JP2636856B2 - Method for producing diamond thin film - Google Patents
Method for producing diamond thin filmInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は気相合成法のうち、熱フィラメントCVD法に
よりダイヤモンド薄膜を製造する方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a diamond thin film by a hot filament CVD method among gas phase synthesis methods.
従来、ダイヤモンド薄膜は気相合成法により製膜さ
れ、その気相合成法は次の3種の方法に大別されるもの
である。すなわち、化学的気相合成法(CVD法)…熱
分解CVD法、熱フィラメントCVD法、プラズマCVD法…R
FプラズマCVD法、マイクロ波CVD法、イオンビーム蒸
着法等である。Conventionally, a diamond thin film is formed by a gas phase synthesis method, and the gas phase synthesis method is roughly classified into the following three methods. In other words, chemical vapor phase synthesis (CVD)… pyrolysis CVD, hot filament CVD, plasma CVD… R
F plasma CVD, microwave CVD, ion beam evaporation, etc.
しかしながら、これら従来の気相合成法においては結
晶性のよいダイヤモンドを製膜しようとすると、基板温
度を700℃以上の高温にする必要があり、基板温度をそ
れより低くすると非晶質のダイヤモンド状炭素膜となっ
てしまうという問題を有するとともに、ダイヤモンド薄
膜ができたとしてもその堆積速度は小さいという問題点
を有するものであった。However, in these conventional vapor-phase synthesis methods, in order to form diamond with good crystallinity, it is necessary to raise the substrate temperature to 700 ° C. or higher. In addition to the problem of becoming a carbon film, there is a problem that even if a diamond thin film is formed, the deposition rate is low.
一方、ダイヤモンド薄膜を半導体および電子デバイ
ス、例えば高温動作トランジスタ、半導体レーザー、大
電力素子等に応用する場合には、少なくとも600℃以下
の比較的低温にて製膜することが不可欠の条件となるも
のであった。On the other hand, when diamond thin films are applied to semiconductors and electronic devices, such as high-temperature operating transistors, semiconductor lasers, and high power devices, it is essential that the film be formed at a relatively low temperature of at least 600 ° C. or less. Met.
本発明は半導体および電子デバイス分野にも応用可能
な比較的低温で結晶性に優れたダイヤモンド薄膜を速い
堆積速度にて製造し得る方法を提供することを目的とす
るものである。An object of the present invention is to provide a method for producing a diamond thin film having excellent crystallinity at a relatively low temperature at a high deposition rate, which can be applied to the field of semiconductors and electronic devices.
本発明者らは上記課題を達成するために鋭意研究を重
ねた結果、10-3〜10-1Torrの真空容器中の基板近傍に配
置された熱フィラメントにより、炭化水素ガスもしくは
CH3基を含む有機化合物ガスの少なくとも一種と水素ガ
スとの混合ガスよりなる原料ガスを分解せしめ、前記基
板上にダイヤモンド薄膜を堆積するに際し、前記基板表
面上にN2および/またはHeからなる荷電エネルギー粒子
を照射することにより低温製膜が可能となり、しかも堆
積速度が著しく大きくなるという知見を得、本発明を完
成したものである。The present inventors have conducted intensive studies in order to achieve the above object, and as a result, a hydrocarbon gas or a hydrocarbon gas was formed by a hot filament disposed near a substrate in a vacuum vessel of 10 -3 to 10 -1 Torr.
Decompose a source gas consisting of a mixed gas of at least one organic compound gas containing a CH 3 group and hydrogen gas, and deposit N 2 and / or He on the substrate surface when depositing a diamond thin film on the substrate. It has been found that low-temperature film formation is possible by irradiating charged energy particles, and the deposition rate is remarkably increased. Thus, the present invention has been completed.
以下に実施例により本発明をより詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
第1図は本発明の実施に使用する装置の一例を示すも
のである。第1図において、1はチャンバーであり、こ
のチャンバー1内にはサセプター2が設けられ、その上
に基板3が載置されている。基板3はサセプター2から
の熱供給によって加熱され、反応中、250〜850℃、好ま
しくは300〜700℃に保持される。従って、基板3として
はW,Mo,Ta等の金属板のみならずSiウエハー、SiC、石英
ガラス等の無機材料をも適宜使用できる。原料ガスはチ
ャンバー1の上方から挿入され、基板3上方に開口する
ガス導入管6から供給され、このガス導入管6の先端部
と基板3との間に配置された加熱体4(熱フィラメン
ト)により熱分解され、製膜に有効な活性種が生成され
る。原料ガスとしては炭化水素ガスもしくはCH3基を含
む有機化合物ガスの少なくとも一種と水素ガスとの混合
ガスが使用される。具体的には炭化水素ガスとしてはメ
タン、エタン、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、エ
チレン、プロピレン、アセチレン、ブタジエン等の不飽
和炭化水素、シクロプロパン、シクロヘキサン、シクロ
ブタジエン、ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素の
いずれであってもよい。また、有機化合物ガスとしては
メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノー
ル等のアルコール類、アセトン等のケトン類、イソプロ
ピルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類のいず
れであってもよい。これら炭素化合物は2種以上を併用
してもよい。そして、このような炭素化合物と水素ガス
との混合比は(炭素化合物ガス)/(水素ガス+炭素化
合物ガス)の値が0.1〜10容量%、好ましくは0.5〜5容
量%の範囲とする。このような原料ガス中の水素ガスは
熱分解によって原子状Hを発生し、副生成物であるグラ
ファイトの除去およびダイヤモンドの製膜に有効な活性
種、例えばCH3ラジカル、CH3イオンの基板3表面での移
動を助ける働きをするものと思われる。加熱体4として
はW、Mo、Ta、カンタル等の金属発熱体のワイヤーもし
くはボート、あるいはSiC、C等のセラミック発熱体の
ロッド等が好適に使用でき、通常は1800〜2300℃、好ま
しくは1900〜2100℃程度に加熱される。また、イオン源
5からはN2および/またはHeの不活性ガスからなる荷電
エネルギー粒子が基板3に向けて数十〜数千eVのエネル
ギーで数十〜数百mA/cm2の量照射となるように照射され
る。FIG. 1 shows an example of an apparatus used for carrying out the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a chamber, in which a susceptor 2 is provided, on which a substrate 3 is mounted. The substrate 3 is heated by the heat supply from the susceptor 2 and is kept at 250 to 850C, preferably 300 to 700C during the reaction. Therefore, as the substrate 3, not only a metal plate such as W, Mo, and Ta but also an inorganic material such as a Si wafer, SiC, and quartz glass can be appropriately used. The source gas is inserted from above the chamber 1 and supplied from a gas introduction pipe 6 opening above the substrate 3, and a heating element 4 (hot filament) arranged between the tip of the gas introduction pipe 6 and the substrate 3. To generate active species effective for film formation. As a raw material gas, a mixed gas of a hydrocarbon gas or an organic compound gas containing a CH 3 group and a hydrogen gas is used. Specifically, examples of the hydrocarbon gas include saturated hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane; unsaturated hydrocarbons such as ethylene, propylene, acetylene and butadiene; and aromatics such as cyclopropane, cyclohexane, cyclobutadiene, benzene and toluene. Any of the group hydrocarbons may be used. The organic compound gas may be any of alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol and isopropanol, ketones such as acetone, and ethers such as isopropyl ether and diethyl ether. These carbon compounds may be used in combination of two or more. The mixing ratio between the carbon compound and the hydrogen gas is such that the value of (carbon compound gas) / (hydrogen gas + carbon compound gas) is in the range of 0.1 to 10% by volume, preferably 0.5 to 5% by volume. Hydrogen gas in such a source gas generates atomic H by thermal decomposition, and active species effective for removing graphite as a by-product and forming a diamond film, for example, CH 3 radicals, CH 3 ion substrate 3 It appears to help move on the surface. As the heating element 4, a wire or boat of a metal heating element such as W, Mo, Ta, Kanthal, or a rod of a ceramic heating element such as SiC or C can be suitably used, and usually 1800 to 2300 ° C., preferably 1900 ° C. Heated to ~ 2100 ° C. Further, charged energy particles composed of an inert gas of N 2 and / or He are irradiated from the ion source 5 toward the substrate 3 at an energy of several tens to several thousand eV and at an amount of several tens to several hundreds mA / cm 2. Irradiation.
このような装置において、チャンバー1内を10-3〜10
-1Torrとし、原料ガスを数十〜数百SCCM流して製膜した
場合、イオン源からの荷電エネルギー粒子の照射を行わ
ないで、良質なダイヤモンド薄膜を得るためには基板3
の温度を少くとも850℃以上にしなければならなかった
が、荷電エネルギー粒子の照射を行った場合には基板温
度が250〜850℃、好ましくは300〜700℃にても結晶性の
良いダイヤモンド薄膜が得られた。しかも、荷電エネル
ギー粒子の照射を行った場合にはダイヤモンド薄膜の堆
積速度が150〜400Å/minと比較的大きい値を示した。得
られた薄膜のラマンスペクトルおよび電子線回折の結果
を第2図および第1表に示す。In such a device, the inside of the chamber 1 is 10 −3 to 10
When the film is formed at -1 Torr and the source gas is flowed from tens to hundreds of SCCM, the substrate 3 is required to obtain a high quality diamond thin film without irradiating the charged energy particles from the ion source.
Temperature must be at least 850 ° C or higher, but when the charged energy particles are irradiated, the diamond thin film has good crystallinity even when the substrate temperature is 250 to 850 ° C, preferably 300 to 700 ° C. was gotten. In addition, when irradiation with charged energy particles was performed, the deposition rate of the diamond thin film showed a relatively large value of 150 to 400Å / min. The results of Raman spectrum and electron diffraction of the obtained thin film are shown in FIG. 2 and Table 1.
これら第2図および第1表の結果より、本発明により
得られた薄膜は天然ダイヤモンドとほぼ同一の構成を有
するダイヤモンド薄膜であることがわかる。 From the results shown in FIG. 2 and Table 1, it is understood that the thin film obtained by the present invention is a diamond thin film having substantially the same configuration as natural diamond.
本発明において、イオン源からの荷電エネルギー粒子
の照射による低温製膜および堆積速度の向上の理由は照
射された荷電エネルギー粒子が基板表面上にて活性種と
衝突し、活性種の励起状態を高め、また基板表面(反応
表面)をもエネルギー的に励起し、活性種の表面でのマ
イグレーションを促進するためと思われる。In the present invention, the reason for the low-temperature film formation and the improvement of the deposition rate by the irradiation of the charged energy particles from the ion source is that the irradiated charged energy particles collide with the active species on the substrate surface and increase the excited state of the active species. It is also thought that the substrate surface (reaction surface) is energetically excited to promote the migration of active species on the surface.
以上のような本発明によれば、結晶性の良好なダイヤ
モンド薄膜を低温製膜することができるため半導体およ
び電子デバイスへのダイヤモンド薄膜の応用が可能とな
り、しかも高速での堆積ができ、効率のよいダイヤモン
ド薄膜の製膜が可能となるという効果を有する。According to the present invention as described above, a diamond thin film having good crystallinity can be formed at a low temperature, so that the diamond thin film can be applied to semiconductors and electronic devices, and can be deposited at a high speed, thereby improving efficiency. This has the effect that a good diamond thin film can be formed.
第1図は本発明を実施するための装置の一例を示す概略
説明図である。 第2図は本発明により得られた薄膜のラマンスペクトル
図である。 1……チャンバー、2……サセプター 3……基板、4……加熱体 5……イオン源、6……ガス導入管FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an example of an apparatus for carrying out the present invention. FIG. 2 is a Raman spectrum diagram of a thin film obtained according to the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Chamber 2 ... Susceptor 3 ... Substrate 4 ... Heating body 5 ... Ion source 6 ... Gas introduction pipe
Claims (1)
配置された熱フィラメントにより、炭化水素ガスもしく
はCH3基を含む有機化合物ガスの少なくとも一種と水素
ガスとの混合ガスよりなる原料ガスを分解せしめ、前記
基板上にダイヤモンド薄膜を堆積するに際し、前記基板
表面上にN2および/またはHeからなる荷電エネルギー粒
子を照射することを特徴とするダイヤモンド薄膜の製造
方法。A mixed gas of at least one of a hydrocarbon gas or an organic compound gas containing a CH 3 group and a hydrogen gas by a hot filament disposed near a substrate in a vacuum vessel of 10 -3 to 10 -1 Torr. A method for producing a diamond thin film, comprising decomposing a raw material gas and irradiating the substrate surface with charged energy particles comprising N 2 and / or He when depositing the diamond thin film on the substrate.
Priority Applications (1)
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JP62258544A JP2636856B2 (en) | 1987-10-13 | 1987-10-13 | Method for producing diamond thin film |
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Publications (2)
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JPH01100093A JPH01100093A (en) | 1989-04-18 |
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JPS5927753A (en) * | 1982-08-05 | 1984-02-14 | Nippon Steel Metal Prod Co Ltd | Production of base material for additive for casting of steel |
JPS60195092A (en) * | 1984-03-15 | 1985-10-03 | Tdk Corp | Method and apparatus for production of carbon thin film |
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1987
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