JP2002371367A - プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤモンドの合成速度もしくは合成コスト
の何れをも犠牲にすることなく、各種炭素皮膜の合成及
び試料基板表面の改質，エッチングに適用可能なプラズ
マ処理方法及びその装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 反応容器８の内部に設けた試料台７上に
試料基板６を配置し、該反応容器８内に材料ガス４と電
力を供給しながら放電によりプラズマを発生させ、該プ
ラズマ中に試料基板を保持する処理方法において、反応
容器８内にマイクロ波電力と直流電力を同時に供給する
ことにより、発生するプラズマ５の形状をコントロール
するプラズマ処理方法とその装置を基本手段として提供
する。前記反応容器８内部におけるガスの圧力を１０ｋ
Ｐａ以上に設定し、プラズマ５の形状が、試料基板を覆
うように２次元的に拡がって形成されるプラズマを用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンドの合成
や炭素皮膜の合成及び試料基板表面の改質，エッチング
にも適用可能なプラズマ処理方法及びその装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から材料ガスを分解して薄膜状又は
板状のダイヤモンドを合成する方法として、熱フィラメ
ントＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法などの方法が知られて
いる。これらの方法の中でもマイクロ波ＣＶＤ法は不純
物の混入量が少なく、ＣＶＤ装置の構造が簡易であるた
め広く採用されている。

【０００３】図４は従来から最も一般的に用いられてい
るマイクロ波ＣＶＤ装置の構造とプラズマの形状を示し
ており、マイクロ波１が伝播する導波管２に石英ガラス
製の反応管３を挿入して、この反応管３中にガス導入管
４ａから原料となる材料ガス４を供給する。４ｂはガス
排気管、４ｃ，４ｄは反応管３の上下両端部に設けた気
密保持具である。

【０００４】するとマイクロ波１により材料ガス４が放
電してプラズマ５が発生する。そこで予め反応管３の内
部に設けた試料台７上に試料基板６を乗せておき、発生
したプラズマ５中に試料基板６を数時間保持することに
より、この試料基板６上に薄膜状のダイヤモンドが合成
される。

【０００５】通常反応管３の内部における材料ガス４の
圧力は３ｋＰａ（キロパスカル）程度に調整されてお
り、供給されるマイクロ波１の電力は１ｋＷ以下であ
る。プラズマ５は円柱状もしくは球状に形成されて最大
直径が２０ｍｍ程度になる。試料基板６上に合成された
薄膜状のダイヤモンドの面積はプラズマ５の大きさによ
って限定されるので、最大直径は２０ｍｍ以下となる。
このダイヤモンドの合成速度は１時間当たりの成長膜厚
が１μｍ程度であり、実用的には不十分である。

【０００６】上記に対処して、図６に示したように大電
力用のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置も用いられてお
り、導波管２に金属製の反応容器８を連結して、この反
応容器８の中に閉じこめるようにしてガス導入管４ａか
ら原料となる材料ガス４を、圧力が１０ｋＰａ程度にな
るように調整しながら供給すると、導波管２内を伝播す
る５ｋＷ程度の大きな電力のマイクロ波１によって材料
ガス４が放電して直径が５０ｍｍ程度に拡大されたプラ
ズマ５が発生する。９は石英ガラス製真空窓である。こ
のプラズマ５中に試料台７上に乗せた試料基板６を数時
間保持することにより、試料基板６上の全面に直径５０
ｍｍ程度の大きな薄膜状のダイヤモンドが合成される。
圧力が高いことにより、合成速度は１時間当たりの成長
膜厚が３μｍ程度に改善され、実用的に使用可能であ
る。

【０００７】ダイヤモンドの合成コストを改善する方法
として、例えば特開平７−１１８８６６号公報には図７
に示したように反応管３の内部の試料台７上に配置され
た試料基板６と対向する位置に電極１０を設け、この電
極１０を陽極とし試料台７を陰極とする直流電力を補助
的に供給しながらガス導入管４ａから原料となる材料ガ
ス４を供給する方法が開示されている。この方法によれ
ば低圧力では導波管２内を伝播するマイクロ波１によっ
て材料ガス４が放電して３次元的に大きく拡がったプラ
ズマ５が発生するので、該プラズマ５中に試料基板６を
数時間保持することによって、該試料基板６上の全面に
薄膜状の大きなダイヤモンドを合成することができる。
特にダイヤモンドの核発生密度、即ち、ダイヤモンドの
合成初期段階に発生する微粒子結晶の密度が増加して合
成速度が向上することが確認されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記図４に示すマイク
ロ波ＣＶＤ装置によるダイヤモンドの合成速度を高める
ために反応管３の内部のガス圧を大きくすると、材料ガ
ス４の密度が高くなって合成速度が向上するが、上記と
同一の合成条件で材料ガス４の圧力を２倍にすると、図
５に示したように試料台７上に発生するプラズマ５が球
状に収縮してしまい、該プラズマ５の直径がきわめて小
さくなることにより試料基板６上で薄膜状ダイヤモンド
が合成される領域が直径２ｍｍ以下になってしまうた
め、実用的ではないという問題がある。

【０００９】図６に示した大電力用のマイクロ波プラズ
マＣＶＤ装置によれば、薄膜状ダイヤモンドの合成速度
が高められて実用的に使用可能であるが、同量のダイヤ
モンドを合成するために必要とするコストを比較する
と、図４のマイクロ波ＣＶＤ装置に較べて図６の装置は
コストが約２倍になってしまい、採算上の面での問題点
がある。これは図６に示す装置は材料ガス４の圧力増加
による成長速度の向上よりも高いガス圧で直径５０ｍｍ
もの大きなプラズマ５を発生させるため、５ｋＷもの著
しく大きなマイクロ波電力を必要とする点にある。よっ
て従来のマイクロ波ＣＶＤ装置を用いたダイヤモンドの
合成方法は、合成速度もしくは合成コストの何れか一方
を犠牲にしなければならない。また、図７に示した方法
でも材料ガス４の圧力が１０Ｐａ程度と低いため、合成
速度は図４に示す装置よりも遅いという難点がある。

【００１０】そこで本発明は上記のマイクロ波ＣＶＤ装
置が有している問題点を解決して、ダイヤモンドの合成
速度もしくは合成コストの何れをも犠牲にすることな
く、従来と同等以上の面積を持つ薄膜状のダイヤモンド
を合成することができるとともに各種炭素皮膜の合成及
び試料基板表面の改質，エッチングにも適用可能なプラ
ズマ処理方法及びその装置を提供することを目的とする
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、反応容器の内部に設けた試料台上に試料基
板を配置し、該反応容器内にガスと電力を供給しながら
放電によりプラズマを発生させ、該プラズマ中に試料基
板を保持する処理方法において、反応容器内にマイクロ
波電力と直流電力を同時に供給することにより、発生す
るプラズマの形状をコントロールするプラズマ処理方法
とその装置を基本手段として提供する。

【００１２】前記反応容器内部におけるガスの圧力を１
０ｋＰａ以上に設定する。また、上記プラズマの形状
が、試料基板を覆うように２次元的に拡がって形成され
るシート状のプラズマを用いることによって該試料基板
上の全面に薄膜状のダイヤモンドを合成するプラズマ処
理方法と、上記材料ガスの圧力，混合比及び種類を変え
ることによって各種炭素皮膜の合成、試料基板表面の改
質及びエッチングにも適用したプラズマ処理方法を提供
する。

【００１３】かかるプラズマ処理方法及びその装置によ
れば、反応容器内にマイクロ波電力と直流電力を重畳し
て供給しながらガスを流入することにより、ガスの放電
に伴って２次元に拡がる広いシート状のプラズマが発生
するので、該プラズマ中に試料基板としてのシリコンウ
エハを数時間保持することによって全面に薄膜状のダイ
ヤモンドを合成することができる。この動作時に反応容
器の内部圧力を１０ｋＰａ以上に高く調整することによ
り、薄膜状ダイヤモンドの１時間当たりの成長膜厚が５
μｍ程度に達して従来例よりも５倍以上の高速化が達成
される。また、ガスの圧力及び混合比を変えることによ
ってダイヤモンドの合成以外に炭素皮膜の合成にも応用
可能であり、更に材料ガスの種類を変えることによって
試料基板表面の改質やエッチングにも適用可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面に基づいて本発明にかか
るプラズマ処理方法及びその装置の具体的な実施例を、
前記従来の構成部分と同一の構成部分に同一の符号を付
して説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す装置
の概要図であって、図中の２はマイクロ波１が伝播する
導波管であり、この導波管２に石英ガラス製の反応管３
が垂直に挿入されている。該反応管３の上下両端部には
気密保持具４ｃ，４ｄが取り付けられている。７は反応
管３の内部に設けた金属製の試料台であり、この試料台
７上に試料基板６が配置されている。

【００１５】反応管３の内方で試料基板６と対向する位
置に電極１０を設けてある。１２は直流電源であり、上
記電極１０が直流電源１２の陽極側に接続されており、
試料台７が直流電源１２の陰極側に接続されている。試
料基板６と対向する電極１０の形状は図１に示す平板形
状とするか、もしくは図２に示したように反応管３の内
壁に沿う円筒形状の何れであってもよい。

【００１６】かかる第１の実施例によれば、試料基板６
として１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形に切り出した厚さ
０．４ｍｍのシリコンウエハを用いて反応管３の内部に
設けた試料台７上に試料基板６を乗せておき、電極１０
と試料台７間に直流電源１２から直流電力を供給しなが
らガス導入管４ａから原料となる材料ガス４を供給す
る。材料ガス４として、水素ガス９９sccmとメタンガス
１sccmの混合ガスを用いる。この時にガス排気管４ｂか
らの材料ガス４の排気速度を調節することによって反応
管３の内部圧力を調整することができる。

【００１７】反応管３の内部における材料ガス４の圧力
を２０ｋＰａ（キロパスカル）に調整し、マイクロ波１
の電力を７００Ｗ、直流電源１２から直流電力３００Ｗ
を重畳印加すると、マイクロ波１により材料ガス４が放
電して試料基板６の表面近傍に、試料基板６を覆うよう
にしてシート状のプラズマ５が発生する。このプラズマ
５中に試料基板６を数時間保持することにより、該試料
基板６上の全面に多結晶の薄膜状ダイヤモンドが合成さ
れる。

【００１８】薄膜状ダイヤモンドの合成速度は、１時間
当たりの成長膜厚が５μｍ程度に達し、等電力条件下で
の従来例よりも５倍以上の高速化が達成されて実用的に
も十分な合成速度を実現することができる。

【００１９】上記直流電源１２から試料基板６と電極１
０間に供給する直流電力の極性を逆にして、試料台７を
直流電源１２の陽極側に接続し、この試料基板６と対向
する電極１０を直流電源１２の陰極側に接続すると、電
極１０を覆うように広いシート状のプラズマ５が発生す
る。この時に試料基板６と電極１０間の距離を近づける
ことによって該プラズマ５中に試料基板６が保持されて
全面に多結晶の薄膜状ダイヤモンドが合成される。

【００２０】図３は本発明の第２の実施例を示す装置の
概要図であって、図中の２はマイクロ波１が伝播する導
波管であり、この導波管２に金属製の反応容器８が連結
されている。４ａは反応容器８中に原料となる材料ガス
４を供給するガス導入管、４ｂはガス排気管である。７
は反応容器８の内部に設けた金属製の試料台であり、こ
の試料台７上に試料基板６が配置されている。９は石英
ガラス製の真空窓である。上記金属製の反応容器８が直
流電源１２の陽極側に接続されており、試料台７が直流
電源１２の陰極側に接続されている。

【００２１】かかる第２の実施例によれば、反応容器８
と試料台７間に直流電源１２から直流電力を供給しなが
ら反応容器８の中に閉じこめるようにしてガス導入管４
ａから原料となる材料ガス４を供給し、導波管２内を伝
播するマイクロ波１を真空窓９を通して反応容器８に供
給する。すると材料ガス４が放電して試料基板６を覆う
ように広いシート状のプラズマ５が発生するので、この
プラズマ５中に試料基板６を数時間保持することによ
り、上記マイクロ波１として従来例のように著しく大き
きなマイクロ波電力を供給しなくても試料基板６上の全
面に多結晶の薄膜状ダイヤモンドを合成することができ
る。この装置におけるマイクロ波電力と直流電力との合
計電力は、前記図６に示した大電力用のマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置におけるマイクロ波電力よりも遙かに小
さくすることが可能である。

【００２２】上記直流電源の代りに高周波電源を用い
て、金属製の反応容器８を高周波電源の接地側に接続
し、試料台７を高周波電源の高周波出力側に接続する
と、高周波電力が供給された試料台７には自己バイアス
現象により負の直流電圧が発生し、直流電源を用いた場
合と同等の効果により、試料基板６を覆うように広いシ
ート状のプラズマを発生させることが可能である。

【００２３】第１，第２の実施形態によれば、材料ガス
４の圧力及び水素ガスとメタンガスの混合比を変えるこ
とによってダイヤモンドの合成以外に炭素皮膜の合成に
も応用することが可能であり、更に材料ガス４の種類を
変えることによって試料基板６表面の改質やエッチング
にも適用可能である。また、マイクロ波１は図外のアン
テナを利用して供給することもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かるプラズマ処理方法及びその装置によれば、反応容器
内の電極と試料台間にマイクロ波電力と直流電力を重畳
して供給しながら原料となるガスを流入することによ
り、ガスの放電に伴って試料基板を覆うような２次元的
に拡がったプラズマを発生させることが可能であり、し
かも材料ガスの圧力を高めることによって比較的小さな
供給電力でも該プラズマ中に保持した試料基板の全面に
合成される薄膜状ダイヤモンドの合成速度が向上して低
コスト化をはかることができる。更にガスの圧力，混合
比及び種類を変えることによってダイヤモンドの合成以
外にも炭素皮膜の合成とか試料基板表面の改質，エッチ
ングにも適用することができる。

【００２５】特に通常のマイクロ波ＣＶＤ装置では、ガ
スの圧力を高くすると、発生するプラズマが球状に収縮
して直径が小さくなってしまうのに対して、本発明では
ガスの圧力を高めても試料基板を覆うように２次元的に
拡がったプラズマが得られるため、試料基板上での薄膜
状ダイヤモンドが合成される領域を拡大して実用上から
も充分に満足できるプラズマ処理方法と装置が提供され
る。

【００２６】従って本発明によれば、従来のマイクロ波
ＣＶＤ装置によるダイヤモンドの合成速度もしくは合成
コストの何れをも犠牲にすることなく、大きな面積を持
つ薄膜状のダイヤモンドを合成することができるととも
に各種炭素皮膜の合成及び試料基板表面の改質，エッチ
ングに適用可能なプラズマ処理方法及びその装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す装置の概要図。

【図２】第１の実施例の変形例を示す概要図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す装置の概要図。

【図４】従来のマイクロ波ＣＶＤ装置の構造例を示す概
要図。

【図５】図４のマイクロ波ＣＶＤ装置の使用例を示す概
要図。

【図６】従来の大電力用マイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の構造例を示す概要図。

【図７】従来の他のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構
造例を示す概要図。

【符号の説明】

１…マイクロ波 ２…導波管 ３…反応管 ４…材料ガス ４ａ…ガス導入管 ４ｂ…ガス排気管 ４ｃ，４ｄ…気密保持具 ５…プラズマ ６…試料基板 ７…試料台 ８…反応容器 ９…真空窓 １０…電極 １２…直流電源 整理番号 Ｐ３２８７

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｂ Ｍ (72)発明者 富士 敬司 高知県香美郡土佐山田町宮ノ口185番地 学校法人高知工科大学内 Ｆターム(参考） 4G046 CA01 CB03 CC06 4G075 AA24 AA30 BC04 BC06 BD14 CA13 CA26 CA47 CA65 CA66 EB01 EC21 FB03 4K030 BA28 FA02 JA06 JA09 5F045 AA09 AB07 AC00 AC08 AE30 AF03 BB08 BB09 DP03 EB02 EH03 EH04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器の内部に設けた試料台上に試料
   基板を配置し、該反応容器内にガスと電力を供給しなが
   ら放電によりプラズマを発生させ、該プラズマ中に試料
   基板を保持する処理方法において、 反応容器内にマイクロ波電力と直流電力を同時に供給す
   ることにより、発生するプラズマの形状をコントロール
   することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 前記プラズマの形状が、試料基板を覆う
   ように２次元的に拡がって形成される請求項１に記載の
   プラズマ処理方法。
3. 【請求項３】 反応容器内部におけるガスの圧力を１０
   ｋＰａ以上に設定した請求項１又は２に記載のプラズマ
   処理方法。
4. 【請求項４】 試料基板上に薄膜状のダイヤモンドを合
   成する請求項１，２又は３に記載のプラズマ処理方法。
5. 【請求項５】 ガスの圧力，種類及び混合比を変えるこ
   とによって、各種炭素皮膜の合成に応用した請求項１，
   ２又は３に記載のプラズマ処理方法。
6. 【請求項６】 ガスの圧力，種類及び混合比を変えるこ
   とによって、試料基板表面の改質及びエッチングに適用
   した請求項１，２又は３に記載のプラズマ処理方法。
7. 【請求項７】 反応容器の内部に設けた試料台上に試料
   基板を配置し、該反応容器内にガスとマイクロ波電力及
   び直流電力を同時に供給することにより発生するプラズ
   マの形状をコントロールして、該プラズマ中に試料基板
   を保持することを特徴とするプラズマ処理装置。