(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を搭載し回転させる基材ホルダが内部に設けられ減圧された反応室、同反応室と側壁の一部を共有し内部に石英板により仕切られた反応空間が設けられた円筒型空洞共振器、同共振器と上記反応室が共有する側壁に設けられ上記反応空間と反応室を連通させ回転する基板の一部による上記反応空間の通過を可能とする連絡口、上記円筒型空洞共振器に接続されたマイクロ波発振器、上記反応空間に接続させたガス供給装置、および上記反応室に接続された排気装置を備えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ化学蒸着装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波プラズマ化学蒸着装置において、反応室の上部に複数個の円筒型空洞共振器が配設されて形成されたことを特徴とするマイクロ波プラズマ化学蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣとする）、アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉとする）、各種セラミックスによる機械部品等の耐摩耗性向上のための成膜や半導体デバイスの製造等に適用されるマイクロ波プラズマ化学蒸着（以下ＣＶＤとする）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロ波を用いた薄膜形成については、マイクロ波導波管内に定在波を発生させ、同じく導波管内に設置した反応管にプラズマを誘起し、原料ガスを分解することにより、基材上に膜堆積を行うものがよく知られている。
【０００３】
従来の上記により膜堆積を行う装置としては、例えば、ダイヤモンド成膜用として図４（ａ）に示すものがある。図４（ａ）に示す従来の装置は、矩形導波管６中に反応管１７が挿入されて設置され、反応管１７の内部に基材３であるＳｉウエハ及び基材ホルダ４が設置されている。
【０００４】
矩形導波管６の一端側にはマイクロ波発振器５が接続されており、その他端側にはプランジャ１４が設置され、矩形導波管６の内部にはマイクロ波発振器５から出力されたマイクロ波と、プランジャ１４から反射されたマイクロ波が定在波を形成している。
【０００５】
反応管１７が挿入される矩形導波管６の上下の位置にはスリーブ１５が設置されており、反応管１７内にはメタン及び水素の混合ガス０７が流通し、排気０８されている。このため、反応管１７内のメタン及び水素はマイクロ波電界により分解され、反応性の高いラジカルを形成し、基材であるＳｉウエハ上にダイヤモンドが析出する。
【０００６】
また、従来のマイクロ波を用いた薄膜形成については、磁場の印加により１０−３〜１０Ｔｏｒｒ程度の低い圧力でプラズマを発生させ、大面積基材への成膜を行う電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣＲとする）プラズマを用いるものもある。
【０００７】
従来の上記方法を用いて成膜を行う装置としては、図４（ｂ）に示すものがある。図４（ｂ）に示す従来の装置は、プラズマ発生室１８にコイル１６が巻かれており、コイル１６に電流を通じることによりプラズマ発生室１８内に磁場が発生する。ここで、マイクロ波発振器５よりプラズマ発生室１８内にマイクロ波を入射すると、電子サイクロトロン共鳴により原料ガスは効率よくマイクロ波を吸収し、電子密度の高いプラズマが広い範囲で得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
通常、空洞内で生じるマイクロ波の定在波にはＴＭまたはＴＥモードがあり、多数のモードが混在しており、放電に作用するマイクロ波の電界は複雑な波動となる。
【０００９】
従来の装置において、導波管内に反応容器を置く方式のものは、上記のようにマイクロ波の電界が複雑な波動を形成し、広範囲にわたって均質なプラズマが得られないため、均質な膜堆積を行える範囲はごく限られたものであった。また、反応容器の径が導波管の幅で制限されるため、装置の大型化が難しく、更に１０Ｔｏｒｒ以下の圧力ではプラズマ密度が低下し、放電が安定しなくなるため成膜条件にも制限があるなどの課題があった。
【００１０】
一方、ＥＣＲ方式のものは、低い圧力で広範囲への成膜が可能であるが、成膜速度が遅く、励磁コイルやそれに付随する設備が必要であるため、装置構造が複雑になり製造コストなどの面で課題があった。
【００１１】
また、上記の方法は、いずれもプラズマが生成される範囲により成膜面積が限定され、直径１０ｃｍ程度の範囲にしか成膜を行うことができず、更に、基材の片側の面しかプラズマに接触できないため、表裏両面への均一な成膜が困難であった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、容易に、大型基材や大面積基材の面を、あるいは平板状基材の表裏両面を同時に、均一に薄膜形成を行うことができる装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
（１）本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、基材を搭載し回転させる基材ホルダが内部に設けられ減圧された反応室、同反応室と側壁の一部を共有し内部に石英板により仕切られた反応空間が設けられた円筒型空洞共振器、同共振器と上記反応室が共有する側壁に設けられ上記反応空間と反応室を連通させ回転する基板の一部による上記反応空間の通過を可能とする連絡口、上記円筒型空洞共振器に接続されたマイクロ波発振器、上記反応空間に接続させたガス供給装置、および上記反応室に接続された排気装置を備えたことを特徴とする。
【００１４】
（２）本発明は、上記発明（１）に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置において、反応室の上部に複数個の円筒型空洞共振器が配設されて形成されたことを特徴としている。
【００１５】
【作用】
上記発明（１）において、ガス供給装置より反応空間内に原料ガスを供給しながら、マイクロ波発振器より円筒型空洞共振器内にマイクロ波を導入すると、反応空間内でプラズマが生成され、原料ガスが分解され、反応性の高いラジカルが生成されて、基材面にダイヤモンド等を析出して成膜される。
【００１６】
上記円筒型空洞共振器については、その内径寸法Ｄを次式より得られる値としているため、その共振周波数がマイクロ波発振器が発生するマイクロ波の周波数ｆと一致するＴＭ０１０  モードのマイクロ波が導入される。
【００１７】
Ｄ＝１，４４３×１０１１／２πｆ
そのため、円筒型空洞共振器の内部では、その中心軸に対して平行で一様な分布のマイクロ波電界が生じ、上記反応空間内に均質なプラズマを発生させることができるため、反応空間内に位置する基材の上下面に均質なダイヤモンド膜を得ることができる。
【００１８】
更に、基材ホルダを回転させながら成膜させることにより、基材の上記反応空間を通過する部分の全ての面に対して均質なダイヤモンド膜を成膜させることが可能となる。
【００１９】
上記発明（２）においては、円筒型空洞共振器を反応室の上部側に複数個設け、基材を基材ホルダにより回転させた場合、基材全体が反応空間内を通過するものとしたため、基材の全面に均質なダイヤモンド膜が成膜できるものとなっている。
【００２０】
【実施例】
本発明の第１実施例を図１に示す。なお、本実施例は、ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜の製作に適用されたものである。
【００２１】
図１において、１は円筒型空洞共振器であり、内部中央を２枚の石英板１０により仕切られプラズマが発生する反応空間１ａが形成されている。２は減圧された反応室であり、内部に基材３が搭載され同基材３を外部動力９により回転させる基材ホルダ４が設けられている。
【００２２】
上記円筒型空洞共振器１は、この側壁の一部を上記反応室２の側壁の一部と共有しており、この共有する側壁には、基材３の最大厚みよりもわずかに広い幅をもち、回転する基材３の一部が通過できる連絡口１２が設けられており、この連絡口１２を介して円筒型空洞共振器１の反応空間１ａと反応器２の内部が連通している。
【００２３】
５は、導波管６を介して円筒型空洞共振器１のマイクロ波導入口１１に接続されたマイクロ波発振器５であり、円筒型空洞共振器１内に導入されるマイクロ波を発生する。
【００２４】
７は原料ガスとしての水素及びメタンを反応空間１ａへ供給するガス供給装置であり、８は使用済みのガスを反応室２内より排出させる排気装置８である。１３は、上記円筒型空洞共振器１の上下の端板により同共振器１内に挿入された金属性、磁性体製または誘電体製の円筒形状の環状チューナであり、その挿入長を変化させることができる。
【００２５】
上記において、基材３面にダイヤモンド膜等を成膜させる場合には、基材３を基材ホルダ４に取付けて回転させながら、ガス供給装置７より原料ガスであるメタン及び水素を反応空間１ａに供給し、マイクロ波発振器５より導波管６及びマイクロ波導入口１１を介して円筒型空洞共振器１内にマイクロ波を導入する。
【００２６】
上記共振器１内に導入されたマイクロ波は、反応空間１ａでプラズマを発生させ、ガス供給装置７より供給された原料ガスを分解し、分解された原料ガスは反応性の高いラジカルを生成し、基材３面にダイヤモンド等を析出させる。
【００２７】
上記円筒型空洞共振器１については、その内径Ｄを次式により得られる値とすることにより、円筒型空洞共振器１のＴＭ０１０  モードの共振周波数をマイクロ波発振器５が発振するマイクロ波の周波数ｆと一致させることができる。
【００２８】
Ｄ＝１，４４３×１０１１／２πｆ
そのため、上記円筒型空洞共振器１においては、そのＴＭ０１０  モードの共振周波数をマイクロ波発振器５の発振周波数２．４５ＧＨＺ  と一致させるため、Ｄ＝９．３ｃｍとしている。
【００２９】
本実施例においては、上記のようにその内径を決めているため、円筒型空洞共振器１の内部では、図２に示すようにその中心軸に対して平行で一様な分布のマイクロ波電界が生じ、石英板１０で囲まれた反応空間１ａ内に均質なプラズマが発生し、基材３の上下面に均質なダイヤモンド膜等を得ることが可能になった。
【００３０】
なお、上記円筒型空洞共振器１に設けられた環状チューナ１３については、その挿入長を変化させて空洞共振器１からの反射マイクロ波が最小になるようにしたところ、放電は一層均一となり、一層良好なダイヤモンド膜等が得られた。また、基材ホルダ４を外部動力により回転させながら成膜させた場合、基材３面のより広い範囲で均質なダイヤモンド膜等を成膜させることができた。
【００３１】
本実施例の装置の性能確認のために行った成膜実験について、以下に具体的に説明する。基材３である超硬合金製円板を反応室２内の基材ホルダ４に設置して円周方向に回転させ、反応室２内の圧力及び原料ガス組成を表１に示すように設定し、全ガス流量を１００ＳＣＣＭとして反応空間１ａに供給し、円筒型空洞共振器１に５００Ｗのマイクロ波を供給することにより行った。
【００３２】
【表１】
0003621730.tif 000002
【００３３】
成膜実験  Ｎｏ．１では、透明で平滑な膜を円板の端部の表裏両面に均一に成膜することができ、この膜のラマンスペクトルはＤＣＬ特有の形状を示し、ビッカース硬度は４０００〜５０００Ｈｖであった。また、成膜実験  Ｎｏ．２では、ダイヤモンド特有の自形の発達した膜が得られ、この膜のラマンスペクトルはダイヤモンド特有の形状を示した。
【００３４】
本発明の第２実施例を図３に示す。図３に示す本実施例は、反応室２の上部側に複数個の円筒型空洞共振器１が設けられたものであり、マイクロ波を投入すると反応室２を横断するようにプラズマが発生するものである。
【００３５】
この状態で基材３を回転させながら原料ガスを供給し、プラズマを発生させると、基材３の全面に第１実施例と同様の均質なダイヤモンド膜やＤＣＬ膜を得ることができた。なお、上記反応室２に設けられる複数個の円筒型空洞共振器１は反応器２の下部側に配設してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のマイクロ波プラズマ化学蒸着装置は、基材を搭載し回転させる基材ホルダが内部に設けられた反応室と、同反応室とその側壁の一部を共有し内部に石英板により仕切られた反応空間が設けられた円筒型空洞共振器と、同共振器と上記反応室が共有する側壁に設けられ上記反応空間と反応室を連通させ同反応空間内を基材に通過させる連絡口を備えたことによって、基材の上記反応空間を通過する部分の全ての面に対して均質なダイヤモンド膜等を成膜させることができるものとしたため、広範囲なダイヤモンド膜等の成膜を可能とし、また、上記円筒型空洞共振器を反応室の上部側に複数個配設したことによって、基材の全面に対する均質なダイヤモンド膜等の成膜を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】上記第１実施例に係る円筒型空洞共振器におけるＴＭ０１０  モードの電界分布の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）平面図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る装置の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】従来の装置の説明図で、（ａ）はマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の正面図、（ｂ）はＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の正面図である。
【符号の説明】
１      円筒型空洞共振器
１ａ    反応空間
２      反応室
３      基材
４      基材ホルダ
５      マイクロ波発振器
６      導波管
７      ガス供給装置
８      ガス排気装置
９      外部動力
１０    石英板
１１    マイクロ波導入口
１２    連絡口
１３    環状チューナ
【図１】
0003621730.tif 000003
【図２】
0003621730.tif 000004
【図３】
0003621730.tif 000005
【図４】
0003621730.tif 000006