JPH05209275A - Formation and device for carbonaceous material - Google Patents

Formation and device for carbonaceous material

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JPH05209275A
JPH05209275A JP8050392A JP8050392A JPH05209275A JP H05209275 A JPH05209275 A JP H05209275A JP 8050392 A JP8050392 A JP 8050392A JP 8050392 A JP8050392 A JP 8050392A JP H05209275 A JPH05209275 A JP H05209275A
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film
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昭治 宮永
Shinya Sumino
真也 角野
Toru Inoue
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Abstract

PURPOSE:To form a diamond thin film without pretreating a substrate and in high film forming speed by using a gaseous mixture of a halogenated hydrocarbon, hydrogen and a rare gas as raw materials at the case of forming the diamond thin film on the substrate by plasma CVD method. CONSTITUTION:The substrate for forming a diamond or diamond-contained carbonaceous thin film is placed in a vessel, the inner wall of which is made by alumina or the like having small reactivity with HF or the like, and the gaseous mixture of a halogenated carbide such as CF4, CHF3 or CH2F2, gaseous H2 and a rare gas such as He is supplied as the raw material into the vessel at <=100Torr pressure and, at the same time, the substrate excellent in oxidation resistance made of ceramics such as alumina, sapphire, SiC or monelmetal or the like is placed. The diamond or diamond-contained thin film is formed on the substrate in >=1mum film forming speed by introducing microwave into the vessel to make the raw gas plasma state. In this case, hydrogen conc. in the diamond film is freely regulated by regulating hydrogen gas conc. in the raw gas.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドを含む炭
素材料またはダイヤモンド材料の作製方法に関し、特に
成膜速度向上および基板の前処理工程を省略するという
成膜工程の簡略化に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material, and more particularly to improving the film forming speed and simplifying the film forming step by omitting the substrate pretreatment step.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドは、その硬度の大きさや熱
伝導性の高さ等の魅力ある特性により、切削工具にまた
は半導体材料にという具合に、多方面に渡って非常に研
究が活発に行われている材料である。
2. Description of the Related Art Due to its attractive properties such as hardness and high thermal conductivity, diamond has been actively researched in various fields such as cutting tools or semiconductor materials. It is a material.

【0003】そしてその製法としては、現在のところ大
きく分けて2つあり、一つは高圧下において単結晶ダイ
ヤモンドを得る製法であり、他方は低圧下において気相
からダイヤモンド薄膜を成膜する方法である。
At present, there are roughly two manufacturing methods, one is a method for obtaining a single crystal diamond under high pressure, and the other is a method for forming a diamond thin film from a vapor phase under low pressure. is there.

【0004】我々は以前から,ダイヤモンド膜をデバイ
ス化あるいはコーティング材として用いるため後者の方
法の研究を行ってきた。たとえば、気相成長法で熱エネ
ルギーを用いてダイヤモンドを含む炭素材料またはダイ
ヤモンド材料を形成する方法として熱フィラメントCV
D(化学的気相成長)法がある。該方法は、金属タング
ステン(またはタンタル)製フィラメントに電流を流し
該フィラメントを1500℃〜3000℃に加熱し、熱電子を放
出させることによって基板を 400℃〜1300℃に加熱する
とともに、前記反応性ガスを接触加熱により熱分解し、
基板上にダイヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモン
ド材料を形成する方法である。
We have been studying the latter method for making a diamond film into a device or using it as a coating material. For example, as a method for forming a carbon material containing diamond or a diamond material by using thermal energy in a vapor phase growth method, a hot filament CV is used.
There is a D (chemical vapor deposition) method. The method is to heat the substrate to 400 ° C to 1300 ° C by applying an electric current to the filament made of metallic tungsten (or tantalum) to heat the filament to 1500 ° C to 3000 ° C, and to emit thermoelectrons, and at the same time, to increase the reactivity. The gas is pyrolyzed by contact heating,
It is a method of forming a carbon material containing diamond or a diamond material on a substrate.

【0005】しかしながら上記の方法ではフィラメント
材料の蒸気圧が必然的に高くなるため膜を汚染する可能
性が高い。またフィラメントの寿命が短くなり交換の頻
度が高くなると共に,経時変化やバッチ毎の均一性,再
現性に乏しいという欠点もある。
However, in the above method, the vapor pressure of the filament material is inevitably high, so that the possibility of fouling the membrane is high. It also has the drawbacks that the life of the filament is shortened and the frequency of replacement is increased, and that the change over time and the uniformity and reproducibility between batches are poor.

【0006】本発明は上記のような熱エネルギーを用い
るのでなく主に電磁場のエネルギを用いてプラズマを生
成し活性種を形成しそれらから膜を形成させるプロセス
に関するものである。工業的応用を考えたとき均一性、
再現性の確かなプロセスが必要であるからである。その
ようなプラズマを用いるプロセスとしては比較的低圧で
行われるマイクロ波プラズマCVD法や有磁場プラズマ
CVD法がありさらに圧力の高い(大気圧に近い)領域
でのDCプラズマ,ア─クプラズマ,燃焼炎等を用いる
方法がある。このように低圧プロセスにおいてはさらに
低圧(100torr以下)の領域で成膜するものと中低圧
(100torr〜大気圧)の領域で成膜するものとに分け
られる。本発明は前者の低圧プラズマCVD法に関する
ものである。該方法ではマイクロ波を反応管に導入し、
反応ガスを導入しながら真空排気を行う構造をとり,反
応ガスを励起して活性種を形成し膜を作成する。マイク
ロ波の発振周波数は2.45GHzが最もよく用いられてい
る。反応容器の圧力は10〜200Torr に保たれている。
The present invention relates to a process of forming plasma by using energy of an electromagnetic field to form active species and forming a film from them, instead of using the thermal energy as described above. Uniformity when considering industrial applications,
This is because a reproducible process is required. As a process using such plasma, there are a microwave plasma CVD method and a magnetic field plasma CVD method which are performed at a relatively low pressure, and there are DC plasma, arc plasma and combustion flame in a region where the pressure is higher (close to atmospheric pressure). And the like. As described above, the low pressure process is further divided into a film formation in a low pressure region (100 torr or less) and a film formation in a medium and low pressure region (100 torr to atmospheric pressure). The present invention relates to the former low pressure plasma CVD method. In the method, microwave is introduced into the reaction tube,
The structure is such that vacuum evacuation is carried out while introducing the reaction gas, and the reaction gas is excited to form active species to form a film. 2.45 GHz is the most commonly used microwave oscillation frequency. The pressure in the reaction vessel is maintained at 10 to 200 Torr.

【0007】マイクロ波を用いてプラズマを形成する方
法にはさらに条件によってマイクロ波と磁界の相互作用
を利用して,反応圧力が 0.1Torrより高い場合に起こる
現象であるMCR( Mixed Cyclotron Resonance)を用
いる有磁場マイクロ波プラズマCVD法や、反応圧力が
0.1Torr以下と非常に低い場合に起こる現象であるEC
R(Electron Cyclotron Resonance)を用いるECRプ
ラズマCVD法等がある。
The method of forming plasma using microwaves further utilizes the interaction between the microwave and the magnetic field depending on the conditions, and uses MCR (Mixed Cyclotron Resonance) which is a phenomenon that occurs when the reaction pressure is higher than 0.1 Torr. The magnetic field microwave plasma CVD method used and the reaction pressure
EC, which is a phenomenon that occurs when the value is 0.1 Torr or less
There is an ECR plasma CVD method using R (Electron Cyclotron Resonance).

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be Solved by the Invention]

【0009】このようなプラズマCVD法におけるダイ
ヤモンド成膜における問題点として1つに成膜速度の問
題がある。従来の様な真空プロセスにおいては反応性ガ
ス濃度が低くなるために、必然的に成膜速度は低下す
る。。すなわち真空プロセスにおいては成膜速度はいか
に効率良く活性種を形成し、膜を形成することができる
かということにある。
One of the problems in the diamond film formation in the plasma CVD method is the film formation speed problem. In the conventional vacuum process, the reactive gas concentration becomes low, so that the film formation rate inevitably decreases. . That is, in the vacuum process, the film formation rate is how efficiently active species can be formed and a film can be formed.

【0010】また他に,基板の前処理の煩わしさがあ
る。前処理について簡単に示すと例えばSiウエハを基
板として用いるとき成膜前にダイヤモンドパウダーを分
散させたアルコール中で超音波処理を行うわけである。
この行程が入ることで,成膜の煩わしさとともにバッチ
毎の再現性あるいは均一性が問題になる。しかしながら
この前処理を省略してしまうと成膜初期の核形成の段階
で,核発生が極端に遅くなり成膜がスムーズにいかな
い。これらを両立させるようなプロセスが望まれていた
わけである。
In addition, there is a troublesome process of pretreating the substrate. To briefly describe the pretreatment, for example, when a Si wafer is used as a substrate, ultrasonic treatment is performed in alcohol in which diamond powder is dispersed before film formation.
Due to the inclusion of this process, the reproducibility or uniformity of each batch becomes a problem as well as the complexity of film formation. However, if this pretreatment is omitted, nucleation is extremely delayed at the stage of nucleation at the initial stage of film formation, and film formation cannot be performed smoothly. A process that makes these both compatible has been desired.

【0011】さらに成膜における基板温度の低温化とい
う問題がある。基板温度の高い成膜が作製工程に入ると
従来デバイス(特にSi系)との複合デバイスの構成が
困難であるからである。
Further, there is a problem of lowering the substrate temperature during film formation. This is because it is difficult to form a composite device with a conventional device (especially Si-based) when a film forming process with a high substrate temperature is entered into the manufacturing process.

【0012】膜中の不純物−特に水素の、結晶粒界を中
心とする介在もまた、ダイヤモンド薄膜の各方面への応
用を考える時、重要な問題である。機械的には薄膜の強
度、電子材料の方面では抵抗値やエネルギーギャップに
大きな影響を与えるにも関わらず、成膜時の不純物濃度
をコントロールする方法は未だ明確にされていないのが
現状である。
The inclusion of impurities in the film, especially hydrogen, centering on the grain boundaries is also an important issue when considering the various applications of the diamond thin film. Although the mechanical strength has a great influence on the resistance value and the energy gap in the field of electronic materials, the method for controlling the impurity concentration during film formation has not yet been clarified. ..

【0013】[0013]

【問題を解決するための手段】本発明におけるプロセス
は上記の問題を解決するものである。本発明ではそのよ
うな手段としてハロゲン化炭化水素を材料ガスとして用
いる点に着目した。
The process in the present invention solves the above problems. In the present invention, attention is paid to the fact that halogenated hydrocarbon is used as a material gas as such means.

【0014】最近、ライス大のパターソンらが、CF4
と水素あるいはCS2 とフッ素等の原料気体を使用した
場合において、従来のメタン系よりも低温化等が可能で
あることを報告している。彼らは、固体炭素形成に関す
る簡単な熱力学的考察から、固体炭素の形成と安定性を
議論している。具体的には、固体炭素形成の際、原料か
ら側鎖等を全て取り去る時の自由エネルギーの変化をみ
ているのであるが、1000℃において、自由エネルギーの
変化を比較したところ、メタン単独のそれは−4.5KJ/mo
l にしか過ぎないのに対し、CF4 と水素から固体炭素
を作る際のそれは−340.0KJ/mol と桁違いに大きく、そ
れゆえにダイヤモンドの成膜が容易に行われる可能性が
あるという。
[0014] Recently, Rice University of Patterson et al., CF 4
It has been reported that the use of a raw material gas such as hydrogen or CS 2 and fluorine can lower the temperature compared to the conventional methane system. They discuss solid carbon formation and stability from a simple thermodynamic study of solid carbon formation. Specifically, when forming solid carbon, we are looking at the change in free energy when all side chains are removed from the raw material.When we compare the change in free energy at 1000 ° C, that of methane alone is − 4.5KJ / mo
Although it is only l, it is an order of magnitude larger at -340.0 KJ / mol when solid carbon is made from CF 4 and hydrogen, and therefore, diamond film formation may be easily performed.

【0015】しかしながら、彼らの考察においては、活
性化エネルギーの考慮が全く欠けており、自由エネルギ
ーだけでは反応性を議論することは不十分である。ま
た、同様にグラファイトも形成されるのだが、それに関
する考察が安易であり、彼らのモデル化は不十分であっ
た。彼らの考察はもちろん熱的エネルギーの考察であり
プラズマ状態に適合できるものではない。しかしハロゲ
ン化炭化水素を用いることが、プラズマ中においても有
効な活性種の効率良い形成につながるのではないかとい
う予想から、実際にプラズマ反応に導入し膜を形成した
ところ良好な結果を得るにいたったわけである。
However, in their consideration, the activation energy is not taken into consideration at all, and it is not sufficient to discuss the reactivity only with free energy. Graphite is also formed in the same way, but its consideration was easy and their modeling was insufficient. Their consideration, of course, is thermal energy and cannot be adapted to the plasma state. However, it is expected that the use of halogenated hydrocarbons will lead to the efficient formation of effective active species even in plasma. Therefore, when the film is formed by actually introducing it into the plasma reaction, good results can be obtained. It just happened.

【0016】 即ち具体的にはCF4,CHF3 ,CH2
2 等のハロゲン化炭化水素と水素、または必要に応じ
て不活性ガスを添加したガスを原料ガスとして用いたプ
ラズマCVD装置において、基板の前処理を抜き且つ比
較的高速(従来の材料を使用した時と比較して2〜数倍
以上の成膜速度)でダイヤモンドを含む炭素材料または
ダイヤモンド材料からなる薄膜を成膜することが可能で
あること、および前記ハロゲン化炭化水素の濃度調整に
より、水素を中心とした膜中の不純物濃度の調節が可能
であることを見いだすに至ったのである。
[0016] That is, specifically, CF4, CHF3, CH2
F2Halogenated hydrocarbons such as hydrogen and hydrogen, or as required
Gas with an inert gas added as a source gas
In the plasma CVD system, the substrate pretreatment is omitted and
Comparatively high speed (2 to several times faster than when using conventional materials)
Carbon material containing diamond at the above deposition rate or
It is possible to form a thin film of diamond material
And to adjust the concentration of the halogenated hydrocarbon
Allows adjustment of the impurity concentration in the film centered on hydrogen
It came to discover that.

【0017】我々はこれは水素と混合されたハロゲン化
炭化水素から有効な活性種がプラズマ中で効率良く形成
されていることによるものであると考えている。推測で
はあるが,パタ−ソンのモデルとは異なりプラズマ中で
はdiradical の働きが強いのではないかと考えている。
というのはdiradical はC−Hボンドの間への挿入反応
を起こす可能性があるからである。
We attribute this to the efficient formation of effective active species in the plasma from halogenated hydrocarbons mixed with hydrogen. It is conjectured, but unlike the Patterson model, I suspect that the diradical function is strong in plasma.
This is because diradical may cause an insertion reaction between C—H bonds.

【0018】また我々の方法によれば基板温度の低温化
が可能であった。後述したように基板温度100℃から
200℃の低温でもダイヤモンドのピークを観測でき
た。このことも成膜に必要な活性種を効率良く形成して
いるためと考えている。
According to our method, the substrate temperature can be lowered. As described below, the diamond peak could be observed even at a low substrate temperature of 100 ° C to 200 ° C. This is also because the active species necessary for film formation are efficiently formed.

【0019】また我々は本発明においてダイヤモンド中
に水素およびハロゲンの同時注入が可能であることも確
認している。このような異元素の注入は、先の不純物濃
度調整と共にデバイス作製に有効である可能性がある。
We have also confirmed in the present invention that simultaneous implantation of hydrogen and halogen into diamond is possible. Implantation of such a foreign element may be effective for device fabrication together with the aforementioned impurity concentration adjustment.

【0020】ところで、本発明の方法でダイヤモンド薄
膜を作製する際には、副生成物としてフッ化水素等のハ
ロゲン化水素が発生するため、これらと高温で接触する
チャンバー部分には従来の半導体等で使用された石英や
ステンレスを使用することが実質的には困難であること
である。そこで、チャンバーの材料として、フッ化水素
等と比較的反応性が低く、かつ高温における構造用材料
として機能する材料、具体的にはアルミナ、サファイ
ア、SiC、等のセラミック材料及びモネル等の耐酸化
性金属材料を使用した。この中でも、SiCに関して
は、焼結体の上からCVDコーティングした材料を用い
たところ、出来上がった膜中の不純物の濃度が低く、非
常に優れていた。
By the way, when a diamond thin film is produced by the method of the present invention, hydrogen halide such as hydrogen fluoride is generated as a by-product. It is practically difficult to use the quartz and stainless steel used in. Therefore, as a material of the chamber, a material having relatively low reactivity with hydrogen fluoride and the like and functioning as a structural material at a high temperature, specifically, a ceramic material such as alumina, sapphire, or SiC, and an oxidation resistant material such as monel. A metallic material was used. Among these, as for SiC, when a material obtained by performing CVD coating on the sintered body was used, the concentration of impurities in the finished film was low and it was very excellent.

【0021】また本発明に関して用いられる基板につい
ても材料について上記の制約があり、用いられる基板は
例えばSi、サファイア、アルミナ、モネル、タングス
テンカーバイド、および他の耐酸化性金属材料である。
以下に実施例を示してより詳細に本発明を説明する。
The substrates used in connection with the present invention also have the above-mentioned restrictions on materials, and the substrates used are, for example, Si, sapphire, alumina, monel, tungsten carbide, and other oxidation resistant metal materials.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【0022】[0022]

【実施例】【Example】

『実施例1』まずマイクロ波CVDについて以下に実施
例を示す。。我々は材料としてCF4 +水素系を用いて
プラズマCVDを行った。成膜条件を示す。チャンバー
内圧力は1〜100torr好ましくは40torr程度とす
る。CF4 濃度は水素希釈により10%以下,好ましく
は2〜3パーセントとする。膜のラマン測定の結果から
はCF4 濃度を落とした方が膜質が上がっていることが
確認されたが、濃度が低い場合は成膜速度が遅くなり我
々の装置においては2〜3パーセントが適当であった。
基板温度は600℃〜900℃で行った。形成された膜
のラマン測定によれば基板温度800〜820℃程度で
膜質は良好であった。チャンバーの材料はハロゲンに対
する耐性を考慮してアルミナを用いた。
Example 1 First, an example of microwave CVD will be described below. . We performed plasma CVD using CF 4 + hydrogen system as a material. The film forming conditions are shown. The pressure in the chamber is 1 to 100 torr, preferably about 40 torr. The CF 4 concentration is 10% or less, preferably 2-3% by hydrogen dilution. From the result of Raman measurement of the film, it was confirmed that the film quality was improved when the CF 4 concentration was lowered, but when the concentration is low, the film formation rate becomes slow, and 2-3% is appropriate in our apparatus. Met.
The substrate temperature was 600 ° C to 900 ° C. According to Raman measurement of the formed film, the film quality was good at a substrate temperature of about 800 to 820 ° C. Alumina was used as the material of the chamber in consideration of resistance to halogen.

【0023】今回の実験に用いたマイクロ波プラズマC
VD実験装置の構成を図1に示す。基本的には通常のマ
イクロ波プラズマCVD法であり5の窓からチャンバー
内にマイクロ波を導入している。マイクロ波の出力は1
00〜800Wとする。通常は400〜600Wで運転
している。基板はSi、アルミナおよびモネルを用い
た。ここで図1中の領域3は基板4および基板ホルダー
9が配置されないときのプラズマの分布を示すものであ
る。(基板が配置されたときのプラズマの分布は図中の
プラズマ3とは異なることをことわっておく。)基板の
配置は位置6、もしくは位置7の位置とした。基板を位
置8のように基板からかなり離した場合は膜の形成は見
られなかった。成膜速度は約2〜3μm/時であった。
成膜時間4時間を終えた後チャンバーから取り出しラマ
ン分光測定を行ったところ例えば図2のような結果を得
ている。ダイヤモンドのピークが1332cm-1付近に見
られている。これは図1中の位置6に配置されたSi基
板上の膜であるが、他のモネル、アルミナ基板上にも同
様のピークが認められた。1500cm-1付近にアモルファス
状炭素材料と考えられるブロードなピークが存在してい
るが、1332cm-1にダイヤモンドの鋭いピークを確認する
ことができた。レーザー出力の変更等を行っても、ピー
ク位置がずれないことを確認し、このピークがダイヤモ
ンドであると同定した。ラマン分光の感度はアモルファ
ス状炭素に対しては鋭い感度をもっているがダイヤモン
ドに対してはそれほどの感度はもっていないこともピー
ク強度の差になってあらわれていると考えられる。
Microwave plasma C used in this experiment
The configuration of the VD experimental device is shown in FIG. Basically, it is a normal microwave plasma CVD method and microwaves are introduced into the chamber through the window 5. Output of microwave is 1
It is set to 00 to 800 W. Normally, it is operated at 400 to 600W. The substrate used Si, alumina, and monel. Here, the region 3 in FIG. 1 shows the distribution of plasma when the substrate 4 and the substrate holder 9 are not arranged. (It should be noted that the plasma distribution when the substrate is arranged is different from the plasma 3 in the figure.) The substrate was arranged at position 6 or position 7. No film formation was seen when the substrate was spaced too far from the substrate, such as position 8. The film forming rate was about 2 to 3 μm / hour.
When Raman spectroscopic measurement was performed after taking out the film from the chamber after the film formation time of 4 hours, the results shown in FIG. 2 are obtained. A diamond peak is seen around 1332 cm -1 . Although this is a film on the Si substrate arranged at the position 6 in FIG. 1, similar peaks were observed on other Monel and alumina substrates. Although there is a broad peak near 1500 cm -1 which is considered to be an amorphous carbon material, a sharp diamond peak can be confirmed at 1332 cm -1 . Even if the laser output was changed, it was confirmed that the peak position did not shift, and this peak was identified as diamond. The sensitivity of Raman spectroscopy is sharp for amorphous carbon but not so much for diamond, which is considered to be caused by the difference in peak intensity.

【0024】成膜時にプラズマの発光分析を行ったとこ
ろ、CF3 、CF2 のようなラジカルが見られたが炭素
がCF4 から完全に解離したものやCFラジカルは見ら
れなかった。このことはマイクロ波のパワーその他と相
関し成膜に特に有効な活性種が存在することを示してい
る。実際に後者のラジカルのピークが強く出るプラズマ
では膜質の悪い物しか形成できなった。
When plasma emission analysis was carried out at the time of film formation, radicals such as CF 3 and CF 2 were found, but carbon completely dissociated from CF 4 and CF radicals were not found. This indicates that there is an active species that is particularly effective for film formation in correlation with microwave power and other factors. In fact, in the latter plasma, where radical peaks are strong, only a film with poor film quality could be formed.

【0025】またSi基板を図1中の位置7に配置した
膜のラマン測定結果を図3に示した。膜質はやや悪いが
同様にダイヤモンドのピークが観察された。
FIG. 3 shows the result of Raman measurement of the film in which the Si substrate was placed at the position 7 in FIG. Although the film quality was rather poor, a diamond peak was also observed.

【0026】また我々の方法によれば基板温度の低温化
が可能なことを先に示したが具体的には基板温度100
℃から900℃という範囲で基板温度依存性を調べた。
基板温度はプラズマによる加熱効果があるため水冷によ
る冷却を行っている。基板温度は基板の裏側に熱電対を
設置し温度を測定している。基板温度400℃以上の膜
は図1中位置6においてまたそれ以下の基板温度の膜は
図1中位置7で成膜を行った。形成された膜のラマン測
定を行ったところダイヤモンドのピークは微弱ながら基
板温度100℃、200℃の膜においても確認できた。
Further, although it was shown above that the substrate temperature can be lowered according to our method, specifically, the substrate temperature is 100
The substrate temperature dependence was investigated in the range of ℃ to 900 ℃.
The substrate temperature is cooled by water because it has a heating effect by plasma. The substrate temperature is measured by installing a thermocouple on the back side of the substrate. A film having a substrate temperature of 400 ° C. or higher was formed at position 6 in FIG. 1, and a film having a substrate temperature lower than that was formed at position 7 in FIG. When Raman measurement of the formed film was performed, the peak of diamond was weak, but it could be confirmed even in the films at substrate temperatures of 100 ° C and 200 ° C.

【0027】さらに我々は基板温度750℃で形成され
た膜についてSIMS分析を行った。その結果はハロゲ
ン化炭化水素の濃度を変えることで膜中に取り込まれる
ハロゲンおよび水素の濃度がかわる事を示していた。具
体的にはハロゲン化炭化水素の濃度を高くすることによ
って膜中のハロゲンおよび水素の濃度が高くなることが
示された。すなわち本発明の方法によれば膜中のハロゲ
ンおよび水素の濃度をコントロールできた。これによ
り、ダイヤモンドあるいはダイヤモンドを含む炭素材料
を使用した電子装置の作製の可能性も十分にあり得る。
Further, we performed SIMS analysis on the film formed at a substrate temperature of 750 ° C. The results showed that the concentration of halogen and hydrogen taken into the film changed by changing the concentration of halogenated hydrocarbon. Specifically, it was shown that the concentration of halogen and hydrogen in the film was increased by increasing the concentration of halogenated hydrocarbon. That is, according to the method of the present invention, the concentrations of halogen and hydrogen in the film could be controlled. Thereby, there is a sufficient possibility of manufacturing an electronic device using diamond or a carbon material containing diamond.

【0028】『実施例2』本実施例においては、実施例
1の材料ガスを変えた例を示す。即ち、原料はCHF3
と水素、およびCHF3 の濃度を低くするためにさらに
ヘリウムを加えた場合の2種類について行っている。各
パラメータは、CHF3 濃度が5〜0.5%、基板温度が
750℃〜820℃、成膜時間が4時間という条件で行
った。基板はモネルを用いている。実験に使用した装置
他は実施例1と同様である。
[Embodiment 2] In this embodiment, an example in which the material gas of Embodiment 1 is changed is shown. That is, the raw material is CHF 3
And hydrogen, and helium was further added in order to lower the concentrations of CHF 3 , two types were performed. For each parameter, the CHF 3 concentration was 5 to 0.5%, the substrate temperature was 750 to 820 ° C., and the film formation time was 4 hours. The substrate uses Monel. The apparatus and others used in the experiment are the same as in Example 1.

【0029】反応ガスにHeを含む場合、含まない場
合、どちらの場合もラマン分光の結果からはっきりとダ
イヤモンドに起因するピークが確認された。ここで成膜
速度に着目するとCHF3 を用いた場合はCF4 を用い
た場合と比較して2〜数倍成膜速度が速くなった。(た
だしHeを加えたものは成膜速度はCF4 の場合とほと
んど変わらなかった。)具体的には2パーセントの濃度
でCF4 を使用したとき2.5〜3μm/時であったの
がCHF3 を用いたときは3〜8μm/時であった。す
なわち我々の装置においてはプラズマCVD法において
CHF3 の方がダイヤモンド成膜に適しているという結
果を得た。なお従来のメタン等の材料を用いた場合成膜
速度は0.5〜1μmであったのでハロゲン化炭化水素
を用いることは成膜速度の向上に寄与していることがわ
かる。
In both cases where He was contained in the reaction gas and when He was not contained, a peak due to diamond was clearly confirmed from the results of Raman spectroscopy. Focusing on the film formation rate, the film formation rate in the case of using CHF 3 was two to several times faster than that in the case of using CF 4 . (However, the film formation rate with He was almost the same as that with CF 4. ) Specifically, when CF 4 was used at a concentration of 2%, it was 2.5 to 3 μm / hour. When CHF 3 was used, it was 3 to 8 μm / hour. That is, in the case of our apparatus, CHF 3 was more suitable for diamond film formation in the plasma CVD method. It should be noted that, since the film forming rate was 0.5 to 1 μm when a conventional material such as methane was used, it is understood that the use of halogenated hydrocarbon contributes to the improvement of the film forming rate.

【0030】『実施例3』本実験においては、実施例1
のプロセスにおいて、原料を変更した例を示す。即ち、
原料としてCHCl3 と水素およびHeを用いた。実施
例1〜2においては原料は全て常温で気体であった為問
題なかったのであるが、今回の原料は常温で液体である
ため、ベーパーライザー用いて実験を行った。また、成
膜の際に必然的に塩化水素が発生するため、チャンバー
は当然アルミナ管を用いている。基板温度が700〜8
00℃、成膜時間が8時間という条件で行った。実験に
使用した装置他は実施例1と同様である。
[Example 3] In this experiment, in Example 1
An example in which the raw materials are changed in the above process is shown. That is,
CHCl 3 , hydrogen and He were used as raw materials. In Examples 1 and 2, there was no problem because all the raw materials were gases at room temperature, but since the raw materials this time were liquid at room temperature, experiments were conducted using a vaporizer. Further, since hydrogen chloride is inevitably generated during film formation, the chamber naturally uses an alumina tube. Substrate temperature is 700-8
It was performed under the conditions of 00 ° C. and the film formation time of 8 hours. The apparatus and others used in the experiment are the same as in Example 1.

【0031】得られた薄膜について、ラマン分光で測定
したところ、非常にはっきりとダイヤモンドに起因する
ピークが確認された。膜厚に関しては、CHF3 濃度2
%の結果よりも明らかに厚く、デポレートが上昇してい
ることが確認された。
When the obtained thin film was measured by Raman spectroscopy, a very distinct peak due to diamond was confirmed. Regarding film thickness, CHF 3 concentration 2
It was confirmed that the deposition rate was higher than that of the result of%.

【0032】『実施例4』本実施例においては有磁場マ
イクロ波プラズマCVD法により、成膜を行った例につ
いて示す。前記方法は大面積の薄膜を形成するのに有効
であり、少なくとも4インチで6インチ以上のウエハで
も成膜が可能である。またマイクロ波プラズマ法にも該
当するが,RFプラズマ等と比較すると膜質の優れた膜
の形成が可能であることも特徴である。本実施例で使用
した装置の概略図を図4に示す。磁場コイルによる磁界
とマイクロ波導波管から反応室に導入されたマイクロ波
の相互作用を利用してガス導入口2より流入される反応
性ガスを効率よく励起し、基板4上にダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料を形成する。基板4
は基板保持板を加熱することにより外部コントロールさ
れている。また、浮遊電界13を基板4に加えることも
できる。通常ダイヤモンドを形成する際には反応ガスと
してはメタン、一酸化炭素、エチレン、メタノール、エ
タノールなどの気体または液体の炭化水素を水素で希釈
したガスが用いられ、また、水、二酸化炭素、酸素を少
量添加したガスが用いられることもある。我々は材料ガ
スとしてCF4 および水素を用いた。成膜のパラメータ
ーについていくつか示すと真空度は0.02〜5tor
r好ましくは0.1〜2torr、基板温度700〜800
℃、マイクロ波出力1〜5kwで行った。用いた基板は
Si、モネルおよびWCである。位置6で成膜を行っ
た。なおチャンバー内壁はSiCコーティングしたもの
を使用した。磁場は200〜2000ガウスとした。我
々の装置でラマン測定から最適条件を求めた場合には磁
場は800〜900ガウスが適当であった。この時成膜
速度は3μm/時であった。磁場を850ガウスとして
CF4 の濃度を3パーセントとして成膜を4時間行い膜
のラマン測定を行ったところアモルファス成分のピーク
と共にダイヤモンドのピークが観察された。次にCF4
の濃度をさらに落として1.5パーセントとしてやはり
4時間成膜したところ、形成された膜のラマンのピーク
はさらにはっきりとした。このことから本実施例におい
ても成膜時のCF4 の濃度が膜質に大きく影響を与える
ことが予想される。
[Embodiment 4] In this embodiment, an example of forming a film by a magnetic field microwave plasma CVD method will be described. The above method is effective for forming a large-area thin film, and it is possible to form a film even on a wafer of at least 4 inches and 6 inches or more. Although it corresponds to the microwave plasma method, it is also characterized in that it is possible to form a film having excellent film quality as compared with RF plasma or the like. A schematic diagram of the apparatus used in this example is shown in FIG. By utilizing the interaction between the magnetic field generated by the magnetic field coil and the microwave introduced into the reaction chamber from the microwave waveguide, the reactive gas introduced from the gas inlet 2 is efficiently excited, and carbon containing diamond is placed on the substrate 4. Form a material or diamond material. Board 4
Is externally controlled by heating the substrate holding plate. The stray electric field 13 can also be applied to the substrate 4. Usually, when forming diamond, a gas obtained by diluting a gas such as methane, carbon monoxide, ethylene, methanol, and ethanol or a liquid hydrocarbon with hydrogen is used as a reaction gas, and water, carbon dioxide, and oxygen are used. A gas added in a small amount may be used. We used CF 4 and hydrogen as source gases. The vacuum degree is 0.02 to 5 tor when showing some parameters of film formation.
r preferably 0.1 to 2 torr, substrate temperature 700 to 800
C., microwave output 1-5 kw. The substrates used are Si, Monel and WC. Film formation was performed at position 6. The inner wall of the chamber was coated with SiC. The magnetic field was 200 to 2000 gauss. When the optimum conditions were obtained from Raman measurement with our apparatus, the magnetic field of 800 to 900 gauss was appropriate. At this time, the film forming rate was 3 μm / hour. Film formation was carried out for 4 hours with a magnetic field of 850 gauss and a CF 4 concentration of 3%, and Raman measurement of the film was performed. As a result, a peak of an amorphous component and a peak of diamond were observed. Then CF 4
When the film thickness was further reduced to 1.5% and the film was formed for 4 hours, the Raman peak of the formed film became clearer. From this fact, it is expected that the CF 4 concentration during film formation also has a great influence on the film quality in this example.

【0033】『実施例5』本実施例では、実施例1で使
用したマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、膜中の
水素濃度調整を試みた。我々の研究では、膜中の水素濃
度はハロゲン化炭化水素の供給濃度によって変化する徴
候が認められた。そこで本実施例では、その具体的な影
響を探る実験を試みた。成膜条件は次のとおりである。
反応ガスはCF4 +水素系を用い、チャンバー内圧力は
40Torrとした。基板はSiを用い、800℃に加熱し
成膜を行った。
Example 5 In this example, the microwave plasma CVD apparatus used in Example 1 was used to try to adjust the hydrogen concentration in the film. In our study, it was found that the hydrogen concentration in the film changed depending on the supply concentration of halogenated hydrocarbon. Therefore, in this example, an experiment was conducted to investigate the specific effect. The film forming conditions are as follows.
CF 4 + hydrogen system was used as the reaction gas, and the pressure in the chamber was 40 Torr. The substrate was made of Si and heated to 800 ° C. to form a film.

【0034】CF4 の濃度は10%以下とし、2.5 %、
5.0 %、7.4 %の3点に関して、成膜とSIMSによる
膜中の水素濃度測定を行った。その結果、それぞれ1.
0×1021、1.5×1021、1.7×1021(atoms/c
m3) の水素含有量を示し、反応気体中のCF4 の濃度2.
5 %<5.0 %<7.4 %の順で水素濃度が変化すること、
即ちハロゲン化炭化水素の濃度を変化させる事によっ
て、膜中の水素濃度を変化させることが可能であること
がわかった。
The concentration of CF 4 is set to 10% or less, 2.5%,
Film formation and hydrogen concentration measurement in the film by SIMS were performed at three points of 5.0% and 7.4%. As a result, 1.
0 × 10 21 , 1.5 × 10 21 , 1.7 × 10 21 (atoms / c
m 3 ), indicating the hydrogen content, and the concentration of CF 4 in the reaction gas 2.
The hydrogen concentration changes in the order of 5% <5.0% <7.4%,
That is, it was found that the hydrogen concentration in the film can be changed by changing the halogenated hydrocarbon concentration.

【0035】またこの傾向は、定量的評価は出来なかっ
たものの、フッ素や珪素の濃度に関しても同様のものが
得られた。ハロゲン化炭化水素の濃度変化を中心に、そ
の他条件を検討することにより、膜中不純物含有量のコ
ントロールが可能となると思われる。
Although this tendency could not be evaluated quantitatively, similar results were obtained with respect to the concentrations of fluorine and silicon. It is considered that the impurity content in the film can be controlled by examining other conditions, mainly the change in the concentration of halogenated hydrocarbon.

【0036】[0036]

【発明の効果】このように前記プラズマCVDにおい
て、前処理なしの成膜工程の確立および成膜速度の向上
がなされた。これは材料としてハロゲン化炭化水素を使
用し,それを成しうるべく装置を製作する事により,膜
成長に関わる活性種を効率良く生み出すことを可能にし
たことによるもので、またそれは成膜速度の向上をもつ
ながり従来の成膜速度の数倍の値を得ることが出来た。
また、ダイヤモンド薄膜中の不純物濃度は、ハロゲン化
炭化水素の添加量調整に基づき、調節可能で有ることを
明らかにした。
As described above, in the plasma CVD, the film forming process without pretreatment is established and the film forming speed is improved. This is because halogenated hydrocarbons are used as a material, and by making a device to make it possible, it is possible to efficiently generate active species involved in film growth. It was also possible to obtain a value several times higher than the conventional film formation rate.
Moreover, it was clarified that the impurity concentration in the diamond thin film can be adjusted based on the adjustment of the amount of halogenated hydrocarbon added.

【0037】よって、本発明は産業上非常に有用な特許
であると考えられる。
Therefore, the present invention is considered to be a very useful patent in industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明で使用したマイクロ波プラズマCVD装
置を示す。
FIG. 1 shows a microwave plasma CVD apparatus used in the present invention.

【図2】本発明により形成された膜のラマン分光スペク
トルの結果の1例を示す。
FIG. 2 shows an example of the results of Raman spectroscopy of a film formed according to the present invention.

【図3】本発明により形成された膜のラマン分光スペク
トルの結果の1例を示す。
FIG. 3 shows an example of the results of Raman spectroscopy of a film formed according to the present invention.

【図4】本発明で使用した有磁場マイクロ波プラズマC
VD装置を示す。
FIG. 4 is a magnetic field microwave plasma C used in the present invention.
3 shows a VD device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応室 2 ガス導入口 3 プラズマ領域 4 基板 5 窓 6 位置 7 位置 8 位置 9 基板ホルダー 10 導波管 11 排気 12 磁場発生コイル 13 浮遊電界発生部 1 Reaction Chamber 2 Gas Inlet 3 Plasma Region 4 Substrate 5 Window 6 Position 7 Position 8 Position 9 Substrate Holder 10 Waveguide 11 Exhaust 12 Magnetic Field Generation Coil 13 Stray Electric Field Generation Part

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】プラズマCVDを用いたダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料の作製方法であって
ハロゲン化炭化水素および水素あるいは前記ハロゲン化
炭化水素および水素と希釈ガスとして希ガスからなる原
料を使用しかつ成膜時の圧力が100torr以下であ
ることを特徴とする炭素材料作製方法。
1. A method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material using plasma CVD, which comprises using a halogenated hydrocarbon and hydrogen or a raw material consisting of the halogenated hydrocarbon and hydrogen and a rare gas as a diluent gas. A method for producing a carbon material, characterized in that the pressure during film formation is 100 torr or less.
【請求項2】請求項1において、前記原料をプラズマ状
態とし、前記プラズマ領域の内部もしくは前記プラズマ
に接して基板を配置し膜を作製する工程を含む炭素材料
作製方法
2. The method for producing a carbon material according to claim 1, comprising the step of forming a film by placing the raw material in a plasma state and disposing a substrate inside the plasma region or in contact with the plasma.
【請求項3】請求項1において成膜速度が1μm以上で
あることを特徴とする炭素材料作製方法
3. The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the film forming rate is 1 μm or more.
【請求項4】請求項1において成膜工程に基板の前処理
の工程を含まないことを特徴とする炭素材料作製方法
4. The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the film forming step does not include a step of pretreatment of the substrate.
【請求項5】請求項1において、プラズマCVD法とし
てマイクロ波プラズマCVD法または有磁場マイクロ波
プラズマCVD法を用いたことを特徴とする炭素材料作
製方法。
5. The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein a microwave plasma CVD method or a magnetic field microwave plasma CVD method is used as the plasma CVD method.
【請求項6】プラズマCVDを用いたダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料の作製装置であっ
て、該装置の反応室の内壁はハロゲンおよびハロゲン化
水素等およびそれらのプラズマに対して耐性を持つ材料
からなることを特徴とする炭素材料作製装置。
6. An apparatus for producing a carbon material containing diamond or a diamond material using plasma CVD, wherein the inner wall of a reaction chamber of the apparatus is a material having resistance to halogen, hydrogen halide, etc. and their plasma. An apparatus for producing a carbon material, comprising:
【請求項7】請求項6において、該装置の反応室の内壁
はアルミナ、サファイア、SiCのいずれか、もしくは
耐酸化性の金属材料もしくは前記材料のコーティング膜
からなることを特徴とする炭素材料作製装置。
7. The carbon material manufacturing method according to claim 6, wherein the inner wall of the reaction chamber of the apparatus is made of any one of alumina, sapphire and SiC, or an oxidation resistant metal material or a coating film of the material. apparatus.
【請求項8】プラズマCVDを用いたダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料の作製装置であっ
て、該装置の反応室が高温における構造用材料として機
能し、かつハロゲンおよびハロゲン化水素等およびそれ
らのプラズマに対して耐性を持つ材料によって形成され
ていることを特徴とする炭素材料作製装置。
8. An apparatus for producing a carbon material containing diamond or a diamond material using plasma CVD, wherein the reaction chamber of the apparatus functions as a structural material at high temperature, and halogen, hydrogen halide, etc. A carbon material manufacturing apparatus, which is formed of a material having resistance to plasma.
【請求項9】プラズマCVDを用い、ハロゲン化炭化水
素および水素あるいは前記ハロゲン化炭化水素および水
素と希釈ガスとして希ガスからなる原料を使用したダイ
ヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料の作製
方法において、前記ハロゲン化炭化水素の濃度を調節す
ることにより、任意に膜中の水素濃度を変化させる事を
特徴とする炭素材料作製方法。
9. A method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material using plasma CVD, using a halogenated hydrocarbon and hydrogen or a raw material comprising the halogenated hydrocarbon and hydrogen and a rare gas as a diluent gas, A method for producing a carbon material, characterized in that the hydrogen concentration in a film is arbitrarily changed by adjusting the concentration of halogenated hydrocarbon.
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