JP2022039574A - Apparatus and method for depositing cvd single crystal diamond - Google Patents

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Hideo Aida
龍司 大島
Ryuji Oshima
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Abstract

To provide an apparatus and method for depositing a CVD single crystal diamond, capable of efficiently manufacturing high quality CVD single crystal diamond by observing the growth of CVD single crystal diamond in a real time.SOLUTION: An apparatus 1 for depositing a CVD single crystal diamond includes: a chamber 3; a light emission detector 7 placed on a sample support 4 in the chamber and for irradiating a substrate 5 for depositing the CVD single crystal diamond with incident light 9 to detect a reflection wave 6 reflected on the substrate 5; and a control part 8 for preparing a reflectance profile from the reflection wave 6 detected by the light emission detector 7. The control part 8 includes: a reflectance calculation part for calculating a reflectance by the intensity of the incident light 9 received from the light emission detector 7 and the intensity of the reflection wave 6; and a reflectance profile preparation part for preparing the reflectance profile showing the time change of the reflectance calculated by the reflectance calculation part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、CVD単結晶ダイヤモンドを成膜するためのCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置、およびCVD単結晶ダイヤモンドの成膜方法に関する。 The present invention relates to a CVD single crystal diamond film forming apparatus for forming a CVD single crystal diamond, and a method for forming a CVD single crystal diamond.

CVD(化学気相蒸着)によるダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長は、大型の単結晶ダイヤモンド基板を製造するための最も重要な手段の1つである。この方法は、単結晶ダイヤモンドを成長させるために異種の単結晶基板を使用するため、得られるダイヤモンドのサイズは単結晶基板の大きさに依存する。 Heteroepitaxial growth of diamond by CVD (Chemical Vapor Deposition) is one of the most important means for producing large single crystal diamond substrates. Since this method uses different types of single crystal substrates to grow single crystal diamonds, the size of the obtained diamond depends on the size of the single crystal substrate.

CVD単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長により成膜する種基材としては、単結晶Irを用いることが知られているが、単結晶Irのバルクを入手することは困難である。このため、MgOまたはYSZ/Si基板上に成長させたヘテロエピタキシャルイリジウム薄膜が使用されている。その結果、直径90mmを超えるダイヤモンドプレートが最近実現された。 It is known that single crystal Ir is used as a seed substrate for forming a CVD single crystal diamond by heteroepitaxial growth, but it is difficult to obtain a bulk of single crystal Ir. For this reason, a heteroepitaxial iridium thin film grown on an MgO or YSZ / Si substrate is used. As a result, a diamond plate with a diameter of more than 90 mm has recently been realized.

CVD単結晶ダイヤモンドの結晶品質は、高圧高温(HPHT)成長法で成膜したダイヤモンドの品質には及ばない。半導体パワーデバイスでの実用化に向けて、ダイヤモンドとイリジウムとの格子不整合によって引き起こされる転位の発生は、結晶品質を向上させるために解決すべき課題である。この課題を解決するためには、ヘテロエピタキシャル成長の状態をリアルタイムで観察する必要がある。 The crystal quality of CVD single crystal diamond is not as good as that of diamond formed by the high pressure high temperature (HPHT) growth method. The generation of dislocations caused by the lattice mismatch between diamond and iridium is a problem to be solved in order to improve the crystal quality for practical use in semiconductor power devices. In order to solve this problem, it is necessary to observe the state of heteroepitaxial growth in real time.

薄膜が成長している状態をリアルタイムで観察するための手法としては、レーザー反射干渉法等のin-situ光学干渉法を適応することが挙げられる。例えば特許文献1には、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)によりGaAs基板にAlAs薄膜を成膜する際、成長する膜をin-situで観測する装置が開示されている。同文献には、2種類の波長のレーザーを基板に照射し、干渉パターン周期の変化率を観察することによって、基板の組成や成長速度の変化を感知することができる、とされている。 As a method for observing the state in which the thin film is growing in real time, it is possible to apply an in-situ optical interferometry such as a laser reflection interferometry. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus for in situ observing a film that grows when an AlAs thin film is formed on a GaAs substrate by MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition). According to the document, it is possible to detect changes in the composition and growth rate of the substrate by irradiating the substrate with lasers of two different wavelengths and observing the rate of change in the interference pattern period.

特開平8-193813号Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-193813

しかし、特許文献1には、GaAs基板にGaAsを成膜し、その上にAlAsを成膜する例が記載されているが、これらの熱膨張係数差は小さく、成膜時の反りがほとんど発生しない。同文献では干渉パターンの変化率しか観察していないため、熱膨張係数が大きく異なる膜を成膜する場合のように、成膜時の諸事情を考慮しなければならない状況下での適用は想定されてなく、成膜を中断して成膜状況を確認しなければならない。 However, Patent Document 1 describes an example in which GaAs is formed on a GaAs substrate and AlAs is formed on the film, but the difference in the coefficient of thermal expansion between them is small and warpage occurs during the film formation. do not do. Since only the rate of change of the interference pattern is observed in this document, it is assumed that it will be applied in situations where various circumstances at the time of film formation must be taken into consideration, such as when forming films with significantly different coefficients of thermal expansion. It is necessary to interrupt the film formation and check the film formation status.

CVD単結晶ダイヤモンドの成膜においては、高品質のIr薄膜を成膜するためにMgOやサファイヤ等を使用することが望ましいが、これらとダイヤモンドの熱膨張係数差は大きい。このため、ダイヤモンドの成膜時に反りが発生することから、特許文献1に記載の発明を適用することは難しいと考えられる。また高品質なダイヤモンドを成膜するためには種々の条件を設定する必要があるものの、ダイヤモンドの成膜時間は長時間に及ぶため、条件毎に成膜を中断していては、高品質のCVD単結晶ダイヤモンドを製造することが極めて困難である。 In the film formation of CVD single crystal diamond, it is desirable to use MgO, sapphire, etc. in order to form a high-quality Ir thin film, but the difference in thermal expansion coefficient between these and diamond is large. Therefore, it is considered difficult to apply the invention described in Patent Document 1 because warpage occurs during the formation of diamond. In addition, although it is necessary to set various conditions in order to form a high-quality diamond, the diamond film formation time is long, so if the film formation is interrupted for each condition, the film formation will be of high quality. It is extremely difficult to produce a CVD single crystal diamond.

このような状況下において、CVD単結晶ダイヤモンドが高圧高温(HPHT)成長法で成膜したダイヤモンドの品質に更に近づくとともに効率よく製造することができるように、更なる検討が必要である。 Under such circumstances, further studies are needed so that the CVD single crystal diamond can be efficiently produced while getting closer to the quality of the diamond formed by the high pressure high temperature (HPHT) growth method.

そこで、本発明の課題は、CVD単結晶ダイヤモンドの成長をリアルタイムに観測することにより高品質なCVD単結晶ダイヤモンドを効率的に製造することができるCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置、およびCVD単結晶ダイヤモンドの成膜方法を提供するである。 Therefore, the subject of the present invention is a CVD single crystal diamond film forming apparatus capable of efficiently producing high-quality CVD single crystal diamond by observing the growth of the CVD single crystal diamond in real time, and a CVD single crystal diamond. Is provided.

CVD単結晶ダイヤモンドの品質を向上させるためには、成膜初期の成長状況を把握する必要がある。また、CVD単結晶ダイヤモンドを効率的に製造するためには、成膜を中断するのではなく、CVD単結晶ダイヤモンドの成長状況をリアルタイムで把握することが必要である。 In order to improve the quality of CVD single crystal diamond, it is necessary to grasp the growth situation at the initial stage of film formation. Further, in order to efficiently produce the CVD single crystal diamond, it is necessary to grasp the growth status of the CVD single crystal diamond in real time without interrupting the film formation.

CVD単結晶ダイヤモンドの成膜をリアルタイムに観察するための入射光は、Ir薄膜の表面と成長するダイヤモンド表面の両方で反射する。このため、ファブリペロー干渉理論による反射振動は、ダイヤモンドの成長状況を知るために適用できる。よって、発光検出器が付設されたチャンバを備える装置を用いることにより、反射振動により得られた反射率プロファイルを取得することができる。 The incident light for observing the film formation of the CVD single crystal diamond in real time is reflected on both the surface of the Ir thin film and the surface of the growing diamond. Therefore, the reflected vibration based on the Fabry-Pérot interference theory can be applied to know the growth status of diamond. Therefore, the reflectance profile obtained by the reflected vibration can be obtained by using the device provided with the chamber provided with the light emission detector.

ここで、取得した反射率プロファイルがダイヤモンドの成長においてどのように寄与するか調べる必要がある。そこで、反射率プロファイルに示される反射率の挙動とCVD単結晶ダイヤモンドの成長ステータスとの相関を調査したところ、CVD単結晶ダイヤモンドに特有の相関があるという知見が得られた。このプロファイルは、基板とIrやダイヤモンドとの熱膨張係数が異なり反りが発生する状況など種々の状況がすべて含まれており、CVD単結晶ダイヤモンドの成膜状況が隈なく反映された特有のプロファイルである。本発明は、CVD単結晶ダイヤモンドに特有の反射率プロファイルに基づいてCVDでの成膜時間を正確に予測することができる知見により完成した。
これらの知見により得られた本発明は以下のとおりである。
Here, it is necessary to investigate how the obtained reflectance profile contributes to the growth of diamond. Therefore, when the correlation between the reflectance behavior shown in the reflectance profile and the growth status of the CVD single crystal diamond was investigated, it was found that there is a correlation peculiar to the CVD single crystal diamond. This profile includes all various situations such as the situation where the thermal expansion coefficient of Ir and diamond is different from the substrate and warpage occurs, and it is a unique profile that fully reflects the film formation situation of CVD single crystal diamond. be. The present invention has been completed based on the finding that the film formation time in CVD can be accurately predicted based on the reflectance profile peculiar to CVD single crystal diamond.
The present invention obtained from these findings is as follows.

(1)チャンバと、チャンバ内の試料台に載置されるとともにCVD単結晶ダイヤモンドを成膜するための基板に入射光を照射するとともに基板で反射した反射波を検出する発光検出器と、発光検出器により検出された反射波から反射率プロファイルを作成する制御部とを備え、制御部は、発光検出器から受信した入射光の強度および反射波の強度により反射率を演算する反射率演算部と、反射率演算部により演算された反射率の時間変化を示す反射率プロファイルを作成する反射率プロファイル作成部とを備えることを特徴とするCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。 (1) A light emitting detector that is placed on a chamber and a sample table in the chamber and that irradiates an incident light on a substrate for forming a CVD single crystal diamond and detects a reflected wave reflected by the substrate, and emits light. It includes a control unit that creates a reflectance profile from the reflected wave detected by the detector, and the control unit calculates the reflectance based on the intensity of the incident light received from the emission detector and the intensity of the reflected wave. A CVD single crystal diamond film forming apparatus including a reflectance profile creating unit for creating a reflectance profile indicating a time change of the reflectance calculated by the reflectance calculating unit.

(2)制御部は、反射率プロファイルに基づいてCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうかを判断する単結晶成膜判断部を備える、請求項1に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。 (2) The CVD single crystal diamond film forming apparatus according to claim 1, wherein the control unit includes a single crystal film forming determination unit for determining whether or not a CVD single crystal diamond is formed based on a reflectance profile.

(3)制御部は、反射率プロファイルに基づいて下記(1)および(2)式により成膜時間を算出する成膜時間算出部を備える、請求項1または2に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。

Figure 2022039574000002
上記(1)および(2)式中、nは屈折率であり、λは発光検出器から基板に照射される入射光の波長(nm)であり、G(λ)は、λにより算出される成長率であり、Tは反射率の周期(s)であり、dは周期(s)の間に成長するCVD単結晶ダイヤモンドの膜厚(nm)であり、TはCVD単結晶ダイヤモンドの膜厚であり、tはTの膜厚になるための成膜時間(s)である。 (3) The CVD single crystal diamond formation according to claim 1 or 2, wherein the control unit includes a film formation time calculation unit that calculates the film formation time according to the following equations (1) and (2) based on the reflectance profile. Membrane device.
Figure 2022039574000002
In the above equations (1) and (2), n is the refractive index, λ is the wavelength (nm) of the incident light emitted from the emission detector to the substrate, and G (λ) is calculated by λ. It is the growth rate, T is the period (s) of the reflectance, d is the film thickness (nm) of the CVD single crystal diamond that grows during the period (s), and T d is the film of the CVD single crystal diamond. It is a thickness, and t is a film forming time (s) for achieving a film thickness of T d .

(4)請求項1~3のいずれか1項に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置を用いたCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法であって、制御部の反射率演算部により、発光検出器から受信した入射光の強度および反射波の強度により反射率を演算し、制御部の反射率プロファイル作成部により、演算された反射率の時間変化を示す反射率プロファイルを作成することを特徴とするCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。 (4) The CVD single crystal diamond film forming method using the CVD single crystal diamond film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, from the light emission detector by the reflectance calculation unit of the control unit. The reflectance is calculated from the intensity of the received incident light and the intensity of the reflected wave, and the reflectance profile creating unit of the control unit creates a reflectance profile showing the time change of the calculated reflectance. Single crystal diamond film formation method.

(5)制御部は単結晶成膜判断部を備え、単結晶成膜判断部により、反射率プロファイルに基づいてCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうかを判断する、請求項4に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。 (5) The fourth aspect of claim 4, wherein the control unit includes a single crystal film formation determination unit, and the single crystal film formation determination unit determines whether or not CVD single crystal diamond is deposited based on the reflectance profile. CVD single crystal diamond deposition method.

(6)制御部は成膜時間算出部を備え、成膜時間算出部により、反射率プロファイルに基づいて下記(1)および(2)式により成膜時間を算出する、請求項4または5に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。

Figure 2022039574000003
上記(1)および(2)式中、nは屈折率であり、λは発光検出器から基板に照射される入射光の波長(nm)であり、G(λ)は、λにより算出される成長率であり、Tは反射率の周期(s)であり、dは周期(s)の間に成長するCVD単結晶ダイヤモンドの膜厚(nm)であり、TはCVD単結晶ダイヤモンドの膜厚であり、tはTの膜厚になるための成膜時間(s)である。 (6) The control unit includes a film formation time calculation unit, and the film formation time calculation unit calculates the film formation time according to the following equations (1) and (2) based on the reflectance profile, according to claim 4 or 5. The CVD single crystal diamond film forming method according to the above method.
Figure 2022039574000003
In the above equations (1) and (2), n is the refractive index, λ is the wavelength (nm) of the incident light emitted from the emission detector to the substrate, and G (λ) is calculated by λ. It is the growth rate, T is the period (s) of the reflectance, d is the film thickness (nm) of the CVD single crystal diamond that grows during the period (s), and T d is the film of the CVD single crystal diamond. It is a thickness, and t is a film forming time (s) for achieving a film thickness of T d .

図1は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a CVD single crystal diamond film forming apparatus. 図2は、発光検出器のハードウェア構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of a light emission detector. 図3は、制御部の機能構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the control unit. 図4は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置を用いた成膜方法のフローチャートであり、図3において制御部が反射率演算部および反射率プロファイル作成部を備える場合のフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart of a film forming method using a CVD single crystal diamond film forming apparatus, and is a flowchart in the case where the control unit includes a reflectance calculation unit and a reflectance profile creating unit in FIG. 図5は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置を用いた成膜方法のフローチャートであり、図3において制御部が反射率演算部、反射率プロファイル作成部、および単結晶成膜判断部を備える場合のフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart of a film forming method using a CVD single crystal diamond film forming apparatus, and is a case where the control unit includes a reflectance calculation unit, a reflectance profile creating unit, and a single crystal film forming determination unit in FIG. It is a flowchart. 図6は、成膜開始から570秒が経過するまでの反射率プロファイルの一例を示す図であり、図6(a)は成膜時間と温度との関係を示す図であり、図6(b)は波長が405nmの入射光を用いた場合における反射率と成膜時間との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of the reflectance profile from the start of film formation to the lapse of 570 seconds, FIG. 6 (a) is a diagram showing the relationship between the film formation time and the temperature, and FIG. 6 (b). ) Is a diagram showing the relationship between the reflectance and the film formation time when incident light having a wavelength of 405 nm is used. 図7は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置を用いた成膜方法のフローチャートであり、図7(a)は、図3において制御部が反射率演算部、反射率プロファイル作成部、および成膜時間算出部を備える場合のフローチャートであり、図7(b)は、図3において制御部が反射率演算部、反射率プロファイル作成部、単結晶成膜判断部、および成膜時間算出部を備える場合のフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart of a film forming method using a CVD single crystal diamond film forming apparatus, and FIG. 7A shows a reflectance calculation unit, a reflectance profile creating unit, and a film forming time in FIG. It is a flowchart when the calculation unit is provided, and FIG. 7B is the case where the control unit includes a reflectance calculation unit, a reflectance profile creation unit, a single crystal film formation determination unit, and a film formation time calculation unit in FIG. It is a flowchart of. 図8は、ダイヤモンドの成長率と成膜時間との関係を示す図であり、図8(a)は波長が950nmである入射光を用いた場合の図であり、図8(b)は波長が632nmである入射光を用いた場合の図であり、図8(c)は波長が405nmである入射光を用いた場合の図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the growth rate of diamond and the film formation time, FIG. 8A is a diagram when incident light having a wavelength of 950 nm is used, and FIG. 8B is a diagram showing the wavelength. Is a diagram when incident light having a wavelength of 632 nm is used, and FIG. 8 (c) is a diagram when incident light having a wavelength of 405 nm is used. 図9は、成膜時間が700秒までの反射率プロファイルの一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of a reflectance profile having a film forming time of up to 700 seconds. 図10は、CVD単結晶ダイヤモンドの成長状態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a growth state of CVD single crystal diamond. 図11は、反射率プロファイルから算出された膜厚と膜厚の実測値との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness calculated from the reflectance profile and the measured value of the film thickness. 図12は、反射率の振幅の変化とダイヤモンドの成長状態の基本的な関係を示す図であり、図12(a)は理想的な成長状態である場合の反射率プロファイルを示し、図12(b)は膜による光吸収が大きい場合の反射率プロファイルを示し、図12(c)はダイヤモンドの表面粗さが増加している場合の反射率プロファイルを示す。FIG. 12 is a diagram showing the basic relationship between the change in the amplitude of the reflectance and the growth state of the diamond, and FIG. 12 (a) shows the reflectance profile under the ideal growth state, and FIG. 12 (a) shows the reflectance profile. b) shows the reflectance profile when the light absorption by the film is large, and FIG. 12 (c) shows the reflectance profile when the surface roughness of the diamond is increased.

本発明の実施形態を図面に基づいて詳述する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図1は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1の概略断面図である。CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置(以下、単に「装置」と称することがある。)1は、ビューポート2を備えるチャンバ3内の試料台4に基板5を載置し、基板5で反射された反射波6を検出して反射率を求める発光検出器7と、CVD単結晶ダイヤモンドの成膜時間を制御する制御部8とを備える。各構成について説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1. The CVD single crystal diamond film forming apparatus (hereinafter, may be simply referred to as “apparatus”) 1 places the substrate 5 on the sample table 4 in the chamber 3 provided with the view port 2 and is reflected by the substrate 5. It includes a light emitting detector 7 that detects a reflected wave 6 to determine the reflectance, and a control unit 8 that controls the film formation time of the CVD single crystal diamond. Each configuration will be described.

チャンバ3には不図示のプラズマ発生器とコイルが設けられており、制御部8により算出された成膜時間に応じて基板5上にプラズマボール10が発生する。また、チャンバ3には反応ガス導入管15および排気管16が接続されており、成膜時に反応ガスを導入するとともに反応後のガスを排気する。チャンバ3は石英窓14で上下に分けられており、反応ガスが基板5の近傍に導入されるように構成されている。チャンバ3の天井11にはビューポート2が設けられている。試料台4には不図示の加熱器が設けられており、成膜時間に応じて基板5が加熱される。 A plasma generator and a coil (not shown) are provided in the chamber 3, and a plasma ball 10 is generated on the substrate 5 according to the film formation time calculated by the control unit 8. Further, a reaction gas introduction pipe 15 and an exhaust pipe 16 are connected to the chamber 3, and the reaction gas is introduced at the time of film formation and the gas after the reaction is exhausted. The chamber 3 is divided into upper and lower parts by a quartz window 14, and is configured so that the reaction gas is introduced in the vicinity of the substrate 5. A viewport 2 is provided on the ceiling 11 of the chamber 3. A heater (not shown) is provided on the sample table 4, and the substrate 5 is heated according to the film formation time.

本実施形態に係るCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1にてダイヤモンドを成膜する際、用いられる基板5は、例えばMgO、サファイヤ、Si、多結晶ダイヤモンドなど、ダイヤモンドを成膜する際に溶融しない基板であれば特に限定されることはない。本実施形態の成膜装置で成膜するダイヤモンドは、ヘテロエピタキシャルCVD単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。 The substrate 5 used when depositing diamond in the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1 according to the present embodiment is a substrate that does not melt when forming diamond, such as MgO, sapphire, Si, and polycrystalline diamond. If so, there is no particular limitation. The diamond formed by the film forming apparatus of the present embodiment is preferably a heteroepitaxial CVD single crystal diamond.

発光検出器7は、チャンバ3に設けられているビューポート2を介して入射光9を基板5に照射し、反射波6を受光する。図2は、発光検出器7のハードウェア構成を示すブロック図である。発光検出器7は、例えば図2に示すように、光源部7a、および検出部7bを備える。 The light emission detector 7 irradiates the substrate 5 with the incident light 9 through the viewport 2 provided in the chamber 3 and receives the reflected wave 6. FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the light emission detector 7. The light emission detector 7 includes, for example, as shown in FIG. 2, a light source unit 7a and a detection unit 7b.

光源部7aは、所定の波長の入射光9を基板5に照射するとともに、不図示の電源の出力に基づいて設定された入射光9の強度データを制御部8に送信する。検出部7bは、基板5上で反射された反射波6を検出し、反射波6の強度データを制御部8に送信する。また、発光検出器7は基板5の表面温度を測定する温度計を備えていてもよいが、チャンバ3のいずれかに配置されていてもよい。温度計は随時温度データを制御部8に送信する。 The light source unit 7a irradiates the substrate 5 with incident light 9 having a predetermined wavelength, and transmits intensity data of the incident light 9 set based on the output of a power source (not shown) to the control unit 8. The detection unit 7b detects the reflected wave 6 reflected on the substrate 5 and transmits the intensity data of the reflected wave 6 to the control unit 8. Further, the light emission detector 7 may be provided with a thermometer for measuring the surface temperature of the substrate 5, but may be arranged in any of the chambers 3. The thermometer transmits temperature data to the control unit 8 at any time.

制御部8は、例えば、CPU(Central ProcessingUnit)、メモリ、不揮発性の記憶装置、キーボードやマイク等の入力装置、モニタ、時計、およびインターフェイス等を備える。CPUは、インターフェイスから取得した情報に基づいて、メモリと協働して、記憶装置からプログラムを読み込み、後述する機能を実行する。また、CPUはプログラムと協働することにより、下記動作が構築される。 The control unit 8 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a memory, a non-volatile storage device, an input device such as a keyboard and a microphone, a monitor, a clock, an interface, and the like. Based on the information acquired from the interface, the CPU reads a program from the storage device in cooperation with the memory and executes a function described later. In addition, the CPU cooperates with the program to construct the following operations.

図3は、制御部8の機能構成を示すブロック図である。制御部8は、反射率演算部8a、反射率プロファイル作成部8bを備える。好ましくは、単結晶成膜判断部8c、および成膜時間算出部8dの少なくとも1種を備える。単結晶成膜判断部8cおよび成膜時間算出部8dの少なくとも1種を備えない場合には、これらの機能はマニュアルで対応可能である。 FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the control unit 8. The control unit 8 includes a reflectance calculation unit 8a and a reflectance profile creation unit 8b. Preferably, at least one of a single crystal film formation determination unit 8c and a film formation time calculation unit 8d is provided. When at least one of the single crystal film formation determination unit 8c and the film formation time calculation unit 8d is not provided, these functions can be manually supported.

反射率演算部8aは、検出部7bで検出された反射波6の強度と光源部7aから照射された入射光9の強度の比である反射率を演算し、演算結果を反射波6の強度の受信時刻とともに反射率プロファイルを作成するための表を作成する。反射率プロファイル作成部8bは、反射率演算部8aで算出された反射率のデータから反射率の時間変化を示す反射率プロファイルを作成する。 The reflectance calculation unit 8a calculates the reflectance, which is the ratio of the intensity of the reflected wave 6 detected by the detection unit 7b to the intensity of the incident light 9 emitted from the light source unit 7a, and calculates the calculation result as the intensity of the reflected wave 6. Create a table to create a reflectance profile with the reception time of. The reflectance profile creating unit 8b creates a reflectance profile showing a time change of the reflectance from the reflectance data calculated by the reflectance calculation unit 8a.

具体例としては、反射率プロファイル作成部8bは、加熱開始時刻を記憶装置から読み出し、各反射率に紐づけられている反射波6の受信時刻により各受信時刻での成膜時間を算出する。そして、各反射率と、各反射率の成膜時間のデータについて、横軸を成膜時間、縦軸を反射率として反射率プロファイルを作成する。単結晶成膜判断部8cは、反射率プロファイルにおける反射率の振幅からCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうか判断する。成膜時間算出部8dは、温度プロファイルに基づいて後述する(1)式または(2)式により最終成膜時間を算出する。成膜時間算出部8dは、単結晶成膜判断部8cでCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていると判断された場合に最終成膜時間を算出してもよい。 As a specific example, the reflectance profile creating unit 8b reads the heating start time from the storage device, and calculates the film formation time at each reception time from the reception time of the reflected wave 6 associated with each reflectance. Then, for each reflectance and the data of the film forming time of each reflectance, a reflectance profile is created with the horizontal axis as the film forming time and the vertical axis as the reflectance. The single crystal film forming determination unit 8c determines whether or not CVD single crystal diamond is formed from the amplitude of the reflectance in the reflectance profile. The film forming time calculation unit 8d calculates the final film forming time by the formula (1) or the formula (2) described later based on the temperature profile. The film formation time calculation unit 8d may calculate the final film formation time when the single crystal film formation determination unit 8c determines that the CVD single crystal diamond is filmed.

次に、本実施形態の成膜方法について図4を用いて詳述する。
図4は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1を用いた成膜方法のフローチャートであり、図3において制御部8が反射率演算部8aおよび反射率プロファイル作成部8bを備える場合のフローチャートである。まず、基板5を試料台4に載置する(S1)。そして、チャンバ3に反応ガス導入管15から反応ガスを導入し(S2)、マイクロ波発生器12を起動してマイクロ波を、導波路13を介して基板5に照射し(S3)、基板5を加熱する(S4)。基板5の温度が上昇すると基板5上にプラズマボール10が発生してダイヤモンドが成膜される。基板5の加熱温度は700~1000℃程度でよい。
Next, the film forming method of this embodiment will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 4 is a flowchart of a film forming method using the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1, and is a flowchart in the case where the control unit 8 includes a reflectance calculation unit 8a and a reflectance profile creating unit 8b in FIG. First, the substrate 5 is placed on the sample table 4 (S1). Then, the reaction gas is introduced into the chamber 3 from the reaction gas introduction pipe 15 (S2), the microwave generator 12 is activated, the microwave is irradiated to the substrate 5 via the waveguide 13 (S3), and the substrate 5 is used. Is heated (S4). When the temperature of the substrate 5 rises, plasma balls 10 are generated on the substrate 5 to form a diamond film. The heating temperature of the substrate 5 may be about 700 to 1000 ° C.

基板5の加熱を開始した後、発光検出器7の光源部7aから所定の波長の入射光9を照射し、基板5の表面で反射される反射波6を検出部7bで検出することにより、ダイヤモンドをリアルタイムで観測する(S5)。また、同時に基板5の表面温度を検温してもよい。 After the heating of the substrate 5 is started, the incident light 9 having a predetermined wavelength is irradiated from the light source portion 7a of the light emission detector 7, and the reflected wave 6 reflected on the surface of the substrate 5 is detected by the detection unit 7b. Observe diamonds in real time (S5). At the same time, the surface temperature of the substrate 5 may be measured.

検出部7bで検出された反射波6は、ダイヤモンドが成長していない時にはIr薄膜の表面で反射される反射波である。ダイヤモンドが成長し始めると、反射波6はIr薄膜とダイヤモンドとの界面で反射する反射波とダイヤモンドの表面で反射する反射波の干渉波として検出される。ダイヤモンドの表面で反射する反射波は、ダイヤモンドの膜厚に応じて位相が徐々に変わるため、反射波6の強度はダイヤモンドの膜厚に応じて強めあったり弱めあったりする。したがって、入射光9の強度と反射波6の強度との比である反射率も、成膜時間に応じてその振幅が変動する。このように、反射率演算部8aは、検出部7bで検出された反射波6の強度と光源部7aから照射された入射光9の強度の比を随時演算する。 The reflected wave 6 detected by the detection unit 7b is a reflected wave reflected on the surface of the Ir thin film when the diamond is not growing. When the diamond begins to grow, the reflected wave 6 is detected as an interference wave between the reflected wave reflected at the interface between the Ir thin film and the diamond and the reflected wave reflected at the surface of the diamond. Since the phase of the reflected wave reflected on the surface of the diamond gradually changes according to the thickness of the diamond, the intensity of the reflected wave 6 may be strengthened or weakened depending on the thickness of the diamond. Therefore, the amplitude of the reflectance, which is the ratio of the intensity of the incident light 9 to the intensity of the reflected wave 6, also varies depending on the film forming time. In this way, the reflectance calculation unit 8a calculates the ratio of the intensity of the reflected wave 6 detected by the detection unit 7b and the intensity of the incident light 9 emitted from the light source unit 7a at any time.

反射率プロファイル作成部8bは、反射率演算部8aの演算結果と、制御部8が備える時計から受信する時刻とで反射率プロファイルを作成し(S6)、終了する。反射率プロファイルが作成された後、モニタに表示された反射率プロファイルに基づいてCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうか、または最終成膜時間をマニュアルにて求め、最終時間経過後に成膜をマニュアルで終了する。 The reflectance profile creation unit 8b creates a reflectance profile based on the calculation result of the reflectance calculation unit 8a and the time received from the clock included in the control unit 8 (S6), and ends. After the reflectance profile is created, whether or not the CVD single crystal diamond is formed based on the reflectance profile displayed on the monitor, or the final film formation time is manually determined, and the film formation is performed after the final time has elapsed. Finish manually.

図5は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1を用いた成膜方法のフローチャートであり、図3において制御部8が反射率演算部8a、反射率プロファイル作成部8b、および単結晶成膜判断部8cを備える場合のフローチャートである。図5では、図4におけるS6の後、CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうかを判断する。図5のS1~S6は、図4のS1~S6と同一であるため、説明を省略する。 FIG. 5 is a flowchart of a film forming method using the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1. In FIG. 3, the control unit 8 is a reflectance calculation unit 8a, a reflectance profile creating unit 8b, and a single crystal film forming determination unit. It is a flowchart when 8c is provided. In FIG. 5, it is determined whether or not the CVD single crystal diamond is formed after S6 in FIG. Since S1 to S6 in FIG. 5 are the same as S1 to S6 in FIG. 4, the description thereof will be omitted.

S6により反射率プロファイルが作成され始めた後、単結晶成膜判断部8cは反射率プロファイルに基づいて、CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうか判断する(S7)。CVD単結晶ダイヤモンドが成膜され始めたと判断された場合(S7、yes)、最終成膜時間をマニュアルにて求め、最終時間経過後に成膜をマニュアルで終了する。CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていないと判断された場合(S7、no)、成膜を終了する。 After the reflectance profile is started to be created by S6, the single crystal film forming determination unit 8c determines whether or not the CVD single crystal diamond is formed based on the reflectance profile (S7). When it is determined that the CVD single crystal diamond has begun to be deposited (S7, yes), the final film formation time is manually obtained, and the film formation is manually completed after the lapse of the final time. When it is determined that the CVD single crystal diamond has not been formed (S7, no), the film formation is terminated.

判断手法は、例えば以下のとおりである。
図6は、成膜開始から570秒が経過するまでの反射率プロファイルの一例を示す図であり、図6(a)は成膜時間と温度との関係を示す図であり、図6(b)は波長が405nmの入射光9を用いた場合における反射率と成膜時間との関係を示す図である。図6(a)によれば、いずれも100~200秒の間に基板5の温度が800℃程度に達していることがわかる。また、200~570秒までは温度が一定であることがわかる。
The judgment method is as follows, for example.
FIG. 6 is a diagram showing an example of the reflectance profile from the start of film formation to the lapse of 570 seconds, FIG. 6 (a) is a diagram showing the relationship between the film formation time and the temperature, and FIG. 6 (b). ) Is a diagram showing the relationship between the reflectance and the film formation time when the incident light 9 having a wavelength of 405 nm is used. According to FIG. 6A, it can be seen that the temperature of the substrate 5 reaches about 800 ° C. within 100 to 200 seconds in each case. It can also be seen that the temperature is constant from 200 to 570 seconds.

一方、図6(b)によれば、ダイヤモンドが成長しない場合、および多結晶ダイヤモンドが形成された場合には、いずれも、反射率に振幅が見られず、もしくはノイズと区別がつかない程度の振幅しか示さないことがわかる。これに対して、CVD単結晶ダイヤモンドでは、加熱温度が600℃程度から反射率が低減し始め、800℃程度になった時間で反射率が極小値を示す。その後は、温度が一定であるものの、反射率は300秒程度まで増加して極大値を示し、再び減少に転じて極小値を示し、極小値と極大値の繰り返しで振動が続く。周期が200秒程度で反射率の振幅が0.1程度の大きな振幅を示すことがわかる。例えば、2周期までの平均反射率を求め、平均反射率を0とした時の振幅が0.05以上である場合にCVD単結晶ダイヤモンドが形成されていると判断することができるが、これに限定されることはない。例えばこのような閾値を設けることにより、単結晶成膜判断部8cは、CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていることを容易に判断することができる。 On the other hand, according to FIG. 6B, when the diamond does not grow and when the polycrystalline diamond is formed, the reflectance has no amplitude or is indistinguishable from noise. It can be seen that it shows only the amplitude. On the other hand, in the CVD single crystal diamond, the reflectance starts to decrease when the heating temperature is about 600 ° C., and the reflectance shows a minimum value when the heating temperature reaches about 800 ° C. After that, although the temperature is constant, the reflectance increases to about 300 seconds and shows a maximum value, then starts to decrease again and shows a minimum value, and vibration continues by repeating the minimum value and the maximum value. It can be seen that the period is about 200 seconds and the amplitude of the reflectance shows a large amplitude of about 0.1. For example, the average reflectance up to two cycles can be obtained, and when the amplitude when the average reflectance is 0 is 0.05 or more, it can be determined that the CVD single crystal diamond is formed. There is no limitation. For example, by setting such a threshold value, the single crystal film forming determination unit 8c can easily determine that the CVD single crystal diamond is formed.

なお、成膜条件によっては、予備加熱として600℃まで加熱する時間を長くする場合や、600~800℃の加熱時間を長くする場合がある。これらの場合であっても、CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されている場合には、成長の初期段階における振幅の大きさは図6(a)の加熱条件の場合と同程度になる。このため、単結晶成膜判断部8cは、CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていることを容易に判断することができる。 Depending on the film forming conditions, the time for preheating to 600 ° C. may be lengthened, or the heating time at 600 to 800 ° C. may be lengthened. Even in these cases, when the CVD single crystal diamond is formed, the magnitude of the amplitude in the initial stage of growth is about the same as in the case of the heating condition of FIG. 6A. Therefore, the single crystal film forming determination unit 8c can easily determine that the CVD single crystal diamond is formed.

図7は、CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1を用いた成膜方法のフローチャートであり、図7(a)は、図3において制御部8が反射率演算部8a、反射率プロファイル作成部8b、および成膜時間算出部8dを備える場合のフローチャートであり、図7(b)は、図3において制御部8が反射率演算部8a、反射率プロファイル作成部8b、単結晶成膜判断部8c、および成膜時間算出部8dを備える場合のフローチャートである。図7のS1~S6は、図4のS1~S6と同一であるため、説明を省略する。なお、本実施形態の成膜方法においても、反射率演算部8aおよび反射率プロファイル作成部8bを用いるとともに単結晶成膜判断部8cを用いない図4のフローチャート、ならびに反射率演算部8a、反射率プロファイル作成部8bおよび単結晶成膜判断部8cを用いる図5のフローチャートと同様のステップで行われてもよい。 FIG. 7 is a flowchart of a film forming method using the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1, and FIG. 7A shows a reflectance calculation unit 8a and a reflectance profile creating unit 8b in FIG. It is a flowchart when the film formation time calculation unit 8d is provided, and in FIG. 7B, in FIG. 3, the control unit 8 has a reflectance calculation unit 8a, a reflectance profile creation unit 8b, a single crystal film formation determination unit 8c, and a single crystal film formation determination unit 8c. It is a flowchart when the film formation time calculation unit 8d is provided. Since S1 to S6 in FIG. 7 are the same as S1 to S6 in FIG. 4, the description thereof will be omitted. Also in the film formation method of this embodiment, the flowchart of FIG. 4 in which the reflectance calculation unit 8a and the reflectance profile creation unit 8b are used and the single crystal film formation determination unit 8c is not used, and the reflectance calculation unit 8a and the reflection The same steps as the flowchart of FIG. 5 using the rate profile creating unit 8b and the single crystal film forming determination unit 8c may be performed.

図7(a)では、S6で反射率プロファイルが作成され始めた後、成膜時間算出部8dは反射率プロファイルに基づいて最終成膜時間を算出する(S8)。その後、最終成膜時間が経過した後にマニュアルで成膜を終了する。CVD単結晶ダイヤモンドの成膜が高い確率で行われると予測できるような場合には、単結晶成膜判断部8cによる判断を行わずに、S6の後にS8を行うことができる。S8で最終成膜時間が算出され、最終成膜時間が経過した後に、反応ガスの導入、マイクロ波の照射、基板5の観測をマニュアルで停止するとともに基板5を冷却し、成膜工程が終了する。 In FIG. 7A, after the reflectance profile is started to be created in S6, the film forming time calculation unit 8d calculates the final film forming time based on the reflectance profile (S8). Then, after the final film formation time has elapsed, the film formation is manually completed. When it can be predicted that the film formation of the CVD single crystal diamond will be performed with a high probability, S8 can be performed after S6 without performing the judgment by the single crystal film formation determination unit 8c. The final film formation time is calculated in S8, and after the final film formation time has elapsed, the introduction of the reaction gas, the irradiation of microwaves, and the observation of the substrate 5 are manually stopped, and the substrate 5 is cooled to complete the film formation process. do.

図7(b)では、図5のS7を行い、S7でCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていると判断した場合(S7、yes)、図7(a)のS8と同様に最終成膜時間が算出され、最終成膜時間が経過した後にマニュアルで成膜を終了する。S7でCVD単結晶ダイヤモンドが成膜されていないと判断した場合(S7、no)、最終成膜時間を算出せずにマニュアルで成膜を終了する。
最終成膜時間の算出方法は、例えば以下のとおりである。
In FIG. 7 (b), when S7 of FIG. 5 is performed and it is determined in S7 that the CVD single crystal diamond is formed (S7, yes), the final film forming time is the same as in S8 of FIG. 7 (a). Is calculated, and the film formation is manually completed after the final film formation time has elapsed. When it is determined in S7 that the CVD single crystal diamond has not been formed (S7, no), the film formation is manually completed without calculating the final film formation time.
The method for calculating the final film formation time is as follows, for example.

成膜時間算出部8dは、制御部8の記憶装置から成膜時間を算出するためのプログラムを読み込み、反射率プロファイルに基づいて、CVD単結晶ダイヤモンドが所望の膜厚になるための成膜時間を算出する。成膜時間の算出に用いられる式は、例えば以下の式を用いることが好ましい。

Figure 2022039574000004
The film forming time calculation unit 8d reads a program for calculating the film forming time from the storage device of the control unit 8, and based on the reflectance profile, the film forming time for the CVD single crystal diamond to have a desired film thickness. Is calculated. As the formula used for calculating the film formation time, for example, the following formula is preferably used.
Figure 2022039574000004

上記(1)および(2)式中、nは屈折率であり、λは発光検出器7から基板5に照射される入射光9の波長(nm)であり、G(λ)は、λにより算出される成長率であり、Tは反射率の周期(s)であり、dは周期(s)の間に成長するCVD単結晶ダイヤモンドの膜厚(nm)であり、TはCVD単結晶ダイヤモンドの所望の膜厚であり、tはTの膜厚になるための成膜時間(s)である。 In the above equations (1) and (2), n is the refractive index, λ is the wavelength (nm) of the incident light 9 emitted from the light emission detector 7 to the substrate 5, and G (λ) is due to λ. It is the calculated growth rate, T is the period (s) of the reflectance, d is the film thickness (nm) of the CVD single crystal diamond that grows during the period (s), and T d is the CVD single crystal. It is a desired film thickness of diamond, and t is a film forming time (s) for achieving a film thickness of T d .

nは、CVD単結晶ダイヤモンドの屈折率を求めるために経験的に導出されており、例えばG. Turri, S. Webster, Y. Chen, B. Wickham, A. Bennett, and M. Bass, Opt. Matter. Express, 7, 855 (2017).に記載されている式により算出される。(1)式で用いるλは、発光検出器7の光源部7aから基板5に照射された入射光9の波長であり、図2の光源部7aから波長のデータを受信する。図3に示す成膜時間算出部8dは、入射光9のλ、前述の文献に記載の式により算出されるn、および反射率プロファイルから得られたTとで構成される(1)式から(2)式を演算することにより、所望の膜厚になるまでの最終成膜時間であるtを算出する。 n has been empirically derived to determine the refractive index of the CVD single crystal diamond, for example, G.I. Turri, S.M. Webster, Y. Chen, B. Wickham, A. Bennett, and M. et al. Bass, Opt. Matter. Express, 7, 855 (2017). It is calculated by the formula described in. Λ used in the equation (1) is the wavelength of the incident light 9 emitted from the light source unit 7a of the light emission detector 7 to the substrate 5, and receives the wavelength data from the light source unit 7a of FIG. The film thickness calculation unit 8d shown in FIG. 3 is composed of λ of the incident light 9, n calculated by the formula described in the above-mentioned document, and T obtained from the reflectance profile (1). By calculating the equation (2), t, which is the final film forming time until the desired film thickness is reached, is calculated.

本実施形態では、Laytec社製のin situ測定装置であるEpiCurve TTを用い、405nm、632nm、950nmの3種類の入射光9で基板5をリアルタイムに観測した。 In this embodiment, the substrate 5 was observed in real time with three types of incident light 9 of 405 nm, 632 nm, and 950 nm using an EpiCurve TT, which is an in situ measuring device manufactured by Raytec.

これらの波長を用いた場合のnは、前述の文献に記載されている式によれば、各々2.459、2.410、2.392である。成長率は、例えば5周期毎の反射振動を用いて算出される。図8は、ダイヤモンドの成長率と成膜時間との関係を示す図であり、図8(a)は波長が950nmである入射光9を用いた場合の図であり、図8(b)は波長が632nmである入射光9を用いた場合の図であり、図8(c)は波長が405nmである入射光9を用いた場合の図である。 When these wavelengths are used, n is 2.459, 2.410, 2.392, respectively, according to the equations described in the above-mentioned documents. The growth rate is calculated using, for example, reflected vibration every 5 cycles. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the growth rate of diamond and the film formation time, FIG. 8A is a diagram when incident light 9 having a wavelength of 950 nm is used, and FIG. 8B is a diagram. It is a figure when the incident light 9 which has a wavelength of 632 nm is used, and FIG. 8 (c) is a figure when the incident light 9 which has a wavelength of 405 nm is used.

図6(a)によれば200秒以降では温度が一定に保たれているにも関わらず、図8では、いずれの波長にて成長率が増加していることがわかる。よって、ダイヤモンドの成膜においては、単位時間当たりの膜厚増加量が成膜時間に応じて多くなることから、時間の経過とともに効率的な成膜が可能であることがわかる。これは、CVD単結晶ダイヤモンド特有の現象であると考えられる。 According to FIG. 6A, although the temperature is kept constant after 200 seconds, it can be seen in FIG. 8 that the growth rate increases at any wavelength. Therefore, in the film formation of diamond, the amount of increase in film thickness per unit time increases according to the film formation time, and it is understood that efficient film formation is possible with the passage of time. This is considered to be a phenomenon peculiar to CVD single crystal diamond.

図8に示すように、(1)式から得られた成長率の時間依存性から、(2)式を用いて所望の板厚になるまでの最終成膜時間が見積もられる。tが経過した後、前述のように成膜工程が終了する。 As shown in FIG. 8, from the time dependence of the growth rate obtained from the equation (1), the final film formation time until the desired plate thickness is obtained can be estimated using the equation (2). After t has elapsed, the film forming process is completed as described above.

このように、本実施形態に係る成膜方法を実施する本実施形態に係る成膜装置では、成膜の途中でチャンバ3から基板5を取り出してダイヤモンドの膜厚を確認する必要がないため、余分な時間を費やすことなく効率的にダイヤモンドを成膜することができる。また、本実施形態では、ダイヤモンドの品質向上のために最も重要であると考えられているダイヤモンドの成長初期段階の成長ステータスを、リアルタイムで観測を行うことができる。このため、成膜条件の最適化を短時間で行うことができ、その結果、ダイヤモンドの品質向上と生産効率の向上を同時に達成することができる。 As described above, in the film forming apparatus according to the present embodiment in which the film forming method according to the present embodiment is carried out, it is not necessary to take out the substrate 5 from the chamber 3 and check the diamond film thickness during the film formation. Diamond can be efficiently formed without spending extra time. Further, in the present embodiment, it is possible to observe the growth status of the diamond in the early stage of growth, which is considered to be the most important for improving the quality of diamond, in real time. Therefore, the film forming conditions can be optimized in a short time, and as a result, the quality of diamond and the production efficiency can be improved at the same time.

本実施形態に係るCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1では、反射率プロファイルからダイヤモンドの成長ステータスを把握することもできる。図9は、成膜時間が700秒までの反射率プロファイルの一例を示す図である。図9に示すように、反射率プロファイルの特徴的な波形を示す時間での成長ステータスを観察して把握する必要がある。 In the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1 according to the present embodiment, the growth status of diamond can be grasped from the reflectance profile. FIG. 9 is a diagram showing an example of a reflectance profile having a film forming time of up to 700 seconds. As shown in FIG. 9, it is necessary to observe and grasp the growth status at the time showing the characteristic waveform of the reflectance profile.

図10は、CVD単結晶ダイヤモンドの成長状態を示す図である。図10に示すように、405nmの最初の極小値までは、ダイヤモンドの結晶粒が3次元的に成長し、405nmの最初の極小値でダイヤモンドの層が形成される。それ以降は基板5の垂直方向に2次元的に成長し、層の膜厚が厚くなる。 FIG. 10 is a diagram showing a growth state of CVD single crystal diamond. As shown in FIG. 10, diamond grains grow three-dimensionally up to the first local minimum of 405 nm, and a layer of diamond is formed at the first local minimum of 405 nm. After that, it grows two-dimensionally in the vertical direction of the substrate 5, and the film thickness of the layer becomes thicker.

図11は、反射率プロファイルから算出された膜厚と実際の膜厚との関係を示す図である。図11の点線は反射率プロファイルから算出された膜厚であり、横軸の計算値が実際の膜厚になることを想定している。図11の4点は実際の膜厚であり、λの計算値が41.18nmである条件での実際の膜厚が51nmであることを表す。図11から明らかなように、R=0.98であることから、膜厚の計算値と実測値はかなり近いことがわかる。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness calculated from the reflectance profile and the actual film thickness. The dotted line in FIG. 11 is the film thickness calculated from the reflectance profile, and it is assumed that the calculated value on the horizontal axis is the actual film thickness. The four points in FIG. 11 are the actual film thickness, and represent that the actual film thickness is 51 nm under the condition that the calculated value of λ is 41.18 nm. As is clear from FIG. 11, since R 2 = 0.98, it can be seen that the calculated value and the measured value of the film thickness are quite close.

このように、本実施形態に係るCVD単結晶ダイヤモンドの成膜方法を用いたCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置1では、in-situで成長を観測することにより、反射率プロファイルに基づいて所望の膜厚までの時間を正確に見積もることができる。このため、従来のように成膜工程を逐一中断して基板5の成長状態を実測する必要がなく、効率的なCVD単結晶ダイヤモンドの成膜を実現することができる。 As described above, in the CVD single crystal diamond film forming apparatus 1 using the CVD single crystal diamond film forming method according to the present embodiment, the desired film is formed based on the reflectance profile by observing the growth in-situ. The time to thickness can be estimated accurately. Therefore, it is not necessary to interrupt the film forming process one by one and actually measure the growth state of the substrate 5, unlike the conventional case, and it is possible to realize efficient film formation of CVD single crystal diamond.

図12は、反射率の振幅の変化とダイヤモンドの成長状態の基本的な関係を示す図であり、図12(a)は理想的な成長状態である場合の反射率プロファイルを示し、図12(b)は膜による光吸収が大きい場合の反射率プロファイルを示し、図12(c)はダイヤモンドの表面粗さが増加している場合の反射率プロファイルを示す。図12(a)では、膜厚が時間の経過とともに増加している場合、各反射波6の位相が徐々にずれていくため、反射率の振幅が一定になる。図12(b)では、膜厚が厚くなるとダイヤモンドの結晶品質と界面の状態が異なるため、極大値が減少するとともに極小値が増加する。図12(c)では、ダイヤモンドの表面粗さが増加するために界面の品質が劣化するため、表面での反射波6と界面での反射波6のいずれも強度が低くなり、反射率は徐々に低下する。 FIG. 12 is a diagram showing the basic relationship between the change in the amplitude of the reflectance and the growth state of the diamond, and FIG. 12A shows the reflectance profile in the ideal growth state, and FIG. 12 (a) shows the reflectance profile. b) shows the reflectance profile when the light absorption by the film is large, and FIG. 12 (c) shows the reflectance profile when the surface roughness of the diamond is increased. In FIG. 12A, when the film thickness increases with the passage of time, the phase of each reflected wave 6 gradually shifts, so that the amplitude of the reflectance becomes constant. In FIG. 12B, as the film thickness increases, the crystal quality of diamond and the state of the interface differ, so that the maximum value decreases and the minimum value increases. In FIG. 12 (c), since the quality of the interface deteriorates due to the increase in the surface roughness of the diamond, the intensity of both the reflected wave 6 at the surface and the reflected wave 6 at the interface becomes low, and the reflectance gradually decreases. Decreases to.

このように、反射率プロファイルにおいて反射率の振動に異常が生じる場合には、成膜時にクラックなどが発生することがわかるため、この結果を鑑み、ダイヤモンドの品質を更に向上させる指針が得られる。 As described above, when an abnormality occurs in the vibration of the reflectance in the reflectance profile, it can be seen that cracks or the like occur at the time of film formation. Therefore, in view of this result, a guideline for further improving the quality of diamond can be obtained.

1 CVD単結晶ダイヤモンド成膜装置、2 ビューポート、3 チャンバ、4 試料台、5 基板、6 反射波、7 発光検出器、7a 光源部、7b 検出部、8 制御部、8a 反射率演算部、8b 反射率プロファイル作成部、8c 単結晶成膜判断部、8d 成膜時間算出部、9 入射光、10 プラズマボール、11 天井、12 マイクロ波発生器、13 導波路、14 石英窓、15 反応ガス導入管、16 排気管
1 CVD single crystal diamond film forming apparatus, 2 view port, 3 chamber, 4 sample table, 5 substrate, 6 reflected wave, 7 light emission detector, 7a light source unit, 7b detector unit, 8 control unit, 8a reflectance calculation unit, 8b Reflectivity profile creation unit, 8c single crystal film formation judgment unit, 8d film formation time calculation unit, 9 incident light, 10 plasma balls, 11 ceiling, 12 microwave generator, 13 waveguide, 14 quartz window, 15 reaction gas Introductory pipe, 16 exhaust pipe

Claims (6)

チャンバと、前記チャンバ内の試料台に載置されるとともにCVD単結晶ダイヤモンドを成膜するための基板に入射光を照射するとともに前記基板で反射した反射波を検出する発光検出器と、前記発光検出器により検出された前記反射波から反射率プロファイルを作成する制御部とを備え、
前記制御部は、前記発光検出器から受信した前記入射光の強度および前記反射波の強度により反射率を演算する反射率演算部と、前記反射率演算部により演算された前記反射率の時間変化を示す前記反射率プロファイルを作成する反射率プロファイル作成部と
を備えることを特徴とするCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。
A light emitting detector that irradiates incident light on a chamber and a substrate for forming a CVD single crystal diamond on a sample table in the chamber and detects reflected waves reflected by the substrate, and the light emission. It is equipped with a control unit that creates a reflectance profile from the reflected wave detected by the detector.
The control unit includes a reflectance calculation unit that calculates the reflectance based on the intensity of the incident light received from the light emission detector and the intensity of the reflected wave, and a time change of the reflectance calculated by the reflectance calculation unit. A CVD single crystal diamond film forming apparatus comprising a reflectance profile creating unit for creating the reflectance profile.
前記制御部は、前記反射率プロファイルに基づいて前記CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうかを判断する単結晶成膜判断部を備える、請求項1に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。 The CVD single crystal diamond film forming apparatus according to claim 1, wherein the control unit includes a single crystal film forming determination unit for determining whether or not the CVD single crystal diamond is formed based on the reflectance profile. 前記制御部は、前記反射率プロファイルに基づいて下記(1)および(2)式により成膜時間を算出する成膜時間算出部を備える、請求項1または2に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置。
Figure 2022039574000005
上記(1)および(2)式中、nは屈折率であり、λは前記発光検出器から前記基板に照射される前記入射光の波長(nm)であり、G(λ)は、前記λにより算出される成長率であり、Tは前記反射率の周期(s)であり、dは前記周期(s)の間に成長する前記CVD単結晶ダイヤモンドの膜厚(nm)であり、Tは前記CVD単結晶ダイヤモンドの膜厚であり、tは前記Tの膜厚になるための成膜時間(s)である。
The CVD single crystal diamond film formation according to claim 1 or 2, wherein the control unit includes a film formation time calculation unit that calculates the film formation time according to the following equations (1) and (2) based on the reflectance profile. Device.
Figure 2022039574000005
In the above equations (1) and (2), n is the refractive index, λ is the wavelength (nm) of the incident light emitted from the emission detector to the substrate, and G (λ) is the λ. Is the growth rate calculated by, T is the period (s) of the reflectance, d is the film thickness (nm) of the CVD single crystal diamond that grows during the period (s), and T d. Is the film thickness of the CVD single crystal diamond, and t is the film forming time (s) for achieving the film thickness of T d .
請求項1~3のいずれか1項に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜装置を用いたCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法であって、
前記制御部の前記反射率演算部により、前記発光検出器から受信した前記入射光の強度および前記反射波の強度により前記反射率を演算し、前記制御部の前記反射率プロファイル作成部により、前記演算された前記反射率の時間変化を示す前記反射率プロファイルを作成することを特徴とするCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。
A CVD single crystal diamond film forming method using the CVD single crystal diamond film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3.
The reflectance is calculated by the reflectance calculation unit of the control unit based on the intensity of the incident light received from the light emission detector and the intensity of the reflected wave, and the reflectance profile creation unit of the control unit calculates the reflectance. A CVD single crystal diamond film forming method comprising creating the reflectance profile showing the calculated time change of the reflectance.
前記制御部は単結晶成膜判断部を備え、前記単結晶成膜判断部により、前記反射率プロファイルに基づいて前記CVD単結晶ダイヤモンドが成膜されているかどうかを判断する、請求項4に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。 The fourth aspect of claim 4, wherein the control unit includes a single crystal film formation determination unit, and the single crystal film formation determination unit determines whether or not the CVD single crystal diamond is formed based on the reflectance profile. CVD single crystal diamond film formation method. 前記制御部は成膜時間算出部を備え、前記成膜時間算出部により、前記反射率プロファイルに基づいて下記(1)および(2)式により成膜時間を算出する、請求項4または5に記載のCVD単結晶ダイヤモンド成膜方法。
Figure 2022039574000006
上記(1)および(2)式中、nは屈折率であり、λは前記発光検出器から前記基板に照射される前記入射光の波長(nm)であり、G(λ)は、前記λにより算出される成長率であり、Tは前記反射率の前記周期(s)であり、dは周期(s)の間に成長する前記CVD単結晶ダイヤモンドの膜厚(nm)であり、Tは前記CVD単結晶ダイヤモンドの膜厚であり、tは前記Tの膜厚になるための成膜時間(s)である。
The control unit includes a film formation time calculation unit, and the film formation time calculation unit calculates the film formation time according to the following equations (1) and (2) based on the reflectance profile, according to claim 4 or 5. The CVD single crystal diamond film forming method according to the above method.
Figure 2022039574000006
In the above equations (1) and (2), n is the refractive index, λ is the wavelength (nm) of the incident light emitted from the emission detector to the substrate, and G (λ) is the λ. Is the growth rate calculated by, T is the period (s) of the reflectance, d is the film thickness (nm) of the CVD single crystal diamond that grows during the period (s), and T d. Is the film thickness of the CVD single crystal diamond, and t is the film forming time (s) for achieving the film thickness of T d .
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