(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽に設けられた第１、第２のクヌーセンセルとを有し、
前記真空槽内に基板を配置し、
前記第１のクヌーセンセル内に、組成中に炭素を含むガスを導入し、炭素原子又は組成中に炭素を含むラジカルを放出させ、
前記第２のクヌーセンセルから、酸素原子又は水素原子のいずれか一方又は両方の原子を放出させ、
前記基板表面に到達させ、ダイアモンド薄膜を形成することを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記真空槽には紫外線照射装置が設けられ、
前記基板表面に紫外線を照射できるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記紫外線照射装置にはエキシマランプが設けられ、
前記エキシマランプで前記紫外線を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項２記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記真空槽には電子線照射装置が設けられ、
前記基板表面に電子線を照射でき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３のいずれか１項記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の分子線エピタキシャル成長装置を用い、
前記基板表面にダイアモンド薄膜をヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とするダイアモンド薄膜形成方法。
【請求項６】
前記ダイアモンド薄膜表面に、更に、ダイアモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項５記載のダイアモンド薄膜形成方法。
【請求項７】
前記基板にシリコンカーバイドを用いることを特徴とする請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のダイアモンド薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド薄膜を形成する技術分野にかかり、特に、不連続でなく、連続した単結晶から成るダイヤモンド薄膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイアモンドは、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、耐熱性や耐環境性が高いことから、近年では、短波長光デバイスや、高信頼性の高周波デバイスの材料として注目されている。
【０００３】
ダイアモンドを半導体装置に用いる場合には、天然ダイヤモンドや高圧合成ダイアモンドは高価であり、実用的でない。そこで、従来より、プラズマＣＶＤ方法等の薄膜形成方法により、シリコン基板やシリコンカーバイド基板表面にダイアモンド薄膜をヘテロエピタキシャル成長させる技術が研究されている。
【０００４】
一般に、プラズマＣＶＤ方法によってダイアモンド薄膜を形成する場合には、結晶核の生成と、ダイアモンド薄膜成長とを２段階に分けて行われており、先ず、基板に負電圧を印加した状態で結晶核を発生させ、次いで、負電圧の印加を停止した状態で結晶核を成長させ、成長した結晶粒を合体させ、ダイアモンド薄膜を得ている。
【０００５】
しかしながら、結晶核の成長段階では、基板表面に正イオンが入射するため、下地の基板と局所的に方位整合しながら局所的に発生する。
【０００６】
その状態では結晶核は基板表面で島状に散在しており、ある程度結晶核が生成された後、負電圧の印加を停止し、結晶を成長させると、ダイアモンド薄膜は島状に散在する結晶核を中心として成長し、成長した結晶核が合体した後、漸く連続したダイアモンド薄膜が得られる。従って、ダイヤモンド薄膜形成に長時間を要するだけではなく、得られる薄膜は、多結晶ではないものの、連続した単結晶でもなく、結晶粒界のある不連続的な方位整合結晶粒子が集合した薄膜しか得られないという問題がある。
【０００７】
【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、一つの単結晶の領域が広いダイアモンド薄膜を形成できる技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明装置は、真空槽と、前記真空槽に設けられた第１、第２のクヌーセンセルとを有し、前記真空槽内に基板を配置し、前記第１のクヌーセンセル内に、組成中に炭素を含むガスを導入し、炭素原子又は組成中に炭素を含むラジカルを放出させ、前記第２のクヌーセンセルから、酸素原子又は水素原子のいずれか一方又は両方の原子を放出させ、前記基板表面に到達させ、ダイアモンド薄膜を形成することを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の分子線エピタキシャル成長装置であって、前記真空槽には紫外線照射装置が設けられ、前記基板表面に紫外線を照射できるように構成されたことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の分子線エピタキシャル成長装置であって、前記紫外線照射装置にはエキシマランプが設けられ、前記エキシマランプで前記紫外線を発生させるように構成されたことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置である。
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項記載の分子線エピタキシャル成長装置であって、前記真空槽には電子線照射装置が設けられ、前記基板表面に電子線を照射できるように構成されたことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置である。
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項記載の分子線エピタキシャル成長装置を用い、前記基板表面にダイアモンド薄膜をヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とするダイアモンド薄膜形成方法である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のダイアモンド薄膜形成方法であって、前記ダイアモンド薄膜表面に、更に、ダイアモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させることを特徴とするダイアモンド薄膜形成方法である。
請求項７記載の発明は、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のダイアモンド薄膜形成方法であって、前記基板にシリコンカーバイドを用いることを特徴とするダイアモンド薄膜形成方法である。
【０００９】
本発明は上述のように構成されており、真空槽に第１のクヌーセンセルが設けられ、その第１のクヌーセンセル内に、組成中に炭素を含むガスを導入し、クヌーセンセル内でプラズマを発生させると、中性の炭素原子、又は組成中に炭素を含む中性のラジカルを放出させることができるようになっている。
【００１０】
従って、真空槽内に基板を配置し、所定温度に加熱しておくと、炭素原子が基板表面でヘテロエピタキシャル成長する(基板がダイアモンドでない場合である)。その際、基板表面はプラズマに曝されず、正イオンも入射しないので、基板表面で、単結晶領域が広くて欠陥の少ないダイアモンド薄膜の結晶核を発生させることが可能になっている。第１のクヌーセンセル内に導入するガスは、ＣＨ4ガス、ＣＯガス等の炭素を組成に含む低分子量のガスが挙げられる。
【００１１】
この場合、真空槽に設けた第２のクヌーセンセルから、酸素原子又は水素原子のいずれか一方、又は両方の原子を放出させ、基板表面に到達させると、炭素を組成中に含むラジカルや分子が基板表面で分解され、炭素原子が生成されてダイアモンドが成長する。
【００１２】
ところで、基板表面に結晶核を発生させるためには、基板表面を清浄にしておく必要があるので、紫外線発生装置によって予め基板表面に紫外線を照射し、有機物や吸着ガス等が除去された状態で、ヘテロエピタキシャル成長を行うようにするとよい。
【００１３】
また、ヘテロエピタキシャル成長を行う際、電子線照射装置によって基板表面に電子線を照射すると、基板表面が活性化し、炭素と基板原子が強固に結合し、また、基板表面に到達した中性のラジカルや分子を原子に分解するので、基板表面で炭素原子が発生し、ヘテロエピタキシャル成長の効率を上げることができる。
【００１４】
このように、ヘテロエピタキシャル成長によって発生したダイアモンド薄膜の結晶核は、一つの単結晶領域が広く、欠陥が少なくなっている。そのような単結晶ダイアモンド薄膜が数層乃至数十層成長している基板は、天然ダイヤモンドや高圧合成ダイヤモンド等のバルク状態のダイヤモンドと同様に、ホモエピタキシャル成長用の基板として用いることが可能である。従って、その後はプラズマＣＶＤ法等の、成長速度の早い薄膜形成方法を用い、単結晶ダイアモンド薄膜表面に、更に、ダイヤモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させ、膜厚を厚く形成することができる。
【００１５】
シリコンカーバイドは、ダイヤモンドと同じ結晶構造を有し、格子定数差が約２０％と、ダイヤモンドに比較的近いので、上記基板として用いるのに適した材料である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のダイアモンド薄膜形成方法を、本発明の分子線エピタキシャル成長装置と共に説明する。
【００１７】
図１を参照し、符号１は、本発明の分子線エピタキシャル成長装置の一実施形態を示しており、真空槽９と、該真空槽９に接続された真空排気系１３を有している。
【００１８】
真空槽９の天井側には、基板ホルダ１２が配置されており、底壁側には、第１のクヌーセンセル４と、第２のクヌーセンセル６a、６bが配置されている。また、真空槽９の側壁には、紫外線照射装置が有するエキシマランプ７と、電子線照射装置８とが設けられている。
【００１９】
この分子線エピタキシャル成長装置１を用い、シリコンカーバイドから成る基板表面にダイアモンド薄膜をヘテロエピタキシャル成長させる場合、先ず、真空排気系１３によって真空槽９内を真空状態にし、その状態を維持しながら基板を搬入し、基板ホルダ１２に装着する。
図１の符号１０は、その状態の基板を示しており、次いで、真空槽９内の真空排気を継続しながら基板１０を加熱する。
【００２０】
基板１０が所定温度まで昇温し、また、真空槽９内部が所定圧力まで真空排気されたところで、紫外線照射装置を起動し、エキシマランプ７によって紫外線を発生させ、基板１０表面に照射する。
【００２１】
紫外線は有機物の分解作用や脱ガス作用があるので、基板１０表面に吸着されていた物質が除去され、清浄な表面が露出したところで、第１のクヌーセンセル４にメタンガスを導入し、第２のクヌーセンセル６a、６bに、水素ガスと酸素ガスとをそれぞれ導入し、各クヌーセンセル４、６a、６b内で、導入ガスのプラズマを発生させる。
【００２２】
各クヌーセンセル４、６a、６bの、基板１０と対向する表面には、放出口５1〜５3が設けられており、各クヌーセンセル４、６a、６b内部の放出口５1〜５3近傍には、正電圧及び負電圧を印加された電極が設けられている。
【００２３】
各クヌーセンセル４、６a、６b内では、生成されたプラズマ中の正イオン及び負イオンは、それらの電極によって押し戻され、中性の物質だけが各放出口５1〜５3から放出され、基板１０方向に飛行する。
各放出口５1〜５3から放出される中性の物質は、酸素原子、水素原子、炭素原子、酸素分子、水素分子、メタン分子、又は、メチル基等のラジカルである。
【００２４】
基板１０表面は、紫外線の照射によって励起されており、化学結合がし易い状態になっており、更に、各クヌーセンセル４、６a、６bから中性物質が放出された後、電子線照射装置８を起動し、基板１０表面に電子線を照射すると、表面に露出する基板１０の構成物質が一層励起され、基板１０表面に到達した物質との反応が促進される。
【００２５】
また、電子線の照射と酸素原子や水素原子の存在によって、基板１０表面に到達したメタン分子等の炭素を含む分子やラジカルが分解され、炭素原子が発生し、ヘテロエピタキシャル成長が促進される。
電子線照射の際、エキシマランプ７の紫外線照射を停止しても、照射を継続してもよい。
【００２６】
基板１０表面に存在する炭素原子により、ダイアモンドの結晶核が生成され、残りの成分はガス化して基板１０表面から除去される。その結果、基板１０表面に、ダイアモンドの結晶核がヘテロエピタキシャル成長する。
【００２７】
この場合、基板表面はプラズマに曝されておらず、正イオンも入射しないため、発生した結晶核がダメージを受けることがなく、基板表面に形成されるダイアモンド薄膜の単結晶核は広い領域で連続的しており、一層ずつヘテロエピタキシャル成長する。
【００２８】
このように、単結晶のダイアモンド薄膜が数層乃至数十層形成されたところで、基板１０を分子線エピタキシャル成長装置１から搬出し、ＲＨＥＥＤによって表面を観察した。その結果、６Ｈシリコンカーバイドの（０００１)面上に、ダイヤモンドの(１１１)面が平行に成長していることが確認された。形成中の基板温度は、従来のプラズマＣＶＤ法よりも低温であった。
【００２９】
次に、ヘテロエピタキシャル成長により、数層乃至数十層の単結晶ダイヤモンド薄膜が形成された基板１１を、図２に示すような、従来技術のマイクロ波ＣＶＤ装置２１の真空槽２３内に搬入し、基板ホルダ２２状に載置した。そして、ガス導入管２６から炭素成分を含むダイヤモンド薄膜の原料ガス２９を導入し、導波管２５からマイクロ波２８を導入し、原料ガス２９のプラズマを発生させたところ、基板１１表面に形成された単結晶のダイアモンド薄膜がホモエピタキシャル成長し、短時間で所望膜厚の単結晶ダイアモンド薄膜が得られた。
【００３０】
以上説明したように、本発明では、基板表面上にヘテロエピタキシャル成長するダイヤモンド薄膜の単結晶領域を広くできるので、その表面に、更にプラズマＣＶＤ法等により、ダイヤモンド薄膜を高速にホモエピタキシャル成長させることができる。従って、膜厚が厚く、連続した単結晶のダイヤモンド薄膜を短時間に得ることができる。
【００３１】
なお、本発明の分子線エピタキシャル成長装置１によって基板表面にダイアモンド薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた後、更にホモエピタキシャル成長させる場合、上述のマイクロ波を用いたＣＶＤ方法の他、種々のＣＶＤ方法を用いることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
ヘテロエピタキシャル成長により、連続した単結晶から成るダイヤモンド薄膜を得ることができる。
そのダイアモンド薄膜表面に、更にダイヤモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させると、短時間で、膜厚の厚い単結晶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】本発明の分子線エピタキシャル成長装置の一例
【図２】ヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜上に、更にダイアモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させる装置の一例
【符号の説明】
１…分子線エピタキシャル成長装置    ４…第１のクヌーセンセル    ６a、６b…第２のクヌーセンセル    ７…エキシマランプ    ８…電子線照射装置    ９…真空槽    １０、１１…基板
【図１】
0003913336.tif 000002
【図２】
0003913336.tif 000003