JPH0627340B2 - Hybrid plasma thin film synthesis method and device - Google Patents

Hybrid plasma thin film synthesis method and device

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JPH0627340B2
JPH0627340B2 JP1452988A JP1452988A JPH0627340B2 JP H0627340 B2 JPH0627340 B2 JP H0627340B2 JP 1452988 A JP1452988 A JP 1452988A JP 1452988 A JP1452988 A JP 1452988A JP H0627340 B2 JPH0627340 B2 JP H0627340B2
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JP
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vacuum container
plasma
thin film
frequency
substrate
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寛治 藤田
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Saga University NUC
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は薄膜合成法に使用できるハイブリッドプラズマ
発生装置に係るもので、各種薄膜の製造技術、電子回路
製造技術、各種センサー製造技術の分野に広く応用でき
るものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hybrid plasma generator that can be used in a thin film synthesizing method, and is applied to various thin film manufacturing technologies, electronic circuit manufacturing technologies, and various sensor manufacturing technologies. It can be widely applied.

(従来の技術) 従来のプラズマを用いた薄膜合成法は高周波、マイクロ
波、パルス、直流などの放電によって低気圧プラズマを
生成して行ってきた。放電の安定性やコスト、できた薄
膜の性質などから、直流放電はあまり用いられず、高周
波放電、又はマイクロ波放電、或いはバルス放電が用い
られる。高周波を気体にかけるやりかたには、高周波コ
イルを容器の周りにまきつけて高周波電力を注入する誘
導結合型と、容器内部に電極を挿入して高周波電圧をか
ける容量結合型がある。前者のほうが電極からの汚染は
少ないが、できる薄膜の膜厚分布が大きいという欠点が
ある。後者はその点で前者にやや優る。印加する高周波
の周波数も1MHz以上あればよく、13.56 MHzがよ
く用いられる。ただ反応を起こすガスが基板表面に流れ
るようにするほうが、質の高い薄膜が得られ。ガスは容
器の外で混合されることが多い。できる薄膜の組成や性
質は薄膜の形成条件に依存する。形成条件としては、全
圧力、ガス流量、ガスの混合比、注入電力、基板温度な
どが挙げられる。
(Prior Art) Conventional thin-film synthesis methods using plasma have been performed by generating low-pressure plasma by discharge of high frequency, microwave, pulse, direct current, or the like. Due to the stability of discharge, the cost, and the properties of the resulting thin film, DC discharge is rarely used, and high frequency discharge, microwave discharge, or pulse discharge is used. Methods of applying a high frequency to gas include an inductive coupling type in which a high frequency coil is wound around a container to inject high frequency power, and a capacitive coupling type in which an electrode is inserted inside the container to apply a high frequency voltage. The former is less contaminated from the electrodes, but has the drawback that the film thickness distribution of the thin film formed is larger. The latter is slightly better than the former in that respect. The frequency of the applied high frequency may be 1 MHz or more, and 13.56 MHz is often used. However, a higher quality thin film can be obtained by allowing the reaction gas to flow to the substrate surface. The gases are often mixed outside the container. The composition and properties of the resulting thin film depend on the thin film forming conditions. The formation conditions include total pressure, gas flow rate, gas mixture ratio, injection power, substrate temperature and the like.

このような方式で高周波放電を持続させるためには、電
子が電場の1周期の間に電極に捕らえられないことが必
要である。周波数が低いほど電子の運動の振幅は増加す
るから、電極の間の距離は大きくとらなくてはならな
い。逆に周波数が高くなれば、電極間距離が小さくても
放電を持続できる。そこで13.56 MHzの高周波放電の
代りに、さらに高い周波数の電磁波を用いれば、電極間
距離を小さくすることができ、したがってより小さな容
器で放電を行わせることができる。周波数に2.45GHz
を用いることが試みられ、ある程度成功している。この
ような周波数を用いて行うCVDをマイクロ波放電CV
Dという。
In order to sustain the high frequency discharge in this way, it is necessary that the electrons are not captured by the electrodes during one period of the electric field. The lower the frequency, the larger the amplitude of electron motion, so the distance between the electrodes must be large. On the contrary, if the frequency becomes high, the discharge can be maintained even if the distance between the electrodes is small. Therefore, if an electromagnetic wave with a higher frequency is used instead of the high frequency discharge of 13.56 MHz, the distance between the electrodes can be reduced, and therefore the discharge can be performed in a smaller container. 2.45 GHz for frequency
Has been tried with some success. The CVD performed by using such a frequency is microwave discharge CV
Called D.

これらのプラズマCVD装置は真空容器の一方に設置し
た基板に対し、他方より反応ガスを供給し、これに高周
波又はマイクロ波を印加し、得られる放電プラズマによ
り基板上に極薄の薄膜を形成する方法である。
These plasma CVD devices supply a reaction gas from one of the substrates placed in one of the vacuum chambers, apply a high frequency or a microwave to the substrate, and form an ultrathin thin film on the substrate by the resulting discharge plasma. Is the way.

(発明か解決しようとする課題) 従来の方法は高周波放電又はマイクロ波放電のうち一種
類の放電形式を用いているためプラズマの制御が困難で
あるという問題点があった。また、白熱したフィラメン
ト陰極を用いた直流放電形式で2つのプラズマを生成
し、プラズマを制御しようとする技術も提案されたこと
もあるが、反応性プラズマには不適当である。
(Problem to be Solved by the Invention) The conventional method has a problem that it is difficult to control the plasma because one type of high-frequency discharge or microwave discharge is used. Further, a technique has been proposed in which two plasmas are generated by a direct current discharge method using an incandescent filament cathode to control the plasmas, but it is not suitable for reactive plasmas.

(課題を解決するための手段) 本発明は上述の如き課題を解決するために考えられたも
ので、目的とする薄膜合成を反応性プラズマ内で行うに
は、そのプラズマの電子、イオンなどのエネルギー、電
界などの制御が可能であることが必要である。発明は高
周波放電とマイクロ波放電という2つの異なる放電形式
を用いて混合反応ガスよりハイブリッドプラズマを生成
し、片方の真空容器に直流バイアスし、しかもこれら両
放電の間のグリッドにより2つのプラズマを混合させ
て、上記のパラメータの制御が可能となるように構成し
たものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention has been conceived to solve the above problems, and in order to carry out the intended thin film synthesis in a reactive plasma, electrons, ions, etc. It is necessary to be able to control energy, electric field, etc. The invention uses two different types of discharges, a high frequency discharge and a microwave discharge, to generate a hybrid plasma from a mixed reaction gas, direct-current biases one of the vacuum vessels, and mixes the two plasmas by a grid between the two discharges. In this way, the above parameters can be controlled.

本発明によると反応性プラズマの制御が容易であり、白
熱したフィラメント陰極を用いていないので反応性ガス
にも侵されず薄膜合成に最適である。従って、本発明は
電子デバイス、半導体、機能性材料などの製造分野でプ
ラズマCVD法等に利用できる装置を開発したものであ
る。
According to the present invention, the reactive plasma can be easily controlled, and since an incandescent filament cathode is not used, it is optimal for thin film synthesis without being attacked by reactive gas. Therefore, the present invention has developed an apparatus that can be used for plasma CVD or the like in the field of manufacturing electronic devices, semiconductors, functional materials, and the like.

本発明の特徴とする所は次の通りである。The features of the present invention are as follows.

(1) 同径の導波管と円筒型の第1真空容器とを絶縁し
て連結し、第1真空容器の他端に金網状グリッド電極を
介して絶縁して連結した第2の真空容器を設け、第2真
空容器中に導波管の中心軸線上に基板と、その前面に設
けられた高周波円盤電極とを設け、第1真空容器を直流
バイアス電源を接続し、その容器の外周を包囲して電磁
石コイルを設け、前記金網状グリッドを接続し、第1真
空容器中にマイクロ波照射により生成したマイクロ波放
電プラズマのイオンビームをグリッドを通して第2真空
容器中に注入し、第2真空容器中の高周波電界による高
周波プラズマ放電と併せてビームのエネルギーと密度を
バワーアップし、基板上に生成される薄膜の成長速度と
薄膜の品質を制御することを特徴とするハイブリッドプ
ラズマによる薄膜合成法。
(1) A second vacuum container in which a waveguide of the same diameter and a cylindrical first vacuum container are insulated and connected to each other, and the other end of the first vacuum container is insulated and connected to the other end of the first vacuum container through a wire mesh grid electrode. And a substrate on the center axis of the waveguide and a high-frequency disc electrode provided on the front surface of the waveguide in the second vacuum container, and a DC bias power source is connected to the first vacuum container to connect the outer periphery of the container. An electromagnet coil is provided to surround and the wire mesh grid is connected, and an ion beam of microwave discharge plasma generated by microwave irradiation in the first vacuum container is injected into the second vacuum container through the grid to generate a second vacuum. Thin film synthesis by hybrid plasma characterized by controlling the growth rate and quality of the thin film formed on the substrate by powering up the energy and density of the beam together with the high frequency plasma discharge by the high frequency electric field in the container Law.

(2) 反応ガスとマイクロ波を導入する導波管と、導波
管と同径で絶縁して連結された円筒型の第1真空容器
と、第1真空容器に対し絶縁物を介して連結された大径
の第2真空容器と、第1真空容器を包囲して設けられた
電磁石コイルと、第1真空容器と第2真空容器との間に
介挿された金網状グリッドと、導波管の中心軸線上にマ
イクロ波プラズマと対向して第2真空容器中に設けられ
た基板と、基板の前面にこれを挟むように設けられた高
周波円板電極と、高周波円板電極に接続された高周波電
源と、前記第1真空容器に接続された直流バイアス電源
とより成り、第1真空容器中にマイクロ波照射により生
成したプラズマのイオンを第2真空容器中に発生する高
周波プラズマ中に注入し、マイクロ波電力によりビーム
のプラズマの密度を、第1真空容器にかけられる直流バ
イアス電圧によりプラズマのエネルギーを制御すると共
に、高周波電極にかけられる高周波プラズマのプラズマ
密度及び温度を制御し、基板上に生成される薄膜の成長
速度及び薄膜の品質を制御するよう構成したことを特徴
とするハイブリッドプラズマによる薄膜合成装置。
(2) Waveguide for introducing reaction gas and microwave, first cylindrical vacuum container insulated and connected with the same diameter as the waveguide, and connected to the first vacuum container via an insulator Large diameter second vacuum container, an electromagnet coil surrounding the first vacuum container, a wire mesh grid interposed between the first vacuum container and the second vacuum container, and a waveguide A substrate provided in the second vacuum container facing the microwave plasma on the central axis of the tube, a high-frequency disc electrode provided on the front surface of the substrate so as to sandwich the substrate, and connected to the high-frequency disc electrode. And a DC bias power source connected to the first vacuum container, and plasma ions generated by microwave irradiation in the first vacuum container are injected into the high frequency plasma generated in the second vacuum container. The microwave plasma power (1) To control the plasma energy and the plasma density and temperature of the high-frequency plasma applied to the high-frequency electrode by controlling the DC energy applied to the vacuum container and to control the growth rate and the quality of the thin film formed on the substrate. A thin film synthesizing apparatus using hybrid plasma characterized by being configured.

本発明においてマイクロ波電力は少なくとも2.45GHz
がよく、また高周波電源で容量結合により高周波電極に
印加する周波数は少なくとも13.56 MHzが好ましい。
In the present invention microwave power is at least 2.45 GHz
The frequency applied to the high frequency electrode by capacitive coupling with a high frequency power source is preferably at least 13.56 MHz.

本発明の方法によると、マイクロ波のプラズマ放電ど、
高周波のプラズマ放電とを併用することにより、プラズ
マ放電のパワーアップができるので品質のよい薄膜が得
られると共に薄膜の成長速度を著しく高められ、安定し
た薄膜の形成ができると共に、バイアス電圧の調節によ
りプラズマの密度及びエネルギーを調節して、高品位の
薄膜を迅速に得られる点が特徴である。
According to the method of the present invention, microwave plasma discharge,
By using the high frequency plasma discharge together, the plasma discharge power can be increased to obtain a high quality thin film, the growth rate of the thin film can be remarkably increased, a stable thin film can be formed, and the bias voltage can be adjusted. The feature is that a high-quality thin film can be rapidly obtained by adjusting the density and energy of plasma.

(発明の構成) 以下添付図面について、本発明の具体的実施の態様を説
明する。第1図は本発明のハイブリッドプラズマ発生装
置の1例を示すもので、1は両端に外径 18.5 cmのフラ
ンジのついた直径10cm長さ45cmの円筒型ステンレス
製真空容器、2はこれに連結した6つの面に外径18.5cm
のフランジのついた直径30cm長さ30cmの円筒型ステ
ンレス製真空容器、3は外径18.5 cm 内径10.5 cm 厚さ
2cmの(アクリル製)絶縁物、4は直径10cmの導波管
で前記円筒型ステンレス容器1の1端に直径14cm厚さ
10mmの溶融シリカ製の円板5を介して連結する。6は
直流電源、7は内径20cm、外径32cm厚さ8cmの電磁
石コイル、8は外径9cmの2枚のステンレス製金網状グ
リッド電極を示す。本発明においては、円筒型真空容器
1の外側に電磁石コイル7を設け、真空容器1に直流バ
イアス電圧を印加して、この容器の入口側より反応ガス
を供給し、真空容器1の出口側に金網状グリッド8を設
け、反応ガスが流れる円筒型真空容器1の中心線上に基
板11を第2の真空容器2中に設け、基板11の前方に
高周波電源10に接続された平板状の高周波電極9を2
枚対向して配置して第2真空容器2中で高周波放電が行
われるようにする。第1真空容器1は円筒型をなし、そ
の入口側に接続された導波管4でマイクロ波12と共に
反応ガスが送り込まれ、第1真空容器1中で反応ガスは
マイクロ波放電プラズマとなり、このプラズマが第1真
空容器1に加えられたバイアス電圧により加速されて、
金網状グリッド8を通して第2の真空容器2中に入り、
高周波電極9の間を通る間に高周波放電のエネルギーが
加えられ、マイクロ波放電プラズマは更に活性を増して
基板11に衝突し、低温で高品位の薄膜が得られるので
ある。
(Structure of Invention) Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an example of the hybrid plasma generator of the present invention, where 1 is a cylindrical stainless steel vacuum container having a diameter of 10 cm and a length of 45 cm and having flanges having an outer diameter of 18.5 cm at both ends, and 2 is connected to this. Outer diameter of 18.5 cm
A cylindrical stainless steel vacuum vessel with a diameter of 30 cm and a length of 30 cm with a flange, 3 is an outer diameter of 18.5 cm, an inner diameter of 10.5 cm and a thickness of 2 cm (made of acrylic), and 4 is a waveguide with a diameter of 10 cm. The stainless steel container 1 is connected to one end via a disk 5 made of fused silica having a diameter of 14 cm and a thickness of 10 mm. 6 is a DC power source, 7 is an electromagnet coil with an inner diameter of 20 cm, an outer diameter of 32 cm and a thickness of 8 cm, and 8 is two stainless wire mesh grid electrodes with an outer diameter of 9 cm. In the present invention, an electromagnet coil 7 is provided outside the cylindrical vacuum container 1, a DC bias voltage is applied to the vacuum container 1, a reaction gas is supplied from the inlet side of the container, and an outlet side of the vacuum container 1 is provided. A wire mesh grid 8 is provided, a substrate 11 is provided in the second vacuum container 2 on the center line of the cylindrical vacuum container 1 through which the reaction gas flows, and a flat plate-shaped high frequency electrode connected to the high frequency power source 10 in front of the substrate 11. 9 to 2
The two are arranged to face each other so that high frequency discharge is performed in the second vacuum container 2. The first vacuum container 1 has a cylindrical shape, and the reaction gas is sent together with the microwave 12 through the waveguide 4 connected to the inlet side of the first vacuum container 1, and the reaction gas becomes microwave discharge plasma in the first vacuum container 1. The plasma is accelerated by the bias voltage applied to the first vacuum container 1,
Through the wire mesh grid 8 into the second vacuum container 2,
The energy of the high frequency discharge is applied while passing between the high frequency electrodes 9, and the microwave discharge plasma is further activated and collides with the substrate 11 to obtain a high quality thin film at a low temperature.

真空容器1と真空容器2を絶縁物3を介して接続する。
真空容器1の一端には導波管4を接続し、マイクロ波電
力(2.45GHz)の供給を可能にする。真空容器1と導
波管4との間には溶融シリカ製の円板5を挟み、真空容
器1と導波管4とを絶縁する。従って、真空容器1と真
空容器2の間には直流電源6で電圧を印加できる構造に
なっている。真空容器1、2は真空容器2に接続された
真空ポンプにより高真空に排気する。真空容器1の外側
には電磁石コイル7があり磁界を1Kガウスまで印加で
きる。真空容器1と真空容器2の接続部にステンレス製
の金網状グリッド8をおく。真空容器2の内部に電極9
をおき、これに高周波電源10で容器結合により高周波
(13.56 MHz)を印加する。薄膜を成長させる基板1
1は真空容器2の軸上におく。
The vacuum container 1 and the vacuum container 2 are connected via an insulator 3.
A waveguide 4 is connected to one end of the vacuum container 1 to enable supply of microwave power (2.45 GHz). A disk 5 made of fused silica is sandwiched between the vacuum container 1 and the waveguide 4 to insulate the vacuum container 1 and the waveguide 4 from each other. Therefore, the DC power supply 6 can apply a voltage between the vacuum containers 1 and 2. The vacuum containers 1 and 2 are evacuated to a high vacuum by a vacuum pump connected to the vacuum container 2. There is an electromagnet coil 7 on the outside of the vacuum container 1, and a magnetic field can be applied up to 1 K gauss. A wire mesh grid 8 made of stainless steel is placed at the connection between the vacuum containers 1 and 2. Electrodes 9 inside the vacuum container 2
Then, a high frequency (13.56 MHz) is applied to this by the high frequency power supply 10 by container coupling. Substrate 1 for growing thin film
1 is placed on the axis of the vacuum container 2.

高真空に排気したのち、ガスを導入し所定の圧力にす
る。電磁石コイル7に直流電流を流し約900ガウスの
磁界を印加した後、導波管4より2.45GHzのマイクロ
波を真空容器1に導入すると、ECR(電子サイクロト
ロン共鳴)によりマイクロ波プラズマが生成される。更
に、電極9に高周波を印加すると高周波プラズマが生成
できる。従って、この装置では2つの異なる種類のプラ
ズマからなる複合プラズマ(ハイブリッドプラズマ)を
生成できる。グリッド8は電気的にはどことも接続され
ず絶縁状態になっているので2つのプラズマの電位を独
立にする作用がある。真空容器2を接地し、真空容器1
に正の電圧を印加するとマイクロ波プラズマのイオンを
真空容器2の高周波プラズマ中に注入でき、直流電源6
の電圧によりそのエネルギーを、マイクロ波電力により
その密度をそれぞれ制御できる。一方、高周波電力によ
り高周波プラズマの密度及び温度を制御できる。更に、
真空容器2のハイブリッドプラズマ内の電界、電子のエ
ネルギーは印加磁界の強度、配位などを調整して制御で
きる。
After evacuating to high vacuum, gas is introduced to bring it to a predetermined pressure. When a 2.45 GHz microwave is introduced into the vacuum chamber 1 from the waveguide 4 after applying a direct current to the electromagnet coil 7 and applying a magnetic field of about 900 gauss, microwave plasma is generated by ECR (electron cyclotron resonance). . Furthermore, when a high frequency is applied to the electrode 9, high frequency plasma can be generated. Therefore, this apparatus can generate a composite plasma (hybrid plasma) composed of two different types of plasma. Since the grid 8 is electrically connected to nothing and is in an insulating state, it has an effect of making the potentials of the two plasmas independent. Vacuum container 2 is grounded, and vacuum container 1
When a positive voltage is applied to the plasma plasma, ions of the microwave plasma can be injected into the high frequency plasma of the vacuum container 2, and the DC power source 6
The voltage can control the energy, and the microwave power can control the density. On the other hand, the density and temperature of the high frequency plasma can be controlled by the high frequency power. Furthermore,
The electric field and electron energy in the hybrid plasma of the vacuum chamber 2 can be controlled by adjusting the strength of the applied magnetic field, the coordination, and the like.

第1図の装置を使用して、各種の直流バイアスに対する
イオンエネルギー分布状態と、磁界を加えたときと、磁
界なしのときのハイブリッドプラズマ及びRFプラズマ
の等電位曲線の挙動を調べた。
Using the apparatus of FIG. 1, the ion energy distribution states for various DC biases and the behavior of equipotential curves of hybrid plasma and RF plasma when a magnetic field was applied and when no magnetic field was applied were investigated.

(実施例) 実験に使用した装置は第1図に示す通りである。10cm
と30cmの直径の異なる2個のステンレス鋼製円筒形真
空容器1,2を電気的に絶縁して接続した、大径の第2
真空容器2は第1真空容器1との間に2個のグリット8
を介挿して接地した。そして他方の第1真空容器1には
バイアス電圧Vbによりバイアスした。2.45GHzのマ
イクロ波を第1真空容器1の1端に印加して磁界をかけ
ながらプラズマを生成した。測定した軸方向の磁界強度
は第2図に示した。なお、軸方向の磁界強度より計算し
た磁力線を2次元空間で示した。磁力線は第2真空容器
2中で発散している。これはこの区域には磁界が外部よ
りあたえられていないためである。従って、第1真空容
器1中では電磁石コイルにより生成した磁界強度により
電子の動きが制御できる。第2真空容器2においては直
径8cmのステンレス製平板電極9に13.56 MHzの高周
波パワーを印加することにより追加のプラズマが発生す
る。他方の同径の平板電極は高周波電極と6.5 cmの間隔
で平行に設置した。
(Example) The apparatus used for the experiment is as shown in FIG. 10 cm
And a large diameter second connecting two stainless steel cylindrical vacuum vessels 1 and 2 with different diameters of 30 cm electrically insulated from each other.
The vacuum container 2 and the first vacuum container 1 are provided with two grit 8
And grounded. The other first vacuum container 1 was biased by the bias voltage Vb. A microwave of 2.45 GHz was applied to one end of the first vacuum container 1 to generate a plasma while applying a magnetic field. The measured magnetic field strength in the axial direction is shown in FIG. The lines of magnetic force calculated from the magnetic field strength in the axial direction are shown in a two-dimensional space. The magnetic field lines diverge in the second vacuum container 2. This is because no magnetic field is applied to this area from the outside. Therefore, in the first vacuum container 1, the movement of electrons can be controlled by the magnetic field strength generated by the electromagnet coil. In the second vacuum chamber 2, an additional plasma is generated by applying a high frequency power of 13.56 MHz to a stainless steel plate electrode 9 having a diameter of 8 cm. The other flat plate electrode with the same diameter was placed in parallel with the high-frequency electrode at a distance of 6.5 cm.

プラズマ生成と、薄膜生成の制御の開発のための本予備
実験においては、反応ガスのプローブ技術が本段階で有
効でないため、不活性ガス(アルゴンガス)プラズマの
挙動を理解するために使用した。
In this preliminary experiment for the development of plasma generation and control of thin film formation, it was used to understand the behavior of the inert gas (argon gas) plasma because the reactive gas probe technique is not effective at this stage.

針プローブで得られた高周波電極9の周辺における代表
的プラズマのパラメータは電子密度 n≒8×10cm
-3であり、ガス圧P≒5×10-4 Torr で電子温度Te
≒5eVである。イオンエネルギー分布函数は外径8mm
長さ4mmのステンレス鋼製の円筒で被覆した、コレクタ
ーと2個のグリッド電極よりなる静電分析器により測定
した。分布函数はコレクタ電流の第2グリッド電圧に関
する一次微分関数より得られた。分析器を作用させて、
プラズマに直面する第1グリッドは絶縁電位とし、負に
バイアスしたコレクターに流入するイオン電流は第2グ
リッド電位を変化させて測定した。第3図に示すよう
に、グリッド電極からの距離をZとすると、Z=18cm
と、Z=2cmの両位置においてバイアス電圧Vbを増加
するとビームのエネルギーの増加が認められた。低エネ
ルギーのイオンは高周波プラズマのイオン(バルクイオ
ン)に対応し、高エネルギーをもった他方のイオンはマ
イクロ波プラズマのイオン(ビームイオン)に対応す
る。バルクイオンの高さの半分におけるエネルギー幅は
ビームイオンのそれより小さい。これは、高周波プラズ
マのイオン温度はマイクロ波プラズマのイオン温度より
低いことを意味する。一方、マイクロ波プラズマの密度
はグリッドよりの距離が離れると減少することも別の測
定例からわかった。高周波パワーを増加すると、イオン
のバルク密度は、ビーム密度を概略一定に保ちながら増
加する。このとき、約30Wまでプラズマ密度は増加す
るが、30W以上ではそれは一定となり、電子温度は4
〜7eVの範囲で少し増加した。ビーム密度はマイクロ波
パワーを変化することによって制御可能であるプラズマ
に電界を与える電位分布がエミッシブプローブにより定
常状態で測定された。
A typical plasma parameter around the high-frequency electrode 9 obtained by the needle probe has an electron density n e ≈8 × 10 9 cm
-3 , and the gas temperature P ≈ 5 × 10 -4 Torr and the electron temperature Te
≈5 eV. Ion energy distribution function has an outer diameter of 8 mm
It was measured by an electrostatic analyzer consisting of a collector and two grid electrodes, covered by a 4 mm long stainless steel cylinder. The distribution function was obtained from the first derivative function of the collector current with respect to the second grid voltage. Let the analyzer work,
The first grid facing the plasma was at the insulation potential and the ionic current flowing into the negatively biased collector was measured by varying the second grid potential. As shown in FIG. 3, if the distance from the grid electrode is Z, Z = 18 cm
Then, when the bias voltage Vb was increased at both positions of Z = 2 cm, an increase in beam energy was observed. The low-energy ions correspond to the high-frequency plasma ions (bulk ions), and the other high-energy ions correspond to the microwave plasma ions (beam ions). The energy width at half the height of the bulk ions is smaller than that of the beam ions. This means that the ion temperature of the high frequency plasma is lower than the ion temperature of the microwave plasma. On the other hand, it was also found from another measurement example that the density of microwave plasma decreases with increasing distance from the grid. With increasing rf power, the bulk density of ions increases while keeping the beam density approximately constant. At this time, the plasma density increases up to about 30 W, but it becomes constant above 30 W, and the electron temperature becomes 4
It increased a little in the range of ~ 7eV. The beam density can be controlled by changing the microwave power. The potential distribution that gives an electric field to the plasma was measured by an emissive probe in a steady state.

第4図はZ面における2次元空間における電位分布rの
代表的結果を示す。同図において、(a) はハイブリッド
プラズマの分布を示し、(b) ,(c) は磁界のある場合
と、磁界のない場合との高周波プラズマだけのものの分
布を示す。この分布はプラズマ生成位置によって変化す
るばかりでなく、磁界配位によっても変化する。これは
磁界により影響を受ける電子の運動によることに原因が
ある。このことは、この電界は本装置に使用する磁界の
強さと形状とにより容易に制御が可能であることを示
す。
FIG. 4 shows a typical result of the potential distribution r in the two-dimensional space on the Z plane. In the figure, (a) shows the distribution of the hybrid plasma, and (b) and (c) show the distribution of the high frequency plasma only with and without the magnetic field. This distribution changes not only according to the plasma generation position but also due to the magnetic field configuration. This is due to the movement of electrons affected by the magnetic field. This indicates that this electric field can be easily controlled by the strength and shape of the magnetic field used in this device.

(結論) 本発明の装置によりマイクロ波と高周波の放電により生
成したハイブリッドプラズマを直流電源によりバイアス
し、バイアス電圧とマイクロ波電力とを調整することに
よりビームイオンのエネルギーと密度が調節でき、高周
波電力により反応室のプラズマ密度を制御できる。電界
は磁界の強さと形状を調節することにより制御可能であ
る。本実現による上述の結果の確認は不反応ガス中でな
された。
(Conclusion) The energy and density of the beam ions can be adjusted by adjusting the bias voltage and the microwave power by biasing the hybrid plasma generated by the microwave and high-frequency discharge by the device of the present invention with a DC power supply. Can control the plasma density of the reaction chamber. The electric field can be controlled by adjusting the strength and shape of the magnetic field. Confirmation of the above results by this realization was made in an inert gas.

(発明の効果) 本発明装置による効果は次の通りである。(Effects of the Invention) The effects of the device of the present invention are as follows.

(1) プラズマのエネルギー、密度を制御できるだけで
なく、高エネルギーのイオンをビーム状に基板に照射で
きるので、薄膜の合成にこの装置を用いると緻密な剥が
れにくい薄膜が得られる。特に、ダイヤモンド、酸化錫
薄膜の合成などに有効であるが、その他の新材料の薄膜
合成例えば、メタン(NH3)と珪化水素(SiH4)を
反応ガスとする窒化珪素の薄膜合成、或いは各種半導体
薄膜の合成の開発にも利用できる。
(1) Since not only the energy and density of plasma can be controlled but also high-energy ions can be irradiated onto the substrate in the form of a beam, a dense thin film that is hard to peel off can be obtained by using this apparatus for thin film synthesis. In particular, it is effective for synthesizing diamond and tin oxide thin films, but for synthesizing thin films of other new materials, for example, synthesizing thin films of silicon nitride using methane (NH 3 ) and hydrogen silicide (SiH 4 ) as reaction gases, or various It can also be used to develop the synthesis of semiconductor thin films.

(2) 薄膜の成長速度、薄膜の品質を制御できる。(2) The growth rate of the thin film and the quality of the thin film can be controlled.

(3) ハイブリッドプラズマを製してイオンビーム照射
を可能にし、ビームエネルギー、密度及び電子のエネル
ギー等を制御する。
(3) A hybrid plasma is produced to enable ion beam irradiation, and the beam energy, density, electron energy, etc. are controlled.

(3) 本発明の装置により、反応性プラズマと膜の物理
過程、化学反応等の選択性が可能になる。すなわち、例
えば、ダイヤモンド薄膜合成においては、メタンプラズ
マを生成し、照射するイオンビームの密度、エネルギー
を調整して、グラファィト状、ダイヤモンド状等の選
択、膜の硬度、電気電導率等の膜質を制御可能とする。
一方、膜の成長速度は分子・原子の電離、励起を作用す
る電子エネルギーを制御して調整することが可能とな
り、薄膜の成長速度が著しく高められる。
(3) The apparatus of the present invention enables selectivity of the reactive plasma and the physical process, chemical reaction, etc. of the film. That is, for example, in the diamond thin film synthesis, methane plasma is generated, and the density and energy of the ion beam to be irradiated are adjusted to control the quality of the film such as the selection of graphite, diamond, etc., the hardness of the film, the electric conductivity, etc. It is possible.
On the other hand, the growth rate of the film can be adjusted by controlling the electron energy that acts on the ionization and excitation of molecules / atoms, and the growth rate of the thin film can be significantly increased.

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

第1図は本発明の薄膜合成用ハイブリッドプラズマ発生
装置の原理説明図、 第2図(a) は本発明装置を使用する場合の軸方向の磁界
強度を示す特性線図、 第2図(b) はその磁力線を示す特性線図、 第3図(a) (b) は各種バイアス電圧Vb((a) Z=2c
m、(b) Z=18cm)に対するイオンエネルギー分布を
示す特性曲線図、 第4図(a) (b) (c) はそれぞれ(a) ハイブリッドプラズ
マ、高周波プラズマ、(b) 磁界あり、(c) 磁界なしの場
合の等電位線を示す特性線図である。 1……小径ステンレス製の円筒型第1真空容器 2……大径ステンレス製の第2真空容器 3……アクリル製等の絶縁物 4……導波管 5……溶融シリカ製等の円板状絶縁板 6……直流電源、7……電磁石コイル 8……金網状グリッド、9……高周波電極 10……高周波電源、11……基板
1 is an explanatory view of the principle of the hybrid plasma generator for thin film synthesis of the present invention, FIG. 2 (a) is a characteristic diagram showing the magnetic field strength in the axial direction when the device of the present invention is used, and FIG. 2 (b) ) Is a characteristic diagram showing the lines of magnetic force, and FIGS. 3 (a) and 3 (b) are various bias voltages Vb ((a) Z = 2c).
m, (b) Z = 18 cm) characteristic curve diagram showing ion energy distribution, Fig. 4 (a) (b) (c) shows (a) hybrid plasma, high frequency plasma, (b) magnetic field, (c) ) A characteristic diagram showing equipotential lines when there is no magnetic field. 1 ... Cylindrical first vacuum container made of small-diameter stainless steel 2 ... Second vacuum container made of large-diameter stainless steel 3 ... Insulator such as acrylic resin 4 ... Waveguide 5 ... Disk made of fused silica -Shaped insulating plate 6 ... DC power supply, 7 ... Electromagnetic coil 8 ... Wire mesh grid, 9 ... High-frequency electrode 10 ... High-frequency power supply, 11 ... Substrate

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】同径の導波管と円筒型の第1真空容器とを
絶縁して連結し、第1真空容器の他端に金網状グリッド
電極を介して絶縁して連結した第2の真空容器を設け、
第2真空容器中に導波管の中心軸線上に基板と、その前
面に設けられた高周波円盤電極とを設け、第1真空容器
を直流バイアスし、その外周を包囲して電磁石コイルを
設け、前記金網状グリッドを接続し、第1真空容器中に
マイクロ波照射により生成したマイクロ波放電プラズマ
のイオンビームを第1及び第2真空容器とは電気的に絶
縁されたグリッドを通して第2真空容器中に注入し、第
2真空容器の高周波電界による高周波ブラズマ放電と併
せてビームの密度及びエネルギーをバワーアップし、基
板上に生成される薄膜の成長速度と薄膜の品質を制御す
ることを特徴とするハイブリッドプラズマによる薄膜合
成法。
1. A second waveguide in which a waveguide having the same diameter and a cylindrical first vacuum container are insulated and connected, and the other end of the first vacuum container is insulated and connected through a wire mesh grid electrode. A vacuum container is provided,
A substrate and a high-frequency disc electrode provided on the front surface of the substrate are provided on the central axis of the waveguide in the second vacuum container, the first vacuum container is DC biased, and the outer circumference thereof is surrounded by an electromagnet coil, In the second vacuum container, the wire mesh grid is connected, and the ion beam of the microwave discharge plasma generated by microwave irradiation in the first vacuum container is passed through a grid electrically insulated from the first and second vacuum containers. And a high-frequency plasma discharge by a high-frequency electric field in the second vacuum container to increase the beam density and energy and control the growth rate and quality of the thin film formed on the substrate. Thin film synthesis method by plasma.
【請求項2】反応ガスとマイクロ波を導入する導波管
と、導波管と同径で絶縁して連結された円筒型の第1真
空容器と、第1真空容器に対し絶縁物を介して連結され
た大径の第2真空容器と、第1真空容器を包囲して設け
られた電磁石コイルと、第1真空容器と第2真空容器と
の間に介挿された金網状グリッドと、導波管の中心軸線
上にマイクロ波プラズマと対向して第2真空容器中に設
けられた基板と、基板の前面にこれを挟むように設けら
れた高周波円板電極と、高周波円板電極に接続された高
周波電源と、前記第1真空容器に接続された直流バイア
ス電源とより成り、第1真空容器中にマイクロ波照射に
より生成したプラズマのイオンを第2真空容器中に発生
する高周波プラズマ中に注入し、マイクロ波電力により
ビームプラズマの密度を、第1真空容器にかけられる直
流バイアス電圧によりビームプラズマのエネルギーを制
御すると共に、高周波電極にかけられる高周波電力によ
り高周波プラズマの密度及び温度を制御し、基板上に生
成される薄膜の成長速度及び薄膜の品質を制御するよう
構成したことを特徴とするハイブリッドプラズマによる
薄膜合成装置。
2. A waveguide for introducing a reaction gas and microwaves, a cylindrical first vacuum container which is insulated and connected to the waveguide with the same diameter, and an insulator for the first vacuum container. A large-diameter second vacuum container connected to each other, an electromagnet coil surrounding the first vacuum container, a wire mesh grid interposed between the first vacuum container and the second vacuum container, A substrate provided in the second vacuum container on the center axis of the waveguide so as to face the microwave plasma, a high-frequency disc electrode provided on the front surface of the substrate so as to sandwich the substrate, and a high-frequency disc electrode. In a high-frequency plasma that is composed of a connected high-frequency power source and a direct-current bias power source connected to the first vacuum container, and generates ions of plasma generated by microwave irradiation in the first vacuum container in the second vacuum container. To the beam plasma by microwave power. The energy of the beam plasma is controlled by the DC bias voltage applied to the first vacuum container, and the density and temperature of the high frequency plasma are controlled by the high frequency power applied to the high frequency electrode, and the growth rate and the thin film of the thin film generated on the substrate are controlled. A thin film synthesizing apparatus using a hybrid plasma, which is configured to control the quality of the thin film.
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