KR0184649B1 - 다이아몬드막의 형성 방법 - Google Patents

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게이지 히라바야시
도시아끼 요시까와
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미따라이 하지메
캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은, 고주파 플라즈마 CVD법으로 다이아몬드막을 형성시키는 방법으로서, 유도 커플링 방전을 이용하고 고주파 주파수를 40MHz 내지 250MHz 범위로 설정하여 탄소를 함유하는 출발 가스를 플라즈마 상태에서 분해시켜서 기판 상에 다이아몬드막을 형성시키는 다이아몬드막의 형성 방법이다.

Description

다이아몬드막의 형성 방법
제1도는 본 발명에 사용된 프라즈마 CVD 장치의 실시예를 도시하는 도면.
제2도는 주파수에 대한 플라즈마 밀도의 상관 관계를 도시하는 도면.
제3도는 본 발명의 프라즈마 CVD 장치의 다른 실시예를 도시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 31 : 석영 반응 용기 2, 32 : 기판 홀더
3, 33 : 기판 4, 34, 35, 36 : 유도 커플링 코일
5, 37, 38, 39 : 정합 회로 6, 40 : 자장 인가 수단
7, 41 : 기판 바이어스 전압용 전원 8, 42 : 가스 공급구
9, 43 : 진공 배기구
본 발명은 전자 재료 또는 고 내마모성 재료로 사용될 때에 양호한 특성을 나타내는 다이아몬드 결정막을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 높은 대역 간극(band gap)(5.5eV), 높은 반송 이동도(carrier mobility)[전자에 대해 1800㎠/V·S, 정공(hole)에 대해 1600㎠/V·S], 높은 열전도도[2000 W/(m·K)], 다른 재료에서는 얻을 수 없는 높은 경도 및 우수한 내마모성 등과 같은 여러 가지 특성을 가진다.
따라서, 최근에는 증기상 다이아몬드 합성에 관한 연구, 특히 화학 증착법(CVD법)에 관한 연구가 상당히 진행되고 있다.
다이아몬드를 형성시키는 주요 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 필라멘트, 일례로 텅스텐 필라멘트를 약 2000℃까지 가열하여 출발 가스를 분해시키고 그리고 나서 기판에 다이아몬드 결정을 석출시키는 가열 필라멘트 CVD법.
(2) 출발 가스를 마이크로웨이브(통상적으로 2.45GHz)로 분해시켜서 기판에 다이아몬드 결정을 석출시키는 마이크로웨이브 플라즈마 CVD법.
(3) 출발 가스를 RF(통상적으로 13.56MHZ)로 분해시켜서 기판에 다이아몬드 결정을 석출시키는 RF 플라즈마 CVD법.
(4) 산소-아세틸렌 화염을 이용하여 다이아몬드 결정을 형성시키는 연소 화염법.
(5) 마이크로웨이브를 자장과 조합시킴으로써 발생되는 ECR(전자 사이클로트론 공명 : electron cyclotron reasonance) 방전으로 출발 가스를 분해시켜서 기판상에 다이아몬드 결정을 형성시키는 ECR 플라즈마 CVD법.
(6) 대기압 근방의 압력하에서 직류 또는 고주파에 의해 형성되는 고온 플라즈마로 출발 가스를 분해시켜서 기판에 다이아몬드 결정을 형성시키는 고온 플라즈마 CVD법.
(7) 일본 특허 공개 (평)5-32498호에 개시된 바와 같이 초단파(30 내지 300MHz) 영역의 플라즈마를 이용하는 플라즈마 CVD법.
그러나 다이아몬드 결정을 형성시키는 상기한 종래의 방법들은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.
가열 필라멘트 CVD법(1)은 다이아몬드막의 영역을 넓게 형성시키는 성질을 가지며 비교적 높은 다이아몬드막 형성 속도를 나타낸다. 그러나, 필라멘트가 시간이 지남에 따라 탄화 또는 열화되어 다이아몬드 형성의 재생성(reproducibility)을 불량하게 하는 것과 같은 단점이 있다.
마이크로웨이브 플라즈마 CVD법(2)으로는 고 밀도의 플라즈마, 비교적 높은 다이아몬드 결정 형성 속도 및 양호한 재생성을 얻을 수는 있다. 그러나 플라즈마는 국부화되어 다이아몬드막의 영역을 넓게 형성시키기 어려운 점과 같은 단점이 있다.
RF 플라즈마 CDV법(3)은 막의 영역을 넓게 형성시키는 성질과 양호한 재생성을 가진다. 그러나, 플라즈마 밀도가 낮고 다이아몬드 결정의 형성 속도가 아주 낮은 단점이 있다.
연소 화염법(4)으로는 아주 높은 다이아몬드 결정 형성 속도를 얻을 수 있다. 그러나, 재생성이 불량하며 막의 영역을 넓게 형성시키기가 어렵다.
ECR 플라즈마 CVD법(5)은 막의 영역을 넓게 형성시키는 성질과 양호한 재생성을 갖는다. 그러나, ECR 방전을 생성시키기 위해서는 낮은 압력(통상적으로 100Pa 미만)이 요구되는데, 이 결과 다이아몬드 결정의 형성 속도가 낮아지는 단점이 있다.
고온 플라즈마 CVD법(6)은 아주 높은 다이아몬드 결정 형성 속도와 양호한 재생성을 갖는다. 그러나, 막의 영역을 넓게 형성시키기가 어렵다.
초단파 영역의 고주파를 이용하는 플라즈마 CVD법(7)은 막의 영역을 넓게 형성시키기가 용이하며 재생성이 높다. 또한, 비교적 높은 다이아몬드 형성 속도를 제공하도록 하는 높은 플라즈마 밀도를 갖기는 하지만 다이아몬드 형성 속도를 더 향상시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 재생성이 양호한 다이아몬드 결정막을 고속으로 넓은 영역에서 균일하게 형성하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 본 발명의 목적은, 기판을 수용하고 있는 반응 공간 안으로 탄소를 포함하는 출발 가스를 도입시키고, 상기 출발 가스의 플라즈마를 형성시키기 위해 상기 반응 공간 안에 40MHz 내지 250MHz의 주파수에서 유도 커플링 방전을 인가하고, 상기 기판 상에 20V 내지 50V 범위의 양(+)의 바이어스 전압을 인가하여 기판 상에 다이아몬드막을 형성시키는, 고주파수 플라즈마 CDV법으로 다이아몬드막을 형성시키는 방법에 의하여 달성된다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 다이아몬드 결정 또는 다이아몬드상 탄소막을 높은 형성 속도로 그리고 넓은 영역에서 형성시키는 방법, 특히 플라즈마를 생성시키는 방법을 재시험하는 것을 기초로 하여 달성되었다.
마이크로웨이브 방전(통상적으로 2.45GHz) 시에는 플라즈마 밀도는 높지만 플라즈마가 국부화되는 경향이 있어서 상기한 바와 같이 막의 영역을 넓게 형성시키는 것이 어렵다. 한편, FR 방전(통상적으로 13.56MHz) 시에는 플라즈마가 확산되기 쉬워서 막의 영역을 넓게 형성시키는 것이 가능하게 되지만 플라즈마 밀도는 낮다.
따라서, 본 발명자들은 넓은 영역에서 고 밀도의 플라즈마를 형성시키기 위해 상기 두가지 방법의 주파수 사이의 중간 영역, 상세하게는 40 MHz 내지 250 MHz 범위, 바람직하기로는 80 MHz 내지 200 MHz 범위의 주파수에서의 플라즈마 방전을 이용하는 CVD법으로 다이아몬드를 형성시키려고 시도를 했다. 그 결과, 플라즈마는 넓은 영역에서 그리고 높은 플라즈마 밀도로 생성되었고 이에 따라 다이아몬드 결정이 높은 형성 속도로 그리고 넓은 영역에서 형성됨을 알아내었다. 이러한 주파수 영역의 고주파를 인가하는 방법은 용량성 커플링 전극을 사용하는 방전 또는 유도 커플링 전극을 사용하는 방전 등을 이용하는 것을 포함한다. 본 발명에서는 고주파를 인가하는 방법을 위해 유도 커플링 전극을 채용하고, 이에 띠라 플라즈마가 더 고밀도로 형성되어서 다이아몬드 결정의 형성 속도가 향상되었다.
본 발명의 플라즈마 CVD법에 적용된 고주파의 주파수가 40 MHz 이하이면, 적어도 100eV와 같은 고 에너지를 갖는 이온의 충돌 때문에 SV은 다이아몬드 결정 형성속도가 얻어지지 않으며 결정성이 열화된다. 한편, 상기 고주파의 주파수가 250MHz 이상이면 고주파 출력의 전달 손실이 커지므로 플라즈마가 안정되게 생성될 수 없다.
상기 CVD법에 의한 다이아몬드 합성은 통상적인 CVD법에 비해 비교적 높은 압력(바람직하게는 적어도 10Pa)에서 행해진다. 본 발명에 따른 유도 커플링 방전 방법은 용량성 커플링 방전에 비해 보다 안정된 방전이 이루어지게 할 수 있으므로 장시간의 다이아몬드 합성에 적합하다. 그 이유로는, 비교적 높은 압력(바람직하기로는 적어도 10Pa)하에서 용량성 커플링 방전을 이용하는 방전은 전극들 사이에서, 특히 본 발명의 주파수 대역(40MHz 내지 250MHz)에서는 비정상적 방전으로까지 증가하기 쉬우며, 이와는 반대로 유도 커플링 방전 방법을 이용하는 경우에는 비정상적 방전이 억제되어 균일성이 양호한 막 두께를 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 유도 커플링 방전 방법으로는 용량성 커플링 방전 방법에 비해 넓은 영역의 막을 형성시키는 것이 곤란하다는 것은 일반적인 통설이다. 그러나, 본 발명의 주파수 대역(40 내지 250MHZ)에서는 방전의 안정성이 높으며 고주파의 높은 전력이 안정되게 공급될 수 있어서 이에 의하면 다이아몬드를 넓은 영역에서 그리고 용량성 커플링 방전 방법보다는 높은 형성 속도로 형성시킬 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명의 유도 커플링 방전 방법을 이용하면 기판을 가열기 등으로 가열하지 않고유도 커플링 열로 가열할 수 있다. 이러한 것은 비교적 높은 기판의 온도(바람직하기로는 적어도 400℃)를 필요로 하는 다이아몬드 석출에 특히 효과적이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 방법은 플라즈마 CVD법으로 다이아몬드 막을 형성시키기 위해 유도 커플링 방전 방법을 적용하며 선택적으로는 특정의 고 주파수 대역(40MHz 내지 250MHz)을 적용하고 이에 의하여 우수한 특성을 갖는 균일한 다이아몬드막을 안정되게 형성시킨다.
또한, 본 발명에서는 다이아몬드를 형성시키는 중에 기판 부근에 자장을 인가하며 그리고/또는 기판에 양(+)의 바이어스(bias) 전압을 인가하고 이에 의하여 다이아몬드 결정을 보다 높은 형성 속도로 형성시킨다.
다음의 방법과 조건들은 본 발명에 따라 자장을 인가하기 위한 방법 및 조건들로서 바람직한 것이다. 우선, 자장을 인가하기 위한 방법에 통상의 발산 자장이 이용되는 경우, 기판 부근의 자장 강도는 적어도 150 가우스, 바람직하기로는 적어도 200 가우스이다. 150 가우스보다 약한 자장으로는 플라즈마 밀도의 향상에 기반을 둔 다이아몬드 형성 속도의 GFID상 효과는 얻을 수 없다.
또한, 본 발명에서 다이아몬드를 형성하는 중에 기판에 양(+)의 바이어스 전압을 인가하면 기판 상에 충돌하는 이온과 기판 상에 석출되는 다이아몬드가 감소되며 또한 기판에 전자 비임을 적절히 조사시키면 다이아몬드 결정의 성장 속도 및 결정성을 향상시키는 데 효과적이다. 양(+)의 바이어스 전압을 인가하는 조건의 최적치는 고주파의 주파수, 고주파수 출력, 압력 등에 따라 달라지지만, 20V 이상 50V 이하, 바람직하기로는 25V 이상 45V 이하이다. 다이아몬드막의 형성 속도를 상당히 줄이거나 또는 다이아몬드막을 전혀 형성시키지 않기 위해서, 20V 이하의 양(+)의 바이어스전압을 인가하거나 또는 음의 바이어스 전압을 인가하면서 플라즈마의 이온을 충돌시킴으로써 기판 및 다이아몬드막을 에칭시키는 경우도 있다. 더욱이, 바이어스 전압이 50V 이상인 경우 기판에 조사되는 전자 비임은 증가하게 되어 기판 온도가 비정상적으로 증가하게 되는데, 이러한 것은 다이아몬드 형성에 대한 억제 요인이 될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다이아몬드막 형성에 사용된 출발 가스 내의 탄소원으로는 메탄, 에탄, 에틸렌,아세틸렌 등과 같은 탄화 수소와, 알콜, 아세톤 등과 같은 액상 유기 화합물과, 일산화탄소와, 할로겐화 탄소 등을 사용할 수 있다. 더욱이, 수소, 산소, 염소 또는 불소를 함유하는 가스를 선택적으로 첨가할 수도 있다. 일반적으로, 출발 가스는 출발 가스 내의 주요 성분인 수소원 가스와 탄소원 가스의 비가 1:0.001 내지 1:1인 혼합 가스이다. 반도체 다이아몬드를 형성시키기 위해, 붕소 함유 가스를 출발 가스에 첨가하여 p형 반도체를 얻으며 인 또는 리튬, 나트륨 등을 함유하는 가스를 첨가하여 n형 반도체를 얻는다. 더욱이, 증발된 액상 유기 화합물이 탄소원으로 사용되는 경우, 상기한 바와 같은 붕소, 인, 리튬 또는 나트륨 중 어느 하나 또는 이들의 화합물이 상기 액상 유기 화합물에 첨가될 수 있다.
기판의 온도는 일례로, 300℃ 내지 1200℃의 범위, 바람직하기로는 400℃ 내지 1000℃의 범위에 있다.
압력은 일례로, 1Pa 내지 104Pa의 범위, 바람직하기로는 10Pa 내지 8×103Pa의 범위, 보다 바람직하기로는 102Pa 내지 5×103Pa의 범위이다.
제1도는 본 발명에 사용된 플라즈마 CVD법 장치의 일 실시예를 나타내는 것이다. 본 발명의 상기 장치에 있어서, 내부의 압력을 감압시킬 수 있도록 설치된 석영 반응 용기(1) 안에는, 기판을 가열 및 냉각시키며 기판에 기판 바이어스전압을 인가할 수 있도록 설치된 기판 홀더(2)와 기판93)이 설치된다. 유도 커플링 코일(4)이 상기 반응기의 외부에 배치되어서 정합 회로( matching circuit)(5)를 통해 고주파 전원에 접속된다. 자장 인가 수단(6)은 기판 표면에 대해 수직한 방향으로 자장을 인가시키기 위해 유도 커플링 코일(4)의 외부에 배치된다. 더욱이, 도면 부호 7은 기판 바이어스 전압용 전원이다. 도면 부호 8은 가스 공급구를 나타내는 것으로, 여기에는 도시되지 않은 밸브, 가스 실린더 및 가스 유량 조절기가 접속된다. 도면 부호 9는 진공 배기구를 나타내는 것으로, 여기에는 도시되지 않은 밸브, 터보부자 펌프 및 로터리 펌프가 접속된다.
제1도는 3 권취의 유도 커플링 코일을 나타내고 있지만, 본 발명에 있어서의 코일의 형상, 권취의 수, 배치는 제1도에 도시된 것으로 한정되지 않는다는 점을 알아야 한다. 일례로, 권취의 수는 1 내지 10의 권취가 되게 하고, 플라즈마 형성 영역을 확장하기 위하여 복수의 코일을 일렬로 더 배치하여 긴 기판 상에 다이아몬드 결정이 형성될 수 있도록 할 수 있다.
이하의 실시예들을 참고하여 본 발명을 보다 더 상세히 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 제1도에 도시된 플라즈마 CVD 장치를 사용하여 다이아몬드막을 형성시켰다.
다이아몬드 결정을 형성시키기 전에 주파수에 달라지는 플라즈마 밀도를 공지의 2 지점 탐침법으로 측정하였다. 수소 : 200ml/min, 메탄 : 2ml/min 및 산소 : 0.5ml/min로 구성된 출발 가스를 사용하여 압력 50Pa, 고주파 출력 500W에서, 플라즈마를 여러 주파수에서 생성시켜서 플라즈마 밀도를 측정하였다. 이렇게 얻어진 결과를 제2도에 도시하였다. 주파수가 40MHz 미만이면 플라즈마 밀도는 1 × 1011/㎤ 미만이다. 플라즈마 밀도는 주파수가 40MHz를 경계로하여 그 이상에서 증가한다. 약 80MHz에서 플라즈마 밀도는 약 1012/㎤이고, 주파수가 80MHz를 초과하면 포화되는 경향이 있다. 또한, 주파수가 200MHz를 초과하면 고주파 출력의 전달손실이 증가한다. 더욱이, 주파수가 250MHz를 초과하면, 플라즈마는 불안정하게 생성되게 되고 30분 이상 연속 작동을 실행시키는 것이 불가능해지게 된다.
이어서, 고주파의 주파수를 100MHz로 고정시킨 상태에서 다이아몬드를 형성시켰다. 단결정 실리콘 기판[직경 : 102mm(4인치), 두께 : 400㎛]을 기판(3)으로서 사용하여 가열기로 750℃까지 가열하였다. 다른 조건들은 플라즈마 밀도 측정시의 조건들과 동일하다. 또한, 기판은 접지 전위(earth potential)로 유지시키고 또한 기판에는 자장을 인가시키지 않았다. 다이아몬드를 10시간 동안 계속해서 형성시켜서 막 두께가 약 2.5㎛인 다결정 다이아몬드막을 얻었다. 여기서, 막 두께의 변동 폭은 ± 10% 이내로서 양호하다.
[실시예 2]
제1도에 도시된 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 다이아몬드 결정을 여러 주파수에서 합성하였다.
형성 조건에 있어서, 출발 가스는 수소 : 400ml/min, 메탄 : 4ml/min 및 산소 : 1ml/min로 구성하고, 압력은 50Pa, 고주파 출력은 720W로 하였다. 단결정 실리콘기판[102mm(4인치), 두께 : 400㎛]을 기판(3)으로서 사용하여 가열기로 가열하였다. 또한, 기판 바이어스 전압은 25V 전위로 고정하였고, 자장은 기판 부근에서 180 가우스가 되게 설정하였다. 형성 시간은 8시간이었다. 다이아몬드막의 막 두께와 방전 안정성을 표1에 나타내었다.
AA : 매우 안정된 방전
A : 안정된 방전
B : 실제로 사용 가능한 방전
C : 불안정한 방전
제1도에 도시된 바와 같이, 시편 1 내지 시편 4에서는 다이아몬드 결정이 유도 커플링 플라즈마 CVD법에서 방전 주파수 범위를 40MHz 내지 250MHz로 조정함으로써 높은 형성 속도로 안정되게 형성될 수 있었다. 또한, 막 두께의 균일성은 ± 10%이내로서 양호하였다.
시편 5에서의 다이아몬드 결정의 성장 속도는 낮았으며, 시편 6에서는 방전이 안정되지 않았기 때문에 다이아몬드 형성이 어려웠다.
[실시예 3]
본 실시예는 유도 커플링 방전을 채택한 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드막의 형성이 자장 인가에 따라 변동되는 것을 관찰한 것이다. 다이아몬드 합성 조건은 실시예 1의 조건과 동일하다. 또한, 기판은 접지 전위(earth potential)로 유지시키고, 형성 시간은 10시간이다. 표2는 형성된 다이아몬드 결정의 막 두께를 나타내는 것이다.
표2를 살펴보면, 막 두께는 자장의 강도가 150 가우스 이상으로 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 것은 자장이 인가되면 플라즈마 밀도가 높아시기 때문이라고 생각된다.
[실시예 4]
본 실시예는 유도 커플링 방전을 채택한 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드막의 형성이 기판에 인가한 바이어스 전압에 따라 변동되는 것을 관찰한 것이다.
형성 조건은 기판에 기판 바이어스 전압이 인가되는 것을 제외하고는 실시예 1의 조건과 동일하다. 표3에 결과를 나타내었다. 여기서, 얻어진 다이아몬드층의 결정성(crystallinity)은 라만 분광 분석(Raman spectral analysis)으로 평가하였다. 라만 분광 분석에 의하면, 다이아몬드 결정의 피크는 1333㎝-1 부근에서 예리한 피크로 관찰되었고, 비결정 탄소 또는 입상 탄소는 1350㎝ 와 1580㎝ 부근에서 넓은 피크로 관찰되었다. 본 발명에서, 결정성은 다이아몬드 결정의 피크(1333㎝ )와 비결정 탄소 또는 입상 탄소의 피크(1580㎝ )의 존재 및 이러한 두 피크의 비(1333㎝ /1580㎝ )에 의해 평가되었다. 상기 비 1333㎝ /1580㎝ 가 2 이상이면 결정성은 아주 양호한 것(AA)으로 평가하였다. 상기 비가 1 미만이면 결정성은 양호한 것(A)로 평가하였다. 상기 비가 1 미만이고 다이아몬드 결정의 피크가 확인될 수 있으면 시편은 결정성이 있다는 것(B)으로 간주하였다. 또한, 다이아몬드 결정의 피크가 없다는 것이 확인되면 시편은 결정성이 없다는 것(C)으로 간주하였다.
AA : 결정성 아주 양호
A : 결정성 양호
B : 결정성 있음
C : 결정성 없음
표3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 20V 내지 50V 범위의 기판 바이어스 전압에서 성장 속도가 증가하고 결정성이 향상되었다는 것이 확인되었다.
[실시예 5]
본 실시예는 기판에 바이어스 전압을 인가하는 것과 기판 부근에 자장을 인가하는 것을 조합한 효과를 관찰한 것이다. 다이아몬드 결정은 기판 바이어스 전압을 40V로 설정하고 자장을 기판 부근에서 200 가우스가 되게 설정한 것을 제외하고는 실시예 1의 조건과 동일하다. 막 두께는 7.2㎛였고, 라만 분광 분석에 의하면 다이아몬드 결정의 피크와 비결정 탄소 또는 입상 탄소의 피크와의 비(1333㎝-1/1580㎝-1)가 2 이상이었고, 이에 따라 아주 양호한 결정성을 나타내 보였다. 본 실시예에서는 기판 바이어스 전압을 인가하는 것과 기판 부근에 자장을 인가하는 것을 조합함으로써 다이아몬드 형성 속도와 결정성이 향상되었음이 확인되었다.
[실시예 6]
본 실시예에서는 제1도에 도시된 장치를 사용하고 이와 더불어 기판 바이어스 전압과 자장을 인가함으로써 반도체 다이아몬드막을 형성시켰다. 기판은 실리콘 기판[76mm(3인치), 두께 : 500㎛]이었고, 출발 가스는 H가스 : 100ml/min, CO(일산화탄소) 가스 : 4ml/min, 및 BH(디보란 : 100ppm 수소 희석)로 구성되었다. 압력은 150Pa, 자장은 기판 부근에서 200 가우스, 기판 바이어스 전압은 28V였다. 또한, 고주파의 주파수는 100MHz, 고주파 출력은 500W였다. 기판의 온도는 820℃로 유지시켰고, 합성 주기는 10시간이었다. 기판 상에는 두께가 약 5.2㎛인 다이아몬드 박막이 형성되었다. 다이아몬드막의 전기 저항은 약 10Ω·㎝이었는데, 이것은 P형반도체의 특성이다.
[실시예 7]
본 실시예에서는 제3도에 도시된 바와 같이 다수의 유도 커플링 코일(도면에는 3개의 코일이 도시됨)을 사용하여 긴 시편에 피복을 형성시켰다. 제3도에서, 기판 바이어스 전압을 인가시킬 수 있도록 설치된 기판 홀더(32)와 기판(33)이 내부 압력을 감압시킬 수 있도록 설치된 석영 반응 용기(31) 안에 배치된다. 유도 커플링 코일(34, 35, 36) 각각은 반응 용기 외부에 배치되어서 각각의 정합 회로(37, 38, 39)를 거쳐서 도시되지 않은 고주파 전원에 접속된다. 또한, 기판에 대해 수직 방향으로 자장을 인가하기 위해 자장인가 수단(40)은 유도 커플링 코일의 외부에 배치된다. 도면 부호 41은 기판 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원을 나타내는 것이다. 도면 부호 42는 가스 공급구를 나타내는 것으로, 여기에는 도시되지 않은 밸브, 가스 실린더 및 가스 유량 조절기가 접속된다. 도면 부호 43은 진공 배기구를 나타내는 것으로, 여기에는 도시되지 않은 밸브, 터보 문자 펌프 및 로터리 펌프가 접속된다. 기판은 몰리브덴으로 제조된 파이프(직경 : 2㎝, 길이 : 40㎝)이고, 출발 가스는 H가스 : 200ml/min와 CO(일산화탄소) 가스 : 10ml/min로 구성되었다. 압력은 400Pa, 자장은 기판 부근에서 220 가우스, 기판 바이어스 전압은 32V였다. 또한, 고주파의 주파수는 120MHz였고, 각각의 유도 코일에는 650W의 전압이 공급되었다. 기판은 형성된 플라즈마에 의해 800℃로 가열되었다. 기판 상에는 8시간의 합성 주기 동안에 두께가 약 5㎛인 다이아몬드 박막이 형성되었다. 여기서, 기판상에 형성된 막 두께의 변동폭은 ± 10%로 아주 양호하였다.
본 발명에 의하면 다이아몬드 결정 박막은 높은 형성 속도로 넓은 영역에 걸쳐 형성되었다. 이러한 다이아몬드 결정 형성 방법은 전자 재료, 절삭 공구 및 내마모성 부재를 제조하는 방법에 적용될 수 있으며, 그 산업상 이용 가치는 높다.

Claims (7)

  1. 고주파 플라즈마 CVD법으로 다이아몬드막을 형성시키는 방법에 있어서, 기판을 수용하고 있는 반응 공간 안으로 탄소를 포함하는 출발 가스를 도입시키고, 상기 출발 가스의 플라즈마를 형성시키기 위해 상기 반응 공간 안에 40MHz 내지 250MHz의 주파수에서 유도 커플링 방전을 인가하고, 상기 기판 상에 20V 내지 50V 범위의 양(+)의 바이어스 전압을 인가하여 기판상에 다이아몬드막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막을 형성시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 자장을 기판 부근에 인가시켜서 다이아몬드막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 자장의 강도를 기판 부근에서 적어도 150 가우스가 되게 설정하여 다이아몬드막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 기판의 온도를 300℃ 내지 1200℃ 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 압력을 1Pa 내지 104Pa 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 압력을 10Pa 내지 8 × 103Pa 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 유도 커플링 코일을 사용하여 다이아몬드막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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