(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５００〜７００℃に保持した基板に−２００〜−３２０Ｖの負バイアスを印加し、マイクロ波照射により基板表面近傍にプラズマを発生させ、原料メタンを反応域に送り込み、原料メタンのプラズマ分解で生成した炭素の正イオンを基板に移行させ、且つ基板に流す電流を電流密度：１〜５ｍＡ／ｃｍ2の範囲で調整することにより基板に移行する炭素の正イオンの供給量を制御することを特徴とする微結晶ダイヤモンド薄膜の低温成膜法。
【請求項２】
チャンバ内に配置した基板支持台と、基板支持台にセットされる基板の周囲を取り囲む絶縁体と、基板に負バイアスを印加し、基板に流れる電流を制御する負バイアス直流電源と、ダイヤモンド結晶成長中に基板表面近傍にプラズマを発生させるマイクロ波照射機構を備え、原料メタンのプラズマ分解で生成した炭素の正イオンを基板に移行させることを特徴とする微結晶ダイヤモンド薄膜の低温成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、平坦性の良好な微結晶ダイヤモンド薄膜を従来より低温で成膜する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、優れた絶縁特性，光透過性，耐高温特性，機械的強度を呈することから、シリコンに代わる材料として電子デバイス，機能薄膜，光学窓，低電界駆動電子放出素子，保護膜等として注目されている。この種の用途では、平坦な表面をもつダイヤモンド薄膜を作製することが不可欠である。
従来のダイヤモンド薄膜は、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法等によってシリコン基板上にダイヤモンドを堆積させることにより成膜している。しかし、成膜されたダイヤモンド薄膜は、ミクロンオーダーの表面凹凸をもち、電子デバイス，光学素子等の微細なデバイスを作り込むのに適した平坦性を備えていない。
【０００３】
平坦なダイヤモンド薄膜の作製には堆積初期過程で成長核の制御が重要とされ、砥石研磨，エッチング，超音波処理等でシリコン基板を粗面化している。たとえば、特開平５−９７５８２号公報では、エッチング処理でシリコン基板の表面に１×１０7〜１×１０9個／ｃｍ2の割合で微細な凹部を形成した後、ダイヤモンド薄膜をシリコン基板上にヘテロエピタキシャル成長させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
微細な凹凸の形成により，当初平坦であったシリコン基板が粗くなり、平坦性が要求されるデバイス，低電界駆動電子放出素子等への応用が困難になる。しかも、薄膜成長に先立って粗面化が必要となるため、製造プロセスが複雑化する。また、ダイヤモンド薄膜をシリコン基板上で成長させるとき、従来法ではシリコン基板を８５０℃程度に保持している。シリコン基板へのダメージやダイヤモンド結晶粒の粒径等を考慮すると、基板保持温度は可能な限り低いことが好ましいが、６００℃程度まで基板保持温度を下げるとダイヤモンドの核生成が起こらず、ダイヤモンド薄膜が堆積・成長しなくなる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ダイヤモンド結晶成長中の基板に負バイアスを印加することにより、メタンのプラズマ分解で生成した炭素の正イオンの基板への移行・堆積を促進させ、基板の粗面化処理等を必要とすることなく、平坦性に優れた微結晶ダイヤモンド薄膜を低温成膜することを目的とする。
【０００６】
本発明の低温成膜法は、その目的を達成するため、５００〜７００℃に保持した基板に−２００〜−３２０Ｖの負バイアスを印加し、マイクロ波照射により基板表面近傍にプラズマを発生させ、原料メタンを反応域に送り込み、原料メタンのプラズマ分解で生成した炭素の正イオンを基板に移行させ、且つ基板に流す電流を電流密度：１〜５ｍＡ／ｃｍ2の範囲で調整することにより基板に移行する炭素の正イオンの供給量を制御することを特徴とする。
また、低温成膜装置は、チャンバ内に配置した基板支持台と、基板支持台にセットされる基板の周囲を取り囲む絶縁体と、基板に負バイアスを印加し、基板に流れる電流を制御する負バイアス直流電源と、ダイヤモンド結晶成長中に基板表面近傍にプラズマを発生させるマイクロ波照射機構を備えている。
【０００７】
【作用】
気相成長させた薄膜は、結晶粒径を小さくすることにより平坦性が向上する。結晶粒径は、成膜中の基板温度を上げると大きくなり、基板温度を下げると小さくなる。しかし、メタンＣＨ4を原料とするマイクロ波プラズマＣＶＤ法では、基板温度を６００℃程度まで下げるとダイヤモンドの核生成・結晶成長が生じないため、従来では８５０℃程度が最適な成膜温度とされている。
【０００８】
これに対し、本発明では、結晶成長中の基板に負バイアスを印加すると共に基板表面近傍にプラズマを発生させて原料メタンを反応域に送り込むことにより、メタンをプラズマ分解し、生成した炭素の正イオンを基板に効率よく移行・堆積させている。基板以外の部分を絶縁体で覆うとき、基板以外の部分に炭素の正イオンが流れることを防止でき、基板に流れる電流だけを制御することが可能となる。その結果、基板に流れる電流を制御することにより基板に注入される炭素イオンの量が正確に制御され、ダイヤモンドの低温核生成が容易になる。
【０００９】
このように基板に負バイアスを印加してプラズマ分解反応を利用することにより、従来ではダイヤモンドの核生成・結晶成長が生じないとされていた６００℃程度の低温でもダイヤモンド薄膜の成膜が可能になる。成膜温度の低温化により、析出したダイヤモンド結晶粒がナノメーターオーダーの微結晶となる。また、シリコン基板に粗面化処理を施す必要がないため基板の平坦性が保持され、ダイヤモンド薄膜の平坦度が向上する。
【００１０】
【実施の形態】
本発明に従ったダイヤモンド薄膜の成膜では、たとえば概略を図１に示した負バイアス印加マイクロ波プラズマＣＶＤ装置が使用される。
このプラズマＣＶＤ装置は、たとえばステンレス鋼製のチャンバ１に基板支持台２を配置し、基板支持台２上にグラファイト電極３を介してシリコン基板４を載置し、シリコン基板４の周囲を石英板５（絶縁体）で取り囲んでいる。基板としては、シリコンに限らず他の半導体材料や金属基板等を使用することもできる。
【００１１】
アースされたチャンバ１及びグラファイト電極３を負バイアス直流電源６に結線することにより、シリコン基板４に負バイアスが印加される。シリコン基板４以外の基板支持台２の部分が石英板５で覆われているので、バイアス印加時に全ての電流がシリコン基板４に流れ、バイアス電圧制御によってシリコン基板４に流れる電流を管理できる。また、マイクロ波電源８から発生したマイクロ波を変調器９で変調し、導波管１０及モード変換器１１を経てチャンバ１に送り込み、シリコン基板４の表面近傍にプラズマ７を発生させる。なお、符番１２は、マイクロ波電源８に付設したダミーロードを示す。
Ｈ2をキャリアガスとして原料メタンＣＨ4を負バイアスが印加されたシリコン基板４に向けて流すと、原料メタンＣＨ4はプラズマ７に接して分解され、生成した炭素原子が正に帯電する。炭素の正イオンは、負に印加されているシリコン基板４に引っ張られ、ダイヤモンド薄膜として堆積・成長する。
【００１２】
微結晶ダイヤモンドを成膜する際、シリコン基板４に印加するバイアス電圧を−２００〜−３２０Ｖに維持することが好ましい。−２００Ｖ未満のバイアス電圧では、十分な核生成が行われず，微結晶ダイヤモンドが堆積しない。逆に−３２０Ｖを超えるバイアス電圧では、炭素イオンが過剰になって応力を発生させ、シリコン基板４に反りを引き起こす原因になる。
基板に流れる電流は、ダイヤモンドの核生成を均一に行わせるため電流密度１〜５ｍＡ／ｃｍ2の範囲で調節することが好ましい。１ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度では、炭素イオンの密度が少なくなり十分な核生成が生じない。逆に５ｍＡ／ｃｍ2を超える電流密度では、炭素イオンの密度が過剰になるため、炭素がＳｉの原子間に侵入し、応力を発生させる原因になる。
【００１３】
【実施例】
図１に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、原料メタンＣＨ4からダイヤモンドを合成した。励起源には、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源（１０００Ｗ）を使用した。
チャンバ１にセットされたシリコン基板４を５００〜７００℃の温度域に保持し、メタンＣＨ4（原料）及び水素Ｈ2（キャリア）をそれぞれ流量１２ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍで反応域に送り込み、基板温度及びバイアス電圧がダイヤモンド結晶の生成・成長に及ぼす影響を調査した。なお、プラズマ７は、マイクロ波電源８により発生させた。
【００１４】
５００〜７００℃の温度域全てにおいて、シリコン基板４上に微結晶質のダイヤモンド薄膜が形成された。基板温度６００℃で成膜したダイヤモンド薄膜は、微結晶ダイヤモンドの割合が最も多く、微小硬度計（ナノインデンター）で測定したところダイヤモンドとほぼ同じ硬さ６０ＧＰａをもっていた。
−１６０Ｖ未満のバイアス電圧をシリコン基板４に印加した場合、微結晶ダイヤモンドの堆積が検出されなかった。バイアス電圧を−２００〜−３２０Ｖにあげると、微結晶ダイヤモンド薄膜がシリコン基板４上に堆積した。しかし、バイアス電圧を−３２０Ｖ以上に上げると、応力の発生によってシリコン基板４が大きく反った。
【００１５】
基板温度６００℃，バイアス電圧−２６０Ｖで、バイアス印加時にシリコン基板４に流れる電流が４．０ｍＡ／ｃｍ2のとき、微結晶ダイヤモンド薄膜の生成・成長が最も好適に進行した。成膜されたダイヤモンド薄膜は、図２の原子間力顕微鏡写真にみられるように、ナノメーターオーダーの極めて平坦度の高い表面をもっていた。
面方位が（１１１）面のシリコン基板４上に成膜した微結晶ダイヤモンド薄膜は、図３のＸ線回折曲線にみられるように、回折角度２θが約４４度及び約７５度にピークがあり、他のピークは検出されなかった。２θ≒４４度のピークはダイヤモンド（１１１）面に当たり、２θ≒７５度のピークはダイヤモンド（２２０）面に当たる。図３の結果からも、得られた薄膜がダイヤモンド薄膜であることが判る。しかも、ピークの半値幅が広いことから、ダイヤモンドの結晶粒径がナノメータ程度と小さいことも判る。
【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、基板表面近傍にプラズマを発生させると共に基板に負バイアスを印加することにより、反応域に導入される原料メタンのプラズマ分解で生成した炭素の正イオンを基板表面に移行させ、ダイヤモンド結晶の生成・成長を促進させている。この方法によるとき、基板を５００〜７００℃の比較的低温に保持してダイヤモンドの結晶成長が進行するため、生成したダイヤモンドがナノメーターオーダーの微結晶となり、ダイヤモンド薄膜の平坦性が向上する。このようにして作製されたダイヤモンド薄膜は、超精密素子の書込みに適した極めて平坦度の高い表面をもち、電界効果トランジスタ等の電子デバイス，発光デバイス，高周波デバイス，電子放出デバイス，光学デバイス，工具保護膜等、広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従ったダイヤモンド薄膜作製用プラズマＣＶＤ装置の概略図
【図２】  実施例で作製されたダイヤモンド薄膜の原子間力顕微鏡写真
【図３】  実施例で作製されたダイヤモンド薄膜のＸ線回折曲線を示すグラフ
【符号の説明】
１：チャンバ    ２：基板支持台    ３：グラファイト電極    ４：シリコン基板    ５：石英板    ６：負バイアス直流電源    ７：プラズマ    ８：マイクロ波電源
【図１】
0003874984.tif 000002
【図２】
0003874984.tif 000003
【図３】
0003874984.tif 000004