JPS63312978A - 薄膜形成装置 - Google Patents

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〕 この発明は、レーザを利用した薄膜形成装置に関し、た
とえば熱伝導性、電気絶縁性をもつ高純度のダイヤモン
ド薄膜、立方晶窒化ホウ素薄膜などを基材の平均温度を
ほぼ室温に維持したまま改質を制御しながら高速に形成
する装置に関する。

〔従来の技術〕

薄膜形成技術の実用化のためには、熱による基板への悪
影響を避けるために、薄膜形成プロセスの低温化が望ま
れると同時に、製造コストを低減するために高速な薄膜
形成技術が望まれている。

これに応える新技術として紫外レーザ光のもつ高光子エ
ネルギーにより成膜用ガスを光解離し、薄膜を形成する
いわゆるレーザＣＶＤ技術が提案されている。この技術
では高光子エネルギーのみによってガスを解離できるた
め、低温で高速に反応生成物を基板上に堆積することが
できるという優れた特長を備えているが、光子と成膜用
ガスとの反応による反応生成物組成の制御や、反応生成
物が基板上に薄膜を形成する過程の制御を行う機構を持
たないため安定して品質の良い膜を得ることが困難であ
った。

第３図は例えば刊行物（＾ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ第４３巻第５号第４５４頁〜４５６頁
）に示された、レーザを利用した従来のレーザＣ■Ｄ装
置を示す断面構成図である。

図において、（１）は紫外レーザ発振器、（２）は紫外
レーザ光、（３）はこの紫外レーザ光（２）を成膜用ガ
スの解離に必要なエネルギー密度に整形するためのシリ
ンドリカルテレスコープ、（４）は成膜用ガス雰囲気と
大気とを遮断しつつ紫外レーザ光（２）を反応チャンバ
（５）に導入するためのウィンド、（５１）は成膜用ガ
スの供給口、（５２）はその排出口、（６）は基板、（
７）は基板（６）を加熱するためのヒータ付サセプタで
ある。

紫外レーザ発振器（１）から出射された紫外レーザ光（
２）は、シリンドリカルテレスコープ（３）により成膜
用ガスの解離に適正なエネルギー密度に整形され、ウィ
ンド（４）を通して成膜用ガス雰囲気を形成する反応チ
ャンバ（５）に導入される。紫外レーザ光（２）は反応
チャンバ（５）に設置された基板（６）の数１上を基板
（６）に平行に通過し、成膜用ガスを解離する。この解
離反応によって得られた反応生成物は拡散により基板（
６）上に堆積する。

ところが、高光子エネルギーによる成膜用ガス解離で生
じた反応生成物から成る膜は、成膜用ガスの種類によっ
ては不純物を含んだり、あるいは結晶性が期待通りにな
らないなどの問題があった。

そのため、第３図に示す従来の装置では基板表面をヒー
タ付サセプタによりセ氏数百度に加熱し、基板上に堆積
する膜の品質を制御する方法をとっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のレーザ薄膜形成装置は反応生成物を制御する機構
を持たないため期待通りの膜質を得ることが困難であっ
た。また、膜の品質を制御するためには基板を数百度に
加熱する方法しか見出されておらず、低温で膜質制御が
行えなかった。

この問題に対しては、先行出願（特願昭６１−３００３
７９号）において解決されている。

第４図は上記先行出願になる薄膜形成装置の要部を示す
構成図である０図において、（８）はプラズマ発生装置
であり、プラズマ生成室（８ａ）、磁場発生用空心コイ
ル（８ｂ）、マイクロ波（８Ｃ）を発生するマイクロ波
源（図示せず）により構成された電子サイクロトロン共
鳴（Ｆ、ＣＲ）プラズマ発生装置である。　（１１）は
水素プラズマ、（１２）はイオン加速用メツシュ電極、
（５１）は成膜用ガスＣ）ｔ　４を供給する供給口、（
５２）は真空ポンプ（図示せず）側の排出口、（５３）
はＥＣＲプラズマ源ガスとしての■４、を導入する供給
口、（５４）は真空ポンプく図示せず）側の排出口であ
る。この装置を用いて薄膜形成を行うと、紫外レーザ光
（２）を照射し、レーザ薄膜形成装置として使用する間
は反応チャンバ（５）を数〜数１０Ｔｏｒｒに維持する
必要があり、一方、ＥＣＲプラズマ源によって、プラズ
マを発生させるにはプラズマ生成室（８ａ）を１０−コ
〜１０−’Ｔｏｒｒの真空状態を維持する必要がある。

ところが、第４図の装置構成においては、プラズマ生成
室（８ａ）と反応チャンバ（５）との境界は制限されて
おらず、前述したような紫外レーザ光（２）を照射する
と同時にＥＣＲプラズマ源によりプラズマを発生させる
ことは不可能で、レーザ照射とプラズマ発生とを交互に
行わねばならない、加えて数ＩＱＴｏｒｒからｌ　Ｑ−
’Ｔｏｒｒへ真空引きする時間を要し、これを少しでも
解決するためにメツシュ電極（１２）の上方にゲートバ
ルブを設置しても効果はあまり期待できない。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、高光子エネルギーによる成膜用ガス解離を利
用して低温でしかも高速な薄膜形成を行う際に、同時に
プラズマ発生装置でプラズマと発生させ、成膜過程の制
御を行い、期待通りの成１１ｕ品質を効率良く得ること
のできる薄膜形成装Ｗｋ提供することを目的としている
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の薄膜形成装置は成膜用ガスを収容する第１の
チャンバ、この第１のチャンバに対し連通部を介して連
通して設けられた第２のチャンノく、上記連通部に設け
られ、薄膜形成用の基材を保持するサセプタ、上記第１
のチャンバに紫外レーザ光を送給し上記成膜用ガスを解
離して上記基材に薄膜を形成する紫外レーザ発振器、上
記第２のチャンバに成膜制御用イオンを送給するプラズ
マ発生装置、上記サセプタに保持された基材を上記第１
および第２のチャンバに対し交互に移動しうる駆動装置
を備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、第１のチャンバと第２のチャンバ
とを連通部を介して分けて構成したので、２つのチャン
バ間に圧力差が得られ、基材を第１のチャンバと第２の
チャンバとの間を移動することにより、第１のチャンバ
において成膜が行なわれ、第２のチャンバにおいてプラ
ズマ発生装置から送給されるプラズマにより成膜の制御
が行なわれる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を、ダイヤモンド薄膜を形成
する場合について図に従って説明する。

第１図はこの発明の一実施例による薄膜形成装置を示す
断面構成図であり、第２図は類似の装置の斜視図である
。これらの図において（５ａ）は第１のチャンバであり
、紫外レーザ発振器（１）より出射され、シリンドリカ
ルテレスコープ（３）により所望のエネルギー密度に成
型された紫外レーザ光（２）をウィンド（４）より受は
入れるとともに、成膜用ガス供給口（５１）より送給さ
れた成膜用ガスを収容する。（５ｂ）は上記第１のチャ
ンバ（５ａ）に対し連通部（５ｃ）を介して連通して設
けられた第２のチャンバである。　（１３）はサセプタ
（７）を回転することにより基材としての基板（６）を
第１のチャンバ（５ａ）および第２のチャンバ（５ｂ）
に交互に移動する駆動装置である。（８）はプラズマ発
生装置として用いられた電子サイクロトロン共鳴プラズ
マ発生装置（Ｅ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏ
ｔｒｏｎＲｅａｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ発生装置と略
記する〕である、その他の符号は上記第４図に示すもの
と同様である。なお、第１図において紫外レーザ光（２
）は図の左側から右側へ投射されているが、第１のチャ
ンバ（５ａ）には奥の側のウィンドから手前のウィンド
方向への経路をたどっている。

次に動作について説明する。成膜用ガス供給口（５１）
より第１のチャンバ（５ａ）内に送給されたメタン（Ｃ
Ｈ４）からなる成膜用ガス（数十Ｔｏｒｒ）は、シリン
ドリカルテレスコープ（３）により適正なエネルギー密
度で整形されたＡｒＦエキシマレーザ等の紫外レーザ光
（２）（尖頭出力１０μＩｌ／Ｃｌｌ２）の２光子吸収
によって光解離される。

一方ＥＣＲプラズマ発生装置（８）により生成した水素
イオンはイオン加速用メツシュ電極（１２）によって適
度の速度を与えられて第２のチャンバ（５ｂ）内の基板
（６）の表面に至る。成膜の初期の過程ではこの水素イ
オンは基板（６）表面に衝突して結晶歪みを形成し、ダ
イヤモンド結晶成長の核形成を容易にする。核形成後の
過程では水素イオンは数１００ｅＶのエネルギーを与え
られると、工・ンチング作用が強くなり、ダイヤモンド
結晶成長と同時におこる黒鉛結晶成長を抑制する働きを
する。

従って不純物のない期待通りの膜質のダイヤモンド薄膜
が得られる。また、ＥＣＲプラズマ発生装′１１（８）
は通常のプラズマ装置よりも１桁以上プラズマ密度を高
くすることができるので、これらの成膜過程を高速にか
つ制御よく行うことが可能となる。さらに、この成膜過
程では基板をほぼ室温に維持したまま加熱することなく
行える。

成膜用ガス雰囲気とプラズマ、イオン雰囲気とでは、好
ましい雰囲気圧力が前者では数〜数１０Ｔｏｒｒである
のに対し、後者では１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒのよう
に真空度に大きな差があるが、この発明の一実施例では
上記図に示したように、反応チャンバを薄膜形成を行う
第１のチャンバ（５＆）と、プラズマ、イオンの作用す
る第２のチャンバ（５ｂ）に分割し、これらのチャンバ
を連通部（５Ｃ）により連通すると共に連通部（５Ｃ）
に基板（６）を配置するように構成したので、２つのチ
ャンバ（５ａ）、（５ｂ）間の差圧を維持することがで
きる。なお、上記差圧を確実にするために、上記連通部
の大きさ、排気口（５２）、（５４）の大きさ、あるい
は排気速度などは適宜望ましい値に選ばれる０例えば基
板（６）と壁（５ｄ）との隙間を数１とすることにより
上記２つのチャンバ（５ａ）、（５ｂ）の差圧を好まし
い範囲に維持することができる。

この状態で基板（６）を搭載したサセプタ（７）をサセ
プタ駆動装置（１３）により回転あるいは平行移動する
と基板（６）の表面はプラズマ、イオンの作用する雰囲
気と薄膜形成の雰囲気に交互に置かれることになる。す
なわち、第２のチャンバ（５ｂ）において水素イオンに
よって結晶成長核を形成された基板（６）表面はサセプ
タ（７）によって移動し、第１のチャンバ（５ａ）にお
いてレーザによって解離したメタンガスによって成膜さ
れる。数１０人成膜された後最初の部屋に戻り、水素イ
オンによってダイヤモンド結晶成長と同時におこる黒鉛
を除去する。このようにして成膜（ダイヤモンド結晶成
長）と黒鉛除去が繰り返し行われ、所望の膜質のダイヤ
モンド薄膜をｔｉシることか可能となる。

なお、上記サセプタ（７）の運動は回転で十分と考えら
れるが、並進運動（平行移動）を組合わせることにより
、成膜がより均質に行われるという効果がある。

なお、上記実施例ではダイヤモンド薄膜形成の場合につ
いて述べたが、これに限定されるものではなく、他の薄
膜形成にも適用できる０例えば、プラズマ源ガス種とし
てＮ２とＨ２との混合ガス、反応チャンバ内に流すガス
種としてＢ　２　Ｈｓを用いれば優れた膜質の立方晶窒
化■素膜が上記実施例と同様、はぼ室温に維持したまま
、高速に得ることができる。

この他種々の変形や変更が可能であることは勿論である
。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば成膜用ガスを収容する
第１のチャンバ、この第１のチャンバに対し連通部を介
して連通して設けられた第２のチャンバ、上記連通部に
設けられ、薄膜形成用の基材を保持するサセプタ５上記
第１のチャンバに紫外レーザ光を送給し上記成膜用ガス
を解離して上記基材に薄膜を形成する紫外レーザ発振器
、上記第２のチャンバに成膜制御用イオンを送給するプ
ラズマ発生装置、上記サセプタに保持された基材を上記
第１および第２のチャンバに対し交互に移動しうる駆動
装置を備えるように構成したので、膜質の制御を容易に
行うことができ、基板をほぼ室温に維持したまま均質に
、しかも高速に優れた膜質の成膜が得られる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による薄膜形成装置を示す
断面構成図、第２図は類似装置の斜視図、第３図は従来
のレーザ薄膜形成装置を示す断面構成図、第４図は先行
発明の一実施例によるレーザ薄膜形成装置を示す断面構
成図である。 図において、（１）は紫外レーザ発振器、（５ａ）は第
１のチャンバ、（５ｂ）は第２のチャンバ、（５Ｃ）は
連通部、（６）は基材と７しての基板、（７）はサセプ
タ、（８）はプラズマ発生装置、（１３）は駆動装置で
ある。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 の　　・ロ　　υ ｙ＋　　Ｌ／′）　　ｕフ　−＜Ｄ　　ｒＮグ　２　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）成膜用ガスを収容する第１のチャンバ、この第１
   のチャンバに対し連通部を介して連通して設けられた第
   ２のチャンバ、上記連通部に設けられ、薄膜形成用の基
   材を保持するサセプタ、上記第１のチャンバに紫外レー
   ザ光を送給し上記成膜用ガスを解離して上記基材に薄膜
   を形成する紫外レーザ発振器、上記第２のチャンバに成
   膜制御用イオンを送給するプラズマ発生装置、上記サセ
   プタに保持された基材を上記第１および第２のチャンバ
   に対し交互に移動しうる駆動装置を備えた薄膜形成装置
   。
2. （２）プラズマ発生装置は電子サイクロトロン共鳴プラ
   ズマ発生装置であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の薄膜形成装置。
3. （３）電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生装置により
   生成した成膜過程制御用イオンは、イオン加速用メッシ
   ュ電極で加速されて第２のチャンバに送給される特許請
   求の範囲第２項記載の薄膜形成装置。