JPH01191779A - ハイブリッドプラズマによる薄膜合成法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は薄膜合成法に使用できるハイブリッドプラズマ
発生装置に係るもので、各種薄膜の製造技術、電子回路
製造技術、各種センサー製造技術の分野に広く応用でき
るものである。

（従来の技術） 従来のプラズマを用いた薄膜合成法は高周波、マイクロ
波、パルス、直流などの放電によって低気圧プラズマを
生成して行ってきた。放電の安定性やコスト、できた薄
膜の性質などから、直流放電はあまり用いられず、高周
波放電、又はマイクロ波放電、或いはパルス放電が用い
られる。高周波を気体にかけるやりかたには、高周波コ
イルを容器の周りにまきつけて高周波電力を注入する誘
導結合型と、容器内部に電極を挿入して高周波電圧をか
ける容量結合型がある。前者のほうが電極からの汚染は
少ないが、できる薄膜の膜厚分布が大きいという欠点が
ある。後者はその点で前者にやや優る。印加する高周波
の周波数もＩＭＨｚ以上あればよく、１３．５６　Ｍ　
Ｈｚがよく用いられる。

ただ反応を起こすガスが基板表面に流れるようにするほ
うが、質の高い薄膜が得られる。ガスは容器の外で混合
されることが多い。できる薄膜の組成や性質は薄膜の形
成条件に依存する。形成条件としては、全圧力、ガス流
量、ガスの混合比、注−入電力、基板温度などが挙げら
れる。

このような方式で高周波放電を持続させるためには、電
子が電場の１周期の間に電極に捕らえられないことが必
要である。周波数が低いほど電子の運動の振幅は増加す
るから、電極の間の距離は大きくとらなくてはならない
。逆に周波数が高くなれば、電極間距離が小さくても放
電を持続できる。そこで、１３．５６　Ｍ　Ｈｚの高周
波放電の代りに、さらに高い周波数の電磁波を用いれば
、電極間距離を小さくすることができ、したがってより
小さな容器で放電を行わせることができる。周波数に２
．４５Ｇ　Ｈｚを用いることが試みられ、ある程度成功
している。このような周波数を用いて行うＣＶＤをマイ
クロ波放電ＣＶＤという。

これらのプラズマ“ＣＶＤ装置は真空容器の一方に設置
した基板に対し、他方より反応ガスを供給し、これに高
周波又はマイクロ波を印加し、得られる放電プラズマに
より基板上に極薄の薄膜を形成する方法である。

（発明が解決しようとする課題） 従来の方法は高周波放電又はマイクロ波放電のうち一種
類の放電形式を用いているためプラズマの制御が困難で
あるという問題点があった。また、白熱したフィラメン
ト陰極を用いた直流放電形式で２つのプラズマを生成し
、プラズマを制御しようとする技術も提案されたことも
あるが、反応性プラズマには不適当である。

（課題を解決するための手段） 本発明は上述の如き課題を解決するために考えられたも
ので、目的とする薄膜合成を反応性プラズマ内で行うに
は、そのプラズマの電子、イオンなどのエネルギー、電
界などの制御が可能であることが必要である。発明は高
周波放電とマイクロ波放電という２つの異なる放電形式
を用いて混合反応ガスよりハイブリッドプラズマを生成
し、片方の真空容器に直流バイアスし、しかもこれら再
放電の間のグリッドにより２つのプラズマを混合させて
、上記のパラメータの制御が可能となるように構成した
ものである。

本発明によると反応性プラズマの制御が容易であり、白
熱したフィラメント陰極を用いていないので反応性ガス
にも侵されず薄膜合成に最適である。従って、本発明は
電子デバイス、半導体、機能性材料などの製造分野でプ
ラズマＣＶＤ法等に利用できる装置を開発したものであ
る。

本発明の特徴とする所は次の通りである。

（１）同径の導波管と円筒型の第１真空容器とを絶録し
て連結し、第１真空容器の他端に金網状グリッド電極を
介して絶縁して連結した第２の真空容器を設け、第２真
空容器中に導波管の中心軸線上に基板と、その前面に設
けられた高周波円盤電極とを設け、第１真空容器に直流
バイアス電源を接続し、その容器の外周を包囲して電磁
石コイルを設け、前記金網状グリッドを接続し、第１真
空容器中にマイクロ波照射により生成したマイクロ波放
電プラズマのイオンビームをグリッドを通して第２真空
容器中に注入し、第２真空容器中の高周波電界による高
周波プラズマ放電と併せてビームのエネルギーと密度を
パワーアップし、基板上に生成される薄膜の成長速度と
薄膜の品質を制御することを特徴とするハイブリッドプ
ラズマによる薄膜合成法。

（２）反応ガスとマイクロ波を導入する導波管と、導波
管と同径で絶縁して連結された円筒型の第１真空容器と
、第１真空容器に対し絶縁物を介して連結された大径の
第２真空容器と、第１真空容器を包囲して設けられた電
磁石コイルと、第１真空容器と第２真空容器との間に介
挿された金網状グリッドと、導波管の中心軸線上にマイ
クロ波プラズマと対向して第２真空容器中に設けられた
基板と、基板の前面にこれを挟むように設けられた高周
波円板電極と、高周波円板電極に接続された高周波電源
と、前記第１真空容器に接続された直流バイアス電源と
より成り、第１真空容器中にマイクロ波照射により生成
したプラズマのイオンを第２真空容器中に発生する高周
波プラズマ中に注入し、マイクロ波電力によりビームの
プラズマ密度を、第１真空容器にかけられる直流バイア
ス電圧によりプラズマのエネルギーを制御すると共に、
高周波電極にかけられる高周波プラズマのプラズマ密度
及び温度を制御し、基板上に生成される薄膜の成長速度
及び薄膜の品質を制御するよう構成したことを特徴とす
るハイブリッドプラズマによる薄膜合成装置。

本発明においてマイクロ波電力は少なくとも２．４５Ｇ
　Ｈｚがよく、また高周波電源で容量結合により高周波
電極に印加する周波数は少なくとも１３．５６　Ｍ　Ｈ
ｚが好ましい。

本発明の方法によると、マイクロ波のプラズマ放電と、
高周波のプラズマ放電とを併用することにより、プラズ
マ放電のパワーアップができるので品質のよい薄膜が得
られると共に薄膜の成長速度を著しく高められ、安定し
た薄膜の形成ができると共に、バイアス電圧の調節によ
りプラズマの密度及びエネルギーを調節して、高品位の
薄膜を迅速に得られる点が特徴である。

（発明の構成） 以下添付図面について、本発明の具体的実施の態様を説
明する。第１図は本発明のハイブリッドプラズマ発生装
置の１例を示すもので、１は両端に外径１８．５　ｃｍ
のフランジのついた直径１０ｃｍ長さ４５Ｃ１１の円筒
型ステンレス製真空容器、２はこれに連結した６つの面
に外径１８．５ｃｍのフランジのついた直径３０ｃｍ長
さ３０ｃｍの円筒型ステンレス製真空容器、３は外径１
８．５　ｃｎ＋内径１０．５　ｃｍ厚さ２ｃｍの（アク
リル製）絶縁物、４は直径１０ＣＩＩの導波管で前記円
筒型ステンレス容器１の１端に直径１４Ｃ１１厚さ１０
１１Ｉ１１の溶融シリカ製の円板５を介して連結する。

６は直流電源、７は内径２０ｃｎ＋。

外径３２ｃＩ１１厚さ８ｃｍの電磁石コイル、８は外径
９１の２枚のステンレス製金網状グリッド電極を示す。

本発明においては、円筒型真空容器１の外側に電磁石コ
イル７を設け、真空容器１に直流バイアス電圧を印加し
て、この容器の入口側より反応ガスを供給し、真空容器
１の出口側に金網状グリッド８を設け、反応ガスが流れ
る円筒型真空容器１の中心線上に基板１１を第２の真空
容器２中に設け、基板１１の前方に高周波電源１０に接
続された平板状の高周波電極９を２枚対向して配置して
第２真空容器２中で高周波放電が行われるようにする。

第１真空容器ｌは円筒型をなし、その入口側に接続され
た導波管４でマイクロ波１２と共に反応ガスが送り込ま
れ、第１真空容器１中で反応ガスはマイクロ波放電プラ
ズマとなり、このプラズマが第１真空容器１に加えられ
たバイアス電圧により加速されて、金網状グリッド８を
通して第２の真空容器２中に入り、高周波電極９の間を
通る間に高周波放電のエネルギーが加えられ、マイクロ
波放電プラズマは更に活性を増して基板１１に衝突し、
低温で高品位の薄膜が得られるのである。

真空容器１と真空容器２を絶縁物３を介して接続する。

真空容器ｌの一端には導波管４を接続し、マイクロ波電
力（２，４５Ｇ　Ｈｚ　）の供給を可能にする。真空容
器ｌと導波管４との間には溶融シリカ製の円板５を挟み
、真空容器１と導波管４とを絶縁する。従って、真空容
器１と真空容器２の間には直流電源６で電圧を印加でき
る構造になっている。真空容器ｌ、２は真空容器２に接
続された真空ポンプにより高真空に排気する。真空容器
１の外側には電磁石コイル７があり磁界をＩＫガウスま
で印加できる。真空容器１と真空容器２の接続部にステ
ンレス製の金網状グリッド８をおく、真空容器２の内部
に電極９をおき、これに高周波電源１０で容量結合によ
り高周波（１３，５６Ｍ　Ｈｚ　）を印加する。薄膜を
成長させる基板１１は真空容器２の軸上におく。

高真空に排気したのち、ガスを導入し所定の圧力にする
。電磁石コイル７に直流電流を流し約９００ガウスの磁
界を印加した後、導波管４より２．４５Ｇ　Ｈｚのマイ
クロ波を真空容器１に導入すると、ＥＣＲ（電子サイク
ロトロン共鳴）によりマイクロ波プラズマが生成される
。更に、電極９に高周波を印加すると高周波プラズマが
生成できる。

従って、この装置では２つの異なる種類のプラズマから
なる複合プラズマ（ハイブリッドプラズマ）を生成でき
る。グリッド８は電気的にはどことも接続されず絶縁状
態になっているので２つのプラズマの電位を独立にする
作用がある。真空容器２を接地し、真空容器１に正の電
圧を印加するとマイクロ波プラズマのイオンを真空容器
２の高周波プラズマ中に注入でき、直流電源６の電圧に
よりそのエネルギーを、マイクロ波電力によりその密度
をそれぞれ制御できる。一方、高周波電力により高周波
プラズマの密度及び温度を制御できる。

更に、真空容器２のハイブリッドプラズマ内の電界、電
子のエネルギーは印加磁界の強度、配位などを調整して
制御できる。

第１図の装置を使用して、各種の直流バイアスに対する
イオンエネルギー分布状態と、磁界を加えたときと、磁
界なしのときのハイブリッドプラズマ及びＲＦプラズマ
の等電位曲線の挙動を調べ゛た。

（実施例） 実験に使用した装置は第１図に示す通りである。

１０ｃｍと３０ＣＩ１１の直径の異なる２個のステンレ
ス鋼製円筒形真空容器１．２を電気的に絶縁して接続し
た、大径の第２真空容器２は第１真空容器ｌとの間に２
個のグリッド８を介挿して接地した。

そして他方の第１真空容器ｌにはバイアス電圧ｖｂによ
りバイアスした。２．４５Ｃ；　Ｈｚのマイクロ波を第
１真空容器１の１端に印加して磁界をかけながらプラズ
マを生成した。測定した軸方向の磁界強度は第２図に示
した。なお、軸方向の磁界強度より計算した磁力線を２
次元空間で示した。磁力線は第２真空容器２中で発散し
ている。これはこの区域には磁界が外部よりあたえられ
ていないためである。従って、第１真空容器１中では電
磁石コイルにより生成した磁界強度により電子の動きが
制御できる。第２真空容器２においては直径８ｃｍのス
テンレス製平板電極９に１３．５６　Ｍ　Ｈｚの高周波
パワーを印加することにより追加のプラズマが発生する
。他方の同径の平板電極は高周波電極と６．５　ｃｒｓ
の間隔で平行に設置した。

プラズマ生成と、薄膜生成の制御の開発のための本予備
実験においては、反応ガスのプローブ技術が本段階で有
効でないため、不活性ガス（アルゴンガス）プラズマの
挙動を理解するために使用した。

針プローブで得られた高周波電極９の周辺における代表
的プラズマのパラメータは電子密度ｎ１＃８Ｘ１０雫ｅ
ｌｌ　−’であり、ガス圧Ｐ！＝＝ｉ５Ｘ１０−’Ｔｏ
ｒｒで電子温度Ｔｅζ５ｅＶである。イオンエネルギー
分布函数は外径８ＩＩＩ１１長さ４閣のステンレス鋼製
の円筒で被覆した、コレクターと２個のグリッド電極よ
りなる静電分析器により測定した。

分布函数はコレクタ電流の第２グリツド電圧に関する一
次微分関数より得られた。分析器を作用させて、プラズ
マに直面する第１グリツドは絶縁電位とし、負にバイア
スしたコレクターに流入するイオン電流は第２グリツド
電位を変化させて測定した。第３図に示すように、グリ
ッド電極からの距離をＺとすると、Ｚ＝１８ｃｍと、Ｚ
−２０の再位置においてバイアス電圧ｖｂを増加すると
ビームのエネルギーの増加が認められた。低エネルギー
のイオンは高周波プラズマのイオン（バルクイオン）に
対応し、高エネルギーをもった他方のイオンはマイクロ
波プラズマのイオン（ビームイオン）に対応する。バル
クイオンの高さの半分におけるエネルギー幅はビームイ
オンのそれより小さい。これは、高周波プラズマのイオ
ン温度はマイクロ波プラズマのイオン温度より低いこと
を意味する。一方、マイクロ波プラズマの密度はグリッ
ドよりの距離が離れると減少することも別の測定例から
れかった。高周波パワーを増加すると、イオンのバルク
密度は、ビーム密度を概略一定に保ちながら増加する。

このとき、約３０Ｗまでプラズマ密度は増加するが、３
０Ｗ以上ではそれは一定となり、電子温度は４〜７ｅＶ
の範囲で少し増加した。ビーム密度はマイクロ波パワー
を変化することによって制御可能である。プラズマに電
界を与える電位分布がエミッシブプロープにより定常状
態で測定された。

第４図は２面における２次元空間における電位分布ｒの
代表的結果を示す、同図において、（ａ）はハイブリッ
ドプラズマの分布を示し、（ｂ）　、　（ｃ）は磁界の
ある場合と、磁界のない場合との高周波プラズマだけの
ものの分布を示す。この分布はプラズマ生成位置によっ
て変化するばかりでなく、磁界配位によっても変化する
。これは磁界により影響を受ける電子の運動によること
に原因がある。

このことは、この電界は本装置に使用する磁界の強さと
形状とにより容易に制御が可能であることを示す。

（結論） 本発明の装置によりマイクロ渡島高周波の放電により生
成したハイブリッドプラズマを直流電源によりバイアス
し、バイアス電圧とマイクロ波電力とを調整することに
よりビームイオンのエネルギーと密度が調節でき、高周
波電力により反応室のプラズマ密度を制御できる。電界
は磁界の強さと形状を調節することにより制御可能であ
る。本実験による上述の結果の確認は不反応ガス中でな
された。

（発明の効果） 本発明装置による効果は次の通りである。

（１）プラズマのエネルギー、密度を制御できるだけで
なく、高エネルギーのイオンをビーム状に基板に照射で
きるので、薄膜の合成にこの装置を用いると緻密な剥が
れにくい薄膜が得られる。

特に、ダイヤモンド、酸化錫薄膜の合成などに有効であ
るが、その他の新材料の薄膜合成例えば、メタン（ＮＨ
ｓ）と珪化水素（ＳｉＨ４）を反応ガスとする窒化珪素
の薄膜合成、或いは各種半導体薄膜の合成の開発にも利
用できる。

（２）薄膜の成長速度、薄膜の品質を制御できる。

（３）　　ハイブリッドプラズマを生成してイオンビー
ム照射を可能にし、ビームエネルギー、密度及び電子の
エネルギー等を制御する。

（３）本発明の装置により、反応性プラズマと膜との物
理過程、化学反応等の選択性が可能になる。

すなわち、例えば、ダイヤモンド薄膜合成においては、
メタンプラズマを生成し、６照射するイオンビームの密
度、エネルギーを調整して、グラファイト状、ダイヤモ
ンド状等の選択、膜の硬度、電気電導率等の膜質を制御
可能とする。

一方、膜の成長速度は分子・原子の電離、励起を作用す
る電子エネルギーを制御して調整することが可能となり
、薄膜の成長速度が著しく高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜合成用ハイブリッドプラズマ発生
装置の原理説明図、 第２図（ａ）は本発明装置を使用する場合の軸方向の磁
界強度を示す特性線図、 第２図（ｂ）はその磁力線を示す特性線図、第３図（ａ
）　（ｂ）は各種バイアス電圧Ｖｂ（（ａ）Ｚ＝２ｃｍ
、　（ｂ）　　Ｚ　−１８ｃｍ）に対するイオンエネル
ギー分布を示す特性曲線図、 第４図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）はそれぞれ（ａ）ハイブ
リッドプラズマ、高周波プラズマ、（ｂ）磁界あり、（
ｃ）磁界なしの場合の等電位線を示す特性線図である。 １・・・小径ステンレス製の円筒型第１真空容器２・・
・大径ステンレス製の第２真空容器３・・・アクリル製
等の絶縁物 ４・・・導波管 ５・・・溶融シリカ製等の円板状絶縁板６・・・直流電
源　　　　　７・・・電磁石コイル８・・・金網状グリ
ッド　　９・・・高周波電極１０・・・高周波電源　　
　　１１・・・基板第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同径の導波管と円筒型の第１真空容器とを絶縁して
   連結し、第１真空容器の他端に金網状グリッド電極を介
   して絶縁して連結した第２の真空容器を設け、第２真空
   容器中に導波管の中心軸線上に基板と、その前面に設け
   られた高周波円盤電極とを設け、第１真空容器を直流バ
   イアスし、その外周を包囲して電磁石コイルを設け、前
   記金網状グリッドを接続し、第１真空容器中にマイクロ
   波照射により生成したマイクロ波放電プラズマのイオン
   ビームを第１及び第２真空容器とは電気的に絶縁された
   グリッドを通して第２真空容器中に注入し、第２真空容
   器中の高周波電界による高周波プラズマ放電と併せてビ
   ームの密度及びエネルギーをパワーアップし、基板上に
   生成される薄膜の成長速度と薄膜の品質を制御すること
   を特徴とするハイブリットプラズマによる薄膜合成法。 ２、反応ガスとマイクロ波を導入する導波管と、導波管
   と同径で絶縁して連結された円筒型の第１真空容器と、
   第１真空容器に対し絶縁物を介して連結された大径の第
   ２真空容器と、第１真空容器を包囲して設けられた電磁
   石コイルと、第１真空容器と第２真空容器との間に介挿
   された金網状グリッドと、導波管の中心軸線上にマイク
   ロ波プラズマと対向して第２真空容器中に設けられた基
   板と、基板の前面にこれを挟むように設けられた高周波
   円板電極と、高周波円板電極に接続された高周波電源と
   、前記第１真空容器に接続された直流バイアス電源とよ
   り成り、第１真空容器中にマイクロ波照射により生成し
   たプラズマのイオンを第２真空容器中に発生する高周波
   プラズマ中に注入し、マイクロ波電力によりビームプラ
   ズマの密度を、第１真空容器にかけられる直流バイアス
   電圧によりビームプラズマのエネルギーを制御すると共
   に、高周波電極にかけられる高周波電力により高周波プ
   ラズマの密度及び温度を制御し、基板上に生成される薄
   膜の成長速度及び薄膜の品質を制御するよう構成したこ
   とを特徴とするハイブリッドプラズマによる薄膜合成装
   置。