JPH0672306B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法Info
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- JPH0672306B2 JPH0672306B2 JP63103093A JP10309388A JPH0672306B2 JP H0672306 B2 JPH0672306 B2 JP H0672306B2 JP 63103093 A JP63103093 A JP 63103093A JP 10309388 A JP10309388 A JP 10309388A JP H0672306 B2 JPH0672306 B2 JP H0672306B2
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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- H01J37/32192—Microwave generated discharge
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- H01J37/32623—Mechanical discharge control means
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はマイクロ波電界を加えるとともに、外部磁場を
加え、それらの相互作用を用い、かつその電界の最も大
きい空間に基板を設置し、被膜形成又はエンチングを行
うための薄膜形成装置に関する。
加え、それらの相互作用を用い、かつその電界の最も大
きい空間に基板を設置し、被膜形成又はエンチングを行
うための薄膜形成装置に関する。
従来、薄膜の形成手段としてECR（電子サイクロトロン
共鳴）を用い、その発散磁場を利用してこの共鳴空間よ
り「離れた位置」に基板を配設し、そこでの被膜時にア
モルファス構造を有する被膜を形成する方法が知られて
いる。
共鳴）を用い、その発散磁場を利用してこの共鳴空間よ
り「離れた位置」に基板を配設し、そこでの被膜時にア
モルファス構造を有する被膜を形成する方法が知られて
いる。
さらに一般的にはかかるECR CVD（化学気相法）に加え
て、反応性ガスを用いる被膜形成手段として数種類知ら
れており、それらは熱CVD、加熱フィラメントCVD、化学
輸送法、13.56MHZの周波数を用いるプラズマCVD法、マ
イクロ波のみを用いるプラズマCVD法が知られている。
特にECR CVD法は活性種を磁場によりピンチングし、高
エネルギー化することにより電子エネルギーを大きく
し、効率よく気体をプラズマ化させている。しかしプラ
ズマ化させることにより、気体が有する高エネルギーに
より基板の被形成面がスパッタ（損傷）を受けることを
防ぐため、このECR条件を満たした空間より「離れた位
置」に基板を配設し、高エネルギ条件下でのプラズマ状
態を避けたイオンシャワー化した反応性気体を到達させ
ることにより被膜形成または異方性エッチングを行って
いた。
て、反応性ガスを用いる被膜形成手段として数種類知ら
れており、それらは熱CVD、加熱フィラメントCVD、化学
輸送法、13.56MHZの周波数を用いるプラズマCVD法、マ
イクロ波のみを用いるプラズマCVD法が知られている。
特にECR CVD法は活性種を磁場によりピンチングし、高
エネルギー化することにより電子エネルギーを大きく
し、効率よく気体をプラズマ化させている。しかしプラ
ズマ化させることにより、気体が有する高エネルギーに
より基板の被形成面がスパッタ（損傷）を受けることを
防ぐため、このECR条件を満たした空間より「離れた位
置」に基板を配設し、高エネルギ条件下でのプラズマ状
態を避けたイオンシャワー化した反応性気体を到達させ
ることにより被膜形成または異方性エッチングを行って
いた。
この装置によって、作成された膜はアモルファス構造を
有していた。また、イオン源で発生したイオンシャワー
を被膜形成用基板まで到達させるために、反応圧力領域
を低く（10-4Torr台）する必要があった。そのため、ダ
イヤモンド薄膜等高い結晶性を必要とする被膜を作成す
ることが困難であった。また、反応圧力範囲が限られて
いるため幅広い条件下での被膜作成を行なえない問題が
あった。
有していた。また、イオン源で発生したイオンシャワー
を被膜形成用基板まで到達させるために、反応圧力領域
を低く（10-4Torr台）する必要があった。そのため、ダ
イヤモンド薄膜等高い結晶性を必要とする被膜を作成す
ることが困難であった。また、反応圧力範囲が限られて
いるため幅広い条件下での被膜作成を行なえない問題が
あった。
本発明は、例えば結晶性の高い被膜を作成するものであ
る。この目的のため、反応室のマイクロ波電力の電界強
度が最も大きくなる領域に被膜形成面を有する基板を配
設し、さらにその領域近くで、電場、磁場相互作用によ
り高密度、高エネルギープラズマを発生させて、結晶性
の非常に高い被膜を形成する装置である。
る。この目的のため、反応室のマイクロ波電力の電界強
度が最も大きくなる領域に被膜形成面を有する基板を配
設し、さらにその領域近くで、電場、磁場相互作用によ
り高密度、高エネルギープラズマを発生させて、結晶性
の非常に高い被膜を形成する装置である。
すなわち本発明は従来より知られたマイクロ波を用いた
プラズマCVD法に磁場の力を加え、さらにマイクロ波の
電場と磁場との相互作用、好ましくはECR（エレクトロ
ンサイクロトロン共鳴）条件又はホイッスラー共鳴条件
を含む相互作用を利用して、幅広い圧力範囲において高
密度高エネルギのプラズマを発生させる。その共鳴空間
での高エネルギ状態を利用して、例えば活性炭素原子を
多量に発生させ、再現性にすぐれ、均一な膜厚、均質な
特性のダイヤモンド、ｉ−カーボン膜等の被膜の形成を
可能としたものである。また加える磁場の強さを任意に
変更可能な為、電子のみではなく特定のイオンのECR条
件を設定することができる特徴がある。
プラズマCVD法に磁場の力を加え、さらにマイクロ波の
電場と磁場との相互作用、好ましくはECR（エレクトロ
ンサイクロトロン共鳴）条件又はホイッスラー共鳴条件
を含む相互作用を利用して、幅広い圧力範囲において高
密度高エネルギのプラズマを発生させる。その共鳴空間
での高エネルギ状態を利用して、例えば活性炭素原子を
多量に発生させ、再現性にすぐれ、均一な膜厚、均質な
特性のダイヤモンド、ｉ−カーボン膜等の被膜の形成を
可能としたものである。また加える磁場の強さを任意に
変更可能な為、電子のみではなく特定のイオンのECR条
件を設定することができる特徴がある。
本発明の構成としては、その一つ様相によれば磁場およ
び電場の相互作用を利用して薄膜を形成する装置であっ
て、減圧状態に保持されたプラズマ反応室、該反応室を
囲んで設けられたコイルによる第１の磁場発生手段、前
記コイルと垂直でかつ、前記反応室と平行に設けられた
永久磁石による第２の磁場発生手段、前記プラズマ反応
室にマイクロ波を供給する手段および電場・磁場相互作
用を有する空間に被形成面を有する基板を配設せしめ、
薄膜形成を行うための手段とを有することを特徴とする
薄膜形成装置をその構成としている。
び電場の相互作用を利用して薄膜を形成する装置であっ
て、減圧状態に保持されたプラズマ反応室、該反応室を
囲んで設けられたコイルによる第１の磁場発生手段、前
記コイルと垂直でかつ、前記反応室と平行に設けられた
永久磁石による第２の磁場発生手段、前記プラズマ反応
室にマイクロ波を供給する手段および電場・磁場相互作
用を有する空間に被形成面を有する基板を配設せしめ、
薄膜形成を行うための手段とを有することを特徴とする
薄膜形成装置をその構成としている。
すなわち、ヘルムホルツ型コイルより発生する第１の磁
場と、該コイルに垂直方向に設けられたIoffe barを構
成する永久磁石により発生する第２の磁場により、反応
空間においてマイクロ波により発生するプラズマを閉じ
込めさらに、第1,第２の磁場により高密度の磁場を実現
して高密度、高エネルギーのプラズマを発生させて、結
晶性の非常に高い被膜を形成する装置であります。
場と、該コイルに垂直方向に設けられたIoffe barを構
成する永久磁石により発生する第２の磁場により、反応
空間においてマイクロ波により発生するプラズマを閉じ
込めさらに、第1,第２の磁場により高密度の磁場を実現
して高密度、高エネルギーのプラズマを発生させて、結
晶性の非常に高い被膜を形成する装置であります。
また本発明の構成に付加して、マイクロ波と磁場との相
互作用により高密度プラズマを発生させた後、基板表面
上まで至る間に高エネルギーを持つ光（例えば紫外光）
を照射し、活性種にエネルギを与えつづけると、高密度
プラズマ発生領域より十分離れた位置においても高エネ
ルギ状態に励起された炭素原子が存在し、より大面積に
ダイヤモンド、ｉ−カーボン膜を形成することも可能で
あった。
互作用により高密度プラズマを発生させた後、基板表面
上まで至る間に高エネルギーを持つ光（例えば紫外光）
を照射し、活性種にエネルギを与えつづけると、高密度
プラズマ発生領域より十分離れた位置においても高エネ
ルギ状態に励起された炭素原子が存在し、より大面積に
ダイヤモンド、ｉ−カーボン膜を形成することも可能で
あった。
さらに磁場とマイクロ波の相互作用により発生する高エ
ネルギ励起種に直流バイアス電圧を加えて、基板側に多
量の励起種が到達するようにすることは薄膜の形成速度
を向上させる効果があった。以上特徴は、膜形成に限ら
ず、NF3等を用いたエッチング処理を行う場合にも有効
である事は当業者にとって明らかであろう。
ネルギ励起種に直流バイアス電圧を加えて、基板側に多
量の励起種が到達するようにすることは薄膜の形成速度
を向上させる効果があった。以上特徴は、膜形成に限ら
ず、NF3等を用いたエッチング処理を行う場合にも有効
である事は当業者にとって明らかであろう。
以下に実施例を示し、さらに本発明を説明する。
第１図に本発明にて用いた磁場印加可能なマイクロ波プ
ラズマCVD装置を示す。
ラズマCVD装置を示す。
同図において、この装置は減圧反応室（１），予備室
（８），基板加熱装置を兼ねた基板ホルダー（３），第
１の磁場を発生する電磁石（５），第２の磁場を発生す
る永久磁石（６），マイクロ波発振器（４），マイクロ
波導波管（７），マイクロ波導入窓（12），排気系
（９）およびガス導入系（10），（11）より構成されて
いる。
（８），基板加熱装置を兼ねた基板ホルダー（３），第
１の磁場を発生する電磁石（５），第２の磁場を発生す
る永久磁石（６），マイクロ波発振器（４），マイクロ
波導波管（７），マイクロ波導入窓（12），排気系
（９）およびガス導入系（10），（11）より構成されて
いる。
まず薄膜形成用基板（２）を基板ホルダ（３）上に設置
する。このホルダは高熱伝導性を有し、かつマイクロ波
をできるだけ乱さないため、セラミックの窒化アルミニ
ュームを用いた。この基板ホルダにより基板を例えば50
0℃に加熱する。次に水素（６）を10SCCMガス系（11）
を通して高密度プラズマ発生領域（１）へと導入し、外
部より2.45GHZの周波数のマイクロ波を500Wの強さで加
える。さらに、磁場を約2Kガウスを磁石（５）より印加
し、さらに、第２の磁場を永久磁石（６）より加え高密
度プラズマをプラズマ反応空間（１）にて発生させる。
この時プラズマ反応空間（１）の圧力は0.1Paに保持さ
れている。この高密度プラズマ領域より高エネルギを持
つ水素原子または電子が基板（２）上に到り、表面を洗
浄にする。さらにこの水素気体の導入を中止し、ガス系
（11）より炭化物気体例えばアセチレン(C2H2)、メタン
(CH4)を導入し水素気体の場合と同様に活性化せしめ
る。
する。このホルダは高熱伝導性を有し、かつマイクロ波
をできるだけ乱さないため、セラミックの窒化アルミニ
ュームを用いた。この基板ホルダにより基板を例えば50
0℃に加熱する。次に水素（６）を10SCCMガス系（11）
を通して高密度プラズマ発生領域（１）へと導入し、外
部より2.45GHZの周波数のマイクロ波を500Wの強さで加
える。さらに、磁場を約2Kガウスを磁石（５）より印加
し、さらに、第２の磁場を永久磁石（６）より加え高密
度プラズマをプラズマ反応空間（１）にて発生させる。
この時プラズマ反応空間（１）の圧力は0.1Paに保持さ
れている。この高密度プラズマ領域より高エネルギを持
つ水素原子または電子が基板（２）上に到り、表面を洗
浄にする。さらにこの水素気体の導入を中止し、ガス系
（11）より炭化物気体例えばアセチレン(C2H2)、メタン
(CH4)を導入し水素気体の場合と同様に活性化せしめ
る。
そして高エネルギ状態に励起された炭素原子が生成さ
れ、約500°Ｃ加熱された基板（２）上に、この炭素原
子が体積し、ダイヤモンド又はｉ−カーボン膜が形成さ
れた。
れ、約500°Ｃ加熱された基板（２）上に、この炭素原
子が体積し、ダイヤモンド又はｉ−カーボン膜が形成さ
れた。
この場合、第１の磁場を発生する手段としては、２つの
リング状の電磁石（５）を用いたヘルムホルツ方式を採
用し、第２の磁場を発生する手段としては、第１図及び
第２図（ａ）の反応室付近の断面図より明らかなように
第２図（ｂ）に示されるような反応室（１）に平行でか
つ、リング状の電磁石（５）に垂直なIoffe barを構成
する永久磁石（６）を採用している。
リング状の電磁石（５）を用いたヘルムホルツ方式を採
用し、第２の磁場を発生する手段としては、第１図及び
第２図（ａ）の反応室付近の断面図より明らかなように
第２図（ｂ）に示されるような反応室（１）に平行でか
つ、リング状の電磁石（５）に垂直なIoffe barを構成
する永久磁石（６）を採用している。
これら第１及び第２の磁場により反応室（１）内に形成
される等磁場面の様子を第３図（ｂ）に示す。これは、
第３図（ａ）に示す座標系に従って描かれた反応室
（１）内での等磁場面である。縦軸Ｚは、反応室（１）
の横方向（すなわちマイクロ波導入窓から基板方向であ
り、横軸はリング状コイル（５）の直径方向である。
される等磁場面の様子を第３図（ｂ）に示す。これは、
第３図（ａ）に示す座標系に従って描かれた反応室
（１）内での等磁場面である。縦軸Ｚは、反応室（１）
の横方向（すなわちマイクロ波導入窓から基板方向であ
り、横軸はリング状コイル（５）の直径方向である。
同図より明らかなように、反応室内での磁場密度は、第
１及び第２の磁場により相当高められている様子がわか
る。
１及び第２の磁場により相当高められている様子がわか
る。
比較例として、第１の磁場のみの場合の反応室内の等磁
場面を第４図に示す。
場面を第４図に示す。
磁場が１つの場合と２つの場合では、明らかに磁場の分
布の様子がちがっており、反応室内で対称な分布が得ら
れており、かつ明らかに第２の磁場により反応室内の磁
場の密度が高められていることがわかる。
布の様子がちがっており、反応室内で対称な分布が得ら
れており、かつ明らかに第２の磁場により反応室内の磁
場の密度が高められていることがわかる。
なお、図中の数字は磁束密度〔Gauss〕を示す。
このように、本発明は異なる数種類の磁場を反応室まわ
りで発生させて、反応室内に磁場の密度の高い部分を発
生させ、その高い密度の磁場とマイクロ波による電場と
の相互作用により高密度、高エネルギーのプラズマを発
生させることを特徴とするものであり、それによってよ
り結晶性の高い被膜を形成することが可能となったもの
である。
りで発生させて、反応室内に磁場の密度の高い部分を発
生させ、その高い密度の磁場とマイクロ波による電場と
の相互作用により高密度、高エネルギーのプラズマを発
生させることを特徴とするものであり、それによってよ
り結晶性の高い被膜を形成することが可能となったもの
である。
また比較のために同条件下で磁場を印加せずに薄膜形成
を行った。その時基板上に形成された薄膜はグラファイ
ト膜であった。
を行った。その時基板上に形成された薄膜はグラファイ
ト膜であった。
さらに本実施例と同条件下において基板温度を650℃以
上とした場合ダイヤモンド薄膜を形成することが可能で
あった。
上とした場合ダイヤモンド薄膜を形成することが可能で
あった。
本実施例にて形成された薄膜の電子線回析像をとったと
ころ低温では、アモルファス特有のハローパターンとと
もにダイヤモンドのスポットがみられ、ｉ−カーボン膜
となっていた。さらに基板温度を上げて形成してゆくに
したがい、ハローパターンが少しづつ消えてゆき650℃
以上でダイヤモンドとなった。
ころ低温では、アモルファス特有のハローパターンとと
もにダイヤモンドのスポットがみられ、ｉ−カーボン膜
となっていた。さらに基板温度を上げて形成してゆくに
したがい、ハローパターンが少しづつ消えてゆき650℃
以上でダイヤモンドとなった。
この形成された被膜のラマンスペクトルをとったとこ
ろ、1500cm-1付近にややゆるやかなピークを有していた
が1333cm-1付近に鋭いピークを有しており、ダイヤモン
ドが析出していたことが確認できた。
ろ、1500cm-1付近にややゆるやかなピークを有していた
が1333cm-1付近に鋭いピークを有しており、ダイヤモン
ドが析出していたことが確認できた。
また基板加熱温度を150℃未満とした場合、磁場を加え
てもｉ−カーボン膜を作成することはできなかった。
てもｉ−カーボン膜を作成することはできなかった。
かかる方式において、基板上に炭化珪化物気体（メチル
シラン）を用い炭化珪素の多結晶膜を作ることができ
る。アルミニューム化物気体とアンモニアとの反応によ
り窒化アルミニューム被膜を作ることもできる。さらに
タングステン、チタン、モリブデンまたはそれらの珪化
物の高融点導体を作ることもできる。
シラン）を用い炭化珪素の多結晶膜を作ることができ
る。アルミニューム化物気体とアンモニアとの反応によ
り窒化アルミニューム被膜を作ることもできる。さらに
タングステン、チタン、モリブデンまたはそれらの珪化
物の高融点導体を作ることもできる。
第５図は、他の実施例を示している。第１図に示した装
置との差は、マイクロ波が反応容器１に導入させる位置
が、ヘルムホルツコイル５の中心面Ｃよりも基板２に近
いという点だけである。この構成によって反応空間での
磁場は、基板２に向かってプラズマガスを集める効果が
ある。
置との差は、マイクロ波が反応容器１に導入させる位置
が、ヘルムホルツコイル５の中心面Ｃよりも基板２に近
いという点だけである。この構成によって反応空間での
磁場は、基板２に向かってプラズマガスを集める効果が
ある。
第６図は、前記Ioffe barの変形例である。ここでは磁
石のモーメントの向きが径方向となっている。
石のモーメントの向きが径方向となっている。
第７図（Ａ）及び（Ｂ）は、Ioffe barの他の形態を示
す図である。ここでは、２個のコイルが４本のbarを形
成している。記号 は電流の方向を示している。
す図である。ここでは、２個のコイルが４本のbarを形
成している。記号 は電流の方向を示している。
また、反応性気体に水，酸素等を添加して、より結晶性
の高い被膜を作製することも可能である。さらに、本実
施例によってマイクロ波はマイクロ波導入窓より反応室
内へ導入したが他の方法によって導入しても何ら本発明
を阻害するものではない。
の高い被膜を作製することも可能である。さらに、本実
施例によってマイクロ波はマイクロ波導入窓より反応室
内へ導入したが他の方法によって導入しても何ら本発明
を阻害するものではない。
本発明の構成を取ることにより、従来作製されていた結
晶性を少なくとも一部に有する被膜の作製条件より幅広
い条件下にて結晶性の高い被膜の作製可能であった。ま
た従来法に比べ大面積に均一な薄膜を形成することが可
能であった。
晶性を少なくとも一部に有する被膜の作製条件より幅広
い条件下にて結晶性の高い被膜の作製可能であった。ま
た従来法に比べ大面積に均一な薄膜を形成することが可
能であった。
さらに作製された薄膜は引張、圧縮とも膜応力をほとん
ど有さない良好な膜であった。
ど有さない良好な膜であった。
また、第２の磁場発生手段として、永久磁石を使用して
いるので電力消費を少なくすることが可能となった。
いるので電力消費を少なくすることが可能となった。
第１図は本発明で用いる磁場・電場相互作用を用いたマ
イクロ波プラズマ装置の概略を示す。 第２図（ａ）は本発明の装置の断面図を示す。 第２図（ｂ）は第２の磁場を発生するコイルを示す。 第３図及び第４図はコンピュータシミュレイションによ
る磁場状態を示す。 第５図は本発明による他のマイクロ波プラ装置を示す。 第６図は、第２図のIoffe barの変形例を示す。 第７図（ａ）及び（ｂ）は、Ioffe barの他の例を示
す。 １……プラズマ反応空間 ２……基板 ３……基板加熱装置を兼ねた基板ホルダ ４……マイクロ波発振器 5,6……外部磁場発生器
イクロ波プラズマ装置の概略を示す。 第２図（ａ）は本発明の装置の断面図を示す。 第２図（ｂ）は第２の磁場を発生するコイルを示す。 第３図及び第４図はコンピュータシミュレイションによ
る磁場状態を示す。 第５図は本発明による他のマイクロ波プラ装置を示す。 第６図は、第２図のIoffe barの変形例を示す。 第７図（ａ）及び（ｂ）は、Ioffe barの他の例を示
す。 １……プラズマ反応空間 ２……基板 ３……基板加熱装置を兼ねた基板ホルダ ４……マイクロ波発振器 5,6……外部磁場発生器
Claims (3)
- 【請求項１】磁場および電場の相互作用を利用して基板
表面にプラズマ処理を行う装置であって、 減圧状態に保持されたプラズマ反応室と、 該反応室を囲んで設けられた磁場発生手段と、 前記プラズマ反応室にマイクロ波を供給する手段と、 を有し、 前記供給されたマイクロ波の進行方向において、マイク
ロ波の導入部で強い磁場を有し、 前記供給されたマイクロ波の進行方向において、前記磁
場は減少し、 前記マイクロ波と磁場との相互作用の共鳴点を生じさ
せ、 前記共鳴点またはその近傍に前記基板を配設する手段を
有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、プラズマ
処理装置はエッチング装置であることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。 - 【請求項３】磁場および電場の相互作用を利用して基板
表面にプラズマ処理を行う方法であって、 プラズマ反応室へのマイクロ波の導入部に強い磁場を生
じさせ、 前記マイクロ波の進行方向において前記磁場を減少さ
せ、 前記磁場とマイクロ波との相互作用による共鳴点または
その近傍に基板を配置しプラズマ処理を行うことを特徴
とするプラズマ処理方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10402487 | 1987-04-27 | ||
| JP62-104024 | 1987-04-27 | ||
| JP62-104025 | 1987-04-27 | ||
| JP10402587 | 1987-04-27 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7242484A Division JP2715277B2 (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | 薄膜形成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6436769A JPS6436769A (en) | 1989-02-07 |
| JPH0672306B2 true JPH0672306B2 (ja) | 1994-09-14 |
Family
ID=26444581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63103093A Expired - Lifetime JPH0672306B2 (ja) | 1987-04-27 | 1988-04-26 | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (7) | US4926791A (ja) |
| JP (1) | JPH0672306B2 (ja) |
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| JPH0668152B2 (ja) * | 1988-01-27 | 1994-08-31 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 薄膜形成装置 |
| DE69017271T2 (de) * | 1989-06-15 | 1995-06-22 | Semiconductor Energy Lab | Gerät zur Bearbeitung mittels Mikrowellen in einem magnetischen Feld. |
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