子は、スパッタリングターゲット３３Ａに入射したアルゴンイオンの運動エネルギーを弾性衝突により引き継ぐ。したがって、スパッタ粒子の運動エネルギーは、シート状プラズマ２７を構成するアルゴンイオンの運動エネルギーよりも高くなる。上記スパッタ粒子は、シート状プラズマ２７をその厚み方向に通過する際に、スパッタ粒子の一部が正の電荷を持つ陽イオンに変換され、スパッタイオンとなる。この場合、スパッタイオンは、陽イオンに変換されなかった中性のスパッタ粒子とともに、基材３４Ａに堆積される。一方、シート状プラズマ２７中のアルゴンイオン（正電荷）は、絶縁物からなるスパッタリングターゲット３３Ａに捕捉され、スパッタリングターゲット３３Ａの表面が正電荷によりチャージアップされる。
【００７２】
次に、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを同時に行う場合の、基材表面処理装置１００の動作について説明する。
【００７３】
この場合、パルス電圧印加装置Ｐが、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに、図２に示す負のパルス電圧を印加する。ここで、負のパルス電圧がオンのとき、基材３４Ａの周囲の電子は急速に追い返されるが、アルゴンイオンの質量は電子の質量に比べて大きいので、基材３４Ａの周囲のアルゴンイオンはその場にとどまる。このようにして、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間にアルゴンイオンリッチなイオンシースが形成される。そして、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間の電位差によりアルゴンイオンは加速され、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。
【００７４】
また、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生する二次電子は、基材３４Ａの周囲に形成されたイオンシースの電場で加速され、シート状プラズマ２７を挟んで反対側の位置に配設されたスパッタリングターゲット３３Ａに入射される。このようにして、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生した二次電子が、正電荷によりチャージアップされた絶縁物からなるスパッタリングターゲット３３Ａの表面を電気的に中和する。これにより、シート状プラズマ２７中のアルゴンイオンがスパッタリングターゲット３３Ａをスパッタすることが可能になる。したがって、基材３４Ａに印加する負のパルス電圧がオンの場合には、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを、同時に行うことができる。
【００７５】
そして、基材３４Ａに印加された負のパルス電圧がオフすると（負のパルス電圧の電圧値がシート状プラズマ２７の電位ＶＰと等しくなると）、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間に負の電位差が生じなくなるので、スパッタイオンは加速されず、中性のスパッタ粒子と共に基材３４Ａに堆積する。すなわち、基材３４Ａに対して、通常のスパッタリングによる成膜のみが行われる。このようにして、基材３４Ａ上に成膜し、かつその膜をプラズマイオン注入により表面改質しながら、当該成膜を行うことができる。
【００７６】
なお、スパッタリングターゲット３３Ａが導電物である場合にも、スパッタリングターゲット３３Ａにチャージアップが生じない点を除いて、上記と同様である。
【００７７】
以上のように、本実施形態の基材表面処理装置１００によれば、スパッタリングターゲット３３Ａと基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマ２７によって仕切られる。これにより、基材３４Ａ及びスパッタリングターゲット３３Ａの面積に依存せず、基材３４Ａとスパッタリングターゲット３３Ａとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材３４Ａに対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。
【００７８】
また、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に行うことができる。
【００７９】
さらに、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生する二次電子を用いてスパッタリングターゲット３３Ａに捕捉されたアルゴンイオンを電気的に中和することができるため、スパッタリングターゲット３３Ａが絶縁物で構成される場合においても、スパッタリングターゲット３３Ａのチャージアップが防止され、直流バイアス電源を用いたスパッタリングを行うことが可能になる。
【００８０】
［変形例］
上記第１実施形態においては、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００８１】
すなわち、本変形例の基材表面処理装置においては、まず、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、スパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、基材３４Ａに対してスパッタリングによる成膜が行われる。次に、スパッタリングターゲット３３Ａへの直流バイアス電圧の印加を停止し、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ２７中からアルゴンイオンが引き出され、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。
【００８２】
このようにして、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とが、交互に行われる。
【００８３】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図３において、図１と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
以下、第１実施形態と同様の構成については説明を省略し、本実施形態の基材表面処理装置２００の特徴的構成のみ説明する。
【００８５】
本実施形態の基材表面処理装置２００は、成膜槽３０を構成する上蓋３５に反応性ガス導入部（貫通孔）６４が設けられている。反応性ガス導入部６４には、反応性ガス導入管６１が挿入され、その先端部が成膜槽３０の内部に導入されている。反応性ガス導入管６１は、成膜槽３０の上蓋３５に対して、気密的に挿入されている。反応性ガス導入管６１の途中には、マスフローコントローラ６２が配設されている。マスフローコントローラ６２は、成膜槽３０内への反応性ガスの流量を調節する。また、成膜槽３０内に挿入された反応性ガス導入管６１の先端には、反応性ガス噴霧部材６３が取り付けられている。反応性ガス噴霧部材６３は、本実施形態では、多数の孔を有する中空ドーナツ状に形成されている。それ以外の構成については、第１実施形態の基材表面処理装置１００と同様である。
【００８６】
次に、以上のように構成された基材表面処理装置２００の動作を説明する。本実施形態の基材表面処理装置２００には以下のような使い方がある。そこで、その使い方に応じて動作を説明する。
【００８７】
＜表面改質を行った後に成膜を行う場合＞
基材３４Ａの種類によっては、まず基材３４Ａの表面を表面改質した後に、成膜を行うことが好ましい場合がある。この場合には、本実施形態の基材表面処理装置２００は、以下のように動作する。
【００８８】
まず、反応性ガス導入管６１を介して、反応性ガスを反応性ガス導入部６４から成膜槽３０内に導入する。そうすると、成膜槽３０内が、反応性ガス噴霧部材６３から噴霧される反応性ガスで満たされる。ここで、反応性ガスとしては、例えば、窒素、アンモニア、酸化窒素（ＮＯｘ）、酸素、オゾン、水素、炭化水素（ＣｘＨｙ）、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス（ＳｉＨ４等）、及びハロゲン化ガス（ＢＦ３等）等から選択される少なくとも一種類以上のガスを含むものを用いることができる。この反応性ガスの種類は、基材３４Ａの材料に基づき、適宜選択される。
【００８９】
次に、成膜槽３０内が反応性ガスで満たされた状態でシート状プラズマ２７を発生させると、シート状プラズマ２７中に、放電ガスからなるプラズマイオンと共に、反応性ガスからなるプラズマイオンも含まれるようになる。この状態で、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧を印加すると、反応性ガスからなるプラズマイオンが基材３４Ａの表面にプラズマイオン注入されて、表面改質が行われる。
【００９０】
次に、マスフローコントローラ６２が、反応性ガスの成膜槽３０への供給を停止する。その後、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａにバイアス電圧を印加する。これにより、プラズマイオン注入によって表面改質された基材３４Ａの表面に、さらにターゲット材料による膜が形成される。
【００９１】
＜反応性スパッタリングを行う場合＞
次に、本実施形態の基材表面処理装置２００を用いて、基材３４Ａに対して反応性スパッタリングを行う場合について説明する。
【００９２】
具体的には、前記反応性ガス導入部６４から反応性ガスを導入しながら、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａにバイアス電圧を印加する。このようにすると、いわゆる反応性スパッタリングにより、基材３４Ａに対して複数の材料からなる複合膜を形成することができる。例えば、スパッタリングターゲット３３Ａの材料としてチタンを用い、反応性ガスとして窒素を用いた場合には、反応性スパッタリングによりＴｉＮからなる膜を基材３４Ａに形成することができる。
【００９３】
次に、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに対し、図２に示す負のパルス電圧が印加される。これにより、負のパルス電圧がオンの場合には、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質を行うことができる。
【００９４】
したがって、基材３４Ａに対して、反応性スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができる。
【００９５】
＜反応性スパッタリングとプラズマ重合とを行う場合＞
また、本実施形態の基材表面処理装置２００においては、プラズマイオン注入時に発生したエネルギーを利用して、上記反応性ガスを活性化し、プラズマ重合反応を起こさせることが可能である。このように、プラズマ重合反応によって得られた物質（例えば、シラン系ガスと窒素とを反応性ガスとして用いた場合の窒化シリコン）を、基材３４Ａに対して成膜することができる。すなわち、基材３４Ａに対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うと共に、さらに同時に、プラズマ重合による成膜を行うことも可能になる。
【００９６】
なお、本実施形態においては、反応性ガスを、反応性ガス導入管６１及び反応性ガス導入部６４を介して成膜槽３０内に導入したが、第１実施形態の基材表面処理装置１００を用い、放電ガス導入管１７を介して反応性ガスを導入し、放電ガスと反応性ガスとからなるシート状プラズマ２７を発生させてもよい。このようにしても、上記と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能な基材表面処理装置及び基材表面処理方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。
【図２】図１の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。
【図４】従来におけるシートプラズマ成膜装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０ プラズマガン
１１ フランジ
１２ 陰極
１３ 筒状部材
１４ 放電空間
１５ 絶縁体
１６ マスフローコントローラ
１７ 放電ガス導入管
１９ 筒状部材
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱状プラズマ
２３ 第一電磁コイル
２４Ａ，２４Ｂ 永久磁石
２７ シート状プラズマ
２８ 第二電磁コイル
２９ 第一フランジ
３０ 成膜槽
３１ 成膜空間
３１Ａ ターゲット空間
３１Ｂ 基材空間
３２ 排気口
３３ ターゲットホルダ
３３Ａ スパッタリングターゲット
３３Ｂ ホルダ
３３Ｃ 支軸
３３Ｄ 絶縁部材
３４ 基材ホルダ
３４Ａ 基材
３４Ｂ ホルダ
３４Ｃ 支軸
３４Ｄ 絶縁部材
３５ 上蓋
３６ 下蓋
３７ バルブ
３８ 真空ポンプ
４０ チャンバ
４２ 第一開口部
４５ 第二開口部
４７ 第二フランジ
４８ 第三電磁コイル
５０ 陽極室
５１ 陽極
５２ 永久磁石
５３ 筒状部材
６１ 反応性ガス導入管
６２ マスフローコントローラ
６３ 反応性ガス噴霧部材
６４ 反応性ガス導入部（貫通孔）
１００，２００ 基材表面処理装置
Ｇ１ 第一中間電極
Ｇ２ 第二中間電極
Ｐ パルス電圧印加装置
Ｖ１ 主バイアス電圧印加装置
Ｖ２ バイアス電圧印加装置
ＶＰ シート状プラズマの電位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状に変形されたプラズマを用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを行う、基材表面処理装置及び基材表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、図４に示すように、プラズマ源から発生する円柱状のプラズマ（以下、円柱状プラズマという）に永久磁石による磁界を作用させ、シート状に変形したプラズマ（以下、シート状プラズマという）を用いたシートプラズマ成膜装置が注目されている（特許文献１参照）。このシートプラズマ成膜装置では、陰極側５からの円柱状プラズマ流を永久磁石３によりシート状プラズマ６に形成し、該シート状プラズマ６に磁場コイル２を用いて陽極１へと導く。そして、シート状プラズマ６の移動過程において、スパッタリング室でターゲット７からスパッタ粒子を発生させ、基材８に成膜する。これにより、大面積の基材８に対しても成膜をすることが可能になる。
【０００３】
また、スパッタリング室を接地電位とし、スパッタリング室とシートプラズマ成形室とを異なる電位としたシートプラズマ成膜装置も知られている（特許文献２の図１を参照）。このようなシートプラズマ成膜装置によると、シートプラズマ成形室でのシート状プラズマの電流ロス等による電力効率の低下を防止できる。
【０００４】
一方、ワークの表面に正イオンを注入する表面処理装置として、プラズマＣＶＤ装置が知られている（特許文献３の図１３を参照）。当該プラズマＣＶＤ装置は、平行平板電極を用いてプラズマを発生する。当該プラズマＣＶＤ装置は、真空容器を備え、該真空容器内において互いに平行に配置された一対の平板電極を備えている。そのうちの一方の平板電極の上にはワークが載置され、負電圧パルス電源が接続されている。負電圧パルス電源は、負電圧パルスをワークが載置された平板電極に印加する。他方の平板電極は、マッチングボックスを介して高周波電源（ＲＦ電源）に接続されている。高周波電源は、高周波電圧（ＲＦ電圧）を、他方の平板電極に供給する。
【０００５】
当該プラズマＣＶＤ装置は、下記の動作によってワークの上に薄膜を成膜する。薄膜の原料を含む原料ガスが真空容器の内部に導入される。原料ガスが導入されている状態で、高周波電圧が他方の平板電極に供給されると、真空容器の内部には、プラズマが発生する。プラズマにより反応が促進されて、ワークの上に薄膜が成膜される。成膜の間、負電圧パルスが一方の平板電極に印加され、プラズマに存在する正イオンがワークに注入される。正イオンの注入は、ワークの上に成膜された薄膜の膜質の最適化を可能にする。
【特許文献１】特開２００５−１７９７６７号公報
【特許文献２】特開平７−２９６９８８号公報
【特許文献３】特開２００４−７６０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、シートプラズマ成膜装置を用いて、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができれば便利である。しかしながら、従来例は、これについて一切開示されていない。また、これを実行するためには、以下のような問題がある。
【０００７】
すなわち、特許文献１の構成においては、スパッタリング室（成膜槽）を接地電位としていない。したがって、特許文献１に記載された装置を用いてプラズマイオン注入を行おうと考えた場合には、負のパルス電圧を基材に印加すると、基材の周辺に形成されたイオンシースが成膜槽と干渉する。そうすると、成膜槽と基材とが同電位となるため、形成されるシート状プラズマが不安定になり、基材に対してスパッタイオンが引き込まれにくくなる。
【０００８】
また、特許文献１の構成においては、たとえ、基材と成膜槽との間に、イオンシースが干渉しないような十分な距離が設けられていたとしても、基材に負のパルス電圧を印加することで、基材におけるシート状プラズマに面していない部分にもプラズマが形成され、所望の箇所以外にもイオンが注入されてしまう。さらに、基材と成膜槽とを電気的に絶縁している絶縁碍子に膜が形成されないように保護する機構を設けない限り、基材と成膜槽とが同電位となってしまうため、基材に対してプラズマイオン注入を安定して行うことができない。
【０００９】
また、特許文献２の構成においては、スパッタリング室（成膜槽）を接地電位としているが、基材と成膜槽との間が電気的に絶縁されておらず、負のパルス電圧を印加することができない。たとえ、基材と成膜槽との間を絶縁碍子で電気的に絶縁したとしても、プラズマが基材の周囲で発生することが予測され、絶縁碍子の保護機構を設けない限り、基材に対するプラズマイオン注入は安定して行うことができないと考えられる。
【００１０】
さらに、特許文献３の構成においては、プラズマ発生源が基材とターゲットとであるため、プラズマを形成するためには、加速された電子と中性粒子とが衝突するための十分な距離が必要となる。特に、基材の面積が大きい場合には、それに伴いターゲットの面積も大きくしなければならず、かつ、基材とターゲットとの間の距離を広くしなければならない。しかし、基材とターゲットとの距離が広くなればなるほど成膜レートが低くなる。また、スパッタされた粒子が他の中性粒子と衝突することで熱中性化が進み、緻密な膜が形成できなくなる。すなわち、特許文献３の構成においては、プラズマの形成と、成膜レート及び緻密な膜の形成とが、基材とターゲットとの距離の観点においてトレードオフの関係にある。
【００１１】
また、特許文献３の構成においては、ターゲットをスパッタするためにターゲットに負のバイアス電圧を印加し、プラズマイオン注入をするために基材に負の高電圧バイアスを印加すると、互いの周囲に形成されたイオンシースが干渉し、基材とターゲットとの間の電子が他に追いやられてプラズマを維持できなくなる。換言すると、基材とターゲットとの間の電位差が消失するため、スパッタリングターゲットへのスパッタと基材に対するプラズマイオン注入とが行えなくなる。
【００１２】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる基材表面処理装置及び基材表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、上記課題を解決するために、本発明の基材表面処理装置は、内部を減圧可能な成膜槽と、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える。
【００１４】
このような構成とすると、スパッタリングターゲットに負の直流バイアス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオン（たとえば、Ａｒイオン）が引き付けられて、スパッタリングターゲットをスパッタする。一方、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加することにより、シート状プラズマ中の陽イオンが基材中に注入される。したがって、基材に対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に又は交互に行うことができる。
【００１５】
また、上記のような構成とすると、スパッタリングターゲットと基材の周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマによって仕切られるため、基材及びスパッタリングターゲットの面積に依存せず、基材とスパッタリングターゲットとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。
【００１６】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。
【００１７】
このような構成とすると、基材の周囲のイオンシースと前記成膜槽とが干渉することが防止され、その結果、前記基材と前記成膜槽との電位がシート状プラズマと同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマを安定して維持したまま、基材に対してプラズマイオン注入を行うことができる。
【００１８】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００１９】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の１００分の１以上１０分の１以下の範囲であることが好ましい。
【００２０】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００２１】
このような構成とすると、前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダの裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材の表面に導電性の膜が形成されず、前記基材ホルダと成膜槽との導通が防止される。したがって、基材の周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材に対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。
【００２２】
前記成膜槽内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において基材表面処理を行うことが好ましい。
【００２３】
このように、成膜槽内の圧力を１×１０−３Ｐａ以上にすると、シート状プラズマの形成が良好になり、基材に対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽内の圧力を、１×１０−１Ｐａ以下にするとプラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材に対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。
【００２４】
前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲であることが好ましい。
【００２５】
このように、プラズマ密度を１×１０９ｃｍ−３以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を１×１０１２ｃｍ−３以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材の加熱が防止される。
【００２６】
前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲であることが好ましい。
【００２７】
このような構成とすると、基材の周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材に対するプラズマイオン注入が適切に行われる。
【００２８】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有することが好ましい。
【００２９】
このような構成とすると、基材に対して、反応性スパッタリングによる成膜を行うことが可能になる。
【００３０】
一方、本発明の基材表面処理方法は、成膜槽の内部を減圧し、シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。
【００３１】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にあることが好ましい。
【００３２】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００３３】
前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行うことが好ましい。
【００３４】
このような構成とすると、基材表面にプラズマイオン注入されることで発生する二次電子が、イオンシース内で反発してシート状プラズマの方向へと加速され、スパッタリングターゲットに入射される。そうすると、絶縁物からなるスパッタリングターゲットがプラズマイオンによってチャージアップされた場合においても、二次電子がこれを電気的に中和することができる。したがって、絶縁物からなるスパッタリングターゲットに対しても、直流バイアス電源を用いてスパッタリングが行うことができる。
【００３５】
また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う。
【００３６】
また、本発明の基材表面処理方法は、前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う。
【００３７】
前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、上記のような構成としたため、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図２は、図１の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。以下、図１及び図２を参照しながら、本実施形態に係る基材表面処理装置について説明する。なお、ここでは便宜上、図１に示すように、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ永久磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向及びＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、この基材表面処理装置の構成を説明する。
【００４１】
＜一般的構成＞
まず、本実施形態の基材表面処理装置１００の一般的構成について説明する。
【００４２】
本実施形態の基材表面処理装置１００は、図１に示すように、ＹＺ平面において略十字形をなしている。本実施形態の基材表面処理装置１００は、プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、プラズマを高密度に形成するプラズマガン１０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の成膜槽３０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状の陽極室５０と、を備えて構成されている。なおこれらの各部１０、２０、３０、５０は、プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。ここで、プラズマガン１０と、シートプラズマ変形室２０と、陽極室５０とが、シート状プラズマ発生装置を構成する。
【００４３】
プラズマガン１０は、筒状部材１３から構成される減圧可能な放電空間１４を有し、このプラズマガン１０のＺ方向の一端は、この放電空間１４を塞ぐようにフランジ１１が配置されている。筒状部材１３は、例えば、ガラスで構成される。フランジ１１には、プラズマ放電誘発用の熱電子を放出する陰極１２が配置されている。そして、フランジ１１には、この放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを、この放電空間１４に導くガス導入手段１７が設けられている。ガス導入手段１７には、マスフローコントローラ１６が配設されている。マスフローコントローラ１６は、放電空間１４への放電ガスの流量を調節する。なお、放電ガスとしては、アルゴン以外の希ガス等の不活性ガスを用いることができる。
【００４４】
そして、上記陰極１２と、後述する陽極５１とが、抵抗体ＲＶを介して主バイアス電圧印加装置Ｖ１の負極端子及び正極端子にそれぞれ接続されている。プラズマガン１０は、第一中間電極Ｇ１と第二中間電極Ｇ２とを備えている。第一中間電極Ｇ１は、抵抗体Ｒ１を介して上記主バイアス電圧印加装置Ｖ１の正極端子と接続されている。第二中間電極Ｇ２は、抵抗体Ｒ２を介して上記主バイアス電圧印加装置Ｖ１の正極端子と接続されている。そして、陰極１２と陽極５１との間でプラズマ放電（グロー放電）を維持するため、直流の主バイアス電圧印加装置Ｖ１と適宜の抵抗体ＲＶ、Ｒ１、Ｒ２との組合せにより所定のプラス電圧が印加される。このようなプラズマ放電により、プラズマガン１０の放電空間１４には、荷電粒子（ここではＡｒ＋と電子）の集合体としてのプラズマが形成される。なおここでは、主バイアス電圧印加装置Ｖ１に基づく低電圧かつ大電流の直流アーク放電により、陰極１２と後述する陽極５１との間に高密度のプラズマ放電を可能にする、公知の圧力勾配型のプラズマガン１０が採用されている。プラズマガン１０は、円柱状のソースプラズマ（以下、「円柱状プラズマ２２」という）を発生させる。
【００４５】
プラズマガン１０のＺ方向の他端には、シートプラズマ変形室２０が配設されている。プラズマガン１０とシートプラズマ変形室２０とは、絶縁物１５を介して接続されている。シートプラズマ変形室２０は、筒状部材１９を備えている。筒状部材１９の内部は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の輸送空間２１を有する。筒状部材１９は、非磁性体で構成されており、例えば、ガラスやステンレスを用いて構成される。筒状部材１９のＸＹ平面に平行な断面の形状は、例えば、円形又は四角形であり、本実施形態においては円形に構成されている。筒状部材１９の外側には、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設されている。一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂは、各永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極を、筒状部材１９をＹ方向において挟んで対向させるように配設されている。筒状部材１９の長さ方向において永久磁石２４Ａ，２４Ｂの両側に、第一電磁コイル２３と第二電磁コイル２８とが配設されている。第一電磁コイル２３は、プラズマガン１０から筒状部材１９へと円柱状プラズマ２２を引き出すために用いられる。第一電磁コイル２３及び第二電磁コイル２８は、後述するシート状プラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の形状を整えるために用いられる。
【００４６】
図１に示すように、プラズマガン１０から放出された円柱状プラズマ２２は、輸送空間２１の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設された位置にまで進むと、永久磁石２４Ａ，２４Ｂによって形成された磁界により、シート状に変形される（以下、シート状プラズマ２７という）。シート状プラズマ２７は、第二電磁コイル２８により、その幅方向（Ｘ方向）の形状が規制される。形成されたシート状プラズマ２７は、後述する陽極５１へと導かれる。
【００４７】
シートプラズマ変形室２０のＺ方向の前端は、成膜槽３０と連結されている。成膜槽３０は、円筒状の導電性のチャンバ４０を備えている。チャンバ４０の一方の端部は上蓋３５により閉鎖されており、チャンバ４０の他方の端部は下蓋３６により閉鎖されている。チャンバ４０は、非磁性の材料、例えば、ステンレスで構成される。チャンバ４０には、その高さ方向（Ｙ方向）のほぼ中間に、第一開口部４２が設けられている。第一開口部４２の内部空間は、形成されたシート状プラズマ２７が該開口を通り抜けることができる大きさに形成されている。第一開口部４２には、該開口と接合するフランジ２９が配設されている。シートプラズマ変形室２０と成膜槽３０とは、チャンバ４０の側壁に形成された第一開口部４２及びフランジ２９を介して連結されている。
【００４８】
チャンバ４０は、その内部に成膜空間３１を有する。ここで、以下においては、成膜空間３１は、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、第一開口部４２の内部空間に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、後述するスパッタリングターゲット３３Ａを格納する囲い部により区画されたターゲット空間３１Ａと、後述する基材３４Ａを格納する囲い部により区画された基材空間３１Ｂと、に区分けして説明する。なお、上記中央空間は、成膜槽３０においてシートプラズマ２７の高密度部分が輸送される空間である。
【００４９】
ターゲット空間３１Ａには、スパッタリングターゲット３３Ａを保持する導電性のターゲットホルダ３３が配設されている。ターゲットホルダ３３は、円板状の導電性のホルダ３３Ｂを備えている。該ホルダ３３Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の導電性の支軸３３Ｃが接続されている。そして、支軸３３Ｃは、前記成膜槽３０の上蓋３５に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３３Ｃは、絶縁部材３３Ｄを介して上蓋３５に取り付けられている。すなわち、支軸３３Ｃは、成膜槽３０と短絡しないよう、成膜槽３０に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材３３Ｄとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。支軸３３Ｃは、成膜槽３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、チャンバ４０に対して気密的に配設されている。スパッタリングターゲット３３Ａの材料としては、単体の金属材料や誘電体等の絶縁物材料その他の材料を用いることができる。この材料は、後述する基材３４Ａに形成される膜に応じて適宜選択される。以下では、スパッタリングターゲット３３Ａの材料が絶縁物である場合について説明する。
【００５０】
また、基材空間３１Ｂには、基材３４Ａを保持する導電性の基材ホルダ３４が配設されている。基材ホルダ３４は、円板状の導電性のホルダ３４Ｂを備えている。該ホルダ３４Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の導電性の支軸３４Ｃが接続されている。そして、支軸３４Ｃは、前記成膜槽３０の下蓋３６に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３４Ｃは、絶縁部材３４Ｄを介して下蓋３６に取り付けられている。すなわち、支軸３４Ｃは、成膜槽３０と短絡しないよう、成膜槽３０に対して電気的に絶縁されている。絶縁部材３４Ｄとしては、アルミナセラミック等の絶縁碍子や、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂が用いられる。基材ホルダ３４は、形成されたシート状プラズマ２７を挟んで前記ターゲットホルダ３３と対向するよう（ここでは共に水平に）配設されている。支軸３４Ｃは、成膜槽３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、成膜槽３０に対して気密的に配設されている。
【００５１】
チャンバ４０の適所には、該チャンバ４０内の成膜空間３１を真空引きするための排気口３２が設けられている。排気口３２は、バルブ３７により開閉可能に構成されている。排気口３２には、真空ポンプ３８が接続されている。真空ポンプ３８は、シート状プラズマ２７が輸送できるレベルにまで、成膜空間３１内を速やかに減圧する。
【００５２】
成膜槽３０のチャンバ４０の後端（Ｚ方向）には第二開口部４５が形成されている。第二開口部４５には、該開口に接合する第二フランジ４７が配設されている。成膜槽３０と後述する陽極室５０とは、第二開口部４５及び第二フランジ４７を介して連結されている。
【００５３】
陽極室５０は、筒状部材５３を備えている。筒状部材５３は、本実施形態ではガラスで構成される。陽極室５０は、上記フランジ４７に筒状部材５３の一端が接続され、該筒状部材５３の他端が陽極５１で閉鎖されて形成されている。筒状部材５３の周囲には、第三電磁コイル４８が配設されている。該第三電磁コイル４８は、形成されたシート状プラズマ２７の幅方向の形状を整えるために用いられる。筒状部材５３と陽極５１とは、絶縁物（図示せず）を介して接続されている。陽極５１の裏面には、永久磁石５２が配設されている。永久磁石５２は、そのＳ極が陽極５１と接触するように配設されている。永久磁石５２は、シート状プラズマ２７のＺ方向の末端の形状を整える。
【００５４】
また、本実施形態の基材表面処理装置１００は、制御装置（図示せず）を備えている。制御装置は、主バイアス電圧印加装置Ｖ１、真空ポンプ３８、後述するバイアス電圧印加装置Ｖ２、パルス電圧印加装置Ｐ等の動作を制御する。
【００５５】
なお、本実施形態においては、円筒状プラズマ２２及びシート状プラズマ２７の形状を整えるための磁場の発生手段として第一電磁コイル２３乃至第三電磁コイル４８を用いたが、その他の手段を用いることも可能である。例えば、第一電磁コイル２３乃至第三電磁コイル４８の替わりに、永久磁石や、超伝導体（により発生するマイスナー効果）を用いることもできる。
【００５６】
＜特徴的構成＞
次に、本実施形態の基材表面処理装置１００の特徴的構成について説明する。
【００５７】
本実施形態では、陽極５１が接地されている。このような場合、成膜槽３０におけるチャンバ４０は通常は接地されないが、本実施形態ではチャンバ４０は接地されている。これにより、チャンバ４０（成膜槽３０）の電位は接地電位とされている。つまり、チャンバ４０と陽極５１とが同電位となる。この場合、シート状プラズマ２７が、チャンバ４０の第一開口部４２を通過して成膜槽３０内に移動するか否かが懸念されるが、本実施形態では、圧力勾配型のプラズマガン１０が用いられているので、シート状プラズマ２７は、上記第一開口部４２を通過して成膜槽３０内に移動する。
【００５８】
このような構成とすると、基材３４Ａの周囲のイオンシースと成膜槽３０とが干渉することが防止され、その結果、基材３４Ａと成膜槽３０との電位がシート状プラズマ２７と同電位となることが防止される。したがって、シート状プラズマ２７を安定して維持したまま、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入を行うことができる。
【００５９】
ここで、発生されるシート状プラズマ２７の中心のプラズマ密度は、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲である。
【００６０】
このように、プラズマ密度を１×１０９ｃｍ−３以上とすると、イオンシースが拡がりすぎることが防止される。一方、プラズマ密度を１×１０１２ｃｍ−３以下とすると、プラズマの熱による影響が抑制され、基材３４Ａの加熱が防止される。
【００６１】
基材３４Ａ又は基材ホルダ３４の外縁と成膜槽３０の内壁との距離は、以下のような範囲とする。
【００６２】
基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁よりも基材３４Ａの外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ３４に保持された基材３４Ａの外縁と成膜槽３０の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程１００分の１以上１０分の１以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽３０内の圧力に応じて、前記基材３４Ａの外縁と前記成膜槽３０の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲になるように構成する。
【００６３】
一方、基材ホルダ３４に保持された基材３４Ａの外縁よりも基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁のほうが張り出している場合には、基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と成膜槽３０の内壁との距離が、アルゴン粒子の平均自由工程１００分の１以上１０分の１以下の範囲になるように構成する。具体的には、後述する成膜槽３０内の圧力に応じて、前記基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と前記成膜槽３０の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲になるように構成する。
【００６４】
このような構成とすると、前記基材３４Ａ又は前記基材ホルダ３４（ホルダ３４Ｂ）の外縁と前記成膜槽３０の内壁との間に、中性粒子と電子とが衝突する十分な距離がないため、プラズマが基材ホルダ３４の裏側に回りこむことが防止される。これにより、絶縁部材３４Ｄの表面に導電性の膜が形成されず、基材ホルダ３４と成膜槽３０との導通が防止される。したがって、基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースが安定するので、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入を適切に行うことができる。
【００６５】
ターゲットホルダ３３には、バイアス電圧印加装置Ｖ２が接続されている。このバイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧が印加される。負の直流バイアス電圧は、マイナス１０００Ｖ以上マイナス１０Ｖ以下の範囲である。
【００６６】
基材ホルダ３４には、パルス電圧印加装置Ｐが接続されている。このパルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧が印加される。ここで、負のパルス電圧は、電圧値がシート状プラズマ２７の電位に対してマイナス１０ｋＶであり、パルスの幅が１０μｓｅｃであり、かつ、パルスの周波数が２５００Ｈｚである。なお、負の電圧パルスは、電圧値が、シート状プラズマ２７の電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲であることが好ましい。
【００６７】
このような構成とすると、基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースが拡がりすぎることが防止され、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入が適切に行われる。
【００６８】
＜動作＞
本実施形態の基材表面処理装置１００は、前述のように制御装置を備えていて、この制御装置により、以下の動作が遂行される。
【００６９】
まず、接地電位にされた成膜槽３０内を、真空ポンプ３８により１×１０−６Ｐａのオーダーまで真空引きする。次に、シートプラズマ変形室２０内に、プラズマガン１０で形成した円柱状プラズマ２２を導入する。そして、この円柱状プラズマ２２は、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂにより、シート状プラズマ２７に形成される。その後、成膜槽３０内の圧力は、１×１０−２Ｐａのオーダーとされる。ここで、成膜槽３０内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において成膜を行うことが好ましい。このように、成膜槽３０内の圧力を１×１０−３Ｐａ以上にすると、シート状プラズマ２７の形成が良好になり、基材３４Ａに対するスパッタリングを十分に行うことができる。一方、成膜槽３０内の圧力を１×１０−１Ｐａ以下にすると、プラズマイオン注入に関与しないガスの存在確率が低下し、基材３４Ａに対するプラズマイオン注入を十分に行うことができる。
【００７０】
次に、バイアス電圧印加装置Ｖ２がバイアス電圧をスパッタリングターゲット３３Ａに印加する場合の、基材表面処理装置１００の動作について説明する。
【００７１】
まず、バイアス電圧印加装置Ｖ２が、ターゲットホルダ３３を介して、スパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ２７を構成するプラズマイオン（本実施形態では、アルゴンイオン）をスパッタリングターゲット３３Ａに入射させる。これにより、スパッタリングターゲット３３Ａを構成する物質が弾性衝突により弾き出され、この弾き出された物質が中性のスパッタ粒子となる。なお、スパッタ粒子は、スパッタリングターゲット３３Ａに入射したアルゴンイオンの運動エネルギーを弾性衝突により引き継ぐ。したがって、スパッタ粒子の運動エネルギーは、シート状プラズマ２７を構成するアルゴンイオンの運動エネルギーよりも高くなる。上記スパッタ粒子は、シート状プラズマ２７をその厚み方向に通過する際に、スパッタ粒子の一部が正の電荷を持つ陽イオンに変換され、スパッタイオンとなる。この場合、スパッタイオンは、陽イオンに変換されなかった中性のスパッタ粒子とともに、基材３４Ａに堆積される。一方、シート状プラズマ２７中のアルゴンイオン（正電荷）は、絶縁物からなるスパッタリングターゲット３３Ａに捕捉され、スパッタリングターゲット３３Ａの表面が正電荷によりチャージアップされる。
【００７２】
次に、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを同時に行う場合の、基材表面処理装置１００の動作について説明する。
【００７３】
この場合、パルス電圧印加装置Ｐが、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに、図２に示す負のパルス電圧を印加する。ここで、負のパルス電圧がオンのとき、基材３４Ａの周囲の電子は急速に追い返されるが、アルゴンイオンの質量は電子の質量に比べて大きいので、基材３４Ａの周囲のアルゴンイオンはその場にとどまる。このようにして、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間にアルゴンイオンリッチなイオンシースが形成される。そして、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間の電位差によりアルゴンイオンは加速され、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。
【００７４】
また、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生する二次電子は、基材３４Ａの周囲に形成されたイオンシースの電場で加速され、シート状プラズマ２７を挟んで反対側の位置に配設されたスパッタリングターゲット３３Ａに入射される。このようにして、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生した二次電子が、正電荷によりチャージアップされた絶縁物からなるスパッタリングターゲット３３Ａの表面を電気的に中和する。これにより、シート状プラズマ２７中のアルゴンイオンがスパッタリングターゲット３３Ａをスパッタすることが可能になる。したがって、基材３４Ａに印加する負のパルス電圧がオンの場合には、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質と、スパッタリングによる成膜とを、同時に行うことができる。
【００７５】
そして、基材３４Ａに印加された負のパルス電圧がオフすると（負のパルス電圧の電圧値がシート状プラズマ２７の電位ＶＰと等しくなると）、シート状プラズマ２７と基材３４Ａとの間に負の電位差が生じなくなるので、スパッタイオンは加速されず、中性のスパッタ粒子と共に基材３４Ａに堆積する。すなわち、基材３４Ａに対して、通常のスパッタリングによる成膜のみが行われる。このようにして、基材３４Ａ上に成膜し、かつその膜をプラズマイオン注入により表面改質しながら、当該成膜を行うことができる。
【００７６】
なお、スパッタリングターゲット３３Ａが導電物である場合にも、スパッタリングターゲット３３Ａにチャージアップが生じない点を除いて、上記と同様である。
【００７７】
以上のように、本実施形態の基材表面処理装置１００によれば、スパッタリングターゲット３３Ａと基材３４Ａの周囲に形成されるイオンシースとがシート状プラズマ２７によって仕切られる。これにより、基材３４Ａ及びスパッタリングターゲット３３Ａの面積に依存せず、基材３４Ａとスパッタリングターゲット３３Ａとの間隔を任意の間隔とすることができる。したがって、面積の大きな基材３４Ａに対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことができる。
【００７８】
また、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを、同時に行うことができる。
【００７９】
さらに、プラズマイオン注入の際に基材３４Ａから発生する二次電子を用いてスパッタリングターゲット３３Ａに捕捉されたアルゴンイオンを電気的に中和することができるため、スパッタリングターゲット３３Ａが絶縁物で構成される場合においても、スパッタリングターゲット３３Ａのチャージアップが防止され、直流バイアス電源を用いたスパッタリングを行うことが可能になる。
【００８０】
［変形例］
上記第１実施形態においては、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００８１】
すなわち、本変形例の基材表面処理装置においては、まず、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、スパッタリングターゲット３３Ａに、シート状プラズマ２７の電位に対する負の直流バイアス電圧を印加する。これにより、基材３４Ａに対してスパッタリングによる成膜が行われる。次に、スパッタリングターゲット３３Ａへの直流バイアス電圧の印加を停止し、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧を印加する。これにより、シート状プラズマ２７中からアルゴンイオンが引き出され、基材３４Ａに対してプラズマイオン注入による表面改質が行われる。
【００８２】
このようにして、基材３４Ａに対して、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とが、交互に行われる。
【００８３】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。図３において、図１と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
以下、第１実施形態と同様の構成については説明を省略し、本実施形態の基材表面処理装置２００の特徴的構成のみ説明する。
【００８５】
本実施形態の基材表面処理装置２００は、成膜槽３０を構成する上蓋３５に反応性ガス導入部（貫通孔）６４が設けられている。反応性ガス導入部６４には、反応性ガス導入管６１が挿入され、その先端部が成膜槽３０の内部に導入されている。反応性ガス導入管６１は、成膜槽３０の上蓋３５に対して、気密的に挿入されている。反応性ガス導入管６１の途中には、マスフローコントローラ６２が配設されている。マスフローコントローラ６２は、成膜槽３０内への反応性ガスの流量を調節する。また、成膜槽３０内に挿入された反応性ガス導入管６１の先端には、反応性ガス噴霧部材６３が取り付けられている。反応性ガス噴霧部材６３は、本実施形態では、多数の孔を有する中空ドーナツ状に形成されている。それ以外の構成については、第１実施形態の基材表面処理装置１００と同様である。
【００８６】
次に、以上のように構成された基材表面処理装置２００の動作を説明する。本実施形態の基材表面処理装置２００には以下のような使い方がある。そこで、その使い方に応じて動作を説明する。
【００８７】
＜表面改質を行った後に成膜を行う場合＞
基材３４Ａの種類によっては、まず基材３４Ａの表面を表面改質した後に、成膜を行うことが好ましい場合がある。この場合には、本実施形態の基材表面処理装置２００は、以下のように動作する。
【００８８】
まず、反応性ガス導入管６１を介して、反応性ガスを反応性ガス導入部６４から成膜槽３０内に導入する。そうすると、成膜槽３０内が、反応性ガス噴霧部材６３から噴霧される反応性ガスで満たされる。ここで、反応性ガスとしては、例えば、窒素、アンモニア、酸化窒素（ＮＯｘ）、酸素、オゾン、水素、炭化水素（ＣｘＨｙ）、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス（ＳｉＨ４等）、及びハロゲン化ガス（ＢＦ３等）等から選択される少なくとも一種類以上のガスを含むものを用いることができる。この反応性ガスの種類は、基材３４Ａの材料に基づき、適宜選択される。
【００８９】
次に、成膜槽３０内が反応性ガスで満たされた状態でシート状プラズマ２７を発生させると、シート状プラズマ２７中に、放電ガスからなるプラズマイオンと共に、反応性ガスからなるプラズマイオンも含まれるようになる。この状態で、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに負のパルス電圧を印加すると、反応性ガスからなるプラズマイオンが基材３４Ａの表面にプラズマイオン注入されて、表面改質が行われる。
【００９０】
次に、マスフローコントローラ６２が、反応性ガスの成膜槽３０への供給を停止する。その後、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａにバイアス電圧を印加する。これにより、プラズマイオン注入によって表面改質された基材３４Ａの表面に、さらにターゲット材料による膜が形成される。
【００９１】
＜反応性スパッタリングを行う場合＞
次に、本実施形態の基材表面処理装置２００を用いて、基材３４Ａに対して反応性スパッタリングを行う場合について説明する。
【００９２】
具体的には、前記反応性ガス導入部６４から反応性ガスを導入しながら、バイアス電圧印加装置Ｖ２により、ターゲットホルダ３３を介してスパッタリングターゲット３３Ａにバイアス電圧を印加する。このようにすると、いわゆる反応性スパッタリングにより、基材３４Ａに対して複数の材料からなる複合膜を形成することができる。例えば、スパッタリングターゲット３３Ａの材料としてチタンを用い、反応性ガスとして窒素を用いた場合には、反応性スパッタリングによりＴｉＮからなる膜を基材３４Ａに形成することができる。
【００９３】
次に、パルス電圧印加装置Ｐにより、基材ホルダ３４を介して基材３４Ａに対し、図２に示す負のパルス電圧が印加される。これにより、負のパルス電圧がオンの場合には、基材３４Ａに対して、プラズマイオン注入による表面改質を行うことができる。
【００９４】
したがって、基材３４Ａに対して、反応性スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うことができる。
【００９５】
＜反応性スパッタリングとプラズマ重合とを行う場合＞
また、本実施形態の基材表面処理装置２００においては、プラズマイオン注入時に発生したエネルギーを利用して、上記反応性ガスを活性化し、プラズマ重合反応を起こさせることが可能である。このように、プラズマ重合反応によって得られた物質（例えば、シラン系ガスと窒素とを反応性ガスとして用いた場合の窒化シリコン）を、基材３４Ａに対して成膜することができる。すなわち、基材３４Ａに対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質とを同時に行うと共に、さらに同時に、プラズマ重合による成膜を行うことも可能になる。
【００９６】
なお、本実施形態においては、反応性ガスを、反応性ガス導入管６１及び反応性ガス導入部６４を介して成膜槽３０内に導入したが、第１実施形態の基材表面処理装置１００を用い、放電ガス導入管１７を介して反応性ガスを導入し、放電ガスと反応性ガスとからなるシート状プラズマ２７を発生させてもよい。このようにしても、上記と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の基材表面処理装置及び基材表面処理方法は、面積の大きな基材に対して、均一に、スパッタリングによる成膜と、プラズマイオン注入による表面改質とを行うことが可能な基材表面処理装置及び基材表面処理方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。
【図２】図１の基材表面処理装置の基材ホルダに印加する負のパルス電圧の波形を示す波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る基材表面処理装置の概略構成の一例を示す正面図である。
【図４】従来におけるシートプラズマ成膜装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０ プラズマガン
１１ フランジ
１２ 陰極
１３ 筒状部材
１４ 放電空間
１５ 絶縁体
１６ マスフローコントローラ
１７ 放電ガス導入管
１９ 筒状部材
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱状プラズマ
２３ 第一電磁コイル
２４Ａ，２４Ｂ 永久磁石
２７ シート状プラズマ
２８ 第二電磁コイル
２９ 第一フランジ
３０ 成膜槽
３１ 成膜空間
３１Ａ ターゲット空間
３１Ｂ 基材空間
３２ 排気口
３３ ターゲットホルダ
３３Ａ スパッタリングターゲット
３３Ｂ ホルダ
３３Ｃ 支軸
３３Ｄ 絶縁部材
３４ 基材ホルダ
３４Ａ 基材
３４Ｂ ホルダ
３４Ｃ 支軸
３４Ｄ 絶縁部材
３５ 上蓋
３６ 下蓋
３７ バルブ
３８ 真空ポンプ
４０ チャンバ
４２ 第一開口部
４５ 第二開口部
４７ 第二フランジ
４８ 第三電磁コイル
５０ 陽極室
５１ 陽極
５２ 永久磁石
５３ 筒状部材
６１ 反応性ガス導入管
６２ マスフローコントローラ
６３ 反応性ガス噴霧部材
６４ 反応性ガス導入部（貫通孔）
１００，２００ 基材表面処理装置
Ｇ１ 第一中間電極
Ｇ２ 第二中間電極
Ｐ パルス電圧印加装置
Ｖ１ 主バイアス電圧印加装置
Ｖ２ バイアス電圧印加装置
ＶＰ シート状プラズマの電位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を減圧可能な成膜槽と、
該成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、
前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、
前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える、基材表面処理装置。
【請求項２】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項３】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項４】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の１００分の１以上１０分の１以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項５】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項６】
前記成膜槽内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において基材表面処理を行う、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項７】
前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項８】
前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項９】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有する、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項１０】
成膜槽の内部を減圧し、
シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、
バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、
パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、
これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、基材表面処理方法。
【請求項１１】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１２】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１３】
前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１４】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、
その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１５】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、
これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１６】
前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスである、請求項１４又は請求項１５に記載の基材表面処理方法。
【請求項１】
内部を減圧可能な成膜槽と、
該成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させるシート状プラズマ発生装置と、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側に配置されたスパッタリングターゲットと、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように配置された基材ホルダと、
前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加装置と、
前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加装置と、を備える、基材表面処理装置。
【請求項２】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項３】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項４】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、前記シート状プラズマを構成するガス粒子の平均自由工程の１００分の１以上１０分の１以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項５】
前記基材又は前記基材ホルダの外縁と前記成膜槽の内壁との距離が、０．７ｍｍ以上７０ｍｍ以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項６】
前記成膜槽内が１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ以下の圧力である状態において基材表面処理を行う、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項７】
前記発生されるシート状プラズマの中心のプラズマ密度が、１×１０９ｃｍ−３以上１×１０１２ｃｍ−３以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項８】
前記基材に印加する負のパルス電圧の電圧値が、前記シート状プラズマの電位に対しマイナス３０ｋＶ以上マイナス６ｋＶ以下の範囲であり、パルスの幅が０．１μｓｅｃ以上２０μｓｅｃ以下の範囲であり、かつ、パルスの周波数が５００Ｈｚ以上５０００Ｈｚ以下の範囲である、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項９】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有する、請求項１に記載の基材表面処理装置。
【請求項１０】
成膜槽の内部を減圧し、
シート状プラズマ発生装置により、前記成膜槽の内部にシート状プラズマを発生させ、
前記成膜槽の内部において、前記発生されるシート状プラズマの厚み方向における一方の側にスパッタリングターゲットを配置し、
前記成膜槽の内部において、前記シート状プラズマの厚み方向における他方の側に前記スパッタリングターゲットに対向するよう基材を保持可能なように基材ホルダを配置し、
バイアス電圧印加装置により、前記スパッタリングターゲットに、前記シート状プラズマの電位に対して負の直流バイアス電圧を印加し、
パルス電圧印加装置により、前記基材ホルダを介して前記基材に、前記シート状プラズマの電位に対して負のパルス電圧を印加し、
これにより、前記基材に対して、スパッタリングによる成膜とプラズマイオン注入による表面改質とを前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、基材表面処理方法。
【請求項１１】
前記シート状プラズマ発生装置は前記シート状プラズマが収束する陽極を有し、前記成膜槽と前記陽極とが接地電位にある、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１２】
前記スパッタリングターゲットと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁され、前記基材ホルダと前記成膜槽とが絶縁部材により電気的に絶縁されている、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１３】
前記プラズマイオン注入時において発生した二次電子を前記スパッタリングターゲットに入射させることによりスパッタリングを行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１４】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加して、反応性ガスのプラズマイオン注入による表面改質を前記基材に対して行い、
その後、前記反応性ガス導入部からの反応性ガスの導入を停止し、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加して、スパッタリングによる成膜を前記基材に対して行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１５】
前記成膜槽が反応性ガス導入部を有し、
前記反応性ガス導入部から反応性ガスを導入しながら、前記パルス電圧印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負のパルス電圧を前記基材に印加すると共に、前記バイアス印加装置により前記シート状プラズマの電位に対し負の直流バイアス電圧を前記スパッタリングターゲットに印加し、
これにより、前記基材に対して、反応性スパッタリングと、プラズマイオン注入による表面改質と、該プラズマイオン注入により発生したエネルギーを利用したプラズマ重合と、を前記成膜槽内において同時に又は交互に行う、請求項１０に記載の基材表面処理方法。
【請求項１６】
前記反応性ガスが、窒素、アンモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、及びハロゲン化物ガスのうちから選択される少なくとも一種のガスである、請求項１４又は請求項１５に記載の基材表面処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２７７６３８（Ｐ２００７−２７７６３８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０５９１９（Ｐ２００６−１０５９１９）
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
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