JPH0380192A - 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
ヤモンド膜の膜厚の均一化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装置として、マ
イクロ波を利用してプラズマ処理するＣＶＤ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　；化学
気相析出）法によるものが知られている。マイクロ波を
利用する利点として、（ｉ）他の方法よりもプラズマが
長時間安定で、合成したダイヤモンドの結晶性が良いこ
と、（ｉｉ）プラズマ化できる混合ガス圧力の範囲が広
いこと、（ｉｉｉ　）放電を起すための電極が反応室内
にないため、基板表面の汚染が少ないことなどが挙げら
れる。さらに、最近では大面積基板上にもダイヤモンド
膜を合成できる有効な装置が、同一発明者により既に提
案されている（特願昭６３−１８５１１１号）。

第４図は、かかる大面積基板上にダイヤモンド膜合成を
可能にした、従来のダイヤモン１“膜合成装置の概念図
である。同図において、マイクロ波発振器■からの出力
電力は、導波管端部をテーバ状に拡大して成るマイクロ
波チャンバ２を経由して反応室３内に導かれる。反応室
３はマイクロ波を損失なく透過させうる、例えば石英等
の材質で構成され、該反応室３にはガス供給管４から炭
化水素ガスと水素ガスの混合ガスが導入され、排気管５
から一定流量で排気される。これにより反応室３の内部
は一定圧カに維持される。導入された混合ガスはマイク
ロ波電力によりプラズマ化され、基板台６の上に載置さ
れた大面積基板７の上にダイヤモンド膜を形成する。

Ｃ９発明が解決しようとする課題 前述の従来技術によれば、前記大面積基板７、例えば直
径５インチ（１２７＋ｎｎ＋）の円形状ウェハ上ムこは
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、第３図の曲線ので示すように、その膜厚
は基板全面にわたって、均一でないという問題点があっ
た。同図は基板の中心からの距離に対する膜厚の関係を
示すグラフであり、基板の中心部の膜厚は厚く、中心か
ら遠ざかる乙こつれて膜厚が薄くなる傾向を示し、膜厚
の均一な部分はウェハの僅かな中心部に限られてしまう
。

従って、このような構造による従来装置では、大面積を
有する基板上に膜厚が均一なダイヤモンド膜を合成させ
ることば不可能であった。

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、大面積を有する基板上に膜厚が均一
なダイヤモンド膜を合成させるマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ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。

ｄ、　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
は必要に応し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に
おいて、前記反応室の周囲に電磁コイルを配設し、該コ
イルに電流を流して前記プラズマに磁界を印加したこと
を特徴とする。

前記磁界は、磁束密度が零から少なくとも２５００Ｇａ
ｕｓｓの範囲で任意に可変であり、かつ磁界の方向は前
記基板の面にほぼ垂直にする。

ｅ、　作用 前記のように構成されたダイヤモンド膜合成装置におい
て、高周波電界を受けて運動しているプラズマ中の荷電
粒子は、印加された磁界の方向と直角方向に回転運動を
行う。この回転運動により加速された荷電粒子はより高
いエネルギ状態となり、プラズマ密度が高くなる。

実際に、磁束密度Ｂを変化させて基板、例えばシリコン
ウェハにダイヤモンド膜を形成させると、第２図に示す
ようにその膜厚は磁束密度Ｂを増加するに従い増加する
。基板の中心部と周辺部を比較すると、磁界のない場合
（Ｂ＝０の場合）中心部が周辺部に対して厚いが、磁界
を加えてゆくと周辺部の厚さの増加の割合が大きく、一
定の磁束密度Ｂ１で両部が等しくなり、さらに磁界を強
くすると相対的に周辺部が厚くなる（Ｂ２の点）。これ
は以下のように説明される。

すなわち、磁界のない場合プラズマの中心部が最もプラ
ズマ密度が高いが、磁界を加えた場合全体にプラズマ密
度が高まり、ダイヤモンド膜の合成が増進される。しか
し、さらに磁界を強くすると、よりプラズマ密度の高い
中心部においては、逆にプラズマがダイヤモンド膜をエ
ツチングする作用が生じるのに対し、基板周辺部ではさ
らにダイヤモンド膜の成長が促進されるためである。

従って、この作用を利用すれば、磁界の強さを調整して
ダイヤモンド膜の膜厚および結晶性等の合成条件を制御
することが可能となる。

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で発
生したマイクロ波は、末端がテーパー状に拡大して成る
マイクロ波チャンバ１２を経て、石英製反応室１３に導
かれる。該反応室１３にはガス供給管１４からメタンガ
ス（ＣＩ＋４）　と水素ガス（＋１２）の混合ガス（容
積混合比１　：１００）　、または必要に応してこれに
他の添加ガス（例えば、０□、　ＧＯ，ＣＯｇなどのは
かＨ，Ｏ）を微量加えた混合ガスが導入され、反応室１
３内の圧力が一定に保持するように、図示しない真空ポ
ンプにより排気管１５から一定流量で排気される。

反応室１３内には基板台１６が配設されており、該基板
台１６上には、ダイヤモンド膜を合成させる基板■７の
面がマイクロ波の進行方向Ｗに対して直角になるように
、基板１７を載置する。

他方、前記反応室１３およびマイクロ波チャンバ１２を
囲むように、輪状形の電磁コイル１８（図は該コイル巻
線の断面を示す）を配設し、該コイルの中心が反応室１
３の頂部と基板１７との間のプラズマが形成される空間
から該基板１７に至る領域にくるようにする。

すなわち、前記＠磁コイル１８に図示しない直流電源か
ら電流を流したとき、該コイル１８の中心軸上の磁束密
度の最も大きい部分が、前記領域にくるように、かつ磁
界の方向が基板１７の面にほぼ垂直になるように該コイ
ル１８を設置して、プラズマに磁界を印加するのである
。そして、前記電流を調整し、磁束密度の最大値が零か
ら少なくとも２５００Ｇａｕｓｓの範囲で任意に変化で
きるようにしである。

かくして、マイクロ波発振器１１より主に周波数２．４
５ＧＩ（ｚのマイクロ波電力を反応室１３に導くことに
より、反応室１３の頂部と基板１７の間にプラズマを発
生させるとともに、基板１７をも加熱する。この場合、
反応室１３内のガス圧力は約１〜１００Ｔｏｒｒにおい
て、安定してプラズマを維持することができる。

今、マイクロ波発振器１１からの出力電力を３ｋＷとし
、基板１７に直径５インチ（１２７＋＋＋ｍ）の円形状
シリコンウェハを使用した場合、基板台１６に図示しな
い外部電源を併用して補助加熱を行ない、該基板１７の
温度を約８０「Ｃにする。また、混合ガス流量３００ｃ
ｃ／ｍｉｎ。

ガス圧力４０Ｔｏｒｒとしてプラズマを発生させるとと
もに、該プラズマに対し電磁コイル１８により磁界を印
加した。このとき、第２図において基板１７の中心部と
周辺部の膜厚がほぼ等しくなる磁界の磁束密度Ｂは、実
施例の合成条件において約１２００Ｇａｕｓｓであった
。そこで以上の条件により８時間の成膜処理を行なった
ところ、第３図の曲線■のように、基板（ウェハ）１７
全面にわたり厚さ約６μｍの均一なダイヤモンド膜が得
られた。なお、磁界を加えない場合は、第３図の曲線■
のように、基板中心部と周辺部で膜厚にかなりの差があ
ることは既に知られている。

さらに、磁界の印加によりその合成速度が促進されるこ
とが分かるとともに、ダイヤモンド膜の結晶性の改善が
観察され、特に基板１７の周辺部においてその改善が著
しいことも分かった。そして、ラマン分光分析によって
、基板１７全体にわたってグラファイト成分のほとんど
見られない純粋のダイヤモンドに近いものであることが
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
よってもよく、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、（＝１加が可能であり ｇ、　発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明のマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法によるダイヤモンド膜合戒装置によれば、
反応室の周囲に電磁コイルを配設し、該コイルに電流を
流してプラズマに適切な磁界を印加したので、広い領域
、つまり大面積を有する基板上に、膜厚が均一なダイヤ
モンド膜を合成させることができる。

また、合成速度が向上するとともにダイヤモンドの結晶
性も改善することができる。

【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図は同装置における磁界の磁束密度と基板上
のダイヤモンド膜厚との関係を示すグラフ、第３図は基
板の中心からの距離とダイヤモンド膜厚との関係を示す
グラフ、第４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。 ０ １１・・・マイクロ波発振器、 １２・・・マイクロ波チャンバ、 １３・・・反応室、 １７・・・基（反、 １８・・・電磁コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記反応室の周囲に電磁コイル
   を配設し、該コイルに電流を流して前記プラズマに磁界
   を印加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）前記磁界の方向が、前記基板の面にほぼ垂直になる
   ように印加した特許請求の範囲第１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。