JPH08203693A

JPH08203693A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH08203693A
Application number: JP7242484A
Authority: JP
Inventors: Naoki Hirose; 直樹広瀬; Takashi Inushima; 喬犬島; Toru Takayama; 徹高山
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 1996-08-09
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JP2715277B2

Abstract

(57)【要約】【目的】均一な膜を形成すること。【構成】プラズマ処理を行う反応室の回りに反応室に
沿って磁場発生手段を設けることにより、プラズマを反
応室内に閉じ込める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波電界を加える
とともに、外部磁場を加え、それらの相互作用を用い、
かつその電界の最も大きい空間に基板を配置し、被膜形
成又はエッチングを行うための薄膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜の形成手段としてＥＣＲ（電
子サイクロトロン共鳴）を用い、その発散磁場を利用し
てこの共鳴空間より「離れた位置」に基板を配設し、そ
こでの被膜特にアモルファス構造を有する被膜を形成す
る方法が知られている。

【０００３】さらに一般的にはかかるＥＣＲＣＶＤ
（化学気相法）に加えて、反応性ガスを用いる被膜形成
手段として数種類知られており、それらは熱ＣＶＤ、加
熱フィラメントＣＶＤ、化学輸送法、１３．５６ＭＨ_z
の周波数を用いるプラズマＣＶＤ法、マイクロ波のみを
用いるプラズマＣＶＤ法が知られている。特にＥＣＲＣ
ＶＤ法は活性種を磁場によりピンチングし、高エネルギ
化することにより電子エネルギを大きくし、効率よく気
体をプラズマ化させている。しかしプラズマ化させるこ
とにより、気体が有する高エネルギにより基板の被形成
面がスパッタ（損傷）を受けることを防ぐため、このＥ
ＣＲ条件を満たした空間より「離れた位置」に基板を配
設し、高エネルギ条件下でのプラズマ状態を避けたイオ
ンシャワー化した反応性気体を到達させることにより被
膜形成または異方性エッチングを行っていた。

【０００４】この装置によって、作成された膜はアモル
ファス構造を有していた。また、イオン源で発生したイ
オンシャワーを被膜形成用基板まで到達させるために、
反応圧力領域を低く（１０^-4Ｔｏｒｒ台）する必要があ
った。そのため、ダイヤモンド薄膜等高い結晶性を必要
とする被膜を作成することが困難であった。また、反応
圧力範囲が限られているため幅広い条件下での被膜作成
を行なえない問題があった。

【０００５】本発明は、例えば結晶性の高い被膜を作成
するものである。この目的のため、反応室のマイクロ波
電力の電界強度が最も大きくなる領域に被膜形成面を有
する基板を配設し、さらにその領域近くで、電場、磁場
相互作用により高密度、高エネルギプラズマを発生させ
て、結晶性の非常に高い被膜を形成する装置である。

【０００６】すなわち本発明は従来より知られたマイク
ロ波を用いたプラズマＣＶＤ法に磁場の力を加え、さら
にマイクロ波の電場と磁場との相互作用、好ましくはＥ
ＣＲ（エレクトロンサイクロトロン共鳴）条件又はホイ
ッスラー共鳴条件を含む相互作用を利用して、幅広い圧
力範囲において高密度高エネルギのプラズマを発生させ
る。その共鳴空間での高エネルギ状態を利用して、例え
ば活性炭素原子を多量に発生させ、再現性にすぐれ、均
一な膜厚、均質な特性のダイヤモンド、ｉ−カーボン膜
等の被膜の形成を可能としたものである。また加える磁
場の強さを任意に変更可能な為、電子のみではなく特定
のイオンのＥＣＲ条件を設定することができる特徴があ
る。

【０００７】本発明の構成としては、その一つの様相に
よれば磁場および電場の相互作用を利用して薄膜を形成
する装置であって、減圧状態に保持されたプラズマ反応
室、該反応室を囲んで設けられたコイルによる第１の磁
場発生手段、前記コイルと垂直でかつ、前記反応室と平
行に設けられた永久磁石による第２の磁場発生手段、前
記プラズマ反応室にマイクロ波を供給する手段および電
場・磁場相互作用を有する空間に被形成面を有する基板
を配設せしめ、薄膜形成を行うための手段とを有するこ
とを特徴とする薄膜形成装置をその構成としている。

【０００８】すなわち、ヘルムホルツ型コイルより発生
する第１の磁場と、該コイルに垂直方向に設けられたＩ
ｏｆｆｅｂａｒを構成する永久磁石により発生する第
２の磁場により、反応空間においてマイクロ波により発
生するプラズマを閉じ込めさらに、第１、第２の磁場に
より高密度の磁場を実現して高密度、高エネルギーのプ
ラズマを発生させて、結晶性の非常に高い被膜を形成す
る装置であります。

【０００９】また本発明の構成に付加して、マイクロ波
と磁場との相互作用により高密度プラズマを発生させた
後、基板表面上まで至る間に高エネルギを持つ光（例え
ば紫外光）を照射し、活性種にエネルギを与えつづける
と、高密度プラズマ発生領域より十分離れた位置におい
ても高エネルギ状態に励起された炭素原子が存在し、よ
り大面積にダイヤモンド、ｉ−カーボン膜を形成するこ
とも可能であった。

【００１０】さらに磁場とマイクロ波の相互作用により
発生する高エネルギ励起種に直流バイアス電圧を加え
て、基板側に多量の励起種が到達するようにすることは
薄膜の形成速度を向上させる効果があった。以上特徴
は、膜形成に限らず、ＮＦ₃等を用いたエッチング処理
を行う場合にも有効である事は当業者にとって明らかで
あろう。以下に実施例を示し、さらに本発明を説明す
る。

【００１１】

【実施例】図１に本発明にて用いた磁場印加可能なマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置を示す。同図において、この
装置は減圧反応室（１），予備室（８），基板加熱装置
を兼ねた基板ホルダー（３），第１の磁場を発生する電
磁石（５），第２の磁場を発生する永久磁石（６），マ
イクロ波発振器（４），マイクロ波導波管（７），マイ
クロ波導入窓（１２），排気系（９），およびガス導入
系（１０），（１１）より構成されている。

【００１２】まず薄膜形成用基板（２）を基板ホルダ
（３）上に設置する。このホルダは高熱伝導性を有し、
かつマイクロ波をできるだけ乱さないため、セラミック
の窒化アルミニュームを用いた。この基板ホルダにより
基板を例えば５００℃に加熱する。次に水素（６）を１
０ＳＣＣＭガス系（１１）を通して高密度プラズマ発生
領域（１）へと導入し、外部より２．４５ＧＨz の周波
数のマイクロ波を５００Ｗの強さで加える。さらに、磁
場を約２Ｋガウスを磁石（５）より印加し、さらに、第
２の磁場を永久磁石（６）より加え高密度プラズマをプ
ラズマ反応空間（１）にて発生させる。この時プラズマ
反応空間（１）の圧力は０．１Ｐａに保持されている。
この高密度プラズマ領域より高エネルギを持つ水素原子
または電子が基板（２）上に到り、表面を洗浄にする。
さらにこの水素気体の導入を中止し、ガス系（１１）よ
り炭化物気体例えばアセチレン（Ｃ₂ Ｈ₂）、メタン
（ＣＨ₄）を導入し水素気体の場合と同様に活性化せし
める。

【００１３】そして高エネルギ状態に励起された炭素原
子が生成され、約５００℃加熱された基板（２）上に、
この炭素原子が体積し、ダイヤモンド又はｉ−カーボン
膜が形成された。この場合、第１の磁場を発生する手段
としては、２つのリング状の電磁石（５）を用いたヘル
ムホルツ方式を採用し、第２の磁場を発生する手段とし
ては、図１及び図２（ａ）の反応室付近の断面図より明
らかなように図２（ｂ）に示されるような反応室（１）
に平行でかつ、リング状の電磁石（５）に垂直なＩｏｆ
ｆｅｂａｒを構成する永久磁石（６）を採用してい
る。

【００１４】これら第１及び第２の磁場により反応室
（１）内に形成される等磁場面の様子を図３に示す。こ
れは、図３に示す座標系に従って描かれた反応室（１）
内での等磁場面である。縦軸Ｚは、反応室（１）の横方
向（すなわちマイクロ波導入窓から基板方向であり、横
軸はリング状コイル（５）の直径方向である。同図より
明らかなように、反応室内での磁場密度は第１及び第２
の磁場により相当高められている様子がわかる。

【００１５】比較例として、第１の磁場のみの場合の反
応室内は等磁場面を図４に示す。磁場が１つの場合と２
つの場合では、明らかに磁場の分布の様子がちがってお
り、反応室内で対称な分布が得られており、かつ明らか
に第２の磁場により反応室内の磁場の密度が高められて
いることがわかる。なお、図中の数字は磁束密度〔Ｇａ
ｕｓｓ〕を示す。

【００１６】このように、本発明は異なる種類の磁場を
反応室まわりで発生させて、反応室内に磁場の密度の高
い部分を発生させ、その高い密度の磁場とマイクロ波に
よる電場との相互作用により高密度、高エネルギのプラ
ズマを発生させることを特徴とするものであり、それに
よってより結晶性の高い被膜を形成することが可能とな
ったものである。

【００１７】また比較のために同条件下で磁場を印加せ
ずに薄膜形成を行った。その時基板上に形成された薄膜
はグラファイト膜であった。さらに本実施例と同条件下
において基板温度を６５０℃以上とした場合ダイヤモン
ド薄膜を形成することが可能であった。本実施例にて形
成された薄膜の電子線回析像をとったところ低温では、
アモルファス特有のハローパターンとともにダイヤモン
ドのスポットがみられ、ｉ−カーボン膜となっていた。
さらに基板温度を上げて形成してゆくにしたがい、ハロ
ーパターンが少しずつ消えてゆき６５０℃以上でダイヤ
モンドとなった。

【００１８】この形成された被膜のラマンスペクトルを
とったところ、１５００ｃｍ^-1付近にややゆるやかなピ
ークを有していたが、１３３３ｃｍ^-1付近に鋭いピーク
を有しており、ダイヤモンドが析出していたことが確認
できた。また基板加熱温度を１５０℃未満とした場合、
磁場を加えてもｉ−カーボン膜を作成することはできな
かった。かかる方式において、基板上に炭化珪化物気体
（メチルシラン）を用い炭化珪素の多結晶膜を作ること
ができる。アルミニューム化物気体とアンモニアとの反
応により窒化アルミニューム被膜を作ることもできる。
さらにタングステン、チタン、モリブデンまたはそれら
の珪化物の高融点導体を作ることもできる。

【００１９】図５は、他の実施例を示している。図１に
示した装置との差は、マイクロ波を反応容器１に導入さ
せる位置が、ヘルムホルツコイル５の中心面Ｃよりも基
板２に近いという点だけである。この構成によって反応
空間での磁場は、基板２に向かってプラズマガスを集め
る効果がある。図６は、前記Ｉｏｆｆｅｂａｒの変形
例である。ここでは磁石のモーメントの向きが径方向と
なっている。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｉｏｆｆｅｂ
ａｒの他の形態を示す図である。ここでは、２個のコイ
ルが４本のｂａｒを形成している。記号は電流の方向を
示している。

【００２０】また、反応性基体に水，酸素等を添加し
て、より結晶性の高い被膜を作製することも可能であ
る。さらに、本実施例によってマイクロ波はマイクロ波
導入窓より反応室内へ導入したが他の方法によって導入
しても何ら本発明を阻害するものではない。

【００２１】

【発明の効果】本発明の構成を取ることにより、従来作
製されていた結晶性を少なくとも一部に有する被膜の作
製条件より幅広い条件下にて結晶性の高い被膜の作製が
可能であった。また従来法に比べ大面積に均一な薄膜を
形成することが可能であった。さらに作製された薄膜は
引張、圧縮とも膜応力をほとんど有さない良好な膜であ
った。また、第２の磁場発生手段として、永久磁石を使
用しているので電力消費を少なくすることが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる磁場・電場相互作用を用いたマ
イクロ波プラズマ装置の概略を示す。

【図２（Ａ）】本発明の装置の断面図を示す。

【図２（Ｂ）】第２の磁場を発生するコイルを示す。

【図３】コンピュータシミュレイションによる磁場状態
を示す。

【図４】コンピュータシミュレイションによる磁場状態
を示す。

【図５】本発明による他のマイクロ波プラズマ装置を示
す。

【図６】図２のＩｏｆｆｅｂａｒの変形例を示す。

【図７（Ａ）】Ｉｏｆｆｅｂａｒの他の例を示す。

【図７（Ｂ）】Ｉｏｆｆｅｂａｒの他の例を示す。

【符号の説明】

１プラズマ反応空間２基板３基板加熱装置を兼ねた基板ホルダ４マイクロ波発振器５外部磁場発生器６外部磁場発生器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ３０Ｂ 33/08 7202−4ＧＨ０１Ｌ 21/205 21/3065

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面にプラズマ処理を行う装置であ
って、反応室に沿って磁場発生手段を設けたことを特徴
とする薄膜形成装置。