【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体の製造や材料の表面保護用薄膜の形成及び材料表面の平滑化等に利用されるものであり、強力な電磁シャーモード超音波を被処理材へ伝播させて被処理材を超音波により励起し、外表面が活性化した所謂能動的基板構成とした状態でこれにプラズマイオン蒸着や中性粒子照射を同時に若しくは夫々単独で行なうことにより、結晶性や密着性、膜構成原子比（膜内部の不純物密度）等の点で高度に優れた薄膜の形成や材料表面の平滑化を可能とした超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置及び薄膜の形成方法並びに表面の平滑化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造や材料の表面保護等の技術分野に於いては、各種の薄膜の形成技術が開発され、実用に供されている。
しかし、従前の薄膜形成技術により形成した薄膜は膜の結晶性、密着性、不純物密度や膜構成原子比等の点で様々な難点を有しており、多くの改良すべき問題が残されている。
特に、近年センサーやマイクロマシン等の分野に於いては、従来にないインテリジェント薄膜や傾斜機能性薄膜、高度の密着性や耐磨耗性を有するコーティング薄膜等が夫々要求されている。
しかし、これ等の要求に対応できる薄膜の形成技術は未だ開発並びに公開されていない。
【０００３】
而して、従前の薄膜の形成技術、例えばＰＶＤ法の一種であるプラズマを媒介とするスパッタリング法やイオンプレーティング法、ＣＶＤ法の一種であるプラズマＣＶＤ法等に於いては、何れも固体試料の形状や印加電圧、プラズマパラメータ（電子温度・密度）等を調整すると共に被処理材側は主としてその温度を制御することにより、前記膜の結晶性や密着性等の向上を図っている。
しかし、被処理材側の温度制御を行なうだけでは、被処理材を種々の表面効果が期待できる所謂能動的基板の状態とすることができないため、成膜環境が限られた狭い範囲のものとなり、大幅な薄膜特性の改良等が望めないうえ、被処理材そのものの表面温度を相当の高温に保持するため、薄膜特性に与える悪影響が避けられないと云う基本的な問題がある。
【０００４】
また、従前の薄膜の形成技術に於いては、その大部分が成膜物質を毒性の強い化合物ガスの形で系内へ持ち込んでいるため、安全性に欠けるうえ環境汚損等を生じ易いと云う難点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の薄膜の形成技術や表面の平滑化技術に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼成膜過程に於ける被処理材側の制御要素が主としてその温度だけであるため、成膜環境の変化の幅が必然的に限られたものとなり、薄膜特性の大幅な向上が望めないこと、▲２▼被処理材の表面温度を相当高温に保持する必要があるため、薄膜特性に与える悪影響が避けられないこと、▲３▼成膜物質を毒性ガスの形で系内へ持ち込むため、安全性や環境汚損上の問題があること、等の問題を解決せんとするものであり、被処理材中に強力なシャーモード超音波を伝播させてこれを超音波励起させることにより、能動的基板構成として従来なかった複合的な成膜環境を創出し、これによって結晶性、密着性、不純物密度、薄膜内部応力等の点で従前の薄膜よりも大幅に優れた高機能性薄膜の生成を可能にした超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置及びこれを応用した薄膜の形成方法及び表面の平滑化方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、これ迄に数多くのプラズマプロセスによる成膜や粒子ビーム照射による表面改質に関する研究並びに実験を実施し、これ等の研究・実験を通してプロセスの際に発生する種々の格子欠陥が膜質に大きな影響を与えていることを見出した。
【０００７】
一方、物質に十分な強度の超音波を伝播させると、格子欠陥の制御や相転移、不純物拡散の促進等が可能となり、しかも超音波の格子欠陥等への影響は格子の熱運動とは異なって、その作用が選択的且つ異方的に及ぼされることが知られている。
【０００８】
より具体的には、一般に物質中で１ＧＨＺ以上の超高周波音波を伝播させると、周波数帯域がフォノンの領域に入って超音波はミクロな格子欠陥である空孔や格子間原子と強い相互作用を行なう。
また、１ＧＨＺ〜０．１ＧＨＺ位いの周波数領域の超高周波音波は、より大きなスケールの格子欠陥である転移等と強い相互作用をするうえ、転移等の方向性を持つ欠陥と超音波の相互作用は、超音波の伝播方向と転移の存在面間の角度とに依存する現象であるため（依存性は超音波のモードによって異なる）、作用に異方性のあることが知られている。
【０００９】
本願発明者は、▲１▼前記プラズマプロセスによる成膜の際に発生する種々の格子欠陥が膜質に大きな影響を与えていると云う知見と、超音波が前記転移等と強い相互作用を有し、しかもその作用に異方性を有すると云う事象とから、所謂シャーモード（弾性横波・ＳＨ波）の超音波を被処理物へ伝播させてこれを励起することにより、超音波が薄膜欠陥や相転移、不純物拡散の促進、推積種の選択性等の種々の相互作用を効果的に果し、成膜プロセスに於ける所謂被処理材の能動的制御が可能になることを着想した。
【００１０】
本願発明は本願発明者の前記着想を基にして開発されたものであり、請求項１に記載の装置発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化する超音波励起装置と、有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により固体ターゲッター原子をイオン化し、当該イオンを有磁場プラズマ中で被処理材へ蒸着するプラズマイオン蒸着装置と、ソースプラズマ生成部とビーム引出し電極部と中性化セル部を備え中性化セル部で形成した中性粒子ビームを被処理材の表面へ照射する中性粒子ビーム照射装置とを発明の基本構成とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の方法発明は被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材の表面へ中性粒子ビームを照射しつつ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
更に、請求項３に記載の方法発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、当該被処理材の表面へ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを発明の基本構成とするものである。
【００１３】
加えて、請求項４に記載の方法発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材の表面へ中性粒子ビームを照射し、被処理材の表面を平滑化することを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施の態様を説明する。
図１は本発明に係る超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置Ａの概要を示す縦断面であり、図２は複合プロセス装置Ａで使用する超音波励起装置１の概要を示す斜面図である。
当該複合プロセス装置Ａは超音波励起装置１とプラズマイオン蒸着装置２と中性粒子ビーム照射装置３と試料交換ステージ４とからその主要部が構成されており、装置全体は内部を真空排気した本体ケース５内に収納されている。
【００１５】
前記超音波励起装置１は図２に示すように超音波発振部６と受信部７とシャーモード結合体（ＳＨモード結合体）８とから形成されており、シャーモード結合体８の中央部上面に被処理材（試料基板）Ｂが載置されている。
前記超音波発振部６は永久磁石セグメント体６ａと複数のコイル片６ｂの組み合せから構成されており、電磁的に所謂シャーモードの強力超音波（弾性横波）を発生してこれを被処理材Ｂ中へ伝播せしめることにより、被処理材Ｂをシャーモード超音波により励起する。
【００１６】
具体的には、シャーモード超音波の周波数は数ＧＨＺ〜数１０ＭＨＺの範囲に設定されており、コイル片６ｂへは２〜１０サイクルのバースト波として繰り返し周波数が数ＫＨＺの入力が加えられる（入力電圧約１０００〜２０００Ｖ、入力電流３０〜１００Ａ）。
また、発振部６で発生したシャーモードの超音波は、振動方向とほぼ直交状に伝播し、シャーモード結合体８を介して被処理材Ｂ中へ順次伝播することにより、これを超音波励起する。
【００１７】
前記プラズマイオン蒸着装置２はプラズマイオンスパッタリング蒸発源９とマイクロ波供給部１０、固体ターゲット１１、プラズマ輸送磁場コイル１２、プラズマ輸送系差動排気部１３、下部プラズマ輸送磁場コイル１４等から構成されている。
前記プラズマイオンスパッタリング蒸発源９は所謂電子サイクロトロン共鳴法（ＥＣＲ）により高密度プラズマ（Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ2 等の不活性ガス放電、５×１０12Ｃｍ-3以上）を生成するものであり、ここで生成された高密度プラズマ（ＥＣＲプラズマ）を用いて磁場内で所謂プラズマイオンスパッタリング法により固体ターゲット１１からその原子をスパッターさせると共に、スパッターされた原子をプラズマ電子の衝突によってイオン化し、有磁場高密度プラズマ内へイオンを注入する。そしてこれ等のプラズマ内へ注入されたイオンを磁場に沿って輸送することにより、前記超音波励起された状態の被処理材Ｂの外表面へイオンを蒸着させ、これによって薄膜が形成されて行く。
【００１８】
前記マイクロ波供給部１０は、公知の２、４５ＧＨＺのマイクロ波を導波管を通して有磁場高密度プラズマ内へ供給するものであり、マイクロ波電力は２〜１０Ｋｗ程度に選定されている。
また、前記固体ターゲット１１には半導体その他の高融点固体（ボロン、チタン等）が多く使用され、約３〜１０ＫＶの高電圧が印加されている。
更に、前記上・下のプラズマ輸送用磁場コイル１２、１４は最大磁場が１５００〜３０００Ｇ程度に選定されている。
【００１９】
前記差動排気部１３は１５００〜３０００ｌ／ｓのターボ分子ポンプから形成されており、内径約１５０〜３００φの本体ケース５内を３ｍｍｔｏｒｒ〜１５ｍｍｔｏｒｒ程度の真空に保持する。
【００２０】
前記中性粒子ビーム照射装置３はソースプラズマ生成部１５とビーム引出し電極部１６と中性化セル部１７とビーム源差動排気部１８等から構成されており、集束した高密度中性粒子ビームＤを被処理材Ｂの外表面へ照射することにより、被処理材Ｂの外表面温度を制御したり、或いは被処理材Ｂの外表面の平滑化を図るものである。
【００２１】
前記ソースプラズマ生成部１５内では熱陰極アーク放電により放電ガス（ヘリウム、アルゴン、水素等）が電離され、ソースプラズマが形成されると共にイオンの供給が行なわれる。
また、ビーム引出し電極部１６は前記ソースプラズマ内のイオンを引き出しすると共に、電極孔を通過する間に、ビームを電極の曲率中心に集束させる。
更に、前記中性化セル部１７は、セル内のガス雰囲気中を前記イオンビームが通過する間に所謂荷電交換反応を起生せしめ、これによってイオンビームを中性化するものである。
【００２２】
前記ビーム源差動排気部１８には１０００〜１５００ｌ／ｓのターボ分子ポンプが設けられており、当該排気部１８により中性化セル部１７の近傍内部は３ｍｍｔｏｒｒ〜１５ｍｍｔｏｒｒ程度に減圧されている。
【００２３】
放電ガスを水素ガスとした場合、当該中性粒子ビーム照射装置３では数Ｋｅｖの低エネルギーを有し且つ高度に集束された中性粒子ビームＤが形成される。そして、当該中性粒子ビームＤを被処理材Ｂへ照射することにより、その温度制御や表面の平滑化が図られる。
尚、当該中性粒子ビーム照射装置については、特公平７−１０１６４０号として本願発明者によりその詳細が開示されている。
【００２４】
上記実施態様に於いては、中性粒子ビームＤの試料外表面への入射角（照射角）αを３０〜８０°としているが、αを９０度に近づけてもよいことは勿論である。
また、本実施態様では、中性粒子ビーム照射装置３とプラズマイオン蒸着装置２の両方を本体ケース５内へ設ける構成としているが、超音波励起装置１とプラズマイオン蒸着装置２のみの複合プロセス装置としても、或いは超音波励起装置１と中性粒子ビーム照射装置３のみの複合プロセス装置とすることも可能である。
【００２５】
前記試料交換ステージ４は、被処理材Ｂの取替並びに形成した薄膜の特性や照射表面の平滑度を大気にさらすことなく測定できるようにした室であり、膜の結晶性及び原子間結合特性等を測定するための高速電子線回析装置、Ｘ線回析装置、透過電子顕微鏡、ラマン分光装置等、及び試料の表面形状や膜中の元素組成等を測定するためのオージェ電子分光装置、走査型電子顕微鏡、並びに試料の表面近傍の元素組成の深さ分布等を測定するラザフォード後方散乱装置等が設けられている。
【００２６】
前記シャーモード超音波により励起された被処理材Ｂの外表面へプラズマイオン蒸着装置２からのイオン流Ｃと中性粒子ビームＤの両方又はイオン流Ｃのみを照射することにより、被処理材Ｂの外表面は超音波により活性化された外表面とプラズマや粒子ビーム間の相互作用によって、これ迄に全く見られなかった新しい複合プラズマプロセスの反応場となり、比較的低い温度条件下で密着性、内部応力、結晶性、膜構成原子比等の点でより優れた薄膜が形成されることになる。
【００２７】
また、前記シャーモード超音波により励起された被処理材Ｂの外表面へ中性粒子ビームＤを照射することにより、所謂中性粒子ビームによるスパッタリングにより被処理材Ｂの外表面の平滑度が大幅に向上することになる。
【００２８】
【実施例１】
前記図１の複合プロセス装置に於いて、シャーモード超音波の周波数を０．２ＧＨＺとすると共に、固体ターゲット１１を固体ボロンとし、キャリアガスとしてアルゴンを用いたＥＣＲ放電プラズマ中へプラズマパッタ法によってボロンを注入した。
また、このボロンを注入した有磁場プラズマを被処理物Ｂの外表面へ運び、被処理材（セラミック体）の外表面へボロンを堆積させると共に前記ボロンの堆積中窒素ガスを用いたビーム源からの低エネルギー中性粒子ビームＤを照射して被処理材Ｂの温度制御等を行ない、ダイヤモンド型結晶の窒化ボロン膜を生成せしめた。
当該窒化ボロン膜は、常温常圧付近の平衡状態では六方晶となる。従って、ダイヤモンド結晶の膜とするには非平衡状態を現出させる必要があるが、当該複合プロセス装置により従来見られなかった非平衡系の実現が可能となり、その結果ダイヤモンド結晶を有する窒化ボロン膜が形成されていることが、膜の結晶組織の解析により確認されている。
【００２９】
【実施例２】
前記実施例１に於いて、窒素の低エネルギー中性粒子ビームＤによる照射をしつつボロンを注入した有磁場プラズマにより被処理材Ｂの外表面に窒化ボロン膜を形成し、その後当該窒化ボロン膜の水素不純物濃度について調査をした。
ところで、従来、超音波励起をしない状態の被処理材ＢにプラズマＣＶＤ法によりボロン薄膜を形成した場合、イオン衝撃を膜に対して与えることにより、ボロン薄膜中の水素不純物含有量が増加することが判っており、イオン照射欠陥が水素の含有量に影響を与えているものと想定されている。
ところが、本実施例により形成した前記窒化ボロン膜では、水素不純物濃度が従前の薄膜に比較して相当に減少しており、シャーモード超音波励起が、薄膜中の水素不純物含有量を低減せしめる作用を有していることが確認されている。
【００３０】
【実施例３】
被処理材Ｂ（試料基板）をシャーモード超音波により励起した状態とすると共に、当該被処理材Ｂをアルゴンや水素の直流放電プラズマにさらし、所謂イオンプレーティング法によってボロンを蒸着することにより、ボロン薄膜を形成した。
そして、前記ボロン薄膜の内部応力を調査したところ、従前の超音波励起をしない状態下でイオンプレーティング法により形成したボロン薄膜に比較して、薄膜中の内部応力が相当に緩和され、その結果薄膜の密着性が相当に高まっていることが判った。
【００３１】
【実施例４】
実施例１の複合プロセス装置を用い、被処理材Ｂを炭素系材料及び金属系材料としてこれを超音波励起装置により励起すると共に、プラズマイオン蒸着装置２の作動を止めて中性粒子ビーム照射装置３のみを作動させ、前記励起状態下の被処理材Ｂへ中性粒子ビームＢを一定時間照射し、その後、被処理材Ｂの外表面の平滑性の変化を調査した。
ところで、イオン流によりスパッタリングされた材料の表面はイオンドーズ量が増すとその平滑性が失なわれる傾向にあるが、逆に、イオン照射によって材料表面に於ける原子の拡散が十分に促進される場合には、その平滑性は改善されることになると想定される。
本実施例に於いては、前記材料外表面の平滑性を調査したところ、被処理材Ｂをシャーモード超音波によって励起しない場合に比較して、材料外表面の平滑度が相当に改善されることが判明した。
【００３２】
【発明の効果】
本願請求項１及び請求項２の発明に於いては、超音波励起装置とプラズマイオン蒸着装置と中性粒子ビーム照射装置の三者を有機的に組み合せ、被処理材Ｂを超音波励起により能動的制御が可能な状態とすると共に、これに有磁場プラズマプロセスによる成膜を行ないつつ、中性粒子ビームを照射して磁場に影響を与えることなく被処理材外表面の温度制御等を行なう構成としている。
その結果、従前とは全く異なる新規な非平衡状態が被処理材の外表面に現出され、形成された薄膜の固着力、結晶性、不純物密度等が、従前の超音波励起や中性粒子照射を行なわない状態下でフラズマプロセスにより形成した薄膜の場合に比較して相当に改善されることになる。
【００３３】
また、プラズマイオン蒸着装置の構成をプラズマスパッタ法により固体原子をプラズマ内へ注入する構成としているため、従前の有毒性ガスを用いる薄膜形成プロセスに比較して安全性が大幅に向上すると共に、環境汚損の発生等も皆無となる。
【００３４】
本願請求項３及び請求項４の発明に於いては、シャーモード超音波により励起せしめた状態の被処理材の外表面へ、プラズマイオン蒸着による薄膜の形成若しくは中性粒子ビームの照射を行なう構成としている。
その結果、被処理材の外表面が高度に活性化され、薄膜中の水素不純物の減少、内部応力の減少による薄膜固着力の向上若しくは材料外表面の平滑度の向上等の優れた効用が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置の概要を示す縦断面図である。
【図２】超音波励起装置の概要を示す斜面図である。
【符号の簡単な説明】
Ａ ： 複合プロセス装置 ８ ： シャーモード結合体
Ｂ ： 被処理材（試料基板） ９ ： プラズマイオンスパッタリング
Ｃ ： イオン流（励起粒子流） 蒸発源
Ｄ ： 中性粒子ビーム １０： マイクロ波発生部
１ ： 超音波励起装置 １１： 固体ターゲット
２ ： プラズマイオン蒸着装置 １２： プラズマ輸送磁場コイル
３ ： 中性粒子ビーム照射装置 １３： プラズマ輸送系差動排気部
４ ： 試料交換ステージ １４： 下部プラズマ輸送磁場コイル
５ ： 本体ケース １５： ソースプラズマ生成部
６ ： 超音波発振部 １６： ビーム引出し電極部
６ａ： 永久磁石セグメント体 １７： 中性化セル部
６ｂ： コイル片 １８： ビーム源差動排気部
７ ： 超音波受信部[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention is used for the manufacture of semiconductors, the formation of thin films for surface protection of materials and the smoothing of the surface of materials, and the like, by transmitting strong electromagnetic shear mode ultrasonic waves to the material to be processed. Crystallinity, adhesion, and film composition atomic ratio can be obtained by performing plasma ion deposition or neutral particle irradiation simultaneously or independently in a so-called active substrate configuration in which the outer surface is activated by excitation with sound waves. The present invention relates to an ultrasonic / plasma / particle beam combined process apparatus, a thin film forming method and a surface smoothing method capable of forming a thin film and smoothing the surface of a material which are highly superior in terms of (impurity density inside the film) and the like. Is.
[0002]
[Prior art]
In the technical fields such as semiconductor manufacturing and material surface protection, various thin film forming techniques have been developed and put into practical use.
However, thin films formed by conventional thin film formation techniques have various difficulties in terms of film crystallinity, adhesion, impurity density, film constituent atomic ratio, etc., and many problems to be improved remain. Yes.
In particular, in recent years, in the fields of sensors, micromachines, etc., there has been a demand for unprecedented intelligent thin films, functionally graded thin films, coating thin films having a high degree of adhesion and wear resistance, and the like.
However, a thin film forming technique that can meet these requirements has not yet been developed and released.
[0003]
Thus, in conventional thin film formation techniques, for example, plasma-mediated sputtering, ion plating, plasma CVD, which is a kind of PVD, and solid-state specimens. The crystallinity and adhesion of the film are improved by adjusting the shape, applied voltage, plasma parameters (electron temperature / density), and the like, and mainly controlling the temperature of the material to be processed.
However, only by controlling the temperature of the material to be processed, the material to be processed cannot be brought into a so-called active substrate state where various surface effects can be expected. However, there is a basic problem that a significant improvement in thin film characteristics cannot be expected, and the surface temperature of the material to be treated itself is maintained at a considerably high temperature, so that adverse effects on the thin film characteristics cannot be avoided.
[0004]
In addition, most of the conventional thin film formation techniques bring the film-forming substance into the system in the form of a highly toxic compound gas, which is not safe and is likely to cause environmental pollution. There are difficulties.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, the above-mentioned problems in the conventional thin film formation technique and surface smoothing technique, that is, the control element on the material to be processed side in the film formation process is mainly only the temperature. The range of changes in the film formation environment is inevitably limited, and it is not possible to expect a significant improvement in thin film properties. (2) The surface temperature of the material to be treated must be maintained at a considerably high temperature. (3) Since the film-forming substance is brought into the system in the form of a toxic gas, there are problems with safety and environmental pollution, etc. By creating strong shear mode ultrasonic waves in the material to be processed and ultrasonically exciting them, a complex film formation environment that has never existed as an active substrate structure is created. In terms of impurity density, thin film internal stress, etc. There is provided an ultrasonic plasma-particle beam combined process apparatus and the smoothing method of the forming method and the surface of the thin film that applies this enable production of highly functional thin films significantly better than films.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventor of the present application has conducted research and experiments on film formation by a large number of plasma processes and surface modification by particle beam irradiation, and various lattice defects generated during the process through these researches and experiments have caused film quality. It has been found to have a great influence on.
[0007]
On the other hand, if a sufficiently strong ultrasonic wave is propagated to a substance, it becomes possible to control lattice defects, promote phase transitions, and promote impurity diffusion, and the effect of ultrasonic waves on lattice defects is different from the thermal motion of lattices. Thus, it is known that the effect is exerted selectively and anisotropically.
[0008]
More specifically, in general, when an ultrasonic wave of 1 GHz or higher is propagated in a substance, the frequency band enters the phonon region, and the ultrasonic wave has a strong interaction with vacancies and interstitial atoms, which are micro lattice defects. Do.
In addition, the super-high frequency sound wave in the frequency range of 1 GHz to 0.1 GHz is strongly interacted with the transition, which is a lattice defect of a larger scale, and the interaction of the defect with the directionality of the transition and the ultrasound. Is a phenomenon that depends on the propagation direction of the ultrasonic wave and the angle between the planes of the transition (the dependency depends on the mode of the ultrasonic wave) and is known to be anisotropic in action.
[0009]
The inventor of the present application has (1) the knowledge that various lattice defects generated during film formation by the plasma process have a great influence on the film quality, and ultrasonic waves have a strong interaction with the transition and the like. In addition, from the phenomenon that the action has anisotropy, so-called shear mode (elastic transverse wave / SH wave) ultrasonic waves are propagated to the object to be processed and excited, so that the ultrasonic waves become thin film defects and It was conceived that various interactions such as phase transition, promotion of impurity diffusion, and selectivity of deposited species were effectively achieved, and so-called active materials could be controlled in the film forming process.
[0010]
The present invention has been developed based on the above-mentioned idea of the present inventor, and the apparatus invention according to claim 1 generates shear mode ultrasonic waves having a frequency of 0.1 GHz or more in a material to be processed, An ultrasonic excitation device that activates the surface of the treatment material by ultrasonic excitation, and solid targetter atoms are ionized by sputtering in a magnetic field high-density plasma, and the ions are deposited on the treatment material in the magnetic field plasma. A plasma ion deposition apparatus, a neutral particle beam irradiation apparatus for irradiating the surface of a material to be processed with a neutral particle beam formed by a neutralization cell section having a source plasma generation section, a beam extraction electrode section, and a neutralization cell section Are the basic components of the invention.
[0011]
In addition, the method invention according to claim 2 generates shear mode ultrasonic waves having a frequency of 0.1 GHz or more in the material to be treated, and activates the surface of the material to be treated by ultrasonic excitation, and also the surface of the material to be treated. The basic configuration of the present invention is to deposit solid target atom ions formed by sputtering in a magnetic field high-density plasma while irradiating a neutral particle beam.
[0012]
Furthermore, the method invention according to claim 3 generates shear mode ultrasonic waves having a frequency of 0.1 GHz or more in the material to be treated, and activates the surface of the material to be treated by ultrasonic excitation, and also the material to be treated. The basic structure of the present invention is to deposit ions of solid target atoms formed by sputtering in a magnetic field high-density plasma on the surface of the substrate.
[0013]
In addition, the method invention described in claim 4 generates shear mode ultrasonic waves having a frequency of 0.1 GHz or more in the material to be processed, and activates the surface of the material to be processed by ultrasonic excitation. The basic structure of the present invention is to smooth the surface of the material to be treated by irradiating the surface of the substrate with a neutral particle beam.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an outline of an ultrasonic / plasma / particle beam combined process apparatus A according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an outline of an ultrasonic excitation apparatus 1 used in the combined process apparatus A. .
The composite process apparatus A is composed mainly of an ultrasonic excitation apparatus 1, a plasma ion deposition apparatus 2, a neutral particle beam irradiation apparatus 3, and a sample exchange stage 4, and the entire apparatus is a main body whose inside is evacuated. It is stored in the case 5.
[0015]
As shown in FIG. 2, the ultrasonic excitation device 1 includes an ultrasonic oscillator 6, a receiver 7, and a shear mode coupling body (SH mode coupling body) 8, and an upper surface of a central portion of the shear mode coupling body 8. A material to be processed (sample substrate) B is placed on the substrate.
The ultrasonic oscillating unit 6 is composed of a combination of a permanent magnet segment body 6a and a plurality of coil pieces 6b, and electromagnetically generates a so-called shear mode strong ultrasonic wave (elastic transverse wave), which is treated as a material to be processed B. By propagating inward, the material B to be processed is excited by shear mode ultrasonic waves.
[0016]
Specifically, the frequency of shear mode ultrasonic waves is set in the range of several GHZ to several tens of MHZ, and an input with a repetition frequency of several KHZ is applied to the coil piece 6b as a burst wave of 2 to 10 cycles (input) Voltage about 1000-2000V, input current 30-100A).
In addition, shear mode ultrasonic waves generated in the oscillation unit 6 propagate almost orthogonally to the vibration direction and sequentially propagate into the material B to be processed via the shear mode coupling body 8, thereby exciting the ultrasonic waves. To do.
[0017]
The plasma ion deposition apparatus 2 includes a plasma ion sputtering evaporation source 9, a microwave supply unit 10, a solid target 11, a plasma transport magnetic field coil 12, a plasma transport system differential exhaust unit 13, a lower plasma transport magnetic field coil 14, and the like. Yes.
The plasma ion sputtering evaporation source 9 generates high-density plasma (inert gas discharge of Ar, He, N 2 or the like, 5 × 10 12 Cm −3 or more) by so-called electron cyclotron resonance (ECR), The high-density plasma (ECR plasma) generated here is used to sputter the atoms from the solid target 11 by a so-called plasma ion sputtering method in a magnetic field, and the sputtered atoms are ionized by collision of plasma electrons. Ions are implanted into the high density plasma. Then, by transporting ions injected into the plasma along the magnetic field, ions are deposited on the outer surface of the material B to be ultrasonically excited, whereby a thin film is formed. .
[0018]
The microwave supply unit 10 supplies a known 2, 45 GHz microwave through the waveguide into the magnetic field high-density plasma, and the microwave power is selected to be about 2 to 10 Kw.
The solid target 11 is often made of a semiconductor or other high melting point solid (boron, titanium, etc.), and a high voltage of about 3 to 10 KV is applied thereto.
Further, the upper and lower plasma transport magnetic coils 12 and 14 are selected to have a maximum magnetic field of about 1500 to 3000 G.
[0019]
The differential evacuation unit 13 is formed of a turbo molecular pump of 1500 to 3000 l / s, and holds the inside of the main body case 5 having an inner diameter of about 150 to 300φ in a vacuum of about 3 mmtorr to 15 mmtorr.
[0020]
The neutral particle beam irradiation apparatus 3 includes a source plasma generation unit 15, a beam extraction electrode unit 16, a neutralization cell unit 17, a beam source differential exhaust unit 18, and the like. By irradiating D on the outer surface of the material B, the outer surface temperature of the material B is controlled or the outer surface of the material B is smoothed.
[0021]
In the source plasma generation unit 15, discharge gas (helium, argon, hydrogen, etc.) is ionized by hot cathode arc discharge, and source plasma is formed and ions are supplied.
The beam extraction electrode unit 16 extracts ions in the source plasma and focuses the beam on the center of curvature of the electrode while passing through the electrode hole.
Further, the neutralization cell unit 17 generates a so-called charge exchange reaction while the ion beam passes through the gas atmosphere in the cell, thereby neutralizing the ion beam.
[0022]
The beam source differential evacuation unit 18 is provided with a turbo molecular pump of 1000 to 1500 l / s, and the inside of the vicinity of the neutralization cell unit 17 is decompressed to about 3 mmtorr to 15 mmtorr by the evacuation unit 18.
[0023]
When the discharge gas is hydrogen gas, the neutral particle beam irradiation device 3 forms a highly focused neutral particle beam D having a low energy of several Kev. And by irradiating the to-be-processed material B with the said neutral particle beam D, the temperature control and the smoothing of the surface are achieved.
In addition, about the said neutral particle beam irradiation apparatus, the detail is disclosed by this inventor as Japanese Patent Publication No. 7-101640.
[0024]
In the above embodiment, the incident angle (irradiation angle) α of the neutral particle beam D to the outer surface of the sample is set to 30 to 80 °, but it is needless to say that α may be close to 90 degrees.
In this embodiment, the neutral particle beam irradiation apparatus 3 and the plasma ion deposition apparatus 2 are both provided in the main body case 5. However, the composite process apparatus including only the ultrasonic excitation apparatus 1 and the plasma ion deposition apparatus 2 is used. Alternatively, it is possible to use a combined process apparatus including only the ultrasonic excitation apparatus 1 and the neutral particle beam irradiation apparatus 3.
[0025]
The sample exchange stage 4 is a chamber in which the material to be treated B can be replaced and the characteristics of the formed thin film and the smoothness of the irradiated surface can be measured without exposure to the atmosphere, and the crystallinity and interatomic bonding characteristics of the film. A high-speed electron diffraction device, an X-ray diffraction device, a transmission electron microscope, a Raman spectroscopic device, and the like, and an Auger electron spectroscopic device for measuring the surface shape of the sample and the elemental composition in the film, A scanning electron microscope and a Rutherford backscattering device for measuring the depth distribution of the elemental composition near the surface of the sample are provided.
[0026]
By irradiating both the ion flow C and the neutral particle beam D from the plasma ion deposition apparatus 2 or only the ion flow C onto the outer surface of the processing material B excited by the shear mode ultrasonic wave, the processing material B Due to the interaction between the outer surface activated by ultrasonic waves and the plasma or particle beam, the outer surface of the material becomes a reaction field for a new complex plasma process that has never been seen so far, and it adheres under relatively low temperature conditions. Thus, a more excellent thin film is formed in terms of internal stress, crystallinity, film constituent atomic ratio and the like.
[0027]
Further, by irradiating the outer surface of the material to be processed B excited by the shear mode ultrasonic wave with the neutral particle beam D, the smoothness of the outer surface of the material to be processed B is greatly increased by sputtering with the so-called neutral particle beam. Will be improved.
[0028]
[Example 1]
In the composite process apparatus of FIG. 1, the frequency of shear mode ultrasonic waves is 0.2 GHz, the solid target 11 is solid boron, and boron is used as a carrier gas into the ECR discharge plasma using boron by a plasma sputtering method. Injected.
In addition, the magnetic field plasma in which boron is implanted is carried to the outer surface of the workpiece B to deposit boron on the outer surface of the workpiece (ceramic body) and from a beam source using nitrogen gas during the boron deposition. The low-energy neutral particle beam D was irradiated to control the temperature of the material B to be processed, and a boron nitride film of a diamond type crystal was formed.
The boron nitride film becomes hexagonal in an equilibrium state near normal temperature and pressure. Accordingly, in order to obtain a diamond crystal film, it is necessary to reveal a non-equilibrium state, but it is possible to realize a non-equilibrium system which has not been conventionally seen by the composite process apparatus, and as a result, a boron nitride film having a diamond crystal. It has been confirmed by the analysis of the crystal structure of the film.
[0029]
[Example 2]
In the first embodiment, a boron nitride film is formed on the outer surface of the material B to be processed by magnetic field plasma in which boron is implanted while irradiating with a low energy neutral particle beam D of nitrogen, and then the boron nitride film The hydrogen impurity concentration was investigated.
By the way, conventionally, when a boron thin film is formed by the plasma CVD method on the material B to be processed without ultrasonic excitation, the content of hydrogen impurities in the boron thin film is increased by applying ion bombardment to the film. It is assumed that ion irradiation defects affect the hydrogen content.
However, in the boron nitride film formed according to this example, the hydrogen impurity concentration is considerably reduced compared to the conventional thin film, and the shear mode ultrasonic excitation reduces the hydrogen impurity content in the thin film. It has been confirmed that
[0030]
[Example 3]
By subjecting the material to be processed B (sample substrate) to a state excited by shear mode ultrasonic waves, exposing the material to be processed B to a direct current discharge plasma of argon or hydrogen, and depositing boron by a so-called ion plating method, A boron thin film was formed.
Then, when the internal stress of the boron thin film was investigated, the internal stress in the thin film was considerably relaxed compared to the boron thin film formed by the ion plating method under the conventional state where ultrasonic excitation was not performed. It was found that the adhesion of the thin film was considerably increased.
[0031]
[Example 4]
Using the composite process apparatus of Example 1, the material B to be processed is made of a carbon-based material and a metal-based material, and this is excited by an ultrasonic excitation apparatus, and the operation of the plasma ion deposition apparatus 2 is stopped and a neutral particle beam irradiation apparatus No. 3 was activated, and the treated material B under the excited state was irradiated with the neutral particle beam B for a certain period of time, and then the change in the smoothness of the outer surface of the treated material B was investigated.
By the way, the surface of the material sputtered by the ion flow tends to lose its smoothness as the ion dose increases. On the contrary, the ion irradiation sufficiently promotes the diffusion of atoms on the material surface. In some cases, it is assumed that the smoothness will be improved.
In this example, when the smoothness of the outer surface of the material was investigated, the smoothness of the outer surface of the material was considerably improved as compared with the case where the material B was not excited by shear mode ultrasonic waves. It has been found.
[0032]
【The invention's effect】
In the first and second aspects of the present invention, an ultrasonic excitation device, a plasma ion vapor deposition device, and a neutral particle beam irradiation device are organically combined, and the material to be processed B is activated by ultrasonic excitation. That can control the temperature of the outer surface of the workpiece without affecting the magnetic field by irradiating a neutral particle beam while forming a film by a magnetic field plasma process. It is said.
As a result, a new non-equilibrium state completely different from the conventional one appears on the outer surface of the material to be processed, and the adhesion, crystallinity, impurity density, etc. of the formed thin film are the same as the conventional ultrasonic excitation and neutral particles. This is a considerable improvement compared to the case of a thin film formed by a plasma process in the state where irradiation is not performed.
[0033]
In addition, since the plasma ion deposition system is configured to inject solid atoms into the plasma by the plasma sputtering method, the safety is greatly improved compared to the conventional thin film formation process using toxic gas and the environment. There will be no pollution.
[0034]
In the invention of Claim 3 and Claim 4, the thin film is formed by plasma ion deposition or the neutral particle beam is irradiated on the outer surface of the material excited by the shear mode ultrasonic wave. It is said.
As a result, the outer surface of the material to be treated is highly activated, and excellent effects such as reduction of hydrogen impurities in the thin film, improvement of thin film adhesion due to reduction of internal stress, or improvement of the smoothness of the outer surface of the material are obtained. It is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an outline of a combined ultrasonic / plasma / particle beam process apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an outline of an ultrasonic excitation device.
[Brief description of symbols]
A: Composite process apparatus 8: Shear mode combination B: Material to be treated (sample substrate) 9: Plasma ion sputtering C: Ion flow (excitation particle flow) Evaporation source D: Neutral particle beam 10: Microwave generator 1: Ultrasonic excitation device 11: Solid target 2: Plasma ion deposition device 12: Plasma transport magnetic field coil 3: Neutral particle beam irradiation device 13: Plasma transport system differential pumping unit 4: Sample exchange stage 14: Lower plasma transport magnetic field coil 5 : Main body case 15: Source plasma generation unit 6: Ultrasonic oscillation unit 16: Beam extraction electrode unit 6 a: Permanent magnet segment body 17: Neutralization cell unit 6 b: Coil piece 18: Beam source differential exhaust unit 7: Ultrasonic wave Receiver