JPH05889A - 気相合成方法およびそれを実施するための装置 - Google Patents
気相合成方法およびそれを実施するための装置Info
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- JPH05889A JPH05889A JP91262318A JP26231891A JPH05889A JP H05889 A JPH05889 A JP H05889A JP 91262318 A JP91262318 A JP 91262318A JP 26231891 A JP26231891 A JP 26231891A JP H05889 A JPH05889 A JP H05889A
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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- G01—MEASURING; TESTING
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- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
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- Pathology (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダイヤモンド薄膜の成膜中に核発生密度を評
価・制御する方法と、それを実施するための装置。 【構成】 真空中で基板上に炭素系原料ガスを合成させ
てダイヤモンド薄膜を形成する際、偏光解析法で成膜試
料表面の光学的性質を測定しながら、核発生密度を測定
し、核密度を制御できる気相合成方法とそれを実施する
ための装置。
価・制御する方法と、それを実施するための装置。 【構成】 真空中で基板上に炭素系原料ガスを合成させ
てダイヤモンド薄膜を形成する際、偏光解析法で成膜試
料表面の光学的性質を測定しながら、核発生密度を測定
し、核密度を制御できる気相合成方法とそれを実施する
ための装置。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気相合成方法およびそ
れを実施するための装置に関し、更に詳細には、機能性
材料や硬質膜、特に機械的用途、半導体用途に利用する
ダイヤモンド膜を気相中で合成する方法およびその実施
のための装置に関するものである。
れを実施するための装置に関し、更に詳細には、機能性
材料や硬質膜、特に機械的用途、半導体用途に利用する
ダイヤモンド膜を気相中で合成する方法およびその実施
のための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ダイアモンド気相合成装置の代表
的なものとして、S.Matsumoto et. al.: Jan. J. Appl.
Phys., 21, p.L183(1982) 、M. Kamo et. al. :J.Crys
t. Growth, 62, p.642(1983) 、K. Suzuki et. al. :Ap
pl. Phys. Lett., 50,p.728(1987)等で開示されたもの
が知られている。ところで、ダイアモンド膜を工具や耐
摩耗・摺動部品へのコーティング膜として応用する場
合、基板との密着性が重要な問題となるが、それは、基
板の上に初めに成長するダイアモンド結晶核の核発生密
度を制御（増大）することにより解決されることが分か
っている。
的なものとして、S.Matsumoto et. al.: Jan. J. Appl.
Phys., 21, p.L183(1982) 、M. Kamo et. al. :J.Crys
t. Growth, 62, p.642(1983) 、K. Suzuki et. al. :Ap
pl. Phys. Lett., 50,p.728(1987)等で開示されたもの
が知られている。ところで、ダイアモンド膜を工具や耐
摩耗・摺動部品へのコーティング膜として応用する場
合、基板との密着性が重要な問題となるが、それは、基
板の上に初めに成長するダイアモンド結晶核の核発生密
度を制御（増大）することにより解決されることが分か
っている。
【０００３】また、ダイアモンド膜を光学窓やレンズの
保護膜として用いる場合は、その膜での光の散乱を極力
無くして、光透過性を良好にするため、該膜の表面が平
滑である必要がある。ところが、ダイアモンドは核成長
するため、その核発生密度が小さいと、生成されたダイ
アモンド膜の表面が平滑にならないため、この場合に
も、ダイアモンド結晶核の核発生密度を制御（増大）す
る必要がある。更に、半導体用途の場合、ダイアモンド
膜をエピタキシャル成長させる必要があるが、そのため
には、結晶核の発生密度が高い条件での成膜が要求され
る。このように、核発生密度を制御（増大）すること
は、ダイヤモンドのように核成長し易い材料を機能性膜
や硬質膜に利用する場合、特に重要なことである。 一
方、必要以上に核発生密度を増大させることは、その他
の膜特性や生産の経済性などから不利な場合がある。こ
うしたときには、その他の要件を満足しながら一定値以
上の核発生密度に制御することが重要である。
保護膜として用いる場合は、その膜での光の散乱を極力
無くして、光透過性を良好にするため、該膜の表面が平
滑である必要がある。ところが、ダイアモンドは核成長
するため、その核発生密度が小さいと、生成されたダイ
アモンド膜の表面が平滑にならないため、この場合に
も、ダイアモンド結晶核の核発生密度を制御（増大）す
る必要がある。更に、半導体用途の場合、ダイアモンド
膜をエピタキシャル成長させる必要があるが、そのため
には、結晶核の発生密度が高い条件での成膜が要求され
る。このように、核発生密度を制御（増大）すること
は、ダイヤモンドのように核成長し易い材料を機能性膜
や硬質膜に利用する場合、特に重要なことである。 一
方、必要以上に核発生密度を増大させることは、その他
の膜特性や生産の経済性などから不利な場合がある。こ
うしたときには、その他の要件を満足しながら一定値以
上の核発生密度に制御することが重要である。
【０００４】ところで、核発生密度を制御（増大）する
方法としては、現在のところ、成膜基板を成膜前に予め
ダイヤモンド粉で傷付け処理する方法（例えば、湯郷
他：第３５回応用物理学関連連合講演会講演予稿集ｐ．
４３８（１９８８）参照）が知られている。このダイヤ
モンド粉での傷付け処理方法は、成膜前に、合成装置の
外で、ダイヤモンド粉の入った溶液中に基板を入れて、
一定時間超音波振動を与えるか、またはダイヤモンド粉
を基板に擦り付け、基板に微小な傷を付け、その上で、
該基板上に成膜を行う方法である。この方法によれば、
基板上へ付ける傷の密度を制御することにより、１０5
〜１０9ケ／cm2の間で、核発生密度をある程度制御する
ことができる。また、ダイヤモンドの核発生密度の評価
は、一般に、成膜後に、試料を合成装置より取り出し
て、電子顕微鏡などに移して観察し、一定面積中の成長
核の数を計数することにより行われていた。
方法としては、現在のところ、成膜基板を成膜前に予め
ダイヤモンド粉で傷付け処理する方法（例えば、湯郷
他：第３５回応用物理学関連連合講演会講演予稿集ｐ．
４３８（１９８８）参照）が知られている。このダイヤ
モンド粉での傷付け処理方法は、成膜前に、合成装置の
外で、ダイヤモンド粉の入った溶液中に基板を入れて、
一定時間超音波振動を与えるか、またはダイヤモンド粉
を基板に擦り付け、基板に微小な傷を付け、その上で、
該基板上に成膜を行う方法である。この方法によれば、
基板上へ付ける傷の密度を制御することにより、１０5
〜１０9ケ／cm2の間で、核発生密度をある程度制御する
ことができる。また、ダイヤモンドの核発生密度の評価
は、一般に、成膜後に、試料を合成装置より取り出し
て、電子顕微鏡などに移して観察し、一定面積中の成長
核の数を計数することにより行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】こうした従来の核発生
密度の制御または評価は、単に成膜前または成膜後に行
われるものであるので、核発生密度の把握は予測あるい
は結果でしかなく、従って、従来の方法では、核発生密
度の制御を正確に行うことはできなかった。また、電子
顕微鏡による成長核の計数の場合は、電子顕微鏡を気相
合成装置中に入れる必要があり、また気相合成方法のよ
うに圧力の高い領域での測定は電子の平均自由行程が短
いため不可能である。そこで、本発明は、核発生密度の
制御を正確に行うことができる気相合成方法およびそれ
を実施するための装置を提供することを目的とするもの
である。
密度の制御または評価は、単に成膜前または成膜後に行
われるものであるので、核発生密度の把握は予測あるい
は結果でしかなく、従って、従来の方法では、核発生密
度の制御を正確に行うことはできなかった。また、電子
顕微鏡による成長核の計数の場合は、電子顕微鏡を気相
合成装置中に入れる必要があり、また気相合成方法のよ
うに圧力の高い領域での測定は電子の平均自由行程が短
いため不可能である。そこで、本発明は、核発生密度の
制御を正確に行うことができる気相合成方法およびそれ
を実施するための装置を提供することを目的とするもの
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による気相合成方
法は、気相合成方法において、成膜中に、偏光解析法に
より成膜試料表面の光学的性質を測定し、偏光解析パラ
メータ角度の変化から、核発生密度を成膜中に評価する
ことを特徴とする。なお、成膜中に、成膜条件を調整す
ることにより、核発生密度を制御することが望ましい。
また、上記合成材料は例えばダイヤモンドとする。ま
た、本発明による気相合成装置は、気相合成に用いられ
る合成槽と、該合成槽外に配置された偏光した光を照射
する光源部と、該光源部より照射された光を合成槽内に
導入する合成槽に取り付けられた光入射窓と、該光入射
窓より合成槽内に導入され、成膜中の基板より反射した
光を合成槽外に導く合成槽に取り付けられた光射出窓
と、該射出窓を通過した反射光を受光する受光部と、該
受光部からの出力信号を受信して核発生密度を測定解析
するデータ処理システムとを備えたことを特徴とする。
法は、気相合成方法において、成膜中に、偏光解析法に
より成膜試料表面の光学的性質を測定し、偏光解析パラ
メータ角度の変化から、核発生密度を成膜中に評価する
ことを特徴とする。なお、成膜中に、成膜条件を調整す
ることにより、核発生密度を制御することが望ましい。
また、上記合成材料は例えばダイヤモンドとする。ま
た、本発明による気相合成装置は、気相合成に用いられ
る合成槽と、該合成槽外に配置された偏光した光を照射
する光源部と、該光源部より照射された光を合成槽内に
導入する合成槽に取り付けられた光入射窓と、該光入射
窓より合成槽内に導入され、成膜中の基板より反射した
光を合成槽外に導く合成槽に取り付けられた光射出窓
と、該射出窓を通過した反射光を受光する受光部と、該
受光部からの出力信号を受信して核発生密度を測定解析
するデータ処理システムとを備えたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】本発明においては、成膜中、レーザ光等の偏光
した光線を基板に照射し、反射前後の偏光状態の変化を
測定する。こうした、偏光の変化は、基板上の成膜表面
の光学的または幾何学的状態を反映している。核発生密
度の違いは試料表面の幾何学的形態の違いとなって表れ
るので、偏光解析法により核発生密度の評価が可能とな
る。また、偏光解析法では、測定系の光源部と受光部を
気相合成装置の合成槽の外に配置し、光のみを窓を通し
て合成装置内に入れて測定することができる。
した光線を基板に照射し、反射前後の偏光状態の変化を
測定する。こうした、偏光の変化は、基板上の成膜表面
の光学的または幾何学的状態を反映している。核発生密
度の違いは試料表面の幾何学的形態の違いとなって表れ
るので、偏光解析法により核発生密度の評価が可能とな
る。また、偏光解析法では、測定系の光源部と受光部を
気相合成装置の合成槽の外に配置し、光のみを窓を通し
て合成装置内に入れて測定することができる。
【０００８】
【実施例】以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施
例による気相合成方法およびそれを実施するための装置
を説明する。図１は本発明の気相合成方法を実施するた
めの装置の１例であり、図中、１は気相合成装置を示
す。この気相合成装置１は、その中で合成を行うための
合成槽２を有している。この合成槽２中には、その下部
に、基板側電極３が回転可能に設置され、その上方に
は、放電電極４が配置されている。上記基板側電極３の
近傍には、ダイヤモンド合成用反応ガスを供給するため
のリング状反応ガス放出管５が配置されている。また、
合成槽２内は真空ポンプ等の真空排気系６にコンダクタ
ンスバルブ７を備える排気管８を介して接続されてい
る。上記気相合成装置１には、該気相合成装置中で、基
板ｍの表面上に形成されるダイヤモンド結晶核の発生密
度の評価を行うための偏光解析装置１０が設けられてい
る。この偏光解析装置１０は、光源系１１と受光系１２
とを備えている。光源系１１は、上記合成槽２の側壁２
ａに形成された開口１３に連続して設けられた覗き窓で
ある光入射窓１４、および成膜中の基板ｍの表面を解析
するためのレーザ光等の偏光した光線を出す光源部１５
を有している。また、受光系１２は、上記合成槽２の側
壁２ａの対向側壁２ｂ上であって、上記基板ｍの表面で
反射した反射光の光軸上に形成された開口１６に連続し
て設けられた覗き窓である光射出窓１７、および反射光
を受ける受光部１８を有している。この受光部１８には
基板ｍの表面での反射の前後での光の偏光状態の変化を
測定解析する偏光解析モニタのコンピュータ内蔵データ
処理システム１９が接続されている。また、基板側電極
３に該電極３を冷却させる冷却水の循環パイプから成る
冷却回路２０を接続されている。そして循環パイプ２０
の上流側に該電極３内を循環させる冷却水の流量を調整
する流量調整器２１を配置すると共に、該流量調整器２
１と該処理システム１９を接続して該処理システム１９
より出力された制御電圧で流量調整器２１の開閉を調整
しながら循環パイプ２０内の冷却水の流量調整を行うよ
うにした。
例による気相合成方法およびそれを実施するための装置
を説明する。図１は本発明の気相合成方法を実施するた
めの装置の１例であり、図中、１は気相合成装置を示
す。この気相合成装置１は、その中で合成を行うための
合成槽２を有している。この合成槽２中には、その下部
に、基板側電極３が回転可能に設置され、その上方に
は、放電電極４が配置されている。上記基板側電極３の
近傍には、ダイヤモンド合成用反応ガスを供給するため
のリング状反応ガス放出管５が配置されている。また、
合成槽２内は真空ポンプ等の真空排気系６にコンダクタ
ンスバルブ７を備える排気管８を介して接続されてい
る。上記気相合成装置１には、該気相合成装置中で、基
板ｍの表面上に形成されるダイヤモンド結晶核の発生密
度の評価を行うための偏光解析装置１０が設けられてい
る。この偏光解析装置１０は、光源系１１と受光系１２
とを備えている。光源系１１は、上記合成槽２の側壁２
ａに形成された開口１３に連続して設けられた覗き窓で
ある光入射窓１４、および成膜中の基板ｍの表面を解析
するためのレーザ光等の偏光した光線を出す光源部１５
を有している。また、受光系１２は、上記合成槽２の側
壁２ａの対向側壁２ｂ上であって、上記基板ｍの表面で
反射した反射光の光軸上に形成された開口１６に連続し
て設けられた覗き窓である光射出窓１７、および反射光
を受ける受光部１８を有している。この受光部１８には
基板ｍの表面での反射の前後での光の偏光状態の変化を
測定解析する偏光解析モニタのコンピュータ内蔵データ
処理システム１９が接続されている。また、基板側電極
３に該電極３を冷却させる冷却水の循環パイプから成る
冷却回路２０を接続されている。そして循環パイプ２０
の上流側に該電極３内を循環させる冷却水の流量を調整
する流量調整器２１を配置すると共に、該流量調整器２
１と該処理システム１９を接続して該処理システム１９
より出力された制御電圧で流量調整器２１の開閉を調整
しながら循環パイプ２０内の冷却水の流量調整を行うよ
うにした。
【０００９】次に、以上説明した気相合成装置１を用い
ての気相合成方法について説明する。まず、偏光解析法
による成膜中の核発生密度の評価について、シュミレー
ション計算により調べて見た。シリコンを成膜基板ｍと
した。膜は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
に、成膜基板ｍに生成されたダイヤモンド核が立方体の
形のまま成長して行き、隣合う核がぶつかり合った後に
膜状に成長して行くことによって生成されるものとし
た。なお，図２（ａ），（ｂ），（ｃ）には核発生密度
Ｎがそれぞれ１０9ケ／cm2、４×１０9ケ／cm2、９×１
０9ケ／cm2のものを示した。また、偏光解析の計算は次
のように求める。先ず、成長したダイヤモンドが核状で
あっても、測定する光の波長が核間距離の数倍の長さで
あれば有効媒質近似計算が適用出来、均質膜と同等にし
て扱える。即ち、核発生密度をＮ、バルクのダイヤモン
ドの屈折率をｎ、立方体をしたダイヤモンドの核の一辺
の長さをＤとしたとき、厚さＤの均質膜の実効的屈折率
ｎeffは
ての気相合成方法について説明する。まず、偏光解析法
による成膜中の核発生密度の評価について、シュミレー
ション計算により調べて見た。シリコンを成膜基板ｍと
した。膜は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
に、成膜基板ｍに生成されたダイヤモンド核が立方体の
形のまま成長して行き、隣合う核がぶつかり合った後に
膜状に成長して行くことによって生成されるものとし
た。なお，図２（ａ），（ｂ），（ｃ）には核発生密度
Ｎがそれぞれ１０9ケ／cm2、４×１０9ケ／cm2、９×１
０9ケ／cm2のものを示した。また、偏光解析の計算は次
のように求める。先ず、成長したダイヤモンドが核状で
あっても、測定する光の波長が核間距離の数倍の長さで
あれば有効媒質近似計算が適用出来、均質膜と同等にし
て扱える。即ち、核発生密度をＮ、バルクのダイヤモン
ドの屈折率をｎ、立方体をしたダイヤモンドの核の一辺
の長さをＤとしたとき、厚さＤの均質膜の実効的屈折率
ｎeffは
【００１０】
【数１】
【００１１】となる（図３（ａ）および（ｂ）参照）。
【００１２】このような、等価的な均質単層膜の偏光解
析計算は、次に示す計算式（例えば、R.M.A.Azzam and
N.M.Bashara "Ellipsometry and Polarized Light“ ch
ap.４，North-Holland Pub.Co.,1977参照）によって求
める。
析計算は、次に示す計算式（例えば、R.M.A.Azzam and
N.M.Bashara "Ellipsometry and Polarized Light“ ch
ap.４，North-Holland Pub.Co.,1977参照）によって求
める。
【００１３】
【数２】
【００１４】ここで、ｒ1ｐ，ｒ2ｐは偏光ｐ成分、ｒ1
ｓ，ｒ2ｓは偏光ｓ成分のフレネル反射計数を表し、ｒ1
ｐ，ｒ1ｓは真空と等価的単層膜の間のフレネル計数、
ｒ2ｐ，ｒ2ｓは等価的単層膜と基板の間のフレネル計
数、ｅは自然対数、ｉは√-1、Ψは偏光解析パラメータ
角度を表す。また、ｄは光の波長をλ、入射角をφとし
て次式により求められる。
ｓ，ｒ2ｓは偏光ｓ成分のフレネル反射計数を表し、ｒ1
ｐ，ｒ1ｓは真空と等価的単層膜の間のフレネル計数、
ｒ2ｐ，ｒ2ｓは等価的単層膜と基板の間のフレネル計
数、ｅは自然対数、ｉは√-1、Ψは偏光解析パラメータ
角度を表す。また、ｄは光の波長をλ、入射角をφとし
て次式により求められる。
【００１５】
【数３】
【００１６】図４に前記図３に示すモデルに基づいたダ
イヤモンド結晶核成長（Ｄの増加）に伴う、偏光解析パ
ラメータ角度Ψ（プサイ）、Δ（デルタ）変化の様子を
示す。核発生密度Ｎの違いにより、パラメータ角度Ψ、
Δは異なった変化をするようになる。すなわち、立方体
と仮定した核の一辺の長さＤが大きくなるにしたがい、
その差は大きくなる。パラメータ角度Ψ、Δの精確度を
０．１°とすると、Ｎ＝１０10ケ／cm2の場合、Ｄ＝３
００Å以下で、核発生密度がどのオーダーにあるかが評
価できるのである。
イヤモンド結晶核成長（Ｄの増加）に伴う、偏光解析パ
ラメータ角度Ψ（プサイ）、Δ（デルタ）変化の様子を
示す。核発生密度Ｎの違いにより、パラメータ角度Ψ、
Δは異なった変化をするようになる。すなわち、立方体
と仮定した核の一辺の長さＤが大きくなるにしたがい、
その差は大きくなる。パラメータ角度Ψ、Δの精確度を
０．１°とすると、Ｎ＝１０10ケ／cm2の場合、Ｄ＝３
００Å以下で、核発生密度がどのオーダーにあるかが評
価できるのである。
【００１７】次に、実際に、ＤＣ放電により、水素希釈
０．２〜５％メタンガスを分解し、基板側電極３上に、
基板ｍとしてシリコンウェーハを置き、成膜中に、偏光
解析装置１０により基板ｍ表面を観察して、成膜条件
を、基板温度４００〜１０００℃、反応圧力１〜４０ｋ
Ｐａ、放電電流２〜１０Ａ／cm2の範囲で変更して、ダ
イヤモンド結晶核の発生密度が最大となる条件を探しつ
つ、成膜を行った。その結果、シリコン基板への傷付け
処理をせずに、ダイヤモンド結晶核を１０9〜１０10ケ
／cm2の高密度で発生させることができた。また、この
核発生密度の数値は、電子顕微鏡観察の結果と比較して
１００〜２００％の範囲内で一致することが分かった。
０．２〜５％メタンガスを分解し、基板側電極３上に、
基板ｍとしてシリコンウェーハを置き、成膜中に、偏光
解析装置１０により基板ｍ表面を観察して、成膜条件
を、基板温度４００〜１０００℃、反応圧力１〜４０ｋ
Ｐａ、放電電流２〜１０Ａ／cm2の範囲で変更して、ダ
イヤモンド結晶核の発生密度が最大となる条件を探しつ
つ、成膜を行った。その結果、シリコン基板への傷付け
処理をせずに、ダイヤモンド結晶核を１０9〜１０10ケ
／cm2の高密度で発生させることができた。また、この
核発生密度の数値は、電子顕微鏡観察の結果と比較して
１００〜２００％の範囲内で一致することが分かった。
【００１８】次に、前記図１装置を用いて成膜中に基板
ｍの温度を調整しながら基板ｍ上へのダイヤモンド薄膜
の形成例を説明する。水素希釈２％メタンガスを合成槽
２内に反応ガス放出管５より放出すると共に、真空排気
系６を作動させて合成槽２内を２７ｋＰａに保持し、シ
リコンから成る基板ｍを８００℃、８５０℃、９００
℃、９５０℃、１０００℃の各温度に維持しながら、放
電電流５Ａ／cm2で放電して基板ｍ上にダイヤモンド膜
を成膜した。そして基板ｍの各温度毎にダイヤモンドの
核発生密度Ｎを調べた。調べた結果を図５に曲線で示し
た。尚、核発生密度は偏光解析パラメータ角度の変化よ
り次のようにして求めた。核が成長してパラメータ角度
Δ＝１４０°になったときに測定されるパラメータ角度
Ψの値Ψ aと、成膜開始時のパラメータ角度Ψの値Ψ b
との差δΨを計算し、予め図４に示すようなシミュレー
ションの結果において同様の計算法で求められたパラメ
ータ角度の差δΨとを比較して求めた。図５から明らか
なようにダイヤモンドの核発生密度Ｎは基板温度により
左右され、ある温度で最大値が得られることが分かっ
た。またこのような結果は成膜条件や装置構成によって
異なるので、核発生密度を一定に制御しながら成膜する
ためにはこのようなモニタリングによる手法が必要とな
る。前記モニタリングで得られた実験結果に基づいて、
核発生密度Ｎが１０9ケ／cm2以上となるように出来る限
り低温で成膜するために、偏光解析モニタのコンピュー
タ内蔵データ処理システム１９から出力された制御電圧
で流量調整器２１の開閉操作を制御しながら基板ｍ上に
ダイヤモンド膜の合成を行って薄膜を形成すればよい。
このようにして、成膜毎に基板温度を出来る限り低温に
保持しながら１０9ケ／cm2以上の核発生密度を有するダ
イヤモンド薄膜を基板上に合成し、薄膜を形成させる。
また、核発生密度の制御方法として、核発生密度の評価
は成膜中に行うが、成膜を途中で中断したり、条件制御
を次のバッチで行うということも考えられる。これらの
方法は、実際の生産段階において有効な方法である。す
なわち、生産装置においては装置が複雑で大掛かりとな
るため、偏光解析測定の精確度が一般に悪くなることが
推測される。偏光解析測定の精確度が悪くなると、核発
生密度を精確に求めるのに最低限必要なダイヤモンド核
の大きさが大きくなる。そうするとそのバッチでの制御
には充分間に合わなくなるということが生じる場合があ
る。そこで、生産の効率を上げるために次の効果的な方
法として、偏光解析測定から核発生密度が要求する条件
以下となったことが分かった時点で出来る限り早い段階
で生産を中止して、不良品を取り除き、次の生産時にバ
ッチの成膜条件を変える手段を採用すればよい。尚、前
記実施例では核発生密度を求めるのに、成膜開始時およ
び成膜中のパラメータ角度Ψの差異の値δΨを用いた。
この方法は簡便であるが、より正確に核発生密度を求め
るには、実験的に測定を行って得られたパラメータ角度
Ψ値とΔ値の変化、即ちパラメータ角度Ψ−角度Δの座
標上での角度値（Ψ，Δ）点の軌跡を示す曲線に最も接
近する曲線をパラメータを変化させて計算により求め
る。つまり、角度Δと角度Ψは核発生密度Ｎ、核の高さ
Ｄ、基板の屈折率ｎ s、バルクダイヤモンドの屈折率
ｎ、入射角φ、界面層の屈折率ｎ iと界面層の厚さｄ i
等をパラメータとするが、これらのパラメータのうち核
の高さＤを変化させれば曲線が描かれるが、残りのパラ
メータの数値の組み合わせで一意的に決定される曲線を
実験データの曲線と対照させることを例えば最小二乗法
を用いて行い、そのとき得られたＮの値が核発生密度と
なる。また、成膜中の成膜条件としては前記基板温度の
調整に限定されるものではなく、基板ｍ上に形成される
ダイヤモンド薄膜の核発生密度に対応させて合成槽２内
に導入する原料ガス中の炭化水素濃度、合成槽２内の圧
力、放電電流等を前記範囲内で適宜設定すればよい。
尚、図示例のように合成槽２内を真空排気系６とコンダ
クタンスバルブに接続すれば、コンダクタンスバルブの
作動で合成槽２内の圧力即ち真空度を所定圧に容易に維
持することができる。また、合成槽に冷却水の流量調整
器を備えた冷却回路を有する基板側電極を設けると、成
膜中に基板温度の調整が容易となって、所望の各発生密
度を有する薄膜を形成することが出来る。また、流量調
整器とデータ処理システムを接続すれば、冷却回路内を
通過する冷却水量の制御が容易に行える。
ｍの温度を調整しながら基板ｍ上へのダイヤモンド薄膜
の形成例を説明する。水素希釈２％メタンガスを合成槽
２内に反応ガス放出管５より放出すると共に、真空排気
系６を作動させて合成槽２内を２７ｋＰａに保持し、シ
リコンから成る基板ｍを８００℃、８５０℃、９００
℃、９５０℃、１０００℃の各温度に維持しながら、放
電電流５Ａ／cm2で放電して基板ｍ上にダイヤモンド膜
を成膜した。そして基板ｍの各温度毎にダイヤモンドの
核発生密度Ｎを調べた。調べた結果を図５に曲線で示し
た。尚、核発生密度は偏光解析パラメータ角度の変化よ
り次のようにして求めた。核が成長してパラメータ角度
Δ＝１４０°になったときに測定されるパラメータ角度
Ψの値Ψ aと、成膜開始時のパラメータ角度Ψの値Ψ b
との差δΨを計算し、予め図４に示すようなシミュレー
ションの結果において同様の計算法で求められたパラメ
ータ角度の差δΨとを比較して求めた。図５から明らか
なようにダイヤモンドの核発生密度Ｎは基板温度により
左右され、ある温度で最大値が得られることが分かっ
た。またこのような結果は成膜条件や装置構成によって
異なるので、核発生密度を一定に制御しながら成膜する
ためにはこのようなモニタリングによる手法が必要とな
る。前記モニタリングで得られた実験結果に基づいて、
核発生密度Ｎが１０9ケ／cm2以上となるように出来る限
り低温で成膜するために、偏光解析モニタのコンピュー
タ内蔵データ処理システム１９から出力された制御電圧
で流量調整器２１の開閉操作を制御しながら基板ｍ上に
ダイヤモンド膜の合成を行って薄膜を形成すればよい。
このようにして、成膜毎に基板温度を出来る限り低温に
保持しながら１０9ケ／cm2以上の核発生密度を有するダ
イヤモンド薄膜を基板上に合成し、薄膜を形成させる。
また、核発生密度の制御方法として、核発生密度の評価
は成膜中に行うが、成膜を途中で中断したり、条件制御
を次のバッチで行うということも考えられる。これらの
方法は、実際の生産段階において有効な方法である。す
なわち、生産装置においては装置が複雑で大掛かりとな
るため、偏光解析測定の精確度が一般に悪くなることが
推測される。偏光解析測定の精確度が悪くなると、核発
生密度を精確に求めるのに最低限必要なダイヤモンド核
の大きさが大きくなる。そうするとそのバッチでの制御
には充分間に合わなくなるということが生じる場合があ
る。そこで、生産の効率を上げるために次の効果的な方
法として、偏光解析測定から核発生密度が要求する条件
以下となったことが分かった時点で出来る限り早い段階
で生産を中止して、不良品を取り除き、次の生産時にバ
ッチの成膜条件を変える手段を採用すればよい。尚、前
記実施例では核発生密度を求めるのに、成膜開始時およ
び成膜中のパラメータ角度Ψの差異の値δΨを用いた。
この方法は簡便であるが、より正確に核発生密度を求め
るには、実験的に測定を行って得られたパラメータ角度
Ψ値とΔ値の変化、即ちパラメータ角度Ψ−角度Δの座
標上での角度値（Ψ，Δ）点の軌跡を示す曲線に最も接
近する曲線をパラメータを変化させて計算により求め
る。つまり、角度Δと角度Ψは核発生密度Ｎ、核の高さ
Ｄ、基板の屈折率ｎ s、バルクダイヤモンドの屈折率
ｎ、入射角φ、界面層の屈折率ｎ iと界面層の厚さｄ i
等をパラメータとするが、これらのパラメータのうち核
の高さＤを変化させれば曲線が描かれるが、残りのパラ
メータの数値の組み合わせで一意的に決定される曲線を
実験データの曲線と対照させることを例えば最小二乗法
を用いて行い、そのとき得られたＮの値が核発生密度と
なる。また、成膜中の成膜条件としては前記基板温度の
調整に限定されるものではなく、基板ｍ上に形成される
ダイヤモンド薄膜の核発生密度に対応させて合成槽２内
に導入する原料ガス中の炭化水素濃度、合成槽２内の圧
力、放電電流等を前記範囲内で適宜設定すればよい。
尚、図示例のように合成槽２内を真空排気系６とコンダ
クタンスバルブに接続すれば、コンダクタンスバルブの
作動で合成槽２内の圧力即ち真空度を所定圧に容易に維
持することができる。また、合成槽に冷却水の流量調整
器を備えた冷却回路を有する基板側電極を設けると、成
膜中に基板温度の調整が容易となって、所望の各発生密
度を有する薄膜を形成することが出来る。また、流量調
整器とデータ処理システムを接続すれば、冷却回路内を
通過する冷却水量の制御が容易に行える。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の気相合成
方法によれば、成膜中に基板上の膜より反射された光の
偏光状態を測定解析して核発生密度を把握できて、ダイ
ヤモンド成膜中における核発生密度の評価・制御が可能
となり、膜の必要性に応じた核発生密度の極めて正確な
制御を行うことができる。また、本発明の気相合成装置
によれば、成膜中に基板上の膜より反射された光の偏光
状態を測定解析して核発生密度を把握できて、一定の核
発生密度の成膜の制御が容易となり、基板上に核発生密
度の極めて正確に制御されたダイヤモンド薄膜を容易に
形成することができる装置を提供することができる。
方法によれば、成膜中に基板上の膜より反射された光の
偏光状態を測定解析して核発生密度を把握できて、ダイ
ヤモンド成膜中における核発生密度の評価・制御が可能
となり、膜の必要性に応じた核発生密度の極めて正確な
制御を行うことができる。また、本発明の気相合成装置
によれば、成膜中に基板上の膜より反射された光の偏光
状態を測定解析して核発生密度を把握できて、一定の核
発生密度の成膜の制御が容易となり、基板上に核発生密
度の極めて正確に制御されたダイヤモンド薄膜を容易に
形成することができる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例による気相合成装置の断面
図、
図、
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ核発生密
度が変化した場合の核の成長、および膜の生成について
の説明図、
度が変化した場合の核の成長、および膜の生成について
の説明図、
【図３】（ａ），（ｂ）はシュミレーション計算で行う
ときの等価的な多層膜の説明図、
ときの等価的な多層膜の説明図、
【図４】 核発生密度と偏光解析パラメータ角度Ψ、Δ
との関係を示すグラフ図
との関係を示すグラフ図
【図５】 本発明実施例における基板温度と核発生密度
との関係を示すグラフ図。
との関係を示すグラフ図。
１ 気相合成装置、 ２ 合成槽、
３ 基板側電極、 ４ 放電電極、
５ 反応ガス放出管、 ６ 真空排気
系、 １０ 偏光解析装置、 １１ 光源系、 １２ 受光系、 １３ 光入射
窓、 １４ 光射出窓、 １５ 光源部 １８ 受光部 １９ データ処
理システム、 ２０ 冷却回路（循環パイプ）、 ２１ 流量調整
器、 ｍ 基板。
系、 １０ 偏光解析装置、 １１ 光源系、 １２ 受光系、 １３ 光入射
窓、 １４ 光射出窓、 １５ 光源部 １８ 受光部 １９ データ処
理システム、 ２０ 冷却回路（循環パイプ）、 ２１ 流量調整
器、 ｍ 基板。
Claims (4)
- 【請求項１】 気相合成方法において、成膜中に、偏光
解析法により成膜試料表面の光学的性質を測定し、偏光
解析パラメータ角度の変化から、核発生密度を成膜中に
評価することを特徴とする気相合成方法。 - 【請求項２】 請求項第１項記載の気相合成方法におい
て、成膜中に、成膜条件を調整することにより、核発生
密度を制御することを特徴とする気相合成方法。 - 【請求項３】 合成材料がダイアモンドである請求項第
１項または第２項に記載の気相合成方法。 - 【請求項４】 気相合成に用いられる合成槽と、該合成
槽外に配置された偏光した光を照射する光源部と、該光
源部より照射された光を合成槽内に導入する合成槽に取
り付けられた光入射窓と、該光入射窓より合成槽内に導
入され、成膜中の基板より反射した光を合成槽外に導く
合成槽に取り付けられた光射出窓と、該射出窓を通過し
た反射光を受光する受光部と、該受光部からの出力信号
を受信して核発生密度を測定解析するデータ処理システ
ムとを備えたことを特徴とする気相合成装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP91262318A JPH05889A (ja) | 1990-11-05 | 1991-10-09 | 気相合成方法およびそれを実施するための装置 |
| US07/786,208 US5276503A (en) | 1990-11-05 | 1991-10-31 | Method and apparatus for gas phase synthesis |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-297167 | 1990-11-05 | ||
| JP29716790 | 1990-11-05 | ||
| JP91262318A JPH05889A (ja) | 1990-11-05 | 1991-10-09 | 気相合成方法およびそれを実施するための装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05889A true JPH05889A (ja) | 1993-01-08 |
Family
ID=17843057
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP91262318A Pending JPH05889A (ja) | 1990-11-05 | 1991-10-09 | 気相合成方法およびそれを実施するための装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0484879B1 (ja) |
| JP (1) | JPH05889A (ja) |
| DE (1) | DE69124565T2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100352127B1 (ko) * | 2000-04-11 | 2002-09-12 | 김상열 | 회전검광자형 ｉｎ ｓｉｔｕ 타원계 |
| KR20040041311A (ko) * | 2002-11-11 | 2004-05-17 | 삼성전자주식회사 | 유기 박막의 물성적 특성을 분석하기 위한 방법 및 장치 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05149720A (ja) * | 1991-11-29 | 1993-06-15 | Kokusai Chodendo Sangyo Gijutsu Kenkyu Center | 酸化物超電導膜の検査方法および検査装置 |
| US5402237A (en) * | 1992-11-12 | 1995-03-28 | Santa Barbara Research Center | Reflection-free ellipsometry measurement apparatus and method for small sample cells |
| KR100946596B1 (ko) | 2008-02-28 | 2010-03-09 | 한양대학교 산학협력단 | 매핑용 타원해석기 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4332833A (en) * | 1980-02-29 | 1982-06-01 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method for optical monitoring in materials fabrication |
| GB8606748D0 (en) * | 1986-03-19 | 1986-04-23 | Secr Defence | Monitoring surface layer growth |
| US4906844A (en) * | 1988-08-12 | 1990-03-06 | Rockwell International Corporation | Phase sensitive optical monitor for thin film deposition |
-
1991
- 1991-10-09 JP JP91262318A patent/JPH05889A/ja active Pending
- 1991-11-05 DE DE1991624565 patent/DE69124565T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1991-11-05 EP EP19910118835 patent/EP0484879B1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100352127B1 (ko) * | 2000-04-11 | 2002-09-12 | 김상열 | 회전검광자형 ｉｎ ｓｉｔｕ 타원계 |
| KR20040041311A (ko) * | 2002-11-11 | 2004-05-17 | 삼성전자주식회사 | 유기 박막의 물성적 특성을 분석하기 위한 방법 및 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0484879A2 (en) | 1992-05-13 |
| EP0484879B1 (en) | 1997-02-05 |
| EP0484879A3 (en) | 1993-03-31 |
| DE69124565D1 (de) | 1997-03-20 |
| DE69124565T2 (de) | 1997-09-11 |
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