JP2023160934A - Diamond formation device by high-frequency plasma cvd - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置に関する。特に、VHF帯域(30MHz~300MHz)の周波数を用いた高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置に関する。 The present invention relates to a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD. In particular, the present invention relates to a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD using a frequency in the VHF band (30 MHz to 300 MHz).
ダイヤモンドは、例えば、非特許文献1及び非特許文献2に記載されているように、宝飾品や機械加工材料のみならず、ワイドギャップ半導体として知られ、SiやSiC等の半導体より遙かに優れた特性を有することから、究極のパワー半導体材料として注目されている。そして、パワー半導体材料への応用を図るために、4~5インチ級の基板への対応が可能な、大面積のダイヤモンド形成装置に関し、鋭意、開発研究が進められている。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法には、主として、マイクロ波プラズマCVD法と熱フィラメントCVD法があることが知られている。また、一般に次のことが知られている。即ち、上記CVD法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、かつ結晶性が低下することがある。
For example, as described in Non-Patent
It is known that there are two main methods for forming diamond as a power semiconductor material: microwave plasma CVD and hot filament CVD. Additionally, the following is generally known: That is, in the above CVD method, when diamond is used for the substrate, diamond is formed by homoepitaxial growth, impurities can be easily controlled, and a strain-free crystal can be formed. Further, when the substrate is made of a material other than diamond, diamond is formed by heteroepitaxial growth, which may cause distortion and reduce crystallinity.
マイクロ波プラズマCVD法は、基板の加熱と原料ガスの分解にマイクロ波を用いることを特徴とする。即ち、マイクロ波を用いて原料ガスであるメタン(CH4)と水素(H2)の混合ガスをプラズマ化することにより、該プラズマ中に生成される電子及びイオン等によってダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるCH3ラジカルと原子状水素H等を発生させるとともに、前記マイクロ波を用いて基板上でのプラズマ化学反応促進に必要な基板温度を、約700℃~約1,00℃に加熱する。基板上に形成されるダイヤモンドは、CH3ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着して、基板上で原子状H等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が成長する。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、マイクロ波プラズマCVD法は、例えば、非特許文献1、非特許文献2及び特許文献3に記載されているように、一般にダイヤモンド成長速度は1~10μm/hと比較的高いが、マイクロ波の波長が短いことに起因する均一プラズマ生成領域の広さの制限があり、成膜可能な面積がλ/8~λ/10程度(λ:波長)と小さく、4~5インチ級の基板への対応の必須条件である大面積化が困難である、という課題がある。なお、周波数2.45GHzの場合、高密度プラズマ中の波長λは、真空中の波長λ0(122mm)x波長短縮率(例えば、0.65)=79.3mmであり、均一な高密度プラズマ生成領域を、例えば、λ/8~λ/10程度と見積もると、成膜可能な面積は、直径約8~10mm程度である。
熱フィラメントCVD法は、基板の加熱に輻射熱を用い、原料ガスの分解に熱フィラメントから放出される熱電子及び紫外線等を用いることを特徴とする。即ち、基板の直上数mm~10mm程度の位置に、高温のフィラメント(約1,000℃~2,400℃)を設置し、高温度のフィラメントから放出される熱電子及び紫外線等によって原料ガスである水素(H2)とメタン(CH4)の混合ガスを分解し、ダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるCH3ラジカルと原子状水素H等を発生させる。ダイヤモンドは、CH3ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着して、基板上で原子状H等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が形成される。基板の温度は、一般に、約700~約1,000℃に設定される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、熱フィラメントCVD法は、例えば、非特許文献1及び特許文献3に記載されているように、製膜速度が、一般に1.5~2.0μm/hと低速であることから、マイクロ波プラズマCVD法と同じレベルの高速製膜の実現が課題である。また、パワー半導体材料への応用を図るには、4~5インチ級の基板への対応が可能な大面積化が課題である。
The microwave plasma CVD method is characterized by using microwaves to heat the substrate and decompose the source gas. In other words, by using microwaves to turn a mixed gas of methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ), which are raw material gases, into plasma, the electrons and ions generated in the plasma are essential for forming a diamond film. In addition to generating CH 3 radicals and atomic hydrogen H, which are the main radicals of Heat. Diamond formed on a substrate uses CH 3 radicals as its main precursor, which is chemically adsorbed onto the substrate, and hydrogen components and graphite components are removed by atomic H and the like on the substrate, and diamond crystals grow.
However, from the viewpoint of application to the formation of the ultimate power semiconductor material, the microwave plasma CVD method is generally Although the diamond growth rate is relatively high at 1 to 10 μm/h, the width of the uniform plasma generation region is limited due to the short wavelength of microwaves, and the area that can be deposited is λ/8 to λ/10. The problem is that it is difficult to increase the area, which is an essential condition for dealing with 4- to 5-inch substrates. In addition, in the case of a frequency of 2.45 GHz, the wavelength λ in high-density plasma is the wavelength λ 0 (122 mm) in vacuum x wavelength shortening rate (for example, 0.65) = 79.3 mm, and uniform high-density plasma If the generation region is estimated to be, for example, about λ/8 to λ/10, the area where a film can be formed is about 8 to 10 mm in diameter.
The hot filament CVD method is characterized by using radiant heat to heat the substrate, and by using hot electrons, ultraviolet rays, etc. emitted from the hot filament to decompose the source gas. That is, a high-temperature filament (approximately 1,000°C to 2,400°C) is installed at a position several mm to 10 mm directly above the substrate, and source gas is heated by thermionic and ultraviolet rays emitted from the high-temperature filament. A certain mixed gas of hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) is decomposed to generate CH 3 radicals, atomic hydrogen H, etc., which are the main radicals essential for forming a diamond film. Diamond uses CH 3 radicals as its main precursor, and is chemically adsorbed onto a substrate. Hydrogen and graphite components are removed by atomic H and the like on the substrate, and diamond crystals are formed. The temperature of the substrate is generally set at about 700 to about 1,000°C.
However, from the viewpoint of application to the formation of the ultimate power semiconductor material, the hot filament CVD method generally has a film formation rate of 1 Since the speed is as low as .5 to 2.0 μm/h, the challenge is to realize high-speed film formation on the same level as microwave plasma CVD. In addition, in order to apply it to power semiconductor materials, it is necessary to increase the area so that it can be applied to 4- to 5-inch substrates.
熱フィラメントCVDによるダイヤモンド形成装置に関する代表的特許技術として、例えば、特許文献1ないし特許文献3が挙げられる。
特許文献1には、加熱体によって加熱した原料ガスを基板表面に導入してダイヤモンドを析出させるにあたって、該ガス流に対面して2以上の加熱体を多段に配置したことを特徴とするダイヤモンドの気相合成方法、が記載されている。また、具体的知見として、以下に示す主旨の記述がある。即ち、(イ)W、Ta等の高融点金属で製作された第1フィラメント層と第2のフィラメント層からなる加熱体を原料ガス噴出のノズルの前方に2段に配置した方法であって、各々のフィラメントは該ノズルから噴出し基板に至るガス流に対面して置かれている.そのため第1のフィラメントを通過したガスは更に第2のフィラメントで充分な活性状態を得る.(ロ)フィラメントの層数が多い程、またフィラメント間の距離が小である程、望ましくは20mm以内とすることで、良好な結果をうることかできる。(ハ)フィラメントの代わりとして他の形状の加熱体、例えばメッシュ状、棒状、コイル状あるいは板状の加熱体等を用いることもできる.
特許文献2には、熱フィラメントCVDを用いたダイヤモンド形成装置に関し、以下に示す主旨の記述がある。即ち、従来技術では、高温発熱体が一つの発熱系で構成されているため、高温発熱体の中央部分と周辺部分とでは、反応容器への熱の逃げなどの違いから、高温発熱体表面に温度の低い部分が現われ、接触分解反応の均一性が損なわれる。このため基板面内に形成される膜厚を良好で、均一にすることは困難であるという課題がある。基板上に堆積される薄膜の膜厚を良好で均一なものにするためには、基板表面に到達する活性種の量を基板箇所に応じて制御する必要がある。この課題を解決する半導体製造装置は、基板を処理する反応室と、前記反応室内に反応ガスを供給するガス供給手段と、前記反応室内に供給された反応ガスと接触することにより前記反応ガスを分解する高温発熱体とを備え、前記高温発熱体は、互いに独立にまたは複数個ずつ組み合わされて制御されるユニットから構成され、前記ユニットは前記反応室内を適宜分割した複数の領域に配置されていることを特徴とする。実施例として、基板の面に平行で、且つ距離が異なる2つの平面に、それぞれに複数のフィラメントを配置し、互いに独立した加熱用電源が配置されている構成が記載されている。
Representative patent techniques relating to a diamond forming apparatus using hot filament CVD include, for example,
特許文献3には、熱フィラメント法を用いたダイヤモンド形成装置に関し、以下に示す主旨の記述がある。
即ち、従来の技術課題として、プラズマCVDは、成膜室内に供給した原料ガスをマイクロ波等によりプラズマ状態にし、成膜する方法であることから、成長速度が1~10μm/hと比較的高いという長所があるが、装置の構造が複雑で高価であり、マイクロ波等の波長の制約により可能な成膜面積に限界があるという短所がある。
熱フィラメントCVDは、成膜室に供給した原料ガスを高温フィラメントにて熱分解し、化学反応を誘導する成膜方法であり、構造が簡単で安価であるとともに、成膜面積を大きくすることができる。しかしながら、これまで、この熱フィラメントCVDは、上記プラズマCVDより成膜の成長速度が低いという課題があった。
この課題を解決する半導体製造装置として、特許文献3に記載の装置は、成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び2,500℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は1~10mmの間隔を隔てて複数段に配置され、前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径0.1~1.0mmのタンタル又はその合金からなる線材が3~30mmの間隔で複数本配置されていることを特徴とする。
特許文献3に記載の装置に関する実施例に以下に示す主旨の記述がある。(イ)フィラメントの線径は0.1~1.0mmの範囲、好ましくは0.1~0.3mmの範囲がよい。(ロ)1つのフィラメント層を形成するフィラメントの間隔は3~30mm、好ましくは5~15mmの範囲である。(ハ)一段目のフィラメント層と二段目のフィラメント層の間隔は1mm~10cm、好ましくは1~10mmの範囲である。(ニ)フィラメントの材質は、2,400℃以上の高温に耐えられるものであれば、各種材質を用いることができる。例えば、タングステン、タンタル等であり、これらはその合金又は炭化物等の化合物であってもよい。タンタルが好ましい。
特許文献3に記載の熱フィラメントCVDを用いたダイヤモンド形成装置は、熱電子発生量(熱電子放出量)を増大させる手段として、熱フィラメントの材料にタンタル(Ta)を用い、且つ該熱フィラメントの温度を2,500℃以上に加熱し、且つ前記熱フィラメントを多段に配置することを特徴とする。
In other words, as a conventional technical problem, plasma CVD is a method of forming a film by converting the raw material gas supplied into the film forming chamber into a plasma state using microwaves, etc., so the growth rate is relatively high at 1 to 10 μm/h. However, it has the disadvantage that the structure of the device is complicated and expensive, and there is a limit to the possible film formation area due to wavelength restrictions such as microwaves.
Hot filament CVD is a film forming method that thermally decomposes the raw material gas supplied to the film forming chamber using a high temperature filament to induce a chemical reaction.It has a simple structure, is inexpensive, and can increase the film forming area. can. However, until now, this hot filament CVD has had a problem in that the growth rate of film formation is lower than that of the plasma CVD.
As a semiconductor manufacturing apparatus that solves this problem, the apparatus described in
An embodiment of the apparatus described in
The diamond forming apparatus using hot filament CVD described in
他方、例えば、特許文献4及び特許文献5に見られるように、電源の周波数がVHF帯域(30~300MHz)であるVHFプラズマCVDによるダイヤモンド形成装置が提案されている。
特許文献4に記載のVHFプラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、対向電極型容量性放電にプラズマを用いるプラズマCVD法によりダイヤモンドを合成するに際し、超短波域(30~300MHz)の電力を用いることを特徴とする。
特許文献5に記載のVHFプラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、高周波プラズマCVD法によるダイヤモンド膜の形成方法において、誘導結合型プラズマCVD法を用い、かつ高周波周波数を40~250MHzとして、炭素を含有する原料ガスを分解し、基体上にダイヤモンド膜を形成することを特徴とする。
しかしながら、基板温度を約700~約1,000℃に制御可能で、イオンダメージが抑制され、高品質のダイヤモンドを形成可能なVHFプラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、依然として開発されていない。
On the other hand, as seen in
The VHF plasma CVD diamond forming apparatus described in
The VHF plasma CVD diamond forming apparatus described in Patent Document 5 uses an inductively coupled plasma CVD method and a high frequency frequency of 40 to 250 MHz to form a diamond film using a carbon-containing raw material. It is characterized by decomposing gas and forming a diamond film on the substrate.
However, a VHF plasma CVD diamond forming apparatus that can control the substrate temperature to about 700 to about 1,000° C., suppress ion damage, and form high-quality diamond has not yet been developed.
上述したように、マイクロ波プラズマCVDを用いたダイヤモンド形成装置は、使用するマイクロ波の波長が短いことから、生成されるプラズマの生成領域は小さい領域(例えば、約8~10mm)となり、サイズ4~5インチ級の基板への対応が本質的に困難であるという課題がある。
従来の熱フィラメントCVD法を用いたダイヤモンド形成装置は、例えば、特許文献1~3に記載の熱フィラメントCVD法を用いたダイヤモンド形成装置は、ダイヤモンド形成に際し、熱フィラメント温度をCH3ラジカル及び原子状H等の大量発生に適した約2,400~約2,500℃以上に設定し(ここで、装置操作パラメータAと呼ぶ)、且つ基板温度をダイヤモンド成長に適した約700~約1,000℃に設定する(ここで、装置操作パラメータBと呼ぶ)。
熱電子の発生は、例えば、非特許文献3に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う(熱電子の発生は、該熱フィラメント温度の2乗に比例する)ことから、該熱電子の大量発生に際し、該熱フィラメント温度は高ければ高いほどよい。他方、該熱フィラメントの温度を高温化すると、例えば、非特許文献4に記載されているように、基板に到達する該熱フィラメントの放射エネルギーは、ステファン・ボルツマンの法則により該熱フィラメント温度の4乗に比例し、該熱フィラメントと該基板間の距離の2乗に反比例することから、該熱フィラメントの温度を高温にすると、該基板の温度は上昇する。
即ち、熱電子の大量発生のための該熱フィラメントの超高温化(装置操作パラメータA)と該基板温度の適正値設定(装置操作パラメータB)は両立出来ないという関係(トレードオフの関係)がある。それが故に、ダイヤモンド形成に必須のCH3ラジカル及び原子状Hを大量に生成する作用を有する熱電子及び紫外線等の発生量増大(熱電子の高密度化)という装置操作パラメータAと、ダイヤモンド成長に必須の基板温度の適正値設定という装置操作パラメータBは、両立出来ない。その結果、ダイヤモンドの製膜速度(成長速度)を増大させることは困難である、という課題がある。
電源周波数としてVHF帯域(30MHz~300MHz)を用いるVHFプラズマCVD装置は、例えば、非特許文献5に記載されているように、プラズマのシース電圧(プラズマ電位Vpと壁電位V4の差:Vp―V4)が低く、イオンダメージが抑制される、という特徴がある。また、例えば、非特許文献6に記載されているように、高濃度の原子状水素Hを発生することが可能であり、該原子状水素Hの濃度は、圧力に比例して増大する、という特徴がある。即ち、VHFプラズマCVD装置は、(a)イオンダメージの抑制が可能、(b)高濃度原子状Hの生成が可能、という特徴があり、ダイヤモンド形成装置への応用が期待される。
しかしながら、VHFプラズマCVD法を用いたダイヤモンド形成装置は、特許文献4及び特許5に記載の装置以外は見当たらない。VHFプラズマCVD法は、生成されるプラズマ中の波長がマイクロ波プラズマのそれと比べると、充分に長いことから、波長に起因する問題はない。その故、実用に供せられるVHFプラズマCVD法を用いたダイヤモンド形成装置の創出が課題である。
本発明は、上記課題を解決可能な高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。即ち、高速製膜が可能で、且つ4~5インチ級大面積基板への対応が可能な高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。また、イオンダメージの抑制が可能で、CH3ラジカルと高濃度原子状H等の生成が可能という特徴を有する超高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。
As mentioned above, since the wavelength of the microwave used in a diamond forming apparatus using microwave plasma CVD is short, the plasma generation area is small (for example, about 8 to 10 mm), and the
A diamond forming apparatus using a conventional hot filament CVD method, for example, a diamond forming apparatus using a hot filament CVD method described in
The generation of thermionic electrons follows the Richardson-Dushman equation (the generation of thermionic electrons is proportional to the square of the hot filament temperature), as described in
In other words, there is a relationship (trade-off relationship) in which raising the temperature of the thermal filament to an extremely high temperature (device operating parameter A) for generating a large amount of thermoelectrons and setting the appropriate value for the substrate temperature (device operating parameter B) are incompatible. be. Therefore, the device operating parameter A, which is an increase in the amount of thermionic and ultraviolet rays (higher density of thermionic electrons) that have the effect of generating a large amount of CH 3 radicals and atomic H, which are essential for diamond formation, and the diamond growth The device operation parameter B, which is the setting of an appropriate value for the substrate temperature, which is essential for the above, is incompatible. As a result, there is a problem that it is difficult to increase the diamond film formation rate (growth rate).
A VHF plasma CVD apparatus that uses the VHF band (30 MHz to 300 MHz) as a power supply frequency has a plasma sheath voltage (difference between plasma potential V p and wall potential V 4 : V p -V 4 ) is low, and ion damage is suppressed. Furthermore, for example, as described in
However, diamond forming apparatuses using the VHF plasma CVD method other than those described in
An object of the present invention is to provide a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD that can solve the above problems. That is, the object of the present invention is to provide a diamond forming apparatus using high-frequency plasma CVD that is capable of high-speed film formation and that can be applied to large-area substrates in the 4 to 5 inch class. Another object of the present invention is to provide a diamond forming apparatus using ultra-high frequency plasma CVD, which is capable of suppressing ion damage and generating CH 3 radicals, high concentration atomic H, and the like.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、少なくともメタンガス(CH4)と水素ガス(H2)を含む原料ガス供給系及び排気系を備えた反応容器と、前記反応容器の内部に配置されて基板を保持する主面を有する基板保持台と、前記基板を加熱する輻射エネルギーを発生し、且つ高周波プラズマを発生する輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に直流電力を供給する直流電源と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極にインピーダンス整合器を介して高周波電力を供給する高周波電源と、電気的に非接地の第1の真空装置用電流導入端子と、接地された第2の真空装置用電流導入端子と、を具備した高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置であって、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は前記直流電力と前記高周波電力が給電される領域である給電領域と、接地される領域である接地領域を備え、
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第1の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第1の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極の前記給電領域と前記第1の真空装置用電流導入端子とが接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極の前記接地領域と前記接地された第2の真空装置用電流導入端子とが接続されるとともに、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は前記基板保持台の直上に配置され、
前記基板は前記基板保持台に載置され、
前記直流電源から前記直流電力が前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に供給されて前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が高温化され、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が発する輻射エネルギーで前記基板が加熱されるとともに、
前記高周波電源から前記高周波電力が前記インピーダンス整合器を介して前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に供給されて、前記原料ガス供給系から供給される前記原料ガスがプラズマ化されることにより前記基板にダイヤモンドを形成することを特徴とする。
第2の発明は、第1の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作された1本の細線を備え、前記1本の細線は複数の折れ部が設けられ、前記基板保持台の主面に平行に配置され、前記1本の細線の一方の端部は第1の給電領域が設けられ、前記第1の給電領域と前記第1の真空装置用電流導入端子が接続され、前記1本の細線の他方の端部は第1の接地領域が設けられ、前記第1の接地領域と前記第2の真空装置用電流導入端子が接続されるとともに、前記1本の細線は前記複数の折れ部に備える張力付与手段により張力が付与されることを特徴とする。
第3の発明は、第1の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作されたn枚から成る第1ないし第nの短冊状薄板を備え、各前記短冊状薄板の面が前記基板保持台の主面に対向し、且つ各前記第1ないし第nの短冊状薄板は互いに平行に等間隔に配置され、
前記第1枚の前記短冊状薄板の一方の端部と前記第2の短冊状薄板の一方の端部を第1の金属製固定棒で連結し、前記第2の短冊状薄板の他方の端部と前記第3の短冊状薄板の一方の端部を第2の金属製固定棒で連結し、順次、前記第n-1の短冊状薄板の一方の端部と前記第nの短冊状薄板の一方の端部を第n-1の金属製固定棒で連結し、
前記第1の短冊状薄板の他方の端部に第2の給電領域が設けられ、前記第2の給電領域と前記第1の真空装置用電流導入端子が接続され、
前記第nの短冊状薄板の他方の端部に第2の接地領域が設けられ、前記第2の接地領域と前記第2の真空装置用電流導入端子が接続されるとともに、
前記第1ないし前記第nの短冊状薄板は、前記第1ないし第n-1の金属製固定棒に備える張力付与手段により張力が付与されることを特徴とする。
第4の発明は、第1の発明又は第2の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、断面形状が直径略0.1mm~1.0mmの円形であることを特徴とする。
第5の発明は、第1の発明又は第3の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、断面形状が略0.05mm~0.5mmの厚みで、略0.5mm~10mmの幅を持つ長方形であることを特徴とする。
第6の発明は、第1の発明から第5の発明のいずれか一つの発明において、前記高周波電源の周波数は、VHF帯域(30MHz~300MHz)であることを特徴とする。
第7の発明は、第1の発明から第6の発明のいずれか一つの発明において、前記基板保持台は、タンタル(Ta)で形成され、且つ冷媒を用いた冷却手段を備えることを特徴とする。
A first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems includes a reaction vessel equipped with a raw material gas supply system and an exhaust system containing at least methane gas (CH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ); A substrate holding table having a main surface disposed inside to hold a substrate, a plasma generation electrode for both radiant heating and generating high-frequency plasma and generating radiant energy for heating the substrate, and the plasma generation electrode for radiant heating and other functions. a high-frequency power supply that supplies high-frequency power to the radiation heating and plasma generation electrode via an impedance matching device; and a first electrically ungrounded current introduction terminal for the vacuum device; A diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD, comprising a grounded second current introduction terminal for a vacuum apparatus,
The radiation heating and plasma generation electrode includes a power feeding area to which the DC power and the high frequency power are fed, and a grounding area to be grounded,
The output terminal of the DC power source is connected to the first vacuum device current introduction terminal via a coil that blocks intrusion of the high frequency power generated by the high frequency power source,
The output terminal of the impedance matching device is connected to the first vacuum device current introduction terminal via a capacitor that blocks the intrusion of the DC power generated by the DC power supply,
The power supply region of the radiation heating plasma generation electrode and the first vacuum device current introduction terminal are connected,
The grounding region of the radiation heating plasma generation electrode and the grounded second vacuum device current introduction terminal are connected, and
The radiation heating and plasma generation electrode is arranged directly above the substrate holding table,
the substrate is placed on the substrate holder,
The DC power is supplied from the DC power supply to the radiant heating/plasma generation electrode to raise the temperature of the radiant heating/plasma generation electrode, and the substrate is heated by the radiant energy emitted by the radiant heating/plasma generation electrode. ,
The high frequency power is supplied from the high frequency power source to the radiation heating plasma generation electrode via the impedance matching device, and the raw material gas supplied from the raw material gas supply system is turned into plasma, thereby forming diamonds on the substrate. It is characterized by the formation of
A second invention is based on the first invention, wherein the radiation heating and plasma generating electrode includes one thin wire made of tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing tantalum; The thin wire is provided with a plurality of bent portions and is arranged parallel to the main surface of the substrate holder, and one end of the single thin wire is provided with a first power feeding area, and is connected to the first power feeding area. The first vacuum device current introducing terminal is connected, the other end of the one thin wire is provided with a first grounding region, and the first grounding region and the second vacuum device current introducing terminal are connected. The present invention is characterized in that when the terminals are connected, tension is applied to the one thin wire by tension applying means provided at the plurality of bent portions.
A third invention is based on the first invention, wherein the radiation heating and plasma generating electrode is made of first to nth strips made of n pieces made of tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing tantalum. the first to nth strip-shaped thin plates are arranged parallel to each other at equal intervals;
One end of the first strip-shaped thin plate and one end of the second strip-shaped thin plate are connected by a first metal fixing rod, and the other end of the second strip-shaped thin plate is connected. and one end of the third strip-shaped thin plate are connected by a second metal fixing rod, and one end of the n-1th strip-shaped thin plate and the n-th strip-shaped thin plate are sequentially connected. one end of which is connected with the n-1th metal fixing rod,
A second power supply region is provided at the other end of the first thin strip, and the second power supply region and the first vacuum device current introduction terminal are connected,
A second grounding region is provided at the other end of the n-th strip-shaped thin plate, and the second grounding region and the second vacuum device current introducing terminal are connected,
Tension is applied to the first to n-th strip-shaped thin plates by tension applying means provided in the first to n-1 metal fixing rods.
A fourth invention is characterized in that in the first invention or the second invention, the radiation heating and plasma generation electrode has a circular cross-sectional shape with a diameter of approximately 0.1 mm to 1.0 mm.
A fifth invention is based on the first invention or the third invention, wherein the radiation heating and plasma generating electrode has a cross-sectional shape with a thickness of approximately 0.05 mm to 0.5 mm and a width of approximately 0.5 mm to 10 mm. It is characterized by its rectangular shape.
A sixth invention is characterized in that in any one of the first to fifth inventions, the frequency of the high frequency power source is in the VHF band (30 MHz to 300 MHz).
A seventh invention is the invention according to any one of the first invention to the sixth invention, wherein the substrate holder is made of tantalum (Ta) and includes a cooling means using a refrigerant. do.
上記のように構成された本発明の高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、輻射加熱兼用プラズマ発生電極に高周波電力の侵入を遮断するコイルを備える直流電源から直流電力を供給して輻射熱を発生させ、且つ熱電子及び紫外線等を発生させるとともに、前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源から高周波電力を供給し、原料ガス(メタンと水素の混合ガス)をプラズマ化することにより、ダイヤモンドの形成の前駆体である高濃度のCH3ラジカル及び高濃度の原子状Hを発生させることが可能となる。前記原料ガスのプラズマ化は、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が有する輻射熱を発生する作用と、熱電子を発生する作用と、VHFによる高密度プラズマを発生する作用の3つの作用が効果的に相乗させることが可能となり、高濃度のCH3ラジカル及び高濃度の原子状Hを発生させることが可能となる。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。 The diamond forming apparatus using high-frequency plasma CVD of the present invention configured as described above supplies DC power from a DC power source equipped with a coil for blocking the penetration of high-frequency power to the radiation heating plasma generation electrode to generate radiant heat. In addition, by generating thermoelectrons, ultraviolet rays, etc., and supplying high frequency power from a high frequency power source equipped with a capacitor that blocks the intrusion of the DC power, the raw material gas (mixed gas of methane and hydrogen) is turned into plasma. It becomes possible to generate a high concentration of CH 3 radicals and a high concentration of atomic H, which are precursors for the formation of . The plasma generation of the raw material gas is achieved by effectively synergizing the three effects of the radiation heating and plasma generation electrode: the effect of generating radiant heat, the effect of generating thermoelectrons, and the effect of generating high-density plasma by VHF. This makes it possible to generate a high concentration of CH 3 radicals and a high concentration of atomic H. As a result, it becomes possible to grow diamonds in a large area at high speed and with high quality, thereby achieving the effect that the above-mentioned problems can be solved.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, similar members are given the same reference numerals, and overlapping explanations will be omitted.
Note that the present invention is not limited to the following description, and can be modified as appropriate without departing from the gist of the present invention. Further, in the drawings shown below, for convenience of explanation, the scale of each member may be different from the actual scale. Furthermore, the scales of the drawings may differ from the actual scale.
(第1の実施形態)
先ず、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の構成について、図1~図5を参照して、説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の構成を示す模式的断面図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。図3は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極から放出される輻射エネルギーと熱電子、及びプラズマを示す原理的模式図である。図4は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置における原料ガス(メタンCH4と水素H2の混合ガス)のプラズマによる分解を示す原理的模式図である。図5は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置を用いて形成されるダイヤモンドの成長過程を示す原理的模式図である。
(First embodiment)
First, the configuration of a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a first radiation heating and plasma generation electrode which is a component of the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the principle of radiant energy, thermoelectrons, and plasma emitted from the first radiant heating and plasma generating electrode, which is a component of the diamond forming apparatus by high-frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention. This is a schematic diagram. FIG. 4 is a schematic diagram showing the principle of decomposition of raw material gas (mixed gas of methane CH 4 and hydrogen H 2 ) by plasma in the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the principle of the growth process of diamond formed using the high-frequency plasma CVD diamond forming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、図1及び図2に示されるように、排気系を有する反応容器1と、図示しない原料ガス供給系(原料ガスは、少なくともメタンガスCH4と水素ガスH2を含む)と、前記反応容器1の内部に配置されて基板9を保持する主面6aを有する基板保持台6と、前記基板9を加熱する輻射エネルギーを発生し、且つ高周波プラズマを発生する第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と、前記第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に直流電力を供給する直流電源8と、前記第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極にインピーダンス整合器11を介して高周波電力を供給する高周波電源10と、電気的に非接地の第1の真空装置用電流導入端子12aと、接地された第2の真空装置用電流導入端子12bと、を備えている。
反応容器1は、円筒箱状あるいは矩形箱状の反応容器である。反応容器1の内部には、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と、基板9を保持する主面6aを有する基板保持台6と、原料ガス供給箱13が配置される。基板保持台6と第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と原料ガス供給箱13は、この順に配置される。
反応容器1は、図示しない真空ポンプに接続された排気口17a、17bを備えている。排気口17a、17bは、図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器1の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器1内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
反応容器1は、該反応容器1内部に各構成部材を組み立て、設置するための図示しない作業用フランジを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a diamond forming apparatus using high-frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention includes a
The
The
The
基板保持台6は、主面6aを有し、該主面6aで基板9と接し、保持する。基板9の温度は、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2が放射する輻射熱により加熱され、基板保持台6の内部に設けられた図示しない冷媒を用いた冷却手段と連携して所定の温度に制御される。基板9の温度は、約700~約1,200℃に、例えば、1,000℃に設定される。なお、基板6の温度は、後述の放射温度計19を用いて測定される。
基板保持台6の断面形状は、基板9の形状と相似形である。例えば、基板9のサイズが直径5インチの円板形である場合は、それより一回り大きいサイズで、例えば、直径153mmである。例えば、基板9のサイズが5インチx5インチの矩形板である場合は、それより一回り大きいサイズで、例えば、153mmx153mmである。
基板9は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から基板保持台6の主面6aに搬入、載置され、目的とするプラズマ処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。
ここでは、基板9を、例えば、直径5インチの単結晶Siウエハーとする。基板保持台6の主面6aのサイズは、例えば、直径153mmとする。なお、基板9は単結晶Siウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンドを載置してもよい。
The substrate holding stand 6 has a
The cross-sectional shape of the
By opening and closing a substrate loading/unloading valve (not shown), the
Here, the
第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2は、図2に示されるように、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作された1本の細線2aを備え、前記1本の細線2aは複数の折れ部2aaが設けられ、前記基板保持台6の主面6aに平行に配置され、前記1本の細線2aの一方の端部は第1の給電領域2bが設けられ、前記第1の給電領域2bと前記第1の真空装置用電流導入端子12aが第1の給電棒5aを介して接続され、前記1本の細線2aの他方の端部は第1の接地領域2cが設けられ、前記第1の接地領域2cと前記第2の真空装置用電流導入端子12bが第2の給電棒5bを介して接続されるとともに、前記1本の細線2aは前記複数の折れ部2aaに備える張力付与手段3により張力が付与される、という構成を有する。
なお、前記複数の折れ部2aaに設けられる張力付与手段3は、絶縁材4を介して反応容器1の壁に固定される。また、前記張力付与手段3は、図2図示のコイルバネ方式の張力付与手段に限定されず、板バネ方式又は捻り棒方式の張力付与手段を用いてもよい。また、前記複数の折れ部2aaを引っ張る張力付与手段3の材質は高融点の金属材、例えば、タングステン及びタンタル又はタンタル合金が用いられる。
前記1本の細線2aの材料として、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金を選ぶ理由は次の通りである。
即ち、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン(W、φ=4.5eV)あるいはタンタル(Ta、φ=4.2eV)あるいはタンタルを含む合金を選ぶ。前記1本の細線2aの断面形状は、電気抵抗と表面積を考慮し、円形あるいは長方形とする。なお、前記1本の細線2aの断面形状が円形の場合は、材料となる線材が安価で、入手が容易に可能というメリットがある。また、前記1本の細線2aの断面形状が長方形の場合は、表面積が広いことから熱電子発生量を容易に増大可能というメリットがある。
本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置では、円形を選ぶ。例えば、直径0.1mm~1.0mmから、例えば、直径0.3mmを選ぶ。
なお、直径0.1mm~1.0mmを選ぶ理由は、例えば、特許文献1~特許文献3に記載されているように、熱フィラメントCVD装置としての実績があり、一般的知見として妥当であるからである。プラズマ生成に関する観点からも、上記サイズは、例えば、非特許文献7に記載されているように、プラズマ発生電極の構成部材として、比較的容易に適用できるからである。
前記1本の細線2aの長さは、図2図示の点線2dで囲まれた面積が基板保持台6の主面6aより大きいサイズとなるに必要な長さ、例えば、1,200mm~1,500mm、例えば、1,300mmとする。
As shown in FIG. 2, the first radiation heating
Note that the
The reason why tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing tantalum is selected as the material for the single
That is, from the viewpoint of thermoelectron generation, tungsten (W, φ=4.5 eV), tantalum (Ta, φ=4.2 eV), or an alloy containing tantalum, which is a material with a low work function φ, is selected. The cross-sectional shape of the single
In the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention, a circular shape is selected. For example, from a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm, for example, a diameter of 0.3 mm is selected.
The reason for selecting a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm is that it has a proven track record as a hot filament CVD apparatus, as described in
The length of the single
前記1本の細線2aをタンタル製とした場合、前記1本の細線2a(タンタル線)の電気抵抗は、概略、次に示す値を持つ。因みに、タンタル線の抵抗率は、1,200℃で、61.5x10-6Ω・cmである。
前記1本の細線2a(タンタル線)の抵抗値R(直径:0.3mm、長さ130cm)
=抵抗率(Ω・cm)x長さ(cm)/断面積(cm2)
=61.5x10-6(Ω・cm)x130(cm)/0.7x10-3(cm2)
=11.4Ω ・・・(1)
前記1本の細線2aと基板9の間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約700~約1,200℃に、例えば、1,000℃に設定し、且つ後述の熱電子の発生を多大にする前記1本の細線2aの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、前記1本の細線2aと基板9の間隔は、略4mm~略40mmの範囲に選定される。例えば、5mmとする。
When the single
Resistance value R of the single
= Resistivity (Ω・cm) x Length (cm)/Cross-sectional area (cm 2 )
= 61.5x10-6 (Ωcm)x130(cm) /0.7x10-3 ( cm2 )
=11.4Ω...(1)
The distance between the single
原料ガス供給箱13は、図1に示されるように、原料ガス供給口7と、原料ガス噴出穴13aと、温度測定用石英窓19aを備えている。なお、前記石英窓19aは赤外線と可視光の一部を透過する特性を有し、反応容器1の外部より、基板9を見ることが可能である。
温度測定用石英窓19aは、放射温度計19と連携して、基板温度の測定に用いられる。原料ガス噴出穴13aは、穴の直径が、例えば、略0.4mm~略1mmで、開口率は、例えば、略30%~略80%である。穴の直径を0.4mm~1mmに設定することにより、原料ガスを均一に噴出することが出来る。また、開口率を30%~80%に設定することにより、温度測定用石英窓19aから基板表面を透視できるので、放射温度計19により、石英窓19aを介して、基板9の温度を測定出来る。なお、放射温度計19は、基板9の温度のみならず、前記1本の細線2aの温度も測定出来る。
As shown in FIG. 1, the raw material
The temperature measuring quartz window 19a is used in conjunction with the
第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に直流電力を供給する直流電力供給手段は、図1及び図2に示されるように、直流電源8と、非接地の直流電力供給線8aと、接地された直流電力供給線8bと、電気的に非接地の第1の真空用電流導入端子12aと、接地された第2の真空用電流導入端子12bと、高周波電力を遮断するコイル16を備える。なお、直流電源8は、定電力制御方式の直流電源であり、負荷の状態が変化しても常に一定の電力を流すように制御可能である。
前記第1の真空用電流導入端子12aは、第1の給電棒5aを介して前記第1の給電領域2bに接続される。前記第2の真空用電流導入端子12bは、第2の給電棒5bを介して前記第1の接地領域2cに接続される。
直流電源8の非接地の出力端子は、非接地の直流電力供給線8aとコイル16を介して、第1の真空用電流導入端子12aに接続される。直流電源8の接地された出力端子は、接地された直流電力供給線8bを介して、第2の真空用電流導入端子12bに接続される。
即ち、直流電源8の直流電力供給回路は、該直流電源8の出力端子から順に、非接地の直流電力供給線8a、コイル16、第1の真空用電流導入端子12a、第1の給電棒5a、第1の給電領域2b、1本の細線2a、第1の接地領域2c、第2の給電棒5b、第2の真空用電流導入端子12b、接地された直流電力供給線8b及び前記直流電源8の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
直流電源8は、定電力制御方式であり、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2の構成部材の前記1本の細線2aの温度を、約1,000~約2,500℃に、例えば、2,400℃に加熱し、一定温度に制御可能である。直流電源8は、市販の装置、例えば、出力電流:最大50A,出力電圧:最大1kV、出力電力:最大50kWの定電力制御方式直流電源を用いる。
コイル16は、後述の高周波電源10が発生する高周波電力の直流電源8への進入を遮断するインダクタンスを有する。なお、高周波電力の周波数に見合ったインダクタンスは、コイルの巻き数を調整することにより、対応可能であり、該高周波数の電力を遮断することが出来る。
As shown in FIGS. 1 and 2, the DC power supply means for supplying DC power to the first radiation heating
The first vacuum
The ungrounded output terminal of the
That is, the DC power supply circuit of the
The
The
第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に高周波電力を供給する高周波電力供給手段は、図1及び図2に示されるように、高周波電源10と、同軸ケーブル10aと、インピーダンス整合器11と、第1の高周波電力線11aと、コンデンサー15と、第2の高周波電力線11bと、第1の真空用電流導入端子12aと、第2の真空用電流導入端子12bを備える。なお、第2の真空用電流導入端子12bは接地されている。
高周波電源10は、発生電力の周波数がVHF帯域である30MHz~300MHzから選ぶ。例えば、60MHzの電源を用いる。なお、直流電源10と後述のインピーダンス整合器11は市販されている装置、例えば、周波数60MHz、出力最大1kWの高周波電源が用いられる。
VHF帯域の周波数を用いたプラズマ生成では、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2が形成する電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、プラズマ中の電子が該プラズマ領域に補足され電子密度が高くなるという効果がある。その結果、高密度プラズマの生成が可能であり、低電子温度のプラズマが生成される。
高周波電源10の非接地の出力端子は、同軸ケーブル10aとインピーダンス整合器11と第1の高周波電力線11aとコンデンサー15と第2の高周波電力線11bを介して、第1の真空用電流導入端子12aに接続される。なお、インピーダンス整合器11は、高周波電源10から供給された高周波電力が第1の真空用電流導入端子12a側から上流側へ反射して戻ってくる反射波の強さを最小になるように、該インピーダンス整合器11に内蔵されるインピーダンス調整手段を調整する。また、コンデンサー15は、直流電源8が発生する直流電力の高周波電源10への進入を遮断するキャパシタンスを有する。なお、高周波電力の供給及び直流電力遮断に見合ったキャパシタンスは、可変コンデンサーを用いることにより、対応可能であり、高周波電力を送電し、且つ直流電源8の出力である直流電力を遮断することが出来る。
即ち、高周波電源10の高周波電力供給回路は、該高周波電源10の出力端子から順に、同軸ケーブル10a、インピーダンス整合器11、第1の高周波電力線11a、コンデンサー15、第2の高周波電力線11b、第1の真空用電流導入端子12a、第1の給電棒5a、第1の給電領域2b、1本の細線2a、第1の接地領域2c、第2の給電棒5b、第2の真空用電流導入端子12b、前記高周波電源10の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
第1の高周波電力線11a及び第2の高周波電力線11bは、帯状の導体板あるいは同軸ケーブルが用いられる。ここでは、インピーダンスが小さい帯状の導体板が用いられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the high-frequency power supply means for supplying high-frequency power to the first radiation heating
The frequency of the generated power of the high
In plasma generation using a frequency in the VHF band, the direction of the electric field formed by the first radiation heating
The non-grounded output terminal of the high
That is, the high-frequency power supply circuit of the high-
A band-shaped conductor plate or a coaxial cable is used for the first high-
次に、上述の直流電力供給手段から第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2へ直流電力が供給される際に発生する輻射熱及び熱電子の形態について、以下に説明する。
図1において、直流電源8の出力を、例えば、500W~10kW、例えば、3kWとして、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に供給する。そうすると、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2の構成部材の前記1本の細線2aは、赤熱し、図3に示されるように、前記1本の細線2aから輻射エネルギー(赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱)100が放出され、基板9は加熱される。なお、図3において、符号100は、前記1本の細線2aから放射される輻射エネルギー(赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱)である。
前記1本の細線2aから放射される輻射エネルギー(赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱)100は、例えば、非特許文献4に記載されているように、ステファン・ボルツマンの法則で表される。即ち、前記1本の細線2aから放射される輻射エネルギーEsは、次式(2)で表される。
Es ∝ ε・σ・T4(w/cm2) ・・・(2)
ただし、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Tは前記1本の細線2aの絶対温度である。
基板9に入射する輻射エネルギーQは、例えば、非特許文献4に記載されているように、次式(3)で表される。
Q ∝ Es・Ss・cosθ/d2 ・・・(3)
ただし、Esは前記1本の細線2aから放射される輻射エネルギー、Ssは前記1本の細線2aの表面積、θは、図3に示されるように基板9の法線を基準にした前記1本の細線2aを見上げる角度(仰角)、dは前記1本の細線2aと基板9の距離である。
また、隣り合う2つの高温物体では輻射エネルギーの交換が発生する。例えば、隣り合って配置された第1の高温物体の温度T1で、第2の高温物体の温度T2の場合、単位面積当たりの正味のエネルギー交換量ΔEは、次式(4)で表される。
ΔE ∝ ε・σ・(T1-T2)4 ・・・(4)
これは、隣り合って配置された前記1本の細線2aの間では、温度が同じであれば、正味のエネルギー交換は発生しない、ということを示している。即ち、隣り合って配置された前記1本の細線2a同士は温度がほぼ同じであるので、両者の間で正味のエネルギー交換は発生しない、という意味である。
基板9の表面温度は、上記式(2)ないし式(4)で表されるように、隣り合う前記1本の細線2a同士の間の距離、前記1本の細線2aと基板9の距離d及び直流電源8の出力に依存することから、放射温度計19で基板9の表面温度を測定しながら、基板9の表面温度が該基板9の前面に亘って、ほぼ一様になるように、隣り合う前記1本の細線2a同士間の距離、前記1本の細線2aと基板9の距離d及び直流電源8の出力のそれぞれの最適値に関するデータを、予め実験により把握する。
ここでは、予め把握した前記1本の細線2a同士間の距離、前記1本の細線2aと基板9の距離及び直流電源8の出力のそれぞれの最適値に関するデータを基に、基板9の表面温度が、約700~約1,200℃に、例えば、1,000℃に設定し、維持制御する。
Next, the form of radiant heat and thermoelectrons generated when DC power is supplied from the above-mentioned DC power supply means to the first radiant heating/
In FIG. 1, the output of the
The radiant energy (radiant heat including infrared rays, visible light, ultraviolet rays, etc.) 100 emitted from the single
Es ∝ ε・σ・T 4 (w/cm 2 ) ... (2)
Here, ε is the emissivity, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T is the absolute temperature of the single
The radiant energy Q incident on the
Q ∝ Es・Ss・cosθ/d 2 ...(3)
Here, Es is the radiant energy radiated from the one
Furthermore, exchange of radiant energy occurs between two adjacent high-temperature objects. For example, if the temperature of a first high-temperature object placed next to each other is T1 and the temperature of a second high-temperature object is T2 , the net energy exchange amount ΔE per unit area is expressed by the following equation (4). be done.
ΔE ∝ ε・σ・(T 1 - T 2 ) 4 ...(4)
This indicates that, if the temperatures are the same, no net energy exchange occurs between the single
The surface temperature of the
Here, the surface temperature of the
他方、前記1本の細線2aが高温度に加熱される場合、熱電子が発生する。熱電子の発生状況が、模式的に図3に示される。なお、図3において、符号101は、前記1本の細線2aから放出される熱電子である。
前記1本の細線2aが高温である場合、例えば、非特許文献3に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。
即ち、前記1本の細線2aが発生する熱電子の発生個数Neは、次式(5)で表される。
Ne ∝ T2・exp{-φ/kT} (単位:A/m2) ・・・(5)
ただし、Tは前記1本の細線2aの絶対温度、φは前記1本の細線2aの仕事関数、kはボルツマン定数である。
したがって、前記1本の細線2aの温度が高いほど、また、仕事関数が小さいほど、放出される熱電子の数が多くなる。例えば、非特許文献3によれば、タングステン(W)の仕事関数φ=4.5eV、タンタル(Ta)の仕事関数φ=4.2eVであり、熱電子放出特性として、タングステンW(融点:3,000℃)に関し、2,000℃で0.01A/cm2及び2,400℃で、1A/cm2が得られ、タンタルTa(融点:2,850℃)に関し、1,400℃で、0.01A/cm2及び1,800℃で、1A/cm2が得られている。
即ち、上記式(5)及び非特許文献3に記載の上記データは、前記1本の細線2aの温度が高ければ高いほど、多量の熱電子が発生することを示している。また、熱電子発生の能力で比較すれば、タンタルがタングステンよりも優れていることが判る。
ここでは、熱電子の発生量を最大とするために、前記1本の細線2aの温度を融点以下とし、可能な限り最大の温度に選ぶ。例えば、基板9の表面温度を所要の値に維持しつつ、前記1本の細線2aの温度を可能な限り高い温度に、例えば、2,400℃に設定する。ただし、前記1本の細線2aの温度が上昇すれば、基板9の温度も上昇するので、基板保持台6が内蔵する冷却手段を用いて、基板9の表面温度を約1,000℃に制御する。
On the other hand, when the single
When the single
That is, the number Ne of thermoelectrons generated by one
Ne ∝ T 2・exp {-φ/kT} (Unit: A/m 2 ) ...(5)
However, T is the absolute temperature of the one
Therefore, the higher the temperature of the single
That is, the above equation (5) and the data described in
Here, in order to maximize the amount of thermoelectrons generated, the temperature of the single
次に、上述の高周波電力供給手段から第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2へ高周波電力を供給する際に発生するプラズマの形態について、以下に説明する。
原料ガス噴出穴13aからメタン(CH4)と水素(H2)の混合ガスを噴出させ、圧力を所定の値に設定し、高周波電源10が発生する高周波電力を、同軸ケーブル10a、インピーダンス整合器11、第1の高周波電力線11a、コンデンサー15、第2の高周波電力線11b及び第1の真空用電流導入端子12aを介して、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に供給する。そうすると、図3に示されるように、プラズマ102が発生する。
該プラズマ102は、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2及び周波数がVHF帯域(30MHz~300MHz)である高周波電源10を用いて生成されることから、以下に列記するような特徴がある。
(a)第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2は、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。前記第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2で発生した熱電子101は、一般的なプラズマ生成空間におけるα作用(電子が気体分子と衝突して電離させ、新たな電子を発生させる作用)、β作用(イオンが気体分子と衝突し、電子を発生させる作用)及びγ作用(陰極に、正イオンが衝突して電子を放出させる作用)で生成される電子と同様に、気体分子の電離作用及び解離作用を有する。
(b)プラズマは第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に印加された高周波電源10の高周波電力が形成する電界により生成されるが、上記(a)の熱電子101の存在(エジソン効果)により、一般的なプラズマ生成条件に比べて、高周波プラズマが容易に生成される。即ち、上記(a)の熱電子101が超高周波数の電界で加速され、上記α作用及びβ作用に起因するVHFプラズマが生成される。一般的なプラズマ生成では、パッシェンの法則(放電開始電圧Vsは、圧力pと電極間の距離dの積:pd=1~10Pa・m程度において極小値を取る)に依存し、高圧条件下でのグロー放電の生成は困難である。ところが、図1及び図2に示される本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置では、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と基板保持台6の間の空間領域に該第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2が発生する熱電子を含むことから、エジソン効果及び超高周波電界印加効果(電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、電子が空間領域に補足され電子密度が高くなる効果)により高圧条件でのプラズマ生成が可能となる。その結果、電極間の距離dが、例えば、3mm~10mmで、例えば、数kPa~略10kPaにおいて、超高周波グロー放電プラズマの生成が可能である。
(c)高周波電源10の周波数がVHF帯域(30MHz~300MHz)であることから、プラズマ空間(電界発生空間)での電子補足効果があり、イオンダメージが抑制され、且つ高密度のプラズマが生成され、維持される。イオンダメージが抑制された高密度のプラズマの発生により、気体分子の電離及び解離が効果的に促進される。
(d)プラズマ102が生成されると、ダイヤモンド形成での主たる前駆体である多量のCH3ラジカル(電気的に中性の化学的活性種)と、多量の原子状Hが生成される。該CH3ラジカルはダイヤモンド形成の主たる前駆体として、基板表面に化学吸着し、該基板表面で表面化学反応を起こし、多数のC-C結合体を形成する。基板表面に化学吸着したCH3ラジカル及び該CH3ラジカルで形成されたC-C結合体に対し、多量の原子状Hが入射し、基板上で成長するダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分を抜き取ることにより、正四面体構造(ダイヤモンド構造)のC-C結合体が効率良く形成され、成長する。
Next, the form of plasma generated when high frequency power is supplied from the above-mentioned high frequency power supply means to the first radiant heating
A mixed gas of methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) is ejected from the raw material gas ejection hole 13a, the pressure is set to a predetermined value, and the high frequency power generated by the high
Since the
(a) The first radiation heating and
(b) Plasma is generated by the electric field formed by the high-frequency power of the high-
(c) Since the frequency of the high-
(d) When the
ところで、CH3ラジカルの気相中の輸送(移動)は、「物質の単位面積、単位時間当たりの拡散量は、濃度勾配に比例する」というフイックの法則に従う。即ち、これは、次式(6)で表せられる。なお、基板表面の法線方向を座標x軸とし、該基板表面をx=0とする。基板表面に流れ込む単位面積・単位時間当たりのCH3ラジカルの量J1(CH3):(cm-2・s-1)は、CH3ラジカルの拡散係数をD(CH3)として、
J1(CH3)∝ D(CH3)・{d[CH3]/dx}x=0 ・・・(6)
ただし、{d[CH3]/dx}x=0 は基板表面近傍でのCH3濃度勾配(cm-4)である。
原子状Hの輸送(移動)は、上記CH3ラジカルの輸送(移動)と同様に、フイックの法則に従う。即ち、基板表面に流れ込む原子状Hの量J2(H)は、原子状Hの拡散係数をD(H)として、次式(7)で表せられる。
J2(H)∝ D(H)・{d[H]/dx}x=0 ・・・(7)
ただし、{d[H]/dx}x=0 は基板表面近傍でのH濃度勾配(cm-4)である。
上記式(6)及び式(7)は、基板表面近傍のCH3ラジカル及び原子状Hの輸送量は、それぞれの濃度が高ければ、高いほど多くなる、ということを示している。
また、上記式(6)の{d[CH3]/dx}x=0 を増大させるには、CH3ラジカルを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
また、上記式(7)の{d[H]/dx}x=0 を増大させるには、原子状Hを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
By the way, the transport (movement) of CH 3 radicals in the gas phase follows Fick's law, which states that "the amount of diffusion of a substance per unit area and unit time is proportional to the concentration gradient." That is, this is expressed by the following equation (6). Note that the normal direction of the substrate surface is the coordinate x-axis, and the substrate surface is set to x=0. The amount of CH 3 radicals flowing into the substrate surface per unit area and unit time J 1 (CH 3 ): (cm −2 · s −1 ) is determined by the diffusion coefficient of CH 3 radicals being D(CH 3 ).
J 1 (CH 3 )∝ D (CH 3 )・{d[CH 3 ]/dx} x=0 ...(6)
However, {d[CH 3 ]/dx} x=0 is the CH 3 concentration gradient (cm −4 ) near the substrate surface.
The transport (movement) of atomic H follows Fick's law similarly to the transport (migration) of the CH 3 radical described above. That is, the amount J 2 (H) of atomic H flowing into the substrate surface is expressed by the following equation (7), where D(H) is the diffusion coefficient of atomic H.
J 2 (H)∝ D(H)・{d[H]/dx} x=0 ...(7)
However, {d[H]/dx} x=0 is the H concentration gradient (cm −4 ) near the substrate surface.
Equations (6) and (7) above indicate that the transport amount of CH 3 radicals and atomic H near the substrate surface increases as their respective concentrations increase.
Furthermore, in order to increase {d[CH 3 ]/dx} x=0 in the above formula (6), it is effective to increase the density of electrons in the plasma that generates CH 3 radicals. are doing.
Furthermore, in order to increase {d[H]/dx} x=0 in the above equation (7), it is effective to increase the density of electrons in the plasma that generates atomic H. ing.
上記特徴(a)~(d)を有する本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置では、図4及び図5に示されるように、CH3ラジカルと原子状Hを主体にしたラジカルの拡散による輸送現象と基板表面での化学反応現象、並びに多量の原子状Hによるダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分の引き抜き作用によりダイヤモンドが形成される、と考えられる。
即ち、図4及び図5において、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と基板9の間の領域で発生した高濃度のCH3ラジカル及び原子状Hは拡散現象により、基板9の表面に移動する。前記高濃度のCH3ラジカルの一部分は、基板9の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したCH3ラジカルの一部分は、表面化学反応により、C-Cの形で結合する。前記高濃度の原子状Hの一部分は、膜表面及び膜中のH成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたC及びH成分はCH4及びH2等のガスに成って排出される。基板9では、C-C結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが形成され、成長する。
In the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention having the above characteristics (a) to (d), as shown in FIGS. 4 and 5, CH 3 radicals and atomic H are mainly formed. Diamond is formed by a transport phenomenon caused by the diffusion of radicals, a chemical reaction phenomenon on the substrate surface, and a large amount of atomic H that pulls out hydrogen components and weakly bonded carbon components in the diamond formation precursor. Conceivable.
That is, in FIGS. 4 and 5, the highly concentrated CH 3 radicals and atomic H generated in the region between the first radiation heating
次に、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の操作手順について、図1~図5を参照して説明する。
先ず、反応容器1の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板9を基板保持台6の主面6aに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口17a及び排気口7bを介して、反応容器1内部を所定の真空度にする。
次に、直流電源8の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に供給し、予め把握しているデータに基づいて、基板9の表面温度を、例えば、1,000℃に設定する。
次に、基板9の表面を上記温度に加熱した状態で、水素プラズマによる基板9の表面のクリーニングを行う。図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして水素ガスのみを導入し、高周波電源10の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に供給し、水素プラズマを発生させる。なお、水素プラズマによる基板9の表面のクリーニングの方法は、公知の方法で行う。水素プラズマによる基板9の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、1分間の水素プラズマによる基板9の表面のクリーニングを行う。
次に、上記高周波電源10の出力を、一旦、ゼロに戻す。
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとしてメタンガスと水素を選ぶ。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量/メタンガス流量=100/3とする。その後、図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給口7を介して原料ガス噴出穴13aから噴出させる。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器1の内部圧力を、略1kPa~略10kPaに保つ。ここでは、例えば、4kPaに設定し、維持する。
Next, the operating procedure of the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. 1 to 5.
First, a substrate loading/unloading valve (not shown) of the
Next, the output of the
Next, while the surface of the
Next, the output of the high
Next, methane gas and hydrogen are selected as raw material gases from a raw material gas supply source (not shown). The gas supply conditions include, for example, a flow rate ratio of hydrogen flow rate/methane gas flow rate = 100/3. Thereafter, methane gas and hydrogen gas whose predetermined flow rates are controlled by methane gas and hydrogen gas mass flow controllers (not shown) are supplied from a methane gas source (not shown) and a hydrogen gas source (not shown) to the raw material gas ejection hole via the raw material
Next, the degree of opening and closing of the exhaust valve (not shown) is controlled by an exhaust valve control device (not shown), and the internal pressure of the
次に、高周波電源10の周波数をVHF帯域(30MHz~300MHz)、例えば、60MHzとし、出力を、例えば、200W~1KW、ここでは500Wに設定する。
そうすると、図3に示されるように、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と基板保持台6の間、及び該第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と原料ガス供給箱13の間に、プラズマ102が生成される。プラズマ102は、原料ガスのメタン(CH4)及び水素(H2)を電離、解離、励起する。その結果、CH4、H2が解離し、ダイヤモンド形成の前駆体であるCH3ラジカル及び原子状H等を発生する。CH3ラジカル及び原子状H等は拡散して、基板9の表面に到達する。
Next, the frequency of the high
Then, as shown in FIG. 3, between the first radiant heating
次に、ダイヤモンド膜の厚みは上記プラズマ102の生成持続の時間に比例するので、上記高周波電源10の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、それらの出力をゼロにする。また、直流電源8の出力をゼロに落とす。製膜時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、30分~60分、例えば60分とする。
なお、製膜時間は、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と基板保持台6の主面6aとの距離、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器1内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器1を大気条件に戻す。反応容器1が大気条件に戻され、基板9の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板9を取り出す。反応容器1から取り出された基板9には、均一なダイヤモンド膜が形成されていることを確認する。
Next, since the thickness of the diamond film is proportional to the duration of generation of the
Note that the film forming time is related to the relationship between the distance between the first radiation heating
After the formation of the desired diamond film is completed, the supply of the methane gas and hydrogen gas is stopped, and the inside of the
以上の説明で示されたように、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と、周波数60MHzの高周波電源10と、直流電源8等を備えることにより、従来の装置では困難である大面積基板への対応が可能である。
即ち、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
(イ) 装置構成において、輻射エネルギー(輻射熱)を放射し、且つ熱電子を発生し、且
つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源8と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源10と、を主要部材とする。
(ロ) 第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2は仕事関数φが小さいタンタル製あるい
はタンタルを含む合金製あるいはタングステン(タンタルのφ=4.2eV、タングステンのφ=4.5eV)で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2は、VHF帯域(30MHz~300MHz)の超高周波電圧の印加により、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2は、基板温度を約約800℃~約1,200℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
(ハ) 上記(ロ)により、原料ガスであるメタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化
し、CH3ラジカルと原子状水素H等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、4インチ~5インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須の、CH3ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Hの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
As shown in the above description, the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention includes a first radiation heating
That is, the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention has the following characteristics.
(b) In the device configuration, a first radiant heating plasma made of tantalum, an alloy containing tantalum, or tungsten that emits radiant energy (radiant heat), generates thermoelectrons, and forms an ultra-high frequency electric field. The main components are a generating
(b) The first radiation heating
(c) With the above (b), it is possible to turn the mixed gas of methane and hydrogen, which is the raw material gas, into plasma at high density and generate a large amount of CH 3 radicals and atomic hydrogen H, etc., and it is possible to control the temperature at a high temperature. This has the effect that diamond can be efficiently formed on a substrate. Since the wavelength of the high-frequency power that excites the high-density plasma is as long as a meter, it is necessary to control the generation of CH 3 radicals and increase the It is possible to control the generation of atomic hydrogen H at a high concentration, and the problems faced by conventional diamond forming apparatuses can be solved.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置について、図6を参照して、説明する。図1ないし図5も参照する。
なお、本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置では、上述の本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置における第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に代えて、第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極22を用いる。
図6は、本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。
図6において、符号22は、第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極である。第2の輻射加熱兼用電極22は、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作されたn枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nを該n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nの面が前記基板保持台6の主面6aに対向し、且つ互いに平行に等間隔に配置され、第1枚目の前記短冊状薄板23aの一方の端部と前記第2枚目の前記短冊状薄板23bの一方の端部を第1の金属製固定棒30aで連結し、前記第2枚目の短冊状薄板23bの他方の端部と前記第3枚目の短冊状薄板23cの一方の端部を第2の金属製固定棒30bで連結し、順次、前記第n-1枚目の短冊状薄板23n-1の一方の端部と前記第n枚目の短冊状薄板23nの一方の端部を第30n-1の金属製固定棒30n-1で連結し、前記第1枚目の短冊状薄板23aの他方の端部に第2の給電領域26aが設けられ、前記第2の給電領域26aと前記第1の真空装置用電流導入端子12aが第1の給電棒5aを介して接続され、前記n枚目の短冊状薄板23nの他方の端部に第2の接地領域26bが設けられ、前記第2の接地領域26bと前記第2の真空装置用電流導入端子12bが第2の給電棒5bを介して接続されるとともに、前記第1枚目ないし前記第n枚目の短冊状薄板23a~23nは、前記第1ないし第n-1の金属製固定棒30a~30nー1に備える張力付与手段3により張力が付与される、という構成を有する。
前記第1の金属製固定棒ないし第30nー1の金属製固定棒30a~30n-1は、張力付与手段3により絶縁材4を介して反応容器1の壁に固定される。なお、張力付与手段3は、ここではコイルバネ方式を用いているが、板バネ方式又は捻り棒方式の張力付与手段を用いてもよい。また、前記第1ないし第n-1の金属製固定棒30a~30n-1は、高融点の金属、例えば、タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作される。その寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法1mm~5mm程度x1mm~5mm程度の角棒、あるいは直径1mm~5mm程度の丸棒を選ぶ。ここでは、例えば、直径2mmの丸棒を選ぶ。
(Second embodiment)
A diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference is also made to FIGS. 1-5.
In addition, in the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the second embodiment of the present invention, the first radiant heating and plasma generating electrode in the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention described above is used. 2, a second radiant heating and
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a second radiation heating plasma generating electrode which is a component of a diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to a second embodiment of the present invention.
In FIG. 6,
The first to 30n-1
前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nは、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン(W、φ=4.5eV)あるいはタンタル(Ta、φ=4.2eV)あるいはタンタルを含む合金で形成される。その寸法は、例えば、厚み0.05mm~0.5mmx幅1~5mmから、例えば、厚み0.1mmx幅1.0mmを選ぶ。
前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nと前記基板保持台6の主面6aの間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約700~約1,200℃に、例えば、1,000℃に設定し、且つ熱電子の発生を多大にするための条件である前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nと前記基板保持台6の主面6aの間隔は、略4mm~略40mmの範囲に選定される。例えば、7mmとする。
前記前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nの隣り合う間隔は、例えば、2mm~10mmの範囲に設定される。ここでは、例えば、5mmとする。
The n strip-shaped
The distance between the n strip-shaped
The interval between the n strip-shaped
ここで、 本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置に用いられる第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置に用いられる第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の熱電子発生に関する能力を比較する。
第1及び第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2、22が発生する熱電子の発生個数Neは、リチャードソン・ダッシ ュマンの式で求められる。即ち、次式で表される。
Ne ∝ T2・exp{-φ/kT} (単位:A/m2) ・・・(5)
ただし、Tは第1及び第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2、22の絶対温度、φは第1及び第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2、22の仕事関数、kはボルツマン定数である。
上式(5)は単位面積当たりの熱電子の発生個数Neであるので、第1及び第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2、22が発生する熱電子の個数は、それぞれ、次のようになる。
第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2が発生する熱電子の個数は、前記第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2の前記1本の細線2aの表面積、即ち、直径0.3mmの周長=0.0942cmと長さ130cmの積に比例した個数になる。
第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極22が発生する熱電子の個数は、前記第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極22の前記n枚の短冊状薄板23a、23b、23c、23n-1、23nの表面積、即ち、厚み0.1mmx幅1.0mmの周長=0.22cmと長さ432cmの積に比例した個数になる。
即ち、熱電子発生個数の観点で見れば、第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極22のが、第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極2に比べて圧倒的に優位にあることが判る。
したがって、本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置に比べて、熱電子の発生量の増大化が可能であり、プラズマ密度の増大の作用を強めることから、原料ガスであるメタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、CH3ラジカルと原子状水素H等を多量に発生することが可能となり、基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。
Here, the second radiant heating plasma generation electrode used in the diamond forming apparatus by high frequency plasma CVD according to the second embodiment of the present invention, and the diamond forming electrode by high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention. The ability of the first radiant heating/plasma generation electrode used in the device to generate thermionic electrons will be compared.
The number Ne of thermoelectrons generated by the first and second radiation heating
Ne ∝ T 2・exp {-φ/kT} (Unit: A/m 2 ) ...(5)
Here, T is the absolute temperature of the first and second radiation heating
Since the above formula (5) is the number Ne of thermoelectrons generated per unit area, the number of thermoelectrons generated by the first and second radiation heating
The number of thermoelectrons generated by the first radiant heating
The number of thermoelectrons generated by the second radiation heating and
That is, from the viewpoint of the number of thermoelectrons generated, it can be seen that the second radiation heating and
Therefore, the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the second embodiment of the present invention increases the amount of thermoelectrons generated compared to the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the first embodiment of the present invention. Since it strengthens the effect of increasing plasma density, it is possible to turn a mixed gas of methane and hydrogen, which is a raw material gas, into plasma at high density and generate a large amount of CH 3 radicals and atomic hydrogen H, etc. This results in the effect that diamond can be efficiently formed on the substrate.
本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の操作手順は、本発明の第1の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置の場合と同様である。
以上の説明で示されたように、本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、第2の輻射加熱兼用電極22と、周波数60MHzの高周波電源10と、直流電源8等を備えることにより、従来の装置では困難である大面積基板への対応が可能である。
即ち、本発明の第2の実施形態に係わる高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
(イ) 装置構成において、輻射エネルギー(輻射熱)を放射し、且つ熱電子を発生し、且
つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第2の輻射加熱兼用電極22と、高周波電力の侵入を遮断するコイル16を備えた直流電源8と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサー15を備えた高周波電源10と、を主要部材とすることを特徴とする。
(ロ) 第2の輻射加熱兼用電極22は仕事関数φが小さいタンタル製あるいはタンタル
を含む合金製あるいはタングステン(タンタルのφ=4.2eV、タングステンのφ=4.5eV)で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第2の輻射加熱兼用電極22は、VHF帯域(30MHz~300MHz)の超高周波電圧の供給に伴い、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第2の輻射加熱兼用電極22は基板温度を約約800℃~約1,200℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
(ハ) 上記(ロ)により、原料ガスであるメタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化
し、CH3ラジカルと原子状水素H等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、4インチ~5インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須のCH3ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Hの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
The operating procedure of the high frequency plasma CVD diamond forming apparatus according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the high frequency plasma CVD diamond forming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
As shown in the above description, the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the second embodiment of the present invention includes the second
That is, the diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD according to the second embodiment of the present invention has the following features.
(b) In the device configuration, a second radiation heating electrode made of tantalum, an alloy containing tantalum, or tungsten that emits radiant energy (radiant heat), generates thermoelectrons, and forms an ultra-high frequency electric field. 22, a
(b) The second
(c) With the above (b), it is possible to turn the mixed gas of methane and hydrogen, which is the raw material gas, into plasma at high density and generate a large amount of CH 3 radicals and atomic hydrogen H, etc., and it is possible to control the temperature at a high temperature. This has the effect that diamond can be efficiently formed on a substrate. Since the wavelength of the high-frequency power that excites the high-density plasma is long, on the order of meters, it is necessary to control the generation of CH 3 radicals, which are essential for the formation of large-area diamonds on 4-inch to 5-inch substrates, and to achieve high concentration. It is possible to control the generation of atomic hydrogen H, and the problems faced by conventional diamond forming apparatuses can be solved.
1・・・反応容器、
2・・・第1の輻射加熱兼用プラズマ発生電極、
2a・・・タングステン(W)又はタンタル(Ta)又はタンタルを含む合金で製作された1本の細線、
2aa・・・複数の折れ部、
2b・・・第1の給電領域、
2c・・・第1の接地領域、
3・・・張力付与手段、
4・・・絶縁材で形成された反応容器壁への取付け治具、
5a、5b・・・第1及び第2の給電棒、
6・・・基板保持台、
6a・・・基板保持台の主面、
7・・・原料ガス供給口、
8・・・直流電源、
9・・・基板、
10・・・高周波電源、
11・・・インピーダンス整合器、
12a、12b・・・第1及び第2の真空用電流導入端子、
13・・・原料ガス供給箱、
13a・・・原料ガス噴出穴、
15・・・コンデンサー、
16・・・コイル、
19・・・放射温度計、
19a・・・温度測定用石英窓、
22・・・第2の輻射加熱兼用プラズマ発生電極。
1... reaction container,
2...first radiation heating plasma generating electrode,
2a... one thin wire made of tungsten (W) or tantalum (Ta) or an alloy containing tantalum,
2aa... multiple folds,
2b... first power feeding area,
2c...first grounding area,
3... Tension applying means,
4... Attachment jig to the reaction vessel wall made of insulating material,
5a, 5b... first and second power supply rods,
6... Board holding stand,
6a...Main surface of substrate holding stand,
7... Raw material gas supply port,
8...DC power supply,
9...Substrate,
10...High frequency power supply,
11... Impedance matching box,
12a, 12b...first and second vacuum current introduction terminals,
13... Raw material gas supply box,
13a... Raw material gas ejection hole,
15... Capacitor,
16...Coil,
19... Radiation thermometer,
19a...Quartz window for temperature measurement,
22...Second radiation heating and plasma generation electrode.
Claims (7)
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は前記直流電力と前記高周波電力が給電される領域である給電領域と、接地される領域である接地領域を備え、
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第1の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第1の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極の前記給電領域と前記第1の真空装置用電流導入端子とが接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極の前記接地領域と前記接地された第2の真空装置用電流導入端子とが接続されるとともに、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は前記基板保持台の直上に配置され、
前記基板は前記基板保持台に載置され、
前記直流電源から前記直流電力が前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に供給されて前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が高温化され、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が発する輻射エネルギーで前記基板が加熱されるとともに、
前記高周波電源から前記高周波電力が前記インピーダンス整合器を介して前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に供給されて、前記原料ガス供給系から供給される前記原料ガスがプラズマ化されることにより前記基板にダイヤモンドを形成することを特徴とする高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置。 a reaction vessel equipped with a source gas supply system and an exhaust system containing at least methane gas (CH 4 ) and hydrogen gas (H 2 ); and a substrate holding stand disposed inside the reaction vessel and having a main surface for holding a substrate. , a radiant heating and plasma generation electrode that generates radiant energy to heat the substrate and generates high-frequency plasma, a DC power supply that supplies DC power to the radiant heating and plasma generation electrode, and the radiant heating and plasma generation electrode. A high-frequency power source that supplies high-frequency power to the vacuum device via an impedance matching device, a first electrically ungrounded current introduction terminal for the vacuum device, and a grounded second current introduction terminal for the vacuum device. A diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD,
The radiation heating and plasma generation electrode includes a power feeding area to which the DC power and the high frequency power are fed, and a grounding area to be grounded,
The output terminal of the DC power source is connected to the first vacuum device current introduction terminal via a coil that blocks intrusion of the high frequency power generated by the high frequency power source,
The output terminal of the impedance matching device is connected to the first vacuum device current introduction terminal via a capacitor that blocks the intrusion of the DC power generated by the DC power supply,
The power supply region of the radiation heating plasma generation electrode and the first vacuum device current introduction terminal are connected,
The grounding region of the radiation heating plasma generation electrode and the grounded second vacuum device current introduction terminal are connected, and
The radiation heating and plasma generation electrode is arranged directly above the substrate holding table,
the substrate is placed on the substrate holder,
The DC power is supplied from the DC power supply to the radiant heating/plasma generation electrode to raise the temperature of the radiant heating/plasma generation electrode, and the substrate is heated by the radiant energy emitted by the radiant heating/plasma generation electrode. ,
The high frequency power is supplied from the high frequency power source to the radiation heating plasma generation electrode via the impedance matching device, and the raw material gas supplied from the raw material gas supply system is turned into plasma, thereby forming diamonds on the substrate. A diamond forming apparatus using high frequency plasma CVD, which is characterized by forming.
前記1本の細線は前記複数の折れ部に備える張力付与手段により張力が付与されることを特徴とする請求項1に記載の高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置。 The radiation heating and plasma generation electrode includes a single thin wire made of tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing tantalum, the single thin wire is provided with a plurality of bent portions, and the single thin wire is provided with a plurality of bent portions, and Arranged parallel to the main surface of the holding table, one end of the one thin wire is provided with a first power supply region, and the first power supply region and the first vacuum device current introduction terminal are connected. a first grounding region is provided at the other end of the one thin wire, and the first grounding region and the second vacuum device current introduction terminal are connected,
2. The diamond forming apparatus using high-frequency plasma CVD according to claim 1, wherein tension is applied to said one thin wire by tension applying means provided in said plurality of bent portions.
前記第1枚の前記短冊状薄板の一方の端部と前記第2の短冊状薄板の一方の端部を第1の金属製固定棒で連結し、前記第2の短冊状薄板の他方の端部と前記第3の短冊状薄板の一方の端部を第2の金属製固定棒で連結し、順次、前記第n-1の短冊状薄板の一方の端部と前記第nの短冊状薄板の一方の端部を第n-1の金属製固定棒で連結し、
前記第1の短冊状薄板の他方の端部に第2の給電領域が設けられ、前記第2の給電領域と前記第1の真空装置用電流導入端子が接続され、
前記第nの短冊状薄板の他方の端部に第2の接地領域が設けられ、前記第2の接地領域と前記第2の真空装置用電流導入端子が接続されるとともに、
前記第1ないし前記第nの短冊状薄板は、前記第1ないし第n-1の金属製固定棒に備える張力付与手段により張力が付与されることを特徴とする請求項1に記載の高周波プラズマCVDによるダイヤモンド形成装置。 The radiation heating and plasma generation electrode includes first to nth strip-shaped thin plates made of n pieces made of tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing tantalum, and the surface of each strip-shaped thin plate is faces the main surface of the substrate holder, and each of the first to nth strip-shaped thin plates are arranged parallel to each other at equal intervals,
One end of the first strip-shaped thin plate and one end of the second strip-shaped thin plate are connected by a first metal fixing rod, and the other end of the second strip-shaped thin plate is connected. and one end of the third strip-shaped thin plate are connected by a second metal fixing rod, and one end of the n-1th strip-shaped thin plate and the n-th strip-shaped thin plate are sequentially connected. one end of which is connected with the n-1th metal fixing rod,
A second power supply region is provided at the other end of the first thin strip, and the second power supply region and the first vacuum device current introduction terminal are connected,
A second grounding region is provided at the other end of the n-th strip-shaped thin plate, and the second grounding region and the second vacuum device current introducing terminal are connected,
The high-frequency plasma according to claim 1, wherein tension is applied to the first to n-th strip-shaped thin plates by tension applying means provided in the first to n-1 metal fixing rods. Diamond forming equipment using CVD.
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