JP6656809B2

JP6656809B2 - マイクロ波プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP6656809B2
Application number: JP2015031283A
Authority: JP
Inventors: 宏興王
Original assignee: 宏興王
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2035-02-20
Also published as: JP2016153515A

Description

本発明は、マイクロ波によってプラズマを発生させ、基板等の基材表面にダイヤモンド薄膜等の薄膜を形成することができマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。

この薄膜には、ダイヤモンド薄膜以外に、ダイヤモンド状炭素薄膜、カーボンナノチューブなどの炭素系薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン窒化薄膜、アモルファスシリコン薄膜などのシリコン系薄膜、等の各種薄膜がある。

マイクロ波プラズマは、マイクロ波エネルギーを利用して水素等のプラズマ生成ガスを電離することによって形成される。ＣＶＤ(ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長)は、メタン等の原料ガス中の物質がプラズマによって電離或いは分解し、気相中のラジカルが反応し、基板等の基材の表面上に固形物質(薄膜)として堆積(製膜)する製法技術である。

マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波を反応室内で共振させて、反応室内に強い電磁場を形成することによって、プラズマ生成ガスを電離させて、プラズマを生成し、このプラズマ中のラジカルが基板表面で反応することによって、基板等の基材表面に薄膜を堆積させる装置であり、低温で、高品質な薄膜を、低コストで、且つ、高速で製膜できるという利点を有する。

そして、この装置では、反応室に上記ガス以外に、リンやホウ素などの元素を極めて微量に含むドーピングガスを含む混合ガスを投入することによって、薄膜の性能を変えることが行われる。例えば、ドーピングガスによって、例えば、半導体結晶中にリンが添加されると、半導体材料の伝導型は、ｎ型となり、ホウ素が添加されると、半導体材料の伝導型は、ｐ型となる。

なお、一般的なマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の技術が記載された特許文献を以下に掲げる。

特開２００５−２９８２９３号公報特開２００５−２５５５０７号公報米国特許４８６６３４６号公報

従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置においては、以下の問題がある。すなわち、反応室に導入される混合ガス中のドーピングガスに含む元素は微量であるため、ドーピングガスの濃度は、その元素を添加することにより所望性能の薄膜を製膜するうえで重要である。

しかし、従来では、基板表面上のドーピングガスの濃度が低いため、所望性能の薄膜を製膜することが困難である。このように従来では、製膜プロセス中において、所望の性能を有する薄膜を得るためのドーピングガスの使用率が低いという課題を抱えていた。

本発明は、反応室に導入された混合ガス中の特にドーピングガスの基板表面上での濃度が高くなるようにして、その使用率を高め、これによって、所望性能を有する薄膜を製膜することができるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下の手段を提供する。

本発明に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置で且つ前記中心軸線を通る中央区域内に配置される基板ホルダと、前記基板ホルダの直径以上の直径を有し、且つ、前記中央区域内に配置されている前記基板ホルダを該中央区域内で水平支持するホルダ支持台と、を備え、
前記ホルダ支持台には、複数のスルーホールが第１のガス排気用通路として、前記ホルダ支持台を垂直に貫通して設けられ、前記第１のガス排気用通路の上部は、ガス排気口として前記基板ホルダの外周付近において前記ホルダ支持台の表面に露出した開口となっており、
前記ガス排気口は、前記基板ホルダを前記外周付近の水平面内においてが前記中心軸線周り対称の形状線に沿って等間隔に取り囲むと共に、前記形状線は、前記複数のガス導入口を垂直下方に投影した投影像よりも前記反応室の内側に位置しており、
前記反応室の内側壁と前記ホルダ支持台の外側壁との間に前記中心軸線を環状中心とする環状の隙間が前記第１のガス排気用通路とは別の第２のガス排気用通路として設けられており、
上記構成を有することにより、前記複数のガス導入口から前記反応室内に導入された前記ガスは、前記形状線に沿って等間隔に配置され複数のガス排気口から前記第１のガス排気用通路に排気されるガス流分布となる、ことを特徴とする。

本発明においては、前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置に設置され且つ前記中心軸線を通る中央区域内に基板ホルダを水平支持するホルダ支持台と、前記複数のガス導入口同士を水平面内において連ねてなる形状線よりも内側の位置で前記基板ホルダを取り囲むと共に、水平面上において前記中心軸線周り対称に設けられたガス排気口と、を備えるので、前記複数のガス導入口それぞれから前記反応室内に導入された混合ガスは、前記基板ホルダに支持されている基板等の基材表面から前記ガス排気口へと均等に且つ多く流れるガス流となる。そのため、基板等の基材上における混合ガスのうち、特にドーピングガスの濃度が高まる。その結果、反応室内において薄膜の製膜に用いるドーピングガスの使用率が増加し、これにより所望性能の薄膜を基板等の基材上に製膜することができる。

本発明に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置で且つ前記中心軸線を通る中央区域内に配置される基板ホルダと、前記中央区域内に配置されている前記基板ホルダを該中央区域内で水平支持するホルダ支持台と、前記複数のガス導入口より下方の位置に設置され且つ前記中心軸線を通る中央区域内に基板ホルダを水平支持するホルダ支持台と、を備え、
前記反応室の内側壁の一部に半径方向内側へ張り出す内側張り出し部が設けられ、前記内側張り出し部の上面は、前記ホルダ支持台の上面の高さと同じであり、前記内側張り出し部の内側壁と前記ホルダ支持台の外側壁との間に環状の隙間があり、前記環状の隙間は、環状のガス排気用通路を形成し、前記環状のガス排気用通路の上部開口が、環状のガス排気口となっていることを特徴とする。

本発明に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置に設置され且つ前記中心軸線を通る中央区域内に基板ホルダを水平支持するホルダ支持台と、前記ホルダ支持台に、前記複数のガス導入口同士を水平面内において連ねてなる形状線よりも内側の位置で前記基板ホルダを取り囲むと共に、水平面上において前記中心軸線周り対称に等間隔に離間して設けられた複数のガス排気口と、を備え、
前記ホルダ支持台の外側壁と前記反応室の内側壁との間に隙間があり、記複数のガス排気口から、アーチの形で半径方向外側に向けて前記隙間にまで開通してなる複数のガス排気用通路を備えた、ことを特徴とする。

好ましくは、前記別のガス排気用通路は、仕切り板によって閉塞されている。

好ましくは、前記隙間は、前記中心軸線を環状中心とする環状隙間である。

好ましくは、前記ホルダ支持台の直径と、前記ホルダの直径との差は、０〜１０ｍｍである。

好ましくは、前記別のガス排気用通路は、幅が１〜５ｍｍの環状通路である。

好ましくは、前記ガス導入口の設置個数は、４個以上である。

本発明によれば、反応室における複数のガス導入口は、中心軸線周り対称に設けられており、且つ、ガス排気口は、複数のガス導入口よりも内側において中心軸線周り対称に設けられているので、マイクロ波導波管より中心軸線周り対称のマイクロ波が伝播されると、複数のガス導入口から導入された混合ガスは、基板ホルダに支持された基板等の基材の表面と周囲に均等に流れて、ガス排気口から排気される。そのため、基板等の基材に接触する混合ガスのうち、特にドーピングガスの濃度が向上する。これにより、本発明によれば、ドーピングガスの基板上における薄膜の製膜に使用する率が増加し、その結果、基板上に、所望性能の薄膜を製膜することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図１のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置において、ホルダ支持台の上面図である。図１のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置において、ホルダ支持台の別の変形例の上面図である。本発明の他の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す縦断面図である。本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を模式に示す縦断面図である。本発明と従来技術との反応室内におけるガス流を対比して示す模式図である。本発明のさらに他の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置(以下、本装置という)を説明する。

図１および図２を参照して、本装置を説明する。図１は、本装置の概略構造図、図２は、本装置のホルダ支持台の上面図である。

本装置は、マイクロ波導波管１と、反応室２と、基板ホルダ３と、ホルダ支持台４と、を備える。

マイクロ波導波管１は、マイクロ波導入管１１と、マイクロ波導出管１２と、モード変換アンテナ１３とを有する。

マイクロ波導入管１１は、図中左右方向(水平方向)に延びる断面方形の導波管であり、右端に開口１１ａ、左右方向途中に上下方向(垂直方向)で対向する開口１１ｂ，１１ｃを有する。

マイクロ波導入管１１には、開口１１ａから、マグネトロン等のマイクロ波源 (図示しない)で発生したマイクロ波が導入される。マイクロ波導入管１１内に導入したマイクロ波は、図中左側方向に矩形ＴＥ₁₀モードで伝播する。このマイクロ波の周波数は、０．５〜１５ＧＨｚであり、理想的には、２．４５ＧＨｚである。

マイクロ波導入管１１内の図中左端奥部には、マイクロ波を最大エネルギーで開口１１ｃから導出させるため、マイクロ波調整用の導波管スタブ(図示しない)が配置される。導波管スタブは、マイクロ波導波管１内でマイクロ波の反射成分をキャンセルする。

マイクロ波導出管１２は、水平方向に伸びるマイクロ波導入管１１の開口１１ｃにおいて該マイクロ波導入管１１に垂直下方に直交して接続されている。マイクロ波導出管１２は、マイクロ波を垂直下方に円形ＴＭ₀₁モードで伝播する断面円形の導波管である。

モード変換アンテナ１３は、マイクロ波導入管１１内を垂直方向に横切って、マイクロ波導出管１２内へ垂直下方に延びる円柱状のアンテナである。モード変換アンテナ１３は、マイクロ波導入管１１内を矩形座標のモードで横方向に伝播するマイクロ波を、マイクロ波導出管１２内を円柱座標のモードで下方向に伝播するマイクロ波に、変換する。

モード変換アンテナ１３は、マイクロ波導出管１２内で中心軸線Ｌ１に沿って配置されているので、反応室２内では、マイクロ波導出管１２から反応室２に導入されるマイクロ波によって、中心軸線Ｌ１周りに対称で均等なプラズマを生成することができる。

モード変換アンテナ１３は、マイクロ波導出管１２内での長さ(以下、進入長さ)を調節することができる。モード変換アンテナ１３のマイクロ波モード変換の効果は、モード変換アンテナ１３の進入長さを調節することによって、変えることができる。すなわち、モード変換アンテナ１３の進入長さを適切に調節することによって、マイクロ波導出管１２から最大エネルギーでマイクロ波を反応室２に導入させることができる。

このように、導波管スタブの配置位置や、モード変換アンテナ１３の進入長さの調節によって、マイクロ波をマイクロ波導波管１から反応室２に最大エネルギーでかつ中心軸線Ｌ１周りに対称に下方に伝播させ、反応室２内に均一なプラズマを生成することができる。モード変換アンテナ１３の進入長さの調節は、適宜の進入長さ調節機構、例えば、ウォームギヤ等で行うことができる。

なお、モード変換アンテナ１３の進入長さや配置位置がユーザーに外部から判るように、進入長さ表示用インジケーターを適宜設けてもよい。

モード変換アンテナ１３は、マイクロ波導入管１１の開口１１ｂに設けられた円筒状のアンテナ収納管１３１内に上下移動可能に取り付けられている。アンテナ収納管１３１内にはアンテナ保持ブロック１４が固定されている。アンテナ保持ブロック１４は、垂直方向の貫通孔１４ａを有する。モード変換アンテナ１３は、その上端側がアンテナ保持ブロック１４の貫通孔１４ａ内に挿入され、この貫通孔１４ａに沿って垂直上下方向に位置調節することができる。これによって、モード変換アンテナ１３の中心軸線Ｌ１に沿う進入長さを調節することができる。

モード変換アンテナ１３は、その下端部分１３ａが開口部１１ｃからマイクロ波導出管１２内に入っている。モード変換アンテナ１３の下端部分１３ａは、マイクロ波導出管１２内を中心軸線Ｌ１と同軸上に垂直下方へ伸びている。モード変換アンテナ１３の下端部１３ａの長さは、前記進入長さとなり、自由空間内でのマイクロ波の波長の１/４の整数倍であることが好ましい。このようにモード変換アンテナ１３の下端部１３ａの長さを自由空間内でのマイクロ波の波長の１/４の整数倍に設定すると、モード変換アンテナ１３の表面に形成される誘導電流が最小になり、これによって、モード変換アンテナ１３や、アンテナ収納管１３１が、熱、あるいは、誘導電流によるアークで溶解されたり、あるいは、接続されたりしなくて済む。

好ましいマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、好ましいマイクロ波出力は３００ワット〜６キロワットである。

マイクロ波導入管１１は、好ましくは、幅が略７．２ｃｍ、高さが略３．４ｃｍ、長さが略２５．５ｃｍである。マイクロ波導出管１２は、長さが、直径よりも大きい。マイクロ波導出管１２は、好ましくは、長さが略１２．８ｃｍ、直径が略１０〜１２ｃｍである。

プラズマを扱うには、マイクロ波導出管１２の長さと、反応室２の長さが、マイクロ波導出管１２内のマイクロ波の波長の１/２の整数倍である必要がある。このように反応室２を形成すると、反応室２の中で、マイクロ波が共振し、強力なマイクロ波を形成する。

実施形態のマイクロ波導波管１によれば、反応室２内部に、プラズマに必要な中心軸線Ｌ１周りに対称にマイクロ波を導入することができ、これにより、反応室２内に導入されたマイクロ波の電界によって発生したプラズマ１００は、反応室２内で安定持続する。

次に、本実施形態の特徴を説明する。

マイクロ波導出管１２は、下端側が開口し、また、反応室２は上端側が開口している。マイクロ波導出管１２の下端側の外周にねじ穴１２ａ付きのフランジを有する。反応室２は、上端側の外周にねじ穴２ａ付きのフランジを有する。マイクロ波導出管１２と反応室２は、ねじ穴１２ａ，２ａにねじ(図示しない)が挿入されて接続される。そして、マイクロ波導出管１２の下方内部には、石英ガラス等の誘電体からなる隔離窓７が設けられている。この隔離窓７は、マイクロ波導出管１２と反応室２との接続部に水平に設置されて、マイクロ波導波管１と反応室２とを圧力的に隔離し、かつ、マイクロ波をマイクロ波導出管１２から反応室２に透過することができる。これにより、マイクロ波導出管１２から反応室２にはマイクロ波が隔離窓７を透過して導入されると共に、反応室２内部は、隔離窓７によって、所要の減圧状態に維持される。

反応室２の上端側外周にガス導入口２ｂがある。ガス導入口２ｂを介して、反応室２内には混合ガスを導入することができる。なお、マイクロ波導出管１２のガス導入口１２ｂは省略し、反応室２のガス導入口２ｂのみとしてもよい。

また、反応室２とは別に短い円筒体の外周側に環状フランジを設け、この環状フランジに円周方向に４つのねじ穴２ａと通常の４つの貫通穴とを外周側に備えた構造物を反応室２上端に固定し、この貫通穴を反応室２に連通させることで、この貫通穴をガス導入口２ｂとしてもよい。なお、本発明は、このガス導入口２ｂの形成方法については、何等限定されるものではなく、必要なのは、ガス導入口２ｂが少なくとも４つ以上である。

このようにガス導入口２ｂは、水平面において中心軸線Ｌ１周りに対称な位置に、この実施形態では、４つ以上設けられている。この場合、各ガス導入口２ｂは、水平面上において中心軸線Ｌ１周りに、互いに円周方向９０度の等離間間隔で設けられる。ガス導入口２ｂの個数は、前記４つ以上であってもよい。例えば、ガス導入口２ｂの個数が５個であれば、これらガス導入口２ｂは、円周方向７２度の等離間間隔に設けられ、また、ガス導入口２ｂの個数が２０個であれば、これらガス導入口２ｂは、円周方向１８度の等間離間隔に設けられ、…、ガス導入口２ｂの個数がｎ個であれば、これらガス導入口２ｂは、円周方向３６０／ｎ度の等離間間隔に設けられるとよい。

これらガス導入口２ｂを円周方向に結んで形成される形状線は、水平方向において中心軸線Ｌ１周りの円形状であるが、前記形状線は、円形状に限定されず、中心軸線Ｌ１周りに対称に配置されれば、長方形や正方形等の方形や楕円等の他の形状であってもよい。

反応室２内は、所定の真空度、例えば１０^-7トールから大気圧以下に減圧されることが好ましい。反応室２内の減圧は、適宜の真空機構、例えば真空ポンプ(図示せず)および調圧バルブ(図示せず)などの真空機構を用いて行うことができる。

反応室２には、基板ホルダ３を支持するホルダ支持台４が配置されている。ホルダ支持台４の上面は水平面となっている。基板ホルダ３の上面は、ホルダ支持台４に支持された状態で、水平面となっている。そのため、基板ホルダ３の上面に載置される基板(図示しない)の上面も水平面となっている。基板ホルダ３は、適宜に加熱・冷却され、これによって、基板ホルダ３上の基板は、薄膜を製膜するのに適当な表面温度に維持される。基材ホルダ３の加熱方式には、例えばマイクロ波加熱、高周波加熱、抵抗通電加熱等があり、基材ホルダ３の冷却方式には、水冷却やその他の冷却がある。

マイクロ波導出管１２と反応室２は、共に、中心軸線Ｌ１が共通の円中心とした断面円形な構造となっている。マイクロ波導出管１２と反応室２それぞれの内径は、一致してもよいし、一致しなくてもよい。そして基板ホルダ３は、ホルダ支持台４の中心区域で保持されている。この中心区域は、中心軸線Ｌ１上を通る区域である。この中心区域は、好ましくは、その中心が、中心軸線Ｌ１上にあり、この中心軸線Ｌ１周りに対称な区域である。

また、反応室２内の圧力が、例えば１０^-7〜１０^-2トールのような低圧であっても、反応室２内でのプラズマ１００の密度が所要の要求を満たす密度であるためには、反応室２の外部に電磁石や永久磁石を追加設置するとよい。このような磁石を追加設置することによって、反応室２内に共振磁場を形成できる。反応室２内での自由電子のエネルギーは、当該共振磁場の作用で、高められ、基板上に良好に薄膜を製膜することができる。勿論、比較的に高いイオン衝撃電圧が必要な場所に、電界を増設することで、プラズマを加速させてもよい。

ホルダ支持台４には、複数のスルーホール５がガス排気用通路として形成されている。各ガス排気用通路５は、ホルダ支持台４内を垂直に貫通して設けられている。各ガス排気用通路５の上部はホルダ支持台４の表面に露出した開口であり、この開口は、ガス排気口５１となる。

これらガス排気口５１は、基板ホルダ３の外周付近を中心軸線Ｌ１周り対称に取り囲む。各ガス排気口５１は、図２に示すように、円周方向に連ねてなる同心円Ｃ１上にあり、この同心円Ｃ１の中心は、中心軸線Ｌ１に一致している。この同心円Ｃ１は、複数のガス導入口２ｂを円周方向に連ねてなる同心円を垂直下方に投影した投影像よりも反応室２の内側、つまり、中心軸線Ｌ１寄りに位置している。さらに、各ガス排気口５１は、中心軸線Ｌ１周り対称に前記同心円Ｃ１上において、等離間間隔に設けられている。

基板ホルダ３の直径は、例えば１０〜５０ｍｍであり、基板ホルダ３は、基板より少し大きい。ホルダ支持台４の直径は、例えば１００〜１３０ｍｍである。

反応室２の内側壁２ｃとホルダ支持台４の外側壁４ａとの間に環状の隙間５ａがある。この環状の隙間５ａは、必要に応じてガス排気用通路５とは別のガス排気用通路５ａを形成することができる。

ガス排気用通路５ａは、混合ガスが基板ホルダ３の表面に接近し、基板ホルダ３の表面に均等なガス流の分布を形成するうえで好ましい。

本実施形態では、反応室２が、水平面内で中心軸線Ｌ１周り対称に等間隔で離間して設けられた複数のガス導入口２ｂと、これらガス導入口２ｂより下方位置で、中心軸線Ｌ１を通る中央区域内に基材ホルダ３を水平支持するホルダ支持台４と、水平面内において各ガス導入口２ｂよりも内側で基板ホルダ３を取り囲む位置に、中心軸線Ｌ１周り対称に等間隔で離間して設けられた複数のガス排気口５１と、を備えるので、各ガス導入口２ｂそれぞれから反応室２に導入された原料ガス、プラズマ生成ガスおよびドーピングガスからなる混合ガスは、基板ホルダ３に支持されている基板表面から各ガス排気口５１へと均等に且つ多く流れるガス流となる。そのため、基板上における混合ガスのうち特にドーピングガスの濃度が高まり、その結果、ドーピングガスの使用率が増加し、所望性能の薄膜を、基板上に製膜することができる。

この実施形態では、各ガス排気口５１は、上述したように、ホルダ支持台４の基板ホルダ３の周囲において、水平同心円Ｃ１上を等間隔で離間して設けられるが、各ガス排気口５１は、図３に示すように、ホルダ支持台４の基板ホルダ３の周囲において、２つの水平同心円Ｃ１，Ｃ２上に等間隔に離間して設けてもよい。また、図２および図３に示すように、ガス排気口５１は、平面視円形形状であるが、この形状に限定されるものではなく、平面視矩形形状、平面視楕円形状、その他の形状であってもよい。勿論、ガス排気口５１は、図２で１つの水平同心円Ｃ１上、図３では２つの同心円Ｃ１，Ｃ２上に設定されているが、それ以上の数の同心円上に設定してもよい。さらにまた、各ガス排気口５１は、前記同心円Ｃ１，Ｃ２上に配置されることに限定されず、長方形や正方形等の方形、あるいは、楕円等の他の形状線上で有っても、中心軸線Ｌ１周り対称に、これら形状線上に沿って等間隔に離間して設けてもよい。

ガス排気口５１は、ホルダ支持台４と基板ホルダ３との接触表面６にあり、かつ、基板ホルダ３とは接触していない。ガス排気口５１を有するガス排気用通路５の下側は、ホルダ支持台４の接触表面６以外の他の表面にある。ガス排気用通路５の直径は、１〜５ｍｍであることが好ましい。このようなガス排気用通路５の構造は、混合ガスの流通を満たすと同時に、反応室２におけるマイクロ波電界や誘導電流の分布に影響しない。

ガス排気用通路５は、ホルダ支持台４の底面(図示しない)に垂直に開通している。ガス排気用通路５とは別のガス排気用通路５ａは、反応室２内に開口しているが、図４に示すように、ガス排気用通路５ａを使用しないときは、仕切り板８によって、ガス排気用通路５ａを閉塞してもよい。この仕切り板８によって、混合ガスが、ホルダ支持台４と反応室２との隙間５ａから流出することを防ぐことができる。この場合、仕切り板８は、その上面がホルダ支持台４の接触表面６と同一の水平面上に設けられている。仕切り板８は、ホルダ支持台４と同時に上下移動するようにしてもよい。仕切り板８を設置することによって、反応室２に導入された混合ガスは、ガス排気口５１だけを通して反応室２の外部に排気する役割を有するので、本発明の効果をさらに強化させることができる。

なお、図１ないし図４に示すように、ガス排気用通路５は、垂直にホルダ支持台４の底面を開通しているが、図５に示すように、ガス排気用通路５をアーチ形で外に向けてホルダ支持台４の側壁と反応室２の内壁との間の隙間５ａに開通させてもよい。

図１に示す本装置において、以下の環境において実験を行った。

原料ガスを、メタンおよび水素とし、且つ、ドーピングガスを、ホスフィン（ＰＨ₃）とし、メタンと水素との濃度比を０．０１％〜１０％、ホスフィンとメタンとの濃度比を１００〜５０００ｐｐｍ、反応室２内の圧力を５０〜２００トール、反応室２内の混合ガスの流速を１００〜５００ｓｃｃｍ、基板の温度を８００〜１２００℃に、それぞれ、設定した。

本発明と従来技術それぞれの製膜効果を比較すると、従来技術では１ｃｍ³の薄膜中のリン(ドーピングガス中の物質)の混入濃度は１×１０¹⁷であるのに対して、本発明では１ｃｍ³の薄膜中のリンの混入濃度は１×１０¹⁸〜２×１０¹⁸に達している。これにより本発明では、基板表面付近のドーピングガスの濃度が増加し、成長した薄膜中におけるリンの濃度が増加したことが判る。これにより、本発明によれば、反応室２内に導入された混合ガスのうち、特にドーピングガスの使用率が高くなり、成膜効果が増強したことが明らかである。

この実験の結果を図６に模式的に示す。図６は、反応室２と、この反応室２に配置されたホルダ支持台４とが示されている。そしてホルダ支持台４にはガス排気用通路５と別のガス排気用通路５ａとが示されているが、従来技術では、ホルダ支持台４にガス排気用通路５が無く、別のガス排気用通路５ａが有る。図６において、符号Ａは、実施形態における反応室２内のガス流分布であり、符号Ｂは、従来技術における反応室２内のガス流分布である。

従来技術のガス流分布Ｂによれば、ガス導入口から導入されたガスは、ホルダ支持台４の中心区域上の基板ホルダ３には届きにくく、大部分が別のガス排気用通路５ａから排気されている。そのため、基板ホルダ３上の基板表面でのドーピングガス濃度は低く、そのため製膜に用いられるドーピングガスの使用率が低い。

これに対して、本発明のガス流分布Ａによれば、ガス導入口２ｂから導入された混合ガスは、ホルダ支持台４の中心区域上の基板ホルダ３に届き、ガス排気用通路５から効果的に排気されている。そのため、本発明のガス流分布Ａでは、従来技術のガス流分布Ｂよりも、基板ホルダ３の表面付近に混合ガスがより多く集中し、ホルダ支持台４の中心区域におけるドーピングガスの濃度は高くなり、基板表面に所望性能の薄膜を製膜することができる。このように本発明では、従来技術よりもドーピングガスの使用率が増加する。本発明におけるドーピングガスの使用率は、従来技術と比較して、２０倍程度以上である。

本実施形態では、反応室２内の圧力と温度とを特定な範囲に維持することができるので、ガス排気用通路５内の圧力と温度と反応室２内の圧力と温度とは、差がそれほど大きくない。

本実施形態では、ドーピングガス中の元素の使用率を高められる原理は、基板ホルダ３の周囲の中空部の構造が変えられると、ガス流の流れの方向と分布とが変えられるので、基板の表面にある混入元素の濃度が高まるようになっている。

図７は本発明の他の実施形態に係る本装置の構造の概略構成図である。図７に示す実施形態と、前述の実施形態との差異は、反応室２から混合ガスを外部に排気するガス排気用通路にある。図７に示すように、反応室２の内壁には、水平面内の中心軸線Ｌ１を環状中心とした環状形状で、内側方向に張り出した内側張り出し部２１が形成されている。内側張り出し部２１は、反応室２の下部側の内側壁を半径方向内側へ環状に張り出して形成されている。内側張り出し部２１の上面高さは、ホルダ支持台４の上面高さと同じである。内側張り出し部２１の環状の内側壁２１ａとホルダ支持台４の環状の外側壁４ａとの間には環状の隙間３００が形成されている。この環状の隙間３００は、ガス排気用通路３００を形成する。ガス排気用通路３００の上部開口は、環状のガス排気口３００ａを構成する。

図７の実施形態において、ホルダ支持台４の直径は、基板ホルダ３の直径以上であり、両直径の差は特に限定されないが、好ましくは、０〜１０ｍｍである。例えば、基板ホルダ３の直径は特に限定されないが、好ましくは、１０〜５０ｍｍであり、ホルダ支持台４の直径は特に限定されないが、好ましくは、５０〜６０ｍｍでよい。ガス排気用通路３００は、環状であることが好ましい。ガス排気用通路３００の幅は、特に限定されないが、好ましくは、１〜５ｍｍであり、このガス排気用通路３００幅に設定すると、反応室２内におけるガス導入口からガス排気口に至るまでの混合ガスの流通が良好となり、同時に、反応室２におけるマイクロ波の電界と誘導電流の分布に影響しなくて済む。

なお、ホルダ支持台４は、反応室２内を上下に移動可能とすることによって、プラズマ１００と基板との垂直方向の離間距離を調整したり、或いはプラズマ１００の形成を調整したり、或いは、基板上に薄膜を形成するための各種のパラメーターを調整したりしてもよく、また、必要に応じ、ホルダ支持台４を水平面周りに回転可能にしてもよい。また、基材ホルダ３の加熱システムや、冷却システムは、ホルダ支持台４の内部や外部等、適宜に設置してよい。

以上説明したように、本発明においては、混合ガスのうち、特にドーピングガスの薄膜中での使用率を高めることができ、これによって、ドーピングガス中の物質によって薄膜の性能を所望通りに設定することができ、これによって薄膜の製膜効果を増強させることができる優れたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できるものであり、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎない。本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

１：マイクロ波導波管
１１：マイクロ波導入管
１２：マイクロ波導出管
１３：モード変換アンテナ
１３１：アンテナ収納管
２：反応室
２１：内側張り出し部
３：基板ホルダ
４：ホルダ支持台
５：ガス排気用通路
５ａ：別のガス排気用通路
６：接触平面
７：隔離窓
８：仕切り板
２ｂ：ガス導入口
５１ガス排気口

Claims

下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置で且つ前記中心軸線を通る中央区域内に配置される基板ホルダと、前記基板ホルダの直径以上の直径を有し、且つ、前記中央区域内に配置されている前記基板ホルダを該中央区域内で水平支持するホルダ支持台と、を備え、
前記ホルダ支持台には、複数のスルーホールが第１のガス排気用通路として、前記ホルダ支持台を垂直に貫通して設けられ、前記第１のガス排気用通路の上部は、ガス排気口として前記基板ホルダの外周付近の前記中央区域内において前記ホルダ支持台の表面に露出した開口となっており、
前記ガス排気口は、前記基板ホルダを前記外周付近の水平面内において前記中心軸線周り対称の形状線に沿って等間隔に取り囲むと共に、前記形状線は、前記複数のガス導入口を垂直下方に投影した投影像よりも前記反応室の内側に位置しており、
前記反応室の内側壁と前記ホルダ支持台の外側壁との間に前記中心軸線を環状中心とする環状の隙間が前記第１のガス排気用通路とは別の第２のガス排気用通路として設けられており、
上記構成を有することにより、前記複数のガス導入口から前記反応室内に導入された前記ガスは、前記形状線に沿って等間隔に配置された前記複数のガス排気口から前記第１のガス排気用通路に排気されるガス流分布となる、
ことを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置で且つ前記中心軸線を通る中央区域内に配置される基板ホルダと、前記基板ホルダの直径以上の直径で両直径の差が０〜１０ｍｍを有し、且つ、前記中央区域内に配置されている前記基板ホルダを該中央区域内で水平支持するホルダ支持台と、を備え、
前記反応室の下部側の内側壁が半径方向内側へ張り出す内側張り出し部が設けられ、前記内側張り出し部の上面は、前記ホルダ支持台の上面の高さと同じであり、前記内側張り出し部の内側壁と前記ホルダ支持台の外側壁との間に幅が１〜５ｍｍの環状の隙間があり、前記環状の隙間は、環状のガス排気用通路を形成し、前記環状のガス排気用通路の上部開口が、環状のガス排気口となっていると共に、前記ホルダ支持台は、前記反応室内を上下に移動可能となっており、
上記構成を有することにより、前記複数のガス導入口から前記反応室内に導入された前記ガスは、前記環状のガス排気口から前記環状のガス排気用通路に排気されるガス流分布となる、
ことを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
下部開口から中心軸線周り対称にマイクロ波を垂直下方に伝播するマイクロ波導波管と、上部開口を有しこの上部開口が前記マイクロ波導波管の前記下部開口に接続され、且つ、該マイクロ波導波管から前記マイクロ波が導入され、且つ、内部が減圧される反応室と、前記マイクロ波導波管と前記反応室との間に介装されて前記マイクロ波導波管と前記反応室とを圧力的に分離し、且つ、前記マイクロ波を透過できる隔離窓と、を備えたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
前記反応室は、水平面内において前記中心軸線周り対称に設けられた複数のガス導入口と、前記複数のガス導入口より下方の位置に設置され且つ前記中心軸線を通る中央区域内に基板ホルダを水平支持するホルダ支持台と、前記ホルダ支持台に、前記複数のガス導入口同士を水平面内において連ねてなる形状線よりも内側の位置で前記基板ホルダを取り囲むと共に、水平面上において前記中心軸線周り対称に等間隔に離間して設けられた複数のガス排気口と、を備え、
前記ホルダ支持台の外側壁と前記反応室の内側壁との間に隙間があり、
前記複数のガス排気口から、アーチの形で半径方向外側に向けて前記隙間にまで開通してなる複数のガス排気用通路を備えた、
ことを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記隙間は、仕切り板によって閉塞可能になっている、ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記隙間は、前記中心軸線を環状中心とする環状隙間である、ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。