(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽とガス導入管と導波管とを有し、
前記真空槽内に基板を配置し、組成式中に炭素原子を有するダイヤモンド薄膜の原料ガスを、前記ガス導入管によって前記真空槽内に導入し、前記導波管内にマイクロ波を放射し、前記原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、
前記プラズマ中の物質を前記基板表面に到達させ、前記基板表面に薄膜を形成するダイヤモンド薄膜製造装置であって、
前記導波管の側面にはスロットが設けられ、
前記スロットから前記真空槽内に前記マイクロ波が漏洩するように構成され、
前記基板に負電圧を印加できる可変電圧電源が設けられたことを特徴とするダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項２】
前記導波管のスロットが設けられている面には誘電体窓が気密に固定されたことを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項３】
前記ガス導入管の先端部は前記誘電体窓近傍に配置され、
前記先端部から供給された前記原料ガスが、前記誘電体窓表面と平行な方向に流れるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項４】
前記可変電圧電源は、前記基板に正電圧を印加できるように構成され、
前記誘電窓は炭化された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項５】
前記真空槽内の前記導波管と前記基板との間の位置に、電位制御可能な電極が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項６】
前記真空槽には、前記基板裏面を観察できる測温窓が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項７】
前記導波管には、前記基板の成膜面を観察できる測温孔が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【請求項８】
前記真空槽には、少なくとも２個の測定窓が設けられ、
一方の測定窓は、前記基板の成膜面に５０°以上９０°未満の入射角で測定光を照射できるように構成され、
他方の測定窓は、前記成膜面で返光された反射光を通過させられるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置の技術分野にかかり、特に、マイクロ波を用い、大面積のダイヤモンド薄膜を形成できるプラズマＣＶＤ装置の技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、シリコンと同じ結晶構造の半導体物質であり、バンドギャップが広く、高耐熱性且つ高硬度であることから、近年、高周波パワーデバイス、短波長光デバイスや、耐磨耗性のコーティング材料として注目されている。
しかし、ダイヤモンドを、半導体装置に用いるためには、高圧合成ダイヤモンドは高価であり、実用的でない。
【０００３】
そこで従来より、高品質のダイヤモンド薄膜を安価に製造できる技術が研究されており、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、ＤＣ放電法、燃焼炎法等が提案されている。
【０００４】
それらのうち、マイクロ波プラズマＣＶＤ法が高品質のダイヤモンド薄膜を形成できることから有望視されている。図３の符号１０１は、そのマイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド薄膜を製造する、従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の部分拡大図である。
【０００５】
このダイヤモンド薄膜製造装置１０１は、導波管１１１と、石英チューブ１１５を有しており、導波管１１１は、断面矩形形状を呈し、石英チューブ１１５が、導波管１１１を垂直に貫いた状態で立設されている。
【０００６】
石英チューブ１１５内に成膜対象の基板を挿入し、石英チューブ１１５内に炭素原子を含む原料ガスを導入し、図示しないマイクロ波発生器を動作させ、導波管１１１内にマイクロ波を放射すると、そのマイクロ波は石英チューブ１１５に照射され、石英チューブ１１５内にプラズマ１１７が発生する。
そして、プラズマ中の炭素原子が基板表面に到達し、結晶が成長するとダイヤモンド薄膜が形成される。
【０００７】
しかしながら、マイクロ波は波長が短いため、伝搬できるプラズマ密度の上限である遮断密度は７×１０10ｃｍ3となり、その遮断密度以上に高密度なプラズマ中を伝搬することができない。
【０００８】
従って、マイクロ波では、高密度プラズマ内に侵入できず、そのためプラズマ密度が大きくならない。また、基板表面には小面積のダイヤモンド薄膜しか形成できないという問題がある。例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合、その波長は１２ｃｍ程度と短いため、直径約１ｃｍ程度のダイヤモンド薄膜しか形成できない。
【０００９】
そこでプラズマを広げるため、図４に示したダイヤモンド薄膜製造装置１０２が提案されている。
このダイヤモンド薄膜製造装置１０２では、導波管１２１と石英チューブ１２５の他、電磁ホーン１２２を有しており、その電磁ホーン１２２は、一端が導波管１２１の断面形状と同じ形状・大きさにされ、他端が数倍の大きさの開口部に形成されている。
【００１０】
電磁ホーン１２２の一端は導波管１２１に接続され、他端側には石英チューブ１２５が横設されており、予め、石英チューブ１２５内に成膜対象の基板を配置し、原料ガスを導入すると共に、図示しないマイクロ波発生器を動作させ、導波管１２１内にマイクロ波を導入すると、そのマイクロ波は電磁ホーン１２２内で発散され、開口端部から石英チューブ１２５に向けて照射される。
【００１１】
このダイヤモンド薄膜製造装置１０２では、径の大きい石英チューブ１２５やステンレス真空槽内の広い面積にマイクロ波が照射されるので、比較的大きなプラズマ１２７を生成することができるが、ダイヤモンド薄膜の直径は数ｃｍ程度が限界であり、しかも、成長速度が遅いという欠点がある。
【００１２】
他方、強力な磁場(８７５Ｇ以上)によってプラズマを共鳴励起させ、高密度なプラズマを発生させる電子サイクロトロン共鳴ダイヤモンド薄膜製造装置が知られているが、成長速度が遅く、また、大がかりな磁場発生装置を必要とする等の欠点がある。
【００１３】
ダイヤモンド薄膜を、その特性を利用して、平面ディスプレー、半導体集積回路基板のヒートシンク、Ｘ線露光用マスクのメンブレム、あるいは耐磨耗性のコーティング材料等に使用する場合には、少なくとも直径１０ｃｍ以上、実用的には、一辺が２０ｃｍ〜５０ｃｍ程度の大きさのダイヤモンド薄膜を形成する必要がある。従って、上述の従来技術の装置は、いずれも実用に適さない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、大面積のダイヤモンド薄膜を高速に形成できる技術を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、真空槽とガス導入管と導波管とを有し、前記真空槽内に基板を配置し、組成式中に炭素原子を有するダイヤモンド薄膜の原料ガスを、前記ガス導入管によって前記真空槽内に導入し、前記導波管内にマイクロ波を放射し、前記原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、前記プラズマ中の物質を前記基板表面に到達させ、前記基板表面に薄膜を形成するダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管の側面にはスロットが設けられ、前記スロットから前記真空槽内に前記マイクロ波が漏洩するように構成され、前記基板に負電圧を印加できる可変電圧電源が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管のスロットが設けられている面には誘電体窓が気密に固定されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１乃至請求項２のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記ガス導入管の先端部は前記誘電体窓近傍に配置され、  前記先端部から供給された前記原料ガスが、前記誘電体窓表面と平行な方向に流れるように構成されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記可変電圧電源は、前記基板に正電圧を印加できるように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽内の前記導波管と前記基板との間の位置に、電位制御可能な電極が設けられたことを特徴とする。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽には、前記基板裏面を観察できる測温窓が設けられたことを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管には、前記基板の成膜面を観察できる測温孔が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽には、少なくとも２個の測定窓が設けられ、一方の測定窓は、前記基板の成膜面に５０°以上９０°未満の入射角で測定光を照射できるように構成され、他方の測定窓は、前記成膜面で返光された反射光を通過させられるように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明は上述のように構成されており、真空槽内に基板を配置し、ガス導入管から薄膜の原料ガスを導入し、導波管内にマイクロ波を放射し、原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、プラズマ中の物質を基板表面に到達させると、薄膜を形成できるようになっている。
【００２４】
このダイヤモンド薄膜製造装置では、導波管の側面にスロットが設けられ、マイクロ波がスロットから真空槽内に漏洩するように構成されているので、導波管の近傍に、プラズマを生成できるようになっており、プラズマ表面が極端に励起された場合、拡散により、プラズマ内部が遮断密度以上の高密度になる。
【００２５】
導波管のスロットが設けられている面に、誘電体窓を気密に固定させておくと、真空槽内部と導波管内部とを気密に分離されるので、真空槽内には不純物は侵入せず、また、真空槽内部を高真空状態に維持することができる。
【００２６】
また、ガス導入管の先端部を誘電体窓近傍に配置し、原料ガスを誘電体窓に平行な方向に流すように構成しておくと、誘電体窓から分離した不純物が、原料ガスによって運び去られ、真空排気によって除去されるので、形成される薄膜の純度が向上する。
【００２７】
また、可変電圧電源により、真空槽内に配置された基板と真空槽との間に所望の大きさの電圧を印加できるように構成し、真空槽に対し、基板を負電位にしながらダイヤモンド薄膜を形成すると、ダイヤモンド核発生密度が増大し、また、結晶方位が整合しながら成長する。
【００２８】
逆に、真空槽に対し、基板を正電位にすると、誘電体窓が炭化されて、その後基板にダイヤモンド薄膜を形成したときに不純物が混入しない。窓材が不純物として混入する場合は、このような正電位処理を行うこともできる。
【００２９】
更にまた、真空槽内部のプラズマと基板との間の位置に、電位制御可能な電極を設けておくと、プラズマの位置を移動させられるので、誘電体窓とプラズマとの距離を離し、誘電体窓がエッチングされないようにすることができる。
【００３０】
以上説明したダイヤモンド薄膜製造装置では、基板の成膜面に、高純度の薄膜を高速で形成できるようになっており、真空槽に、基板の裏面を観察できる測温窓を設けておくと、薄膜形成中の基板温度を監視できるので、薄膜の膜厚制御性が向上する。
この場合、基板の成膜面を観察できる測温孔を導波管に設けてもよい。
【００３１】
また、真空槽に、測定窓を少なくとも２個設け、一方の測定窓から、基板の成膜面に対し、５０°以上９０°未満の入射角で測定光を照射し、他方の測定窓を介して、反射光を真空槽外に射出できるように構成しておくと、成膜中の薄膜の状態を観察できるようになる。
【００３２】
なお、スロットを細溝形状に形成し、少なくとも２個設けた場合には、各スロットから真空槽内に漏洩したマイクロ波は、強度が強め合われるので、生成されるプラズマ密度が高くなる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図２(ａ)と、図２(ａ)のＡ−Ａ線截断面図に相当する図１とを参照し、符号１は、本発明のダイヤモンド薄膜製造装置であり、底面側が開放された真空槽２０と、真空槽２０のその底面側に配置された導波管４を有している。
【００３４】
真空槽２０と導波管４とは、互いに気密に固定されており、導波管４の真空槽２０側の側面３５には、１個のスロット(細溝状貫通孔)６が設けられている。スロット６は、幅約１０ｍｍ、長さ約６ｃｍに形成されており、そのスロット６の上部には、誘電体窓５が気密に固定され、真空槽２０内部が、導波管４内部から気密に分離されている。
【００３５】
他方、真空槽２０の天井側には、基板を載置可能な基板ホルダ３０が設けられており、このダイヤモンド薄膜製造装置１によって、ダイヤモンド薄膜を形成する場合、先ず、真空槽２０内の真空雰囲気を維持した状態で、粒径１μｍ以下のダイアモンド粉末で処理されたシリコンウェハーから成る基板を基板ホルダ３０に載置する。
【００３６】
図１の符号３１はその状態の基板を示しており、この基板３１の成膜面３２は下方位置の導波管４側に向けられており、成膜面３２と誘電体窓５とは、互いに平行に対向配置されている。
【００３７】
次いで、真空槽２０内を真空排気しながら、図示しない加熱機構によって基板３１を加熱し、昇温させる。
【００３８】
基板３１裏面位置の真空槽２０を構成する部分には、孔と、その孔を気密に封止した石英材料とから成る測温窓２２が設けられており、基板３１を昇温させる際、基板３１裏面から放射される赤外光を測温窓２２を通過させ、その測温窓２２近傍に配置された赤外温度計３８によって通過した赤外光を受光し、温度測定を行いながら昇温させた。
【００３９】
このダイヤモンド薄膜製造装置１は、図示しないガス導入系と、そのガス導入系に接続されたガス導入管９を有しており、ガス導入管の端部は、真空槽２０の天井側から内部に鉛直に挿入されている。
【００４０】
ガス導入管９の先端部１０は、誘電体窓５近傍で水平方向に屈曲されており、基板３１が８５０℃で安定したところで、先端部１０から、水素希釈メタンガス(メタン１％−水素９９％乃至メタン３％−水素９７％の希釈率の混合ガス)から成る原料ガスを放出させた。
【００４１】
水素希釈メタンガスの放出により、真空槽２０内が２０Ｔｏｒｒ乃至３０
Ｔｏｒｒの圧力で安定した後、導波管４内にマイクロ波を導入し、スロット６及び誘電体窓５を介して真空槽２０内にマイクロ波を漏洩させた。
【００４２】
導波管４のスロット６は、マイクロ波の進行方向２４に対して長手方向が垂直方向に向けられており、漏洩したマイクロ波により、原料ガスが励起され、誘電体窓５近傍に、スロット６方向に短軸を有する楕円状で、２０〜３０ｃｍ2の面積のプラズマ３が生成された。
【００４３】
このダイヤモンド薄膜製造装置１では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波(波長１２ｃｍ)が用いられており、そのプラズマ波は、導波管４内を、図１の紙面後方から紙面手前に向け、側面３５に沿って進行するようにされている。
【００４４】
導波管４のスロット６は、上述したように、長手方向の大きさが６ｃｍであり、マイクロ波の波長の１／２になっており、その長手方向は、マイクロ波の進行方向２４に対して垂直方向に向けられている。
【００４５】
このような構成によると、スロット６から真空槽２０内に漏洩したマイクロ波はスロット６内で定在波を形成し、誘電体窓５近傍で高密度のプラズマを３を発生する。
【００４６】
一般的に、マイクロ波は、遮断密度(周波数２．４５ＧＨｚに対して７×１０10ｃｍ-3)以上に高密度なプラズマ表面では反射してしまい、プラズマ内に進入できないため、マイクロ波によって直接生成できるプラズマは、遮断密度が上限の密度となる。
【００４７】
ところが、このダイヤモンド薄膜製造装置１では、マイクロ波が、真空槽２０内のプラズマ３の誘電体窓５近傍の表面部分を極端に励起するため、その部分のプラズマ３が基板３１方向に拡散し、その結果、発生したプラズマ３の内部は遮断密度以上の高密度になり、成膜速度を向上させることができる。
【００４８】
しかし、そのような高密度のプラズマ３が誘電体窓５に接近した場合、誘電体窓５がプラズマ３によってエッチングされ、遊離すると不純物となり、ダイヤモンド薄膜中に混入するおそれがある。
【００４９】
このダイヤモンド薄膜製造装置１では、真空槽２０外に、２個の可変電圧電源２６、２８が設けられており、真空槽２０内には、誘電体窓５と基板ホルダ３０との間の位置に、網状の電極１５が設けられている。
【００５０】
その電極１５は、一方の可変電圧電源２６の電極に接続されており、導波管４に対し、所望電位に置くことができるようになっている。また、真空槽２０内に配置された基板３１は、他方の可変電圧電源２８に接続され、真空槽２０に対して所望電位に置けるように構成されている。
【００５１】
誘電体窓５近傍で発生したプラズマ３は、誘電体窓５と電極１５との間に位置しているため、一方の可変電圧電源２６によって電極１５の電位を制御すると、プラズマ３と誘電体窓５との間の距離を変えることができる。従って、プラズマ３と誘電体窓５との距離を適当に離し、誘電体窓５がプラズマ３によってエッチングされないようにすることができる。
【００５２】
また、ガス導入管９の先端部１０は、上述したように、水平方向に屈曲されており、その先端部１０から放出された原料ガス１１は、誘電体窓５表面に平行な方向に流れるようになっている。従って、誘電体窓５を構成する物質が遊離した場合でも、その物質は原料ガス１１の流れによって運び去られ、真空排気によって除去されるので、形成中のダイヤモンド薄膜に、不純物となって混入することはない。
【００５３】
このダイヤモンド薄膜製造装置１では、真空槽２０の側壁に、２つの測定窓２１1、２１2が設けられており、一方の測定窓２１1近傍には、図示しない光照射装置が配置されている。また、他方の測定窓２１2近傍には、受光装置が配置されている。
【００５４】
可変電圧電源２８によって、真空槽２０に対して基板３１を負電位に置き、マイクロ波パワーを８００Ｗとし、上述のように、測温窓２２からの基板３１の温度観察によって基板３１の温度を８００℃に維持し、薄膜形成を行った。
【００５５】
その薄膜を成長させる際、一定の偏光状態にある測定光２７1を、一方の測定窓２１1を通過させ、５０°以上９０°未満の入射角度で、薄膜形成中の基板３１の成膜面３２に照射し、成膜面３２で反射され、偏光状態が変化した反射光２７2を、他方の測定窓２１2を通過させ、真空槽２０外に配置された受光装置で受光し、偏光解析測定を行った。
【００５６】
成膜後、基板を取り出してラマン分光分析を行った結果、１３３２ｃｍ-1のところにビークが観察され、成膜面３２上には、不純物を含まないダイヤモンド薄膜が成長していることを確認できた。成長速度は１時間当たり０．２〜０．３μｍであった。基板３１に形成されたダイヤモンド薄膜の結晶方位整合性は高かった。
【００５７】
なお、スロット数を２個に増やし、マイクロ波パワーを２ｋＷ、基板温度を８５０°とし、６０分間反応させた場合、基板表面に直径１５ｃｍの領域にダイヤモンド薄膜が形成された。
このように、本発明のプラズマ波ＣＶＤ装置１によれば、高品質のダイヤモンド薄膜を高い成膜速度で形成することができる。
【００５８】
ところで、この導波管４には、スロット６が形成されている面とは反対の面に、スロット６に比べて微小な測温孔２３が設けられている。従って、薄膜形成中の基板３１の温度制御を行う際、基板３１の成膜面３２側から放射され、測温孔２３を通過した赤外光を、測温孔２３近傍に配置した赤外線温度計２９によって受光し、温度測定を行ってもよい。
【００５９】
なお、基板３１の温度を変えてダイヤモンド薄膜を成長させたところ、基板温度と成長速度の関係は、従来のダイヤモンド薄膜製造装置によって得られているのと同様の関係であった。基板３１の温度測定は、測温窓２２又は測温孔２３を用いて行ったため、その温度測定結果が正確であることが確認できた。
【００６０】
また、メタンガスに水素ガスが添加された原料ガス、メタンガスに水素ガス及び酸素ガスが添加された原料ガス、又はメタンガスに水素ガスとアルゴンガスが添加された原料ガスを用い、上記ダイヤモンド薄膜製造装置１によってプラズマを生成し、薄膜を形成したところ、ラマン分光分析及び電子顕微鏡観察により、その薄膜は、ダイヤモンド薄膜であることが確認できた。
【００６１】
以上は、導波管の側面３５に１個又は２個のスロットを設けた場合を説明したが、図２(ｂ)に示すように、３個以上のスロット６'を「ハ」字形状に配置してもよい。この場合、各スロットの長さＬ、及び中心間距離Ｗをマイクロ波の管内波長の１／２にしておくと、真空槽２０内部に漏洩したマイクロ波の強度を強めることができる。
【００６２】
【発明の効果】
薄膜の形成速度が早く、不純物を含まない薄膜を形成できる。
基板温度の制御性がよい。
特に、大面積で、高品質のダイヤモンド薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイヤモンド薄膜製造装置の一例を示す図(図２のＡ−Ａ線截断面図)
【図２】(ａ)：そのダイヤモンド薄膜製造装置をスロット形状及び配置を説明するための図
(ｂ)：スロットの他の配置例を示す図
【図３】従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の一例
【図４】従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の他の例
【符号の説明】
１…ダイヤモンド薄膜製造装置    ３…プラズマ    ４…導波管    ５…誘電体窓    ６、６'…スロット    ９…ガス導入管    １０…ガス導入管の先端部  １１…原料ガス    １５…電極    ２０…真空槽    ２１1、２１2…測定窓  ２２…測温窓    ２３…測温孔    ２７1…測定光    ２７2…反射光    ２８……可変電圧電源  ３１…基板    ３２…成膜面    ３５…導波管側面
【図１】
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【図２】
0003938424.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003938424.tif 000005