JP2009132543A - アモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できるアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法を提供する。
【解決手段】アモルファスカーボンＣを成長させるための基材Ｂをチャンバ１１内に収容し、そのチャンバ１１内に原料ガスＧを供給し、供給した原料ガスＧのプラズマＰを生成し、生成されたプラズマＰの基材Ｂに到達する際の速度を制御してアモルファスカーボンＣの製造を行う。これにより、プラズマＰの到達速度に対応させてカーボンの結晶化及び選択的エッチング効果を生じさせることができる。このため、カーボンのｓｐ２／ｓｐ３結合比を調整することができ、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンＣを容易に製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アモルファスカーボンを製造するアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法に関するものである。

従来、アモルファスカーボンの製造方法及び製造装置として、特開平８−２１７５９６号公報に記載されるように、基材表面温度が一定になるまで基材の表面をプラズマ洗浄し、そのプラズマ洗浄された基材上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposit）法によりダイヤモンドライクカーボン膜、即ちアモルファスカーボン膜を形成するものが知られている。
特開平８−２１７５９６号公報

ところで、アモルファスカーボンは、コーティング用途のほか、半導体材料としても注目されている。炭素の結合形態にはｓｐ２結合およびｓｐ３結合の二種類があり、ｓｐ２結合のみで構成されると層状構造のグラファイトとなり、ｓｐ３結合のみで構成されるとダイヤモンドとなる。グラファイトはバンドギャップエネルギーが０の導電体であるが、ダイヤモンドはバンドギャップエネルギーが約５．５［ｅＶ］の絶縁体である。アモルファスカーボンは、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合が混在する構成を有しており、半導体材料としての利用可能性が模索されている。

アモルファスカーボンを半導体として利用するためには、そのバンドギャップエネルギーを所望の値に制御する必要がある。しかしながら、アモルファス状態（非結晶）の場合、構造に規則性がないため、構造変化がバンドギャップエネルギーに及ぼす影響の予測が難しい。したがって、従来では様々な製造パラメータを試した上で所望のバンドギャップエネルギーを実現できる製造パラメータを特定しており、極めて非効率的であった。

本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できるアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係るアモルファスカーボン製造装置は、アモルファスカーボンを成長させるための基材を収容したチャンバと、前記チャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記チャンバ内に前記原料ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御する速度制御部とを備えて構成されている。

この発明によれば、チャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御することにより、プラズマの到達速度に対応させて選択的エッチング効果、カーボンの結晶化（グラファイト化）を生じさせることができる。このため、カーボンのｓｐ２／ｓｐ３結合比を調整することが可能となる。従って、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造装置において、前記速度制御部は、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することが好ましい。

この発明によれば、プラズマの基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することにより、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造装置において、前記速度制御部は、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することが好ましい。

この発明によれば、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に電圧を印加することにより、プラズマの基材に到達する際の速度を容易に制御することができる。このため、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造装置において、前記速度制御部は、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に直流電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することが好ましい。

この発明によれば、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に直流電圧を印加することにより、プラズマの基材に到達する際の速度を制御することができる。このため、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造方法は、チャンバ内で原料ガスのプラズマを生成するプラズマ生成工程と、前記チャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御する速度制御工程と、前記基材上にアモルファスカーボンを形成する形成工程とを備えて構成されている。

この発明によれば、チャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御することにより、プラズマの到達速度に対応させて選択的エッチング効果、カーボンの結晶化（グラファイト化）を生じさせることができる。このため、カーボンのｓｐ２／ｓｐ３結合比を調整することが可能となる。従って、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造方法において、前記速度制御工程では、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することが好ましい。

この発明によれば、プラズマの基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することにより、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造方法において、前記速度制御工程では、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することが好ましい。

この発明によれば、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に電圧を印加することにより、プラズマの基材に到達する際の速度を容易に制御することができる。このため、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

また本発明に係るアモルファスカーボン製造方法において、前記速度制御工程では、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に直流電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することが好ましい。

この発明によれば、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に直流電圧を印加することにより、プラズマの基材に到達する際の速度を制御することができる。このため、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンを製造することができる。

本発明によるアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法によれば、所望のバンドギャップエネルギーのアモルファスカーボンを容易に製造することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法の実施の形態を詳細に説明する。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。

図１は、本発明に係るアモルファスカーボン製造装置の一実施形態として、プラズマＣＶＤ装置１０の構成を示す側面断面図である。図１に示すように、プラズマＣＶＤ装置１０は、チャンバ１１と、原料ガス源１２と、導波路１４と、マイクロ波発生部１５とを備えている。

チャンバ１１は、原料ガスＧのプラズマＰが生成するための気密容器である。チャンバ１１は、原料ガス源１２と配管２２を介して接続されている。原料ガス源１２はチャンバ１１に原料ガスＧを供給する。原料ガス源１２及び配管２２は、原料ガス供給部として機能する。

チャンバ１１の排出口１９には、排気ポンプからなる排気手段１３が設けられている。アモルファスカーボン膜を成長するに先立って、排気手段１３は真空引きによりチャンバ１１内を減圧する。チャンバ１１内には、アモルファスカーボンＣを成長させるための基材Ｂが収容されている。また、チャンバ１１内には、基材Ｂを支持するための基材ステージ１８が設けられている。

マイクロ波発生部１５は、チャンバ１１に導入された原料ガスＧをプラズマ化するためのマイクロ波Ｗを、導波路１４を介してチャンバ１１へ出力し、原料ガスＧに照射する。マイクロ波発生部１５は、例えば出力６００〜１４００［Ｗ］、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｗをマグネトロン等により発生する。マイクロ波発生部１５及び導波路１４は、チャンバ１１内に原料ガスＧのプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。

導波路１４は、マイクロ波発生部１５から出力されたマイクロ波Ｗを導波しつつ、チャンバ１１の内部へ提供する。導波路１４は、チャンバ１１上に石英窓１６を介して設けられている。導波路１４におけるチャンバ１１と対向する面にはスロットアンテナ１７が設けられており、マイクロ波Ｗはこのスロットアンテナ１７を介してチャンバ１１内部の原料ガスＧに照射される。なお、導波路１４上には導波路１４を冷却するための冷却ファン２０が設置されている。

原料ガス源１２は、アモルファスカーボンＣを成長するための原料ガスＧをチャンバ１１に供給する。原料ガス源１２は、炭素原料ガス源としてメタン（ＣＨ_４）源、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）源、およびアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）源のうち少なくとも一つを含んで構成される。また、原料ガス源１２は、アモルファスカーボン膜に添加される不純物原子（ドーパント）を供給するためのドーパントガス源として、例えば窒素（Ｎ_２）源を含んで構成される。また、原料ガス源１２は、キャリアガスを供給するためのキャリアガス源として、アルゴン（Ａｒ）源などの不活性ガス源を含んで構成される。これらのガス源は、それぞれガス流量を調整する図示しないマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controler）を介してチャンバ１１に接続されており、各原料ガスはマスフローコントローラを経由した後に混合されて原料ガスＧとしてチャンバ１１に供給される。

プラズマＣＶＤ装置１０には、チャンバ１１内で生成されるプラズマの基材Ｂに到達する際の速度を制御する速度制御部３０が設けられている。速度制御部３０は、チャンバ１１内のプラズマ生成領域と基材Ｂの間に直流電圧を印加して、チャンバ１１内で生成されるプラズマＰ、すなわちプラズマＰの粒子の基材Ｂに到達する際の速度を制御するものである。

この速度制御部３０は、例えばチャンバ１１と基材ステージ１８に配線によって接続され、チャンバ１１と基材ステージ１８の間に電位差を生じさせる電源装置によって構成される。この場合、チャンバ１１内のプラズマ生成領域と基材ステージ１８に設置される基材Ｂとの間に電位差を生じ、プラズマ生成領域と基材Ｂとの間に所定の電界が形成される。また、速度制御部３０として、印加する電圧を可変できるものを用いることが好ましい。速度制御部３０による印加電圧は、プラズマ生成領域と基材Ｂの間の距離やプラズマＣＶＤ装置１０の大きさなどに応じて適宜設定すればよい。なお、速度制御部３０は、チャンバ１１内に電界を形成してチャンバ１１内で生成されるプラズマの基材Ｂに到達する際の速度を制御可能なものであれば、図１に示すもの以外のものであってもよい。

速度制御部３０によってチャンバ１１内のプラズマ生成領域と基材Ｂの間に電位差を生じさせることで、プラズマ生成領域と基材Ｂとの間に所定の電界が形成される。この電界の強度によって、プラズマの粒子、例えば電子、イオンなどの基材Ｂに到達する際の速度を制御することができる。例えば、プラズマ生成領域と基材Ｂの間に印加する電圧を大きくすることによりプラズマの移動速度を速くして、堆積するアモルファスカーボンのバンドギャップを小さくすることができる。一方、プラズマ生成領域と基材Ｂの間に印加する電圧を小さくすることによりプラズマの移動速度を遅くして、堆積するアモルファスカーボンのバンドギャップを大きくすることができる。

次に、本実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置の動作及びアモルファスカーボン製造方法について説明する。

図１において、まず、チャンバ１１の基材ステージ１８に基材Ｂを設置したのち、チャンバ１１の内部を減圧する。そして、原料ガス源１２より、メタン、エチレン、アセチレンなどの炭素原料ガスと、窒素などのドーパントガスと、アルゴンなどのキャリアガスとを含む原料ガスＧをチャンバ１１内に供給しつつ、マイクロ波発生部１５からマイクロ波Ｗを出力し、このマイクロ波Ｗをチャンバ１１内の原料ガスＧに照射する。

チャンバ１１の内部では、マイクロ波発生部１５から導波路１４を介して照射されたマイクロ波Ｗによって表面波プラズマＰが発生する。これにより、原料ガスＧは炭素を含むラジカルに変化し、基材Ｂの表面へ移動し、堆積する。

このとき、プラズマ生成領域と基材Ｂの間に電圧が印加され電界が形成されている。このため、形成される電界の強度に応じてプラズマＰの荷電粒子（電子、イオン）が加速され、プラズマＰの移動速度が制御される。すなわち、プラズマ生成領域と基材Ｂの間に印加する電圧を大きくすることによりプラズマＰの移動速度を速くすることができ、プラズマ生成領域と基材Ｂの間に印加する電圧を小さくすることによりプラズマＰの移動速度を遅くすることができる。

プラズマＰの基材Ｂへの移動速度、すなわち印加電圧は、製造すべきアモルファスカーボンＣのバンドギャップに対応して設定される。プラズマ生成領域と基材Ｂとの間の印加電圧と製造されるアモルファスカーボンＣのバンドギャップとの関係を予め調べておき、所望のバンドギャップが得られるように印加電圧を設定すればよい。

そして、プラズマＰが基材Ｂ上に堆積してアモルファスカーボンＣが成長し、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボンＣを生成することができる。

以上のように本実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法によれば、チャンバ１１内で生成されるプラズマＰの基材Ｂに到達する際の速度を制御することにより、プラズマＰの到達速度に対応させて選択的エッチング効果、カーボンの結晶化（グラファイト化）を生じさせることができる。このため、カーボンのｓｐ２／ｓｐ３結合比を調整することが可能となる。従って、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンＣを容易に製造することができる。

また本実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法によれば、プラズマＰの基材Ｂに到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することにより、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンＣを容易に製造することができる。

また本実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法によれば、チャンバ１１内のプラズマ生成領域と基材Ｂの間に電圧を印加することにより、プラズマＰの基材Ｂに到達する際の速度を容易に制御することができる。このため、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボンＣを容易に製造することができる。

図２は、本実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法を用いてアモルファスカーボンを製造した際のバンドギャップとバイアス電圧の関係を示す図である。

アモルファスカーボンの製造の成膜手法としては、マイクロ波を用いた表面波プラズマＣＶＤ法を用いた。材料ガスとその流量は、アセチレンを２０ｍｌ／ｍｉｎ、四フッ化炭素（ＣＦ_４）を１ｍｌ／ｍｉｎとした。キャリアガスとその流量は、Ａｒを２００ｍｌ／ｍｉｎとした。チャンバ内の圧力は、ガス導入時に１００Ｐａとした。基材としては、シリコン基板を用いた。

マイクロ波のパワーは、１０００ｗとし連続的に供給した。そして、バイアス電圧は、基材側を−、プラズマ側を＋として直流電圧を０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖと段階的に変えながら、それぞれの電圧についてアモルファスカーボンを製造した。

これにより、図２に示すように、バイアス電圧０Ｖでバンドギャップ２．４ｅＶ、バイアス電圧５０Ｖでバンドギャップ２．３ｅＶ、バイアス電圧１００Ｖでバンドギャップ２．０ｅＶ、バイアス電圧１５０Ｖでバンドギャップ１．８ｅＶ、バイアス電圧２００Ｖでバンドギャップ１．５ｅＶのアモルファスカーボンを製造することができた。

このようなバンドギャップの変化は、プラズマと基材間の原料粒子（イオン、電子、ラジカル、中性分子など）のうち、正電荷を有する粒子がバイアス電圧により加速され、勢いよく基材又はアモルファスカーボン膜に衝突する際の衝突エネルギにより結晶（グラファイト）化する成分が相対的に多くなるためと考えられる。

また、本実施形態により製造されるアモルファスカーボン膜は、例えば太陽電池や受光素子などの用途に特に好適である。例えば、タンデム型と呼ばれる太陽電池は、バンドギャップが異なる複数種類のｐｎ接合層が光学的に直列に接続されて構成されるが、これらの層をアモルファスカーボンとして本実施形態の方法により形成すれば、各層のバンドギャップを容易に異ならせることができる。

なお、上述した実施形態は本発明に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法の一例を示すものである。本発明に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法は、この実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係るアモルファスカーボン製造装置及びアモルファスカーボン製造方法を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に電圧を印加してチャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御する場合について説明したが、チャンバ内のプラズマ生成領域と基材の間に磁界を形成し、その磁界の強さによってチャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御してもよい。この場合、電磁石装置によりチャンバ内に磁界を形成して実施すればよい。

また、上述した実施形態では、マイクロ波を用いてプラズマを生成していたが、マイクロ波以外の熱などを用いてプラズマを生成するものであってもよい。

本発明の実施形態係るアモルファスカーボン製造装置の構成概要図である。 アモルファスカーボンを製造した際のバンドギャップとバイアス電圧の関係を示す図である。

符号の説明

１０…プラズマＣＶＤ装置、１１…チャンバ、１２…原料ガス源、１３…排気手段、１４…導波路、１５…マイクロ波発生部、１６…石英窓、１７…スロットアンテナ、１８…基材ステージ、１９…排出口、２０…冷却ファン、Ｂ…基材、Ｃ…アモルファスカーボン、Ｇ…原料ガス、Ｐ…表面波プラズマ、Ｗ…マイクロ波。

Claims (8)

1. アモルファスカーボンを成長させるための基材を収容したチャンバと、
   前記チャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
   前記チャンバ内に前記原料ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
   前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御する速度制御部と、
   を備えたアモルファスカーボン製造装置。
2. 前記速度制御部は、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することを特徴とする請求項１に記載のアモルファスカーボン製造装置。
3. 前記速度制御部は、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することを特徴する請求項１又は２に記載のアモルファスカーボン製造装置。
4. 前記速度制御部は、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に直流電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することを特徴する請求項３に記載のアモルファスカーボン製造装置。
5. チャンバ内で原料ガスのプラズマを生成するプラズマ生成工程と、
   前記チャンバ内で生成されるプラズマの基材に到達する際の速度を制御する速度制御工程と、
   前記基材上にアモルファスカーボンを形成する形成工程と、
   を備えたアモルファスカーボン製造方法。
6. 前記速度制御工程では、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を製造すべきアモルファスカーボンのバンドギャップに対応させて制御することを特徴とする請求項５に記載のアモルファスカーボン製造方法。
7. 前記速度制御工程では、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することを特徴する請求項５又は６に記載のアモルファスカーボン製造方法。
8. 前記速度制御工程では、前記チャンバ内のプラズマ生成領域と前記基材の間に直流電圧を印加して、前記チャンバ内で生成されるプラズマの前記基材に到達する際の速度を制御することを特徴する請求項７に記載のアモルファスカーボン製造方法。

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