[发明专利]微波等离子体CVD系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于一种微波等离子体CVD装置，该微波等离子体CVD装置用于形成例如金刚石薄膜、类金刚石碳薄膜和碳纳米管这样的碳薄膜以及例如氧化硅薄膜、氮化硅薄膜和非晶硅薄膜这样的硅薄膜，该微波等离子体CVD装置特别用于形成金刚石薄膜。

背景技术

化学气相沉积(CVD)广泛用于碳薄膜、特别是金刚石薄膜的形成。以例如甲烷和氢气为原料，通过如微波、热丝、高频或直流放电这样的原料气体活化设备而形成作为金刚石前体的自由基，并且将金刚石沉积在基材上。

由于在天然存在的材料中金刚石具有最高的硬度，因此它们被用于切割工具等，而它们作为半导体材料也具有非常优异的物理性质。它们的带隙(band gap)非常大，约为5.5eV；并且它们在室温下对电子和空穴的载流子迁移率高，为2000cm²/Vs。而且，它们的介电常数小，为5.7；并且它们的击穿电场大，为5×10⁶V/cm。而且，当真空能级在导带下端或低于导带下端时，它们具有罕见的负电子亲和力特性。由于这个原因，期望能实际应用积极利用金刚石优异的半导体物理性质的半导体装置，例如即使在高温环境和空间环境下也能运行的耐环境性装置、能在高频和高输出下运行的电源装置、能够进行紫外线发光的发光装置、或能够在低压下驱动的电子发射装置。

用于半导体装置制造的金刚石薄膜需要具有高品质。作为合成高品质金刚石薄膜的装置，使用微波等离子体CVD装置，该装置可通过没有混入电极材料的无极放电产生高密度的等离子体，该等离子体可制造结晶性良好的金刚石。

作为在金刚石薄膜的合成中广泛使用的微波等离子体CVD装置，有：(1)如非专利文献1中的通过矩形波导从石英管室侧生成入射TE模式微波而产生等离子体的装置；(2)如专利文献1中的通过圆柱波导从金属室的正上方导入TM模式微波而产生等离子体的装置；以及(3)如专利文献2中的通过同轴波导将TEM模式微波导入金属室而产生等离子体的装置。

然而，为了合成半导体装置制造所需的大面积高品质金刚石薄膜(具体而言，具有均匀的膜厚度并在整个大面积上具有均匀的杂质浓度的金刚石薄膜)，各上述装置均具有需要解决的问题。为了合成大面积高品质金刚石薄膜，微波等离子体CVD装置所产生的等离子体的尺寸必须大，但是在上述(1)的合成装置的情况中，微波波导和石英管的尺寸限制了等离子体的尺寸。例如，当使用2.45GHz微波时，等离子体的尺寸小，为约φ1英寸，连获得的膜厚度和杂质浓度均匀的区域也很小。进一步地，当增加等离子体尺寸时，该等离子体接触石英管，因此存在石英管由等离子体直接加热而破损的可能性。为了获得大面积高品质金刚石薄膜，合成速率为约1～2μm/h，且当需要约10μm的薄膜时，难以进行长时间的持续运转。

在上述(2)的合成装置的情况中，当增加等离子体尺寸并进行合成时，长时间的持续运转也是困难的。在上述(3)的合成装置的情况中，由于不能从微波导入窗看见等离子体，因此不存在上述问题。然而，由于在产生等离子体的同时难以调节电极和顶板之间的距离，因此难以调节等离子体形状，所述等离子体形状根据基材的尺寸、气体导入条件、压力条件和微波功率条件而不同，而为了获得预期的高品质金刚石薄膜，需要大量的时间和劳力。

为了解决上述(3)的问题，已经如专利文献3提出了使基材支持设备能相对于等离子体产生设备以无级方式升降从而以无级方式调节等离子体形状的装置。然而，当基材支持设备和等离子体产生设备采取专利文献3所述的平行板结构时，在已导入微波的真空腔中的电场强度强且处于稳态的区域与这些设备相互连接，因此等离子体在接触基材支持设备和等离子体产生设备时消失。或者，电场强度强的区域在基材支持设备和等离子体产生设备二者间分裂，因此等离子体在二者间分裂产生时也消失。

这些等离子体分布趋势在10至200托(形成高品质金刚石薄膜的真空腔的压力区域)下是明显的。等离子体局部化的趋势非常不同于在压力区中通过高频产生等离子体时的分布趋势，在该压力区，于半导体工艺如干蚀刻装置等中产生几托以下的气体所需的能量，例如离子化所需的能量相对较小。并且，由于是相对高压区域的等离子体，气体温度也高，且当等离子体接触除基材以外的部分时，发生大的能量损耗并使等离子体尺寸变小。即，难以说是可令人满意地进行能制造大面积高品质金刚石薄膜条件下的等离子体位置控制。

非专利文献1：M.Kamo，et al，：J.Cryst.Growth，62，p.642(1983)