JPH0439821A - 結晶性炭素系薄膜の堆積方法 - 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 本発明は電子工業における半導体や絶縁体及びコーテイ
ング膜形成などに用いられる結晶性炭素系薄膜の堆積方
法に関するものであム 従来の技術 結晶性の良い炭素系薄膜を堆積するためにＧＥＬ膜と基
板素材との間の格子不整合の影響をなくすために　膜を
成長させる基板素材及びその表面処理方法などをうまく
選択する必要があも　たとえば　ダイヤモンド薄膜の場
合、単結晶ダイヤモンドを基板素材として用いることに
よって、結晶性の良い良質の膜が得られていも　このよ
うに堆積膜と同材料の基板素材を用いて膜堆積を行なう
方法をホモ・エピタキシャル成長法と呼本これに対し　
成長膜と異なる材料である異種基板素材に膜堆積を行な
う方法であるペテロ・エピタキシャル成長法の研究も盛
んに行なわれていもこの成長法を用いると、様々な基板
素材上に膜堆積ができるので、結晶性炭素系薄膜を広い
分野で利用することができも　特に　シリコン基板上へ
のへテロ・エピタキシィは良質な基板素材が手に入りや
すいことや大面積なものが得られること、他の電子デバ
イスとのハイブリッド化などの点で重要であム　シリコ
ン基板上への結晶性炭素系薄膜成長の例として、ダイヤ
モンドやシリコン・カーバイトがあるが、これらの膜を
堆積するには一般的にシリコン基板の前処理を必要とし
ていも前者の場合、シリコン基板表面を人為的にアルゴ
ンなどの不活性イオン・ビームやダイヤモンド砥石など
で荒すことによって、核の発毛　成長を促進させる試み
が行なわれていも また　後者では基板であるシリコンと堆積膜であるシリ
コンカーバイトとの間の格子不整合の影響を緩和する方
法として、シリコン基板表面を炭化処理したり、基板と
して用いるシリコンの結晶軸方位を（１００）方向から
数度ずらし之オフ基板を用いたりしていも　この様に結
晶性炭素系薄膜を異種基板素材上に堆積する際に（よ　
基板素材の表面処理過程が重要であム 発明が解決しようとする課題 結晶性が良く、また欠陥の少ない炭素系薄膜を堆積する
方法として、ホモ・エピタキシャル成＆法が挙げられる
力ｔ　この場合基板素材として単結晶のものを用意しな
ければならな（ち　しがＬ　結晶性炭素系薄膜例えば　
ダイヤモンドやシリコンカーバイトの単結晶基板は非常
に高価であるという問題点や大面積のものが得られない
という問題点かあっ九 また　へテロ・エピタキシャル成長法によって結晶性炭
素系薄膜を形成する場合、基板素材の面方位方向や基板
素材と堆積膜との格子定数の整合性が重要なポイントと
なム　なぜな収　これらの要素が結晶性炭素系薄膜の膜
堆積初期過程例えば核の発生　成長や膜の成長方位　成
長膜中の欠陥の量などを決めるからであａ　そのた八　
従来は先に示したような方法で、核の発生密度を高めた
り、基板と膜の格子不整合の緩和を行なっている力丈　
これらの方法では膜の結晶法　配向性を制御することが
出来なかったり、格子不整合が起因である欠陥が膜中に
存在し　完全に除去することが困難であるという問題点
があった 以上のように良質の結晶性炭素系薄膜を堆積するための
基板素材並びにその表面処理方法として今まで用いられ
てきたものは一長一短であり、特にヘテロ・エピタキシ
ャル成長法において格子不整合の緩和を根本的に解決す
る方法はまだ得られていな（〜 課題を解決するための手段 本発明に係る結晶性炭素系薄膜の堆積方法において６表
　　基板素材と結晶性炭素系薄膜との格子不整合をなく
すために　基板素材上に　前記基板素材の構成原子のみ
の組成から炭素原子の含有量が連続的に所定の割合にま
で変化していくような炭素組成傾斜領域を形成すも このような炭素組成傾斜領域を作製する方法として、前
記基板素材の構成原子あるいは構成原子を含む粒子を所
定の温度に保たれた前記基板素材に照射しながら同時へ
　炭素原子あるいは炭素原子を含む粒子の量を連続的に
所定の量まで増やしながら前記基板素材に照射すも またＣヨ　　前記基板素材の構成原子あるいは構成原子
を含む粒子を所定の温度に保たれた前記基板素材に照射
しながら同時Ｌ　　炭素原子を持つ気体あるいは前記気
体を含む混合ガスを連続的に所定の量まで変化させて導
入すム そして、上記のような方法で形成された炭素組成傾斜領
域の上へ　堆積する結晶性炭素系薄膜の構成原子を持つ
ガスあるいは前記ガスを含む混合ガスの分解や構成原子
を含む粒子流を照射することによって、結晶性炭素系薄
膜の堆積を行なう。

作用 堆積を行なう基板素材上に前記基板素材の構成原子と炭
素原子で構成される炭素組成傾斜領域を形成することに
よって、基板素材と炭素系堆積膜との格子不整合を緩和
させることが出来も　それに加え　その領域中に含まれ
る炭素原子の組成を徐々に変化させていくことによって
、基板素材の持つ結晶性を反映しなかぺ　基板素材から
結晶性炭素系薄膜が堆積し易い構造へと変化させること
が出来も　すなわ板　この様な基板素材の表面処理過程
を導入することによって、基板素材として異種の素材を
用いなか収　結晶性炭素系薄膜が堆積する基板表面はあ
たかも結晶性の良い膜を成長させることができるホモ・
エピタキシャル基板として作用させることが出来るので
、良質で格子不整合の影響の少ない結晶性炭素系薄膜を
堆積させることが可能になａ また　炭素組成傾斜領域を作製する手段として、前記基
板素材の構成原子あるいは構成原子を含む粒子を所定の
温度に保たれた前記基板素材に照射しながら同時番へ　
　炭素原子あるいは炭素原子を含む粒子を原子状東　分
子状態　イオン状態あるいはラジカル状態で基板素材の
構成原子粒と分離して照射することにより、炭素組成傾
斜領域内の炭素原子の状態　炭素原子の量などを独立し
て制御できム　すなわ板　この様な方法を用いることに
よって、炭素組成傾斜領域の形成を容易にすもまたζ上
　炭素組成傾斜領域を作製する手段として、前記基板素
材の構成原子あるいは構成原子を含む粒子を所定の温度
に保たれた前記基板素材に照射しながら同時に　炭素原
子を持つ気体あるいは前記気体を含む混合ガスの量を制
御して導入することにより、化学結合反応の効果を利用
して、より低温の基板温度で炭素組成傾斜領域を作製す
ることが出来ム　すなわ杖　結晶性炭素系薄膜堆積の低
温成長の可能性が開かれも このようにして形成された炭素組成傾斜領域上への結晶
性炭素系薄膜の堆積は　堆積する結晶性炭素系薄膜の構
成原子を持つガスあるいは前記ガスを含む混合ガスの分
解・照射や構成原子を含む粒子流の照射によって、良質
なものを容易に得ることが出来も 実施例 本発明の一実施例における結晶性炭素系薄膜の堆積方法
に関して図面を用いて詳しく説明すも第１図は基板素材
の構成原子を含む粒子と炭素原子を含む粒子によって、
基板素材上に形成された炭素組成傾斜領域の模式図であ
ム　炭素組成傾斜領域１０２は基板素材１０１上へ　基
板素材１０１の構成原子１０２と炭素原子１０３とで構
成されも　その阪　その領域内の炭素原子の含有量は基
板素材１０１表面から炭素組成傾斜領域１０２の表面に
向かって連続的に変化させも　このようにすることによ
って、炭素組成傾斜領域１０２の表面は基板素材１０１
の結晶性を反映しなが収結晶性炭素系薄膜が成長し易い
構ム　状態へと変化していく。炭素原子の量は基板素材
１０１に照射される基板素材の構成原子を含む粒子１０
６と炭素原子を含む粒子１０５の絶対量及び比で制御す
ム　このような炭素組成傾斜領域の作製方法としてζよ
　炭素原子を含む粒子１０５の代わりへ炭素原子を持つ
ガスあるいは前記ガスを含む混合ガスを用いて行なうこ
とも出来も 第２図は基板素材１０１として、シリコンを用いた場合
の請求項４記載の炭素組成傾斜領域の作製手法・装置の
概略構成図であム　本装置はシリコン基板２０１にシリ
コンを加熱蒸着するための蒸発源２０２と炭素原子を含
む粒子を照射するための蒸発源２０３から構成されてい
も　蒸発源２０２は　電子銃によるシリコン・ターゲッ
トの加熱蒸着源を用いていも　これはシリコンなどのよ
うに比較的融点が高い材料の粒子流を得るためであも　
他の方法として、蒸発源２０２はクーヌーセン・セルや
ガス・セルなどを用いることも出来４　同様へ　炭素源
粒子の蒸発源２０３として、グラファイト・ターゲット
の電子線蒸着源を用いていも　反応室２０４を真空排気
した紘　電子線加熱によって生成されたシリコン原子流
２０５及び炭素原子流２０６は所定の温度に加熱された
シリコン基板２０１に照射され　炭素組成傾斜領域を形
成すも　その隘　炭素原子の量の制御は電子線強度やシ
ャッター２０７による炭素原子流の遮蔽によってなされ
も　このような方法を用し＼　基゛板温度・各原子流の
強度などをうまく設定することによって、シリコン基板
２０１上に良質な炭素組成傾斜領域を形成することが出
来も 第３図は第２図において炭素原子源として、イオン銃を
用いた場合の請求項４記載の炭素組成傾斜領域の作製手
法・装置の概略構成図であも　本装置は炭素原子源とし
て、グラファイトの電子線蒸着の代わりく　イオン銃３
０１を用いていもこのイオン銃３０１より、炭化水素ガ
スなどの放電分解より得られる炭素イオン及び炭化水素
イオンを数十ｅＶ〜数ｋｅＶのエネルギーでシリコン基
板２０１に照射すも　この方法は炭素組成傾斜領域１０
２中の炭素原子の量をドーズ量で制御できも　加えて、
イオンの持つエネルギーを調整してやることにより、イ
オン照射の効果例えば　蒸着粒子のマイグレーションに
よる結晶性の改善などが得られも 第４図は基板素材１０１としてシリコンを用いた場合の
請求項５記載の炭素組成傾斜構造領域の作製手法・装置
の概略構成図であも　本装置はシリコン基板２０１にシ
リコンを加熱蒸着するための蒸発源２０２と炭素原子源
となるガスの導入口４０１より構成されていも　シリコ
ンを加熱蒸着する蒸発源２０２は第２図で用いたものと
同様電子線加熱によるものであム　炭素原子の供給は炭
化水素ガスなどの気体を用いて行なわれも　ガス導入口
４０１より導入されたガスは分解・反応し　炭素組成傾
斜領域１０２の形成に寄与する。

炭素原子の量の制御は導入するガスのガス圧　入射シリ
コン粒子流の強度などで行なう。この方法は化学反応の
効果を利用できるので、うまくガス種を選択することに
よって、より低温の基板温度で炭素組成傾斜領域を形成
することが出来も以上の手法を用いて、シリコン基板素
材上に炭素組成傾斜領域を形成する服　炭素組成傾斜領
域の表面の炭素原子の含有量の所定の割合を基板素材の
構成原子１に対して、０．９〜１．１にすることによっ
て、良質な結晶性炭素系薄膜が堆積可能になると期待さ
れも　なぜならば　前記の所定割合の範囲では基板最表
面は大部分がシリコンカーバイトであり、また結晶構成
に関与しない炭素原子の量も非常に少ないので、炭素組
成傾斜領域内に存在する構造欠陥などが少なくなるから
であａ　すなわ板　良質な結晶性炭素系薄膜を堆積させ
ることが可能とな也 以上のような方法で基板素材１０１上に炭素組成傾斜構
造を形成することにより、異種基板素材と膜の間の格子
不整合を緩和させることが出来るの℃　堆積する結晶性
炭素系薄膜の構成原子を持つガスあるいは前記ガスを含
む混合ガスの分解・照射や構成元素を含む粒子流の照射
によって、良質な結晶性炭素系薄膜を大面積圏　しかも
容易に得ることが出来も その阪　炭素組成傾斜領域の作製法と結晶性炭素系薄膜
の堆積法をうまく選択することにより、一連のプロセス
として行なえるので、形成された炭素組成傾斜領域の最
表面を汚すことなく、連続的に膜の堆積が出来も 発明の効果 実施例からも明らかなように本発明により得られる効果
（よ　以下のようにまとめられもま哄　基板素材の構成
原子を含む粒子と炭素原子を含む粒子あるいはガスを独
立して制御することにより、炭素組成傾斜領域を基板素
材表層に形成することが出来も　このことζよ　異種基
板素材上に格子不整合の影響をなくして、良質な結晶性
炭素系薄膜を容易に堆積することが可能になることを意
味すも そして、炭素組成傾斜領域の形成において、炭素原子源
としてイオンやガスを用いることによって、より低温で
良質な炭素組成傾斜領域を作製することが出来も　この
ことζよ　結晶性炭素系薄膜の低温成長への可能性を開
いたことを意味す也以上のように本発明は結晶性の良い
炭素系薄膜の堆積ができるだけでなく、より低温で形成
可能という点で、極めて有用なものであａ

【図面の簡単な説明】

第１図は基板素材の構成原子を含む粒子と炭素原子を含
む粒子によって、基板素材上に形成された炭素組成傾斜
領域の模式医　第２図は本発明の一実施例における結晶
性炭素系薄膜の堆積方法に用いる装置の概略構成を示す
断面図　第３図は第２図において炭素原子源として、イ
オン銃を用いた場合の装置の概略構成を示す断面図　第
４図は本発明の他の実施例における結晶性炭素系薄膜の
堆積方法に用いる装置の概略構成を示す断面図であム １０１・・・基板素材、　１０２・・・炭素組成傾斜領
域１０３・・・炭素原子、　１０４・・・基板素材の構
成原子、２０１・・・シリコン基板、　２０２・・・シ
リコン原子蒸発＃　２０３・・・炭素原子蒸発！　　２
０７・・・シャッター、　３０１・・・炭素原子源イオ
ン紘　４０１・・・炭素原子源ガス導入１ 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第１図 ○ ■ ■ 〇−−／θ５炭を７！Ｐ１Σ含を鼠千 ○

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板素材上に前記基板素材の構成原子のみの組成
   から炭素原子の含有量が連続的に所定の割合にまで変化
   していくような炭素組成傾斜領域を形成した後にその上
   に、少なくとも堆積する結晶性炭素系薄膜の構成原子を
   持つガスあるいは前記ガスを含む混合ガスを分解して、
   前記基板素材に照射することによって膜堆積を行なうこ
   とを特徴とする結晶性炭素系薄膜の堆積方法。
2. （２）基板素材上に、前記基板素材の構成原子のみの組
   成から炭素原子の含有量が連続的に所定の割合にまで変
   化していくような炭素組成傾斜領域を形成した後に、少
   なくとも固体を加熱蒸発することによって生成した堆積
   する結晶性炭素系薄膜の構成原子を含む粒子流を前記基
   板素材に照射することによって膜堆積を行なうことを特
   徴とする結晶性炭素系薄膜の堆積方法。
3. （３）基板素材上に前記基板素材の構成原子のみの組成
   から炭素原子の含有量が連続的に所定の割合にまで変化
   していくような炭素組成傾斜領域を形成した後に、少な
   くとも堆積する結晶性炭素系薄膜の構成原子を含む粒子
   流と構成原子を持つガスあるいは前記ガスを含む混合ガ
   スとを前記基板素材に照射することによって膜堆積を行
   なうことを特徴とする結晶性炭素系薄膜の堆積方法。
4. （４）基板素材上に炭素組成傾斜領域を形成する方法と
   して、基板素材の構成原子あるいは構成原子を含む粒子
   を、所定の温度に保たれた前記基板素材に照射しながら
   同時に、炭素原子あるいは炭素原子を含む粒子の量を連
   続的に所定の量まで変化させて前記基板素材に照射する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の結
   晶性炭素系薄膜の堆積方法。
5. （５）基板素材上に炭素組成傾斜領域を形成する方法と
   して、前記基板素材の構成原子あるいは構成原子を含む
   粒子を所定の温度に保たれた前記基板素材に照射しなが
   ら同時に、炭素原子を持つ気体あるいは前記気体を含む
   混合ガスを連続的に所定の量まで変化させて導入するこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の結晶
   性炭素系薄膜の堆積方法。
6. （６）基板素材として、シリコン単結晶を用いることを
   特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の結晶性炭
   素系薄膜の堆積方法
7. （７）堆積する結晶性炭素系薄膜の構成原子を持つガス
   の分解方法として、熱または光あるいはプラズマを利用
   することを特徴とする請求項１に記載の結晶性炭素系薄
   膜の堆積方法。
8. （８）堆積する結晶性炭素系薄膜の構成原子を持つガス
   として、炭化水素ガスを用いることを特徴とする請求項
   １または３に記載の結晶性炭素系薄膜の堆積方法。
9. （９）炭素組成傾斜領域における炭素含有量の割合が、
   基板素材の構成原子１に対し、炭素原子が０．９〜１．
   １であることを特徴とする請求項４または５に記載の結
   晶性炭素系薄膜の堆積方法。
10. （１０）炭素原子あるいは炭素原子を含む粒子として、
    イオンを用いることを特徴とする請求項４に記載の結晶
    性炭素系薄膜の堆積方法。
11. （１１）炭素原子を持つ気体として、炭化水素ガスを用
    いることを特徴とする請求項５に記載の結晶性炭素系薄
    膜の堆積方法。