JP2013122067A - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステージの冷却効果を高め、基板上に良好な品質で成膜できるマイクロ波プラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】プラズマ７を生成するプラズマチャンバ３を有し、このプラズマチャンバ３内には基板ホルダ５を載置するためのステージ４が配置される。基板ホルダ５には薄膜が形成されるべき基板６がセットされる。ステージ４と基板ホルダ５との接触部には真空引き用スペース２２が確保される。ステージ４には、真空引き用スペース２２に連通する真空引き通路１２ｃと、ステージ４を冷却するための冷却液通路２３ｂが設けられる。冷却液通路２３ｂの下流側端部には、オーバーフローによって冷却液流出を行わせる堰止め用連絡通路２６が設けられる。
【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関するものである。

マイクロ波プラズマ処理装置には、プラズマチャンバ内のステージ上に基板ホルダをセットすると共にその基板ホルダに基板を載置し、プラズマチャンバ内にマイクロ波とプラズマ生成ガスとを導入して基板上にプラズマを発生させ、次いで、成膜形成用のガスを導入して当該基板上に成膜を行うものがある。

かかるマイクロ波プラズマ処理装置では、前記成膜作業のため、まず、薄膜を形成すべき基板を基板ホルダにセットし、その基板ホルダをプラズマチャンバ内のステージ上に載置する。

次いで、プラズマチャンバを閉鎖した上で、プラズマチャンバ内を高度の減圧状態とし、プラズマ生成ガスとマイクロ波とをプラズマチャンバ内に導入してプラズマチャンバ内にプラズマを生成する。

そして、プラズマが生成したプラズマチャンバ内に成膜用のガスを導入して、基板上に化学気相成長（ＣＶＤ）による薄膜を形成する。

この基板を載置する基板ホルダにおいては、基板とともにプラズマによって高温になる。良好な成膜のためには基板と基板ホルダとが所要の高温に保たれる必要がある。

一方、基板ホルダあるいは基板の温度を維持するためには、基板ホルダを載置するステージの方は、温度上昇しないよう冷却することが好ましい。何故なら、ステージの冷却が不十分であると、ステージの温度が上昇し、基板ホルダや基板の温度が変化し、それにより、成膜の品質が悪くなるからである。そこで、ステージに冷却液通路を形成し冷却液を流すことでステージを冷却することが行われる。

しかし、基板ホルダとステージとの間には放熱に伴う温度変動の問題がある。

すなわち、ステージが冷却されすぎて、基板ホルダからステージへの伝達熱量が過剰になると、基板ホルダひいては基板が温度低下を引き起こし成膜の品質の低下につながる。

一方、ステージに対する冷却が不足すると、基板ホルダや基板の温度が良好な成膜に適した所定温度を超えて上昇するので、この点も配慮しなければならない。

特許文献１に開示の技術にあっては、電極とも称されるステージを冷却して一定の温度に保つ次のような手段を備えている。これを、図１２を用いて、説明する。図１２は特許文献１の技術において本発明と関係する主要部の構造を示す断面図である。

基板２００を載置するステージ１１４には、中心軸周りに複数の扇形の冷却室１６６が形成され、さらにその下方にプレート１６７で仕切られた還流室１６８が形成されている。扇形の冷却室１６６は、ステージ１１４の外周側で還流室１６８に連通している。ステージ１１４に連結された中心導管１２０には、内管１３６の挿入によって中心間隙１７２と外側間隙１７０が形成されている。中心間隙１７２は冷却室１６６に連通し、外側間隙１７０は還流室１６８に連通している。ステージ１１４の上面には基板２００を保持するための基板ホルダに相当する基板テーブル１６２が設けられ、その真下に熱伝導率制御用のスペース１６４が形成されている。内管１３６のさらに内部に熱伝導率制御用の気体を供給するための気体供給管１７４が挿通され、その気体供給管１７４が熱伝導率制御用のスペース１６４に連通されている。気体供給管１７４に圧送される熱伝導率制御用の気体の圧力は、気体供給源、絞り弁、排気ポンプなどによって制御されるようになっている。基板テーブル１６２には基板温度を測定するための熱電対などの温度測定手段が埋め込まれている。

中心導管１２０の中心間隙１７２を介して圧送された冷却液は冷却室１６６に供給され、さらに還流室１６８から外側間隙１７０を通して外部に排出される。この冷却室１６６への冷却液の導入によりステージ１１４を冷却する。

また、気体供給管１７４を通して供給した熱伝導率制御用の気体をスペース１６４に満たすことによって、基板テーブル１６２上の基板２００からステージ１１４に対する熱伝導率、特に冷却室１６６内の冷却液に対する熱伝導率を制御する。このとき、熱伝導率制御用の気体の圧力が制御され、基板２００の温度が調整される。

特表平９−５０３６１１号公報（米国特許公報５５０１７４０号明細書）

特許文献１の技術にあっては、冷却室１６６内で冷却液が充満状態で流動することを予定している。しかし、冷却液を圧送するポンプ圧送力が不足すると流量が減少し、図１３に示すように、冷却液３００がステージ１１４の高温部つまり冷却室１６６の天板部相当部１６６ｔに接触しなくなって天板部相当部１６６ｔが空気に露出する状態となってしまう。４００は冷却液３００の不足によって冷却室１６６内に生じた空気層を示している。

その結果、ステージ１１４に対する冷却効果が弱まり、ステージの温度上昇を引き起こし、上記したように基板２００上での成膜の品質の悪化へとつながる。

冷却液３００の圧送力が弱まると、冷却液の流量が低下し、ステージ内の冷却室の下部では冷却液は流れるが、冷却室の上部には冷却液が流れなくて空気層４００が出現し、最も高温となるステージの天板部相当部１６６ｔに対する冷却効果が損なわれてしまう。

なお、特許文献１の技術にあっては、ステージ１１４の上面部に円形の浅い凹所を形成し、その凹所に基板テーブル１６２を嵌めこむことで、ステージ１１４の上面部で基板テーブル１６２との間に熱伝導率制御用のスペース１６４を形成し、このスペース１６４に連通する気体供給管１７４をステージ１１４に嵌め込んでいる。

そして、気体供給管１７４を介してスペース１６４に供給する気体の圧力を変化させることにより熱の流れを制御している。

基板テーブル１６２およびステージ１１４が金属であるので、熱の逃げ抑制のためには、これら両者が直接的に接触している場合よりも両者間にスペース１６４を作っていると考えられる。

しかし、スペース１６４内に気体が充填すると、熱の逃げ抑制は不充分なものとなりがちである。しかもスペース１６４内の圧力変動により、熱伝導率が変化し、基板テーブル１６２の温度制御が不安定なものとなりやすい。

本発明は、上述に鑑みてなされたものであって、ステージの冷却効果を高める一方、熱伝導率変化の低減を解消し、基板上に良好な品質で成膜できるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的している。

上記目的を達成するため、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置は、その基本的構成要素としてプラズマチャンバと、ステージと、基板ホルダとを有し、基板ホルダからステージへ熱が逃げることを抑制する形態と、ステージでの冷却液が流動する形態とに特徴を備える。以下、説明する。

プラズマチャンバに、内部の減圧状態でプラズマ生成ガスとマイクロ波が導入され、プラズマが生成される。基板は導入された原料ガスとプラズマとの作用によりその表面に化学気相成長による薄膜が形成される。基板ホルダはこの基板を載置するもので、プラズマチャンバの内部空間に対して出し入れされる。プラズマチャンバ内には基板をセットした基板ホルダを載置するためのステージが配置される。

プラズマによって成膜された基板を載置支持する基板ホルダは、プラズマとの直接的な接触によって高温状態になり、その高温状態を安定化することが良好な成膜の条件につながる。それゆえに、基板ホルダからステージへの熱が放熱することを抑制することが必要である。

本発明では、従来技術の場合の熱伝導率制御用の気体をスペースに充填することに代え、当該スペース内の気体をできる限り多量に排除、つまり、真空引きによって、基板ホルダからステージへの熱の逃げを抑制する。

基板ホルダはステージ上に載置され、そのステージと基板ホルダとの接触部に真空引き用スペースを確保する。

より具体的には、上側に位置する基板ホルダの下面に凹所を形成する。

あるいは下側に位置するステージの上面に凹所を形成する。

あるいは基板ホルダの下面とステージの上面それぞれに凹所を形成する。

そして、ステージには、真空引き用スペースに連通する状態で真空引き通路を形成する。

ステージに設けられた真空引き通路を介して真空引き用スペースに対する真空引きを行い、そのスペース内に存在していた気体分子をできるだけ多く排出する。スペース内に存在する気体分子は基板ホルダからステージへの熱の逃げの媒体となるが、この熱伝導の媒体の数を極力少なくすることで、基板ホルダからステージへの熱の逃げを可及的に抑制し、基板ホルダひいては基板が所定の高温状態に保たれるようにしている。

このように基板ホルダを高温状態に保つ一方、ステージは前記したように冷却する必要がある。ステージの冷却は基板ホルダからステージへの熱の逃げを促進するが、これをできるだけ抑え込まなければならない。ステージに冷却液通路を形成するが、真空引き用スペースの下方相当領域においてステージの内部に冷却液通路を形成する。効果的な冷却を行うには、冷却液通路の形態として、渦巻き状に展開するとかジグザグ状に展開するなど、ステージとの接触領域ができるだけ広く接触時間ができるだけ長くなっていることが好ましい。

冷却液通路に冷却液を送り込む圧力が何らかの事情により低下したとしても冷却作用が行われない空白領域が出現しないようにするため、本発明では次のような構成を備える。

すなわち、冷却液による冷却作用が終わる冷却液通路の下流側端部には冷却作用後の冷却液を排出側へ導く連絡通路部が形成されるが、この連絡通路部に堰止めを施す。

すなわち、その堰止め用連絡通路は、冷却液通路よりも高い位置に形成され、冷却液通路から連絡通路部への冷却液の流出をオーバーフローをもって行わせる。つまり、堰止め用連絡通路の最も低い部分は冷却液通路の最も低い部分よりも高くなる。

冷却液通路の終端部にオーバーフローを行わせる堰止め用連絡通路が設けられているので、冷却液通路の入口から流入した冷却液が冷却液通路から出ていくためには、堰止め用連絡通路を通らなくてはならない。

この堰止め用連絡通路は、冷却液通路よりも高位にあって、流出の態様がオーバーフローに強制されている。そのため、何らかの事情により冷却液を送り込む圧力が低下したとしても、冷却液通路内の冷却液は冷却液通路の断面全域を満たす状態で流動することになり、冷却作用の空白領域は出現しない。

このようにして冷却液流動領域の全域にわたって過不足なく冷却液がステージを冷却することができるので、冷却液によるステージの冷却効率が充分に高くかつ安定する。結果として、基板ホルダひいては基板の高温状態の温度が安定したものとなり、プラズマによる基板への成膜の性状が高品位なものとなる。

以上のように本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波プラズマ処理のためのプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバ内に配置された、基板ホルダ載置用のステージと、前記ステージに前記基板ホルダが載置された状態で前記ステージと前記基板ホルダとの接触部に確保される真空引き用スペースと、前記真空引き用スペースに連通する状態で前記ステージに設けられた真空引き通路と、前記ステージの内部にこのステージの冷却のために形成された冷却液通路と、を備えたことを特徴とする。

好ましくは、前記冷却液通路の下流側端部に、前記冷却液通路からの冷却液の流出を、オーバーフローをもって行わせる堰止め用連絡通路を設けている。
より好ましくは、前記冷却液通路が渦巻き状に形成されている。

本発明の上記構成による作用は次のとおりである。

真空引き用スペースで真空に近い高度減圧状態とするので、このスペースにおける熱の逃げが効果的に抑制される。一方、堰止め用連絡通路で冷却液をオーバーフローさせるので、何らかの原因で冷却液の供給圧力が変動しても冷却液は最上位まできて流動するため、ステージに対する冷却効果を高く、かつ、安定させることができる。

真空引き通路に連通する状態で基板ホルダ下面とステージ上面との間に確保される真空引き用スペースは、さらに次の作用をもたらす。

すなわち、プラズマチャンバの開放姿勢で基板を載置した基板ホルダをステージ上に載置する際に、良好な成膜のためには、生成されるプラズマと基板ひいては基板ホルダとの位置関係を精密にし、かつ、基板ホルダがステージに強固に安定よく位置保持されていることが必要である。

すなわち、ステージに対する基板ホルダのセンタリングロックの問題である。外部振動などの要因により装置が振動してステージ上で基板ホルダが位置ずれを起こすと、プラズマに対する相対的位置関係が不適正になり成膜の品質劣化をもたらすことになる。

本発明では、基板ホルダをステージに対して、一旦、位置合わせすれば、その位置合わせ状態で真空引き通路を介して真空引き用スペースに対する真空引きを行うと、基板ホルダの上方側の大気圧と基板ホルダの下方側である真空引き用スペース内の真空に近い近真空圧力との間の大きな圧力差でもって、基板ホルダの周縁下端部をステージ上面に押圧し密着固定させることが可能となる。これにより、ステージと基板ホルダひいては基板との位置関係が強固に安定よく保持され、結果、基板とプラズマとの位置関係が精密になり、基板への成膜が高品質となる。

以上のように本発明によれば、ステージと基板ホルダとの接触部に確保したスペースを真空引きする構成により、熱伝導媒体であるスペース内気体分子を極力排除して基板ホルダからステージへの熱の逃げを抑制し、基板ホルダが所定の高温状態に安定的に保たれるようにしている。

さらに、本発明では、冷却液通路の終端部に堰止め用連絡通路を設けて冷却液をオーバーフロー状態で流動させる構成としたので、冷却液が冷却液通路の断面全域を満たす状態で流動し、充分に高くかつ安定した冷却効果をもたらし、基板ホルダの温度状態が安定化する。

併せて、本発明では、前記の真空引きの構成により、基板ホルダの下端部をステージ上面に密着固定し、ステージと基板ホルダと基板との位置関係つまりは基板とプラズマとの位置関係を精密にすることができ、プラズマによる基板への成膜の性状をより高品位なものにすることができる。

本発明の実施例１のマイクロ波プラズマ処理装置の概要を示す断面模式図 本発明の実施例１のマイクロ波プラズマ処理装置のより詳しい構造を示す断面図 本発明の実施例１のプラズマチャンバ部分の詳細な構造を示す断面図 本発明の実施例１の原料ガスの供給・排出系の構造を示す斜視図 本発明の実施例１のステージにおける冷却部および熱の逃げ抑制の詳細な構造を示す断面図 本発明の実施例１のステージにおける冷却部の詳細な構造を示す水平断面図 本発明の実施例１の渦巻き状の冷却水通路の下流側端部の詳細を示す平面図と断面図および比較例の説明図 本発明の実施例１のステージに対する基板ホルダのセンタリングの構造を示す斜視図 本発明の実施例１のステージに対する基板ホルダのセンタリングの構造を示す断面図 本発明の実施例２のステージにおける冷却部および熱の逃げ抑制の詳細な構造を示す断面図 本発明の実施例３のステージにおける冷却部および熱の逃げ抑制の詳細な構造を示す断面図 従来の技術におけるステージにおける冷却部および熱の逃げ抑制の詳細な構造を示す断面図 従来の技術における課題を説明する断面図

上記した構成の本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、次のような好ましい実施の形態において有利に展開される。

前記の冷却液通路の形態について、これを渦巻き状に形成したり、ジグザグ状に形成したりすることは、ステージの広範囲な領域に対する均一な冷却効果をもたらす。

また、前記の冷却液通路の形態について、その上流側端部がステージの中心側に位置し、その下流側端部がステージの外周側に位置しているのを好適例とする。ステージの中心側は最も高い温度となるが、その最も高い温度領域に熱交換前の最も低い温度の冷却液を最初に流動させて熱交換することは、効率良い冷却作用をもたらすからである。

ただし、冷却液通路の別の形態では、その上流側端部がステージの外周側に位置し、その下流側端部がステージの中心側に位置しているのでもかまわない。

さらに、前記のオーバーフローのための堰止め用連絡通路の構成については、冷却液通路の下流側端部のさらに排出側の連絡通路につながる中継通路と、冷却液通路の下流側端部につながる細径通路とを備えたものとして構成し、前記の細径通路は、上下方向での位置が冷却液通路および中継通路の最上位位置を含む高位位置に設定されているように構成することが好ましい。この場合、冷却液の圧送ポンプの圧送力が何らかの事情により所定圧力より低下したとしても、流路断面積中に空気層は出現せず、ステージの上面近傍部に対して高い冷却効果、安定した冷却効果を発揮させることができる。

また、前記の真空引き用スペースの形態としては、基板ホルダの下面に上向きに形成した凹所をもって構成されているのでもよいし、ステージの上面に下向きに形成した凹所をもって構成されているのでもよいし、あるいは、基板ホルダの下面に上向きに形成した凹所とステージの上面に下向きに形成した凹所とをもって構成されているのでもよい。

以下、図面を参照して、本発明の実施例にかかるマイクロ波プラズマ処理装置を説明する。

図１に、実施例１のマイクロ波プラズマ処理装置の概要を示す。

図１において、１はプラズマ処理のために真空に近い高度減圧レベルに減圧する減圧室、２は減圧室１の底板部を構成する減圧室底板、３は減圧室底板２に対して開閉自在でその閉止姿勢で減圧室底板２とともに減圧室１を形成するプラズマチャンバである。

また、４は減圧室１内に配置される状態で減圧室底板２の上方に設けられた金属製のステージ、５は基板６をセットした状態でステージ４に載置される金属製の基板ホルダ、７は減圧室１内で生成されるプラズマ、８は減圧室１に対するガス導入部、９は減圧室１からのガス排出部、１０は減圧室１に対してマイクロ波を導入するマイクロ波導波部である。

さらに、１１は気体の通過は遮断するがマイクロ波は通す石英などの環状の誘電体窓、１２は真空引き経路や冷却液循環路を伴う中心軸管部、１３はステージ４および中心軸管部１２に対する下方付勢機構である。

プラズマチャンバ３は、例えばアルミニウム製で、その下端縁が減圧室底板２に密着して減圧室底板２とともに減圧室１を形成する閉止状態と、減圧室底板２から離間して減圧室１を開放する状態とに切り替え自在となっている。ステージ４と中心軸管部１２とは固定連結されていて、両者は一体となって上下動可能に構成されている。

ステージ４の下面と減圧室底板２の上面との間に環状の誘電体窓１１が介在されており、下方付勢機構１３によって中心軸管部１２を介してステージ４を下方に付勢することにより誘電体窓１１をステージ４と減圧室底板２とに密着させるようになっている。この密着により減圧室１内のガスがマイクロ波導波部１０側に漏出しないようにされている。

なお、中心軸管部１２が上下動するのに対して、減圧室底板２やこれに固定連結のマイクロ波導波部１０は原則的に位置固定となっている。

中心軸管部１２は減圧室底板２に形成された同軸状のマイクロ波同軸導管２ａに挿通されている。マイクロ波導波部１０は、水平導波管部１０ａと、垂直導波管部１０ｂを有する。垂直導波管部１０ｂは、中心軸管部１２を挿通する状態で減圧室底板２の下面に固定されている。

垂直導波管部１０ｂの内周面と中心軸管部１２の外周面との間には、同軸状のマイクロ波誘導通路１０ｃが形成されている。

マイクロ波誘導通路１０ｃは、減圧室底板２に形成されたマイクロ波同軸導管２ａに連通し、結果的にマイクロ波をステージ４の下面に導入される。ステージ４の下面に導入されたマイクロ波は、さらに、誘電体窓１１を通過し、ステージ４の端部からステージ４の上面に回り込み、その上面とその上空間に伝播する。

この場合、マイクロ波は、ステージ４の上面に対して、その端部から中心エリアに向けて伝播し、ステージ４の上方でプラズマを生成するためのマイクロ波のエネルギーでガス放電を起こす。

こうしたマイクロ波の伝播の形態は、中心軸Ｏ周りで周方向均等分布の状態になっている。そして、ステージ４の中心エリアの上方空間には、前記のように伝播されたマイクロ波と、導入された水素ガスとの相互作用でプラズマ７が生成する。

マイクロ波誘導通路１０ｃからステージ４の下方空間さらに誘電体窓１１を通してのプラズマチャンバ３内でのマイクロ波の伝播の形態については、中心軸Ｏ周りで周方向に均等分布の状態となっている。

ここで、概略以上のように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置の動作の概要を説明する。

（１）プラズマチャンバ３の開放姿勢で、基板６をセットした基板ホルダ５をステージ４上に載置し、ステージ４の中心で基板ホルダ５を固定する。このとき、センタリングの治具を用いて基板ホルダ５をステージ４の中心に置く（図８、図９参照）。真空引きによって基板ホルダ５をステージ４に固定した後に治具は取り除かれる（センタリングの治具および真空引きについては後述する）。

（２）減圧室底板２に対してプラズマチャンバ３を閉止姿勢にし、減圧室底板２とプラズマチャンバ３とによって減圧室１を形成する。

（３）減圧室１を真空引きして、減圧室１内の圧力を制御する。

（４）減圧室１の圧力が所定の圧力に達すると、プラズマ生成ガスとして水素ガスを、ガス導入経路１４を通し、ガス導入部８を介して、減圧室１内に導入する。

（５）水素ガスの導入に伴い、減圧室１が所定の圧力レベルに達すると、マイクロ波導波部１０によってマイクロ波を導入する。

マイクロ波は水平導波管部１０ａから垂直導波管部１０ｂ（マイクロ波誘導通路１０ｃ）および減圧室底板２のマイクロ波同軸導管２ａを通ってステージ４の下面に導かれる。

そして、ステージ４の下面のマイクロ波は、環状の誘電体１１を通って、ステージ４の端部に伝播する。ステージ４の中心になればなるほど、マイクロ波は強くなる。そのとき、ステージ４の中心エリアの上方空間には、導入された水素ガスと、マイクロ波による強度が強い電磁場の電場との相互作用でプラズマ７が生成する。

（６）減圧室１内が所定の圧力状態、所定の温度状態になり、プラズマ７のエネルギーレベルが所定レベルに達したら、さらに成膜用のガスとしてメタンガスをガス導入部８を介して減圧室１内に導入する。メタンガスはダイヤモンドの成膜を行うときの原料である。

このとき、併せて酸素ガスや窒素ガスを導入することもある。

水素ガスは引き続いて導入される。プラズマ７の生成中においては、ガス吸引経路１５を通しガス排出部９を介して減圧室１を真空引きして圧力維持する動作は継続され、プラズマ７の発生が維持される。

次に、実施例１のマイクロ波プラズマ処理装置のより詳しい構造を図２を用いて説明する。まず、下方付勢機構１３について説明しておく。

基本的構造は特許文献１に記載のものと同様である。

マイクロ波導波部１０の垂直導波管部１０ｂの下部にスプリングブロック１６が取り付けられている。一方、中心軸管部１２の下端部に付勢力受け板１７が外嵌され、中心軸管部１２の下端に固定ボルト１８でストッパブロック１９が固定され、このストッパブロック１９は付勢力受け板１７の下面に当接している。

付勢力受け板１７に螺着された付勢力調整ボルト２０がスプリングブロック１６の凹部に挿入され、その周囲に嵌合させたスプリング２１がスプリングブロック１６と付勢力調整ボルト２０との間で伸長付勢力を張っている。

スプリング２１の伸長付勢力が付勢力調整ボルト２０を介して付勢力受け板１７に伝わり、さらにストッパブロック１９を介して中心軸管部１２に伝わり、最終的にステージ４を介して誘電体窓１１を下方に向けて減圧室底板２に押圧するように作用する。スプリング２１と付勢力調整ボルト２０の組は複数ある。

図２ないし図４を参照して、ガスの供給・排出系について説明する。

プラズマチャンバ３の中央天井部においてガス導入部８は次のように構成されている。プラズマチャンバ３の中央天井部が上側壁８ａと下側壁８ｂとの二重壁状に構成され、その上側壁８ａと下側壁８ｂとの間に流速緩和室８ｃが形成されている。

上側壁８ａの中心部にはガス導入経路（パイプ）１４が接続されるようになっている。下側壁８ｂにおいては複数のガス導入口８ｄが中心軸Ｏ周りで周方向に均等分布の状態に形成されている。

このガス導入部８の構造は、たとえて言えば風呂のシャワーヘッドの構造に似ている。

より具体的には、図４に示すようにガス導入口８ｄは下側壁８ｂにおいて、同心円状の複数の円弧上においてそれぞれ周方向等間隔に形成されている。

ただし、ガス導入口８ｄは１つの円弧上において周方向等間隔に形成されているのでもよい。

図示は省略しているが、このガス導入経路１４の上流側では混合栓が取り付けられ、その混合栓の部分で水素ガスやメタンガスその他のガスが単独であるいは混合されて供給されるようになっている。

一方、ガス排出部９は次のように構成されている。円環状の絶縁物（誘電物）からなる排出パイプ２４がステージ４の外周縁の外側下方（環状の誘電体窓１１の外側）において、減圧室底板２の上面に固定されている。

この場合、排出パイプ２４が金属であれば、底板２に溝を作り、その溝内に排出パイプ２４を収納すると共に、底板２の上面と排出パイプ２４の上面との高さを同一にするとよい。

円環状の排出パイプ２４は中心軸Ｏを中心とする半径一定の円弧の上に配置されている。円環状の排出パイプ２４の頂線の部分には複数のガス排出口２４ａが中心軸Ｏ周りで周方向に均等分布の状態に形成されている。

複数のガス排出口２４ａは１つの円周上に配置されている。

円環状の排出パイプ２４の下面で周方向の等間隔４箇所に下方に向けて連通状態で設けた４つの縦パイプ２４ｂが減圧室底板２を上下に貫通している。

一方の２つの縦パイプ２４ｂは、１つの横パイプ２４ｃに共通に接続され、他方の２つの縦パイプ２４ｂは、別の１つの横パイプ２４ｃに共通に接続される。

前記２つの横パイプ２４ｃそれぞれの中心には、縦横にＬ形に曲がった各別のパイプ２４ｄに接続され、これら各別の２つのＬ形パイプ２４ｄがさらに、もう１つの横パイプ２４ｅで共通に接続され、この横パイプ２４ｅの中心が、図示略の真空ポンプを含むガス吸引パイプ１５に接続される。

尚、図１および図２で、これらパイプ２４ｂ、２４ｃ，２４ｄ，２４ｅを、排出パイプ２４とガス吸引パイプ１５とを接続する連絡パイプ系２４Ａとして示す。また、図１ないし図３で、連絡パイプ系２４Ａは、図解の都合で、断面で示す。

複数のガス導入口８ｄの分布の中心と複数のガス排出口２４ａの分布の中心とを結ぶ中心線に関してステージ４および基板ホルダ５の中心は一致している。ガス導入経路（パイプ）１４の終端から流速緩和室８ｃに流入した原料ガスは水平方向へ広がる流速緩和室８ｃにおいてその勢いが緩和される。

すなわち、真下へ向かうガスの勢いは、流速緩和室８ｃでの流速緩和作用によって抑えられ、水平方向へ広がりながら、複数のガス導入口８ｄから減圧室１内に流入する。

ガス排出部９では図示略の真空ポンプの駆動により、排出パイプ２４を介して複数のガス排出口２４ａから減圧室１に対する真空引きが行われ、減圧室１に対する圧力制御が継続維持される。

したがって、複数のガス導入口８ｄから減圧室１内に流入したガスは複数のガス排出口２４ａに向かって吸い込まれてゆく。複数のガス導入口８ｄは周方向に均等分布に配置され、複数のガス排出口２４ａも周方向に均等分布に配置されているから、減圧室１内におけるガスの流れは図４に示すように周方向均等分布の状態となり下方の円環状の排出パイプ２４の頂線上の周方向均等分布のガス排出口２４ａに吸引されていく。

ある１つのガス導入口８ｄから減圧室１内に流入してきたガスの流線は、そのガス導入口８ｄと周方向で同一位相にある１つのガス排出口２４ａに向かうが、それだけでなくその１つのガス排出口２４ａの周方向両隣にあるそれぞれ１つまたは２，３のガス排出口２４ａにも向かう。

もっとも、流線の密度には差異があり、中央のガス排出口２４ａでの流線密度が最も高く、中央から離れるほど流線の密度は小さくなる。

このことがすべてのガス導入口８ｄとそれぞれに位置対応するガス排出口２４ａとの間の流線について当てはまるので、平均的にはガスの流線は周方向に均等分布の状態となる。

さらに、このガスの流線についての周方向均等分布の状態は、ガス導入口８ｄの高さ位置からガス排出口２４ａの高さ位置までの鉛直方向のどの高さ位置でもほぼ保たれている。

真空引き経路や冷却液循環路を伴う中心軸管部１２は、導体外管１２ａと中間管１２ｂと真空引き通路用内管１２ｃとの三重管構造となっている。

真空引き通路用内管１２ｃは、その内部通路が真空引きされるもので、その真空引きにより、基板ホルダ５をステージ４に密着固定するようになっている。

すなわち、基板ホルダ５の底部には凹所５ａ（図５参照）が形成されており、基板ホルダ５をステージ４の上面に載置した状態で、その凹所５ａとステージ４とが真空引き用スペース２２を形成する。

一方、真空引き通路用内管１２ｃは、その上端部がステージ４を貫通し、真空引き用スペース２２に臨むようになっている。

したがって、真空引き通路用内管１２ｃの下端側から真空引きを行うと、真空引き用スペース２２が高度に減圧され、その内圧が減圧室１の内圧より低くなると、その圧力差により基板ホルダ５がステージ４に密着し固定化される。

なお、真空引きに先立ってセンタリングの治具を用いてステージ４の中心に対する基板ホルダ５の位置決めが行われる（図８、図９参照）。

次に、ステージ４の冷却のための構造について図５、図６を用いて説明する。

ステージ４には冷却液通路２３ｂが渦巻き状に形成されている。その渦巻き状の冷却液通路２３ｂの内周側端部に対して中間管１２ｂと真空引き通路用内管１２ｃとの間の冷却液の送り通路２３ａが連通されている。

また、渦巻き状の冷却液通路２３ｂの外周側端部がステージ４の下部側に形成された連絡通路２３ｃを経て導体外管１２ａと中間管１２ｂとの間の冷却液の戻り通路２３ｄに連通されている。

したがって、中間管１２ｂの下端側から冷却液の送り通路２３ａに冷却液を圧送すると、冷却液が中間管１２ｂから渦巻き状の冷却液通路２３ｂに流れ込み、渦巻き状の冷却液通路２３ｂを中心部から外周部にかけて何回も旋回するように流動したのち、さらに連絡通路２３ｃを通って導体外管１２ａの冷却液の戻り通路２３ｄの上端へと流れ込み、導体外管１２ａの下端部から外部へと排出される。

冷却液が渦巻き状の冷却液通路２３ｂの内部を流動する過程でステージ４を冷却する。その結果として、基板ホルダあるいは基板の温度が維持され、成膜の品質を良好に維持することができるようになる。

本発明にあっては、ステージ冷却の構造にはさらに後述の工夫が施されている（堰止め用連絡通路２６参照）。なお、冷却液通路２３ｂの形態は渦巻き状に限定されない。

中心軸管部１２は、上記のような基板ホルダ５の固定のための真空引きをする真空引き通路用内管１２ｃと、ステージ４の冷却のための中間管１２ｂおよび導体外管１２ａを含んでいる。

ステージ４は、渦巻き状の冷却液通路２３ｂを形成し、ステージ４と中心軸管部１２とが一体化されている。さらに、ステージ４と中心軸管部１２との一体物が、下方付勢機構１３によって押し下げられ、環状の誘電体窓１１の下端、上端が減圧室底板２とステージ４とに圧接される。

これにより、減圧室１内のガスがマイクロ波導波部１０側に漏出されることが確実に防止される。

本実施例では、渦巻き状の冷却液通路２３ｂは、その上流側端部がステージ４の半径方向内方にあり、下流側端部が半径方向外方にあり、渦巻き状の冷却液通路２３ｂの下流側端部２３ｂ₁ において連絡通路２３ｃとの間には、堰止め用連絡通路２６が設けられている。

図７の（ａ），（ｂ）を用いて詳しく説明する。

堰止め用連絡通路２６は、細径通路２６ａと中継通路２６ｂを備えている。中継通路２６ｂは、短い通路であり、渦巻き状の冷却液通路２３ｂの下流側端部２３ｂ₁ の外側に配されている。中継通路２６ｂの下流側端部には、連絡通路２３ｃの上流側端部（傾斜部）が連絡されている。

細径通路２６ａは、渦巻き状の冷却液通路２３ｂの下流側端部２３ｂ₁ と中継通路２６ｂの上流側端部との間に架け渡されている。細径通路２６ａは、上下方向での位置が渦巻き状の冷却液通路２３ｂや中継通路２６ｂの最上位位置を含む高位位置に設定されている。細径通路２６ａの底部分は、渦巻き状の冷却液通路２３ｂの底部分よりも高くなる状態に構成されている。

図７（ｂ）の上向き矢印Ｈは、その落差を表している。高位の細径通路２６ａのこの構成は、渦巻き状の冷却液通路２３ｂから中継通路２６ｂへの冷却液の流動の形態をオーバーフローとする（矢印ＯＦ参照）。

中間管１２ｂの内側の冷却液の送り通路２３ａからステージ４の渦巻き状の冷却液通路２３ｂに流入した冷却液は、何回も旋回したのち堰止め用連絡通路２６における中継通路２６ｂを介しさらに連絡通路２３ｃを介して導体外管１２ａの内側の冷却液の戻り通路２３ｄに排出されていく。

このとき、渦巻き状の冷却液通路２３ｂから中継通路２６ｂに至る前に必ず高位の細径通路２６ａを通らなければならない。この高位の細径通路２６ａが渦巻き状の冷却液通路２３ｂや中継通路２６ｂの最上位レベルにあるため、冷却液の圧送ポンプの圧送力が何らかの事情により所定圧力より低下したとしても、図７（ｂ）に示すように渦巻き状の冷却液通路２３ｂの縦断面の円形空間において冷却液はその下端から上端まで満たされた状態で流動することになる。

もし、堰止め用連絡通路がない冷却液通路の場合には、図７（ｃ）に示すように、冷却液の流動の態様は、冷却液通路２３ｂの縦断面の円形空間において上端には達することなく、上側部分に空気層２７を残す状態での流動となる。

このことは、〔発明が解決しようとする課題〕の項において特許文献１の技術について述べたのと同様である。ステージ４において最も高温になるゆえに最優先で冷やすべき部位は、基板ホルダ５の下端部に接触するステージ上面近傍部である。しかるに、冷却液通路２３ｂの上部に空気層２７が存在すればステージ上面近傍部に対する冷却液による冷却作用が大幅に低下してしまう。

本実施例の場合は、冷却液の圧送ポンプの圧送力が所定圧力より低下したとしても、図７（ｂ）に示すように空気層は出現せず、ステージ４の上面近傍部に対して高い冷却効果、安定した冷却効果を発揮させることができる。

次に、センタリング治具２８について図８、図９を用いて説明する。

センタリング治具２８は、円環状の治具本体２８ａとこれの下面に一体的に突出された４つの位置決め脚２８ｂとを有している。４つの位置決め脚２８ｂは、円環状の治具本体２８ａの中心軸まわりの１つの円周上において等間隔に配置されている。

円環状の治具本体２８ａには同心状にホルダ嵌合孔２８ｃが貫通状態で形成されている。位置決め脚２８ｂは中心軸に平行となっている。ステージ４にはセンタリング治具２８の４つの位置決め脚２８ｂを挿入するための脚挿入孔４ａが４つ形成されている。

４つの脚挿入孔４ａは、ステージ４の中心軸まわりの１つの円周上において等間隔に配置されている。センタリング治具２８のホルダ嵌合孔２８ｃの外殻形状は基板ホルダ５の外殻形状と相似形（円形）で、その直径は基板ホルダ５の直径よりやや大きい寸法にされている。

ステージ４に対する基板ホルダ５のセンタリング（中心合わせ）は次のように行われる。まず、ステージ４の４つの脚挿入孔４ａに対してセンタリング治具２８の４つの位置決め脚２８ｂを位置合わせして挿入する。これにより、センタリング治具２８がステージ４に対して正確な中心合わせ状態となる。

次いで、基板６を載置した基板ホルダ５をセンタリング治具２８のホルダ嵌合孔２８ｃに嵌合する。これにより、基板ホルダ５はセンタリング治具２８を介してステージ４に正確な中心合わせの状態となる。

図９に示すように、基板ホルダ５の下面の凹所５ａとステージ４の上面とで真空引き用スペース２２が形成される。次いで、中心軸管部１２における真空引き通路用内管１２ｃによる真空引きによって真空引き用スペース２２内を高度な減圧状態にする。基板ホルダ５の外部上方の空間の圧力は大気圧であるので、大気圧と高度減圧状態との差圧によって基板ホルダ５がステージ４に密着状態に圧接される。

次いで、センタリング治具２８をステージ４から取り外す。この取り外しによっても、基板ホルダ５はステージ４に対し密着圧接されているので、ステージ４に対する基板ホルダ５ひいては基板６のセンタリングは高精度かつ強力なものとなる。

次に、ステージへの熱の逃げ抑制に関しての変形例を実施例２とし、この実施例２について図１０を用いて説明する。図１０において、実施例１の図５におけるのと同じ符号は同一構成要素を指しているので、詳しい説明は省略する。

真空引き用スペース２２を構成するのに、実施例１の場合には図５で示すように基板ホルダ５の底部に凹所５ａを形成しているが、本実施例の場合には図１０に示すように、ステージ４の上面部に凹所４ｂを形成し、一方、基板ホルダ５の下面は平坦なままとし、基板ホルダ５の平坦な下面とステージ４の凹所４ｂとをもって真空引き用スペース２２を構成している。

本実施例の場合の熱の逃げ抑制の効果は実施例１と同様である。

次に、ステージへの熱の逃げ抑制に関しての別の変形例を実施例３とし、この実施例３について図１１を用いて説明する。図１１において、実施例１の図５におけるのと同じ符号は同一構成要素を指しているので、詳しい説明は省略する。

真空引き用スペース２２を構成するのに、本実施例の場合には図１１に示すように、基板ホルダ５の下面部に凹所５ａを形成するとともに、ステージ４の上面部に凹所４ｂを形成し、基板ホルダ５の凹所５ａとステージ４の凹所４ｂとをもって真空引き用スペース２２を構成している。

本実施例の場合の熱の逃げ抑制の効果は、実施例１，２よりやや高いものとなる。

ここで試行例を説明する。条件はおおむね次のとおりである。

基板（種）として高圧高温（ＨＰＨＴ）Ｉｂ型ダイヤモンド（窒素を含有し黄色を帯びる）の基板を用いた。

水素ガスの供給量は５００ｓｃｃｍ、
メタンガスの供給量は５〜８０ｓｃｃｍ（水素ガス基準で０．１〜１８％）、
窒素ガスの供給量は０〜２ｓｃｃｍ（メタンガス基準で０〜３％）、
結晶成長中のプラズマチャンバ内圧力は５０〜４００Ｔｏｒｒ（好ましくは１００〜２００Ｔｏｒr）、
成膜中の基板温度は、８００〜１３００℃（好ましくは、１０００〜１２５０℃）、
マイクロ波のパワーは２〜５ｋＷ、周波数は２．４５ＧＨｚである。

なお、ｓｃｃｍ（standard cc/min）は大気圧下、一定温度（０℃あるいは２５℃など）で規格化された流速である。成膜時間については、膜厚に応じて変化し、１０分〜１００時間である。

以上、３つの実施例について説明したが、次のような形態も本発明は含み得るものとする。

例えば、ステージ４における冷却液通路２３ｂの形態については、上記の各実施例にあっては渦巻き状としているが、これのみに限定する必要はなく、任意の形態をとり得、とりわけジグザグ状、縦横格子状、クモの巣状など、広い領域にわたって万遍なく流動する領域をもつものが好ましい。

また、上記の各実施例にあっては、渦巻き状の冷却液通路２３ｂでの冷却液の流動方向が中心部から外周部に向かう旋回流としたが、それとは逆に、外周部から中心部に向かう旋回流としてもよい。その場合、符号２３ｄで示される通路が冷却液の送り通路となり、符号２３ａで示される通路が冷却液の戻り通路となる。そして、堰止め用連絡通路２６は外周部から中心部に向かう旋回流の終端部である渦巻き状の冷却液通路２３ｂの中心側端部に設けられる。

また、ガス導入部８やガス排出部９の形態については、上記の実施例にあってはガスの流線分布を周方向で均等にするための特別な工夫が施されているが、そのことは本発明にあっては必ずしも必須としなくてよきものとする。

また、上記の実施例にあってはステージ４に対する基板ホルダ５の中心合わせにセンタリング治具２８を用いているが、これも本発明にあっては必ずしも必須としなくてよきものとする。

冷却液については、通常は冷却水としてよいが、水以外の液体を用いることもある。

また、ガスの種類は任意である。もっとも、本発明はダイヤモンドの薄膜を形成するダイヤモンド薄膜形成装置に適用した場合に大きな成果をもたらすと期待され、その場合のガスはメタンガスである場合が多い。マイクロ波の周波数については任意とする。プラズマチャンバ３における高度の減圧状態の圧力値についても任意とする。

本発明は、プラズマを用いて基板に成膜するマイクロ波プラズマ処理装置において、とりわけダイヤモンドの薄膜を形成するダイヤモンド薄膜形成装置において、基板ホルダを載置するステージに対する高精度で安定した冷却作用と基板ホルダからステージへの熱の逃げの効果的で安定した抑制とを通じて、基板に対する成膜性状の高品質化を達成する技術として有用である。

１ 減圧室
２ 減圧室底板
３ プラズマチャンバ
４ ステージ
５ 基板ホルダ
６ 基板
７ プラズマ
８ ガス導入部
９ ガス排出部
１０ マイクロ波導波部
１１ 誘電体窓
１２ 中心軸管部
１２ａ 導体外管
１２ｂ 中間管
１２ｃ 真空引き通路用内管
１３ 下方付勢機構
２２ 真空引き用スペース
２３ａ 冷却液送り通路
２３ｂ 渦巻き状の冷却液通路
２３ｃ 連絡通路
２３ｄ 冷却液戻り通路
２６ 堰止め用連絡通路
２６ａ 細径通路
２６ｂ 中継通路

Claims (6)

1. マイクロ波プラズマ処理のためのプラズマチャンバと、
   前記プラズマチャンバ内に配置された、基板ホルダ載置用のステージと、
   前記ステージに前記基板ホルダが載置された状態で前記ステージと前記基板ホルダとの接触部に確保される真空引き用スペースと、
   前記真空引き用スペースに連通する状態で前記ステージに設けられた真空引き通路と、
   前記ステージの内部にこのステージの冷却のために形成された冷却液通路と、
   を備えたマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記冷却液通路の下流側端部に、前記冷却液通路からの冷却液の流出を、オーバーフローをもって行わせる堰止め用連絡通路を設けた、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記冷却液通路が渦巻き状に形成されている請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記冷却液通路がジグザグ状に形成されている請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記冷却液通路は、その上流側端部が前記ステージの中心側（または外周側）に位置し、その下流側端部が前記ステージの外周側（または中心側）に位置している請求項３に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記堰止め用連絡通路は、
   前記冷却液通路の下流側端部のさらに排出側の連絡通路につながる中継通路と、
   前記冷却液通路の下流側端部につながる細径通路と、
   を備え、
   前記細径通路は、上下方向での位置が前記冷却液通路および前記中継通路の最上位位置を含む高位位置に設定されている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

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