JPH02302396A - プラズマ処理装置 - 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〕 この発明は、特に有磁場マイクロ波ＣＶＤ法により、ダ
イヤモンド又はダイヤモンド状カーボン（以下、これら
をダイヤモンド等と記す）を基体上に形成するプラズマ
処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ダイヤモンド等の薄膜を形成する方法としては、
熱フイラメントＣＶＤ法、マイクロ波ＣＶＤ法等がある
。熱フイラメントＣＶＤ法では、フィラメント及び基体
としての基板が設けられた反応室内を数十Ｔｏｒｒに保
持するとともに、この反。

心室内に反応ガスを導入し、これらを外部の電気炉及び
前記フィラメントにより加熱し、成膜を行うようにして
いる。

また、マイクロ波ＣＶＤ法では、基板の設置された反応
室内にマイクロ波及び反応ガスを導入し、前記マイクロ
波を用いて発生させたプラズマにより反応ガスの分解を
行い、成膜を行うようにしている。

ところが、前記の熱フイラメントＣＶＤ法ではフィラメ
ントの作成技術の点から、またマイクロ波ＣＶＤ法では
プラズマが発生する部分が限定されるという点から、そ
れぞれ大面積の基板にダイヤモンド等を形成することが
非常に困難であった。

プラズマＣＶＤ法において成膜領域の大面積化を図る場
合、１つの方法として、反応室内をより低圧にし、プラ
ズマが発生する領域を広くすることが考えられる。しか
し、通常のプラズマＣＶＤ法では、反応室内をあまり低
圧にするとプラズマが発生しなくなる。

そこで最近は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いてダイヤ
モンド等を形成することが研究されている。二〇ＥＣＲ
プラズマＣＶＤ法は、反応室内に導入されたマイクロ波
に対して電子サイクロトロン共鳴条件を満たす磁界を形
成し、低圧状態で効率よくプラズマが発生できるように
したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりダイヤモ
ンド等を形成する場合、次のような問題点があることが
判明した。

即ち、特にＥＣＲプラズマＣＶＤ法のように、磁場を利
用して低圧下（１０Ｔｏｒｒ以下）で成膜を行う場合、
基板（基板ホルダ）を電気的にフローティングしたまま
で成膜すると、プラズマ中で基板が負に帯電してしまう
。したがって基板に対して、電子は反発し、イオンが引
き寄せられる。そしてダイヤモンド等の合成上、基板へ
の電子照射による衝撃は好ましいものであるが、イオン
照射による衝撃は好ましいものではなく、このイオン衝
撃により良好なダイヤモンド等が形成されず、基板がエ
ツチングされ、例えば基板としてシリコンウェハを使用
した場合ではシリコンカーバイト（Ｓ　ｉ　Ｃ）が発生
してしまう。

そこで、本件発明者らは、基板に正バイアス電圧を印加
して、基板へのイオンの衝撃を少なくするとともに、電
子衝撃を増やすプラズマ処理装置を開発し、既に出願し
ている。

このようなプラズマ処理装置では、基板にバイアスをか
けるために、基板とその支持部分の間に絶縁物を介在さ
せる必要がある。しかし、この絶縁物はプラズマにさら
される側に設けられるので、グラファイト等が付着し易
く、これにより絶縁不良を起こしやすい。また、基板側
（基板ホルダ）には、通常基板加熱用ヒータや、熱電対
等が配置されるため、この基板ホルダ側に、新たに正バ
イアス電圧を印加するための構成を付加すると、さらに
構造が複雑になってしまうおそれがある。

この発明の目的は、磁場を利用し、低圧力下でダイヤモ
ンド等の合成を行う場合、簡単な構成で、ダイヤモンド
等の合成に有害なイオンの衝撃を減らし、逆に電子衝撃
を増大させて良好なダイヤモンド等の薄膜を形成できる
プラズマ処理装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るプラズマ処理装置は、プラズマ室内に反
応ガス及びマイクロ波を導入し、かつ磁場によりプラズ
マを発生させてダイヤモンド等を基体上に形成するよう
にしたものにおいて、前記プラズマ室に負のバイアス電
圧を印加する手段を設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、プラズマ室に負のバイアス電圧が
印加されるので、プラズマ室側、すなわち基体と逆側の
プラズマ電位が負になる。したがって、基体（基板）側
を接地しておけば、実効的に基体に正のバイアス電圧を
印加したことと同等となる。これにより、特に有磁場マ
イクロ波ＣｖＤ法により低圧下でプラズマを発生させ、
ダイヤモンド等を合成する場合においても、基体が負に
帯電することはない、したがって、イオンによる衝撃が
減少し、逆にダイヤモンド等の合成に有益な電子衝撃が
増大する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例によるプラズマ処理装置とし
ての成膜装置を示す断面構成図である。

図において、１は空洞共振器（キャビティ）構造となっ
たプラズマ室であり、このプラズマ室１には、導波管２
を介してマイクロ波源としてのマグネトロン３（周波数
２．４５ＧＨｚ）が接続されている。また、プラズマ室
１には反応ガス供給口１ａが設けられ、この反応ガス供
給口１ａを介して反応ガスが導入されるように、なって
いる。ここで、前記反応ガスとしては、−酸化炭素ガス
（ＣＯ）。

二酸化炭素ガス（Ｃｏ□）、メタンガスと酸素の混合ガ
ス（ＣＨａ＋Ｏｔ）、メタンガスと一酸化炭素ガスある
いは二酸化炭素ガスとの混合ガス（ＣＨ４＋ＣＯ，ＣＨ
ａ　＋ｃｏ□）のうちのいずれか１つと、水素ガス（Ｈ
２）とを用いる。

前記プラズマ室１の周囲には電磁石４ａ及び４ｂが配置
されており、この電磁石４ａ及び４ｂによる磁界の強度
は、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件が
プラズマ室１内部で成立するように設定されている。こ
の磁場分布を第２図に示す。ここで、前記周波数２．４
５Ｇ）Ｉｚのマイクロ波に対して電子サイクロトロン共
鳴を起こすための磁束密度は８７５Ｇである。

また、プラズマ室１の磁束密度が８７５Ｇとなる位置、
即ち高密度のプラズマ領域が形成される位置には、成膜
すべき基板５が配置されており、この基板５は基板ホル
ダ６に保持されている。基板ホルダ６にはヒータ７が設
けられ、このためのヒータ電源が外部に設けられている
（図示せず）。

前記プラズマ室１に隣接して、かつこれと連通ずるよう
に試料準備室８が配置されている。そして、この試料準
備室８とプラズマ室１との間には絶縁部材１０が設けら
れており、プラズマ室１は他の部分と電気的に絶縁され
ている。試料準備室８の一部には、排気系に接続される
排気口８ａが形成されている。

また、前記プラズマ室１には、直流バイアス電源９が接
続されており、これによりプラズマ室１に負のバイアス
電圧が印加できるようになっている。そして、前記基板
ホルダ６、即ち基板５は試料準備室８を介して接地され
ている。

次に作用について説明する。

プラズマ室１内を真空排気後、前述の一酸化炭素ガス等
のうちのいずれかひとつと、水素ガスとを導入し、圧力
を一定にする（１０〜１０−’Ｔｏｒｒ）。次にマグネ
トロン３からマイクロ波を発生させ、これを導波管２を
介してプラズマ室１内に導入するとともに、電磁石４ａ
及び４ｂに電流を流して磁場を形成する。このとき、プ
ラズマ室１内の磁場強度が８７５Ｇの位置では、電子サ
イクロトロン共鳴を起こし、電子はマイクロ波から効率
よくエネルギを吸収し、低圧下にて高密度のプラズマ領
域が形成される。

このとき、プラズマ室１には直流電源９により負のバイ
アス電圧が印加されているので、プラズマ室１側のプラ
ズマ電位は負となる。また、基板５は接地されているの
で、基板５は相対的に正電圧を印加した場合と同等にな
る。これにより、低−圧下にもかかわらず基板５は負に
帯電しない。したがって基板５へのイオンの衝撃が減少
し、また電子衝撃が増大し、基板５上に良好なダイヤモ
ンド等の薄膜が形成される。

このように本実施例では、基板５に対して正バイアス電
圧を印加することなく、相対的に基板５側の電圧を高く
することができるので、簡単な構造の基板ホルダ６によ
り、良質のダイヤモンド薄膜を形成することができる。

また、反応ガスとして前述のようなガスを使用している
ので、低圧下においても成膜速度を高くすることができ
る。

この反応ガスの作用について、より詳細に説明すると、
従来のダイヤモンド等の合成に使用される一般的な反応
ガスは、メタンガス（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）であ
る。しかし、このメタンガスを使用する場合、圧力が下
がるほどメタンガスの絶対量が減り、成膜速度が下がっ
ていく。この成膜速度の低下を防ぐためにメタンガスの
濃度を上。

げると、相対的に水素ガスの量が減少し、このためダイ
ヤモンドと同時に発生するグラファイトやアモルファス
カーボンの除去が不十分となり、結晶性の悪い、質の良
くないダイヤモンド膜が形成される。

そこで、反応ガスとして例えば−酸化炭素ガス（ＣＯ）
を用いると、Ｃ元素はダイヤモンド、アモルファスカー
ボン、グラファイトを生成する機能を有し、また０元素
はアモルファスカーボン。

グラファイトをエツチングする機能を有すると考えられ
るので、このＣＯ濃度を濃くしても、かなり結晶性の良
いダイヤモンド等を形成することができ、成膜速度が高
く、しかも結晶性の良いダイヤモンド等の形成が可能と
なる。

なお、前記−酸化炭素ガスはＣと０とが１対１で、その
割合を変化させることができない。そこで、Ｏの量を加
減するために、ＣＨａ　＋Ｏｔ＋Ｈ！。

ＣＨ４＋　ＣＯ＋　Ｈ！　、あるいはＣＨ４＋Ｏ□＋Ｈ
２等の混合ガスを使用すれば、ガスの種類は増えるもの
の、０の量を加減して最適な量で成膜を行うことができ
ることになる。

以下に、具体的な実施条件を示す。

プラズマ室１への印加バイアス 電圧ニー４０Ｖ 電流：９５０ｍＡ 反応ガス：　Ｃｏ　　１０ｓｃｃｍ、　　　Ｈｚ　９０
ｓｃｃｎ反応圧カニ０．ＩＴｏｒｒ　　一定 基板温度：６００°Ｃ 基板；φ３０薗、シリコンウェハ マイクロ波電力　：１２００Ｗ 以上の条件で４時間成膜を行ったところ、膜厚４５００
人程度０結晶性の良いダイヤモンド膜が得られた。

また、反応ガスの一部に前記−酸化炭素ガスを使用した
場合の効果として、以下のことがあげられる。即ち、反
応ガスにＣＯを含み、基板をＳｉウェハとした場合、基
板−ダイヤモンド膜間にＳｉＯ□が形成されやすい。こ
のＳｉＯ□が形成された場合は、ダイヤモンドを基板か
ら取り外して使用する場合、例えば生成されたダイヤモ
ンドを砥粒として、あるいはこのダイヤモンド膜を他へ
接着して工具として使用する場合等において、Ｓｉ基板
全てを溶かす必要がなく、フッ酸に浸して前記Ｓｉｎ、
の薄い層のみを除去すればよい。これによりＳｔ基板は
再利用でき、また除去時間の短縮化が図れる。

〔他の実施例〕

（ａ）　　前記実施例では基板５を接地したが、同時に
基板５に正バイアス電圧を印加してもよい。このように
すると、基板電位がプラズマに対してさらに高くなった
ことになるので、成膜速度の向上を図ることができる。

（ｂ）　　前記実施例では、プラズマ室１と試料準備室
８との間に絶縁部材１０を設けたが、基板５側と試料準
備室８との間を絶縁して、基板５（あるいは基板ホルダ
６）を独立して接地する構成とすれば、前記絶縁部材１
０は不要となる。

（Ｃ）　　前記実施例ではＥＣＲプラズマＣＶＤ法に本
発明を適用したが、本発明は低圧下でプラズマを発生さ
せてダイヤモンド等を形成する有磁場マイクロ波ＣＶＤ
法の全てに適用でき、その場合も前記実施例と同様の効
果を奏する。

〔発明の効果〕

このように本発明では、有磁場マイクロ波ＣｖＤ法を用
い、低圧下でダイヤモンド等を形成する際、プラズマ室
に負のバイアス電圧を印加するようにしたので、基板ホ
ルダの構造を複雑にすることなく、ダイヤモンド等を形
成する際に有害となる基体へのイオン衝撃を減少させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるプラズマ処理装置の断
面構成図、第２図は前記装置において形成される磁場特
性を示す図である。 １・・・プラズマ室、３・・・マグネトロン、４ａ、４
ｂ・・・電磁石、５・・・基板、６・・・基板ホルダ、
９・・・バイアス電源、１０・・・絶縁部材。 第１図 第２図 Ｘｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ室内に反応ガス及びマイクロ波を導入す
   るとともに、このプラズマ室内に磁界を形成してプラズ
   マを発生させ、ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状カ
   ーボンを基体上に形成するようにしたプラズマ処理装置
   において、 前記プラズマ室に負のバイアス電圧を印加する手段を備
   えたことを特徴とするプラズマ処理装置。