JP3938424B2 - Diamond thin film production equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD装置の技術分野にかかり、特に、マイクロ波を用い、大面積のダイヤモンド薄膜を形成できるプラズマCVD装置の技術分野に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、シリコンと同じ結晶構造の半導体物質であり、バンドギャップが広く、高耐熱性且つ高硬度であることから、近年、高周波パワーデバイス、短波長光デバイスや、耐磨耗性のコーティング材料として注目されている。
しかし、ダイヤモンドを、半導体装置に用いるためには、高圧合成ダイヤモンドは高価であり、実用的でない。
【0003】
そこで従来より、高品質のダイヤモンド薄膜を安価に製造できる技術が研究されており、マイクロ波プラズマCVD法、熱フィラメントCVD法、DC放電法、燃焼炎法等が提案されている。
【0004】
それらのうち、マイクロ波プラズマCVD法が高品質のダイヤモンド薄膜を形成できることから有望視されている。図3の符号101は、そのマイクロ波プラズマCVD法によってダイヤモンド薄膜を製造する、従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の部分拡大図である。
【0005】
このダイヤモンド薄膜製造装置101は、導波管111と、石英チューブ115を有しており、導波管111は、断面矩形形状を呈し、石英チューブ115が、導波管111を垂直に貫いた状態で立設されている。
【0006】
石英チューブ115内に成膜対象の基板を挿入し、石英チューブ115内に炭素原子を含む原料ガスを導入し、図示しないマイクロ波発生器を動作させ、導波管111内にマイクロ波を放射すると、そのマイクロ波は石英チューブ115に照射され、石英チューブ115内にプラズマ117が発生する。
そして、プラズマ中の炭素原子が基板表面に到達し、結晶が成長するとダイヤモンド薄膜が形成される。
【0007】
しかしながら、マイクロ波は波長が短いため、伝搬できるプラズマ密度の上限である遮断密度は7×1010cm3となり、その遮断密度以上に高密度なプラズマ中を伝搬することができない。
【0008】
従って、マイクロ波では、高密度プラズマ内に侵入できず、そのためプラズマ密度が大きくならない。また、基板表面には小面積のダイヤモンド薄膜しか形成できないという問題がある。例えば周波数2.45GHzのマイクロ波を用いた場合、その波長は12cm程度と短いため、直径約1cm程度のダイヤモンド薄膜しか形成できない。
【0009】
そこでプラズマを広げるため、図4に示したダイヤモンド薄膜製造装置102が提案されている。
このダイヤモンド薄膜製造装置102では、導波管121と石英チューブ125の他、電磁ホーン122を有しており、その電磁ホーン122は、一端が導波管121の断面形状と同じ形状・大きさにされ、他端が数倍の大きさの開口部に形成されている。
【0010】
電磁ホーン122の一端は導波管121に接続され、他端側には石英チューブ125が横設されており、予め、石英チューブ125内に成膜対象の基板を配置し、原料ガスを導入すると共に、図示しないマイクロ波発生器を動作させ、導波管121内にマイクロ波を導入すると、そのマイクロ波は電磁ホーン122内で発散され、開口端部から石英チューブ125に向けて照射される。
【0011】
このダイヤモンド薄膜製造装置102では、径の大きい石英チューブ125やステンレス真空槽内の広い面積にマイクロ波が照射されるので、比較的大きなプラズマ127を生成することができるが、ダイヤモンド薄膜の直径は数cm程度が限界であり、しかも、成長速度が遅いという欠点がある。
【0012】
他方、強力な磁場(875G以上)によってプラズマを共鳴励起させ、高密度なプラズマを発生させる電子サイクロトロン共鳴ダイヤモンド薄膜製造装置が知られているが、成長速度が遅く、また、大がかりな磁場発生装置を必要とする等の欠点がある。
【0013】
ダイヤモンド薄膜を、その特性を利用して、平面ディスプレー、半導体集積回路基板のヒートシンク、X線露光用マスクのメンブレム、あるいは耐磨耗性のコーティング材料等に使用する場合には、少なくとも直径10cm以上、実用的には、一辺が20cm〜50cm程度の大きさのダイヤモンド薄膜を形成する必要がある。従って、上述の従来技術の装置は、いずれも実用に適さない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、大面積のダイヤモンド薄膜を高速に形成できる技術を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、真空槽とガス導入管と導波管とを有し、前記真空槽内に基板を配置し、組成式中に炭素原子を有するダイヤモンド薄膜の原料ガスを、前記ガス導入管によって前記真空槽内に導入し、前記導波管内にマイクロ波を放射し、前記原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、前記プラズマ中の物質を前記基板表面に到達させ、前記基板表面に薄膜を形成するダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管の側面にはスロットが設けられ、前記スロットから前記真空槽内に前記マイクロ波が漏洩するように構成され、前記基板に負電圧を印加できる可変電圧電源が設けられたことを特徴とする。
【0016】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管のスロットが設けられている面には誘電体窓が気密に固定されたことを特徴とする。
【0017】
請求項3記載の発明は、請求項1乃至請求項2のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記ガス導入管の先端部は前記誘電体窓近傍に配置され、 前記先端部から供給された前記原料ガスが、前記誘電体窓表面と平行な方向に流れるように構成されたことを特徴とする。
【0018】
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記可変電圧電源は、前記基板に正電圧を印加できるように構成されたことを特徴とする。
【0019】
請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽内の前記導波管と前記基板との間の位置に、電位制御可能な電極が設けられたことを特徴とする。
【0020】
請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽には、前記基板裏面を観察できる測温窓が設けられたことを特徴とする。
【0021】
請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記導波管には、前記基板の成膜面を観察できる測温孔が設けられたことを特徴とする。
【0022】
請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置であって、前記真空槽には、少なくとも2個の測定窓が設けられ、一方の測定窓は、前記基板の成膜面に50°以上90°未満の入射角で測定光を照射できるように構成され、他方の測定窓は、前記成膜面で返光された反射光を通過させられるように構成されたことを特徴とする。
【0023】
本発明は上述のように構成されており、真空槽内に基板を配置し、ガス導入管から薄膜の原料ガスを導入し、導波管内にマイクロ波を放射し、原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、プラズマ中の物質を基板表面に到達させると、薄膜を形成できるようになっている。
【0024】
このダイヤモンド薄膜製造装置では、導波管の側面にスロットが設けられ、マイクロ波がスロットから真空槽内に漏洩するように構成されているので、導波管の近傍に、プラズマを生成できるようになっており、プラズマ表面が極端に励起された場合、拡散により、プラズマ内部が遮断密度以上の高密度になる。
【0025】
導波管のスロットが設けられている面に、誘電体窓を気密に固定させておくと、真空槽内部と導波管内部とを気密に分離されるので、真空槽内には不純物は侵入せず、また、真空槽内部を高真空状態に維持することができる。
【0026】
また、ガス導入管の先端部を誘電体窓近傍に配置し、原料ガスを誘電体窓に平行な方向に流すように構成しておくと、誘電体窓から分離した不純物が、原料ガスによって運び去られ、真空排気によって除去されるので、形成される薄膜の純度が向上する。
【0027】
また、可変電圧電源により、真空槽内に配置された基板と真空槽との間に所望の大きさの電圧を印加できるように構成し、真空槽に対し、基板を負電位にしながらダイヤモンド薄膜を形成すると、ダイヤモンド核発生密度が増大し、また、結晶方位が整合しながら成長する。
【0028】
逆に、真空槽に対し、基板を正電位にすると、誘電体窓が炭化されて、その後基板にダイヤモンド薄膜を形成したときに不純物が混入しない。窓材が不純物として混入する場合は、このような正電位処理を行うこともできる。
【0029】
更にまた、真空槽内部のプラズマと基板との間の位置に、電位制御可能な電極を設けておくと、プラズマの位置を移動させられるので、誘電体窓とプラズマとの距離を離し、誘電体窓がエッチングされないようにすることができる。
【0030】
以上説明したダイヤモンド薄膜製造装置では、基板の成膜面に、高純度の薄膜を高速で形成できるようになっており、真空槽に、基板の裏面を観察できる測温窓を設けておくと、薄膜形成中の基板温度を監視できるので、薄膜の膜厚制御性が向上する。
この場合、基板の成膜面を観察できる測温孔を導波管に設けてもよい。
【0031】
また、真空槽に、測定窓を少なくとも2個設け、一方の測定窓から、基板の成膜面に対し、50°以上90°未満の入射角で測定光を照射し、他方の測定窓を介して、反射光を真空槽外に射出できるように構成しておくと、成膜中の薄膜の状態を観察できるようになる。
【0032】
なお、スロットを細溝形状に形成し、少なくとも2個設けた場合には、各スロットから真空槽内に漏洩したマイクロ波は、強度が強め合われるので、生成されるプラズマ密度が高くなる。
【0033】
【発明の実施の形態】
図2(a)と、図2(a)のA−A線截断面図に相当する図1とを参照し、符号1は、本発明のダイヤモンド薄膜製造装置であり、底面側が開放された真空槽20と、真空槽20のその底面側に配置された導波管4を有している。
【0034】
真空槽20と導波管4とは、互いに気密に固定されており、導波管4の真空槽20側の側面35には、1個のスロット(細溝状貫通孔)6が設けられている。スロット6は、幅約10mm、長さ約6cmに形成されており、そのスロット6の上部には、誘電体窓5が気密に固定され、真空槽20内部が、導波管4内部から気密に分離されている。
【0035】
他方、真空槽20の天井側には、基板を載置可能な基板ホルダ30が設けられており、このダイヤモンド薄膜製造装置1によって、ダイヤモンド薄膜を形成する場合、先ず、真空槽20内の真空雰囲気を維持した状態で、粒径1μm以下のダイアモンド粉末で処理されたシリコンウェハーから成る基板を基板ホルダ30に載置する。
【0036】
図1の符号31はその状態の基板を示しており、この基板31の成膜面32は下方位置の導波管4側に向けられており、成膜面32と誘電体窓5とは、互いに平行に対向配置されている。
【0037】
次いで、真空槽20内を真空排気しながら、図示しない加熱機構によって基板31を加熱し、昇温させる。
【0038】
基板31裏面位置の真空槽20を構成する部分には、孔と、その孔を気密に封止した石英材料とから成る測温窓22が設けられており、基板31を昇温させる際、基板31裏面から放射される赤外光を測温窓22を通過させ、その測温窓22近傍に配置された赤外温度計38によって通過した赤外光を受光し、温度測定を行いながら昇温させた。
【0039】
このダイヤモンド薄膜製造装置1は、図示しないガス導入系と、そのガス導入系に接続されたガス導入管9を有しており、ガス導入管の端部は、真空槽20の天井側から内部に鉛直に挿入されている。
【0040】
ガス導入管9の先端部10は、誘電体窓5近傍で水平方向に屈曲されており、基板31が850℃で安定したところで、先端部10から、水素希釈メタンガス(メタン1%−水素99%乃至メタン3%−水素97%の希釈率の混合ガス)から成る原料ガスを放出させた。
【0041】
水素希釈メタンガスの放出により、真空槽20内が20Torr乃至30
Torrの圧力で安定した後、導波管4内にマイクロ波を導入し、スロット6及び誘電体窓5を介して真空槽20内にマイクロ波を漏洩させた。
【0042】
導波管4のスロット6は、マイクロ波の進行方向24に対して長手方向が垂直方向に向けられており、漏洩したマイクロ波により、原料ガスが励起され、誘電体窓5近傍に、スロット6方向に短軸を有する楕円状で、20〜30cm2の面積のプラズマ3が生成された。
【0043】
このダイヤモンド薄膜製造装置1では、2.45GHzのマイクロ波(波長12cm)が用いられており、そのプラズマ波は、導波管4内を、図1の紙面後方から紙面手前に向け、側面35に沿って進行するようにされている。
【0044】
導波管4のスロット6は、上述したように、長手方向の大きさが6cmであり、マイクロ波の波長の1/2になっており、その長手方向は、マイクロ波の進行方向24に対して垂直方向に向けられている。
【0045】
このような構成によると、スロット6から真空槽20内に漏洩したマイクロ波はスロット6内で定在波を形成し、誘電体窓5近傍で高密度のプラズマを3を発生する。
【0046】
一般的に、マイクロ波は、遮断密度(周波数2.45GHzに対して7×1010cm-3)以上に高密度なプラズマ表面では反射してしまい、プラズマ内に進入できないため、マイクロ波によって直接生成できるプラズマは、遮断密度が上限の密度となる。
【0047】
ところが、このダイヤモンド薄膜製造装置1では、マイクロ波が、真空槽20内のプラズマ3の誘電体窓5近傍の表面部分を極端に励起するため、その部分のプラズマ3が基板31方向に拡散し、その結果、発生したプラズマ3の内部は遮断密度以上の高密度になり、成膜速度を向上させることができる。
【0048】
しかし、そのような高密度のプラズマ3が誘電体窓5に接近した場合、誘電体窓5がプラズマ3によってエッチングされ、遊離すると不純物となり、ダイヤモンド薄膜中に混入するおそれがある。
【0049】
このダイヤモンド薄膜製造装置1では、真空槽20外に、2個の可変電圧電源26、28が設けられており、真空槽20内には、誘電体窓5と基板ホルダ30との間の位置に、網状の電極15が設けられている。
【0050】
その電極15は、一方の可変電圧電源26の電極に接続されており、導波管4に対し、所望電位に置くことができるようになっている。また、真空槽20内に配置された基板31は、他方の可変電圧電源28に接続され、真空槽20に対して所望電位に置けるように構成されている。
【0051】
誘電体窓5近傍で発生したプラズマ3は、誘電体窓5と電極15との間に位置しているため、一方の可変電圧電源26によって電極15の電位を制御すると、プラズマ3と誘電体窓5との間の距離を変えることができる。従って、プラズマ3と誘電体窓5との距離を適当に離し、誘電体窓5がプラズマ3によってエッチングされないようにすることができる。
【0052】
また、ガス導入管9の先端部10は、上述したように、水平方向に屈曲されており、その先端部10から放出された原料ガス11は、誘電体窓5表面に平行な方向に流れるようになっている。従って、誘電体窓5を構成する物質が遊離した場合でも、その物質は原料ガス11の流れによって運び去られ、真空排気によって除去されるので、形成中のダイヤモンド薄膜に、不純物となって混入することはない。
【0053】
このダイヤモンド薄膜製造装置1では、真空槽20の側壁に、2つの測定窓211、212が設けられており、一方の測定窓211近傍には、図示しない光照射装置が配置されている。また、他方の測定窓212近傍には、受光装置が配置されている。
【0054】
可変電圧電源28によって、真空槽20に対して基板31を負電位に置き、マイクロ波パワーを800Wとし、上述のように、測温窓22からの基板31の温度観察によって基板31の温度を800℃に維持し、薄膜形成を行った。
【0055】
その薄膜を成長させる際、一定の偏光状態にある測定光271を、一方の測定窓211を通過させ、50°以上90°未満の入射角度で、薄膜形成中の基板31の成膜面32に照射し、成膜面32で反射され、偏光状態が変化した反射光272を、他方の測定窓212を通過させ、真空槽20外に配置された受光装置で受光し、偏光解析測定を行った。
【0056】
成膜後、基板を取り出してラマン分光分析を行った結果、1332cm-1のところにビークが観察され、成膜面32上には、不純物を含まないダイヤモンド薄膜が成長していることを確認できた。成長速度は1時間当たり0.2〜0.3μmであった。基板31に形成されたダイヤモンド薄膜の結晶方位整合性は高かった。
【0057】
なお、スロット数を2個に増やし、マイクロ波パワーを2kW、基板温度を850°とし、60分間反応させた場合、基板表面に直径15cmの領域にダイヤモンド薄膜が形成された。
このように、本発明のプラズマ波CVD装置1によれば、高品質のダイヤモンド薄膜を高い成膜速度で形成することができる。
【0058】
ところで、この導波管4には、スロット6が形成されている面とは反対の面に、スロット6に比べて微小な測温孔23が設けられている。従って、薄膜形成中の基板31の温度制御を行う際、基板31の成膜面32側から放射され、測温孔23を通過した赤外光を、測温孔23近傍に配置した赤外線温度計29によって受光し、温度測定を行ってもよい。
【0059】
なお、基板31の温度を変えてダイヤモンド薄膜を成長させたところ、基板温度と成長速度の関係は、従来のダイヤモンド薄膜製造装置によって得られているのと同様の関係であった。基板31の温度測定は、測温窓22又は測温孔23を用いて行ったため、その温度測定結果が正確であることが確認できた。
【0060】
また、メタンガスに水素ガスが添加された原料ガス、メタンガスに水素ガス及び酸素ガスが添加された原料ガス、又はメタンガスに水素ガスとアルゴンガスが添加された原料ガスを用い、上記ダイヤモンド薄膜製造装置1によってプラズマを生成し、薄膜を形成したところ、ラマン分光分析及び電子顕微鏡観察により、その薄膜は、ダイヤモンド薄膜であることが確認できた。
【0061】
以上は、導波管の側面35に1個又は2個のスロットを設けた場合を説明したが、図2(b)に示すように、3個以上のスロット6'を「ハ」字形状に配置してもよい。この場合、各スロットの長さL、及び中心間距離Wをマイクロ波の管内波長の1/2にしておくと、真空槽20内部に漏洩したマイクロ波の強度を強めることができる。
【0062】
【発明の効果】
薄膜の形成速度が早く、不純物を含まない薄膜を形成できる。
基板温度の制御性がよい。
特に、大面積で、高品質のダイヤモンド薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のダイヤモンド薄膜製造装置の一例を示す図(図2のA−A線截断面図)
【図2】(a):そのダイヤモンド薄膜製造装置をスロット形状及び配置を説明するための図
(b):スロットの他の配置例を示す図
【図3】従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の一例
【図4】従来技術のダイヤモンド薄膜製造装置の他の例
【符号の説明】
1…ダイヤモンド薄膜製造装置 3…プラズマ 4…導波管 5…誘電体窓 6、6'…スロット 9…ガス導入管 10…ガス導入管の先端部 11…原料ガス 15…電極 20…真空槽 211、212…測定窓 22…測温窓 23…測温孔 271…測定光 272…反射光 28……可変電圧電源 31…基板 32…成膜面 35…導波管側面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the technical field of a plasma CVD apparatus, and more particularly to the technical field of a plasma CVD apparatus that can form a large-area diamond thin film using microwaves.
[0002]
[Prior art]
Diamond is a semiconductor material with the same crystal structure as silicon, and has a wide band gap, high heat resistance, and high hardness. Therefore, diamond has recently been used as a high-frequency power device, short-wavelength optical device, and wear-resistant coating material. Attention has been paid.
However, in order to use diamond for a semiconductor device, high-pressure synthetic diamond is expensive and impractical.
[0003]
Therefore, techniques that can produce a high-quality diamond thin film at low cost have been studied, and a microwave plasma CVD method, a hot filament CVD method, a DC discharge method, a combustion flame method, and the like have been proposed.
[0004]
Among them, the microwave plasma CVD method is regarded as promising because it can form a high-quality diamond thin film. The code |
[0005]
The diamond thin
[0006]
When a substrate to be deposited is inserted into the
When the carbon atoms in the plasma reach the substrate surface and the crystal grows, a diamond thin film is formed.
[0007]
However, since the microwave has a short wavelength, the cutoff density, which is the upper limit of the plasma density that can be propagated, is 7 × 10 10 cm 3 , and cannot propagate through the plasma at a density higher than the cutoff density.
[0008]
Therefore, the microwave cannot penetrate into the high-density plasma, so that the plasma density does not increase. There is also a problem that only a small-area diamond thin film can be formed on the substrate surface. For example, when a microwave with a frequency of 2.45 GHz is used, since the wavelength is as short as about 12 cm, only a diamond thin film with a diameter of about 1 cm can be formed.
[0009]
In order to spread the plasma, the diamond thin
The diamond thin
[0010]
One end of the
[0011]
In this diamond thin
[0012]
On the other hand, there is known an electron cyclotron resonance diamond thin film manufacturing apparatus that generates a high-density plasma by resonantly exciting the plasma with a strong magnetic field (875 G or more). There are disadvantages such as need.
[0013]
When the diamond thin film is used for a flat display, a heat sink for a semiconductor integrated circuit board, a membrane for an X-ray exposure mask, or a wear-resistant coating material, using the characteristics, at least a diameter of 10 cm or more, Practically, it is necessary to form a diamond thin film having a side of about 20 cm to 50 cm. Therefore, none of the above-mentioned prior art devices are suitable for practical use.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and an object thereof is to provide a technique capable of forming a diamond thin film having a large area at high speed.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the diamond thin film manufacturing apparatus according to the first aspect, a dielectric window is hermetically fixed to the surface of the waveguide where the slot is provided.
[0017]
Invention of Claim 3 is a diamond thin-film manufacturing apparatus of any one of
[0018]
A fourth aspect of the present invention is the diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the variable voltage power source is configured to apply a positive voltage to the substrate. It is characterized by.
[0019]
A fifth aspect of the present invention is the diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein a potential is provided at a position between the waveguide and the substrate in the vacuum chamber. A controllable electrode is provided.
[0020]
A sixth aspect of the present invention is the diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the vacuum chamber is provided with a temperature measuring window through which the back surface of the substrate can be observed. It is characterized by.
[0021]
A seventh aspect of the present invention is the diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the waveguide has a temperature measuring hole through which the film formation surface of the substrate can be observed. It is provided.
[0022]
The invention according to claim 8 is the diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of
[0023]
The present invention is configured as described above, a substrate is placed in a vacuum chamber, a raw material gas for a thin film is introduced from a gas introduction tube, a microwave is emitted into the waveguide, and the raw material gas is excited to generate plasma. When a substance in plasma is caused to reach the substrate surface, a thin film can be formed.
[0024]
In this diamond thin film manufacturing apparatus, a slot is provided on the side surface of the waveguide, and microwaves are leaked from the slot into the vacuum chamber, so that plasma can be generated in the vicinity of the waveguide. Thus, when the plasma surface is extremely excited, the inside of the plasma becomes higher than the cutoff density by diffusion.
[0025]
If the dielectric window is airtightly fixed on the surface of the waveguide where the slot is provided, the inside of the vacuum chamber and the inside of the waveguide are separated in an airtight manner, so that impurities can enter the vacuum chamber. In addition, the inside of the vacuum chamber can be maintained in a high vacuum state.
[0026]
In addition, if the tip of the gas introduction tube is arranged in the vicinity of the dielectric window so that the source gas flows in a direction parallel to the dielectric window, impurities separated from the dielectric window are carried by the source gas. Since it is left and removed by evacuation, the purity of the formed thin film is improved.
[0027]
In addition, a variable voltage power source is configured so that a voltage of a desired magnitude can be applied between the substrate disposed in the vacuum chamber and the vacuum chamber, and the diamond thin film is applied to the vacuum chamber while keeping the substrate at a negative potential. When formed, the diamond nucleus generation density increases, and the crystal orientation grows while matching.
[0028]
Conversely, when the substrate is set to a positive potential with respect to the vacuum chamber, the dielectric window is carbonized, and impurities are not mixed when a diamond thin film is subsequently formed on the substrate. When the window material is mixed as an impurity, such a positive potential treatment can be performed.
[0029]
Furthermore, if a potential controllable electrode is provided at a position between the plasma and the substrate in the vacuum chamber, the position of the plasma can be moved, so that the distance between the dielectric window and the plasma is increased, and the dielectric The window can be prevented from being etched.
[0030]
In the diamond thin film manufacturing apparatus described above, a high-purity thin film can be formed at a high speed on the film formation surface of the substrate, and when a temperature measurement window capable of observing the back surface of the substrate is provided in the vacuum chamber, Since the substrate temperature during thin film formation can be monitored, the film thickness controllability of the thin film is improved.
In this case, a temperature measuring hole through which the film formation surface of the substrate can be observed may be provided in the waveguide.
[0031]
Further, at least two measurement windows are provided in the vacuum chamber, and measurement light is irradiated from one measurement window to the film formation surface of the substrate at an incident angle of 50 ° or more and less than 90 °, and the other measurement window is passed through. If the configuration is such that the reflected light can be emitted outside the vacuum chamber, the state of the thin film during film formation can be observed.
[0032]
In the case where the slot is formed in a narrow groove shape and at least two slots are provided, the microwaves leaking from the slots into the vacuum chamber are strengthened and the generated plasma density is increased.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 2 (a) and FIG. 1 corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 (a),
[0034]
The
[0035]
On the other hand, a
[0036]
[0037]
Next, while the
[0038]
A portion of the
[0039]
The diamond thin
[0040]
The
[0041]
Due to the release of the hydrogen diluted methane gas, the inside of the
After stabilizing at the Torr pressure, a microwave was introduced into the
[0042]
The
[0043]
In this diamond thin
[0044]
As described above, the
[0045]
According to such a configuration, the microwave leaked from the
[0046]
In general, microwaves are reflected on a plasma surface with a density higher than the cut-off density (7 × 10 10 cm −3 with respect to a frequency of 2.45 GHz) and cannot enter the plasma. The plasma that can be generated has an upper limit of the cutoff density.
[0047]
However, in this diamond thin
[0048]
However, when such a high-density plasma 3 approaches the
[0049]
In the diamond thin
[0050]
The
[0051]
Since the plasma 3 generated in the vicinity of the
[0052]
Further, as described above, the
[0053]
In the diamond thin
[0054]
The
[0055]
When the thin film is grown, the measurement light 27 1 in a certain polarization state passes through one
[0056]
After film formation, the substrate was taken out and subjected to Raman spectroscopic analysis. As a result, a beak was observed at 1332 cm −1 , and it was confirmed that a diamond thin film containing no impurities had grown on the
[0057]
When the number of slots was increased to 2, the microwave power was 2 kW, the substrate temperature was 850 °, and the reaction was performed for 60 minutes, a diamond thin film was formed in a 15 cm diameter region on the substrate surface.
Thus, according to the plasma
[0058]
By the way, the
[0059]
When the diamond thin film was grown by changing the temperature of the
[0060]
Further, the diamond thin
[0061]
The case where one or two slots are provided on the
[0062]
【The invention's effect】
The formation speed of the thin film is high, and a thin film containing no impurities can be formed.
Good controllability of substrate temperature.
In particular, a high-quality diamond thin film having a large area can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a diamond thin film manufacturing apparatus according to the present invention (cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2).
FIG. 2A is a diagram for explaining the slot shape and arrangement of the diamond thin film manufacturing apparatus.
(b): Diagram showing another example of slot arrangement [FIG. 3] Example of a conventional diamond thin film manufacturing apparatus [FIG. 4] Other example of a conventional diamond thin film manufacturing apparatus [Explanation of Symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記真空槽内に基板を配置し、組成式中に炭素原子を有するダイヤモンド薄膜の原料ガスを、前記ガス導入管によって前記真空槽内に導入し、前記導波管内にマイクロ波を放射し、前記原料ガスを励起させてプラズマを発生させ、
前記プラズマ中の物質を前記基板表面に到達させ、前記基板表面に薄膜を形成するダイヤモンド薄膜製造装置であって、
前記導波管の側面にはスロットが設けられ、
前記スロットから前記真空槽内に前記マイクロ波が漏洩するように構成され、
前記基板に負電圧を印加できる可変電圧電源が設けられたことを特徴とするダイヤモンド薄膜製造装置。A vacuum chamber, a gas introduction tube, and a waveguide;
A substrate is placed in the vacuum chamber, a diamond thin film gas having carbon atoms in the composition formula is introduced into the vacuum chamber by the gas introduction tube, microwaves are radiated into the waveguide, The source gas is excited to generate plasma,
A diamond thin film manufacturing apparatus for causing a substance in the plasma to reach the substrate surface and forming a thin film on the substrate surface,
A slot is provided on a side surface of the waveguide,
The microwave is configured to leak from the slot into the vacuum chamber ,
An apparatus for producing a diamond thin film, comprising: a variable voltage power source capable of applying a negative voltage to the substrate .
前記先端部から供給された前記原料ガスが、前記誘電体窓表面と平行な方向に流れるように構成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。The tip of the gas introduction pipe is disposed in the vicinity of the dielectric window,
3. The diamond thin film production according to claim 1, wherein the source gas supplied from the tip is configured to flow in a direction parallel to a surface of the dielectric window. 4. apparatus.
前記誘電窓は炭化された請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。The diamond thin film manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the dielectric window is carbonized.
一方の測定窓は、前記基板の成膜面に50°以上90°未満の入射角で測定光を照射できるように構成され、
他方の測定窓は、前記成膜面で返光された反射光を通過させられるように構成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のダイヤモンド薄膜製造装置。The vacuum chamber is provided with at least two measurement windows,
One measurement window is configured to be able to irradiate measurement light at an incident angle of 50 ° or more and less than 90 ° to the film formation surface of the substrate,
8. The diamond thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the other measurement window is configured to allow the reflected light returned from the film-forming surface to pass therethrough. 9.
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