JP2008045180A - Dlc膜の形成方法及びdlc膜の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板ホルダー11によって基板9を冷却して、基板温度が過度に上昇しないようにするとともに、DCパルス放電によるプラズマ化学気相成長法において、原料ガスとして、水素ガスとハイドロカーボン系ガス(CH4、C2H4、C2H2、C4H6、C4H8、C5H8)を用い、混合比をハイドロカーボン系ガスを1%から50%に調整する。これにより、DLC膜中のダイアモンド粒子の成長を抑制でき、バンドギャップを3.9evから0.5eVまで制御したDLC膜を得ることができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ダイモンド粒子の成長を抑制して滑らかなDLC膜を容易に形成でき、更には、バンドギャップの制御も可能なDLC膜の形成方法及びDLC膜の製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、ガス圧を例示したものである。本発明では、パルス放電を行うので、パルス電圧等を制御することにより、図1に例示する様に、ガス圧を300Torr以上に上げた場合でも、アークの発生やグローの偏りを防止して、好適に(高い成膜速度で)DLC膜を形成することができる。尚、ガス圧を、250Torr程度に設定することで、アークやグローの偏りの発生を、一層効果的に抑制できる。
上述した様に、グラファイト結合(sp2)とダイモンド結合(sp3)との存在状態(比)により、バンドギャップが変化するが、本願発明者等の研究により、水素ガスの量がダイモンド結合(sp3)の多さに関係し(水素ガスが多いほどダイモンド結合が多くなる)、ハイドロカーボン系ガスの量がグラファイト結合(sp2)の多さに関係すること(ハイドロカーボン系ガスが多いほどグラファイト結合が多くなること)が明かになっている。
(4)請求項4の発明では、原料ガスにおけるハイドロカーボン系ガスの混合比を、1%〜50%(体積比)に制御することを特徴とする。
ここで、混合比とは、水素ガス及びハイドロカーボン系ガス以外のガスが含まれている場合でも、水素ガス及びハイドロカーボン系ガスの合計に対するハイドロカーボン系ガスの割合のことである。
(5)請求項5の発明では、原料ガスとして、アルゴンガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用することを特徴とする。
(6)請求項6の発明では、原料ガスとして、アルゴンガスと水素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用することを特徴とする。
(7)請求項7の発明では、原料ガスとして、アルゴンガスと窒素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用して、n型半導体のDLC膜を形成することを特徴とする。
[第1実施形態]
本実施形態では、図2に示すように、DCパルス放電によるプラズマ化学気相成長法によって、基板表面にDLC膜を形成するDLC膜製造装置1として、DCパルス電源3と、放電電極である一対の電極5、7(陽極又は陰極)と、電極5、7の近傍に配置されてDLC膜が形成される基板(例えばSiウエハー基板)9と、基板9を載置するとともに基板9の冷却を行う基板ホルダー11と、電極5、7及び基板9及び基板ホルダー11等を収容しその内部にてプラズマ化学気相成長法が行われる反応室13とを備えている。尚、電極5、7の極性は、適宜設定できる。
また、基板ホルダー11は、内部に冷却水を供給して、基板9の温度を例えば200℃以下に調節するものである。
[第2実施形態]
上述したプラズマ化学気相成長法により、原料ガスとして、少なくとも水素ガスと、アルゴンガスと、窒素ガスと、ハイドロカーボン系ガス(CH4、C2H4、C2H2、C4H6、C4H8、C5H8)とを含むガスを使用することで、n型半導体のDLC膜を得ることができる。
[第3実施形態]
上述したプラズマ化学気相成長法において、原料ガスとして、少なくとも水素ガスと、トリメチルボロンガスと、ハイドロカーボン系ガス(CH4、C2H4、C2H2、C4H6、C4H8、C5H8)とを含むガスを使用することで、p型半導体のDLC膜を得ることができる。
[第4実施形態]
原料ガスとして、水素ガスと、アルゴンガスと、ハイドロカーボン系ガス(CH4、C2H4、C2H2、C4H6、C4H8、C5H8)とを含むガスを使用して、プラズマ化学気相成長させるとともに、負の電極にボロンターゲットを設置し同時にスパッタし、DLC膜にボロンをドープすることにより、p型半導体のDLC膜を得ることができる。
具体的には、DLC膜製造装置1において、反応室13内を真空排気ポンプ29で真空にした後、排気バルブ27を閉め、第1及び第2給気バルブ15、21を開けて、第1及び第2マスフローコントローラ17、23で設定した流量の水素(H2)とメタン(CH4)を、それぞれ反応室13へ導入した。
成膜する基板としては、ガラス基板を用いたが、Si基板やITO膜付き基板を用いることもできる。
そして、各成膜の際に、プラズマ発光分析装置により、プラズマ放電の発光スペクトルを調べた。また、各DLC膜に対して、ラマン分光分析装置により、ラマンスペクトルを測定し、更に、分光光度計により、バンドギャップを測定した。
図6にラマンスペクトルの測定結果を示す。同図から1333cm-1付近のDピーク(ダイモンドピーク)と1600cm-1付近のGピーク(グラファイトピーク)の比が変化していることがわかる。これは、それぞれsp3結合とsp2結合に対応するものである。従って、同図から、メタン濃度が大きくなるほど、Gピークが大きくなり(sp2結合が多くなり)、バンドギャップが小さくなることが分かる。
また、本実施例では、基板9を基板ホルダー11によって200℃以下に冷却しているので、DLC膜におけるダイアモンド粒子の成長を抑制することができ、これにより、滑らかなDLC膜を形成することができた。このことは、光学顕微鏡観察、電子顕微鏡観察によって、確認することができた。
DLC膜製造装置51では、負の電極53にボロンターゲット55を設置し、対向する陽極57の近傍に基板59を配置し、基板59の上方には、基板59を保持するとともに基板59を冷却する基板ホルダー61を配置した。
これにより、図9に示す様に、pn接合の構造を有する太陽電池(光起電力素子)71を製造することができる。
3…DCパルス電源
5、7、31、33、53、57…電極
9、59…基板
11、61…基板ホルダー
13…反応室
19、25…ボンベ
Claims (14)
- 原料ガス中に基材を配置し、パルス放電を利用したプラズマ化学気相成長法によって、前記基材の表面にダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成するDLC膜の形成方法において、
前記基材を冷却するとともに、前記プラズマ化学気相成長法によって前記DLC膜を形成することを特徴とするDLC膜の形成方法。 - 前記原料ガスのガス圧を、300Torr以上にすることを特徴とする請求項1に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、水素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスにおけるハイドロカーボン系ガスの混合比を、1%〜50%に制御することを特徴とする請求項3に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、アルゴンガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、アルゴンガスと水素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、アルゴンガスと窒素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用して、n型半導体のDLC膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、水素ガスとアルゴンガスと窒素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用して、n型半導体のDLC膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、水素ガスとトリメチルボロンガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用して、p型半導体のDLC膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記原料ガスとして、アルゴンガスと水素ガスとハイドロカーボン系ガスとを含むガスを使用し、前記プラズマ化学気相成長によって、前記DLC膜を形成するとともに、負の電極にボロンターゲットを設置し、スパッタすることにより、前記DLC膜にボロンをドープして、p型半導体のDLC膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC膜の形成方法。
- 前記請求項7又8の形成方法で、前記n型半導体のDLC膜を形成するN工程と、
前記請求項9又は10の形成方法で、前記p型半導体のDLC膜を形成するP工程と、
によって、前記n型半導体のDLC膜と前記p型半導体のDLC膜とを積層して、pn接合の半導体のDLC膜を形成することを特徴とするDLC膜の形成方法。 - 前記請求項9又は10の形成方法で、前記p型半導体のDLC膜を形成するP工程と、
前記請求項1〜6のいずれかの形成方法で、真性層であるi層のDLC膜を形成するI工程と、
前記請求項7又は8の形成方法で、前記n型半導体のDLC膜を形成するN工程と、
によって、前記p型半導体のDLC膜と前記n型半導体のDLC膜との間に前記i層のDLC膜を挟むように積層して、pin接合の半導体のDLC膜を形成することを特徴とするDLC膜の形成方法。 - プラズマ化学気相成長法によってDLC膜を形成するDLC膜製造装置であって、
前記DLC膜を形成する基板とプラズマ放電を行う一対の電極とが平行に配置されるとともに、前記2つの電極は、1個又は複数の棒状体で、且つ、前記電極の先端側が丸くなっていることを特徴とするDLC膜の製造装置。 - プラズマ化学気相成長法によってDLC膜を形成するDLC膜製造装置であって、
前記DLC膜を形成する基板とプラズマ放電を行う一対の電極とが平行に配置されるとともに、前記2つの電極は、板状であり、且つ、前記板状の電極の先端側の角が丸くなっていることを特徴とするDLC膜の製造装置。
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