JP3194820B2 - 配向性ダイヤモンド膜の形成方法 - Google Patents
配向性ダイヤモンド膜の形成方法Info
- Publication number
- JP3194820B2 JP3194820B2 JP19090493A JP19090493A JP3194820B2 JP 3194820 B2 JP3194820 B2 JP 3194820B2 JP 19090493 A JP19090493 A JP 19090493A JP 19090493 A JP19090493 A JP 19090493A JP 3194820 B2 JP3194820 B2 JP 3194820B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- diamond
- support
- bias
- diamond film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
- C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子装置の組み立てに
使用するシリコン基板上にダイヤモンド膜を形成する方
法に関し、特に、配向性のダイヤモンド結晶及び膜を、
シリコン基板の結晶面に対して成長させる方法及びこの
方法により得られるダイヤモンド膜の新規な構造に関す
るものである。
使用するシリコン基板上にダイヤモンド膜を形成する方
法に関し、特に、配向性のダイヤモンド結晶及び膜を、
シリコン基板の結晶面に対して成長させる方法及びこの
方法により得られるダイヤモンド膜の新規な構造に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明は、トランジスター、ダイオード
及び各種センサー等の半導体電子デバイスの製作に用い
るヘテロエピタキシャル成長ダイヤモンド膜の形成に使
用することができる。ダイヤモンドは、従来使用されて
いるシリコン、ゲルマニウム又はガリウム砒素等と比較
して、エネルギーバンドギャップ、絶縁破壊電圧及び飽
和速度が高いため、半導体デバイスの製造には望ましい
材料である。
及び各種センサー等の半導体電子デバイスの製作に用い
るヘテロエピタキシャル成長ダイヤモンド膜の形成に使
用することができる。ダイヤモンドは、従来使用されて
いるシリコン、ゲルマニウム又はガリウム砒素等と比較
して、エネルギーバンドギャップ、絶縁破壊電圧及び飽
和速度が高いため、半導体デバイスの製造には望ましい
材料である。
【０００３】化学気相成長法（ＣＶＤ）による高品質の
ダイヤモンド成長法のうち、最も頻繁に使用されている
のはマイクロ波プラズマＣＶＤ法である。この方法で
は、無電極の構成でマイクロ波を照射し、反応ガスから
プラズマを発生させるものであり、ＣＶＤにより成長し
たダイヤモンドは、電極からの不純物で汚染される可能
性がないという利点がある。
ダイヤモンド成長法のうち、最も頻繁に使用されている
のはマイクロ波プラズマＣＶＤ法である。この方法で
は、無電極の構成でマイクロ波を照射し、反応ガスから
プラズマを発生させるものであり、ＣＶＤにより成長し
たダイヤモンドは、電極からの不純物で汚染される可能
性がないという利点がある。
【０００４】ＣＶＤにより非ダイヤモンド基板上に成長
させたダイヤモンド膜は多結晶であり、約０．１μｍの
ダイヤモンド結晶が集合し、又は柱状に成長したダイヤ
モンドの集合からなっている。このような多結晶のダイ
ヤモンド膜は、ダイヤモンド結晶間に結晶粒界を有し、
キャリアトラップ及び散乱中心として作用し、ダイヤモ
ンド膜の輸送特性を顕著に低下させる。
させたダイヤモンド膜は多結晶であり、約０．１μｍの
ダイヤモンド結晶が集合し、又は柱状に成長したダイヤ
モンドの集合からなっている。このような多結晶のダイ
ヤモンド膜は、ダイヤモンド結晶間に結晶粒界を有し、
キャリアトラップ及び散乱中心として作用し、ダイヤモ
ンド膜の輸送特性を顕著に低下させる。
【０００５】このような作用を防止するため、ダイヤモ
ンド膜内の結晶粒界数を減らす必要がある。従来、バル
クダイヤモンド又はボロン窒化物（ＢＮ）の結晶上に単
結晶ダイヤモンド膜を成長させる方法が用いられてい
る。しかし、これらの材料は、大型の単結晶の入手が困
難であり、工業用のデバイスの組み立てには不適当であ
る。従って、広面積のダイヤモンド膜が利用できるよう
にするためには、シリコン等のように容易に入手できる
非ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド膜を成長さ
せる方法を確立する必要がある。
ンド膜内の結晶粒界数を減らす必要がある。従来、バル
クダイヤモンド又はボロン窒化物（ＢＮ）の結晶上に単
結晶ダイヤモンド膜を成長させる方法が用いられてい
る。しかし、これらの材料は、大型の単結晶の入手が困
難であり、工業用のデバイスの組み立てには不適当であ
る。従って、広面積のダイヤモンド膜が利用できるよう
にするためには、シリコン等のように容易に入手できる
非ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド膜を成長さ
せる方法を確立する必要がある。
【０００６】ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長
には、適当な基板及びダイヤモンド膜の核形成方法が必
要であり、この場合基板の格子構造はできるだけダイヤ
モンドの格子構造に近い必要がある。これらの点が下記
文献にて議論されている。即ち、Ｇ−Ｈ．Ｍ．Ｍａ（ジ
ーエッチ・エム・マ）らによる研究（Journal of Mater
ials Research, Vol. 5, No. 11, 2367, (1990)；ジャ
ーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ 第5巻 11号 23
67頁(1990)）と、Ｄ．Ｇ．Ｊｅｎｇ（ディー・ジー・ジ
ェン）らによる研究（Applied Physics Letters, Vol.5
6, No. 20, 1968, (1990);アプライド・フィジクス・レ
ターズ 第56巻 20号 1968頁(1990)）と、Ｂ．Ｒ．Ｓｔ
ｏｎｅｒ（ビー・アール・ストーナー）らによる研究
（AppliedPhysics Letters, Vol. 60, No. 6, 698, (19
92);アプライド・フィジクス・レターズ 第60巻 6号 6
98頁(1992)）と、同じくストーナーらによる研究（Phys
ical Review, Vol. 45, No. 19, 15 May 1992;フィジカ
ル・レビュー 第45巻 19号 1992年5月15日）とがあ
る。
には、適当な基板及びダイヤモンド膜の核形成方法が必
要であり、この場合基板の格子構造はできるだけダイヤ
モンドの格子構造に近い必要がある。これらの点が下記
文献にて議論されている。即ち、Ｇ−Ｈ．Ｍ．Ｍａ（ジ
ーエッチ・エム・マ）らによる研究（Journal of Mater
ials Research, Vol. 5, No. 11, 2367, (1990)；ジャ
ーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ 第5巻 11号 23
67頁(1990)）と、Ｄ．Ｇ．Ｊｅｎｇ（ディー・ジー・ジ
ェン）らによる研究（Applied Physics Letters, Vol.5
6, No. 20, 1968, (1990);アプライド・フィジクス・レ
ターズ 第56巻 20号 1968頁(1990)）と、Ｂ．Ｒ．Ｓｔ
ｏｎｅｒ（ビー・アール・ストーナー）らによる研究
（AppliedPhysics Letters, Vol. 60, No. 6, 698, (19
92);アプライド・フィジクス・レターズ 第60巻 6号 6
98頁(1992)）と、同じくストーナーらによる研究（Phys
ical Review, Vol. 45, No. 19, 15 May 1992;フィジカ
ル・レビュー 第45巻 19号 1992年5月15日）とがあ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの文献
においては、単結晶のシリコンウェハ上に配向性ダイヤ
モンド膜を形成するための信頼性が高い方法が開示され
ていない。良質のシリコン基板は市販されていて容易に
入手でき、この種の基板上に単結晶のダイヤモンド膜を
高再現性で形成できる方法が開発されれば、高品質のダ
イヤモンド膜の形成に極めて有益である。しかしなが
ら、従来、このような高再現性でダイヤモンド膜を形成
できる方法が存在しなかったために、高品質のダイヤモ
ンド膜を形成することができないという欠点がある。
においては、単結晶のシリコンウェハ上に配向性ダイヤ
モンド膜を形成するための信頼性が高い方法が開示され
ていない。良質のシリコン基板は市販されていて容易に
入手でき、この種の基板上に単結晶のダイヤモンド膜を
高再現性で形成できる方法が開発されれば、高品質のダ
イヤモンド膜の形成に極めて有益である。しかしなが
ら、従来、このような高再現性でダイヤモンド膜を形成
できる方法が存在しなかったために、高品質のダイヤモ
ンド膜を形成することができないという欠点がある。
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、シリコンウェハ上に配向性ダイヤモンド膜
を高再現性で形成することができ、高品質のダイヤモン
ド膜を容易に形成することを可能とするシリコン基板上
のダイヤモンド膜の形成方法を提供することを目的とす
る。
のであって、シリコンウェハ上に配向性ダイヤモンド膜
を高再現性で形成することができ、高品質のダイヤモン
ド膜を容易に形成することを可能とするシリコン基板上
のダイヤモンド膜の形成方法を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係るシリコン基
板上のダイヤモンド膜の形成方法は、単結晶シリコン基
板表面上に、電気的バイアスを印加して配向性ダイヤモ
ンド結晶を成長させるための核形成を行い、基板表面の
見かけ温度が顕著に上昇した時を測定することによって
核生成段階の終了を検出し、炭素含有プラズマから核生
成した表面上に結晶ダイヤモンドを蒸着させて配向性ダ
イヤモンド膜を形成することを特徴とする。
板上のダイヤモンド膜の形成方法は、単結晶シリコン基
板表面上に、電気的バイアスを印加して配向性ダイヤモ
ンド結晶を成長させるための核形成を行い、基板表面の
見かけ温度が顕著に上昇した時を測定することによって
核生成段階の終了を検出し、炭素含有プラズマから核生
成した表面上に結晶ダイヤモンドを蒸着させて配向性ダ
イヤモンド膜を形成することを特徴とする。
【００１１】
【作用】本願発明者らは、特定の条件下で基板を前処理
し、核生成を行った後、ダイヤモンド結晶を成長させる
という多段階の工程による信頼性が高い方法により、シ
リコンウェハ上に配向性ダイヤモンド膜を成長させるこ
とが可能であることを発見した。
し、核生成を行った後、ダイヤモンド結晶を成長させる
という多段階の工程による信頼性が高い方法により、シ
リコンウェハ上に配向性ダイヤモンド膜を成長させるこ
とが可能であることを発見した。
【００１２】そこで、本発明はその１側面で、単結晶シ
リコン基板表面上に電気的バイアスを印加して、配向性
ダイヤモンド結晶を成長させるための基板表面の核形成
を行い、基板表面の見かけ温度が顕著に上昇した時を測
定することによって核生成段階の終了を検出し、炭素含
有プラズマから核生成した表面上に結晶ダイヤモンドを
蒸着させて配向性ダイヤモンド膜を形成させる方法を提
供するものである。
リコン基板表面上に電気的バイアスを印加して、配向性
ダイヤモンド結晶を成長させるための基板表面の核形成
を行い、基板表面の見かけ温度が顕著に上昇した時を測
定することによって核生成段階の終了を検出し、炭素含
有プラズマから核生成した表面上に結晶ダイヤモンドを
蒸着させて配向性ダイヤモンド膜を形成させる方法を提
供するものである。
【００１３】本発明による方法で得られる製品は、それ
自体が新規である。従って、本発明はその別の観点で
は、単結晶シリコン基板上の結晶ダイヤモンド膜からな
り、前記膜が実質的に定形のタイル張り状のパターンを
形成する配向性の柱状ダイヤモンド結晶からなる構造を
提供するものである。
自体が新規である。従って、本発明はその別の観点で
は、単結晶シリコン基板上の結晶ダイヤモンド膜からな
り、前記膜が実質的に定形のタイル張り状のパターンを
形成する配向性の柱状ダイヤモンド結晶からなる構造を
提供するものである。
【００１４】核生成処理を行う間、基板のホルダー又は
支持台を通して流す電流を一定に保ちながら、負の電位
を確立することにより、負のバイアスを基板に印加する
のが望ましい。電流は、基板から炭化水素含有マイクロ
波プラズマを介して真空チャンバの接地処理した壁に流
れる。基板における電圧はアースに対して通常最高約−
３００Ｖ、好ましくは−１５０〜−２５０Ｖとする。望
ましくは、電流制御装置により直接的に、又は電圧の調
節によって間接的に、基板を流れる電流を約１〜２０ｍ
Ａ／ｃｍ2の電流密度の範囲で一定に保つ。これによ
り、核生成が調節され、その結果ダイヤモンド膜の結晶
粒組織が均一になる。また、例えば２分から３０分間の
範囲で、又はそれ以上に処理時間を延長して核生成を行
うのが有益である。電流密度が相応して低い場合、処理
時間は通常長くするが、核形成時間は長い方が望まし
く、例えば少なくとも１０ないし２０分間、また場合に
よっては３０分間以上とする。負の直流バイアスが好ま
しいが、サセプターには交流バイアスも使用することが
できる。交流バイアスを用いた場合、最適の電流及び電
圧は、必ずしも直流バイアスを用いた場合と同じである
必要はない。交流バイアスの周波数は、通常の主要周波
数、例えば４０／５０Ｈｚであるが、高周波レベルにあ
げてもよい。
支持台を通して流す電流を一定に保ちながら、負の電位
を確立することにより、負のバイアスを基板に印加する
のが望ましい。電流は、基板から炭化水素含有マイクロ
波プラズマを介して真空チャンバの接地処理した壁に流
れる。基板における電圧はアースに対して通常最高約−
３００Ｖ、好ましくは−１５０〜−２５０Ｖとする。望
ましくは、電流制御装置により直接的に、又は電圧の調
節によって間接的に、基板を流れる電流を約１〜２０ｍ
Ａ／ｃｍ2の電流密度の範囲で一定に保つ。これによ
り、核生成が調節され、その結果ダイヤモンド膜の結晶
粒組織が均一になる。また、例えば２分から３０分間の
範囲で、又はそれ以上に処理時間を延長して核生成を行
うのが有益である。電流密度が相応して低い場合、処理
時間は通常長くするが、核形成時間は長い方が望まし
く、例えば少なくとも１０ないし２０分間、また場合に
よっては３０分間以上とする。負の直流バイアスが好ま
しいが、サセプターには交流バイアスも使用することが
できる。交流バイアスを用いた場合、最適の電流及び電
圧は、必ずしも直流バイアスを用いた場合と同じである
必要はない。交流バイアスの周波数は、通常の主要周波
数、例えば４０／５０Ｈｚであるが、高周波レベルにあ
げてもよい。
【００１５】基板は、支持台上の処理チャンバ内に固定
し、そのチャンバ内の位置は調節できるようにするのが
望ましい。この支持台は、望ましくは、基板を高周波加
熱手段で直接加熱するか、又はプラズマを発生させるマ
イクロ波発生装置で間接的に加熱するサセプターからな
る。また、この支持台がグラファイト、又はモリブデ
ン、タングステン若しくはタンタル等の高融点金属から
なり、グラファイトサセプターを覆うように設けるのが
望ましい。基板は支持台上に置き、高融点金属又はグラ
ファイトの面積は、基板の面積よりも大きくなるように
する。
し、そのチャンバ内の位置は調節できるようにするのが
望ましい。この支持台は、望ましくは、基板を高周波加
熱手段で直接加熱するか、又はプラズマを発生させるマ
イクロ波発生装置で間接的に加熱するサセプターからな
る。また、この支持台がグラファイト、又はモリブデ
ン、タングステン若しくはタンタル等の高融点金属から
なり、グラファイトサセプターを覆うように設けるのが
望ましい。基板は支持台上に置き、高融点金属又はグラ
ファイトの面積は、基板の面積よりも大きくなるように
する。
【００１６】基板とサセプターの間に絶縁層を設けるこ
とにより、核生成時間をさらに延長することが可能であ
る。これを行う効果的な方法の１つは、基板とサセプタ
ーの間、又は支持台と基板との間にアルミナ等の耐熱絶
縁材の層を挿入することである。この絶縁層の効果は、
バイアス時間を延長できることであり、これによりダイ
ヤモンド膜の質がさらに向上する。プレス加工した厚さ
約１ｍｍのアルミナディスクを用いることにより、この
目的が達成できる。
とにより、核生成時間をさらに延長することが可能であ
る。これを行う効果的な方法の１つは、基板とサセプタ
ーの間、又は支持台と基板との間にアルミナ等の耐熱絶
縁材の層を挿入することである。この絶縁層の効果は、
バイアス時間を延長できることであり、これによりダイ
ヤモンド膜の質がさらに向上する。プレス加工した厚さ
約１ｍｍのアルミナディスクを用いることにより、この
目的が達成できる。
【００１７】支持台はモリブデン、タングステン又はタ
ンタル等の高融点金属からなり、これがグラファイトサ
セプターのキャップを形成することが望ましい。これに
より、サセプターからの炭素の損失を防止する効果が得
られ、その結果、プラズマの炭素含有量の変動が最小限
に抑えられる。基板は支持台上に置き、高融点金属又は
グラファイトの面積は、基板の面積よりも大きくなるよ
うにする。アルミナディスク等の絶縁層を用いる場合、
基板の上面が支持台の上面と実質的に同一平面になるよ
うに、支持台の上面に設けたへこみに基板を置くことが
好ましい。
ンタル等の高融点金属からなり、これがグラファイトサ
セプターのキャップを形成することが望ましい。これに
より、サセプターからの炭素の損失を防止する効果が得
られ、その結果、プラズマの炭素含有量の変動が最小限
に抑えられる。基板は支持台上に置き、高融点金属又は
グラファイトの面積は、基板の面積よりも大きくなるよ
うにする。アルミナディスク等の絶縁層を用いる場合、
基板の上面が支持台の上面と実質的に同一平面になるよ
うに、支持台の上面に設けたへこみに基板を置くことが
好ましい。
【００１８】本発明の別の側面によれば、核生成段階の
エンドポイントを適切に認識することがダイヤモンド膜
の品質及び再現精度に影響する。このエンドポイントの
正確な認識を達成するには、基板の見かけ温度が急激に
上昇を始めた時点を測定する。
エンドポイントを適切に認識することがダイヤモンド膜
の品質及び再現精度に影響する。このエンドポイントの
正確な認識を達成するには、基板の見かけ温度が急激に
上昇を始めた時点を測定する。
【００１９】図３は横軸に時間をとり、縦軸に温度をと
って基板の見かけ温度を示すグラフ図である。このよう
に、光学式パイロメータを使用すれば、基板の温度をモ
ニターし、温度の上昇を知ることができる。図３の点Ａ
は、核生成段階が開始された時点を示す。核生成は、見
かけ温度がほぼ一定の５００〜８００℃であり、プラト
ーＢで示した時間内持続する。点Ｃで、光学式パイロメ
ータは急速な温度の上昇を示す。このエンドポイントＣ
が検出されると同時に、ダイヤモンドの蒸着が始まる。
光学式パイロメータの応答の一部は、基板表面の屈折率
の変化によるため、この急速な温度の上昇は「見かけ
上」と表現する。実際の温度上昇はおそらく、２０℃程
度であると思われる。光学式パイロメータは基板全体を
代表するとは思われないような特定の狭い領域に焦点を
当てるものではなく、基板全体の平均した見かけ温度の
変化率を示すものを使用することが好ましい。
って基板の見かけ温度を示すグラフ図である。このよう
に、光学式パイロメータを使用すれば、基板の温度をモ
ニターし、温度の上昇を知ることができる。図３の点Ａ
は、核生成段階が開始された時点を示す。核生成は、見
かけ温度がほぼ一定の５００〜８００℃であり、プラト
ーＢで示した時間内持続する。点Ｃで、光学式パイロメ
ータは急速な温度の上昇を示す。このエンドポイントＣ
が検出されると同時に、ダイヤモンドの蒸着が始まる。
光学式パイロメータの応答の一部は、基板表面の屈折率
の変化によるため、この急速な温度の上昇は「見かけ
上」と表現する。実際の温度上昇はおそらく、２０℃程
度であると思われる。光学式パイロメータは基板全体を
代表するとは思われないような特定の狭い領域に焦点を
当てるものではなく、基板全体の平均した見かけ温度の
変化率を示すものを使用することが好ましい。
【００２０】基板加熱については、プラズマの加熱作用
に完全に依存するのではなく、高周波エネルギーを用い
て基板を離れたところから加熱することが重要である。
に完全に依存するのではなく、高周波エネルギーを用い
て基板を離れたところから加熱することが重要である。
【００２１】上述の方法を結合することにより、核生成
の均一性を制御し、長時間にわたってバイアスを印加
し、核生成を行うことが可能である。その結果、１〜３
インチ（２５．４〜５０．８ｍｍ）の被覆されていない
シリコンウェハ上に、配向性結晶ダイヤモンド膜が形成
される。
の均一性を制御し、長時間にわたってバイアスを印加
し、核生成を行うことが可能である。その結果、１〜３
インチ（２５．４〜５０．８ｍｍ）の被覆されていない
シリコンウェハ上に、配向性結晶ダイヤモンド膜が形成
される。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して具体的に説明する。図１はマイクロ波プラズ
マチャンバのバイアスエンハンス型核生成及び配向性ダ
イヤモンド薄膜合成装置を示す断面図、図２はその一部
拡大図である。図１及び２に示す装置は、ダイヤモンド
を蒸着する前に外部の装置によって基板表面に電界を発
生させることにより、前記装置内での成長条件を制御す
ることができるプラズマエンハンス型マイクロ波法によ
って、多結晶のダイヤモンド膜を成長させるよう設計さ
れている。この電界の効果の程度は、その変化が基板表
面における状況変化段階を表示する光学式パイロメータ
を用いてモニターする。ズマエンハンス型マイクロ波法
によって、多結晶のダイヤモンド膜を成長させるよう設
計されている。この電界の効果の程度は、その変化が基
板表面における状況変化段階を表示する光学式パイロメ
ータを用いてモニターする。
を参照して具体的に説明する。図１はマイクロ波プラズ
マチャンバのバイアスエンハンス型核生成及び配向性ダ
イヤモンド薄膜合成装置を示す断面図、図２はその一部
拡大図である。図１及び２に示す装置は、ダイヤモンド
を蒸着する前に外部の装置によって基板表面に電界を発
生させることにより、前記装置内での成長条件を制御す
ることができるプラズマエンハンス型マイクロ波法によ
って、多結晶のダイヤモンド膜を成長させるよう設計さ
れている。この電界の効果の程度は、その変化が基板表
面における状況変化段階を表示する光学式パイロメータ
を用いてモニターする。ズマエンハンス型マイクロ波法
によって、多結晶のダイヤモンド膜を成長させるよう設
計されている。この電界の効果の程度は、その変化が基
板表面における状況変化段階を表示する光学式パイロメ
ータを用いてモニターする。
【００２３】図１に示した一般的な装置は、例えば、プ
ラズマによる一連の蒸着システムの製作を行っている米
国マサチューセッツ州ウォーバンのアプライド・サイエ
ンス・アンド・テクノロジー社から購入することができ
る。この市販されている装置を改良したものを図２に示
す。プラズマは処理チャンバ４に接続した１．５ＫＷの
マイクロ波電源２により発生させる。プラズマ５は基板
１２の領域で発生させる。基板支持台は改良グラファイ
ト基板ホルダーを収容する金属製の切削加工したキャッ
プからなり、セラミック側板によりチャンバ壁３と電気
時に絶縁されている。特にこの場合、金属キャップの外
径は１００ｍｍであり、このシステムは基板の総面積よ
り大きくなるよう設計され、その面積は直径７５ｍｍの
円形ディスクに等しいか又はそれ以上であってもよい。
この基板支持台は、モーターで駆動されている軸１１上
に取り付け、プラズマに対して基板の位置を上下に調節
できるようになっている。
ラズマによる一連の蒸着システムの製作を行っている米
国マサチューセッツ州ウォーバンのアプライド・サイエ
ンス・アンド・テクノロジー社から購入することができ
る。この市販されている装置を改良したものを図２に示
す。プラズマは処理チャンバ４に接続した１．５ＫＷの
マイクロ波電源２により発生させる。プラズマ５は基板
１２の領域で発生させる。基板支持台は改良グラファイ
ト基板ホルダーを収容する金属製の切削加工したキャッ
プからなり、セラミック側板によりチャンバ壁３と電気
時に絶縁されている。特にこの場合、金属キャップの外
径は１００ｍｍであり、このシステムは基板の総面積よ
り大きくなるよう設計され、その面積は直径７５ｍｍの
円形ディスクに等しいか又はそれ以上であってもよい。
この基板支持台は、モーターで駆動されている軸１１上
に取り付け、プラズマに対して基板の位置を上下に調節
できるようになっている。
【００２４】キャップの材料は耐熱金属であればよい
が、モリブデンが最も望ましい。外部の電源によって負
の直流電圧を金属キャップに負荷し、標準真空フィード
スルー及び絶縁導電金属線により真空の成長装置内に供
給する。
が、モリブデンが最も望ましい。外部の電源によって負
の直流電圧を金属キャップに負荷し、標準真空フィード
スルー及び絶縁導電金属線により真空の成長装置内に供
給する。
【００２５】電源は負の直流電圧を供給し、基板ホルダ
ーを流れる電流が一定に保たれるよう負荷する電圧を調
整することにより自動的に制御される。電源は、一定の
電流を流すよう調整されたソーレンセン ＤＣＳ シリ
ーズ ６００−Ｉ．Ｔ．電源を用いた。別の方法とし
て、負荷電圧を一定に維持することによってもバイアス
が達成できる。
ーを流れる電流が一定に保たれるよう負荷する電圧を調
整することにより自動的に制御される。電源は、一定の
電流を流すよう調整されたソーレンセン ＤＣＳ シリ
ーズ ６００−Ｉ．Ｔ．電源を用いた。別の方法とし
て、負荷電圧を一定に維持することによってもバイアス
が達成できる。
【００２６】バイアス電圧の負荷による単結晶基板上で
のダイヤモンド膜の核形成は、図１に示したように設置
した光学式パイロメータによってモニターし、マイクロ
波によるプラズマ化学気相成長法によりバイアス電流を
負荷している間に、基板から発される光を検出する。
のダイヤモンド膜の核形成は、図１に示したように設置
した光学式パイロメータによってモニターし、マイクロ
波によるプラズマ化学気相成長法によりバイアス電流を
負荷している間に、基板から発される光を検出する。
【００２７】基板の加熱は、サセプターに組み込んだフ
ィードスルー１３により独立して行う。これは、サセプ
ター内に設置した高周波コイルの形態であってもよい。
単結晶のシリコンウェーハ上に単結晶ダイヤモンド膜を
成長させるため、炭素含有プラズマを発生するのに必要
な適度の真空下の成長環境内に単結晶のシリコンウェー
ハを置く。この際に最も望ましいガス組成は、炭化水素
／水素の混合気体、例えば水素とメタン又はエタンなど
処理温度でガス状の飽和又は不飽和炭化水素の混合気体
である。その他の炭素源としては、例えば松本ら；ジャ
ーナル・マテリアル・サイエンス １７，３１０６（１
９８２）に記載された方法で得られる炭素を利用するこ
ともできる。極めて純度が高い気体、例えば純度９９．
９９９％の気体を用いる。
ィードスルー１３により独立して行う。これは、サセプ
ター内に設置した高周波コイルの形態であってもよい。
単結晶のシリコンウェーハ上に単結晶ダイヤモンド膜を
成長させるため、炭素含有プラズマを発生するのに必要
な適度の真空下の成長環境内に単結晶のシリコンウェー
ハを置く。この際に最も望ましいガス組成は、炭化水素
／水素の混合気体、例えば水素とメタン又はエタンなど
処理温度でガス状の飽和又は不飽和炭化水素の混合気体
である。その他の炭素源としては、例えば松本ら；ジャ
ーナル・マテリアル・サイエンス １７，３１０６（１
９８２）に記載された方法で得られる炭素を利用するこ
ともできる。極めて純度が高い気体、例えば純度９９．
９９９％の気体を用いる。
【００２８】本発明に係る配向性ダイヤモンド膜の形成
は通常連続して行われる３段階の工程からなる。第１段
階では、基板表面を最高２〜３時間、できれば約１時間
にわたり炭素含有プラズマに曝して処理し、その後バイ
アスの負荷を開始する。この前処理段階で、供給ガスは
少なくともＣ／Ｈ比０．１〜１０％の炭素（Ｃ）及び水
素（Ｈ）を含有し、ガス圧力は１〜１００Torrとし、基
板温度は５００〜１０００℃とする。特に、１インチの
シリコンウェハ基板の場合に特に有効であることが明ら
かとなった条件は以下のとおりである。即ち、供給ガス
は、圧力約１５Torrで約２体積％の水素で希釈されたメ
タン（ＣＨ4）であり、基板温度は８００℃であり、マ
イクロ波電源は８００Ｗであり、総ガス流量は４００ｓ
ｃｃｍで処理チャンバ中に供給されたものである。
は通常連続して行われる３段階の工程からなる。第１段
階では、基板表面を最高２〜３時間、できれば約１時間
にわたり炭素含有プラズマに曝して処理し、その後バイ
アスの負荷を開始する。この前処理段階で、供給ガスは
少なくともＣ／Ｈ比０．１〜１０％の炭素（Ｃ）及び水
素（Ｈ）を含有し、ガス圧力は１〜１００Torrとし、基
板温度は５００〜１０００℃とする。特に、１インチの
シリコンウェハ基板の場合に特に有効であることが明ら
かとなった条件は以下のとおりである。即ち、供給ガス
は、圧力約１５Torrで約２体積％の水素で希釈されたメ
タン（ＣＨ4）であり、基板温度は８００℃であり、マ
イクロ波電源は８００Ｗであり、総ガス流量は４００ｓ
ｃｃｍで処理チャンバ中に供給されたものである。
【００２９】前処理段階終了後、シリコン基板を引き続
き加熱しながらバイアス電流を印加する。光学式パイロ
メータにより、この手段によるバイアス処理時間をモニ
ターする。核形成が完了したと判断された時点（見かけ
温度の上昇速度が増加することにより判断する）で、バ
イアス電流の印加を停止し、プラズマ内をダイヤモンド
膜の成長に最適の条件に調整する。
き加熱しながらバイアス電流を印加する。光学式パイロ
メータにより、この手段によるバイアス処理時間をモニ
ターする。核形成が完了したと判断された時点（見かけ
温度の上昇速度が増加することにより判断する）で、バ
イアス電流の印加を停止し、プラズマ内をダイヤモンド
膜の成長に最適の条件に調整する。
【００３０】負のバイアスのスイッチを切り、ダイヤモ
ンドがシリコン基板の（１００）面に直交する方向に選
択的に成長するように条件を変えることにより、ダイヤ
モンド結晶の成長を開始する。適正な条件であれば、ダ
イヤモンド膜は柱状の結晶で構成される。各結晶柱は、
一般に四辺形の断面を有し、成長条件を注意深く調節す
ると、正方形の面が方位角的に並んだ平坦なダイヤモン
ド膜が成長する。ダイヤモンド層のＸ線回折分析によ
り、ダイヤモンド層が（１００）方向に望ましい形で配
向していることが確認される。マイクロ波プラズマ蒸着
法により正方形の面を有する柱状のダイヤモンド結晶を
成長させるにあたり、温度、圧力及びマイクロ波電力が
最も重要な因子であることが確認された。
ンドがシリコン基板の（１００）面に直交する方向に選
択的に成長するように条件を変えることにより、ダイヤ
モンド結晶の成長を開始する。適正な条件であれば、ダ
イヤモンド膜は柱状の結晶で構成される。各結晶柱は、
一般に四辺形の断面を有し、成長条件を注意深く調節す
ると、正方形の面が方位角的に並んだ平坦なダイヤモン
ド膜が成長する。ダイヤモンド層のＸ線回折分析によ
り、ダイヤモンド層が（１００）方向に望ましい形で配
向していることが確認される。マイクロ波プラズマ蒸着
法により正方形の面を有する柱状のダイヤモンド結晶を
成長させるにあたり、温度、圧力及びマイクロ波電力が
最も重要な因子であることが確認された。
【００３１】前述の通り、核生成は徐々に行うのが望ま
しく、少なくとも約８〜９分間にわたって行うことが望
ましい。基板をサセプターから絶縁した場合、核生成時
間は約３０分間以上に延長することができる。前述の通
り、金属又はグラファイト製の支持台上に絶縁層を設
け、シリコン基板を絶縁層の上に置くことにより、バイ
アス印加時間を延長することができる。サセプター上の
絶縁層がバイアス工程に影響を与えるので、再現性のあ
る操作条件が必要とされる場合、シリコンウェーハが金
属サセプターと十分に接触するように注意する。このた
め、ダイヤモンド成長の過程でサセプター上に生じる炭
素質の付着物を定期的に除去する必要がある。グラファ
イトは導電性を有し、ダイヤモンドの成長を行うために
マイクロ波プラズマに曝しても、この物質上に炭素質の
残留物が付着する傾向が認められないことから、この問
題を解決する別の方法としてグラファイトサセプターの
使用が考えられる。
しく、少なくとも約８〜９分間にわたって行うことが望
ましい。基板をサセプターから絶縁した場合、核生成時
間は約３０分間以上に延長することができる。前述の通
り、金属又はグラファイト製の支持台上に絶縁層を設
け、シリコン基板を絶縁層の上に置くことにより、バイ
アス印加時間を延長することができる。サセプター上の
絶縁層がバイアス工程に影響を与えるので、再現性のあ
る操作条件が必要とされる場合、シリコンウェーハが金
属サセプターと十分に接触するように注意する。このた
め、ダイヤモンド成長の過程でサセプター上に生じる炭
素質の付着物を定期的に除去する必要がある。グラファ
イトは導電性を有し、ダイヤモンドの成長を行うために
マイクロ波プラズマに曝しても、この物質上に炭素質の
残留物が付着する傾向が認められないことから、この問
題を解決する別の方法としてグラファイトサセプターの
使用が考えられる。
【００３２】本発明者らは、配向性ダイヤモンド膜を成
長させるにあたって、一般に次の条件及び時間でバイア
スを負荷するのが良いことを見いだした。供給ガスは少
なくともＣ／Ｈ比で０．１〜１０％の炭素（Ｃ）及び水
素（Ｈ）を含有し、ガス圧力を１〜５０Torrとし、基板
温度を５００〜８００℃とし、バイアス電流を１〜２０
ｍＡ／ｃｍ2（特に、２．５〜１０ｍＡ／ｃｍ2）とし、
バイアス印加時間を１〜６０分間（特に２〜３０分間）
とし、ガス流量を１０〜１０００ｓｃｃｍとしたもので
ある。１インチのシリコンウェハ基板を用いた場合に特
に有効である最も好ましい条件は、供給ガスを水素で希
釈したメタン（ＣＨ4 ；５．１８体積％）とし、ガス圧
力を２３．１Torrとし、基板温度を５００℃とし、バイ
アス電流を６．６ｍＡ／ｃｍ2とし、バイアス印加時間
を１０〜１５分間とした場合である。Ｈ2 ／炭化水素ガ
スの流量は、約５００ｓｃｃｍに調節するのが好まし
い。
長させるにあたって、一般に次の条件及び時間でバイア
スを負荷するのが良いことを見いだした。供給ガスは少
なくともＣ／Ｈ比で０．１〜１０％の炭素（Ｃ）及び水
素（Ｈ）を含有し、ガス圧力を１〜５０Torrとし、基板
温度を５００〜８００℃とし、バイアス電流を１〜２０
ｍＡ／ｃｍ2（特に、２．５〜１０ｍＡ／ｃｍ2）とし、
バイアス印加時間を１〜６０分間（特に２〜３０分間）
とし、ガス流量を１０〜１０００ｓｃｃｍとしたもので
ある。１インチのシリコンウェハ基板を用いた場合に特
に有効である最も好ましい条件は、供給ガスを水素で希
釈したメタン（ＣＨ4 ；５．１８体積％）とし、ガス圧
力を２３．１Torrとし、基板温度を５００℃とし、バイ
アス電流を６．６ｍＡ／ｃｍ2とし、バイアス印加時間
を１０〜１５分間とした場合である。Ｈ2 ／炭化水素ガ
スの流量は、約５００ｓｃｃｍに調節するのが好まし
い。
【００３３】前述のごとく、単結晶シリコンウェハと基
板ホルダの両方を前処理し、前述の条件下で単結晶シリ
コンウェハ上にダイヤモンドの核生成を行った場合、２
分間ほどの短時間で基板表面全体の核生成が完了する。
核生成の程度は、その後のダイヤモンド膜の成長に影響
し、本発明者らはバイアス印加時間を長くして徐々に核
形成を行い、バイアスのエンドポイントを注意深く決定
することにより、高品質のダイヤモンド膜が形成される
ことを見いだした。即ち、核生成の完了は光学式パイロ
メータで基板表面における見かけ温度の変化を観察する
ことによって知ることができる。バイアス負荷中の温度
を連続してモニターし、多くのトレンドデータを蓄積す
ることにより、バイアス印加終了時点を正確に評価する
ことができる。
板ホルダの両方を前処理し、前述の条件下で単結晶シリ
コンウェハ上にダイヤモンドの核生成を行った場合、２
分間ほどの短時間で基板表面全体の核生成が完了する。
核生成の程度は、その後のダイヤモンド膜の成長に影響
し、本発明者らはバイアス印加時間を長くして徐々に核
形成を行い、バイアスのエンドポイントを注意深く決定
することにより、高品質のダイヤモンド膜が形成される
ことを見いだした。即ち、核生成の完了は光学式パイロ
メータで基板表面における見かけ温度の変化を観察する
ことによって知ることができる。バイアス負荷中の温度
を連続してモニターし、多くのトレンドデータを蓄積す
ることにより、バイアス印加終了時点を正確に評価する
ことができる。
【００３４】バイアス印加終了後、炭素含有プラズマ内
の条件をダイヤモンド膜の成長に適する条件に調整す
る。柱状のダイヤモンドの成長が必要であり、（１０
０）の方向に最も速く成長する。製造工程の条件を注意
して制御しなければ、結晶が望ましくない方向で不規則
又は選択的に成長し、整列したダイヤモンド膜は形成さ
れない。そのため、前処理し、バイアスを印加して配向
性の良好な核が得られても、配向性のダイヤモンド膜が
得られるとは限らない。成長条件は、供給ガスを少なく
ともＣ／Ｈ比で０．１〜１０％の炭素（Ｃ）と水素
（Ｈ）を含む混合ガスとし、ガス圧力を１〜１００Tor
r、基板温度を５００〜１０００℃とする。特に、前述
の１インチのシリコンウェハ基板を用いた場合に最も好
ましい条件は、供給ガスを水素で希釈したメタン（ＣＨ
4 ，５．２体積％）とし、ガス圧力を３５Torrとし、基
板温度を６１０℃とし、マイクロ波電源を８５０Ｗと
し、総ガス流量を４５０ｓｃｃｍとしたものである。
の条件をダイヤモンド膜の成長に適する条件に調整す
る。柱状のダイヤモンドの成長が必要であり、（１０
０）の方向に最も速く成長する。製造工程の条件を注意
して制御しなければ、結晶が望ましくない方向で不規則
又は選択的に成長し、整列したダイヤモンド膜は形成さ
れない。そのため、前処理し、バイアスを印加して配向
性の良好な核が得られても、配向性のダイヤモンド膜が
得られるとは限らない。成長条件は、供給ガスを少なく
ともＣ／Ｈ比で０．１〜１０％の炭素（Ｃ）と水素
（Ｈ）を含む混合ガスとし、ガス圧力を１〜１００Tor
r、基板温度を５００〜１０００℃とする。特に、前述
の１インチのシリコンウェハ基板を用いた場合に最も好
ましい条件は、供給ガスを水素で希釈したメタン（ＣＨ
4 ，５．２体積％）とし、ガス圧力を３５Torrとし、基
板温度を６１０℃とし、マイクロ波電源を８５０Ｗと
し、総ガス流量を４５０ｓｃｃｍとしたものである。
【００３５】次に、本発明の実施例について説明して、
本発明方法を更に具体的に説明する。実施例 １）１インチ（２５．４ｍｍ）のシリコンウェハをモリ
ブデン支持台上に置き、１時間にわたってメタン／水素
マイクロ波プラズマに曝す。操作条件は、水素で希釈し
たメタン（２体積％）、圧力１５トール、基板温度８０
０℃、マイクロ波電源８００Ｗ、総ガス流量４００ｓｃ
ｃｍとする。
本発明方法を更に具体的に説明する。実施例 １）１インチ（２５．４ｍｍ）のシリコンウェハをモリ
ブデン支持台上に置き、１時間にわたってメタン／水素
マイクロ波プラズマに曝す。操作条件は、水素で希釈し
たメタン（２体積％）、圧力１５トール、基板温度８０
０℃、マイクロ波電源８００Ｗ、総ガス流量４００ｓｃ
ｃｍとする。
【００３６】２）前記１）の段階が完了した時点で、基
板をメタン／水素マイクロ波プラズマに曝しながら、基
板に電流密度６．６ｍＡ／ｃｍ2 の負のバイアスを印加
する。操作条件は、水素で希釈したメタン（５．１８体
積％）を供給ガスとし、圧力を２３．１Torr、基板温度
を５００℃とし、マイクロ波電源を８００Ｗ、総ガス流
量を５００ｓｃｃｍとする。バイアス段階の完了は、光
学式パイロメータで測定してモニターする。
板をメタン／水素マイクロ波プラズマに曝しながら、基
板に電流密度６．６ｍＡ／ｃｍ2 の負のバイアスを印加
する。操作条件は、水素で希釈したメタン（５．１８体
積％）を供給ガスとし、圧力を２３．１Torr、基板温度
を５００℃とし、マイクロ波電源を８００Ｗ、総ガス流
量を５００ｓｃｃｍとする。バイアス段階の完了は、光
学式パイロメータで測定してモニターする。
【００３７】３）バイアスの印加が終了したとき、柱状
ダイヤモンド結晶の成長が始まるようにプラズマ条件を
変更する。成長条件は、水素で希釈したメタン（５．２
体積％）、圧力３５Torr、基板温度６１０℃とし、マイ
クロ波電源８５０Ｗ、総ガス流量４５０ｓｃｃｍとす
る。このような条件で、２４時間後には１１μｍの厚さ
の膜に成長するが、得られた膜のＳＥＭ写真を図６に示
す。
ダイヤモンド結晶の成長が始まるようにプラズマ条件を
変更する。成長条件は、水素で希釈したメタン（５．２
体積％）、圧力３５Torr、基板温度６１０℃とし、マイ
クロ波電源８５０Ｗ、総ガス流量４５０ｓｃｃｍとす
る。このような条件で、２４時間後には１１μｍの厚さ
の膜に成長するが、得られた膜のＳＥＭ写真を図６に示
す。
【００３８】前述の電流を調節したバイアス核生成法を
用いることにより、シリコンウェハのダイヤモンドの成
長速度は、その他の基板形成方法と比較して著しく早ま
るので、ダイヤモンドの成長速度が低い条件でも、３時
間以内に３インチのシリコンウェハ上に完全なダイヤモ
ンド膜が形成される。
用いることにより、シリコンウェハのダイヤモンドの成
長速度は、その他の基板形成方法と比較して著しく早ま
るので、ダイヤモンドの成長速度が低い条件でも、３時
間以内に３インチのシリコンウェハ上に完全なダイヤモ
ンド膜が形成される。
【００３９】図５から明らかなように、本発明に係る方
法で形成されたダイヤモンド膜は、結晶粒組織が均一
で、共通の軸上に配向した柱状のダイヤモンド結晶を有
するという特徴がある。ラマン・スペクトル分析によ
り、この膜は高品質で、その他の形状の炭素による汚染
が低いことが認められた（図７）。Ｘ線回折で分析した
結果、この膜は柱状結晶からなり、（１００）の方向に
強い粒質を有する柱状結晶からなることが認められた
（図８）。一般に、本発明方法により、厚さが２０μ以
上のダイヤモンド膜が形成された。典型的に、基板面積
の少なくとも９０〜９５％以上でこのような配向性構造
と均一な結晶粒度が認められる。
法で形成されたダイヤモンド膜は、結晶粒組織が均一
で、共通の軸上に配向した柱状のダイヤモンド結晶を有
するという特徴がある。ラマン・スペクトル分析によ
り、この膜は高品質で、その他の形状の炭素による汚染
が低いことが認められた（図７）。Ｘ線回折で分析した
結果、この膜は柱状結晶からなり、（１００）の方向に
強い粒質を有する柱状結晶からなることが認められた
（図８）。一般に、本発明方法により、厚さが２０μ以
上のダイヤモンド膜が形成された。典型的に、基板面積
の少なくとも９０〜９５％以上でこのような配向性構造
と均一な結晶粒度が認められる。
【００４０】重要なことは、配向性のダイヤモンド層を
形成するためには、３段階の工程全てを制御する必要が
あることである。
形成するためには、３段階の工程全てを制御する必要が
あることである。
【００４１】図６は、スクラッチしたシリコンウェハ上
にダイヤモンド膜を成長させた結果を示している。図か
ら明らかなように、図５に示したダイヤモンド膜とは対
照的に、膜の構造は乱れており、ダイヤモンドの配向性
は認められず、結晶の大きさにばらつきがみられる。
にダイヤモンド膜を成長させた結果を示している。図か
ら明らかなように、図５に示したダイヤモンド膜とは対
照的に、膜の構造は乱れており、ダイヤモンドの配向性
は認められず、結晶の大きさにばらつきがみられる。
【００４２】図５の試料を真上から見ると、得られた製
品は規則的又は均一なタイル張り状の構造を有し、最小
限度の結晶粒界を示している。このタイル状の構造は一
般に四辺形で、その両辺が実質的に整列している。タイ
ル状の構造を形成する柱状ダイヤモンドの成長には、高
さに多少の変動が認められることもあるが、この場合、
通常の仕上手順により、ダイヤモンド膜の表面を平坦化
することが可能である。
品は規則的又は均一なタイル張り状の構造を有し、最小
限度の結晶粒界を示している。このタイル状の構造は一
般に四辺形で、その両辺が実質的に整列している。タイ
ル状の構造を形成する柱状ダイヤモンドの成長には、高
さに多少の変動が認められることもあるが、この場合、
通常の仕上手順により、ダイヤモンド膜の表面を平坦化
することが可能である。
【００４３】本発明により形成されるダイヤモンド膜を
ドープすると、ｐ-からｐ+型のドープ領域が得られる。
例えば結晶成長段階で、ＣＶＤ処理チャンバにおける混
合ガス中に、ジボラン等のドープ剤前駆物質をごく少量
注入することにより、これは可能となる。別の方法とし
ては、次の段階の工程で、配向性のダイヤモンド膜上に
ドープしたダイヤモンド膜を蒸着させることも考えられ
る。
ドープすると、ｐ-からｐ+型のドープ領域が得られる。
例えば結晶成長段階で、ＣＶＤ処理チャンバにおける混
合ガス中に、ジボラン等のドープ剤前駆物質をごく少量
注入することにより、これは可能となる。別の方法とし
ては、次の段階の工程で、配向性のダイヤモンド膜上に
ドープしたダイヤモンド膜を蒸着させることも考えられ
る。
【図１】バイアスによる核形成及び配向性ダイヤモンド
膜の成長に必要な装置の全体概略図である。
膜の成長に必要な装置の全体概略図である。
【図２】図１と同一の装置を拡大し、詳細に示した概略
図である。
図である。
【図３】バイアスによる核生成時の時間に対する基板上
の見かけ温度を示すグラフ図であり、このグラフ図で
は、負のバイアスのスイッチを切り、ダイヤモンドの蒸
着が始まるエンドポイントを矢印で示す。
の見かけ温度を示すグラフ図であり、このグラフ図で
は、負のバイアスのスイッチを切り、ダイヤモンドの蒸
着が始まるエンドポイントを矢印で示す。
【図４】本発明方法の前処理及び核形成段階に従って形
成した配向性核の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）写真である。
成した配向性核の結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）写真である。
【図５】本発明に従って核生成した基板表面上にダイヤ
モンド成長により形成した配向性ダイヤモンド膜の結晶
構造を示すＳＥＭ写真であり、構造の均一性が明白に現
われているものである。
モンド成長により形成した配向性ダイヤモンド膜の結晶
構造を示すＳＥＭ写真であり、構造の均一性が明白に現
われているものである。
【図６】負のバイアスを印加せずにダイヤモンド膜を蒸
着させた比較例ウェハ表面の結晶構造を示すＳＥＭ写真
である。
着させた比較例ウェハ表面の結晶構造を示すＳＥＭ写真
である。
【図７】本発明に従って形成した配向性ダイヤモンド膜
のＸ線回折記録である。
のＸ線回折記録である。
【図８】本発明に従って形成した配向性ダイヤモンド膜
のラマン・スペクトルである。
のラマン・スペクトルである。
１；光学式パイロメータ ２；マイクロ波発生装置 ３；チャンバ壁 ４；蒸着チャンバ ５；プラズマ ６；サセプタ ７；アースシールド ８，１３；フィードスルー ９；直流電源 １０；金属線 １１；ヒータ軸 １２；シリコン基板 １４；熱電対 １５；アルミナ管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター・ジョン・エリス イギリス，サリー州 ＧＵ10 １ＢＹ, ファーナム，トンガム，ニュートン・ウ ェイ ８ (72)発明者 キャロライン・エリザベス・ジェンキン ス イギリス，サリー州 ＧＵ22 ７ＲＸ, ウォーキング，コンスティテューショ ン・ヒル，エフィンガム・コート 12 (72)発明者 ブライアン・ライズ・ストーナー アメリカ合衆国，ノースカロライナ州 27603， ローリ，ブロード・オーク ス・プレイス，2659 (56)参考文献 特表 平７−506799（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (14)
- 【請求項１】 単結晶シリコン基板表面上に、電気的バ
イアスを印加して配向性ダイヤモンド結晶を成長させる
ための核形成を行い、基板表面の見かけ温度が顕著に上
昇した時を測定することによって核生成段階の終了を検
出し、炭素含有プラズマから核生成した表面上に結晶ダ
イヤモンドを蒸着させて配向性ダイヤモンド膜を形成す
ることを特徴とする配向性ダイヤモンド膜の形成方法。 - 【請求項２】 基板に負の直流バイアスを印加すること
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記負のバイアスを印加している間、基
板に流れる電流を約１〜２０ｍＡ／ｃｍ2 の一定レベル
に維持することを特徴とする請求項２に記載の方法。 - 【請求項４】 基板が高融点金属からなる支持台上に支
持され、この支持台は基板の面積よりも大きいことを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項５】 前記支持台は、モリブデン、タングステ
ン又はタンタルからなることを特徴とする請求項４に記
載の方法。 - 【請求項６】 前記支持台は、高周波加熱手段を含むグ
ラファイトサセプターに接触して支持されていることを
特徴とする請求項４又は５に記載の方法。 - 【請求項７】 前記基板は、前記支持台から電気的に絶
縁されて前記支持台上に支持されていることを特徴とす
る請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項８】 前記基板は、金属酸化物板により前記支
持台から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求
項７に記載の方法。 - 【請求項９】 前記基板は、炭素含有プラズマに１０分
間乃至１０時間内の所定時間曝すことによって前処理す
ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記
載の方法。 - 【請求項１０】 核生成した基板表面上に結晶ダイヤモ
ンドを柱状に成長させる温度及び圧力の条件下で、電気
的バイアスを印加せずにダイヤモンドを成長させること
を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方
法。 - 【請求項１１】 核生成段階よりも圧力が高い雰囲気中
で、核生成した基板表面上にダイヤモンドを成長させる
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１２】 ５００乃至１０００℃の温度でダイヤ
モンドの成長を行うことを特徴とする請求項１０又は１
１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記基板は、グラファイトサセプター
に接触し、高周波加熱手段で加熱された支持台上に支持
されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれ
か１項に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記核生成した基板表面上に結晶ダイ
ヤモンドを蒸着する工程の間、前記炭素含有プラズマ中
にガス状のドーパントを導入することを特徴とする請求
項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB929218677A GB9218677D0 (en) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | Growth of diamond films on silicon substrates |
| GB939304749A GB9304749D0 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | Preparation of diamond films on silicon substrates |
| GB9304749.6 | 1993-03-09 | ||
| GB9218677.4 | 1993-03-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06172088A JPH06172088A (ja) | 1994-06-21 |
| JP3194820B2 true JP3194820B2 (ja) | 2001-08-06 |
Family
ID=26301539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19090493A Expired - Lifetime JP3194820B2 (ja) | 1992-09-03 | 1993-07-02 | 配向性ダイヤモンド膜の形成方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5471947A (ja) |
| JP (1) | JP3194820B2 (ja) |
| DE (1) | DE4329497A1 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4233085C2 (de) * | 1992-10-01 | 1996-10-10 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung heteroepitaktischer Diamantschichten |
| GB9309346D0 (en) * | 1993-05-06 | 1993-06-16 | Kobe Steel Europ Ltd | Preparation of nucleated silicon surfaces |
| DE4427714C2 (de) * | 1994-08-05 | 1996-07-11 | Daimler Benz Ag | Verfahren zum Bekeimen eines Substrats zur späteren Herstellung einer Komposit-Struktur |
| GB2300425A (en) * | 1995-05-01 | 1996-11-06 | Kobe Steel Europ Ltd | Nucleation of diamond films using an electrode |
| JP3728467B2 (ja) * | 1995-08-04 | 2005-12-21 | 株式会社神戸製鋼所 | 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法 |
| US6037240A (en) * | 1997-01-23 | 2000-03-14 | Daimlerchrysler Ag | Growth substrate having growth nuclei made of diamonds and/or diamond-like carbon arranged on its growth surface as well as process for a uniform nucleation on the growth substrate |
| JP2001522141A (ja) | 1997-11-03 | 2001-11-13 | エーエスエム アメリカ インコーポレイテッド | 低質量サポートを用いたウェハの加工方法 |
| GB0006318D0 (en) * | 2000-03-15 | 2000-05-03 | De Beers Ind Diamond | Radiation detector |
| DE10012866A1 (de) * | 2000-03-16 | 2001-09-27 | Siemens Ag | Elektrischer Halbleiterwiderstand und Verfahren zu dessen Herstellung |
| US6528215B1 (en) | 2000-11-07 | 2003-03-04 | International Business Machines Corporation | Substrate for diamond stencil mask and method for forming |
| AU2003205666A1 (en) * | 2002-01-25 | 2003-09-02 | Gesellschaft Fur Schwerionenforschung Mbh | Detector for detecting particle beams and method for the production thereof |
| DE10345393B4 (de) * | 2003-09-30 | 2007-07-19 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zur Abscheidung eines leitfähigen Materials auf einem Substrat und Halbleiterkontaktvorrichtung |
| US8101526B2 (en) * | 2008-03-12 | 2012-01-24 | City University Of Hong Kong | Method of making diamond nanopillars |
| US9885123B2 (en) | 2011-03-16 | 2018-02-06 | Asm America, Inc. | Rapid bake of semiconductor substrate with upper linear heating elements perpendicular to horizontal gas flow |
| US10584412B2 (en) | 2016-03-08 | 2020-03-10 | Ii-Vi Delaware, Inc. | Substrate comprising a layer of silicon and a layer of diamond having an optically finished (or a dense) silicon-diamond interface |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63107898A (ja) * | 1986-10-23 | 1988-05-12 | Natl Inst For Res In Inorg Mater | プラズマを用いるダイヤモンドの合成法 |
| US5270029A (en) * | 1987-02-24 | 1993-12-14 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Carbon substance and its manufacturing method |
| US4830702A (en) * | 1987-07-02 | 1989-05-16 | General Electric Company | Hollow cathode plasma assisted apparatus and method of diamond synthesis |
| US5270028A (en) * | 1988-02-01 | 1993-12-14 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond and its preparation by chemical vapor deposition method |
| US5087434A (en) * | 1989-04-21 | 1992-02-11 | The Pennsylvania Research Corporation | Synthesis of diamond powders in the gas phase |
| DE69017271T2 (de) * | 1989-06-15 | 1995-06-22 | Semiconductor Energy Lab | Gerät zur Bearbeitung mittels Mikrowellen in einem magnetischen Feld. |
| JPH03252393A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-11 | Nec Corp | 表面プロセス制御方法及び装置 |
| US5114696A (en) * | 1990-08-06 | 1992-05-19 | Texas Instruments Incorporated | Diamond growth method |
| US5308661A (en) * | 1993-03-03 | 1994-05-03 | The Regents Of The University Of California | Pretreatment process for forming a smooth surface diamond film on a carbon-coated substrate |
-
1993
- 1993-07-02 JP JP19090493A patent/JP3194820B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1993-08-19 US US08/108,287 patent/US5471947A/en not_active Expired - Fee Related
- 1993-09-01 DE DE4329497A patent/DE4329497A1/de not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4329497A1 (de) | 1994-03-10 |
| JPH06172088A (ja) | 1994-06-21 |
| US5471947A (en) | 1995-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3194820B2 (ja) | 配向性ダイヤモンド膜の形成方法 | |
| US5814149A (en) | Methods for manufacturing monocrystalline diamond films | |
| JPH06279185A (ja) | ダイヤモンド結晶およびダイヤモンド結晶膜の形成方法 | |
| JPH0782083A (ja) | 高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法 | |
| JP3728467B2 (ja) | 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法 | |
| US5200231A (en) | Method of manufacturing polycrystalline diamond layers | |
| Sawabe et al. | Growth of diamond thin films in a DC discharge plasma | |
| US5993919A (en) | Method of synthesizing diamond | |
| EP0959148A2 (en) | Method for producing diamond films using a vapour-phase synthesis system | |
| JPH03141198A (ja) | 多結晶ダイヤモンド層の製造方法 | |
| GB2270326A (en) | Growth of diamond films on silicon substrates with application of bias to substrate; tessellated patterns | |
| JP3124422B2 (ja) | 高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法 | |
| KR100230958B1 (ko) | 고방향성 다이아몬드막 cvd 장치 및 막형성 방법 | |
| JPS61201698A (ja) | ダイヤモンド膜およびその製造法 | |
| JP3728469B2 (ja) | 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法 | |
| JPH05339730A (ja) | ダイヤモンド被膜の形成方法 | |
| JP2780497B2 (ja) | ＣＶＤ法によるＳｉ基板へのダイヤモンド膜形成方法 | |
| WO2008035468A1 (fr) | FILM DE NANODIAMANT MINCE AYANT UNE CONDUCTIVITÉ DU TYPE n ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CELUI-CI | |
| JP2679023B2 (ja) | ダイヤモンド薄膜堆積用基板の製造方法 | |
| JPH07118860A (ja) | 対向電極型マイクロ波プラズマ処理装置および処理方法 | |
| RU2769751C1 (ru) | Устройство для нанесения сверхтолстых слоев поликристаллического кремния | |
| JP3874984B2 (ja) | 微結晶ダイヤモンド薄膜の低温成膜法及び装置 | |
| JP2739469B2 (ja) | ＳｉＣ膜の成長方法 | |
| WO1996001913A1 (en) | Monocrystalline diamond film production by chemical vapor deposition | |
| JPH0649635B2 (ja) | ダイヤモンドの合成方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080601 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090601 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100601 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100601 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110601 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120601 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130601 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |