JPS61253367A

JPS61253367A - 気相成長法

Info

Publication number: JPS61253367A
Application number: JP9581685A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Inoue; 潔井上
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1985-05-04
Filing date: 1985-05-04
Publication date: 1986-11-11
Also published as: JPH0521987B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、例えば高温用治具等に使用される炭化珪素あ
るいは窒化珪素等の薄膜を気相成長法を用いて形成する
方法に関する。

（従来の技術）炭化物等の膜形成方法として、気相反応成長法すなわち
ＣＶＤ法が知られている。ＣＶＤ法は膜の構成元素を気
化しやすい化合物にし、これをキャリアガスによって反
応系に導入し１反応ガスの化学反応によって生成する固
層を加熱された基板上に析出させて膜を形成させる方法
である。このＣＶＤ法により炭化珪素薄膜を炭素（黒鉛
）あるいは炭化物基板等に形成する場合、従来は、反応
炉内を窒素ガスにより置換し、排気した後、棒状黒鉛基
板と電極との間で交流によりグロー放電を行ない、次に
基板全体を１４００℃程度に通電加熱し、テトラメチル
シランような有機珪素ガスを一定流量（例えば２．８Ｘ
１０−４モル／分）でグロー放電プラズマ中に供給する
ことにより、炭化珪素薄膜を形成している。

（発明が解決しようとする問題点）この従来方法によると、基板を１４００℃程度に加熱し
なければならないので、基板と炭化珪素薄膜との熱膨張
の相違に基づく変形や膜の剥離が生じやすいという問題
点があった。また、前記従来方法によると、通電加熱等
により連続的に熱を加え基板全体を相当高温に加熱して
いるので、熱的な制御が困難であるという問題点があっ
た。

（問題点を解決するための手段）本発明の気相反応方法は、反応ガスを噴出するノズルを
基板に対して所定の間隔を置いて対向配置すると共に前
記基板を前記対向方向とほぼ直角方向に所望の模様や軌
跡に沿って制御送り可能に配置して成り、さらに前記ノ
ズル先端部近傍を電極として基板との間に電圧を加わえ
て放電を生じさせ、介在ガスを分解して基板上に薄膜を
形成させることを特徴とするもので、あるいはさらに前
記ノズルが兼用することのある電極を基板に対して近接
、開離させ、電極が基板に近接している時に電極と基板
との間に高周波電圧または電圧パルスを加えること、あ
るいはまたレーザビーム、プラズマジェット、またはマ
イクロ波を基板上の前記電極に対する対向部分と同一点
に照射して基板上の電極に対応した部分に薄膜を形成す
ることを特徴とする。このような方法によると、電極を
近接等対向させている個所に薄膜形成を集中することが
でき、基板全体を高温にする必要がないので、基板全体
の膜形成時と形成後の温度差が小となる。また、電極電
圧や時間等を制御することにより、熱的制御も容易に行
なえる。さらに電極が基板と開離している時に、電極近
接個所と同一個所にレーザビーム、プラズマジェットま
たはマイクロ波照射により当該個所を加熱し、反応ガス
を加熱活性化することにより反応を促進することができ
る。

（実施例）以下本発明の一実施例を第１図により説明する。まず、
排気装置３０により反応炉ｌ内のガスを排気し、Ｎ２ま
たはＡｒガス圧力容器１３からキャリアガスであるＮ２
またはＡｒガスを供給して反応炉ｌ内のガス置換を行な
い、数値制御装置２によりＸ、Ｙ方向に位置制御自在−
にテーブル３を設置し、該テーブル３上に基板４を置き
、基板４を数値制御装置２により移動させながら、基板
４上の一点に向けて、ノズルを兼ねた管状をなす電極５
から反応ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給する。

該電極５は、反応炉１に取付けた筒体６に対して摺動自
在に嵌合し、モータ７により回転されるピニオン７ａと
電極５に取付けたラック５ａとを噛合させ、モータ７を
正逆に回転させることにより、電極５を基板４に対して
適宜近接、開離させることができるようにしており、第
２図（Ａ）に示すように、一定の周期、あるいは不定周
期で数値制御装置２によってモータ７を正逆に回転させ
ることにより、電極５を基板４に近接、開離させ、数値
制御装置２により、第２図（Ｂ）に示すように、電極５
が基板４に近接している時に制御電源８から図示のよう
な直流電圧。

あるいはＣＤ）に示すようなパルス電圧、あるいは項周
波の電圧パルス列や高周波電圧を印加し。

これにより電極５と基板４との間で放電させ、介在反応
ガスを分解すると共に、基板４上の電極５に対向する部
分の局部加熱を行ない、当該部分に薄膜を形成させる。

なお、基板４は基板加熱電源９により加熱しておき、か
つ必要ならば反応炉１の内部反応ガス活性化のために、
グロー放電用電源１０により、環状電極１１と基板４と
の間でグロー放電を生じさせながら、薄膜形成を行なう
。

また、レーザ照射装置１２から発生させるレー＋ｊ’ヒ
ーム１２　ａヲ、レンズ１２ｂおよび反応炉に設けた塩
化カリウム製窓１２ｃから、基板４上における電極５の
対向点と同一の点に対して、第２図（Ｃ）に示すように
、電極５が基板４から開離した状態の時に照射すること
により、基板４上における電極５の対向点および介在反
応ガスの温度を上げて薄膜形成を促進する。

より具体的には、電極５の近接、開離周期を一定とした
場合、第２図（Ａ）に示すように、電極５と基板４との
近接時間Ｔ１を２．５ｍｇ〜２５０＋ｓｓ、開離時間Ｔ
３を２．５層Ｓ〜２５０ｍ５とし、制御電源８による電
圧印加等は、電極５と基板４間で直接アーク′等の放電
をさせる場合は、例えば電圧３０〜２００Ｖ、電流１０
〜５０Ａ程度の直流電圧パルス列、交流もしくは高周波
とする。また、例えば炭酸ガスレーザ（２００Ｗ）のよ
うなレーザ照射装置１２から窓１２ｃを通して基板４に
照射するレーザ出力や絞りを調整することにより、その
温度が１２００〜１５００°Ｃ１基板４の平均温度や反
応炉１の炉内温度が数百度程度になるようにする。

また、基板４に対して基板加熱用電源９　（ＤＣ２５Ｖ
、１００〜２００　Ａ　）により通電しながら加熱する
と共に、グロー放電用電源１０　（Ａ０２０００Ｖ　、
　２０ｍＡ）により、基板４とグロー放電用環状電極１
１との間でグロー放電を行なわせてプラズマガスを発生
させることにより、反応ガス（反応ガスおよびその分解
、縮合により発生したガス）を活性化する。

キャリアガスであるＮ２またはＡｒガスの反応炉ｌへの
供給は、Ｎ２またはＡｒガス等の圧力容器１３から、キ
ャリアガス供給管路１４の脱酸素装置１５Ａと、コック
２７と、脱水分装置１６Ａとを通して流量調節器１７Ａ
により流量を調節し、また、＃素分析計１８Ａと、流量
計１９Ａの各計測値を監視しながら行なう。

一方、反応ガスの供給は、炭化珪素形成の場合には、例
えばジメチルジクロロシラン（（ＣＨ３）２ｓｉｃ見２）と四塩化炭素（ＣＣ１ａ）
との混合液（モル比ｌ：１）を収容している原料容器２
０から定量ポンプ２１により断熱容器である気化室２２
に滴下し、該気化室２２からの気化されたジメチルジク
ロロシランと四塩化炭素の混合ガスを前記キャリアガス
の供給管路１４からのガスに合流させる断熱層を有する
管路２３，２４を介して反応炉ｌ内に供給する。

原料容器２０および気化室２２に対しては、キャリアガ
スをそれぞれ管路２５．２６を介して充填し、気化室２
２への管路２６には、流量調節器１７Ｂと流量計１９Ｂ
とを設けて流量を監視。

調節する。すなわち、気化させたジメチルジクロロシラ
ン、四塩化炭素およびＮ２またはＡｒとの混合ガスを、
前記流量調節器１７Ａ、１７Ｂ、コック２７等の操作に
より、管路２４を介して反応炉１内に導入し、Ｎ２また
はＡｒガス中の反応ガスの分圧は、電子恒温槽で制御さ
れた気化室２２の温度、反応ガスの滴下速度、気化室２
２のＮ２またはＡｒ流量、および流量計１９Ａにより計
測されるＮ２またはＡｒガス流量を変えることにより調
節した。

具体的には、反応炉ｌ内の温度を１２００〜１５００℃
の範囲内に制御し、反応液の気化室２２への滴下速度を
０．１〜１ｍｆＬ／ｗｉｎ、Ｎ２またはＡｒガス流量を
０．１〜２．５文／ａｋｉｎの条件下で、前記電極５の
近接、開離および制御電源８による電圧の印加（近接時
間Ｔ１１０ｍ５、開離時間Ｔ３１０ｍｓ、制御電源８に
よる電圧５０ｖ）と、前記レーザビーム１０の照射と、
グロー放電と、基板４への通電加熱を行ないながら反応
を行なわせた０例えば、反応炉温度１３８０〜１４２０
℃、四塩化炭素との混合液（モル比１：ｌ）の気化室２
２への滴下速度を０．００２９モル／ｗｉｎ、気化室２
２へのＮ２またはＡｒガス流量を０．０５文／ｓｉｎ、気化温
度を１００℃、Ｎ２またはＡｒガス供給管路１４のＮ２
またはＡｒガス流量を０．５文／１ｎ　（すなわち１０
倍稀釈）の条件で１時間熱分解を行なうことにより、１
７ｍｍの直径の黒鉛基板４の表面にビッカース硬度が３
０００、厚さ０．３層−のβ型炭化珪素薄膜が形成され
た。また形成された薄膜の断面写真によると、薄膜が緻
密なものであることが確認された。この時の薄膜の平均
形成速度は１反応炉ｌ内の圧力を１０　’　Ｔｏｒｒ以
下にしても５７ｃｍ／ｗｉｎとなり、従来よりも大幅に
形成速度を向上させることが可能であった。

なお、電極およびノズル、特を基板から離隔する程薄膜
形成の局部性が失なわれるが、ある程度近接等させた状
態で電極と基板とを相対的に所定の速度で走査等移動送
りさせれば、上記と同様に本発明の目的を達することが
できる。

また、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の形成の例について説明
する。この場合、アンモニア（ＮＨ３）れた圧力容器３
５を用意し、原料容器２０には四塩化珪素（ＳｉＣ１＋
）を入れておき、圧力容器３５からのアンモニアガスを
、コック２７、供給管路３６の脱酸素装置１５Ｂと、脱
水分装置１６Ｂとを通して流量調節器１７ｃにより流量
を調節し、また、酸素分析計１８Ｂと、流量計１９０の
各計測値を監視しながら、供給管路３６に流し、前記供
給管路１４からのＮ２またはＡｒガス、供給管路２５か
らの四塩化珪素と混合して電極５から反応炉ｌ内に供給
した。

この場合、他の条件を前記と同じにした時には、ＮＨｚ
／５ｉＣＡａ＝１：１．３２の場合。

薄膜の形成速度は前記と同じであった。またＮ２または
Ａｒガス中にＹ２０３を５％、Ａ文２０３を１０％含ま
せて放電させた時には、Ｙ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ，を含
む５ｉ３０４膜が０．５１Ｌｍ／ｗｉｎ　となった。

なお、本発明において、炭化珪素膜を形成する場合に用
いる反応ガスとしては、化学式３式％４）で表現されるもの、例えばグロロメチルシラ゛ン、
メチルジクロロシラン、メチルトリクロロシラン、ジメ
チルクロロシラン、またはトリメチルクロロシラン等が
用いられるが１反応ガスの自己分解の際の分解促進のた
め、あるいは不純物である珪素、炭素が析出しないよう
に、別の圧力容器から水素、炭化水素（メタン、ベンゼ
ン）等を、Ｎ２またはＡｒガス等と同様に、脱酸素装置
や脱水分装置を通し、流量調節器により流量を調節し、
また、酸素分析計と、流量計の各計測値を監視しながら
、反応炉ｌ内に供給するようにしてもよい。

また、炭化珪素膜を形成する場合、逆に反応ガスが四塩
化珪素のみの場合のように構成原子に炭素が無い場合、
メタン等の炭素供給源を入れなければならない。

また、本発明を実施する場合、レーザビームの代わりに
プラズマトーチ（またマイクロ波照射筒）によりプラズ
マジェット（またマイクロ波）を基板４上の電極５に対
する対向点と同一点に照射して加熱してもよい、また、
前記グロー放電用電極１１と基板４との間の空間に、レ
ーザビーム、あるいはプラズマトーチ（またマイクロ波
照射筒）によりプラズマジェット（またマイクロ波）を
供給して反応ガスを加熱すると共に、基板４に照射し、
かつ基板４の近傍に高周波型５１誘導用のコイルを設け
、高周波電源により該コイルに通電して電磁誘導により
基板４を加熱するようにしてもよい、プラズマジェット
（またマイクロ波）を用いれば、レーザと同様に反応ガ
スの活性化が達成され、炭化珪素の析出速度を高めるこ
とができる。

（発明の効果）以上述べたように、本発明においては、反応ガスを噴出
するノズルを基板に対して所定の間隔を置いて対向配置
すると共に前記基板を前記対向方向とほぼ直角方向に所
望の模様や軌跡に沿って制御送り可能に配置して成り、
さらに前記ノズル先端部近傍を電極として基板との間に
電圧を加わえて放電を生じさせ、さらに好ましくは、前
記ノズルが兼用することのある電極を基板に対して近接
、開離させ、電極が基板に近接している時に電極と基板
との間に高周波電圧または電圧パルスを加え、あるいは
またレーザビーム、プラズマジェット、またはマイクロ
波を基板上の前記電極に対する対向部分と同一点に照射
して基板上の電極に対応した部分に薄膜を形成するよう
にしたので、従来のように基板全体を所定温度に加熱す
る場合に比較し、基板と薄膜との熱膨張の相違に基づく
変形や膜の剥離が生ずるおそれがない、また、前記従来
方法によると、通電加熱等により連続的に熱を加えてい
るので、基板温度を好適温度にすみやかに至らせること
が困難であるが、本発明によれば、局部的に放電させ、
その放電部分に薄膜を形成するので、放電時間や電圧を
制御することにより、局部的には薄膜形成のための温度
制御が容易となり、薄膜を高速に形成することができる
。また、本発明においては、基板および反応ガスを効率
良く加熱、活性化することができるので、反応炉全体を
加熱する場合に比較して、小エネルギにより、かつ急速
に基板やその近傍の空間のガスが加熱され、目的とする
薄膜として緻密で硬度の高い薄膜が得られる。

なお、本発明は薄膜の形成方法と称しているが、例えば
黒鉛等の基板と基板とを積み重ね等接合状態で行なうと
表面に膜が形成されるだけでなく、接合隙間に侵入して
いて対向接合面にも膜が形成され、そしてついには両基
板が形成により強固に結合されるもので、従って本発明
は、接合方法としても有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の一実施例を説明する装置構成図
、第２図は実施例を説明するタイムチャートである。

Claims

【特許請求の範囲】１、反応炉内に基板を収納し加熱すると共に反応ガスを
供給して気相成長を行なう方法において、前記反応ガス
を噴出するノズルを基板に対して所定の間隔を置いて対
向配置すると共に前記基板を前記対向方向とほぼ直角方
向に制御送り可能に配置して成り、さらに前記ノズル先
端部近傍を電極として基板との間に電圧を加わえて放電
を生じさせ、介在ガスを分解して基板上に薄膜を形成さ
せることを特徴とする気相成長方法。２、ノズルが兼用することのある電極を基板に対して近
接、開離させ、電極が基板に近接している時に電極と基
板との間に電圧を加えて放電させ、基板上の電極に対応
した部分に薄膜を形成させることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の気相成長法。３、レーザビーム、プラズマジェットまたはマイクロ波
の照射を、基板上における電極に対する対向部分と同一
点に対して行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の気相成長法。４、電極と基板と開離している時にレーザビーム、プラ
ズマジェットまたはマイクロ波の照射により反応ガスを
加熱活性化することを特徴とする特許請求の範囲第１項
、第２項または第３項記載の気相成長法。５、前記薄膜形成を、グロー放電を行ないながら行なう
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、第３
項または第４項記載の気相成長法。