JP7012304B2 - 熱フィラメントｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばダイヤモンド等の気相合成に用いる熱フィラメント（ホットフィラメント）ＣＶＤ装置に関する。

ダイヤモンドは、室温で５．４７ｅＶという広いバンドギャップを持ち、ワイドバンドギャップ半導体として知られ、ダイヤモンド基板としての実用化が期待されている。
ダイヤモンド基板の製造方法としては、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法が検討され、ＣＶＤ装置としては、プラズマを用いたプラズマＣＶＤ装置、高温のフィラメントを用いた熱フィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）等が検討されている。
プラズマＣＶＤは、成膜室内に供給した原料ガスをマイクロ波等によりプラズマ状態にし、成膜する方法であることから、成長速度が１～１０μｍ／ｈと比較的高い。
しかし、装置の構造が複雑で高価であり、マイクロ波等の波長の制約により可能な成膜面積に限界がある。
熱フィラメントＣＶＤは、成膜室に供給した原料ガスを高温フィラメントにて熱分解し、化学反応を誘導する成膜方法であり、構造が簡単で安価であるとともに、成膜面積を大きくすることができる。
これまで、この熱フィラメントＣＶＤは、上記プラズマＣＶＤより成膜の成長速度が低い課題があった。

特許文献１には、フィラメントの伸縮状態の変化を補償し、フィラメントの間隔を２～２０ｍｍの範囲に設定し、フィラメントと基材との距離を２～５ｍｍの範囲に設定することで、１μｍ／ｈを超える成膜速度が得られたと記載されているが、最大値で４．６～４．８μｍ／ｈとなっている。
なお、非特許文献１には、単結晶ダイヤモンド膜の成膜において、６μｍ／ｈの成長速度が得られたと記載されているが、具体的な成膜条件が明らかになっていない。

本出願人らは、熱フィラメントＣＶＤの成膜の成長速度の高速化を検討するにあたり、ダイヤモンド成長の前駆体となるラジカルの生成を促進させる目的で、フィラメント層を２段にする方法を提案している（非特許文献２）。
しかし、この非特許文献２に記載されているように、成膜の成長速度は１．５～２．０μｍ／ｈレベルであった。
さらに、成長速度の高速化を検討した結果、本発明に至った。

特開２０１６－１８０１３２号公報

Rice Univ.: C.J.Chu et.al., Appl. Phys. Lett. 61(1992)1393. 「ＨＦＣＶＤ法による単結晶ダイヤモンド膜の成長速度に関する研究」，第３０回ダイヤモンドシンポジウム，一般社団法人ニューダイヤモンドフォーラム，２０１６年１１月１６日発行

本発明は、ダイヤモンド等の化学気相合成において、高速成長を図るのに有効な熱フィラメントＣＶＤ装置の提供を目的とする。

本発明に係る熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，４００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は所定の間隔を隔てて複数段に配置されていることを特徴とする。

ここで、２，４００℃以上に加熱されるフィラメント層を有するとしたのは、次の理由による。
本出願人らが非特許文献２に開示した２段式の２層からなるフィラメントにおいては、２，２００℃程度の加熱であったため、成膜の成長速度が１．５～２．０μｍ／ｈと従来よりは高速化されたものの、やはり高速化を図る目的としては不充分であった。
これに対して本発明は、２，４００℃以上に加熱されるフィラメント層を複数段に設けると、原料ガスの成膜前駆体が活性化し、成膜成長の高速化を図ることが可能になった。

本発明においてフィラメント層は、線材からなる複数のフィラメントを全体として一層状に配置されたものをいう。
よって、全体として一層状に配置されていれば、各フィラメントが必ずしも平行に配置されている必要はない。
フィラメント層を間隔を隔てて複数段に配置するとは、基板ホルダーに載置する基板の表面からの距離が異なるように、一段目のフィラメント層と二段目のフィラメント層、あるいはさらに三段目以上のフィラメント層を形成することをいう。

フィラメントの線径は０．１～１．０ｍｍの範囲、好ましくは０．１～０．３ｍｍの範囲がよい。
１つのフィラメント層を形成するフィラメントの間隔は３～３０ｍｍ、好ましくは５～１５ｍｍの範囲である。
一段目のフィラメント層と二段目のフィラメント層の間隔は１ｍｍ～１０ｃｍ、好ましくは１～１０ｍｍの範囲である。

本発明に用いるフィラメントの材質は、２，４００℃以上の高温に耐えられるものであれば、各種材質を用いることができる。
例えば、タングステン，タンタル等であり、これらはその合金又は炭化物等の化合物であってもよい。
ダイヤモンドの成膜においては、原料ガスとして炭化水素等の炭素源となるものが用いられるので、フィラメントが炭化されやすい環境下に置かれることになるので、２，４００℃以上の高温、例えば３，０００℃前後まで加熱されるとすると、炭化物の融点がこれを超えるタンタルが好ましい。
また、本発明におけるフィラメントは高温環境を得るためのものであり、いわゆるロッドと称されるものも含む。

本発明において、フィラメント層の加熱制御手段を有し、前記加熱制御手段は前記フィラメント層に出力する電力を制御するための定電力制御手段であってもよい。
ＤＣ電源を用いてフィラメントを加熱する場合に、定電圧制御や定電流制御では温度による抵抗の変化により、加熱温度が不安定になりやすい。
そこで、出力される電力が一定になるように制御するのが好ましい。

本発明においては、フィラメント層にバイアス電圧を印加するバイアス制御手段を有していてもよい。
例えば、シリコン基板上にダイヤモンド膜を成膜する際に、核を形成するのにバイアス促進核生成法（ＢＥＮ：Bias Enhanced Nucleation）法が採用されることがある。
そこで、本発明における熱フィラメントＣＶＤ装置においてもＢＥＮ法に対応できるようにすることもできる。

本発明に係る熱フィラメントＣＶＤ装置は、２，４００℃以上の高温に耐えられるフィラメント層を複数段に配置したので、詳細は後述するが、欠陥の少ない単結晶ダイヤモンド膜等を高速成長させることができる。

（ａ）は本発明に係るフィラメントの配置を模式的に示す。なお、（ｂ）は従来の配置例である。 フィラメント層が一段の場合と二段の場合との成長速度をグラフにしたものである。 フィラメント層が２層（ａ）と一層（ｂ）との成膜後の微分干渉顕微鏡像を示す。 水素ガスキャリア中のメタン濃度によるダイヤモンドの成長速度変化を示し、フィラメントの材質と加熱温度を変化させて測定した結果を示す。 フィラメントの２層，３層の配置例を示す。 バイアス電圧の印加例を示す。 基板の温度の測定方法例を示す。 定電力制御手段の例を示す。

実験機を用いて、フィラメント層を一層にしたものと２段の二層にしたものを比較したので、以下説明する。
実験機は、減圧制御できる成膜室を有し、図１に模式的に示した基板を載置するための基板ホルダー１１と、その上に所定の間隔を隔ててフィラメント層を形成してある。
図１（ａ）は本発明に相当し、複数本のフィラメントを平行に配置した第１フィラメント層１２の上に、所定の間隔を隔てて第２フィラメント層１３を配置してある。
（ｂ）は比較実験のために、第１フィラメント層１２のみを配置した。
実験に用いたフィラメントは、直径０．１５ｍｍで各フィラメント層の平行に配置した複数のフィラメントの間隔は８ｍｍである。
フィラメントの材質は、タンタルを用い、３，０００℃に加熱した。
基板ホルダー（基板）と第１フィラメント層１２との間隔は５ｍｍに設定し、第１フィラメント層１２と第２フィラメント層１３との間隔は４ｍｍに設定した。
原料ガスとキャリアガスの供給手段を有している。
キャリアガスとして、水素を用いて原料ガスとしてメタンを用いた。
成膜室の圧力４ｋＰａ，メタン濃度は変化させて調査した。
成膜時間は、５時間（５ｈ）とした。
なお、基板には高温高圧１ｂ型（１００）基板（オフ角７．８°）を用いた。

成長速度の測定結果を図２のグラフに示す。
ｎ数は２で、一層の場合に１μｍ／ｈ，１．２μｍ／ｈであったのに対して、二層の場合に１０μｍ／ｈ，９．８μｍ／ｈであった。
図２のグラフは、平均値で比較してある。
この結果、フィラメント層を一層（一段）から二層の二段にすることで、成長速度が９倍以上に向上した。
図３に成膜後の微分干渉顕微鏡像を示す。

図４のグラフは、フィラメントの材質タングステン，タンタルを用いて、水素ガス中のメタン濃度を変化させた成長速度の変化を示す。
このグラフから、タングステンよりもタンタルの方が成長速度が高く、さらにタンタルでも２５００℃に加熱した場合よりも３，０００℃の高温に加熱した場合の方が、より高速になっている。
また、タンタル３，０００℃において、メタン濃度は２％以上がよい。

図５は、本発明の応用例を示し、２層フィラメント式をさらに３層フィラメント式にしてもよい。

図６，図７は、本発明に係る熱フィラメントＣＶＤ装置の応用例を示す。
ガス導入（供給）を円錐台状のシャワーヘッド方式にすると、図７に示すようにガスの導入管を介して基板からの赤外線を放射温度計により検出し、この基板の温度測定が可能になる。
また、図６に示すようにシャワーヘッドをアース電位に設定し、フィラメント，基板にバイアス電圧を印加することができ、ＢＥＮ処理にも対応できる。

図８には、ＤＣ安定化電源を定電力制御する場合の方法例を示す。
電圧，電流をモニタリングすることで、乗算器にて電力を算出することができる。
これを電源側にフィードバックすることで、定電力制御できる。

１１ 基板ホルダー
１２ 第１フィラメント層
１３ 第２フィラメント層

Claims (3)

1. 成膜室と、
   前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，５００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、
   前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、
   前記フィラメント層は１～１０ｍｍの間隔を隔てて複数段に配置され、
   前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径０．１～１．０ｍｍのタンタル又はその合金からなる線材が３～３０ｍｍの間隔で複数本配置されていることを特徴とするダイヤモンドの成膜に用いるための熱フィラメントＣＶＤ装置。
2. 前記フィラメント層の加熱制御手段を有し、前記加熱制御手段は前記フィラメント層に出力する電力を制御するための定電力制御手段であることを特徴とする請求項１記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
3. 前記フィラメント層にバイアス電圧を印加するバイアス制御手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。

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