JPH01191780A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は外部電界を加えるとともに、外部磁場を加え、
それらの相互作用を用い、かつそれらの相互作用が発生
している空間に被膜形成手段を設けることにより被膜形
成を行うための薄膜形成装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、薄膜の形成手段としてＩＩＣＲ（電子サイクロト
ロン共鳴）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−船釣にはかかるＩＩＣＲＣＶＤ（化学気相法）
以外に被膜形成手段として熱ＣｖＤ、加熱フィラメント
ＣｖＤ、化学輸送法、１３．５６　ＭＨ，の周波数を用
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。

特にＨＣＲＣＶＤ法は活性種を磁場によりピンチングし
、高エネルギ化することにより電子エネルギを大きくし
、効率よく気体をプラズマ化させている。しかしプラズ
マ化させることにより、気体が有する高エネルギにより
基板の被形成面がスパッタ（損傷）を受けることを防ぐ
ため、このＥＣＲ条件を満たした空間より「離れた位置
」に基板を配設し、高エネルギ条件下でのプラズマ状態
を避けたイオンシャワー化した反応性気体を到達させる
ことにより被膜形成または異方性エツチングを行ってい
た。

この装置によって、作成された膜はアモルファス構造を
有していた。また、イオン源で発生したイオンシャワー
を被膜形成用基板まで到達させるために、反応圧力領域
を低く　（１０−’　Ｔｏｒｒ台）する必要があった。

そのため、ダイヤモンド薄膜等高い結晶性を必要とする
被膜を作成することが困難であった。また、反応圧力範
囲が限られているため幅広い条件下での被膜作成を行な
えない問題があった。

このような問題点を解決する手段として、本出願より結
晶性の高い被膜を作成する目的のため、反応室内に発生
するプラズマの密度が最も大きくなる領域に被膜形成面
を存する基板を配設し、その領域近くで電場、磁場相互
作用により高密度、高エネルギープラズマを発生させて
、結晶性の非常に高い被膜を形成する装置が提案されて
いる。

（特願昭６２−１０４６２４号） すなわちこの装置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、さらにマイクロ
波の電場と磁場との相互作用、好ましくはＥＣＲ（エレ
クトロンサイクロトロン共鳴）条件又はホイッスラー・
モード加熱条件を含む相互作用を利用して、幅広い圧力
範囲において高密度高エネルギのプラズマを発生させる
。その共鳴空間での高エネルギ状態を利用して、例えば
活性炭素原子を多量に発生させ、再現性にすぐれ、均一
な膜厚、均質な特性のダイヤモンド、ｉ−カーボン膜等
の被膜の形成を可能としたものである。また加える磁場
の強さを任意に変更可能な為、電子のみではなく特定の
イオンのＥＣＲ条件を設定することができる特徴がある
。

しかしながらこの装置における外部磁場発生手段の位置
と被膜形成用基板の位置との関係の為に被膜形成面上に
おいて均一な磁界が得る部分が狭（大面積に均一な被膜
を形成するのが従来に知られた装置に比べて容易に行え
たが、それでもまだ十分とはいえなかった。

第２図にこの時の反応室内での被膜形成面と磁場の状態
を示すがこのように等磁場曲線が、楕円又は円状になっ
ているので、大面積基板上では、均一な磁場が得られな
かった。

これは基板の置かれる位置と、第１の磁場発生手段の位
置の相対的な関係によるためであった。

つまり第１の磁場発生手段は第３図に示すように中心軸
より左右に発散してゆく磁場を形成している。第２図に
示すような場合は基板はほぼ中心軸付近に置かれている
ため（Ａ）で示される領域の磁場を用いるのでこのよう
な等磁場曲線となる一方本願発明は第３図の（Ａ）に示
される領域の磁場を用いるのではなく（Ｂ）に示される
領域すなわち一方の方向に磁場が発散している領域を用
いることを特徴とするものであります。

つまり、反応室内の基板に対してその基板面に垂直な方
向に発散していく磁場を形成する第１の磁場発生手段と
反応室壁面より基板の置かれている方向に向かって極小
磁場を形成する第２の磁場発生手段と反応室内に導入さ
れた反応性気体に対してプラズマを発生させるエネルギ
ーを供給する手段とを有する薄膜形成装置であります。

このような構成を有することにより第４図に示されるよ
うな等磁場曲線が得られ、基板に対しておおうような形
で等しい磁場密度を持たせることができるのでより大面
積に均一な被膜を形成できる。

また第１の磁場発生手段及び第２の磁場発生手段により
形成される磁場の影響で反応室内で発生したプラズマは
基板面付近で集中するためより高密度なプラズマを効率
よく形成することができ、より結晶性の高い被膜を大面
積に形成することができるものであります。

このような、効果を与える第１の磁場発生手段としては
コイルを用いて電流を流し形成することが一般的である
がいわゆる永久磁石を用いて、基板面に対して垂直方向
に発散してゆく磁場を形成してもよい。

又は同様に第２の磁場発生手段としてはＪｏｆｆｅｂａ
ｒを構成するものであり永久磁石でも、コイル方式でも
可能である。

第２図と第４図とを比較すると本発明は第２図に示され
る従来例と比較して第１の磁場発生手段と第２の磁場発
生手段との位置関係を・変化させただけのように見える
が前述の如く本発明に関係する磁場の領域は明確に異な
っており、そのために得られる効果も明らかに顕著であ
る。

また本発明の構成に付加して、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た後、基板表面
上まで至る間に高エネルギを持つ光（例えば紫外光）を
照射し、活性種にエネルギを与えつづけると、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、ｉ−カーボン膜を形成することも可能であ
った。

さらに磁場と電場の相互作用により発生する高エネルギ
励起種に直流バイアス電圧を加えて、基板側に多量の励
起種が到達するようにすることは薄膜の形成速度を向上
させる効果があった。

以下に実施例を示し、さらに本発明を説明する。

（実施例〕 第１図に本発明にて用いた磁場印加可能なプラズマＣＶ
Ｄ装置を示す。

同図において、この装置は減圧反応室（１）、予備室（
８）、基板加熱装置を兼ねた基板ホルダー（３）、第１
の磁場を発生する電磁石（５）、第２の磁場を発生する
永久磁石（６）、マイクロ波発振器（４）、マイクロ波
導波管（７）、マイクロ波導入窓（１２）　、排気系（
９）およびガス導入系（１０）　、　（１１）より構成
されている。

まず薄膜形成用基板（２）を基板ホルダ（３）上に設置
する。このホルダ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よう、セラミックの窒化アルミニ
ュームを用いた。次に水素ガスをＩＯ５ＣＣＭガス系（
１１）を通して高密度プラズマ発生領域（１）へと導入
し、外部より２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を５
００　Ｗの強さで加える。さらに、磁場を約２にガウス
を磁石（５）より印加し、さらに、第２の磁場を永久磁
石（６）より加え高密度プラズマをプラズマ反応空間（
１）にて発生させる。この時プラズマ反応空間（１）の
圧力は０．ＩＰａ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を持つ水素原子または電子が基板
（２）上に到り、表面を洗浄にする。さらにこの水素気
体の導入を中止し、ガス系（１１）より炭化物気体例え
ばアセチレン（ｃｚｔｈ）、メタン（ＣＨ４）を導入し
水素気体の場合と同様に活性化せしめる。そして高エネ
ルギ状態に励起された炭素原子が生成され、基板（２）
上に、この炭素原子が体積し、ダイヤモンド又はｉ−カ
ーボン膜が形成された。

本実施例の場合、第１の磁場を発生する手段としては、
２つのリング状の電磁石（５）を用いたヘルムホルツ方
式を採用し、第２の磁場を発生する手段としては、第１
図及び第４図の反応室付近の断面図より明らかなように
反応室（１）に平行でかつ、リング状の電磁石（５）に
垂直なＪｏｆｆｅ　ｂａｒを構成する永久磁石（６）を
採用している。

これら第１及び第２の磁場により反応室（１）内に形成
される等磁場面の様子を第４図に示す。

本発明は前述のように第１の磁場発生手段によって発生
する基板方向に発散する磁場と第２の磁場発生手段によ
って発生する極小磁場とによって第４図に示される等磁
場曲線が得られるものである。

このため反応室内（１）に発生したプラズマは第５図に
示す矢印の方向に外部磁場より力を受ける。この力の向
きの中心に本発明では被膜形成用基板（２）を設置する
ためより高密度で高エネルギーを持つプラズマによって
分解反応生成された被膜を基板上に形成することができ
るものであります。

同図より明らかなように、反応室内での磁場密度は、第
１及び第２の磁場により相当高められている様子がわか
る。特に基板保持付近にその密度が高くなるように設計
されている。

比較例として、第１の磁場が左右発散にゆく場合の磁場
を用いた時の反応室内の等磁場面を第２図に示す。

第１の磁場のどの領域を用いるかによって明らかに磁場
の分布の様子がちがっており、かつ明らかに第２の磁場
により反応室内の磁場の密度が高められていることがわ
かる。

このように、本発明は異なる種類の磁場を反応室まわり
で発生させて、反応室内に磁場の密度の高い部分を発生
させ、その高い密度の磁場とマイクロ波による電場との
相互作用により高密度、高エネルギーのプラズマを発生
させることを特徴とするものであり、それによってより
結晶性の高い被膜を形成することが可能となったもので
ある。

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
を行った。その時基板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温度を４５０°
Ｃ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。

本実施例にて形成された薄膜の電子線回折像をとったと
ころ低温では、アモルファス特有のハローパターンとと
もにダイヤモンドのスポットがみられ、ｉ−カーボン膜
となっていた。さらに基板温度を上げて形成してゆくに
したがい、ハローパターンが少しづつ消えてゆき６５０
　”　Ｃ以上でダイヤモンドとなった。

この形成された被膜のラマンスペクトルをとったところ
、１５００ｃｍ−’付近にややゆるやかなピークを有し
ていたが１３３３ｃｍ−’付近に鋭いピークを有してお
り、ダイヤモンドが析出していたことが確認できた。

また基板加熱温度をまったく行わないときにはｉ−カー
ボン膜（ダイヤモンドライクカーボン）を作成すること
ができた。このダイヤモンドライクカーボンはその構造
は非晶質ながら高耐摩耗性と高熱伝導性を有しておりダ
イヤモンド膜と同様巾広い応用を期待できるものであっ
た。

かかる方式において、基板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作ることができる
。アルミニューム化物気体とアンモニアとの反応により
窒化アルミニューム被膜を作ることもできる。さらにタ
ングステン、チタン、モリブデンまたはそれらの珪化物
の高融点導体を作ることもできる。

また、反応性気体に水、酸素等を添加して、より結晶性
の高い被膜を作製することも可能である。

さらに、本実施例によってマイクロ波はマイクロ波導入
窓より反応室内へ導入したが他の方法によって導入して
も何ら本発明を阻害するものではない。

〔効果〕

本発明の構成を取ることにより、従来作製されていた結
晶性を少な（とも一部に有する被膜の作製条件より幅広
い条件下にて結晶性の高い被膜の作製可能であった。ま
た従来法に比べ大面積に均一な薄膜を形成することが可
能であった。

さらに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。

また、磁場発生手段として、永久磁石を使用しているの
で電力消費を少な（することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いる磁場・電場相互作用を用いたＣ
ＶＤ装置の概略を示す。 第２図は従来の装置の概略図を示す。 第３図はコイルによって形成される磁場の様子を示す。 第４図は本発明装置の反応室付近の概略図を示す。 第５図は本発明装置の反応室内のプラズマが受ける力の
方向を示す。 １・・・・プラズマ反応空間 ２・・・・基板 ３・・・・基板加熱装置を兼ねた基板ホルダ４・・・・
マイクロ波発振器 ５．６　・・・外部磁場発生手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．磁場および電場のエネルギーを利用して、薄膜を形
   成する装置であって、減圧状態に保持可能なプラズマ反
   応室と該反応室内に置かれた被膜形成用基板の基板面に
   垂直な方向に発散してゆく磁場を形成する第１の磁場発
   生手段と、該反応室の壁面より中央に向かって極小磁場
   を形成する第２の磁場発生手段と、該反応室内に導入さ
   れた反応性気体に対してプラズマを発生させる手段とを
   有する薄膜形成装置。
2. ２．特許請求の範囲第１項において前記第２の磁場発生
   手段はＪｏｆｆｅ　ｂａｒを構成している薄膜形成装置
   。