JPH0420984B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はマイクロ波電界を加えるとともに、外
部磁場を加え、それらの相互作用を用い、かつそ
の電界の最も大きい空間に被膜形成手段を設け、
被膜形成を行うための薄膜形成装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、薄膜の形成手段としてECR（電子サイク
ロトロン共鳴）を用い、その発散磁場を利用して
この共鳴空間より「離れた位置」に基板を配設
し、そこでの被膜特にアモルフアス構造を有する
被膜を形成する方法が知られている。

さらに一般的にはかかるECR CVD（化学気相
法）に加えて、反応性ガスを用いる被膜形成手段
として数種知られており、それらは熱CVD、加
熱フイラメントCVD、化学輸送法、13.56MHzの
周波数を用いるプラズマCVD法、マイクロ波の
みを用いるプラズマCVD法が知られている。特
にECR CVD法は活性種を磁場によりピンチング
し、高エネルギ化することにより電子エネルギを
大きくし、効率よく気体をプラズマ化させてい
る。しかしプラズマ化させることにより、気体が
有する高エネルギにより基板の被形成面がスパツ
タ（損傷）を受けることを防ぐため、このECR
条件を満たした空間より「離れた位置」に基板を
配設し、高エネルギ条件下でのプラズマ状態を避
けたイオンシヤワー化した反応条件気体を到達さ
せることにより被膜形成または異方性エツチング
を行つていた。

〔従来の問題点〕

しかしかかるシヤワー化した反応性気体を用い
た被膜形成方法では、その気体の種類により異方
性エツチングまたはアモルフアス構造の被膜形成
等のエツチングまたはデイポジツシヨンのいずれ
か一方のプロセスのみを採用したものであつた。
そのため、この場合の被形成面上にはアモルフア
ス構造の被膜が形成されやすく、結晶性特に多結
晶性または単結晶を有する被膜の形成はきわめて
困難であつた。加えて高いエネルギを用いること
により、初めて反応気体の活性化または反応をさ
せ得る被膜形成も不可能であつた。

〔問題点を解決すべき手段〕

本発明は被膜形成をその一部でエツチングさせ
つつ被膜形成を行わんとするもので、好ましくは
少なくとも一部に結晶性を有する被膜を形成せん
とするものである。この目的のため、マイクロ波
電力の電界強度が最も大きくなる領域に被形成面
を有する基板を配設する。さらにその領域で電
場・磁場相互作用を有せしめる。例えば、ECR
（電子サイクロトロン共鳴）を生ぜしめる。さら
に磁場の強度程度を調整すると、この領域におい
てのみ初めて分解または反応させることができる
被膜形成が可能となる。例えば、ｉ−カーボン
（ダイヤモンドまたは微結晶粒を有する炭素被膜）
また高融点の金属またはセラミツク性絶縁被膜で
ある。

すなわち本発明は従来より知られたマイクロ波
を用いたプラズマCVD法に磁場の力を加え、さ
らにマイクロ波の電場と磁場との相互作用、好ま
しくはECR（エレクトロンサイクロトロン共鳴）
条件又はホイツスラー共鳴条件を含む相互作用を
利用して、幅広い圧力範囲において高密度高エネ
ルギのプラズマを発生させる。その共鳴空間での
高エネルギ状態を利用して、例えば活性炭素原子
を多量に発生させ、再現性にすぐれ、均一な膜
厚、均質な特性のダイヤモンド、ｉ−カーボン膜
等の被膜の形成を可能としたものである。また加
える磁場の強さを任意に変更可能な為、電子のみ
ではなく特定のイオンのECR条件を設定するこ
とができる特徴がある。

従来より知られたECR（電子サイクロトロン共
鳴）とは2.45GHzのマイクロ波に対して875gauss
の磁場を作用させてマイクロ波の吸収を生じさせ
るものであり、イオン化率の高いプラズマが生成
可能であつた。しかしこのECRを起こすには電
子の平均自由工程の長い状態すなわち10^-4torr程
度の高真空が必要とされる反応圧力では電子の平
均自由工程が小さいため、電子が十分に加速され
る前に衝突しECRが生成しにくくなる。

一方本発明はECRが生成されないとされた圧
力範囲（0.1〜300torr）において、ECR条件を満
たす磁速密度を中心とする磁場領域内にマイクロ
波よりの電場の最大領域を設定することにより、
生成するプラズマ状態を意味しマイクロ波の共鳴
吸収とマイクロ波による放電プラズマとが混在し
た状態のことであります。

すなわち、マイクロ波の周波数を2.45GHzとす
ると前述の±185ガウス（±21.2％）の領域、第
２図の領域（100）内にマイクロ波による電場の
最大位置を合わせると混成共鳴状態の高密度プラ
ズマが得られるものであります。

また本発明の構成に付加して、マイクロ波と磁
場との相互作用により高密度プラズマを発生させ
た後、基板表面上まで至る間に高エネルギを持つ
光（例えば紫外光）を照射し、活性種にエネルギ
を与えつづけると、高密度プラズマ発生領域より
十分離れた炭素原子が存在し、より大面積にダイ
ヤモンド、ｉ−カーボン膜を形成することも可能
であつた。

さらに磁場とマイクロ波の相互作用により発生
する高エネルギ励起種に直流バイアス電圧を加え
て、基板側に多量の励起子が到達するようにする
ことは薄膜の形成速度を向上させる効果があつ
た。

以下に実施例を示し、さらに本発明を説明す
る。

〔実施例〕 第１図に本発明にて用いた磁場印加可能なマイ
クロ波プラズマCDV装置を示す。

同図において、この装置は減圧状態に保持可能
なプラズマ発生空間１、加熱空間３、補助空間
２、磁場を発生する電磁石５，５′およびその電
源２５、マイクロ波発振器４、排気系を構成する
ターボ分子ポンプ８、ロータリーポンプ１４、圧
力調整バルブ１１、赤外線加熱ヒータ２０、およ
びその電源２３、赤外線反射面２１、基板ホルダ
１０′、基板１０、マイクロ波導入窓１５、ガス
導入系６，７、水冷系１８，１８′より構成され
ている。

まず薄膜形成用基板１０を基板ホルダ１０′上
に設置する。このホルダは高熱伝導性を有し、か
つマイクロ波をできるだけ乱さないため、セラミ
ツクの窒化アルミニユームを用いた。かの基板ホ
ルダを赤外線ヒータ２０より放物反射面２１レン
ズ系２２を用いて集光し加速する。（例えば500
℃）次に水素６を10SCOMガス系７を通して高
密度プラズマ発生領域２へと導入し、外部より
2.45GHzの周波数のマイクロ波を500Wの強さで
加える。さらに、磁場約2Kガウスを磁石５，
５′より印加し、高密度プラズマをプラズマ発生
空間１にて発生させる。この時プラズマ発生空間
１の圧力は0.1Paに保持されている。この高密度
プラズマ領域より高エネルギを持つ水素原子また
は電子が基板１０上に到り、表面を洗浄にする。
さらにこの水素を中止し、ガス系７より炭化物気
体例えばアセチレン（C₂H₂）、メタン（CH₄）を
活性化せしめる。そして高エネルギに励起された
炭素原子が生成され、約500℃加熱された基板１
０上に、この炭素原子が体積し、ダイヤモンド又
はｉ−カーボン膜が形成される。

第１図において、磁場は２つのリング状の磁石
５，５′を用いたヘルムホルツコイル方式を採用
した。さらに、４分割した空間３０に対し電場・
磁場の強度を調べた結果を第２図に示す。

第２図Ａにおいて、横軸（Ｘ軸）は空間２０の
横方向（反応性気体の放出方向）であり、縦軸
（Ｒ軸）は磁石の直径方向を示す。図面における
曲線は磁場の等電位面を示す。そしてその線に示
されている数字は磁石５が約2000ガウスの時に得
られる磁場の強さを示す。磁石５の強度を調整す
ると、電極・磁場の相互作用を有する空間１００
（875±185ガウス）で大面積において磁場の強さ
を基板の被形成面の広い面積にわたつて概略均一
にさせることができる。図面は等磁場面を示し、
特に線２６が875ガウスとなるECR（電子サイク
ロトロン共鳴）条件を生ずる等磁場面である。

さらにこの共鳴条件を生ずる空間１００は第２
図Ｂに示す如く、マイクロ波の電界強度が最大と
なるようにしている。第２図Ｂの横軸は第２図Ａ
と同じく反応性気体の流れる方向を示し、縦軸は
電場（電界強度）の強さを示す。

すると電界領域１００以外に領域１００′も最
大となる領域に該当する。しかしにここに対応す
る磁場（第２図Ａ）はきわめて等磁場面が多く存
在している。即ち領域１００′には基板の被形成
面の直径方向（第２図Ａにおける縦軸方向）での
膜厚のばらつきが大きくなり、２６′の共鳴条件
を満たすECR条件部分で良質の被膜ができるの
みである。結果として均一かつ均質な被膜を期待
できない。

もちろんドーナツ型に作らんとする場合はそれ
でもよい。

また領域１００に対してその原点対称の反対の
側にも電場が最大であり、かつ磁場が広い領域に
わたつて一定となる領域を有する。基板の加熱を
行う必要がない場合はかかる空間での被膜形成が
有効である。しかしマイクロ波の電場を乱すこと
なく加熱を行う手段が得にくい。

これらの結果、基板の出し入れの容易さ、加熱
の容易さを考慮し、均一な膜でありかつ均質な被
膜とするためには第２図Ａの領域１００が３つの
領域の中でも最も工業的に量産性の優れた位置と
推定される。

この結果、本発明では領域１００に基板１０を
配設すると、この基板が円形であつた場合、半径
100mmまで、好ましくは半径50mmまでの大きさで
均一、均質に被膜形成が可能となつた。

さらに大面積とするには、例えばこの４倍の面
積において同じく均一な膜厚とするには周波数を
2.45GHzではなく1.225GHzとすればこの空間の直
径（第２図ＡのＲ方向）を２倍とすることができ
る。

第３図は第２図における基板１０の位置におけ
る円形空間の磁場Ａおよび電場Ｂの等磁場、等電
場の図面である。第３図Ｂより明らかなごとく、
電場は最大25KV／ｍにまで達せしめ得ることが
わかる。

また比較のために同条件下で磁場を印加せずに
薄膜形成を行つた。その時基板上に形成された薄
膜はグラフアイト膜であつた。

さらに本実施例と同条件下において基板温度を
650℃以上とした場合ダイヤモンド薄膜を形成す
ることが可能であつた。

本実施例にて形成された薄膜の電子線回析像を
とつたところアモルフアス特有のハローパターン
とともにダイヤモンドのスポツトがみられ、ｉ−
カーボン膜となつていた。さらに基板温度を上げ
て形成してゆくにしたがい、ハローパターンが少
しづつ消えてゆき650℃以上でダイヤモンドとな
つた。

また基板加熱温度を150℃未満とした場合、磁
場を加えてもｉ−カーボン膜を作製することはで
きなかつた。

かかる方式において、基板上に炭化珪化物気体
（メチルシラン）を用い炭化珪素の多結晶膜を作
ることができる。アルミニユーム化物気体とアン
モニアとの反応により窒化アルミニユーム被膜を
作ることもできる。さらにタングステン、チタ
ン、モリブデンまたはそれらの珪化物の高融点導
体を作ることもできる。

〔効果〕

本発明の構成を取ることにより、従来作製され
ていた結晶性を少なくとも一部に有する被膜の作
製条件より幅広い条件下にて作製可能であつた。

また従来法に比べ大面積に均一な薄膜を形成す
ることが可能であつた。

さらに作製された薄膜は引張、圧縮とも膜応力
をほとんど有さない良好な膜であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いる磁場・電場相互作用を
用いたマイクロ波CVD装置の概略を示す。第２
図はコンピユータシミユレイシヨンによる磁場お
よび電場特性を示す。第３図は電場・磁場相互作
用をさせた位置での磁場および電場の特性を示
す。 １……プラズマ発生空間、１０，１０′……基
板および基板ホルダ、４……マイクロ波発振器、
５，５′……外部磁場発生器、２０……基板加熱
ヒータ、１００……最大電場となる空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減圧状態に保持されたプラズマ発生室、該発
   生室を囲んで設けられた磁場発生手段、前期プラ
   ズマ発生室にマイクロ波を供給する手段を備えた
   被膜を形成する装置において、被形成面上にエツ
   チングをさせつつ被膜を形成させるため電子サイ
   クロトロン共鳴条件を満たす共鳴磁場の±21.2％
   以内の磁場領域内に被形成面を有する基板を配設
   する手段が設けられたことを特徴とする薄膜形成
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、マイクロ波
   の周波数は概略2.45GHzを有し、被形成面は概略
   875ガウスを有する電子サイクロトロン共鳴空間
   に配設されていることを特徴とする薄膜形成装
   置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、磁場発生手
   段がヘルムホルツコイルよりなることを特徴とす
   る薄膜形成装置。