特許ウォッチ

公開番号2024096483
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-12
出願番号2024079884
出願日2024-05-16
発明の名称マイクロ波プラズマCVD装置
出願人個人
代理人
主分類C23C 16/50 20060101AFI20240705BHJP(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によるダイヤモンド合成装置は、反応容器に定在波が発生し、プラズマの均一性は波長の略1/8以下であることから、4インチ級大面積基板への対応が困難である。従来の定在波重畳方式による装置は、2出力位相可変のマイクロ波電源の製造が困難でコストが高く、且つダイヤモンド形成に必須の高圧力条件への適用が困難である。前記問題を解決可能なマイクロ波プラズマCVD装置を提供すること。
【解決手段】
定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマCVD装置であって、プラズマ発生にダブルリッジ型導波管から成る反応室を用い、2つのマイクロ波を時間的に交互に発生し、それぞれを第1及び第2のアンテナで2つに分岐して前記反応室へ対向して供給し、腹の位置が波長の1/4離れた第1の定在波及び第2の定在波を形成させることを特徴とする。略(1/2波長)x(1～2波長)の面積に均一なプラズマを形成することが可能である。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
基板が載置される第１のリッジ電極と前記第１のリッジ電極に対向して配置される第２のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段を有するとともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口と第２の電力供給口を備える反応室と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源と、前記第１のマイクロ波電源に接続され、前記第１のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器と、前記第１の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路と、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路に接続された第１のアンテナを備えた第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源と、前記第２のマイクロ波電源に接続され、前記第２のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器と、前記第２の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路と、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路に接続された第２のアンテナを備えた第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源が前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源が前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置と、
互いに対向して配置される第１の開口と第２の開口を有するとともに、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが配置されて前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する電力供給室と、
前記電力供給室の第１の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第１の電力供給口に連通して接続された第１の電力伝播室と、前記電力供給室の第２の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第２の電力供給口に連通して接続された第２の電力伝播室と、を備え、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定されることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
続きを表示（約 900 文字）【請求項２】
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔は、第１のマイクロ波の波長をλ、自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２を目安に設定されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記電力供給室は、前記第１のアンテナが配置され、前記第１のマイクロ波を前記反応室へ供給する第１の電力供給室と、前記第１の電力供給室に隣接して配置されるとともに、前記第２のアンテナが配置され、前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する第２の電力供給室を備える２室構造の電力供給室であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、方形導波管で形成され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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、環状に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記第１のリッジ電極は前記基板と接する基板接触領域を有し、前記基板接触領域がモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項７】
前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、少なくともメタンと水素を含み、前記基板の温度を７００℃～１，０００℃に設定し、前記基板の表面にダイヤモンドを合成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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項８】
前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、少なくともシランと水素を含み、前記基板の温度を１００℃～５００℃に設定し、前記基板の表面にシリコン系薄膜を形成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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。特に、ダブルリッジ型導波管の構造を有する反応室を用いた定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。
続きを表示（約 5,900 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、ダイヤモンド半導体が注目されている。ダイヤモンド半導体は、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、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、その実用化が期待されている。そして、パワー半導体デバイス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、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。
【０００６】
他方、数ｋＰａ～１０ｋＰａ級の高圧条件での応用が可能で、且つ大面積基板への応用が可能なダブルリッジ型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置が、例えば、特許文献５に公開されている。
特許文献５には、互いに対向して配置され、間にプラズマ処理が施される基板が配置される放電用のリッジ部であるリッジ電極を有するリッジ導波管からなる放電室と、高周波電力を前記放電室に供給する電源と、内部導体および外部導体からなり、前記電源から前記放電室へ前記高周波電力を導く同軸線路と、リッジ部を有するリッジ導波管からなり、前記放電室が延びる方向に隣接して配置され、前記同軸線路から前記放電室へ前記高周波電力を導く変換部と、が設けられ、前記リッジ部の一方は、前記内部導体と電気的に接続され、前記リッジ部の他方は、前記外部導体と電気的に接続されていることを特徴とする真空処理装置、が開示されている。
ダブルリッジ型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置は、例えば、非特許文献３に記載されているように、該ダブルリッジ型電極のリッジ部の幅方向においてほぼ均一な分布の電界が発生し、該ダブルリッジ型電極の長さ方向においては、定在波の発生による不均一電界が発生するという、特徴があることが知られている。
【０００７】
また、微結晶シリコン膜形成のためのＶＨＦプラズマＣＶＤ装置の分野では、例えば、非特許文献４に記載されているように、腹の位置が異なる２つの定在波を時間的に分離して交互に発生させることにより、該定在波の影響を抑制するという定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置が知られている。
定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置では、第１電力と第２電力から成る２出力位相可変の電源を用い、一対の長尺型平行平板電極の互いに対向する２つの短辺に給電点を設け、該給電点から互いに対向して伝播する前記第１及び第２の電力を供給する。前記第１及び第２の電力の前記対向する２つの給電点における位相を同相とした同相状態にある第１の時間帯と該位相が逆相である逆相状態にある第２の時間帯に分け、時間的に交互に供給する。そうすると、一方の時間帯において定在波の電界強度分布が、ｘを前記一対の長尺型平行平板電極の中心からの電力伝播方向の距離、λを供給される電力の波長とすると、ｃｏｓ
２
(２πｘ／λ）になり、他方の時間帯において定在波の電界強度分布がｓｉｎ
２
(２πｘ／λ）になる。即ち、定在波重畳方式を用いたプラズマＣＶＤ装置は、一対の平行平板電極で形成される電界の強度分布が、次式で示されるように、一定となる。
ｃｏｓ
２
(２πｘ／λ）＋ｓｉｎ
２
(２πｘ／λ）＝１・・・（１）
その結果、重畳された２つの定在波の時間的平均値は一定になり、大面積均一の製膜が可能となる。しかしながら、位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、その応用は限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特許５０７１９２７
特許５１４２０７４
特許４６４９１５３
特許７３０４２８０
特許５１９９９６２
【０００９】
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
K. Ogiwara, Y. Takeuchi , K. Uchino and Y. Kawai, New large-area plasma source using double-ridge waveguide, Proceedings of 2017 International Symposium on Dry Process(2017), 115-116
H.Kaneko, A.Kodera, Y.Soejima, S.Tsuji, M.Murata, Production of VHF excited H2 Plasma by New Method of Superposing the Standing Waves, Plasma Processes and Polymers, 2009, 6, S269-S272
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のダイヤモンド形成への応用分野では、４～５インチ級基板への対応が可能な、大面積のダイヤモンド形成装置が求められている。しかしながら、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、以下に説明するように、上記ニーズに対応できないという問題がある。
例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、アンテナ電極と基板載置台に挟まれる領域をプラズマ生成室とし、該プラズマ生成室へマイクロ波電力を供給しプラズマを生成する。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置では、前記プラズマ生成室へマイクロ波を供給するマイクロ波電力供給路に起因すると考えられる多大の電力損失が発生し、前記プラズマ生成室での高密度プラズマの生成が困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献３に記載の装置は、球状に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することにより、ダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献４に記載の装置は、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に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することによりダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献５に記載の装置は、互いに対向して配置されるリッジ電極から成るリッジ導波管を放電室とし、該放電室の前記リッジ電極の長さ方向の一方の端部からマイクロ波を供給し、該マイクロ波と前記リッジ電極の長さ方向の他方の端部に設けられた位相調整器より反射する反射波を重畳させて定在波を形成する。この定在波は、前記リッジ電極の長さ方向の前記放電室の中心から前記長さ方向へ延びる距離をｘ、前記マイクロ波の波長をλとすると、ｃｏｓ
２
(２πｘ／λ）で表される。それ故、プラズマＣＶＤへの応用において求められるプラズマの均一性を±１０％とすると、プラズマが均一である範囲は、前記リッジ電極の長さ方向で見て、略λ／８に限定される。即ち、特許文献５に記載の装置は定在波の発生により、均一な製膜ができないという、問題がある。
また、例えば、非特許文献４に記載の定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置は、２出力位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、マイクロ波プラズマＣＶＤへの応用は困難視されている。
本発明は、上記従来装置が抱える問題を解決可能なダイヤモンド合成のためのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。即ち、４～５インチ級の大面積基板を対象にして、高密度で、且つ均一なプラズマを生成可能なマイクロ波プラズマ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】
（【００１１】以降は省略されています）

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