JPH0525837B2 - - Google Patents

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、
フイ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
反応室内に反応ガスを導入し、これらを外部の電
気炉及び前記フイ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
フイ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つ
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。この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
イ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。したがつて基板に対し
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
ンウエハを使用した場合ではシリコンカーバイト
（SiC）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、グラフア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つ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
つて、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。したがつて、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（キヤビテイ）構造
となつ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つている。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（CO₂）、メタンガスと酸素の混合
ガス（CH₄＋O₂）、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、CH₄＋CO₂）のうちのいずれか１つと、水
素ガス（H₂）とを用いる。

前記プラズマ室１の周囲には電磁石４ａ及び４
ｂ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2.45GHz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、かつこれを連通
す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つてい
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^-5Torr）。
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
たがつて基板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、成膜速度が下がつていく。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アイトや
アモルフア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一酸化炭素ガス
（CO）を用いると、Ｃ元素はダイヤモンド、アモ
ルフアスカーボン、グラフアイトを生成する機能
を有し、またＯ元素はアモルフアスカーボン、グ
ラフア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、前記一酸化炭素ガスはＣとＯ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、CH₄＋O₂＋H₂、
CH₄＋CO＋H₂、あるいはCH₄＋O₂＋H₂等の混合
ガスを使用すれば、ガスの種類は増えるものの、
Ｏ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：−40V 電流：950mA 反応ガス：CO 10sccm、H₂ 90sccm 反応圧力：0.1Torr 一定 基板温度：600℃ 基板 ：φ30mm、シリコンウエハ マイクロ波電力：1200W 以上の条件で４時間成膜を行つたところ、膜厚
4500Å程度の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一酸化炭素ガスを
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
エハとした場合、基板−ダイヤモンド膜間に
SiO₂が形成されやすい。このSiO₂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、フツ酸に浸して前記
SiO₂の薄い層のみを除去すればよい。これによ
りSi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
さらに高くなつたことになるので、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１０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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。