JPH0234784A - マイクロ波プラズマｃｖｄ法によるダイヤモンド膜合成装置 - 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】 ａ、産業上の利用分野 本発明はマイクロ波プラズマＣＶＤ法を利用して、基板
上にダイヤモンド膜を合成する装置に関し、特に、ダイ
ヤモンド膜の合成面積の拡大を図った気相合成装置に関
する。

ｂ、従来の技術 基板上にダイヤモンド膜を気相合成する方法として、マ
イクロ波によるプラズマを利用したＣＶＤ（Ｃｈｅｍｆ
ｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相析
出）法が知られている。

このプラズマを利用したＣＶＤ法は、反応ガスを減圧し
た状態（約１００〜Ｉ　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒ）の下で、
マイクロ波によりグロー放電プラズマを発生させ、非平
衡プラズマ（低温プラズマ）化することによって反応ガ
スを解離して、基板（被処理品）の表面上に薄膜を形成
するようにしたものである。

第２図は従来のダイヤモンド膜の気相合成装置の概念図
である。同図において、マイクロ波発振器ｌからの出力
されたマイクロ波は、導波管２を経て石英ガラス製の反
応室３内に導入される。この反応室３には図示しないガ
ス供給管４から、主として炭化水素ガスと水素ガスとの
混合ガスが供給されると共に、図示しない排気管５から
所定流量で排気することにより、反応室３内は常に一定
の圧力に維持される。一方、前記導波管２の他端部に配
設されたプランジャ６の調整により、反応室３の中央位
置でマイクロ波電界Ｅｌ　（矢印はその方向、矢印の長
さはその強度を示す）が最も強くなり、前記混合ガスは
励起されてプラズマ化され、前記反応室３の中央に配設
された基板台７の上に載置された基板８上にダイヤモン
ド膜が形成される。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 前述の従来技術によれば、前記基板８上には結晶性の良
いダイヤモンド膜を形成することができる。

しかしながら、従来の前記合成装置においては、前記反
応室３は導波管２をマイクロ波進行方向−１に対して、
垂直方向に貫通する構造であるため、反応室３０面積は
前記導波管２の断面寸法により制限されるという問題点
があった。すなわち、通常用いられる２、４５ＧＨｚ帯
においては、反応室３の寸法は直径で約６０ｗ以下とな
る。従って、反応室３内に置かれる基板８の大きさはさ
らに小さくなってしまう。

このような構造による従来装置では、大面積を有する基
板上にダイヤモンド膜を合成させることは不可能であっ
た。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前
記問題点を解消し、拡大した反応室にマイクロ波を導入
して同室内に安定なプラズマを発生させ、大面積を有す
る基板上に効率よくダイヤモンド膜を合成させるマイク
ロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド膜合成装置を
提供することにある。

６０課題を解決するための手段 前記目的を達成するための本発明の構成は、内部に基板
が置かれた反応室に、炭化水素と水素の混合ガス、また
は必要に応じてこれに他の添加ガスを微量加えた混合ガ
スを供給すると共に、前記反応室から該混合ガスを排気
しながら任意のガス圧力に設定し、かつ前記反応室内に
マイクロ波を導入し、前記混合ガスを励起してプラズマ
を発生させ、前記基板上にダイヤモンド膜を合成する装
置において、（１）　　前記マイクロ波の電界方向が、
前記基板の面に平行になるように前記マイクロ波を導入
したことを特徴とする。

（２）前記基板を載置すると共に、ダイヤモンド膜合成
処理前後において直接該基板の位置を調整でき、かつ前
記反応室の外部から該基板の位置をマイクロ波進行方向
に沿って調整できる手段を有する基板台を前記反応室内
に配設したことを特徴とする。

ｅ、　作用 従来装置におけるマイクロ波電力の導入は、例えば第２
図のようにＴＥモードで励起されている場合、マイクロ
波電界ε１は基板に対して直角である。従って、基板上
の各点の電界は場所により、特にマイクロ波進行方向−
３にその電界は変化する。

これに反し、本発明は前記のようなマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法によるダイヤモンド膜合成装置で、基板面とマ
イクロ波の進行方向を直角、すなわちマイクロ波の電界
方向が基板面と平行となるように前記マイクロ波を導入
する構成であり、基板面の各点はマイクロ波の電界方向
にはその電界は変化しない。

従って、マイクロ波導波管の末端部に拡大した構造のマ
イクロ波チャンバを形成することができ、該マイクロ波
チャンバ内に、大面積を有する基板の入る反応室を配設
することが可能となる。斯くして大電力マイクロ波およ
び反応ガスの導入により、該反応室内に大形のプラズマ
が発生され、前記基板上にダイヤモンド膜を広い基板領
域にわたって合成することができる。

また、反応室内において前記基板を載置すると共に、直
径がマイクロ波波長λの１７２以上で、その材質が電気
的良導体である基板台を配設し、かつ、該基板台に、前
記基板の位置を前記反応室の内、外部から調整、特に基
板位置をマイクロ波進行方向に沿って調整できる手段を
設ける。これにより前記基板の位置を調整し、基板上に
大形のプラズマを安定に発生させて、広い領域にわたっ
て均一なダイヤモンド膜を合成することができる。

ｆ、実施例 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概
念図である。同図において、マイクロ波発振器１１で励
振、出力されたマイクロ波は導波管１２を経て導波管１
２の末端部を一部テーパー状に拡大して成るマイクロ波
チャンバ１２ａに至り、石英ガラス製反応室１３内に導
入される。この反応室１３にはガス供給管１４から、主
として炭化水素ガスと水素ガスとの混合ガス、または必
要に応じてこれに他の添加ガス（例えば、０□、　ＣＯ
，ＣｏｗなどのはかＨｔＯ）を微量加えた混合ガスが供
給されると共に、排気管１５から所定流量で排気するこ
とにより、反応室１３内は常に一定の圧力に維持される
。

反応室１３内には基板台１７が配設されており、該基板
台１７上には、ダイヤモンド膜を合成させる基板１８の
面がマイクロ波の進行方向６に対して直角になるように
、基板１８を載置する。従って、該基板１８の面は前記
マイクロ波の電界Ｅ８方向に対して平行になる。

また、前記基板台１７には、その上に載置された基板１
８の位置を、図上で上下、左右、前後に移動させるため
の位置調整機構１９が設けられており、該位置調整機構
１９は反応室１３の外部から調整用つまみ１９ａにより
任意に調整できるようになっている。もちろん、基板台
１７はダイヤモンド膜合成処理前後において直接その位
置を調整可能である。

ところで、第１図におけるマイクロ波チャンバ１２ａは
、その断面が一辺約２λ（λ：マイクロ波の波長）の方
形、あるいは直径約２λ以下の円形であれば、マイクロ
波の基本の伝搬モードはＴＥｌｏ　（矩形）ＴＬ＋（円
筒形）となり、その電界Ｅ２方向は基板１８上において
基板面方向に平行であり、その電界はほぼ−様になる。

また、マイクロ波チャンバ１２ａは標準導波管を拡大し
た構造であるため、数に匈以上の大電力マイクロ波は反
応室１３の壁を損傷することなく、反応室１３内に導入
可能である。

従って、基板１８の面上には、電界Ｅ２が−様な、大電
力マイクロ波が存在しており、前記混合ガスの供給によ
り大形プラズマを発生させ、大面積の基板１８の面上に
ダイヤモンド膜を合成、形成させることが可能となる。

更に、基板台１７として、その直径りを１７２　λ以上
とし、かつその材質を電気的良導体とし、基板台１７を
少なくともマイクロ波進行方向６に沿って移動調整、す
なわち第１図において基板台１７を位置調整機構１９を
介して上下に移動調整することにより、マイクロ波入射
電力と主として基板台１７による反射電力とが合成され
て定在波が基板台１７上に発生する。このため、該基板
台１７上に近接してマイクロ波電界Ｅ。

の最大点が生じ、プラズマを効果的かつ安定的に発生、
維持させることができる。

このため、基板台１７上に充分法がったプラズマが接す
る形となり、基板１８の面の広い領域にわたりダイヤモ
ンドの多結晶が堆積して膜を形成することが可能となる
。

本実施例の具体例として、基板１８に直径５インチ（１
２，５Ｃ１１１）シリコンウェハ、反応室１３に前記５
インチシリコンウェハ基板を十分収容できる大きさの直
径的２０ｃｍの石英製反応室、基板台１７に材質が炭化
けい素ＳｉＣの基板台を使用して、図には示されていな
い外部電源から直接通電による加熱とマイクロ波による
加熱を併用した。なお、基板台１７の材質としては炭化
けい素ＳｉＣのほか、炭素Ｃ，モリブデンＭｏ。

タングステンＷ、タンタルＴａなどを用いることがてき
る。

ここで炭化水素ガスとしてメタンＣＨ，を用い、水素ガ
スＨ２との容積比を約１：１００とした混合ガスを流量
約５００ｃｃ／ｗｉｎで供給管１４より反応室１３に送
り、反応室１３内の圧力を約４０ｔｏｒｒに設定した。

次に、１〜３に’ｐｌのマイクロ波電力（周波数２．４
５ＧＨ２）を導入し、基板台１７の高さを位置調整機構
１９により調整し、基板台１７の上にプラズマを安定に
発生させることができた。なお基板台１７は図には示さ
れていない外部電源を併用して加熱し、約８５０°Ｃに
維持した。

このような条件の下で、約１０時間のダイヤモンド膜合
成実験を行なったところ、５インチシリコンウェハ基板
の全面にダイヤモンド多結晶膜が得られ、その膜厚は約
５μｍ、膜厚の偏差は±１０％であった。

また、このダイヤモンド膜の結晶性はラマン分光分析等
により、全面にわたりグラファイト成分、非晶質カーボ
ン成分をほとんど含まない良好なものと確認された。

なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定さ
れるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段に
よってもよ（、また本発明の技術は前記構成の範囲内に
おいて種々の変更、付加が可能である。

ｇ０発明の効果 本発明は以上説明したように、基板面とマイクロ波の進
行方向とを直角、すなわちマイクロ波の電界方向が基板
面と平行になるように前記マイクロ波を導入する構成に
より、大形のプラズマの発生が可能となり、大面積を有
する基板上に効率よくダイヤモンド膜を合成することが
できる。

また、前記基板を載置した基板台に対し、反応室の内、
外部から該基板の位置をマイクロ波進行方向に沿って調
整できる手段を設けると共に、該基板台の直径がマイク
ロ波波長λの１７２以上で、かつその材質を、電気的良
導体としたので、基板上に大形のプラズマを安定に発生
させ、基板上の広い領域にわたって均一で結晶性のよい
ダイヤモンド膜を合成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマＣ
ｖＤ法によるダイヤモンド膜合成装置の主要部断面の概
念図、第２図は従来の同法によるダイヤモンド膜合成装
置の概念図である。 １２・・・導波管、 ・・・マイクロ波チャンバ、 １３・・・反応室、　　　７．１７・・・基板台、１８
・・・基板、　　　　１９・・・位置調整機構、Ｅ２・
・・マイクロ波電界、 匈２・・・マイクロ波進行方向。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に基板が置かれた反応室に、炭化水素と水素
   の混合ガス、または必要に応じてこれに他の添加ガスを
   加えた混合ガスを供給すると共に、前記反応室から該混
   合ガスを排気しながら任意のガス圧力に設定し、かつ前
   記反応室内にマイクロ波を導入し、前記混合ガスを励起
   してプラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモンド膜
   を合成する装置において、前記マイクロ波の電界方向が
   、前記基板の面に平行になるように前記マイクロ波を導
   入したことを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ法に
   よるダイヤモンド膜合成装置。
2. （２）内部に基板が置かれた反応室に、炭化水素と水素
   の混合ガス、または必要に応じてこれに他の添加ガスを
   加えた混合ガスを供給すると共に、前記反応室から該混
   合ガスを排気しながら任意のガス圧力に設定し、かつ前
   記反応室内にマイクロ波を導入し、前記混合ガスを励起
   してプラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモンド膜
   を合成する装置において、前記基板を載置すると共に、
   前記反応室の外部から該基板の位置をマイクロ波進行方
   向に沿って、調整できる手段を有する基板台を前記反応
   室内に配設したことを特徴とするマイクロ波プラズマＣ
   ＶＤ法によるダイヤモンド膜合成装置。
3. （３）前記基板台として、その直径が前記マイクロ波の
   波長の１／２以上であり、かつその材質が電気的良導体
   である特許請求の範囲第（２）項記載のマイクロ波プラ
   ズマＣＶＤ法によるダイヤモンド膜合成装置。