(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中で化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成する成膜方法であって、
環状のコアに巻回されたコイルに対して高周波電力を印加することにより、前記成膜対象物に対し、当該成膜対象物に沿って交流電界を印加することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記コイルに対して１０ｋＨｚ以上の高周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記成膜対象物は、その表層部分が導電性を有していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の成膜方法。
【請求項４】
真空中で化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成する成膜方法であって、
前記成膜対象物は、その表層部分に半導体層が全面的に設けられ、かつ、当該半導体層上に金属からなる島状の被成膜部が設けられ、
前記成膜対象物の半導体層の一対の対向する端縁部に設けた一対の平行電極に対して所定の電位差の直流電圧をそれぞれ印加することにより、当該成膜対象物に沿う方向の静電界を発生させることを特徴とする成膜方法。
【請求項５】
所定の反応ガスを導入可能に構成され、化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成するための真空槽と、
前記成膜対象物の近傍に配設され、当該成膜対象物に沿う方向の交流電界を発生するように構成された電界発生手段とを備え、
前記電界発生手段は、環状のコアと、該コアに巻回されたコイルと、該コイルに接続された高周波電源とを有することを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
前記コアは、当該成膜対象物に対してほぼ平行な交流電界印加部を有することを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記コアは、長円形状に形成されていることを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項８】
前記コイルは、前記コアに対して１回乃至３回巻回されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項９】
前記コアは、当該成膜対象物を保持する保持部を兼ねていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載の成膜装置。
【請求項１０】
所定の反応ガスを導入可能に構成され、化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成するための真空槽を有し、
前記成膜対象物は、その表層部分に半導体層が全面的に設けられ、かつ、当該半導体層上に金属からなる島状の被成膜部が設けられ、
前記成膜対象物の半導体層の一対の対向する端縁部に設けた一対の平行電極に対して所定の電位差の直流電圧をそれぞれ印加することにより、当該成膜対象物に沿う方向の静電界を発生させるように構成された電界発生手段を備えたことを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱ＣＶＤならびにプラズマＣＶＤにおいて電界を印加することによって、その膜質を制御したりできるプロセスに適応される。具体的にはダイヤモンドやカーボンナノチューブ等のグラファイト系薄膜において、その材料の向きや配向性が電界を印加することによって制御できるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術の構成を図５を用いて説明する。
図５中、符号１０１は真空チャンバ（以下「チャンバ」という。）であり、このチャンバ１０２は、金属を用いて製作されグランド電位に接地されている。
チャンバ１０２には、キャパシタンスマノメータ１０２ａが取り付けられている。
【０００３】
チャンバ１０２内の上部には、高融点金属（例えばタングステン、レニウム）からなり例えば波状に形成されたフィラメント１０３が、水平面に対して平行になるように配置されている。
【０００４】
フィラメント１０３は、チャンバ１０２の外部に設けられたフィラメント加熱電源１０４に接続されている。
【０００５】
また、チャンバ１０２内には、高融点金属からなる円板状の基板ホルダ１０５が設けられ、この基板ホルダ１０５は、碍子１０７によってチャンバ１０２から電気的に絶縁されている。そして、基板ホルダ１０５上には、ガラス基板上に磁性材が成膜された基板１５０が設置されている。
【０００６】
基板ホルダ１０５は、直流電源であるバイアス電源１０６のマイナス側の出力端子に接続されている。一方、バイアス電源１０６のプラス側の出力端子はグランド電位に接地されている。
【０００７】
また、基板ホルダ１０５とフィラメント１０３との間には、グランド電位に接地されたグランド電位形成板１０８が配設されている。
【０００８】
一方、チャンバ１０２は、仕切バルブ１０９を介して真空ポンプ１１０に取り付けられている。ここで、仕切バルブ１０９の上流側には、ピラニ真空計１１１が設けられている。
【０００９】
また、チャンバ１０２は、仕切バルブ１１２、マスフローコントローラ１１３、仕切バルブ１１４及びレギュレータ１１５を介してガスボンベ１１６に気密に接続されるとともに、仕切バルブ１１７、マスフローコントローラ１１８、仕切バルブ１１９及びレギュレータ１２０を介してガスボンベ１２１に気密に接続され、これによりチャンバ１０２内に水素とメタンを導入するようになっている。
【００１０】
このような装置を用い、熱ＣＶＤ法によってグラファイト系の膜を形成する場合には、まず、仕切バルブ１０９を開けて真空ポンプ１１０を駆動させ、チャンバ１０２内を排気し、１×１０-2Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒは１３３．３２２Ｐａ）程度の真空状態にする。
【００１１】
次に、ガスボンベ１１６、１２１の元栓を開けてレギュレータ１１５、１２０を１気圧より少し高めに設定し各仕切バルブ１１４、１１９を開く。そして、マスフローコントローラ１１３、１１８を徐々に開いて導入ガスの流量をメタン：２ｓｃｃｍ、水素：８ｓｃｃｍに設定し、仕切バルブ１１２、１１７の解放度を調整し、チャンバ１０２内の圧力を１〜１０Ｔｏｒｒに設定する。
【００１２】
この状態でフィラメント加熱電源１０４からフィラメント１０３に通電し、フィラメント１０３の温度が１５００℃以上〜２０００℃になるように設定する。さらにこの状態でバイアス電源１０６から基板ホルダ１０５に３００Ｖ程度出力して基板１５０に電圧を印加する。
この状態で成膜を続けると基板１５０上にカーボンナノチューブが成長する。
【００１３】
図６（ａ）〜（ｄ）は、基板ホルダ１０５に電圧を印加した場合の電気力線図を示すものである。
基板１５０は、その表面上に磁性材料（金属）が成膜されていることから導伝体であり、また電位形成板１０８はプラス電位であることから基板１５０に対して電気力線１２０が形成される。この場合、基板１５０上が導電性薄膜で被覆されているため電気力線１２０は基板１５０に対して垂直に入射する。
【００１４】
図６（ｂ）は、上述したような電気力線が形成されている場合のカーボンナノチューブの一例であり、カーボンナノチューブ２００は電気力線１２０と同じ方向、つまり基板１５０に対して垂直に形成される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の熱ＣＶＤにおいて電界を印加する方法では、グラファイト系材料を基板に対して平行に形成することはできないという問題がある。
【００１６】
つまり、例えば図６（ｃ）に示すように、基板１５０に対して平行な電界を形成しようとして電位形成板１０８を基板１５０に対して垂直に設置すると、電気力線１２０は基板１５０に対して平行に放出されるが、基板１５０の表面が導電性薄膜に覆われ導伝体となっているため、図６（ｄ）に示すように、基板１５０に到達する際には、電気力線１２０は基板１５０に対して垂直に入射し、その結果、基板１５０上に層状に膜を形成することができない。
【００１７】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、導電性の表面を有する基板上にグラファイト系の薄膜を層状に形成する技術を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、真空中で化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成する成膜方法であって、環状のコアに巻回されたコイルに対して高周波電力を印加することにより、前記成膜対象物に対し、当該成膜対象物に沿って交流電界を印加することを特徴とする成膜方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記コイルに対して１０ｋＨｚ以上の高周波電力を印加することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記成膜対象物は、その表層部分が導電性を有していることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、真空中で化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成する成膜方法であって、前記成膜対象物は、その表層部分に半導体層が全面的に設けられ、かつ、当該半導体層上に金属からなる島状の被成膜部が設けられ、前記成膜対象物の半導体層の一対の対向する端縁部に設けた一対の平行電極に対して所定の電位差の直流電圧をそれぞれ印加することにより、当該成膜対象物に沿う方向の静電界を発生させることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、所定の反応ガスを導入可能に構成され、化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成するための真空槽と、前記成膜対象物の近傍に配設され、当該成膜対象物に沿う方向の交流電界を発生するように構成された電界発生手段とを備え、前記電界発生手段は、環状のコアと、該コアに巻回されたコイルと、該コイルに接続された高周波電源とを有することを特徴とする成膜装置である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記コアは、当該成膜対象物に対してほぼ平行な交流電界印加部を有することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項５又は６のいずれか１項記載の発明において、前記コアは、長円形状に形成されていることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項５乃至７のいずれか１項記載の発明において、前記コイルは、前記コアに対して１回乃至３回巻回されていることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項５乃至８のいずれか１項記載の発明において、前記コアは、当該成膜対象物を保持する保持部を兼ねていることを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、所定の反応ガスを導入可能に構成され、化学気相反応によって成膜対象物に膜を形成するための真空槽を有し、前記成膜対象物は、その表層部分に半導体層が全面的に設けられ、かつ、当該半導体層上に金属からなる島状の被成膜部が設けられ、前記成膜対象物の半導体層の一対の対向する端縁部に設けた一対の平行電極に対して所定の電位差の直流電圧をそれぞれ印加することにより、当該成膜対象物に沿う方向の静電界を発生させるように構成された電界発生手段を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【００１９】
本発明にあっては、例えば電界発生手段によって成膜対象物に沿う方向の交流電界を発生させ、この交流電界を成膜対象物に印加することによって、成膜対象物の表面に沿う方向に導電性の膜を成長させることが可能になる。
この場合、環状のコアを用い、このコアに例えば１回乃至３回巻回されたコイルに対して例えば１０ｋＨｚ以上の高周波電力を印加することによって簡素な構成で最適の交流電界を形成することができる。
そして、コアが成膜対象物に対してほぼ平行な交流電界印加部を有していれば、容易に成膜対象物に沿う方向の交流電界を発生させて成膜対象物に印加することができる。
一方、本発明に係る環状のコアは、高周波電力を印加する際の損失を小さくするため例えば薄いテープ状の部材を積層して作成することが好ましいが、その場合、コアを長円形状に形成するようにすれば、円形を押しつぶすだけで作成することができるので、製造が容易になるというメリットがある。
さらに、コアが成膜対象物を保持する保持部を兼ねるように構成すれば、より簡素な構成の成膜装置が得られる。
そして、このような本発明によれば、表層部分が導電性を有している成膜対象物に対し、簡素な構成の成膜装置を用いて例えばグラファイト系の薄膜を形成することが可能になる。
また、本発明にあっては、表層部分に半導体層が全面的に設けられ、かつ、当該半導体層上に金属からなる島状の被成膜部が設けられた成膜対象物に対し、その半導体層の一対の対向する端縁部に設けた一対の平行電極に対して所定の電位差の直流電圧をそれぞれ印加することにより、当該成膜対象物に沿う方向の静電界を発生させることによっても、成膜対象物の表面に沿う方向に導電性の膜を成長させることが可能になる。
さらに、本発明によれば、簡素な構成で最適の静電界を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る成膜装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の成膜装置の概略構成を示すものである。
図１に示すように、本実施の形態の成膜装置１は、後述する基板（成膜対象物）５０に対して成膜を行うための真空チャンバ（真空槽、以下「チャンバ２」という。）を有している。
【００２１】
このチャンバ２は、金属を用いて製作されグランド電位に接地されている。また、チャンバ２には、キャパシタンスマノメータ３が取り付けられている。
【００２２】
チャンバ２内の上部には、高融点金属（例えばタングステン、レニウム）からなるフィラメント４が、水平面に対して平行になるように配置されている。
【００２３】
フィラメント４は、チャンバ２の外部に設けられたフィラメント加熱電源５に接続されている。
【００２４】
本実施の形態においては、チャンバ２内に、次のような電界発生手段６が設けられている。
本実施の形態の電界発生手段６は、基板保持部を兼ねるもので、長円形状のコア６０を有する基板ホルダ７を有し、この基板ホルダ７上には、ガラス基板上に磁性材が成膜された基板５０が設置されるようになっている。
【００２５】
本実施の形態のコア６０は、高透磁率の材料（例えばＦｅ基合金）からなるもので、その上部には、成膜対象物である基板５０と同等の大きさで、水平な保持面を有する交流電界印加部６０ａが設けられている。
【００２６】
この場合、コア６０は、高周波電力を印加する際の損失を小さくするため例えば薄いテープ状の部材を積層して作成することが好ましい。
【００２７】
コア６０のチャンバ２側の部分にはコイル９が１回乃至３回巻回され、このコイル９は、チャンバ２に対して絶縁された導入端子１０を介してチャンバ２の外部に引き出されている。そして、本実施の形態の場合、この引き出されたコイル９は、出力が±１５００Ｖ、周波数１００ｋＨｚ以上の高周波電源１１に接続されている。
【００２８】
一方、チャンバ２は、仕切バルブ２０を介して真空ポンプ２１に接続され、さらに、この仕切バルブ２０の上流側には、ピラニ真空計２２が設けられている。
【００２９】
また、チャンバ２は、仕切バルブ３０、マスフローコントローラ３１、仕切バルブ３２及びレギュレータ３３を介してガスボンベ３４に気密に接続されるとともに、仕切バルブ３５、マスフローコントローラ３６、仕切バルブ３７及びレギュレータ３８を介してガスボンベ３９に気密に接続され、これによりチャンバ２内に反応ガスである水素ガスとメタンガスを導入するようになっている。
【００３０】
なお、本実施の形態にあっては、ガス導入管４０、４１を連結し、水素ガスとメタンガスをチャンバ２の外部で混合した状態でチャンバ２内に導入するように構成されている。
【００３１】
本発明の原理を図２（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図２（ａ）（ｂ）に示されているように、コイル９に高周波を印加すると、コア６０内に、交流磁場が発生する。
図２（ｂ）に示すように、この交流磁場は、コア６０内において、コア６０の周方向に沿って磁力線（Ｂ）が通過している（図２（ｂ）中、紙面に垂直方向）。そして、この磁力線（Ｂ）が時間的に変化することによって、磁力線（Ｂ）と垂直方向（図２（ｂ）中、紙面に平行方向）に交流の電界（Ｅ）が発生する。
【００３２】
この電界（Ｅ）の強度は、（１）式の計算式で示される。
【００３３】
Ｅ＝ａ×Ｂ0×ω×ｃｏｓωｔ・・・式（１）
ここでは、コア６０の厚さａを１ｃｍ（１０-2ｍ）、コア６０内で形成される磁束密度Ｂ0を１Ｔ、高周波電源の周波数ωとする。
【００３４】
そして、
ｆ＝１００ｋＨｚ
ω＝２×π×ｆ＝２×３．１４×１００×１０3
とし、これらの値を（１）式に代入すると、電界（Ｅ）の強度は、
Ｅ＝３×１０3Ｖ／ｍ＝３０Ｖ／ｃｍ
となる。
【００３５】
この高周波電源に必要とされる出力電圧は、φ２０ｃｍ基板を搭載すると仮定すると、
Ｖrf＝２×２０ｃｍ×３０Ｖ／ｃｍ＝１２００Ｖ
となる。
【００３６】
つまり、この場合の必要な出力電圧は、
Ｖrf＝±１２００Ｖ
であることがわかる。
【００３７】
以上述べたように本実施の形態にあっては、電界発生手段６によって基板５０に沿う方向の交流電界を発生させ、この交流電界を基板５０に印加するようにしたことから、基板５０の表面方向にグラファイト系の膜を成長させ層状に形成することが可能になる。
【００３８】
特に、本実施の形態のように環状のコア６０を用い、このコア６０に１回乃至３回巻回されたコイル９に対して例えば１００ｋＨｚ以上の高周波電力を印加することによって簡素な構成で最適の交流電界を形成することができる。
【００３９】
また、本実施の形態の場合は、コア６０が、基板５０に対して平行な交流電界印加部６０ａを有しているので、基板５０に沿う方向の交流電界を基板５０に印加することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態のコア６０は長円形状に形成され、円形を押しつぶすだけで作成することができるので、容易に製造することができるものである。
【００４１】
さらにまた、コア６０が基板５０を保持する保持部を兼ねているので、簡素な構成の成膜装置が得られる。
【００４２】
そして、このような本発明によれば、表層部分が導電性を有している基板５０に対し、簡素な構成の成膜装置を用いて例えばグラファイト系の薄膜を形成することができる。
【００４３】
図３は、本発明の他の実施の形態の成膜装置の概略構成図、図４（ａ）は、本実施の形態における成膜対象物を示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＳ−Ｓ線断面図である。
以下、上記実施の形態と対応する部分については、同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００４４】
図３に示すように、本実施の形態の成膜装置１Ａは、従来例と同様の基板ホルダ５１を有し、この基板ホルダ５１は、グランド電位に接地されたバイアス電源５２のマイナス側の出力端子に接続されている。
【００４５】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の場合は、成膜対象物として、例えばシリコンウェハ５３上に、絶縁層５４及び半導体層５５が順次全面にわたって形成された基板５０Ａが用いられる。
【００４６】
ここで、絶縁層５４は、シリコンウェハ５３と半導体層５５間において安定して電圧を印加するためのもので、その構成する材料は特に限定されることはないが、耐電圧の確保及び成膜の容易さの観点からは、シリコン酸化膜（ＳiＯ2）を形成することが好ましい。
【００４７】
この場合、絶縁層５４の厚さは特に限定されることはないが、耐電圧の確保の観点からは、０．１〜１０μｍとすることが好ましく、より好ましい絶縁層５４の厚さは、１〜１０μｍである。
【００４８】
また、絶縁層５４を形成する方法は特に限定されることはないが、膜厚制御性の容易さの観点からは、真空蒸着法によって形成することが好ましい。
【００４９】
また、半導体層５５を構成する材料は特に限定されることはないが、最適な導伝性を得る観点からは、シリコンを用いて形成することが好ましい。
【００５０】
この場合、半導体層５５の厚さは特に限定されることはないが、最適な体積抵抗率を得る観点からは、０．０１〜１０μｍとすることが好ましく、より好ましい半導体層５５の厚さは、０．１〜１０μｍである。
【００５１】
また、半導体層５５を形成する方法は特に限定されることはないが、膜厚制御性の容易さの観点からは、真空蒸着法によって形成することが好ましい。
【００５２】
さらに、半導体層５５の表面には、島状の被成膜部５６が複数個形成されている。
【００５３】
ここで、被成膜部５６を構成する材料は特に限定されることはないが、カーボンナノチューブを成長させる観点からは、導入される反応ガスに対して触媒反応する金属を用いて形成することが好ましい。
【００５４】
例えば、本実施の形態のようにＣＨ4とＨ2を導入する場合には、ニッケル（Ｎｉ）を用いることが好ましい。
【００５５】
この場合、被成膜部５６の厚さは特に限定されることはないが、量産性確保の観点からは、０．０５〜０．２μｍとすることが好ましく、より好ましい被成膜部５６の厚さは、０．１〜０．２μｍである。
【００５６】
また、被成膜部５６を形成する方法は特に限定されることはないが、高純度の膜を形成する観点からは、真空蒸着法によって形成することが好ましい。
【００５７】
さらに、被成膜部５６の形状は、電極形成の容易さの観点から、正方形形状とすることが好ましい。
【００５８】
この場合、被成膜部５６の大きさは、デバイスの作り易さの観点から、０．１〜１μｍとすることが好ましい。
【００５９】
また、被成膜部５６間の間隔は、電流量の最適化の観点から、０．１〜１ｍｍとすることが好ましい。
【００６０】
本実施の形態にあっては、チャンバ２内に、次のような電界発生手段６Ａが設けられている。
【００６１】
この電界発生手段６Ａは、半導体層５５の一対の対向する端縁部の側部に設けられた第１及び第２の電極（一対の平行電極）６１、６２を有している。
【００６２】
ここで、第１及び第２の電極６１、６２を構成する材料は特に限定されることはないが、デバイスの作り易さと抵抗値の低さの観点からは、例えば白金を用いて形成することが好ましい。
【００６３】
また、第１及び第２の電極６１、６２を形成する方法は特に限定されることはないが、膜厚制御性の容易さの観点からは、真空蒸着法によって形成することが好ましい。
【００６４】
なお、絶縁層５４の絶縁性確保のため、第１及び第２の電極６１、６２は上述した絶縁層５４に掛からないように形成する必要がある。
【００６５】
そして、上述した第１及び第２の電極６１、６２は、両極性出力可能な直流電源６３に接続されている。
この場合、直流電源６３の出力端子ではない方の端子はグランド電位に接地されている。
【００６６】
そして、直流電源６３から第１及び第２の電極６１、６２に所定の電圧を印加する。
この場合、第１及び第２の電極に印加する電圧は、絶縁層５４の耐電圧確保の観点から、２０〜５０Ｖとすることが好ましい。
【００６７】
そして、第１及び第２の電極６１、６２に所定の電圧を印加すると、第１及び第２の電極６１、６２間の半導体層５５に基板５０Ａに沿う方向の電流が流れ、その結果、被成膜部５６の表面において基板５０Ａに対して平行な静電界が形成され、基板５０Ａの表面方向にグラファイト系の膜が成長する。
【００６８】
このように本実施の形態にあっては、電界発生手段６Ａによって基板５０Ａに沿う方向の静電界を発生させ、この静電界を基板５０Ａに印加するようにしたことから、基板５０Ａの表面方向にグラファイト系の膜を成長させ層状に形成することが可能になる。
【００６９】
特に本実施の形態にあっては、基板５０Ａの半導体層５５を側方から挟むように第１及び第２の電極６１、６２を設け、これら第１及び第２の電極６１、６２間に電圧を印加して所定の電位差を発生させるようにしたことから、簡素な構成で最適の静電界を形成することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、導電性の表面を有する基板上にグラファイト系の薄膜を層状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る成膜装置の実施の形態の成膜装置の概略構成図
【図２】  （ａ）：本発明の原理を示す説明図
（ｂ）：図２（ａ）のＱ−Ｑ線断面図
【図３】  本発明の他の実施の形態の成膜装置の概略構成図
【図４】（ａ）：同実施の形態における成膜対象物を示す平面図
（ｂ）：図４（ａ）のＳ−Ｓ線断面図
【図５】  従来の成膜装置の概略構成図
【図６】  （ａ）〜（ｄ）従来技術の課題を示す説明図
【符号の説明】
１…成膜装置  ２…真空チャンバ（真空槽）  ６…電界発生手段  ７…基板ホルダ  ９…コイル  ５０…基板（成膜対象物）  ６０…コア
【図１】
0004912542.tif 000002
【図２】
0004912542.tif 000003
【図３】
0004912542.tif 000004
【図４】
0004912542.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004912542.tif 000007