方形波パルス無声放電を用いた珪酸エチルと酸素によるシリコン酸化膜の化学的気相合成

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既存の正弦波無声放電により非平衡プラズマ状態を実現できるシリコン酸化膜合成用TEOS(珪酸エチル)/酸素系常圧化学的気相合成(CVD)装置に,方形波パルス電圧発生装置を取り付けた。これは,パルス周波数が可変可能な構造となっており,種々のパルス周波数にて正弦波より非平衡性の高い反応場を形成することが可能となっている。さらにデジタルオシロスコープを取り付け,波形の観測を容易にした。本装置は従来のTEOS/オゾン系CVD法を応用したものであるため,まず酸素からオゾンへの変換特性を調べ,オゾン生成が行われていることを確認した。その後,酸素と同時にTEOSを反応容器に導入してTEOSをも非平衡状態下に置き,シリコン酸化膜の合成を行った。ここでは,事前に懸念された過度な反応の進行による粒子状酸化シリコンの多量生成もほとんどなく,良好な膜形成が確認できた。また,種々の条件による膜形成の傾向としては,放電回数が多くなる分パルス周波数が高いほど高い膜形成速度が得られ,さらに,膜形成に必要な基板表面での熱エネルギーの供給と高温度場におけるオゾン分解反応とのバランスから,高い膜形成速度のための基板温度は適正値が存在することが確認された。この実験場において,TEOSの一種の酸化現象を支配している活性酸素種として,オゾンとともに基底状態の酸素原子の存在が挙げられ,これはオゾン生成にも重要な影響を与えている。そこで,酸素分子に空間電子が衝突することによる酸素原子への解離反応,または酸素分子の高い励起状態への移行について,量子論的解析を行った。またこれに先立ち,生成した酸素原子に電子が衝突した際の電離の有無についての解析も行った。この結果,基底状態の酸素原子を作りだす電子のエネルギーには適正値が存在することが推測され,プラズマ場の適切な制御により本合成手法が有効となることが示唆された。