JP7313929B2 - 負イオン照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、負イオン照射装置に関する。

従来、負イオン照射装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この負イオン照射装置は、チャンバー内へ負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、チャンバー内において、プラズマを生成するプラズマ生成部と、を備えている。プラズマ生成部は、チャンバー内でプラズマを間欠的に生成することで負イオンを生成し、対象物へ照射している。

特開２０１７－０２５４０７号公報

ここで、上述のような負イオン照射装置においては、対象物へイオン注入した後に、当該対象物を加熱してアニール処理を行う場合がある。しかしながら、アニール処理は負イオン照射装置とは別装置にてなされる。従って、アニール処理のための手間、コスト、及び時間がかかるとう問題があった。

そこで本発明は、容易にアニール処理をすることができるイオン照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る負イオン照射装置は、対象物へ負イオンを照射する負イオン照射装置であって、内部で負イオンの生成が行われるチャンバーと、負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、チャンバー内において、プラズマを生成するプラズマ生成部と、対象物へ電圧を印加する電圧印加部と、対象物を配置する配置部と、負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバー内にガスを供給し、プラズマ生成部を制御して、チャンバー内にプラズマを生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで前記負イオンを生成し、電圧印加部を制御して、プラズマの生成中に対象物への電圧の印加を開始し、プラズマの停止後も対象物への電圧の印加を継続する。

本発明に係る負イオン照射装置では、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバー内にガスを供給する。そして、制御部は、プラズマ生成部を制御して、チャンバー内にプラズマを生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを対象物へ照射する。ここで、制御部は、電圧印加部を制御して、プラズマの生成中に対象物への電圧の印加を開始し、プラズマの停止後も対象物への電圧の印加を継続する。このように、プラズマの生成中に対象物へ電圧の印加が開始されると、チャンバー中に存在する電子が、印加された電圧の影響により対象物へ照射される。これにより、対象物の表面に電子が照射されることで、電子衝撃により対象物の表面が加熱される。プラズマの停止後も対象物への電圧の印加が継続されるため、生成された負イオンが対象物の表面に照射され、当該対象物に注入される。このとき、対象物の表面は予め加熱されているため、注入された負イオンは熱拡散によって対象物内部に濃度勾配で入ってゆく。このように、電子を用いて対象物の加熱を行うことで、負イオン照射後の別装置でのアニール処理を不要とすることができる。以上より、容易にアニール処理をすることができる。

制御部は、電圧印加部を制御して、プラズマの生成開始から所定時間経過した後に、対象物への電圧の印加を開始してよい。これにより、プラズマ生成直後に少なからず発生するサージの影響を回避することが可能となる。

本発明によれば、容易にアニール処理をすることができるイオン照射装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る負イオン照射装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ生成時における動作状態を示す図である。 図１の負イオン照射装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ停止時における動作状態を示す図である。 本実施形態に係る負イオン照射装置の制御方法を示すフローチャートである。 （ａ）はプラズマのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフであり、（ｂ）はバイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦの状態を示している。 （ａ）はプラズマのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフであり、（ｂ）はバイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦの状態を示しており、（ｃ）はバイアス電圧と電流の関係を示している。 （ａ）はプラズマのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフであり、（ｂ）はバイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦの状態を示しており、（ｃ）はバイアス電圧と電流の関係を示している。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る負イオン照射装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る負イオン照射装置の構成について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る負イオン照射装置の構成を示す概略断面図である。図１は、プラズマ生成時の動作状態を示し、図２は、プラズマ停止時における動作状態を示している。

図１及び図２に示すように、本実施形態の負イオン照射装置１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられる成膜技術を負イオン照射に応用した装置である。負イオン照射装置１は、モードの切り替えにより、負イオン照射モードの他に、基板１１に対して成膜を行う成膜モードにて動作することもできる。なお、説明の便宜上、図１及び図２には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する基板が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、基板の厚さ方向である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

負イオン照射装置１は、基板１１（対象物）の板厚方向が略鉛直方向となるように基板１１が真空チャンバー１０（チャンバー）内に配置されて搬送されるいわゆる横型の負イオン照射装置であってもよい。この場合には、Ｚ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｘ軸方向は鉛直方向且つ板厚方向となる。なお、負イオン照射装置１は、基板１１の板厚方向が水平方向（図１及び図２ではＸ軸方向）となるように、基板１１を直立又は直立させた状態から傾斜した状態で、基板１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の負イオン照射装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸方向は水平方向且つ基板１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向となる。本発明の一実施形態に係る負イオン照射装置は、以下、横型の負イオン照射装置を例として説明する。

負イオン照射装置１は、真空チャンバー１０、搬送機構３（配置部）、プラズマ生成部１４、ガス供給部４０、回路部３４、電圧印加部９０、及び制御部５０を備えている。

真空チャンバー１０は、基板１１を収納し成膜処理を行うための部材である。真空チャンバー１０は、基板１１を搬送するための搬送室１０ａと、負イオンを生成するための生成室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、生成室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、真空チャンバー１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。搬送室１０ａには、基板１１を加熱するための加熱部３０が設けられる。加熱部３０は、搬送室１０ａのうち、生成室１０ｂとの連通部よりも搬送方向における上流側に設けられる。従って、生成室１０ｂからの負イオンは、加熱された状態の基板１１へ照射される。

生成室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

搬送機構３は、生成室１０ｂと対向した状態で基板１１を保持する基板保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。搬送機構３は、基板１１を配置する配置部として機能する。例えば基板保持部材１６は、基板１１の外周縁を保持する枠体である。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、基板保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。負イオン照射の対称となる基板１１として、例えば、基材の表面にＩＴＯ、ＩＷＯ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＯＮなどの膜を形成したものが採用される。なお、成膜モードの場合は、基板１１として、例えばガラス基板やプラスチック基板などの板状部材が採用される。このような基板１１に対して、前述のような膜が成膜される。

続いて、プラズマ生成部１４の構成について詳細に説明する。プラズマ生成部１４は、真空チャンバー１０内において、プラズマ及び電子を生成する。プラズマ生成部１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、を有している。

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が生成室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して生成室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、真空チャンバー１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから生成室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

プラズマガン７は、陰極６０により一端が閉塞されている。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極６１（グリッド）と、第２の中間電極６２（グリッド）とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。

プラズマガン７は、負イオンを生成するときは、生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマガン７は、後述の制御部５０によって生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御されている。この制御については、制御部５０の説明において詳述する。

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを生成室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。

ハース機構２は、プラズマガンからのプラズマＰを所望の位置へ導く機構である。ハース機構２は、主ハース１７及び輪ハース６を有している。主ハース１７は、負イオン照射装置１を用いて成膜を行う場合に、成膜材料を保持する陽極として機能する。主ハース１７は、成膜材料、または成膜材料の周囲にプラズマを導くことで、成膜材料を蒸発させて、基板１１に付着させることで成膜を行う。ただし、負イオン生成を行う際には、プラズマＰが成膜材料に導かれないように、輪ハース６へプラズマが誘導される。従って、負イオン照射装置１が成膜を行わず、負イオン照射のみを行う場合は、主ハース１７に成膜材料は保持されていなくてよい。

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する陽極である。輪ハース６は、主ハース１７の充填部１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＸ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｘ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。

ガス供給部４０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。ガス供給部４０は、生成室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口４１を通し、真空チャンバー１０内へガスを供給する。ガス供給部４０は、負イオンの原料となるガスを供給する。ガスとして、例えば、Ｏ^－などの負イオンの原料となるＯ_２、ＮＨ^－などの窒化物の負イオンの原料となるＮＨ_２、ＮＨ_４、その他、Ｃ^－やＳｉ^－などの負イオンの原料となるＣ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_４などが採用される。なお、ガスは、Ａｒなどの希ガスも含む。

ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近の位置が好ましい。この場合、ガス供給部４０からのガスを、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する負イオンの生成が行われる。よって、生成した負イオンを、搬送室１０ａにおける基板１１に好適に注入させることができる。なお、ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に限られない。

回路部３４は、可変電源８０と、第１の配線７１と、第２の配線７２と、抵抗器Ｒ１～Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有している。

可変電源８０は、接地電位にある真空チャンバー１０を挟んで、負電圧をプラズマガン７の陰極６０に、正電圧をハース機構２の主ハース１７に印加する。これにより、可変電源８０は、プラズマガン７の陰極６０とハース機構２の主ハース１７との間に電位差を発生させる。

第１の配線７１は、プラズマガン７の陰極６０を、可変電源８０の負電位側と電気的に接続している。第２の配線７２は、ハース機構２の主ハース１７（陽極）を、可変電源８０の正電位側と電気的に接続している。

抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマガン７の第１の中間電極６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極６１と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマガン７の第２の中間電極６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極６２と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ３は、一端が生成室１０ｂの壁部１０Ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、生成室１０ｂの壁部１０Ｗと可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース６と可変電源８０との間において直列接続されている。

短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ制御部５０からの指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを生成するときはＯＦＦ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射される。なお、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内に出射する場合、第２の中間電極６２への電流を流れにくくする事に代えて、第１の中間電極６１への電流を流れにくくしてもよい。この場合、短絡スイッチＳＷ１は、第２の中間電極６２側に代えて、第１の中間電極６１側に接続される。

一方、短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを停止するときはＯＮ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマガン７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射されなくなる。

負イオンを生成するときは、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、真空チャンバー１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、プラズマＰを主ハース１７側に導くか輪ハース６側へ導くかにより、制御部５０でＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２がＯＮ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１７よりも輪ハース６に電流を流しやすくなる。これにより、プラズマＰは、輪ハース６に導かれやすくなる。一方、短絡スイッチＳＷ２がＯＦＦ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース６よりも主ハース１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰが主ハース１７側へ導かれやすくなる。なお、負イオン生成時には、短絡スイッチＳＷ２はＯＮ状態で保たれる。成膜時には、短絡スイッチＳＷ２はＯＦＦ状態に保たれる。

電圧印加部９０は、成膜後の基板１１（対象物）に正の電圧を印加可能である。電圧印加部９０は、バイアス回路３５と、トロリ線１８と、を備える。

バイアス回路３５は、成膜後の基板１１に正のバイアス電圧を印加するための回路である。バイアス回路３５は、基板１１に正のバイアス電圧（以下、単に「バイアス電圧」ともいう）を印加するバイアス電源２７と、バイアス電源２７とトロリ線１８とを電気的に接続する第３の配線７３と、第３の配線７３に設けられた短絡スイッチＳＷ３とを有している。バイアス電源２７は、バイアス電圧として、周期的に増減する矩形波である電圧信号（周期的電気信号）を印加する。バイアス電源２７は、印加するバイアス電圧の周波数を制御部５０の制御によって変更可能に構成されている。第３の配線７３は、一端がバイアス電源２７の正電位側に接続されていると共に、他端がトロリ線１８に接続されている。これにより、第３の配線７３は、トロリ線１８とバイアス電源２７とを電気的に接続する。

短絡スイッチＳＷ３は、第３の配線７３によって、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側との間において直列に接続されている。短絡スイッチＳＷ３は、トロリ線１８へのバイアス電圧の印加の有無を切り替える切替部である。短絡スイッチＳＷ３は、制御部５０によってそのＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時に所定のタイミングでＯＮ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＮ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側とが互いに電気的に接続され、トロリ線１８にバイアス電圧が印加される。

一方、短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時における所定のタイミングにおいてＯＦＦ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＦＦ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７とが互いに電気的に切断され、トロリ線１８にはバイアス電圧が印加されない。

トロリ線１８は、基板保持部材１６への給電を行う架線である。トロリ線１８は、搬送室１０ａ内に搬送方向（矢印Ａ）に延伸して設けられている。トロリ線１８は、基板保持部材１６に設けられた給電ブラシ４２と接触することで、給電ブラシ４２を通して基板保持部材１６への給電を行う。トロリ線１８は、例えばステンレス製の針金等により構成されている。

制御部５０は、負イオン照射装置１全体を制御する装置であり、装置全体を統括的に管理するＥＣＵ[Electronic Control Unit]を備えている。ＥＣＵは、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。ＥＣＵでは、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。ＥＣＵは、複数の電子ユニットから構成されていてもよい。

制御部５０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。また、制御部５０は、ガス供給部４０によるガス供給を制御するガス供給制御部５１と、プラズマ生成部１４によるプラズマＰの生成を制御するプラズマ制御部５２と、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を制御する電圧制御部５３と、を備えている。

ガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、生成室１０ｂ内にガスを供給する。続いて、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７からのプラズマＰを生成室１０ｂ内で間欠的に生成するようにプラズマ生成部１４を制御する。例えば、制御部５０によって、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内で間欠的に生成される。

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態とされているとき（図１の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されるため、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。プラズマＰは、中性粒子、正イオン、負イオン（酸素ガスなどの負性気体が存在する場合）、及び電子を構成物質としている。従って、生成室１０ｂ内に電子が生成されることとなる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態とされているとき（図２の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されないので生成室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子温度が急激に低下する。このため、生成室１０ｂ内に供給されたガスの粒子に、電子が付着し易くなる。これにより、生成室１０ｂ内には、負イオンが効率的に生成される。

図４（ａ）は、プラズマＰのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフである。図中、「ＯＮ」と記載されている領域はプラズマＰの生成状態を示し、「ＯＦＦ」と記載されている領域はプラズマＰの停止状態を示す。時間ｔ１のタイミングで、プラズマＰが停止される。プラズマＰの生成中は、正イオンが多く生成される。このとき、真空チャンバー１０中に電子も多く生成される。そして、プラズマＰが停止されると、正イオンが急激に減少する。このとき、電子も減少する。負イオンは、プラズマＰの停止後、所定時間経過した時間ｔ２から急激に増加し、時間ｔ３にてピークとなる。なお、正イオン及び電子は、プラズマＰの停止後から減少してゆき時間ｔ３付近で、正イオンは負イオンと同量となり、電子はほとんど無くなる。そのため、時間ｔ３以降に対象物に正バイアスを印加すれば負イオンが支配的な照射となる。

制御部５０は、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を制御する。制御部５０は、所定のタイミングにて、電圧印加部９０によるバイアス電圧を印加する。なお、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を開始するタイミングは、制御部５０にて予め設定される。電圧印加部９０によって基板１１に正のバイアス電圧が付与されることで、真空チャンバー１０内の負イオンが基板１１へ導かれる。これにより、負イオンが基板１１へ照射される。また、真空チャンバー１０内に電子が存在している場合は、電子も基板１１へ導かれる。

ここで、図４を参照して、電圧印加部９０によるバイアス電圧の印加を開始するタイミングについて説明する。図４（ｂ）は、バイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦの状態を示している。なお、図４（ｂ）には、基板１１に照射される粒子種を示しており、「電子」と記載されている領域では基板１１に電子が照射され、「負イオン」と記載されている領域では基板１１に負イオンが照射される。また、「電子」と記載されている領域と「負イオン」と記載されている領域の間の領域は、基板１１に電子及び負イオンが照射される。

制御部５０は、電圧印加部９０を制御して、プラズマＰの生成中に基板１１へのバイアス電圧の印加を開始する。すなわち、制御部５０は、プラズマＰが停止される時間ｔ１よりも前段階でバイアス電圧の印加を開始する。制御部５０は、電圧印加部９０を制御して、プラズマＰの生成開始から所定時間経過した後に、基板１１へのバイアス電圧の印加を開始する。図４（ｂ）では「時間＝０」のタイミングでプラズマＰの生成が開始されており、その後、時間ｔ４（＜時間ｔ１）にてバイアス電圧の印加が開始されている。基板１１のバイアス電圧の印加の開始のタイミングは、少なくともプラズマＰの生成の開始時間（＝０）以降であれば、どのように設定されてもよいが、例えば、プラズマＰの生成直後におけるサージを避けられればよく、プラズマＰの生成開始から２０μｍ～２ｍｓの間に設定されてよい。

また、制御部５０は、プラズマＰの停止後（時間ｔ１以降）も基板１１へのバイアス電圧の印加を継続する。制御部５０は、次のプラズマＰの生成が開始されるタイミングである時間ｔ５で、バイアス電圧の印加を停止する。ただし、バイアス電圧の印加停止のタイミングは特に限定されず、真空チャンバー１０中の負イオンが無くなったタイミングで停止すればよい。

次に、基板１１に照射される粒子類について説明する。図４（ｂ）に示すように、バイアス電源の印加が時間ｔ４で開始されることで、生成室１０ｂ中の電子が基板１１に照射される。これにより、基板１１の表円が加熱される。電子の照射は、時間ｔ１でプラズマＰの生成が停止された後も継続する。そして、時間ｔ２以降は、生成室１０ｂ内に負イオンが生成されるため、電子及び負イオンが基板１１に照射される。時間ｔ３以降は電子が少なくなるため、負イオンが基板１１に照射される。

次に、図５及び図６を参照して、バイアス電圧と電流の関係について説明する。図５は、バイアス電源２７が大容量である場合のバイアス電圧と電流の関係について説明する図である。図６は、バイアス電源２７が低容量である場合のバイアス電圧と電流の関係について説明する図である。図５（ａ）及び図６（ａ）は、プラズマＰのＯＮ／ＯＦＦのタイミングと正イオン及び負イオンの対象物への飛来状況を示すグラフである。図５（ｂ）及び図６（ｂ）は、バイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦの状態を示している。図５（ｃ）及び図６（ｃ）は、バイアス電圧と電流の関係を示している。なお、図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示すバイアス電圧及び電流の測定箇所は、図２において基板１１に負イオン８１が照射される箇所である。なお、図５及び図６では、各状況におけるバイアス電圧及び電流の様子を示すため、バイアス電圧は常時ＯＮと成っているものとする。

図５（ｃ）に示すように、時間０でプラズマＰの生成が開始されると、生成室１０ｂ内に電子が生成され、当該電子はバイアス電圧の影響により基板１１に照射される。基板１１に照射される電子が多くなると、バイアス電圧が印加されている回路構成の中に流れる電流も大きくなる。従って、時間０以降、基板１１に照射される電子が増えてゆくことで、電流は大きくなってゆく。このとき、バイアス電源２７の容量が大きいため、急激に電力が増加しても問題が生じないため、バイアス電圧は一定に保たれる。時間ｔ１となると、生成室１０ｂ内に存在する電子の量が減少することに伴い、電子の照射量が低下し電流が低下する。

図６（ｃ）に示すように、時間０以降、基板１１に照射される電子が増えてゆくことで、電流は大きくなってゆく。ここで、バイアス電源２７が低容量であるため、電流が所定の大きさまで増加したら、電力が大きくなりすぎないように、バイアス電圧が定格値から低下する。時間ｔ２となると、生成室１０ｂ内に存在する電子の量が減少することに伴い、電子の照射量が低下し電力が低下するため、その分だけバイアス電圧が大きくなる。そして、時間ｔ１付近では電子の照射量が少なくなるため、電圧は定格値に戻り、それ以降は電流が低下する。

次に、図３を参照して、負イオン照射装置１の制御方法について説明する。図３は、本実施形態に係る負イオン照射装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、ここでは、Ｏ^－の負イオンを照射する場合を例にして説明する。

図３に示すように、負イオン照射装置１の制御方法は、ガス供給工程Ｓ１０と、プラズマ生成工程Ｓ２０と、電圧印加工程Ｓ３０と、を備える。各工程は、制御部５０によって実行される。

まず、制御部５０のガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給する（ガス供給工程Ｓ１０）。これにより、真空チャンバー１０の生成室１０ｂにはＯ_２のガスが存在した状態となる。その後、プラズマ生成工程Ｓ２０が実行される。

制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成する（プラズマ制御工程Ｓ２０）。なお、プラズマ生成中にも厳密には負イオンは生成されている。真空チャンバー１０の生成室１０ｂ内でプラズマＰ及び電子が生成されると、プラズマＰによって「Ｏ_２＋ｅ^－→２Ｏ＋ｅ^－」という反応が進む。その後、プラズマＰの生成が停止されると、生成室１０ｂ内では、電子温度が急激に低下することで、「Ｏ＋ｅ^－→Ｏ^－」という反応が進む。プラズマ生成工程Ｓ２０が実行された後、所定のタイミングで、電圧印加工程Ｓ３０が実行される。

制御部５０の電圧制御部５３は、電圧印加部９０を制御して基板１１にバイアス電圧を印加する（電圧制御工程Ｓ３０）。制御部５０は、プラズマＰの生成中に基板１１にバイアス電圧を印加する。これにより、生成室１０ｂ中の電子が基板１１の表面に照射され、当該表面付近を加熱する。制御部５０は、プラズマＰの停止後も基板１１へのバイアス電圧の印加を継続する。これにより、生成室１０ｂ内のＯ^－の負イオン８１が基板１１側へ向かい、当該基板１１へ照射される（図２参照）。プラズマＰの停止直後は電子も存在しているため、電子と負イオンが両方基板１１に照射される。その後、電子の照射量は低下し、ほぼ負イオンのみが基板１１に照射される。

次に、本実施形態に係る負イオン照射装置１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る負イオン照射装置１では、制御部５０は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給する。そして、制御部５０は、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰを生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを基板１１へ照射する。ここで、制御部５０は、電圧印加部９０を制御して、プラズマＰの生成中に基板１１へのバイアス電圧の印加を開始し、プラズマＰの停止後も基板１１へのバイアス電圧の印加を継続する。このように、プラズマＰの生成中に基板１１へバイアス電圧の印加が開始されると、真空チャンバー１０中に存在する電子が、印加された電圧の影響により基板１１へ照射される。これにより、基板１１の表面に電子が照射されることで、電子衝撃により基板１１の表面が加熱される。プラズマＰの停止後も基板１１への電圧の印加が継続されるため、生成された負イオンが基板１１の表面に照射され、当該基板１１に注入される。このとき、基板１１の表面は予め加熱されているため、注入された負イオンは熱拡散によって基板１１内部に濃度勾配で入ってゆく。このように、電子を用いて基板１１の加熱を行うことで、負イオン照射後の別装置でのアニール処理を不要とすることができる。以上より、容易にアニール処理をすることができる。

また、比較例として、ヒーターなどで基板１１全体を加熱した上で、負イオン照射を行う方法が挙げられる。しかしながら、このような方法は、基板１１が樹脂基板やアモルファス層を有する基板など、熱に弱いものであった場合は採用することができない。これに対し、本実施形態の負イオン照射装置１は、基板１１全体を加熱するものではなく、電子の照射により基板１１の表面のみを加熱することができるため、上述のような熱に弱い基板１１に対しても負イオンを効率的に注入することができる。

制御部５０は、電圧印加部９０を制御して、プラズマＰの生成開始から所定時間経過した後に、基板１１への電圧の印加を開始してよい。これにより、プラズマ生成直後に少なからず発生するサージの影響を回避することが可能となる。

以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

また、上記実施形態では、イオンプレーティング型の成膜装置としての機能も備えた負イオン照射装置について説明したが、負イオン照射装置は、成膜装置の機能を有していなくてもよい。従って、プラズマＰは、例えばプラズマガンと対向する壁部の電極などに導かれてよい。

例えば、上記実施形態では、プラズマガン７を圧力勾配型のプラズマガンとしたが、プラズマガン７は、真空チャンバー１０内にプラズマを生成できればよく、圧力勾配型のものには限られない。

また、上記実施形態では、プラズマガン７とプラズマＰを導く箇所（ハース機構２）の組が真空チャンバー１０内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一箇所に対して、複数のプラズマガン７からプラズマＰを供給してもよい。

１…負イオン照射装置、３…搬送機構（配置部）、７…プラズマガン、１０…真空チャンバー（チャンバー）、１１…基板（対象物）、１４…プラズマ生成部、４０…ガス供給部、５０…制御部、９０…電圧印加部、Ｐ…プラズマ。

Claims (2)

1. 対象物へ負イオンを照射する負イオン照射装置であって、
   前記負イオンの原料となるガスを供給するガス供給部と、
   チャンバー内において、プラズマを生成するプラズマ源を有するプラズマ生成部と、
   前記プラズマ源に接続され、前記プラズマ源から生成される前記プラズマを負イオンの原料へ供給可能な負イオン生成室を有する前記チャンバーと、
   前記対象物へ電圧を印加する電圧印加部と、
   前記負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記ガス供給部を制御して、前記チャンバー内に前記ガスを供給し、
   前記プラズマ生成部を制御して、前記チャンバー内に前記プラズマを生成し、且つ、前記プラズマの生成を停止することで前記負イオンを生成し、
   前記電圧印加部を制御して、前記プラズマの生成中に前記対象物への電圧の印加を開始し、前記プラズマの停止後も前記対象物への前記電圧の印加を継続する、負イオン照射装置。
2. 前記制御部は、前記電圧印加部を制御して、前記プラズマの生成開始から所定時間経過した後に、前記対象物への電圧の印加を開始する、請求項１に記載の負イオン照射装置。
   

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