直流等离子体cvd装置和使用该装置的金刚石的制造方法

专利名称：直流等离子体cvd装置和使用该装置的金刚石的制造方法
技术领域：
本发明涉及直流等离子体CVD装置和使用此装置的金刚石的制造方法。
背景技术：
金刚石不仅具有5. 47eV的宽带隙而且绝缘击穿电场强度也高达10MV/cm。进而， 在物质中导热系数也是最高的，所以如果将其用于电子设备，则作为高输出功率电子设备 是有利的。 并且，金刚石的漂移迁移率也高，即使比较Johnson性能指数，在半导体中作为高 速电子设备也是最有利的。 从而，金刚石被称为适合高频高输出功率电子设备的顶级半导体。 因此，在基板上层积有金刚石膜等的层积基板受到人们的关注。 现在，就金刚石半导体制作用的单晶金刚石而言，大部分是由高压法合成的被称
为Ib型的金刚石。此lb型金刚石含有很多氮杂质，且只能获得5mm见方程度的大小，实用性低。 与此相对，化学气相沉积(Chemical Vapor D印osition :CVD)法则具有如果是多 晶金刚石的话就能获得高纯度的6英寸(150mm)直径程度的大面积金刚石膜的优点。
但是，在以前用化学气相沉积法时，难以进行适合于通常的电子设备的单晶化。这 是因为以前使用单晶Si作为基板。也就是说，因为Si和金刚石的晶格常数的差异大(错 配度52. 6% )，很难使金刚石在硅基板上异质外延生长。 因此，人们进行过各种研究，有报道称将Pt或Ir作为底膜，在其上面通过化学气 相沉积法制作金刚石膜是比较有效的(例如，参照非专利文献1、2)。 现在，特别是关于Ir的研究进行得最多。该技术是首先将单晶MgO作为基板，在其 上面异质外延生长Ir膜，接着用直流等离子体CVD法，通过氢气稀释甲烷气体的偏压处理 对Ir膜表面进行前处理，在此Ir膜上进行金刚石膜的生长。由此，相比于当初的亚微米大 小，现在可以获得数微米大小的单晶金刚石。金刚石部分的厚度是数ym 100ym左右。 例如，非专利文献3记载的条件是，为获得100ym厚度而进行8hr的生长。
现有技术文献 非专利文献1 :Y. Shintani ， J. Mater. Res. 11 ， 2955 (1996); 非专利文献2 :K.Ohtsuka， Jpn. J.Appl.Phys.35，L1072(1996); 非专利文献3 :前田真太郎等，第18回夕M ^壬 > 卜'* >水-々A講演要旨集
(第18次金刚石研讨会演讲要旨集)，pp. 10-11 (2004)。

发明内容
发明要解决的问题 但是，如果用以前的直流CVD装置进行数小时以上的金刚石的生长，配置于基板 上部的相反极性的固定电极表面上就会生成出异物，如果进一步继续进行生长，该生成物就会掉落在生长中的基板表面上。这会成为缺陷的最大原因。 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的是提供直流等离子体CVD装置以及使 用了此装置的高品质金刚石的制造方法，根据该直流等离子体CVD装置可以获得不会发生 由固定电极上的生成物的掉落引起的缺陷的、高品质的金刚石等的化学气相沉积膜。
解决问题的手段 为了解决上述问题，本发明提供一种直流等离子体CVD装置，其特征在于，至少具 有固定电极、用来载置基板且兼作电极的基板平台；上述基板平台没有位于从上述固定电 极的中心向铅垂方向延伸的线上；且连接上述基板平台中心和上述固定电极中心的直线、 与上述向铅垂方向延伸的线所构成的角在90。以下。 像这样，通过不将基板平台配置在从固定电极向铅垂方向延伸的直线上，并且使 连接基板平台中心和固定电极中心的直线、与向铅垂方向延伸的线所构成的角在90。以 下，可以防止通过等离子CVD生成在固定电极上的附着物掉落到基板平台上的现象，由此 可以抑制因掉落物导致的缺陷的发生。从而可以制造缺陷少的高品质化学气相沉积膜。并 且可以抑制不在固定电极和基板平台之间产生放电的情况。 在这里，优选上述基板平台被配置成与以上述固定电极为中心的半径为R的圆相 切。 像这样，通过将基板平台配置成与以固定电极为中心的半径为R的圆相切，可以 使化学气相沉积膜在基板平台上高效地化学气相沉积，因而可以更容易地获得高品质的化 学气相沉积膜。 并且，将上述基板平台的半径设为r时，优选所述向铅垂方向延伸的线、与
从所述固定电极中心连接到所述基板平台中心的线所构成的角e(单位° )，满足
cos—^(R2-2r2)/R21《e《90°的关系。 像这样，通过使从固定电极中心向铅垂方向延伸的线、与从固定电极中心连接到 基板平台中心的线所构成的角度9满足cos—^(R^rVR2}《e《90°的关系，在进行 CVD的时候可以更加确实地防止附着在固定电极上的生成物掉落到基板平台、甚至是基板 或化学气相沉积膜上，所以可以进一步抑制由于生成物引起的缺陷发生在化学气相沉积膜 中。据此能够得到可以更容易地以良好的成品率制造高品质化学气相沉积膜的直流等离子 体CVD装置。 并且，上述固定电极和上述基板平台优选用钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)的任一种材料 制作。 像这样，通过将固定电极和基板平台用熔点高的Ta、 Mo、 W的任一种材料制作，例
如，可以充分降低在化学气相沉淀中基板平台或固定电极由于热引起熔融而变形或者消失
的可能性。从而可以降低与装置的维护有关的成本。 并且，优选上述固定电极为阴极，上述基板平台为阳极。 像这样，通过使固定电极为阴极、基板平台为阳极，能够得到适合于例如金刚石等 的制造的直流等离子体CVD装置。 并且，本发明提供一种金刚石的制造方法，其特征在于，至少以含碳气体和氢气的 混合气体为原料，使用本发明记载的直流等离子体CVD装置，在基板上化学气相沉积金刚 石。
如上所述，因为本发明的直流等离子体CVD装置能够降低在化学气相沉积膜上发 生缺陷的可能性，所以通过用这样的直流等离子体CVD装置制造金刚石，可以高效地制造 大面积且缺陷少的高品质金刚石。
发明效果 如上所述，根据本发明，可以提供能够有效地制造出由于不会在CVD中的基板表 面上掉落来自固定电极上的生成物，因此不会发生以生成物的掉落为原因的缺陷的高品质 的化学气相沉积膜，例如金刚石的直流等离子体CVD装置。


图1是表示本发明的直流等离子体CVD装置的概况的一例子的图。
图2是表示本发明的直流等离子体CVD装置的概况的另一例子的图。
符号说明 10、20是直流等离子体CVD装置；11、21是腔室；12、22是固定电极；13、23是基板 平台；24是基板；25是气体导入管；26是气体排出管；27是直流电源。
具体实施例方式以下，说明本发明的实施方式，但是本发明并不限定于此。 如上所述，用以前的直流等离子体CVD装置生长金刚石等的化学气相沉积膜时， 位于基板上部的固定电极表面上的生成物，若持续长时间进行CVD就会生长，最后有时就 会落到在下方对置的基板表面上。 从而，在获得厚的金刚石时，存在难以实现无缺陷的问题。
于是，本发明人为了解决这样的问题而反复进行了深入研究。 结果，本发明人发现，通过使载置基板且兼作一方电极的基板平台并不放在所相
对的固定电极的正下方，并且使从固定电极的中心向铅垂方向延伸的直线、与连接基板平
台中心和所述固定电极中心的直线所构成的角在90。以下，可以避免固定电极部上的生成
物落到生长中的基板表面上，其结果，可以得到没有缺陷的高品质的化学气相沉积膜，并且
可以抑制不在固定电极和基板平台之间产生放电的现象，从而完成了本发明。 以下，参照附图对本发明进行详细说明，但是本发明并不限定于此。 本发明的直流等离子体CVD装置，至少具有腔室、固定电极、用来载置基板且兼作
电极的基板平台。 而且，基板平台没有被配置在从固定电极向铅垂方向延伸的直线上，并且将基板 平台配置成，从固定电极的中心向铅垂方向延伸的线、与从固定电极中心连接到基板平台
中心的线所构成的角e满足e《90°的关系。 并且，如图1所示，直流等离子体CVD装置10至少可以具有腔室11 、固定电极12、 半径为r的用来载置基板且兼作电极的基板平台13，所述基板平台被配置成与以固定电极 12为中心的半径为R的圆相切。 而且此时，可以将基板平台13配置成，从固定电极12的中心向铅垂方向延伸的线 (短划线)、与从固定电极12的中心连接到基板平台13的中心的线(一点虚线)所构成的 角e ，满足c。s-M(R2-2r2)/R21《e《90°的关系。
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像这样，基板平台不放在对置的固定电极的正下方。这是为了防止附着在固定电 极上的生成物掉落到基板平台上的基板表面上。 另外，超过9(T时，有在并不是固定电极前端的部分和基板平台之间产生放电的 可能性，所以使9在90°以下。 而且，将基板平台13的半径设为r时，如果e小于cos-1 {(R2-2r2) /R2}，就会存在 固定基板上的生成物掉落到基板平台上的可能性，所以9优选在cos—^0^-2r"/R21以上。
使e不大于90°也是由于上述原因。 作为具体例子，在R二 40mm、r = 15mm的情况下，cos—1 {(R2-2r2)/R2} "44.0° ，即 44°《e《90°的范围成为最佳的基板平台位置。 像这样，将基板平台从对置的固定电极的铅垂线离开来放置，并且使得从固定电 极的中心向铅垂方向延伸的直线、与连接基板平台中心和所述固定电极中心的直线所构成 的角在90°以下。由此，可以防止进行CVD的时候附着在固定电极上的生成物掉落到基板 平台、甚至是基板或化学气相沉积膜上，所以即使长时间进行化学气相沉积膜的生长，也可 以防止所掉落的生成物为原因的缺陷的发生。因此，能够以高成品率获得缺陷少的高品质 化学气相沉积膜。 而且例如作为化学气相沉积膜制造金刚石时，可以高效地获得大面积且高品质的 金刚石，通过利用这样的金刚石，能够以高成品率制作非常优异的高频高输出功率电子设 备。 在这里，当设置多根固定电极时，至于上述的"固定电极的中心"，可以将连接多个 固定电极的前端部分而得到的图形的重心作为固定电极的中心。当固定电极为平板型时， 对应于基板平台的配置，使固定电极的方向也对应，使得所对应的电极表面始终保持平行 的位置关系。 并且，固定电极12和基板平台13可以用Ta、 Mo、 W这样的高熔点金属制作，使其 能承受放电中的高热。特别是需要复杂形状的电极的情况，从加工上考虑优选使用Ta或者 Mo。 像这样，只要是以熔点高的Ta、 Mo、 W的任一种材料制作固定电极和基板平台，就 可以充分降低基板平台或固定电极由于在化学气相沉淀中发生的热而引起变形或者熔融 的危险性。从而可以降低与基板平台或固定电极的维护相关的成本，可以谋求降低装置的 运行成本。 而且，可以使固定电极12为阴极，基板平台13为阳极。 像这样，通过使固定电极为阴极、基板平台为阳极，能够制成适合例如金刚石等的 制造的直流等离子体CVD装置。 并且，当e取得大，基板平台13变得倾斜，载置的基板打滑的情况，可以通过将基 板平台13的表面(基板载置面)弄得粗糙，或者在表面加入浅的防滑沟(槽)，或者用小夹 片固定基板的端部来应对。并且，当然也可以从里面将基板真空吸附。 另外，优选固定电极12被设置成从腔室11的上部悬挂下来，并且优选基板平台13 按从腔室11下部插入的形式设置。 这是因为，如果将基板平台设置在腔室上方，就会存在所生长的化学气相沉积膜 由于重力而掉下去的可能性，为了防止这一情况需要从下面支撑化学气相沉积膜，因此优
6选基板平台按从腔室下部插入的形式设置。而且与此相对应，为了防止在兼作电极的基板 平台和固定电极前端之间以外的地方放电，优选固定电极是从腔室上部插入来设置。
接下来，参照图2对使用如上述本发明直流等离子体CVD装置10制造金刚石的方 法进行说明，当然，并不限定于此。图2是表示本发明的直流等离子体CVD装置的概况的另 一例子的图。 首先，准备如图2所示的直流等离子体CVD装置20，在配置于腔室21内的兼作电 极的基板平台23上，载置用于在上面化学气相沉积金刚石的基板24。此时，例如将基板平 台23配置成，从固定电极22的中心向铅垂方向延伸的线(短划线)、与从固定电极22的 中心连接到基板平台23的中心的线(一点虚线)所构成的角度9满足cos—4(RL2r2)/ R2}《e《90°的关系。此时当然不限定于此，只要基板平台没有被配置在从固定电极向 铅垂方向延伸的直线上，并且能够使连接基板平台中心和固定电极中心的直线、与向铅垂 方向延伸的线所构成的角满足90。以下的关系即可。另外，可以将基板平台配置成与以固 定电极为中心的半径为R的圆相切。 并且，优选使载置有基板24的基板平台23为阳极，使固定电极22为阴极。
然后，用旋转泵等对腔室21的内部进行排气，减压到10—3Torr(约1. 3X10—中a)以 下。 而且，将至少是含碳气体和氢气的混合气体例如氢气稀释甲烷气体，从气体导入 管25导入到腔室21内。 接着，调节气体排出管26的阀门使腔室21内达到所需的压力后，由直流电源27 向两电极间施加直流电压使腔室21内发生等离子体，在基板24上生长金刚石。
于是通过这样的金刚石的制造方法，可以防止固定电极上附着的生成物为原因的 金刚石中的缺陷的发生。从而，能够以良好的成品率制造大面积且缺陷少的高品质金刚石。
实施例 以下，通过实施例和比较例更具体地说明本发明，但是本发明并不限于此。 准备如图2所示的直流等离子体CVD装置，用Ta制作固定电极，作为阴极。并且，
用Mo制作基板平台，作为阳极。然后准备Ir/Mg0制的直径为10mm、厚度为0. 5mm的基板。然后，使电极的间隔R为40mm、基板平台的半径r为15mm，所以成为 cos—^(R2-2r2)/R2) = cos—1 {(402—2 X 152) /402} = cos—、 719) " 44， 成为44°《e《90° 。在这里，将从固定电极中心向铅垂方向延伸的线、与从固
定电极中心连接到基板平台中心的线所构成的角度e设定为50° 。 并且，CVD条件是，用氢气稀释的甲烷气体的浓度为2.0vol. %，腔室压力为 10kPa，放电电压为800V(固定电极为阴极、基板平台为阳极且接地)，生长时间为10hr。
观察化学气相沉积情况的结果，并没有观察到伴随CVD的附着在固定电极前端上 的生成物掉落到了基板表面上。 CVD结束后，取出基板进行评价的结果，在直径10mm的基板的整个面上无缺陷地 形成了平均厚度80 ii m的金刚石。
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比较例1 将e设定为0° ，也就是说使基板平台的中心处于从固定电极的中心向铅垂方向
延伸的线上，在除上述以外的其他条件与实施例相同的条件下进行金刚石的制造。 观察化学气相沉积情况的结果，可以确认伴随CVD的附着在固定电极前端上的生
成物落到了基板表面上。 并且，化学气相沉积结束后，从腔室取出基板和金刚石，评价是否有缺陷的结果， 金刚石中发生了由掉落物导致的缺陷。
比较例2 将e设定为10(T ，在基板平台上真空吸附基板，在除上述以外的其他条件与实 施例、比较例1相同的条件下，进行金刚石的制造。 但是，在开始CVD的时候，在保持固定电极的部分等并不是固定电极前端部的部 分和基板平台之间产生放电，而无法进行化学气相沉积。 另外，本发明并不限定在上述实施方式。上述实施方式仅是例示，只要是与本发明 的权利要求的范围所记载的技术思想具有实质上相同的构成，并产生同样的技术效果的方 案，均包含在本发明的技术范围内。
权利要求
一种直流等离子体CVD装置，是至少具有固定电极、用来载置基板且兼作电极的基板平台的直流等离子体CVD装置，其特征在于，所述基板平台没有位于从所述固定电极的中心向铅垂方向延伸的线上，并且连接所述基板平台中心和所述固定电极中心的直线、与所述向铅垂方向延伸的线所构成的角，是在90°以下。
2. 根据权利要求1所述的直流等离子体CVD装置，其特征在于，所述基板平台被配置成 与以所述固定电极为中心的半径为R的圆相切。
3. 根据权利要求2所述的直流等离子体CVD装置，其特征在于，将所述基板平台的半径 设为r时，所述向铅垂方向延伸的线、与从所述固定电极中心连接到所述基板平台中心的 线所构成的角9 (单位° )，满足cos—U(R2-2r2)/R2)《e《90°的关系。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的直流等离子体CVD装置，其特征在于，所述固定 电极和所述基板平台是用钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)的任一种材料制作的。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的直流等离子体CVD装置，其特征在于，所述固定 电极为阴极，所述基板平台为阳极。
6. —种金刚石的制造方法，其特征在于，至少以含碳气体和氢气的混合气体为原料，使 用权利要求1至权利要求5中任一项所述的直流等离子体CVD装置，在基板上化学气相沉 积金刚石。
全文摘要
本发明提供一种直流等离子体CVD装置以及使用了此装置的高品质金刚石的制造方法，所述直流等离子体CVD装置可以获得不会发生由固定电极上的生成物的掉落引起的缺陷的、高品质的金刚石等的化学气相沉积膜。该直流等离子体CVD装置，至少具有固定电极、用来载置基板且兼作电极的基板平台，上述基板平台没有位于从上述固定电极的中心向铅垂方向延伸的线上，并且连接上述基板平台中心和上述固定电极中心的直线、与上述向铅垂方向延伸的线所构成的角在90°以下。
文档编号C23C16/27GK101775592SQ20091025398
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年1月9日
发明者野口仁 申请人:信越化学工业株式会社