(57)【要約】【課題】炭素膜の形成に関連する要因を個別かつ定量的に制御し、所望の炭素膜を形成できるようにする。【解決手段】炭素膜の形成に用いる複数のガスをプラズマ発生室に導入し、マイクロ波によりガスをプラズマ化させ、基板上に粒子を堆積させて炭素膜を形成する場合において、複数のガスを時系列に区別して個別にプラズマ発生室内に導入すると共に、それぞれのガスの導入時間を制御し、電力値またはパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせたマイクロ波によってガスをプラズマ化することにより、ガスの供給比率を時間的に変化させると共に、個々のガスごとに電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素膜の形成に用いる複数のガスをプラズマ発生室に導入し、マイクロ波により該ガスをプラズマ化させ、基板上に粒子を堆積させて炭素膜を形成する方法であって、
前記複数のガスを時系列に区別して個別に前記プラズマ発生室内に導入すると共に、それぞれのガスの導入時間を制御し、
前記マイクロ波は、該それぞれのガスごとに電力値またはパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせて構成することを特徴とする炭素膜の形成方法。
【請求項２】
基板上に粒子を堆積させた後に、ガスの導入及びマイクロ波の供給を止める緩和時間を設けることを特徴とする請求項１に記載の炭素膜の形成方法。
【請求項３】
ガスをプラズマ化させるプラズマ発生室と、該プラズマ発生室内にガスを供給する原料供給部と、該ガスをプラズマ化させるためのマイクロ波を前記プラズマ発生室に供給する電力供給部と、基板を保持する保持部と、前記プラズマ発生室内のガスを排気する排気部とを備えた炭素膜形成装置であって、
前記原料供給部は、前記プラズマ発生室に対してガスを所定の圧力で所定の時間供給し、
前記電力供給部は、電力値またはパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせて出力することを特徴とする炭素膜形成装置。
【請求項４】
原料供給部には、ガスパフを備えることを特徴とする請求項３に記載の炭素膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に炭素膜を形成する方法及び炭素膜の形成に用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド様薄膜のような２次元的に堆積される炭素膜や、フラーレン、カーボンナノチューブのような炭素原子の３次元の構造体の形成には、ＰＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ補助化学気相堆積法）が一般的に用いられている。ＰＣＶＤにおいては、メタン、アセチレン等の炭化水素を水素等の搬送ガスに混合させ、その混合ガスをマイクロ波により放電させてプラズマ状にすることにより、基板上にイオンやラヂカルを堆積させて炭素膜等を形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、放電に用いるマイクロ波をパルス化することにより、マイクロ波の供給口付近への膜の堆積を防止し、マイクロ波の反応層への導入を長時間行うようにした技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５４４９２号公報
【特許文献２】
特開２００３−８１６１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法、特に特許文献１では、炭素分子の発光スペクトル帯にのみ着目してＣ２の振動温度を制御しているが、メタン等の炭化水素と水素とが同時にプラズマ化されるため、形成される炭素膜の結晶性や厚みをコントロールすることができず、所望の炭素膜を形成することができないという問題がある。
【０００６】
また、炭化水素と水素との混合ガスをプラズマ化するため、膜生成の複数の要因を個別かつ定量的にコントロールすることができず、更に、ガスの注入量及び注入時間を所望の値とすることも困難であるため、膜の形成を精密に制御することができないという問題もある。
【０００７】
そこで本発明は、膜の形成に関連する要因を個別かつ定量的に制御し、所望の炭素膜を形成できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための具体的手段として本発明は、炭素膜の形成に用いる複数のガスをプラズマ発生室に導入し、マイクロ波によりガスをプラズマ化させ、基板上に粒子を堆積させて炭素膜を形成する方法であって、複数のガスを時系列に区別して個別にプラズマ発生室内に導入すると共に、それぞれのガスの導入時間を制御し、マイクロ波は、それぞれのガスごとに電力値またはパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせて構成することを特徴とする炭素膜の形成方法を提供する。
【０００９】
このように構成される発明によれば、プラズマ発生室に個別にガスを導入し、個々のガスごとに異なる電力値またはパルス幅のマイクロ波によってプラズマを発生させることができるため、ガスの供給比率を時間的に変化させることができると共に、個々のガスごとに電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を制御することができる。
【００１０】
また、上記発明は、基板上に粒子を堆積させた後に、ガスの導入及びマイクロ波の供給を止める緩和時間を設けることを付加的な要件とする。
【００１１】
このように構成される発明によれば、緩和時間を設けることにより、その間に諸粒子を安定な位置に停止させることができる。
【００１２】
更に本発明は、ガスをプラズマ化させるプラズマ発生室と、プラズマ発生室内にガスを供給する原料供給部と、ガスをプラズマ化させるためのマイクロ波をプラズマ発生室に供給する電力供給部と、基板を保持する保持部と、プラズマ発生室内のガスを排気する排気部とを備えた炭素膜形成装置であって、原料供給部は、プラズマ発生室に対してガスを所定の圧力で所定の時間供給し、電力供給部は、電力値またはパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせて出力することを特徴とする炭素膜形成装置を提供する。
【００１３】
このように構成される発明によれば、マイクロ波の電力値及びパルス幅、ガスの注入圧及び注入時間を自在にコントロールすることができるため、電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を制御することができる。
【００１４】
また、上記発明は、原料供給部にガスパフを備えることを付加的要件とする。
【００１５】
このように構成される発明によれば、注入するガスの種類、注入圧及び注入時間をパルス状にしてコントロールすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に示す炭素膜形成装置１は、ガスをプラズマ化させるプラズマ発生室２と、プラズマ発生室２に膜の原料となるガスを供給する原料供給部３と、ガスをプラズマ化させるためのマイクロ波を供給する電力供給部４と、炭素膜が形成される基板を保持する保持部５と、プラズマ発生室２の内部のガスを排気する排気部６とから概ね構成される。
【００１７】
プラズマ発生室２は、例えば直径２００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒形に形成され、その内部には基板を保持する保持部５を収容している。また、側部には永久磁石７が固定されている。
【００１８】
原料供給部３は、炭素膜の原料となるプラズマ化させるガスをプラズマ発生室２に対して供給するもので、ガスを収容するガスボンベ３０ａ、３０ｂ、３０ｃと、ガスボンベ３０ａ、３０ｂ、３０ｃからプラズマ発生室２にそれぞれのガスを所定時間、所定圧力で供給するガスパフ３１ａ、３１ｂ、３１ｃとを備えている。なお、図示の例ではガスボンベ及びガスパフを３つずつ備えているが、形成する膜の種類に応じて必要な数だけ備えていればよい。
【００１９】
電力供給部４は、ガスをプラズマ化させるためのマイクロ波電力をプラズマ発生室２に供給するもので、電力及びパルス幅が異なる複数の電力をパルス変調により組み合わせて出力することができる。
【００２０】
保持部５は、基板を保持するホルダー５０と、基板を加熱するためのヒーター５１と、バイアス電圧を印加するバイアス印加用ＲＦ電源５２とを備えており、ホルダー５０によって保持された基板をヒーター５１によって所望の温度にすることができる。バイアス印加用ＲＦ電源５２は、ＲＦ電源５３と変調器５４とブロッキングコンデンサ５５とから構成され、基板に対して所望のバイアス電圧を所望の時間印加することができる。
【００２１】
排気部６は、プラズマ発生室２の内部のガスを装置の外部に排気すると共に、プラズマ発生室２の内部の圧力を所望の値にするもので、バルブとポンプ（図示せず）とを備え、バルブを開けた状態でポンプによってガスを吸引して排気減圧する。
【００２２】
次に、上記構成の炭素膜形成装置１を用いて炭素膜の一種であるダイヤモンド薄膜を形成する場合について説明する。
【００２３】
ホルダー５０においては、銅やアルミニウム等からなる基板８を保持する。また、ガスボンベ３０ａには水素ガスを、ガスボンベ３０ｂには炭素含有ガス、例えばメタンガスをそれぞれ蓄えておく。
【００２４】
まず最初に、ガスパフ３１ａによって水素ガス圧を１［Ｐａ］に保ち、ガスボンベ３０ａから水素ガスをプラズマ発生室２に導入する。そして、電力供給部４からマイクロ波５００［Ｗ］を投入して水素プラズマを生成し、バイアス印加用ＲＦ電源５２からは基板８に対して−５００［Ｖ］のバイアス電圧を印加して、水素イオンを基板８に照射する。このとき永久磁石７は、電子サイクロトロン共鳴効果によりプラズマ点火を容易にし、多極磁界効果によりプラズマの壁の損失を減らす役割を果たす。水素イオンの照射を３０分行うと、基板８の表面に１０［ｎｍ］程度の超微細な凹凸が形成される。
【００２５】
次に、凹凸ができた基板８の上にダイヤモンド薄膜を堆積させていく。まず、図２（Ａ）に示すように、ヒーター５１によって基板８の温度を８００［Ｋ］に保ち、図２（Ｂ）に示すように、バイアス印加用ＲＦ電源５２からのバイアス電圧を０［Ｖ］に保つ。
【００２６】
そして、図２（Ｃ）に示すように、０．５［ｍｓ］の間、ガスパフ３１ｂによってメタンガス圧を１００［Ｐａ］に保ち、メタンガスをプラズマ発生室２に導入し、この期間、図２（Ｅ）に示すように、１［ｋＷ］のマイクロ波をプラズマ発生室２に導入することにより、電子温度が１０［ｅＶ］、電子密度が１×１０１２［個／ｃｍ３］のメタンプラズマを生成し、多量のイオン及びラヂカル（ＣＨ３等）を発生させて、炭素層を堆積させる。この炭素層は、グラファイト構造形成の基となるｓｐ２状態の炭素原子群と、ダイヤモンド構造形成の基となるｓｐ３状態の炭素原子群とからなる不定形層である。
【００２７】
次に、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、バイアス電圧を−２００［Ｖ］にすると共に、メタンガスの導入開始から０．５［ｍｓ］経過後にメタンガスの供給を絶ち、図２（Ｄ）に示すように、３．５［ｍｓ］の間、ガスパフ３１ａによって水素ガス圧を１００［Ｐａ］に保ち、水素ガスをプラズマ発生室２に導入し、この期間、図２（Ｅ）に示すように、１００［Ｗ］のマイクロ波を導入することにより、電子温度が１［ｅＶ］、電子密度が１×１０１１［個／ｃｍ３］の水素プラズマを生成し、多量の水素ラヂカル（水素原子）を基板８に照射する。水素ラヂカルの照射により、ｓｐ２状態の炭素原子がＣＨ４として削り取られ、ｓｐ３状態の炭素原始群が基板８上に残る。
【００２８】
上記のようにして、１００［Ｐａ］のメタンガス及び１［ｋＷ］のマイクロ波電力の導入と、１００［Ｐａ］の水素ガス及び１００［Ｗ］のマイクロ波の導入とを交互に行い、メタン放電と水素放電とを繰り返すことにより、基板８上に０．１［μｍ／ｓ］の堆積速度でダイヤモンド微結晶層が形成されていく。
【００２９】
なお、メタンガスの導入及び１［ｋＷ］のマイクロ波によるプラズマ化と、水素ガスの導入及び１００［Ｗ］のマイクロ波によるプラズマ化を行うことによりｓｐ３状態の炭素原始群が基板８上に残された後に、図３に示すように、所定時間、ガスの導入及びマイクロ波の供給を止める緩和時間を設けることが望ましい。緩和時間においては、堆積した諸粒子が安定な位置に停止し、膜の内部の結晶構造が安定するため、ダイヤモンド薄膜の膜質を高めることができる。緩和時間Ｔは、例えば１０［秒］程度とすることが望ましい。
【００３０】
このように、パルス変調した複数種類のマイクロ波を用いてプラズマを発生させることにより、電力の強さによってイオン及びラジカルの量をコントロールすることができると共に、パルス幅によってイオン及びラヂカルの堆積時間もコントロールすることができるため、薄膜の性質及び厚みを自在に調整することができる。
【００３１】
また、導入するガスの種類と、圧力及び時間をコントロールすることもできるため、ガスの供給比率を変化させることができ、個々のガスごとに電子温度、電子密度、プラズマ化の時間をコントロールすることができるため、これによって膜質及び厚みを調整することができ、複雑な膜を形成することが可能となる。
【００３２】
上記の実施の形態においては、炭素膜形成装置１を用いてダイヤモンド薄膜を形成する場合を例に挙げて説明したが、炭素膜形成装置１を用い、種々のガスとパルス変調したマイクロ波とを用いれば、ダイヤモンド薄膜だけでなく、様々な炭素膜を形成することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る炭素膜の形成方法によれば、プラズマ発生室に個別にガスを導入し、個々のガスごとに異なる電力値またはパルス幅のマイクロ波によってプラズマを発生させることができるため、ガスの供給比率を時間的に変化させることができると共に、個々のガスごとに電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を制御することができるため、膜質をコントロールすることができ、所定厚みの膜を形成することができ、複雑な膜を形成することが可能となる。
【００３４】
また、緩和時間を設けることにより、その間に諸粒子を安定な位置に停止させることができるため、膜の内部の構造が安定し、高品質な炭素膜を形成することができる。
【００３５】
更に、本発明に係る炭素膜形成装置によれば、マイクロ波の電力値及びパルス幅、ガスの注入圧及び注入時間を自在にコントロールすることができ、電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を制御することができるため、膜の性質や厚みをコントロールして所望の膜を形成することができ、多くの目的に利用することができる。
【００３６】
また、原料供給部にガスパフを備えたことにより、注入するガスの種類、注入圧及び注入時間をパルス状にコントロールすることができるため、電子温度及び電子密度並びにプラズマ化の時間を精密に制御することができ、所定の膜を所定の厚みに形成するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素膜形成装置の一例を模式的に示した構成図である。
【図２】本発明に係る炭素膜の形成方法の一例を示すタイムチャートである。
【図３】緩和時間の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…炭素膜形成装置
２…プラズマ発生室
３…原料供給部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…ガスボンベ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…ガスパフ
４…電力供給部
５…保持部
５０…ホルダー
５１…ヒーター
５２…バイアス印加用ＲＦ電源
５３…ＲＦ電源
５４…変調器
５５…ブロッキングコンデンサ
６…排気部
７…永久磁石
８…基板
【図１】
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【図２】
2004359482.tif 000004
【図３】
2004359482.tif 000005