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公開番号2024082282
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-19
出願番号2024040069
出願日2024-03-14
発明の名称ダイヤモンド合成用プラズマCVD装置
出願人個人
代理人
主分類C23C 16/27 20060101AFI20240612BHJP(金属質材料への被覆;金属質材料による材料への被覆;化学的表面処理;金属質材料の拡散処理;真空蒸着,スパッタリング,イオン注入法,または化学蒸着による被覆一般;金属質材料の防食または鉱皮の抑制一般)
要約【課題】従来のマイクロ波プラズマCVDを用いたダイヤモンド合成装置は、空洞共振型と非空洞共振型に大別される。前者は高密度プラズマ生成が可能で、高速成膜が可能であるが、反応容器形状が球形又は特殊な扁平ドーム型であり、製造コストが高いので、製造コストの低減化が課題である。後者は成膜速度が遅いので、高速成膜化が課題である。この課題を解決可能なダイヤモンド合成装置を提供すること。
【解決手段】逆円錐台形状の反応容器7部材の内部に逆円錐形状のアンテナ電極9を収納し、該アンテナ電極の側面をマイクロ波電力の導入路とし、該アンテナ電極の主面をプラズマ生成領域とする構成を有する。これにより、空洞共振型に類似した定在波(ゼロ次のベッセル関数型)を発生させることが可能であり、高密度のプラズマを生成し、高速で大面積のダイヤモンド合成が可能である。反応容器の構造がシンプルであり、装置の製造コストを低減できる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と基板が載置される基板載置台とを備えた反応容器と、前記反応容器の中央部に配置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に中心導体と誘電体と外部導体から成る同軸型電力供給手段を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給装置と、を備え、前記マイクロ波電力供給装置から前記アンテナ電極へ供給されたマイクロ波電力により前記原料ガス導入手段から導入された前記原料ガスをプラズマ化して前記基板載置台に載置された前記基板の表面にダイヤモンドを形成するダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置において、
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、
前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とするダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記反応容器は、形状が第１上面と第１側面と第１下面から成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面及び前記第１下面を開口とした構造を有する第１の反応容器部材と、形状が第２上面と第２側面と第２下面から成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面を開口とした構造を有する第２の反応容器部材と、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠の間に配置された上側開口と下側開口を有する中空の円筒型の第３の反応容器部材で構成され、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第３の反応容器部材の前記下側開口の枠が固着され、且つ前記第３の反応容器部材の前記上側開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠が固着されることにより形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記基板載置台は、材質がモリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成され、円形の外周を有し、前記アンテナ電極の前記主面の中央に前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記基板載置台は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を有する複数の溝又は穴又は突起物を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記基板載置台の前記複数の溝は、断面形状が矩形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記基板載置台の前記複数の突起物は、断面形状が三角形又は正弦波形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項７】
前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁は、山と谷からなる突起物を備え、前記山又は前記谷の部分から前記原料ガスを噴出する原料ガス噴出孔を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項８】
前記マイクロ波電力供給装置は、３００ＭＨｚ～３ＧＨＺの範囲から選ばれる周波数のマイクロ波電力を発生することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一つに記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置に関する。特に、プラズマ発生電源の周波数がマイクロ波帯域であるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置に関する。
続きを表示（約 5,800 文字）【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、宝飾品や機械加工材料のみならず、ワイドギャップ半導体として知られ、ＳｉやＳｉＣ等の半導体より遙かに優れた特性を有することから、究極のパワー半導体材料として注目されている。そして、パワー半導体材料への応用を図るために、４～５インチ級の基板への対応が可能な、大面積のダイヤモンド形成装置に関し、鋭意、研究開発が進められている。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法としては、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法が用いられている。また、次のことが知られている。即ち、上記マイクロ波プラズマＣＶＤ法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、かつ結晶性が低下することがある。
【０００３】
マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、基板の加熱と原料ガスの分解にマイクロ波を用いることを特徴とする。即ち、マイクロ波を用いて原料ガスであるメタン（ＣＨ
４
）と水素（Ｈ
２
）の混合ガスをプラズマ化することにより、該プラズマ中に生成される電子及びイオン等によってダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ
３
ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させるとともに、前記マイクロ波を用いて基板上でのプラズマ化学反応促進に必要な基板温度を、約７００℃～約１，００℃に加熱する。基板上に形成されるダイヤモンドは、ＣＨ
３
ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着して、基板上で原子状Ｈ等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が成長する。ダイヤモンド結晶の成長速度は、一般的に１～１０μｍ／ｈ程度であることが知られている。
【０００４】
マイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド合成用装置に関する代表的特許技術として、アンテナ電極を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド合成用装置、例えば、特許文献１ないし特許文献４に記載された装置が挙げられる。
特許文献１には、導電性材料で形成された真空室と、該真空室内側の上壁面に固定され、貫通孔を有し、導電性材料で形成された第１アンテナと、該第１アンテナに対向して配置され、基板を搭載可能なステージとを備え、前記貫通孔の一端が前記真空室の外部に接続され、前記貫通孔の他端が、前記第１アンテナの前記ステージに対向する面に位置し、プラズマ用の原料ガスが、前記貫通孔の前記一端から前記他端を通って前記第１アンテナおよび前記ステージの間隙に供給され、前記ステージの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第１の空間、または、前記第１アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第２の空間のいずれかを導波路として、マイクロ波が、前記原料ガスとは異なる経路で前記真空室の外部から供給され、前記第１アンテナおよび前記ステージの前記間隙にプラズマを発生させ、前記プラズマが、前記第１アンテナと前記ステージとの間隔が前記マイクロ波の自由空間波長の１／１０以下、前記第１アンテナの外径が前記マイクロ波の自由空間の半波長以上である扁平なプラズマであり、前記貫通孔を介して、前記ステージに搭載された基板の表面を観察可能であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置、が開示されている。
特許文献２には、少なくとも、マイクロ波を導入するための開口部を持つ真空槽と、該開口部にマイクロ波を誘導するための導波管と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための誘電体窓と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための先端に電極部が形成されたアンテナ部と、該真空槽内に基材を支持するための基材支持台とを有し、該真空槽内面と電極部とで該誘電体窓を狭持したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、該誘電体窓が隠蔽されるように該電極部端面が誘電体窓端面よりも幅広く形成されており、且つ、該電極部の真空槽中心側の面の中央部に凹部が形成されており、該凹部の真空槽中心側の面における差し渡し幅は導入されるマイクロ波の１／３～５／３波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さは使用するマイクロ波の１／２０～３／５波長の範囲内であることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置、が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、ダイヤモンド基板の表面に単結晶ダイヤモンドの薄膜を形成するダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置であって、球状に形成された放電室と、この放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナと、この同軸アンテナの先端に設けられた載置部材とを備え、この載置部材又はこの載置部材上に置かれた前記ダイヤモンド基板が、前記放電室の中心に位置し、前記載置部材から放射されたマイクロ波が前記放電室の内面で反射して前記放電室の中心部に戻るとともに、当該放電室の中心部で前記マイクロ波の振幅が最大になることを特徴とするダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、が開示されている。
特許文献４には、基板の表面にダイヤモンド膜を形成するダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置であって、扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面とで構成された放電室と、前記下半球面を貫通して前記放電室の中心軸線に沿って延在し、前記放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナ部材と、前記放電室内で、前記同軸アンテナ部材の先端部に取り付けられ、前記放電室の最大直径面に沿って前記中心軸線と同心に拡がった円盤状の共振アンテナと、円形外周を有し、前記共振アンテナの上面の中央に前記中心軸線と同心に配置された、前記基板が載置される載置台と、を備えることを特徴とする、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許５０７１９２７
特許５１４２０７４
特許４６４９１５３
特許７３０４２８０
【０００７】
有屋田修、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、真空ジャーナル、２０２３年１月、２４－２６
山田英明、プラズマ CVD による単結晶ダイヤモンド合成の現状と課題、J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.2 (2014)１５２‐１５８
高橋秀俊、電磁気学（１９６３）、裳華房、３１９－３２２
R.P.Feynman, R.B.Leightion, M.L.Sands著（戸田盛和訳）、ファインマン物理学、四：電磁波と物性（１９７１）、岩波書店、２４－２８
吉川昇、金属のマイクロ波加熱の基礎と応用、まてりあ、Materia Japan、第４８巻、１－９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のマイクロ波プラズマＣＶＤを用いたダイヤモンド合成用装置は、供給されたマイクロ波電力が反応容器内部で反射して空洞共振することによって、高密度のプラズマを生成する空洞共振型と、前記空洞共振が発生しない非空洞共振型に大別される。
特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、非空洞共振型でありプラズマ密度が低いという短所があるのみならず、供給されるマイクロ波電力を反応容器へ導入するマイクロ波導入伝播路において該マイクロ波電力の伝播方向が一箇所で直角に曲がることに起因すると考えられる電力損失が大きいという問題があることにより、高密度プラズマの生成が困難という問題を抱えている。その結果、ダイヤモンド合成速度の高速化が困難である。
特許文献３及び特許文献４に記載の装置は、空洞共振型であり、マイクロ波電力の導入伝播路での電力損出が抑制された同軸型アンテナ電極が採用され、該マイクロ波導入伝播路での損失が小さいことから、ダイヤモンド合成に好適な装置であると言える。
しかしながら、特許文献３に記載の装置は、球形チャンバーを用いることから、該プラズマ反応室の製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。特許文献４に記載の装置は、プラズマ反応室の形状が扁平なドーム形状を有する半球形であることから、製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。
即ち、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、プラズマ密度の向上という課題があり、特許文献３及び特許文献４に記載の装置は製造コストの低減という課題がある。
本発明は、上記従来装置が抱える課題を解決可能なマイクロ波帯域の電源周波数を用いたダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と基板が載置される基板載置台とを備えた反応容器と、前記反応容器の中央部に配置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に中心導体と誘電体と外部導体から成る同軸型電力供給手段を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給装置と、を備え、前記マイクロ波電力供給装置から前記アンテナ電極へ供給されたマイクロ波電力により前記原料ガス導入手段から導入された前記原料ガスをプラズマ化して前記基板載置台に載置された前記基板の表面にダイヤモンドを形成するダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置において、
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記反応容器は、形状が第１上面と第１側面と第１下面から成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面及び前記第１下面を開口とした構造を有する第１の反応容器部材と、形状が第２上面と第２側面と第２下面から成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面を開口とした構造を有する第２の反応容器部材と、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠の間に配置された上側開口と下側開口を有する中空の円筒型の第３の反応容器部材で構成され、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第３の反応容器部材の前記下側開口の枠が固着され、且つ前記第３の反応容器部材の前記上側開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠が固着されることにより形成される、ことを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記基板載置台は、材質がモリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成され、円形の外周を有し、前記アンテナ電極の前記主面の中央に前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つの発明において、前記基板載置台は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を有する複数の溝又は穴又は突起物を備えることを特徴とする。
第５の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の溝は、断面形状が矩形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第６の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の突起物は、断面形状が三角形又は正弦波形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つの発明において、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁は、山と谷からなる突起物を備え、前記山又は前記谷の部分から前記原料ガスを噴出する原料ガス噴出孔を有することを特徴とする。
第８の発明は、第１の発明から第７の発明のいずれか一つの発明において、前記マイクロ波電力供給装置は、３００ＭＨｚ～３ＧＨＺの範囲から選ばれる周波数のマイクロ波電力を発生することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成された本発明のダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置は、反応容器の中心部に頂点部と側面と主面を備えた逆円錐形のアンテナ電極が配置され、該アンテナ電極の頂点部と同軸型電力供給手段の中心導体が接続され、該アンテナ電極の側面をマイクロ波電力導入路とすることから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制され、且つ前記アンテナ電極の主面の周辺部から前記主面の中央部へ、前記反応容器の中心軸線を向いて電力波が集中して流入し、該アンテナ電極の主面と接するプラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能となる。また、反応容器は、従来の空洞共振型に比べて単純な構造を有する。その結果、製造コストの低減化が可能であるとともに、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド合成が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
更に、基板載置台に、電界集中効果を有する溝又は穴又は突起物を備えることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。また、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁に、山と谷からなる突起物を備ええることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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