JP2899254B2 - Plasma CVD equipment - Google Patents

Plasma CVD equipment

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JP2899254B2
JP2899254B2 JP8311203A JP31120396A JP2899254B2 JP 2899254 B2 JP2899254 B2 JP 2899254B2 JP 8311203 A JP8311203 A JP 8311203A JP 31120396 A JP31120396 A JP 31120396A JP 2899254 B2 JP2899254 B2 JP 2899254B2
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plasma generation
generation space
magnetic field
substrate
microwave
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喬 犬島
直樹 広瀬
衛 田代
舜平 山崎
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、磁界を印加するこ
とにより、高エネルギー励起種を発生させて、エッチン
グさせながら大きくかつ均一な薄膜を形成するプラズマ
CVD装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来、薄膜の形成手段としては、電子サ
イクロトロン共鳴(ECR) を用い、その発散磁場を利用し
て、この共鳴空間より「離れた位置」に基板を配設し、
そこでの被膜、特に、アモルファス構造を有する被膜を
形成する方法が知られている。さらに、一般的に、かか
る電子サイクロトロン共鳴CVD(化学気相法) に加えて、
反応性気体を用いる被膜形成手段としては、数種類が知
られている。これらの被膜形成手段には、たとえば、熱
CVD 、加熱フィラメントCVD 、化学輸送法、13.56MHz
周波数を用いるプラズマ CVD法、マイクロ波のみを用い
るプラズマCVD法が知られている。 【0003】特に、電子サイクロトロン共鳴CVD法は、
活性種を磁場によりピンチングし、高エネルギー化する
ことにより電子エネルギーを大きくし、効率よく反応性
気体をプラズマ化させている。しかし、電子サイクロト
ロン共鳴CVD法は、反応性気体をプラズマ化させること
により、反応性気体の有する高エネルギーにより、基板
の被膜形成面がスパッタ (損傷) を受ける。このスパッ
タを防ぐため、電子サイクロトロン共鳴CVD法は、電子
サイクロトロン共鳴条件を満たした空間より「離れた位
置」に基板を配設し、高エネルギー条件下でのプラズマ
状態を避けたイオンシャワ−化した反応性気体を基板表
面に到達させることにより、被膜形成または異方性エッ
チングを行なっていた。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるシャワ
−化した反応性気体を用いた被膜形成方法では、その気
体の種類により異方性エッチング、アモルファス構造の
被膜形成等のエッチング、またはディポジッションのい
ずれか一方のプロセスのみを採用したものであった。そ
のため、この場合の被膜形成面上には、アモルファス構
造の被膜が形成され易く、結晶性、特に、多結晶性また
は単結晶を有する被膜の形成がきわめて困難であった。
加えて、上記シャワ−化した反応性気体を用いた被膜形
成方法は、スパッタを防止するために、エネルギーを弱
めているので、高いエネルギーを用いることにより、初
めて反応性気体の活性化、または反応をさせ得るような
被膜を形成することが不可能であった。 【0005】本発明は、プラズマ空間内に被膜形成面を
有する基板を配設して、反応性気体に磁界を印加するこ
とによって、エッチングしながら被膜を形成するプラズ
マCVD装置を提供することを目的とする。 【0006】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のプラズマCVD装置は、プラズマ発生空間
と、前記プラズマ発生空間に反応ガスを導入するガス導
入系と、前記プラズマ発生空間に窓を通してマイクロ波
を導入するマイクロ波発生器とを有する電子サイクロト
ロン共鳴を用いるものであり、マイクロ波の伝搬方向と
ほぼ平行で、且つ前記プラズマ発生空間内にて電子サイ
クロトロン共鳴を生じさせる強度の、磁界を発生させる
手段と、前記プラズマ発生空間内の反応圧力を調整する
ための排気手段と、前記プラズマ発生空間において、
記マイクロ波の伝搬方向で基板に向かって磁場の強度が
減少していく位置で、かつ等磁場面に前記基板を配置す
る手段とを備えていることを特徴とする。 【0007】本発明のプラズマCVD装置は、プラズマ
発生空間と、前記プラズマ発生空間に反応ガスを導入す
るガス導入系と、前記プラズマ発生空間に窓を通してマ
イクロ波を導入するマイクロ波発生器とを有する電子サ
イクロトロン共鳴を用いたものであり、前記プラズマ発
生空間内にマイクロ波の定在波を形成させると共に、当
該定在波が前記プラズマ発生空間内にて最大値を有する
ように発生する手段と、マイクロ波の伝搬方向とほぼ平
行で、且つ前記プラズマ発生空間内にて電子サイクロト
ロン共鳴を生じさせる強度の、磁界を発生させる手段
と、前記プラズマ発生空間内の反応圧力を調整するため
の排気手段と、前記プラズマ発生空間において、前記マ
イクロ波の伝搬方向で基板に向かって磁場の強度が減少
していく位置で、かつ等磁場面および定在波の最大領域
に前記基板を配置する手段とを備えていることを特徴と
する。本発明のプラズマCVD装置における等磁場面
は、略875ガウスであることを特徴とする。 【0008】 【発明の実施の形態】本発明のプラズマCVD装置は、
プラズマ発生空間と、反応ガスを導入するガス導入系
と、プラズマ発生空間に窓を通してマイクロ波を導入す
るマイクロ波発生器と、マイクロ波の伝搬方向とほぼ平
行で、且つ前記プラズマ発生空間内にて電子サイクロト
ロン共鳴を発生させる磁場発生手段と、前記プラズマ発
生空間内の反応圧力を調整する排気手段と、前記プラズ
マ発生空間において、前記マイクロ波の伝搬方向で磁場
の強度が減少していく位置で、かつ等磁場面に前記基板
を配置する手段とから構成される。 【0009】マイクロ波発生器から発生したマイクロ波
は、基板に向かって伝搬する。また、磁場を発生する磁
場発生手段は、等磁場と直角方向となる磁界の方向と、
上記発生したマイクロ波の伝搬方向とがほぼ平行で、か
つ電子サイクロトロン共鳴を発生させる強度のものであ
る(図2(A)参照)。また、基板は、プラズマ発生空
において、マイクロ波の伝搬方向で、基板に向かって
磁場の強度が減少していく位置に配置される(図2
(A)参照)。さらに、マイクロ波発振器から発生した
マイクロ波は、閉鎖されたプラズマ発生空間内におい
て、定在波(図2(B)参照)となり、電場の最大値と
なる位置に基板が配置される。 【0010】被膜を形成する基板の被膜形成面には、電
界強度が印加される。そして、上記領域における磁場の
強度程度を調整すると、この領域においてのみ、反応性
気体は、初めて分解または反応することができ、基板上
にエッチングさせながら被膜が形成される。このように
して形成された基板上の被膜は、たとえば、i−カ−ボ
ン膜(ダイヤモンドまたは微結晶粒を有する炭素被
膜)、高融点の金属膜、またはセラミック性絶縁被膜で
ある。 【0011】すなわち、本発明は、従来より知られたマ
イクロ波を用いたプラズマCVD 法に磁場の力を加え、幅
広い圧力範囲において高密度高エネルギーのプラズマを
発生させる。減圧状態におかれた反応空間は、高エネル
ギー状態を利用して、たとえば活性炭素原子を多量に発
生させ、再現性に優れ、均一な膜厚、均質な特性のダイ
ヤモンド膜、i−カ−ボン膜等の被膜の形成を可能とし
たものである。 【0012】また、本発明は、磁場の作用により発生す
る高エネルギー励起種に直流バイアス電圧を印加して、
エッチングと被膜形成とを同時に行なうと、基板側に多
量の励起子が到達し、薄膜の形成速度を向上させる。さ
らに、本発明の構成に付加して、基板表面上まで到る間
に高エネルギーを持つ光(たとえば紫外光)を照射し、
活性種にエネルギーを与え続けると、高密度プラズマ発
生領域より十分離れた位置においても、高エネルギー状
態に励起された炭素原子が存在し、より大面積にダイヤ
モンド膜、i−カ−ボン膜を形成することも可能であ
る。また、本発明は、マイクロ波と磁場との相互作用に
より高密度プラズマを発生させることもできる。 【0013】 【実 施 例】図1は本発明の一実施例で、磁場印加可
能なマイクロ波プラズマCVD装置を説明するための図で
ある。図1において、マイクロ波プラズマCVD装置は、
減圧状態に保持可能なプラズマ発生空間(1) と、補助空
間(2)と、加熱空間(3) と、マイクロ波発振器(4) と、
磁場を発生する電磁石(5)、(5')と、ガス導入系(6) 、
(7) と、排気系を構成するタ−ボ分子ポンプ(8) と、基
板(10)と、基板ホルダ(10') と、圧力調整バルブ(11)
と、ロ−タリ−ポンプ(14)と、マイクロ波導入窓(15)
と、水冷系(18)、(18') と、赤外線加熱ヒ−タ(20)、赤
外線反射面(21)と、レンズ系(22)と、電源(23)、電源(2
5)とから構成されている。 【0014】まず、薄膜形成用基板(10)は、基板ホルダ
(10') 上に設置される。この基板ホルダ(10') は、高熱
伝導性を有し、かつマイクロ波をできるだけ乱さないた
め、セラミックの窒化アルミニュ−ム製のものを用い
た。この基板ホルダ(10') は、赤外線加熱ヒ−タ(20)か
ら発射される赤外線が赤外線反射面(21)であるレンズ系
(22)を介して集光されることにより、たとえば500℃で
加熱される。次に、プラズマ発生空間(1) には、ガス導
入系(6) から水素、ガス導入系(7)からメタン(CH4) ま
たはアセチレン(C2H2)、がそれぞれ導入され、また、外
部より2.45GHzの周波数のマイクロ波が500Wの強さで加
えられる。 【0015】さらに、プラズマ発生空間(1) には、磁場
約2Kガウスが電磁石(5) 、(5')により印加され、高密度
プラズマを発生させる。この時、プラズマ発生空間(1)
の圧力は、0.1Pa に保持されている。この高密度プラズ
マ領域より高エネルギーを持つ水素原子または電子が基
板(10)上に到り、基板の表面を洗浄する。さらに、上記
水素の導入を中止した後、ガス導入系(7) より導入され
た炭化物気体、たとえばメタン(CH4) 、アセチレン(C2H
2)を活性化せしめる。そして、高エネルギーに励起され
た炭素原子が生成され、赤外線加熱ヒータ(20)によっ
て、約 500℃で加熱された基板(10)上に、上記炭素原子
が堆積し、ダイヤモンドまたはi−カ−ボン膜が形成さ
れる。 【0016】図1において、磁場は、2つのリング状の
電磁石(5) 、(5')を用いたヘルムホルツコイル方式を採
用した。さらに、プラズマ発生空間(1) を4分割した空
間(30)に対し、電場・磁場の強度を調べた結果を図2に
示す。図2(A)および(B)は本発明の一実施例であ
る図1に示す被膜形成装置におけるコンピュータシュミ
レーションによる磁場および電場特性を説明するための
図である。なお、図1における電磁石(5) 、および電磁
石(5′)の中心軸上で、且つ電磁石(5) と電磁石(5′)
との中点を原点とする。図2(A)において、横軸(X
軸) は、プラズマ発生空間(1) の横方向 (反応性気体の
放出方向) であり、縦軸(Y軸) は、電磁石(5) 、(5')の
半径方向を示す。図2(A)における曲線は、磁場の等
磁位面を示す。そして、その線に示されている数字は、
電磁石(5) が約2000ガウスの時に得られる磁場の強さを
示す。電磁石(5) の強度を調整すると、電場・磁場の相
互作用を有する空間(100) (875±185 ガウス) におい
て、磁場の強さを基板の被形成面の広い面積にわたって
概略均一にさせることができる。図2(A)において、
たとえば、線(26)が875 ガウスとなる電子サイクロトロ
ン共鳴(ECR )条件を生ずる等磁場面である。 【0017】さらに、この電子サイクロトロン共鳴条件
を生ずる空間(100) は、図2(B)に示す如く、電場が
最大となる領域となるようにしている。図2(B)の横
軸は、図2(A)と同じく反応性気体の流れる方向を示
し、縦軸は、電場 (電界強度) の強さを示す。電場は、
空間(100) 以外に空間(100')にも最大となる領域があ
る。しかし、ここに対応する図2(A)の磁場は、きわ
めて等磁場面が多く存在している。すなわち、空間(10
0')には、基板(10)における被形成面の半径方向 (図2
(A)における縦軸方向) での膜厚のばらつきが大きく
なり、図2(A)における符号(26') で示す電子サイク
ロトロン共鳴条件を満たす条件部分で良質の被膜ができ
るのみである。その結果として、基板(10)の表面には、
均一かつ均質な被膜を期待できない。もちろん、基板(1
0)の表面に、被膜をド−ナツ型に作らんとする場合はそ
れでもよい。 【0018】また、空間(100) に対して、その原点を対
称とした反対側には、最大の電場となり、かつ磁場が広
い領域にわたって一定となる領域が存在する。基板(10)
の加熱を行なう必要がない場合は、上記空間での被膜形
成が有効である。しかし、マイクロ波の電場を乱すこと
なく基板(10)を加熱する手段は得難い。これらの結果、
基板(10)の出し入れの容易さ、基板(10)を加熱するため
の容易さを考慮し、均一な膜であり、かつ均質な被膜と
するためには、図2(A)の空間(100)が3つの領域の
中で、最も工業的に量産性の優れた位置と推定される。
この結果、本発明では、空間(100) に基板(10)を配設す
ると、この基板(10)が円形であった場合、半径100 mm
まで、好ましくは半径50mmまでの大きさで均一、均質
に被膜が形成される。さらに、大面積とするには、たと
えばこの4倍の面積において同じく均一な膜厚とするに
は、周波数を2.45GHz ではなく、1.225GHzとすればこの
空間の直径(図2(A)のR方向)を2倍とすることが
できる。 【0019】図3は図2において基板の位置における円
形空間の磁場(A)および電場(B)の等磁場、等電場
を説明するための図である。図3(B)より明らかなご
とく、電場は、最大25KV/mにまで達せしめ得ることが判
る。また、比較のために同条件下で磁場を印加せずに薄
膜形成を行なった。その時、基板(10)上に形成された薄
膜は、グラファイト膜であった。さらに、本実施例と同
条件下において、基板(10)の温度を650 ℃以上とした場
合、ダイヤモンド薄膜を形成することが可能であった。
本実施例において形成された薄膜の電子線回析像をとっ
たところアモルファス特有のハロ−パタ−ンと共に、ダ
イヤモンドのスポットがみられ、i−カ−ボン膜となっ
ていた。さらに、基板(10)の温度を上げて被膜を形成し
ていくにしたがい、ハロ−パタ−ンが少しずつ消えてい
き650 ℃以上でダイヤモンド膜となった。 【0020】また、基板(10)の加熱温度を150 ℃未満と
した場合、磁場を加えてもi−カ−ボン膜を形成するこ
とはできなかった。かかる方式において、基板(10)上に
炭化珪化物気体(メチルシラン)を用い、炭化珪素の多
結晶膜を形成することができる。アルミニュ−ム化物気
体とアンモニアとの反応により窒化アルミニュ−ム被膜
を形成することもできる。さらに、タングステン、チタ
ン、モリブデンを主成分とするもの、またはそれらの珪
化物の高融点導体を形成することもできる。 【0021】 【発明の効果】本発明によれば、プラズマ発生空間に反
応性気体を導入し、当該反応性気体に対して外部より磁
界を加え、当該磁界の作用により高エネルギー励起種を
発生させ、エッチングをさせながら被膜を形成したの
で、面積の大きい、均一な薄膜を得ることができる。本
発明によれば、プラズマ発生空間において、基板をマイ
クロ波の伝搬方向で、基板に向かって磁場の強度が減少
していく位置に配置すると共に、マイクロ波発振器から
発生したマイクロ波が定在波となり、電場の最大値とな
る位置に配置すると、品質の良い薄膜を得ることができ
る。本発明によれば、基板の被膜形成面は、略875ガ
ウスという等磁場となる領域に配置したので、大面積で
均一な薄膜を形成することができると共に、結晶性を少
なくとも一部に有する被膜を形成することが可能となっ
た。本発明によれば、作製された薄膜は、引張、圧縮と
も膜応力をほとんど有さない良好な膜であった。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma CVD method for generating a high-energy excited species by applying a magnetic field to form a large and uniform thin film while etching. It concerns the device. 2. Description of the Related Art Conventionally, electron cyclotron resonance (ECR) has been used as a means for forming a thin film, and a substrate is disposed at a position "distant from the resonance space" by utilizing the divergent magnetic field.
There is known a method of forming a film there, particularly a film having an amorphous structure. Furthermore, generally, in addition to such electron cyclotron resonance CVD (chemical vapor deposition),
Several types of film forming means using a reactive gas are known. These film forming means include, for example, heat
CVD, heated filament CVD, chemical transport method, a plasma CVD method using a frequency of 13.56MH z, plasma CVD method using only microwaves are known. [0003] In particular, the electron cyclotron resonance CVD method,
The active species are pinched by a magnetic field to increase the energy, thereby increasing the electron energy and efficiently converting the reactive gas into plasma. However, in the electron cyclotron resonance CVD method, a reactive gas is turned into plasma, and the film forming surface of the substrate is sputtered (damaged) by the high energy of the reactive gas. In order to prevent this sputtering, the electron cyclotron resonance CVD method uses a substrate placed at a position "far away" from the space that satisfies the electron cyclotron resonance conditions, and ion showering that avoids the plasma state under high energy conditions Film formation or anisotropic etching has been performed by allowing the reactive gas to reach the substrate surface. [0004] However, in such a method of forming a film using a showered reactive gas, anisotropic etching, etching such as formation of a film having an amorphous structure, or etching, depending on the type of the gas, is required. Only one of the deposition processes was adopted. Therefore, a film having an amorphous structure is easily formed on the film-formed surface in this case, and it has been extremely difficult to form a film having crystallinity, particularly, polycrystalline or single crystal.
In addition, in the method of forming a film using the showered reactive gas, the energy is weakened in order to prevent sputtering. Therefore, the activation or reaction of the reactive gas is performed only by using a high energy. It was not possible to form a coating that could cause An object of the present invention is to provide a plasma CVD apparatus in which a substrate having a film forming surface is arranged in a plasma space and a magnetic field is applied to a reactive gas to form a film while etching. And In order to achieve the above object, a plasma CVD apparatus according to the present invention comprises a plasma generation space, a gas introduction system for introducing a reaction gas into the plasma generation space, and a plasma generation system. An electron cyclotron resonance having a microwave generator for introducing a microwave through a window into a generation space is used, and the electron cyclotron resonance is generated in the plasma generation space substantially parallel to the microwave propagation direction. Means for generating a strong magnetic field, exhaust means for adjusting the reaction pressure in the plasma generation space, and, in the plasma generation space, the strength of the magnetic field decreases toward the substrate in the microwave propagation direction. And a means for arranging the substrate on a uniform magnetic field surface. The plasma CVD apparatus of the present invention has a plasma generation space, a gas introduction system for introducing a reaction gas into the plasma generation space, and a microwave generator for introducing a microwave through the window into the plasma generation space. Means for using electron cyclotron resonance, while forming a microwave standing wave in the plasma generation space, means for generating the standing wave to have a maximum value in the plasma generation space, A means for generating a magnetic field, which is substantially parallel to the direction of propagation of the microwaves, and which is strong enough to cause electron cyclotron resonance in the plasma generation space; and an exhaust means for adjusting a reaction pressure in the plasma generation space. in the plasma generating space, at a position where the intensity of the magnetic field toward the substrate in the propagation direction of the microwave decreases, or Characterized in that it comprises a means for positioning the substrate in the maximum area of the isomagnetic plane and a standing wave. The isomagnetic field in the plasma CVD apparatus of the present invention is approximately 875 Gauss. [0008] A plasma CVD apparatus according to the present invention comprises:
A plasma generation space, a gas introduction system for introducing a reaction gas, a microwave generator for introducing a microwave through a window to the plasma generation space, and substantially parallel to a microwave propagation direction, and in the plasma generation space. a magnetic field generating means for generating an electron cyclotron resonance, and exhaust means for adjusting the reaction pressure of the plasma generation space, wherein the plasma
Means for arranging the substrate at a position where the intensity of the magnetic field decreases in the propagation direction of the microwave in the microwave generation space and on the isomagnetic field surface. [0009] The microwave generated from the microwave generator propagates toward the substrate. Further, the magnetic field generating means for generating a magnetic field, the direction of the magnetic field perpendicular to the equal magnetic field,
The direction of propagation of the generated microwave is substantially parallel and the intensity is such that electron cyclotron resonance is generated (see FIG. 2A). In addition, the substrate is empty
In the microwave propagation direction, it is arranged at a position where the strength of the magnetic field decreases toward the substrate in the microwave propagation direction (FIG. 2).
(A)). Further, the microwave generated from the microwave oscillator becomes a standing wave (see FIG. 2B) in the closed plasma generation space , and the substrate is disposed at a position where the electric field has a maximum value. An electric field intensity is applied to the film forming surface of the substrate on which the film is formed. When the intensity of the magnetic field in the region is adjusted, the reactive gas can be decomposed or reacted only in this region for the first time, and a film is formed on the substrate while being etched. The film formed on the substrate in this manner is, for example, an i-carbon film (diamond or a carbon film having fine crystal grains), a high-melting metal film, or a ceramic insulating film. That is, the present invention applies a magnetic field to a conventionally known plasma CVD method using microwaves to generate high-density, high-energy plasma in a wide pressure range. The reaction space in a reduced pressure state utilizes a high energy state to generate a large amount of activated carbon atoms, for example, and has excellent reproducibility, a uniform thickness, uniform characteristics of a diamond film, i-carbon. This enables the formation of a film such as a film. Further, the present invention provides a method for applying a DC bias voltage to a high-energy excited species generated by the action of a magnetic field,
When etching and film formation are performed simultaneously, a large amount of excitons reach the substrate side, thereby improving the thin film formation speed. Further, in addition to the configuration of the present invention, light having a high energy (for example, ultraviolet light) is irradiated while reaching the substrate surface,
When energy is continuously applied to the active species, carbon atoms excited to a high energy state exist even at a position sufficiently distant from the high-density plasma generation region, and a diamond film and an i-carbon film are formed in a larger area. It is also possible. Further, the present invention can also generate high-density plasma by the interaction between a microwave and a magnetic field. FIG. 1 is a view for explaining a microwave plasma CVD apparatus capable of applying a magnetic field according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the microwave plasma CVD apparatus is
A plasma generation space (1) capable of maintaining a reduced pressure, an auxiliary space (2), a heating space (3), a microwave oscillator (4),
Electromagnets (5), (5 ') that generate a magnetic field, and a gas introduction system (6),
(7), a turbo molecular pump (8) constituting an exhaust system, a substrate (10), a substrate holder (10 '), and a pressure regulating valve (11)
And a rotary pump (14) and a microwave introduction window (15)
, Water cooling system (18), (18 '), infrared heating heater (20), infrared reflecting surface (21), lens system (22), power supply (23), power supply (2
5). First, the substrate (10) for forming a thin film is a substrate holder.
(10 ') Installed on top. The substrate holder (10 ') was made of ceramic aluminum nitride in order to have high thermal conductivity and to disturb microwaves as little as possible. This substrate holder (10 ') is a lens system in which infrared rays emitted from an infrared heating heater (20) are an infrared reflecting surface (21).
The light is condensed through (22), and is heated at, for example, 500 ° C. Next, into the plasma generation space (1), hydrogen was introduced from the gas introduction system (6), and methane (CH 4 ) or acetylene (C 2 H 2 ) was introduced from the gas introduction system (7). A microwave of a frequency of 2.45 GHz is applied at an intensity of 500 W. Further, a magnetic field of about 2K Gauss is applied to the plasma generating space (1) by the electromagnets (5) and (5 ') to generate high density plasma. At this time, the plasma generation space (1)
Is maintained at 0.1 Pa. Hydrogen atoms or electrons having higher energy than the high-density plasma region reach the substrate (10) and clean the surface of the substrate. Further, after the introduction of hydrogen was stopped, a carbide gas introduced from the gas introduction system (7), for example, methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H
2 ) Activate. Then, carbon atoms excited to high energy are generated, and the above-described carbon atoms are deposited on the substrate (10) heated at about 500 ° C. by the infrared heater (20), and diamond or i-carbon is deposited. A film is formed. In FIG. 1, a Helmholtz coil system using two ring-shaped electromagnets (5) and (5 ') is employed as a magnetic field. FIG. 2 shows the results of examining the electric and magnetic field strength in the space (30) obtained by dividing the plasma generation space (1) into four parts. FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining magnetic field and electric field characteristics by computer simulation in the film forming apparatus shown in FIG. 1 which is one embodiment of the present invention. It should be noted that the electromagnet (5) and the electromagnet (5 ') on the central axis of the electromagnet (5) and the electromagnet (5') in FIG.
The midpoint of is the origin. In FIG. 2A, the horizontal axis (X
The axis (axis) is the lateral direction (reactive gas emission direction) of the plasma generation space (1), and the vertical axis (Y axis) is the radial direction of the electromagnets (5) and (5 '). The curve in FIG. 2A shows the equipotential surface of the magnetic field. And the number shown on that line is
It shows the strength of the magnetic field obtained when the electromagnet (5) is about 2000 Gauss. By adjusting the strength of the electromagnet (5), it is possible to make the strength of the magnetic field approximately uniform over a large area of the surface on which the substrate is formed in the space (100) (875 ± 185 Gauss) where electric and magnetic fields interact. it can. In FIG. 2A,
For example, an iso-magnetic surface that produces an electron cyclotron resonance (ECR) condition where line (26) is 875 Gauss. Further, the space (100) where the electron cyclotron resonance condition occurs is set to be a region where the electric field is maximum as shown in FIG. 2 (B). The horizontal axis of FIG. 2 (B) indicates the direction in which the reactive gas flows as in FIG. 2 (A), and the vertical axis indicates the intensity of the electric field (electric field intensity). The electric field is
In addition to the space (100), the space (100 ') has a maximum area. However, the magnetic field of FIG. 2A corresponding thereto has an extremely large number of isomagnetic fields. That is, the space (10
0 ′) is in the radial direction of the surface to be formed on the substrate (10) (FIG. 2).
The variation in the film thickness (in the vertical axis direction in (A)) becomes large, and only a high-quality film is formed in a portion satisfying the electron cyclotron resonance condition indicated by reference numeral (26 ') in FIG. As a result, on the surface of the substrate (10),
A uniform and uniform coating cannot be expected. Of course, the board (1
If a coating is to be formed on the surface of 0) in the form of a donut, this may be the case. On the opposite side of the space (100) with its origin symmetrical, there is a region where the maximum electric field and the magnetic field are constant over a wide region. Board (10)
When it is not necessary to perform heating, it is effective to form a film in the above space. However, it is difficult to obtain a means for heating the substrate (10) without disturbing the microwave electric field. As a result of these,
Considering the ease of taking in and out of the substrate (10) and the ease of heating the substrate (10), in order to form a uniform film and a uniform film, the space (100) in FIG. ) Is estimated to be the most industrially superior in mass productivity among the three regions.
As a result, in the present invention, when the substrate (10) is disposed in the space (100), if the substrate (10) is circular, a radius of 100 mm
, Preferably up to a radius of 50 mm. Further, in order to increase the area, for example, to obtain the same uniform film thickness in an area four times larger than this, if the frequency is not 2.45 GHz but 1.225 GHz, the diameter of this space (R in FIG. 2A) Direction) can be doubled. FIG. 3 is a diagram for explaining the equal magnetic field and the equal electric field of the magnetic field (A) and electric field (B) in the circular space at the position of the substrate in FIG. As is clear from FIG. 3B, the electric field can reach a maximum of 25 KV / m. For comparison, a thin film was formed under the same conditions without applying a magnetic field. At that time, the thin film formed on the substrate (10) was a graphite film. Furthermore, when the temperature of the substrate (10) was set to 650 ° C. or higher under the same conditions as in this example, it was possible to form a diamond thin film.
When an electron beam diffraction image of the thin film formed in this example was taken, spots of diamond were observed together with halo patterns peculiar to amorphous, and an i-carbon film was formed. Further, as the temperature of the substrate (10) was raised to form a film, the halo pattern gradually disappeared and a diamond film was formed at 650 ° C. or higher. When the heating temperature of the substrate (10) was lower than 150 ° C., an i-carbon film could not be formed even when a magnetic field was applied. In such a method, a silicon carbide polycrystalline film can be formed on substrate (10) using silicide gas (methylsilane). An aluminum nitride film can also be formed by the reaction between an aluminum compound gas and ammonia. Further, a conductor having tungsten, titanium, and molybdenum as main components or a high-melting-point conductor of silicide thereof can be formed. According to the present invention, a reactive gas is introduced into a plasma generating space , a magnetic field is applied to the reactive gas from the outside, and high-energy excited species are generated by the action of the magnetic field. Since the film was formed while etching, a uniform thin film having a large area can be obtained. According to the present invention, in the plasma generation space , the substrate is arranged at a position where the strength of the magnetic field decreases toward the substrate in the microwave propagation direction, and the microwave generated from the microwave oscillator is a standing wave. Thus, by arranging at the position where the electric field has the maximum value, a thin film of good quality can be obtained. According to the invention, the coated surface of the substrate is approximately 875 ga
Since the thin film was disposed in a region having a uniform magnetic field called a mouse, it was possible to form a uniform thin film having a large area and to form a film having crystallinity at least partially. According to the present invention, the produced thin film was a good film having almost no film stress in both tension and compression.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例で、磁場印加可能なマイクロ
波プラズマCVD装置を説明するための図である。 【図2】(A)および(B)は本発明の一実施例である
図1に示す被膜形成装置におけるコンピュータシュミレ
ーションによる磁場および電場特性を説明するための図
である。 【図3】図2において基板の位置における円形空間の磁
場(A)および電場(B)の等磁場、等電場を説明する
ための図である。 【符号の説明】 1・・・・・プラズマ発生空間 2・・・・・補助空間 3・・・・・加熱空間 4・・・・・マイクロ波発振器 5、5’・・磁場を発生する電磁石 6、7・・・ガス導入系 8・・・・・ターボ分子ポンプ 10・・・・・基板 10' ・・・・基板ホルダ 11・・・・・圧力調整バルブ 14・・・・・ロータリーポンプ 15・・・・・マイクロ波導入窓 18、18' ・・水冷系 20・・・・・赤外線加熱ヒ−タ 21・・・・・赤外線反射面 22・・・・・レンズ系 23、25・・・電源 100 ・・・・最大電場となる空間
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view for explaining a microwave plasma CVD apparatus to which a magnetic field can be applied in one embodiment of the present invention. FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining magnetic field and electric field characteristics by computer simulation in the film forming apparatus shown in FIG. 1, which is one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining an equal magnetic field and an equal electric field of a magnetic field (A) and an electric field (B) in a circular space at a position of a substrate in FIG. 2; [Description of Signs] 1... Plasma generating space 2... Auxiliary space 3... Heating space 4... Microwave oscillators 5 and 5 ′. 6, 7 ... gas introduction system 8 ... turbo molecular pump 10 ... substrate 10 '... substrate holder 11 ... pressure regulating valve 14 ... rotary pump 15 ・ ・ ・ Microwave introduction window 18, 18 ′ ・ ・ Water cooling system 20 ・ ・ ・ ・ ・ Infrared heating heater 21 ・ ・ ・ ・ ・ Infrared reflecting surface 22 ・ ・ ・ ・ ・ Lens system 23, 25 ・・ ・ Power supply 100 ・ ・ ・ ・ Space for maximum electric field

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/31 H01L 21/31 C (72)発明者 山崎 舜平 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−134423(JP,A) 特開 昭56−155535(JP,A) 日経マイクロデバイス 1985年春号特 別編集版(1985.2.4)P.93−100 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 16/50 C23C 16/26 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 21/31 H01L 21/31 C (72) Inventor Shunpei Yamazaki 398 Hase, Atsugi-shi, Kanagawa Pref. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (56) References JP-A-60-134423 (JP, A) JP-A-56-155535 (JP, A) Nikkei Microdevices Spring 1985 Special Edition (1985.2.4) 93-100 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 16/50 C23C 16/26

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.プラズマ発生空間と、前記プラズマ発生空間に反応
ガスを導入するガス導入系と、前記プラズマ発生空間に
窓を通してマイクロ波を導入するマイクロ波発生器とを
有する電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマCVD
装置において、 マイクロ波の伝搬方向とほぼ平行で、且つ前記プラズマ
発生空間内にて電子サイクロトロン共鳴を生じさせる強
度の、磁界を発生させる手段と、 前記プラズマ発生空間内の反応圧力を調整するための排
気手段と、前記プラズマ発生空間において、 前記マイクロ波の伝搬
方向で基板に向かって磁場の強度が減少していく位置
で、かつ等磁場面に前記基板を配置する手段と、 を備えていることを特徴とするブラズマCVD装置。2.上記等磁場面は、略875ガウスであることを特徴
とする請求項1記載のプラズマCVD装置。 3.プラズマ発生空間と、前記プラズマ発生空間に反応
ガスを導入するガス導入系と、前記プラズマ発生空間に
窓を通してマイクロ波を導入するマイクロ波発生器とを
有する電子サイクロトロン共鳴を用いたプラズマCVD
装置において、 前記プラズマ発生空間内にマイクロ波の定在波を形成さ
せると共に、当該定在波が前記プラズマ発生空間内にて
最大値を有するように発生する手段と、 マイクロ波の伝搬方向とほぼ平行で、且つ前記プラズマ
発生空間内にて電子サイクロトロン共鳴を生じさせる強
度の、磁界を発生させる手段と、 前記プラズマ発生空間内の反応圧力を調整するための排
気手段と、前記プラズマ発生空間において、 前記マイクロ波の伝搬
方向で基板に向かって磁場の強度が減少していく位置
で、かつ等磁場面および定在波の最大領域に前記基板を
配置する手段と、 を備えていることを特徴とするプラズマCVD装置。 4.上記等磁場面は、略875ガウスであることを特徴
とする請求項記載のプラズマCVD装置。
(57) [Claims] Plasma CVD using electron cyclotron resonance having a plasma generation space, a gas introduction system for introducing a reaction gas into the plasma generation space, and a microwave generator for introducing microwaves through a window to the plasma generation space
An apparatus for generating a magnetic field substantially parallel to a microwave propagation direction and having an intensity for generating electron cyclotron resonance in the plasma generation space; and for adjusting a reaction pressure in the plasma generation space. Exhaust means, and means for arranging the substrate at a position where the strength of the magnetic field decreases in the plasma generation space toward the substrate in the direction of propagation of the microwave, and on the isomagnetic field surface. A plasma CVD apparatus characterized by the above-mentioned. 2. The iso-magnetic surface is approximately 875 Gauss
The plasma CVD apparatus according to claim 1, wherein 3. Plasma CVD using electron cyclotron resonance having a plasma generation space, a gas introduction system for introducing a reaction gas into the plasma generation space, and a microwave generator for introducing microwaves through a window to the plasma generation space
In the apparatus, means for forming a standing wave of a microwave in the plasma generation space and generating the standing wave so as to have a maximum value in the plasma generation space; A means for generating a magnetic field, which is parallel and has a strength to generate electron cyclotron resonance in the plasma generation space, an exhaust means for adjusting a reaction pressure in the plasma generation space, and in the plasma generation space, Means for arranging the substrate at a position where the intensity of the magnetic field decreases toward the substrate in the direction of propagation of the microwave, and at the isomagnetic field surface and in the maximum region of the standing wave, Plasma CVD apparatus. 4. 4. The plasma CVD apparatus according to claim 3 , wherein the equal magnetic field surface is approximately 875 Gauss.
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