JP2805506B2 - マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置 - Google Patents
マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置Info
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- JP2805506B2 JP2805506B2 JP1216938A JP21693889A JP2805506B2 JP 2805506 B2 JP2805506 B2 JP 2805506B2 JP 1216938 A JP1216938 A JP 1216938A JP 21693889 A JP21693889 A JP 21693889A JP 2805506 B2 JP2805506 B2 JP 2805506B2
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Description
【発明の詳細な説明】 a. 産業上の利用分野 本発明はマイクロ波プラズマCVD法を利用して、基板
上にダイヤモンド膜を合成する装置に関し、特に、ダイ
ヤモンド膜の膜厚の均一化を図った気相合成装置に関す
る。
上にダイヤモンド膜を合成する装置に関し、特に、ダイ
ヤモンド膜の膜厚の均一化を図った気相合成装置に関す
る。
b. 従来の技術 基板上にダイヤモンド膜を気相合成する装置として、
マイクロ波を利用してプラズマ処理するCVD（Chemical
Vapor Deposition;化学気相析出）法によるものが知ら
れている。マイクロ波を利用する利点として、（ｉ）他
の方法よりもプラズマが長時間安定で、合成したダイヤ
モンドの結晶性が良いこと、（ii）プラズマ化できる混
合ガス圧力の範囲が広いこと、（iii）放電を起すため
の電極が反応室内にないため、基板表面の汚染が少ない
ことなどが挙げられる。さらに、最近では大面積基板上
にもダイヤモンド膜を合成できる有効な装置が、同一発
明者により既に提案されている（特願昭63−185111
号）。
マイクロ波を利用してプラズマ処理するCVD（Chemical
Vapor Deposition;化学気相析出）法によるものが知ら
れている。マイクロ波を利用する利点として、（ｉ）他
の方法よりもプラズマが長時間安定で、合成したダイヤ
モンドの結晶性が良いこと、（ii）プラズマ化できる混
合ガス圧力の範囲が広いこと、（iii）放電を起すため
の電極が反応室内にないため、基板表面の汚染が少ない
ことなどが挙げられる。さらに、最近では大面積基板上
にもダイヤモンド膜を合成できる有効な装置が、同一発
明者により既に提案されている（特願昭63−185111
号）。
第４図は、かかる大面積基板上にダイヤモンド膜合成
を可能にした、従来のダイヤモンド膜合成装置の概念図
である。同図において、マイクロ波発振器１からの出力
電力は、導波管端部をテーパ状に拡大して成るマイクロ
波チャンバ２を経由して反応室３内に導かれる。反応室
３はマイクロ波を損失なく透過させうる、例えば石英等
の材質で構成され、該反応室３にはガス供給管４から炭
化水素ガスと水素ガスの混合ガスが導入され、排気管５
から一定流量で排気される。これにより反応室３の内部
は一定圧力に維持される。導入された混合ガスはマイク
ロ波電力によりプラズマ化され、基板台６の２上に載置
された大面積基板７の上にダイヤモンド膜を形成する。
を可能にした、従来のダイヤモンド膜合成装置の概念図
である。同図において、マイクロ波発振器１からの出力
電力は、導波管端部をテーパ状に拡大して成るマイクロ
波チャンバ２を経由して反応室３内に導かれる。反応室
３はマイクロ波を損失なく透過させうる、例えば石英等
の材質で構成され、該反応室３にはガス供給管４から炭
化水素ガスと水素ガスの混合ガスが導入され、排気管５
から一定流量で排気される。これにより反応室３の内部
は一定圧力に維持される。導入された混合ガスはマイク
ロ波電力によりプラズマ化され、基板台６の２上に載置
された大面積基板７の上にダイヤモンド膜を形成する。
c. 発明が解決しようとする課題 前述の従来技術によれば、前記大面積基板７、例えば
直径５インチ（127mm）の円形状ウェハ上には結晶性の
良いダイヤモンド膜を形成することができる。しかしな
がら、第３図の曲線で示すように、その膜厚は基板全
面にわたって、均一でないという問題点があった。同図
は基板の中心からの距離に対する膜厚の関係を示すグラ
フであり、基板の中心部の膜厚は厚く、中心から遠ざか
るにつれて膜厚が薄くなる傾向を示し、膜厚の均一な部
分はウェハの僅かな中心部に限られてしまう。
直径５インチ（127mm）の円形状ウェハ上には結晶性の
良いダイヤモンド膜を形成することができる。しかしな
がら、第３図の曲線で示すように、その膜厚は基板全
面にわたって、均一でないという問題点があった。同図
は基板の中心からの距離に対する膜厚の関係を示すグラ
フであり、基板の中心部の膜厚は厚く、中心から遠ざか
るにつれて膜厚が薄くなる傾向を示し、膜厚の均一な部
分はウェハの僅かな中心部に限られてしまう。
従って、このような構造による従来装置では、大面積
を有する基板上に膜厚が均一なダイヤモンド膜を合成さ
せることは不可能であった。
を有する基板上に膜厚が均一なダイヤモンド膜を合成さ
せることは不可能であった。
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は
前記問題点を解消し、大面積を有する基板上に膜厚が均
一なダイヤモンド膜を合成させるマイクロ波プラズマCV
D法によるダイヤモンド膜合成装置を提供することにあ
る。
前記問題点を解消し、大面積を有する基板上に膜厚が均
一なダイヤモンド膜を合成させるマイクロ波プラズマCV
D法によるダイヤモンド膜合成装置を提供することにあ
る。
d. 課題を解決するための手段 前記目的を達成するための本発明の構成は、 内部に基板が置かれた反応室に、炭化水素と水素の混
合ガス、または必要に応じてこれに他の添加ガスを加え
た混合ガスを供給すると共に、前記反応室から該混合ガ
スを排気しながら任意のガス圧力に設定し、かつ前記反
応室内にマイクロ波を導入し、前記混合ガスを励起して
プラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモンド膜を合
成するマイクロ波プラズマCVD法によるダイヤモンド膜
合成装置において、前記基板を、その面が、前記マイク
ロ波の進行方向に対して直角になるように、基板台上に
載置すると共に、前記反応室の周囲に電磁コイルを配設
し、該電磁コイルに直流電流を流したとき、その磁束密
度の最も大きい部分が、前記反応室内のプラズマが形成
される空間から前記基板に至る領域にくるように、かつ
磁界の方向が前記基板の面にほぼ直角になるように、該
磁界を前記プラズマに印加するものである。
合ガス、または必要に応じてこれに他の添加ガスを加え
た混合ガスを供給すると共に、前記反応室から該混合ガ
スを排気しながら任意のガス圧力に設定し、かつ前記反
応室内にマイクロ波を導入し、前記混合ガスを励起して
プラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモンド膜を合
成するマイクロ波プラズマCVD法によるダイヤモンド膜
合成装置において、前記基板を、その面が、前記マイク
ロ波の進行方向に対して直角になるように、基板台上に
載置すると共に、前記反応室の周囲に電磁コイルを配設
し、該電磁コイルに直流電流を流したとき、その磁束密
度の最も大きい部分が、前記反応室内のプラズマが形成
される空間から前記基板に至る領域にくるように、かつ
磁界の方向が前記基板の面にほぼ直角になるように、該
磁界を前記プラズマに印加するものである。
さらに、前記基板台を、加熱手段と外部電源とにより
補助加熱して、これにより前記基板を加熱する。
補助加熱して、これにより前記基板を加熱する。
前記磁界は、磁束密度が零から少なくとも2500Gauss
の範囲で任意に可変であり、かつ磁界の方向は前記基板
の面にほぼ垂直にする。
の範囲で任意に可変であり、かつ磁界の方向は前記基板
の面にほぼ垂直にする。
e. 作用 前記のように構成されたダイヤモンド膜合成装置にお
いて、高周波電界を受けて運動しているプラズマ中の荷
電粒子は、印加された磁界の方向と直角方向に回転運動
を行う。この回転運動により加速された荷電粒子はより
高いエネルギ状態となり、プラズマ密度が高くなる。
いて、高周波電界を受けて運動しているプラズマ中の荷
電粒子は、印加された磁界の方向と直角方向に回転運動
を行う。この回転運動により加速された荷電粒子はより
高いエネルギ状態となり、プラズマ密度が高くなる。
実際に、磁束密度Ｂを変化させて基板、例えばシリコ
ンウェハにダイヤモンド膜を形成させると、第２図に示
すようにその膜厚は磁束密度Ｂを増加するに従い増加す
る。基板の中心部と周辺部を比較すると、磁界のない場
合（Ｂ＝０の場合）中心部が周辺部に対して厚いが、磁
界を加えてゆくと周辺部の厚さの増加が大きく、一定の
磁束密度B1で両部が等しくなり、さらに磁界を強くする
と相対的に周辺部が厚くなる（B2の点）。これは以下の
ように説明される。
ンウェハにダイヤモンド膜を形成させると、第２図に示
すようにその膜厚は磁束密度Ｂを増加するに従い増加す
る。基板の中心部と周辺部を比較すると、磁界のない場
合（Ｂ＝０の場合）中心部が周辺部に対して厚いが、磁
界を加えてゆくと周辺部の厚さの増加が大きく、一定の
磁束密度B1で両部が等しくなり、さらに磁界を強くする
と相対的に周辺部が厚くなる（B2の点）。これは以下の
ように説明される。
すなわち、磁界のない場合プラズマの中心部が最もプ
ラズマ密度が高いが、磁界を加えた場合全体にプラズマ
密度が高まり、ダイヤモンド膜の合成が増進される。し
かし、さらに磁界を強くすると、よりプラズマ密度の高
い中心部においては、逆にプラズマがダイヤモンド膜を
エッチングする作用が生じるのに対し、基板周辺部では
さらにダイヤモンド膜の成長が促進されるためである。
ラズマ密度が高いが、磁界を加えた場合全体にプラズマ
密度が高まり、ダイヤモンド膜の合成が増進される。し
かし、さらに磁界を強くすると、よりプラズマ密度の高
い中心部においては、逆にプラズマがダイヤモンド膜を
エッチングする作用が生じるのに対し、基板周辺部では
さらにダイヤモンド膜の成長が促進されるためである。
従って、この作用を利用すれば、磁界の強さを調整し
てダイヤモンド膜の膜厚および結晶性等の合成条件を制
御することが可能となる。
てダイヤモンド膜の膜厚および結晶性等の合成条件を制
御することが可能となる。
f. 実施例 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的
に詳しく説明する。
に詳しく説明する。
第１図は本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマ
CVD法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概
念図である。同図において、マイクロ波発振器11で発生
したマイクロ波は、末端がテーパー状に拡大して成るマ
イクロ波チャンバ12を経て、石英製反応室13に導かれ
る。該反応室13にはガス供給管14からメタンガス（C
H4）と水素ガス（H2）の混合ガス（容積混合比1:10
0）、または必要に応じてこれに他の添加ガス（例え
ば、O2,CO,CO2などのほかH2O）を微量加えた混合ガスが
導入され、反応室13内の圧力が一定に保持するように、
図示しない真空ポンプにより排気管15から一定流量で排
気される。
CVD法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概
念図である。同図において、マイクロ波発振器11で発生
したマイクロ波は、末端がテーパー状に拡大して成るマ
イクロ波チャンバ12を経て、石英製反応室13に導かれ
る。該反応室13にはガス供給管14からメタンガス（C
H4）と水素ガス（H2）の混合ガス（容積混合比1:10
0）、または必要に応じてこれに他の添加ガス（例え
ば、O2,CO,CO2などのほかH2O）を微量加えた混合ガスが
導入され、反応室13内の圧力が一定に保持するように、
図示しない真空ポンプにより排気管15から一定流量で排
気される。
反応室13内には基板台16が配設されており、該基板台
16上には、ダイヤモンド膜を合成させる基板17の面がマ
イクロ波の進行方向Ｗに対して直角になるように、基板
17を載置する。
16上には、ダイヤモンド膜を合成させる基板17の面がマ
イクロ波の進行方向Ｗに対して直角になるように、基板
17を載置する。
他方、前記反応室13およびマイクロ波チャンバ12を囲
むように、輪状形の電磁コイル18（図は該コイル巻線の
断面を示す）を配設し、該コイルの中心が反応室13の頂
部と基板17との間のプラズマが形成される空間から該基
板17に至る領域にくるようにする。すなわち、前記電磁
コイル18に図示しない直流電源から電流を流したとき、
該コイル18の中心軸上に軸束密度の最も大き部分が、前
記領域にくるように、かつ磁界の方向が基板17の面にほ
ぼ垂直になるように該コイル18を設置して、プラズマに
磁界を印加するのである。そして、前記電流を調整し、
磁束密度の最大値が零から少なくとも2500Gaussの範囲
で任意に変化できるようにしてある。
むように、輪状形の電磁コイル18（図は該コイル巻線の
断面を示す）を配設し、該コイルの中心が反応室13の頂
部と基板17との間のプラズマが形成される空間から該基
板17に至る領域にくるようにする。すなわち、前記電磁
コイル18に図示しない直流電源から電流を流したとき、
該コイル18の中心軸上に軸束密度の最も大き部分が、前
記領域にくるように、かつ磁界の方向が基板17の面にほ
ぼ垂直になるように該コイル18を設置して、プラズマに
磁界を印加するのである。そして、前記電流を調整し、
磁束密度の最大値が零から少なくとも2500Gaussの範囲
で任意に変化できるようにしてある。
かくして、マイクロ波発振器11より主に周波数2.45GH
zのマイクロ波電力を反応室13に導くことにより、反応
室13の頂部と基板17の間にプラズマを発生させるととも
に、基板17をも加熱する。この場合、反応室13内のガス
圧力は約１〜100Torrにおいて、安定したプラズマを維
持することができる。
zのマイクロ波電力を反応室13に導くことにより、反応
室13の頂部と基板17の間にプラズマを発生させるととも
に、基板17をも加熱する。この場合、反応室13内のガス
圧力は約１〜100Torrにおいて、安定したプラズマを維
持することができる。
今、マイクロ波発振器11からの出力電力を3kWとし、
基板17に直径５インチ（127mm）の円形状シリコンウェ
ハを使用した場合、基板台16に図示しない外部電源を併
用した周知の加熱手段による補助加熱を行ない、該基板
17の温度を約800℃にする。また、混合ガス流量300cc/m
in,ガス圧力40Torrとしてプラズマを発生させるととも
に、該プラズマに対し電磁コイル18により磁界を印加し
た。このとき、第２図において基板17の中心部と周辺部
の膜厚がほぼ等しくなる磁界の磁束密度B1は、実施例の
合成条件において約1200Gaussであった。そこで以上の
条件により８時間の成膜処理を行なったところ、第３図
の曲線のように、基板（ウェハ）17全面にわたり厚さ
約６μｍの均一なダイヤモンド膜が得られた。なお、磁
界を加えない場合は、第３図の曲線のように、基板中
心部と周辺部で膜厚にかなりの差があることは既に知ら
れている。
基板17に直径５インチ（127mm）の円形状シリコンウェ
ハを使用した場合、基板台16に図示しない外部電源を併
用した周知の加熱手段による補助加熱を行ない、該基板
17の温度を約800℃にする。また、混合ガス流量300cc/m
in,ガス圧力40Torrとしてプラズマを発生させるととも
に、該プラズマに対し電磁コイル18により磁界を印加し
た。このとき、第２図において基板17の中心部と周辺部
の膜厚がほぼ等しくなる磁界の磁束密度B1は、実施例の
合成条件において約1200Gaussであった。そこで以上の
条件により８時間の成膜処理を行なったところ、第３図
の曲線のように、基板（ウェハ）17全面にわたり厚さ
約６μｍの均一なダイヤモンド膜が得られた。なお、磁
界を加えない場合は、第３図の曲線のように、基板中
心部と周辺部で膜厚にかなりの差があることは既に知ら
れている。
さらに、磁界の印加によりその合成速度が促進される
ことが分かるとともに、ダイヤモンド膜の結晶性の改善
が観察され、特に基板17の周辺部においてその改善が著
しいことも分った。そして、ラマン分光分析によって、
基板17全体にわたってグラファイト成分のほとんど見ら
れない純粋のダイヤモンドに近いものであることが確認
された。
ことが分かるとともに、ダイヤモンド膜の結晶性の改善
が観察され、特に基板17の周辺部においてその改善が著
しいことも分った。そして、ラマン分光分析によって、
基板17全体にわたってグラファイト成分のほとんど見ら
れない純粋のダイヤモンドに近いものであることが確認
された。
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定
されるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段
によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内
において種々の変更、付加が可能である。
されるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段
によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内
において種々の変更、付加が可能である。
g. 発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明のマイクロ波プ
ラズマCVD法によるダイヤモンド膜合成装置によれば、
基板を、その面が、マイクロ波の進行方向に対して直角
になるように、基板台上に載置すると共に、反応室の周
囲に配設された電磁コイルの磁束密度の最も大きい部分
が、前記反応室内に形成されるプラズマ部分から前記基
板に至る領域にくるように、かつ磁界の方向が前記基板
の面にほぼ直角になるように該磁界を前記プラズマに印
加するので、広い領域、つまり大面積を有する基板上
に、膜厚が均一なダイヤモンド膜を合成させることがで
きる。
ラズマCVD法によるダイヤモンド膜合成装置によれば、
基板を、その面が、マイクロ波の進行方向に対して直角
になるように、基板台上に載置すると共に、反応室の周
囲に配設された電磁コイルの磁束密度の最も大きい部分
が、前記反応室内に形成されるプラズマ部分から前記基
板に至る領域にくるように、かつ磁界の方向が前記基板
の面にほぼ直角になるように該磁界を前記プラズマに印
加するので、広い領域、つまり大面積を有する基板上
に、膜厚が均一なダイヤモンド膜を合成させることがで
きる。
また、合成速度が向上するとともにダイヤモンドの結
晶性も改善することができる。
晶性も改善することができる。
第１図は本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマCV
D法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概念
図、第２図は同装置における磁界の磁束密度と基板上の
ダイヤモンド膜厚との関係を示すグラフ、第３図は基板
の中心からの距離とダイヤモンド膜厚との関係を示すグ
ラフ、第４図は従来の同法によるダイヤモンド膜合成装
置の概念図である。 11……マイクロ波発振器、12……マイクロ波チャンバ、 13……反応室、17……基板、 18……電磁コイル。
D法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概念
図、第２図は同装置における磁界の磁束密度と基板上の
ダイヤモンド膜厚との関係を示すグラフ、第３図は基板
の中心からの距離とダイヤモンド膜厚との関係を示すグ
ラフ、第４図は従来の同法によるダイヤモンド膜合成装
置の概念図である。 11……マイクロ波発振器、12……マイクロ波チャンバ、 13……反応室、17……基板、 18……電磁コイル。
Claims (2)
- 【請求項１】内部に基板が置かれた反応室に、炭化水素
と水素の混合ガス、または必要に応じてこれに他の添加
ガスを加えた混合ガスを供給すると共に、前記反応室か
ら該混合ガスを排気しながら任意のガス圧力に設定し、
かつ前記反応室内にマイクロ波を導入し、前記混合ガス
を励起してプラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモ
ンド膜を合成する装置において、 前記基板を、その面が、前記マイクロ波の進行方向に対
して直角になるように、基板台上に載置すると共に、前
記反応室の周囲に電磁コイルを配設し、該電磁コイルに
直流電流を流したとき、その磁束密度の最も大きい部分
が、前記反応室内のプラズマが形成される空間から前記
基板に至る領域にくるように、かつ磁界の方向が前記基
板の面にほぼ直角になるように、該磁界を前記プラズマ
に印加することを特徴とするマイクロ波プラズマCVD法
によるダイヤモンド膜合成装置。 - 【請求項２】前記基板台を、加熱手段と外部電源とによ
り補助加熱して、これにより前記基板を加熱する特許請
求の範囲第（１）項に記載のマイクロ波プラズマCVD法
によるダイヤモンド膜合成装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1216938A JP2805506B2 (ja) | 1989-08-23 | 1989-08-23 | マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1216938A JP2805506B2 (ja) | 1989-08-23 | 1989-08-23 | マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0380192A JPH0380192A (ja) | 1991-04-04 |
| JP2805506B2 true JP2805506B2 (ja) | 1998-09-30 |
Family
ID=16696283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1216938A Expired - Lifetime JP2805506B2 (ja) | 1989-08-23 | 1989-08-23 | マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2805506B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117026216B (zh) * | 2023-07-19 | 2024-04-26 | 上海顺心谷半导体科技有限公司 | 有循环冷却结构的金刚石膜制备用mpcvd设备 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0637348B2 (ja) * | 1985-04-25 | 1994-05-18 | 株式会社神戸製鋼所 | ダイヤモンド気相合成装置 |
-
1989
- 1989-08-23 JP JP1216938A patent/JP2805506B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0380192A (ja) | 1991-04-04 |
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