JPS6380842A - 微粒子を用いた反応方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば成膜加工、エツチング、ドープ加工、
表面改質等の処理に用いる反応方法に関するもので５更
に詳しくは、活性化した原料ガスをビーム流としてＬ記
処理を行う反応場へと送る反応方法に関する。

［従来の技術〕 従来、活性化した原料ガスをビーム流として反応場へと
送る反応方法としては、イオンインプラ技術が知られて
いる。このイオンインプラ技術においては、原料ガスを
活性イオン化し、これを電場によって加速してど一ム流
として反応場へと供給しているものである。

［発明が解決しようとする問題点コ ところで、上記従来の反応方法では、活性イオンの流れ
を電場を用いてビーム流化しているため、ビーム流化さ
れるのは荷電粒子である。従って、大きな電荷を有する
荷電粒子が、成膜加工やエツチング等を施すべき被処理
物に衝突することによるダメージの発生が避けられない
問題がある。

［問題点を解決するための手段コ 上記問題点を解決するために講じられた手段を、本発明
の一実施例に対応する第１図で説明すると、本発明は、
縮小拡大ノズルｌからの噴出流として送られて来る活性
化されたｇ料ガスの流路に電場を形成して、活性化され
た原料ガス中の中性粒子を選択的に反応場へと送る微粒
子を用いた反応方法とするという手段を講じているもの
である。

本発明において縮小拡大ノズル１とは、流入口ｌａから
中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部１ｂと
なり、こののど部から流出口１ｃに向って徐々に開口面
積が拡大されているノズルをいう。ガスとは、気体の他
、微細粒子等のように実質的に気相流として移送し得る
ものをも含む。また、中性粒子とは、電荷を有しない原
子、分子、クラスター、その他の微細粒子をいう。

［作　用］ 第１図において、上流室３内に原料ガスＡを供給しつつ
下流室４内を排気すると、原お１ガスＡは縮小拡大ノズ
ル１を介して下流室４へと噴出することになる。

縮小拡大ノズルｌは、上流室３の圧力ＰＯと下流室４の
圧力Ｐの圧力比Ｐ／Ｐｏを臨界圧力比以下とすることに
よって、原料ガスＡの流れを超音速にまで高速化できる
。

ここで、臨界圧力比とは次の値をいう。即ち、縮小拡大
ノズル１ののど部１ｂで原料ガスＡの流速が音速に一致
すると、流出口１ｃでの流速は、理想的にはのど部１ｂ
の断面積Ａ◆と流出口１ｃの断面積Ａとの開口面積比Ａ
／Ａ・で決まるマツハ数Ｍに一致する。この関係は、具
体的には後述する（３）式で決まる。そして、このよう
なマツハ数Ｍに対し、次の（１）式で定まる上流室２の
圧力Ｐｏと下流室３の圧力Ｐとの圧力比Ｐ／Ｐ　Ｏを臨
界圧力比と呼ぶ、尚、γは原料ガスＡの比熱比である。

ここで、原料ガスＡの速度をＵ、その点における音速を
ａとし、原料ガスＡを圧縮性の一次元流で断熱膨張する
と仮定すれば、原料ガスＡの到達マツハ数Ｍは、上流側
の圧力Ｐｏと下流側の圧力Ｌ′とから次式で定まり、特
にＰ’／Ｐｏが臨界圧力比以下の場合、Ｍは１以上とな
る。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとすると、次
式で求めることができる。

ａ＝「７１］７ また、流出口１ｃの開口面ＩＡ及びのど部１ｂの開口面
積Ａ°とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、開口面積比Ａ／Ａ・によって（３）式から定ま
るＭに応じて圧力比Ｐ／Ｐｏを臨界圧力比に調整するこ
とによって、拡大縮小ノズル１から噴出する原料ガスＡ
をａ音速の適正膨張流として噴出させることができる。

ここで、上流室３と下流室４の圧力比が臨界圧力比に等
しくなっているときの原料ガスＡの膨張を適正膨張とい
う。また、このときの原料ガスＡの速度Ｕは、次の（４
）式によって求めることができる。

ここでＴｏは」−流室の気体温度である。

上述のような超音速の適正膨張流として原料ガスＡを一
定方向へ噴出させると、原料ガスＡは噴出後最小限の拡
散で直進し、ビーム化される。

従って、原料ガスＡを活性化させておけば、活性化され
た原料ガスＡのビーム流を作り出すことができる。

一方、この活性化された原料ガスＡのビーム流が、電場
形成手段２による電場内へ入ると、ビーム流中の電荷を
有する粒子はこの電場の影響を受けることになる。しか
し、中性粒子は電場の影響を受けないので、上記電場の
影響を受ける荷電粒子と区分けされつつそのまま直進し
、反応場へと送られる。従って、電荷を有しない中性粒
子のみを反応場へと送ることができるものである。

［実施例］ 原料ガスＡが供給される上流室３には、例えば石英等の
マイクロ波を透過し得る材料で形成された窓部５を介し
て導波管６が接続されている。導波管６は、窓部５を介
して上流室３内にマイクロ波を投入するためのもので、
原料ガスＡは、上流室３内でサイクロトロン共鳴によっ
て活性化される。

上記上流室３は、縮小拡大ノズル１を介して下流室４に
連通されている。

縮小拡大ノズル１としては、前述のように、流入計１ａ
から徐々に開口面請が絞られてのとｌｌｂとなり、再び
徐々に開口面積が拡大して流出口１ｃとなっているもの
であればよいが、第２図（ａ）に拡大して示しであるよ
うに、流出口ＩＣ位置で内周面が中心軸に対してほぼモ
行になっていることが好ましい。これは、噴出される原
料ガスＡの流れ方向が、ある程度流出口１ｃ内周面の方
向によって影響を受けるので、できるだけ平行流にさせ
やすくするためである。しかし、第２図（ｂ）に示され
るように、のど部１ｂから流出口ＩＣへ至る内周面の中
心軸に対する角度αを、７°以下好ましくは５６以下と
すれば、剥離現象を生じにくく、噴出する原料ガスＡの
流れはほぼ均一に維持されるので、この場合はことさら
上記のように平行にしなくともよい、乎行部の形成を省
略することにより、縮小拡大ノズルｌの作製が容易とな
る。また、縮小拡大ノズル１を第２図（Ｃ）に示される
ような矩形のものとすれば、スリット状に原料ガスＡを
噴出させることができる。

ここで、前記剥離現象とは縮小拡大ノズル１の内面に突
起物等があった場合に、縮小拡大ノズル１の内面と流過
流体間の境界層が大きくなって、流れが不均一になる現
象をいい、噴出流が高速になるほど生じやすい。前述の
角度αは、この剥離現象防止のために、縮小拡大ノズル
１の内面仕丑げ精度が劣るものほど小さくすることが好
ましい。縮小拡大ノズル１の内面は、ＪＩＳ　８０６０
１に定められる、表面仕上げ精度を表わす逆三角形マー
クで三つ以上、最適には四つ以−４二が好ましい。特に
、縮小拡大ノズル１の拡大部における剥離現象が、その
後の原料ガスＡの流れに大きく影響するので、上記仕上
げ精度を、この拡大部を重点にして定めることによって
、縮小拡大ノズルｌの作製を容易にできる。また、やは
り剥離現象の発生防止のため、のど部１ｂは滑らかな湾
曲面とし、断面積変化率における微係数が（３）となら
ないようにする必要がある。

縮小拡大ノズル１の材質としては、例えば鉄、ステンレ
ススチールその他の全屈の他、アクリル樹脂、ポリ塩化
ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン
等の合成樹脂、セラミック材料１右英、ガラス等、広く
用いることができる。この材質の選択は、原料ガスＡと
の非反応性、加工性、真空系内におけるガス放出性等を
考慮して行えばよい、また、縮小拡大ノズル１の内面に
、原料ガスの付着・反応を生じにくい材料をメッキ又は
コートすることもできる。具体例としては、ポリフッ化
エチレンのコート等を挙げることができる。

縮小拡大ノズル１の長さは、装置の大きさ等によって任
意に定めることができる。ところで、縮小拡大ノズル１
を流過するときに、原料ガスＡは、保有する熱エネルギ
ーが連動エネルギーに変換される。そして、特に超音速
で噴出される場合、熱エネルギーは著しく小さくなって
冷却状態となる。従って、キャリアガス中に架線成分が
含まれている場合、上記冷却状態によって積極的にこれ
らを凝縮させ、これによって微粒子を形成させることも
可能である。また、この場合、上のな凝縮を行うために
、縮小拡大ノズル１は長い方が好ましい。一方、上記の
ような凝縮を生ずると、これによって熱エネルギーが増
加して速度エネルギーは低下する。従って、高速噴出の
維持を図る上では、縮小拡大ノズル１は短い方が好まし
い。

下流室４には、Ｌ記縮小拡大ノズル１から噴出される原
料ガスＡの流路を間に挟んで、一対の電極が電場形成手
段２として設けられている。また、この電場形成手段２
の下流側には、処理を施すべき基体７が設けられている
。更に、この基体７の前面付近には、原料ガスＢが供給
されるようになっている。

本実施例においては、原料ガスＡはト流室３で活性化さ
れるものとなっているので、縮小拡大ノズル１からは活
性化された原料ガスＡがビーム流として噴出されること
になる。但し、原料ガスＡの活性化は、少なくとも電場
形成手段２の電場内に原料ガスＡのビーム流が流入する
前に行われれば足り、縮小拡大ノズル１から噴出された
原料ガスＡのビーム流に対して、紫外、可視、赤外線等
の各種波長の光や、レーザー光等を照射して、原料ガス
Ａをビーム流とした後に活性化することもできる。

活性化された原料ガスＡのビーム流が電場形成手段２の
電場内へと入ると、正の荷電粒子は負電極へ引き付けら
れると同時に、負の荷電粒子は正電極へと引き付けられ
て、中性粒子のみが直進する。そして、この活性化した
中性粒子のみが基体７の前面で原料ガスＢと反応して、
基体７に成膜やエツチング等の処理が施されることにな
る。

上記実施例においては、電場形成手段２は一対の電極と
なっているが、本発明における電場形成手段２は活性化
された原料ガスＡ中の中性粒子を選択的に直進させ得れ
ば足り、電子線を発生させて電場を形成するもの等であ
ってもよい、また、電場の強さは、形成される荷電粒子
の電荷に応じて調整し、中性粒子のみが基体７へ付着す
るようにする。

［発明の効果］ 以上説明の通り、本発明によれば、中性粒子のみを選択
的に反応場へと送ることができ、大きな電荷の荷電粒子
が衝突することによるダメージを防止でき、また新しい
反応形態への応用が期待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図（ａ）〜（
Ｃ）は各々縮小拡大ノズルの形状例を示す図である。 １：縮小拡大ノズル、１ａ　：流入口、１ｂ　：のど部
、ＩＣ＝流出口、 ２：電場形成手段、３：上流室、４：下流室、５：窓部
、６：導波管、７：基体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）縮小拡大ノズルからの噴出流として送られて来る活
   性化された原料ガスの流路に電場を形成して、活性化さ
   れた原料ガス中の中性粒子を選択的に反応場へと送るこ
   とを特徴とする微粒子を用いた反応方法。