JP2024060106A - ダイヤモンド合成用プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【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】石英窓又はアンテナ棒を介してマイクロ波を供給し、プラズマを発生する反応容器に配置する基板載置台を、該基板載置台の主面と電界方向が直交するように配置し、前記主面に複数の溝、穴、又は突起を設けることを特徴とする。前記溝等による電界集中により高密度プラズマの生成が可能であり、周波数を３００ＭＨｚ～３ＧＨｚから選ぶことにより、高速で大面積のダイヤモンド合成が可能であり、且つ装置の製造コストを低減できる。【選択図】図４

Description

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。

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。

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。

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。

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。

特許５０７１９２７ 特許５１４２０７４ 特許４６４９１５３ 特許７３０４２８０

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 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（２００９）、第１号、３－１０

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。

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、前記反応容器へ誘電体窓又はアンテナ棒を介してマイクロ波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供給された前記マイクロ波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、
前記基板載置台は前記基板と接する主面を有し、前記主面は前記マイクロ波電力供給装置から供給される前記マイクロ波の電界方向と直交する面に平行に配置され、前記主面に複数の溝又は複数の穴又は複数の突起が形成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。
第２の発明は、第１の発明において、前記基板載置台の前記主面の前記複数の溝は、断面形状が矩形であり、前記基板載置台の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明において、前記基板載置台の前記主面の前記複数の穴は、断面形状が矩形であり、隣り合う前記複数の穴の中心同士が略等間隔に配置されることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明において、前記基板載置台の前記主面の前記複数の突起は、断面形状が三角形又は正弦波形であり、前記基板載置台の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４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。

本発明のダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置は、装置構成部材である基板載置台が前記基板と接する主面を有し、前記主面は前記マイクロ波電力供給装置から供給される前記マイクロ波の電界方向と直交する面に平行に配置され、前記主面に複数の溝又は複数の穴又は複数の突起が形成されることにより、前記複数の溝又は前記複数の穴又は前記複数の突起が有する電界集中効果によって基板表面近傍に高密度プラズマを生成することが可能である。高密度プラズマの生成によりダイヤモンドの成長速度を高速化することが可能という効果を奏する。
プラズマの一様性は反応容器に発生する定在波の電界分布に依存するので、大面積基板への対応ではマイクロ波の周波数を低く選定し，例えば、３００ＭＨｚを選び、小面積基板への対応ではマイクロ波の周波数を高く選定する、例えば、９１５ＭＨｚを選ぶことが出来る。
これにより、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。反応容器の構造が単純形であることから、装置の製造コストを低減可能である。即ち、従来装置が抱える課題を解消できるという効果を奏する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器に発生するマイクロ波の定在波の概念図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器の断面図である。 図４は本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の基板載置台及び原料ガス導入手段の構成を示す断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるである第１の基板載置台に設けられた複数の穴を示す模式的斜視図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の基板載置台の表面に形成された複数の穴が有する電界集中効果を示す模式的断面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である複数の穴を備えた第１の基板載置台の上に載置された基板の近傍に生成される高密度プラズマの模式的概念図である。 図８は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置における原料ガス（メタンＣＨ_４と水素Ｈ_２の混合ガス）のプラズマ化によるダイヤモンド形成を示す原理的模式図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。 図１０、は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第２の基板載置台の模式的断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３の基板載置台の構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第４の基板載置台の構成を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１～図７を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器に発生するマイクロ波の定在波の概念図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器の断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の基板載置台及び原料ガス導入手段の構成を示す断面図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるである第１の基板載置台に設けられた複数の穴を示す模式的斜視図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の基板載置台の表面に形成された複数の穴が有する電界集中効果を示す模式的断面図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である複数の穴を備えた第１の基板載置台の上に載置された基板の近傍に生成される高密度プラズマの模式的概念図である。

本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、図１に示されるように、原料ガスを導入する原料ガス導入手段１３と排気口１５ａ、１５ｂを備える排気手段と基板１１が載置される第１の基板載置台１２とを備えた反応容器７と、前記反応容器７へ導波管２と誘電体窓５を介してマイクロ波電力を供給する第１のマイクロ波電力供給装置１と、を備えている。
第１のマイクロ波電力供給装置１は、図１に示されるように、マイクロ波を伝播する導波管２と、導波管２の一方の端部に設けられマイクロ波を発生させる第１のマイクロ波発生装置（例えば、マグネトロン）１ａと、導波管２に取付けられマイクロ波の反射波を調整するための負荷インピーダンス整合を行なう整合器３ｃと、第１のマイクロ波発生装置１ａと整合器３ｃとの間に取付けられ導波管内を戻る反射波を吸収するアイソレータ３ａと、アイソレータ３ａと整合器３ｃの間に設けられたパワーモニター３ｂを備える。
反応容器７は、図３に示されるように、断面形状が長辺ａと短辺ｂからなる矩形で、電磁波が空洞共振する長さＬを有する空洞共振器を構成する。即ち、反応容器７は、図１～図４に示されるように、前記矩形の長辺ａを天面７ａと底面７ｂとし、前記矩形の短辺ｂを第１側面７ｃと第２側面７ｄとし、前記空洞共振する長さＬ方向の端面の前記導波管２側の端面を第１端面７ｅとし、他方の端面を第２端面７ｆとする直方体の構造を有する。
なお、反応容器７の構造は、電磁波の空洞共振器であればよく、直方体に限定されず、円筒型又はダブルリッジ型でもよい。
第１端面７ｅは開口され、マイクロ波電力供給装置１の導波管２から反応容器７へ供給されるマイクロ波電力を透過する誘電体窓５（例えば、石英窓）が配置される。導波管２と誘電体窓５と反応容器７の第１端面７ｅの接合部は真空漏れがないように、真空シールが講じられる。
第２端面７ｆに、マイクロ波電力供給装置１から反応容器７へ供給されるマイクロ波電力の位相調整に用いられるプランジャ９が配置される。
第１のマイクロ波電力供給装置１は、３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのマイクロ波帯域から選ばれる周波数の電力を発生し、送電することが可能である。
電源周波数を３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのマイクロ波帯域から選ぶ理由は、該周波数帯域では、高周波電力による誘電加熱、磁気加熱および誘導加熱の効果が大きいことにより、プラズマを発生する手段と基板加熱手段を兼用可能であるからである。また、３００ＭＨｚ～５００ＭＨｚの電源は水晶発信器と電力増幅器を組み合わせることで安価に製作できるメリットがあり、周波数９１５ＭＨｚ及び２，４５０ＭＨｚの電源はマグネトロン電源として市販品を利用できるというメリットがある。なお、誘電加熱はε・Ｅ^２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱は、μ・H^２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱は、σ・Ｅ^２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。
ここでは、第１のマイクロ波発生装置１ａとして、例えば、９１５ＭＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン装置を用いる。

反応容器７の中央部の底面７ｂに、後述の第１の基板載置台１２が設けられる。そして、第１の基板載置台１２に対向して反応容器７の中央部の天面７ａに原料ガス導入管１３ａと原料ガス分散空洞１３ｂと原料ガス噴出孔１３ｃを備える原料ガス噴出箱１３が設けられる。
原料ガス噴出孔１３ｃは、直径０．１～１．０ｍｍの多数の孔で形成され、該原料ガス噴出孔１３ｃから噴出される原料ガスが、反応容器７の内部に一様に分散する。
反応容器７の第２側面７ｄに基板１１の搬入搬出口２６ａが配置される。基板搬入搬出通路口２６ａは、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１の搬入搬出に用いられる。なお、基板搬入搬出バルブ２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
反応容器７の天面７ａに、該反応容器内部の状態を観察可能で、且つ放射温度計による基板１１の表面温度を測定可能な観察窓１９が配置される。
反応容器７の寸法は、対象とする基板１１のサイズにより対応して選定されるが、例えば、基板サイズ１１が直径５インチの場合、長辺ａを、例えば２４８ｍｍとし、短辺ｂを、例えば１２４ｍｍ、長さＬを、例えば、４９０ｍｍとする。
なお、前記反応容器７の寸法は、上記例に限定されず、使用するマイクロ波の波長を考慮して、所定の値が選ばれる。
反応容器７の材料は、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＳＵＳが用いられる。また、前記反応容器７は、該反応容器７の温度が高温化しないように、図示しない冷却管が敷設される。

排気口１５ａ、１５ｂは、図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器７の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を所定の値に保持することが可能である。また、反応容器７の内部を高真空度に真空引きすることが可能である。排気口１５ａ、１５ｂの設置位置は、反応容器７の底面７ｂに限定されず、例えば、天面７ａに配置してもよい。

第１の基板載置台１２は、反応容器７の中央部の底面７ｂに配置される。第１の基板載置台１２は、図４及び図５に示されるように、基板１１と接する主面１２ａを有し、前記主面１２ａは、前記第１のマイクロ波電力供給装置から供給されるマイクロ波の電界方向と直交する面に平行に配置され、前記主面１２ａに複数の穴１２ｂ（底のある穴）が形成される。即ち、前記主面は底面７ｂと平行方向に配置される。なお、第１の基板載置台１２の主面１２ａの法線方向とマイクロ波の電界方向を合致させることにより、前記複数の穴１２ｂのエッジ効果により電気力線を集中化することが可能となる。
複数の穴１２ｂは、後述するように、電界集中効果を有するエッジを備え、直径は０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば３ｍｍで、深さは１．０ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍである。複数の穴１２ｂの隣り合う間隔は、該穴の縁同士で１ｍｍ～１０ｍｍ，例えば３ｍｍである。
第１の基板支持台１２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
なお、マイクロ波による金属及び誘電体の加熱は、例えば、非特許文献３に記載されているように、誘電加熱はε・Ｅ^２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱はμ・H^２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱はσ・Ｅ^２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。即ち、誘電率、透磁率及び導電率の高い物質は加熱効果が大きく、効果的に加熱される。この中で、融点が最も高いモリブデン（Ｍｏ）が好ましい。
第１の基板載置台１２の主面１２ａの形状は、基板形状と相似形とする。基板１１が円形の場合は、第１の基板載置台１２の主面１２ａの形状は円形である。基板１１が矩形の場合は、第１の基板載置台１２の主面１２ａの形状は矩形である。ここでは、円形とする。そのサイズは、基板１１のサイズより一回りおおきいサイズで、例えば、直径５インチの基板の場合、例えば、直径１３７ｍｍである。なお、第１の基板載置台１２は、基板保持の安定性を確保するために、基板載置台１２の中心軸線２１と同心である直径が前記基板のサイズより略０．５ｍｍ大きいサイズの枠１２ｃを備えてもよいし、基板位置決めのピンを備えてもよい。
第１の基板載置台１２は、該第１の基板載置台１２の内部に図示しない冷却手段１２ｄを備えている。冷却手段１２ｄは、反応容器７の外部より供給される図示しない冷却媒体により冷却される。
ここでは、基板１１を、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンド基板を載置してもよい。
基板１１は、反応容器７の第２側面７ｄに配置された搬入搬出口２６ａから、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７を介して、搬入搬出される。なお、基板搬入搬出バルブ２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、第１の基板載置台１２からの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。なお、基板１１の温度は、観測窓１９を介して放射温度計１９を用いて測定される。

第１の基板載置台１２の主面１２ａと原料ガス導入手段１３の基板載置台１２に対向する面との間隔ｄは、後述のプラズマ２２を生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（第１のマイクロ波電力供給装置１の出力）は、反応容器７内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、圧力ｐと前記間隔ｄは両者を調整し定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～２０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。

第１のマイクロ波電力供給装置１から誘電体窓５を介してマイクロ波電力を反応容器７に供給し、プランジャ９と整合器３ｃを調整する。そうすると、図２に示される定在波２５が発生する。即ち、図３に示されるように、第１の基板載置台１２と原料ガス噴出箱１３とで挟まれる領域に電界２５ａが発生する。前記電界２５ａがパッシェンの法則で決まるプラズマ生成条件を満たしていれば、図４に示されるプラズマ生成領域２３に、プラズマ２２が発生する。
電界２５ａが発生すると、図６に電気力線１２ｂａで示されるように、第１の基板載置台１２の主面１２ａに設けられた複数の穴１２ｂのエッジ効果により電界集中１２ｂｂが発生する。電界集中１２ｂｂが発生すると、図６に示されるように、該電界集中１２ｂｂの近傍の電界集中領域１２ｂｆに高密度プラズマ２２ａが発生する。
第１の基板載置台１２の上に基板１１が載置される際、該基板１１の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ｂａの形態は、図６に示された電気力線１２ｂａと同様であり、図７に示されるように、電界集中領域１２ｂｆに高密度プラズマ２２ａが発生する。
即ち、電界２５ａは、図４に示されるプラズマ生成領域２３に、高密度プラズマ２２ａを伴うプラズマ２２を発生する。

第１の基板載置台１２と原料ガス噴出箱１３とで挟まれる領域に発生する定在波２５は、図２に示されるように、反応容器７の長さＬの方向において余弦波状の形態を有することから、一様なプラズマが生成される領域は、第１の基板載置台１２の中心軸２１を中心にした直径略０．２５λの範囲である。したがって、例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ１２２ｍｍ＝２２．８ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ１２２ｍｍ＝６１．１ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ９９６ｍｍ＝１８６．７ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、一様なプラズマの生成による均一なダイヤモンド合成が可能になる。

次に、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の操作手順について、図１～図８を参照して説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置における原料ガス（メタンＣＨ_４と水素Ｈ_２の混合ガス）のプラズマ化によるダイヤモンド形成を示す原理的模式図である。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、第１の基板載置台１２に載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。即ち、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして水素ガスのみを導入し、反応容器７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、第１のマイクロ波電力供給装置１から反応容器７へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、導波管２の付属のアイソレータ３ａ、パワーモニター３ｂ（進行波、反射波）、整合器３ｃ及びプランジャ９によりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１９から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦第１のマイクロ波電力供給装置１の出力をゼロに落とす。なお、基板１１及び第１の基板載置台１２はマイクロ波の磁気加熱効果（μ・H^２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）、誘導加熱効果（σ・Ｅ^２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）及び誘導加熱効果（σ・Ｅ^２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとしてメタンガスと水素を選ぶ。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／１とする。その後、図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量に制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給孔１３ｃから噴出させる。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、ドーム型反応容器７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。

次に、第１のマイクロ波発生装置１ａの出力を、例えば、５００Ｗ～２ＫＷ、ここでは、例えば、１ｋＷに設定する。この際、導波管２の付属のアイソレータ３ａ、パワーモニター３ｂ（進行波、反射波）、整合器３ｃ及びプランジャ９によりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１９から図示しない放射温度計を用いて基板１１表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、図４及び図７に示されるように、第１の基板載置台１２と原料ガス導入手段１３に挟まれた領域２３（プラズマ生成領域２３）に高密度プラズマ２２ａを伴うプラズマ２２が生成される。プラズマ２２は、図７に示される高密度プラズマ２２ａを伴っているので、原料ガスを基板１１の表面近傍で効果的に分解できる。高密度プラズマ２２ａによって、原料ガスのメタン（ＣＨ_４）及び水素（Ｈ_２）がプラズマ化すると、ＣＨ_４、Ｈ_２が解離し、ダイヤモンド形成の前駆体である高濃度のＣＨ_３ラジカル及び原子状Ｈ等を発生する。該ＣＨ_３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板１１の表面に到達する。
即ち、図８に示されるように、プラズマ生成領域２３で発生した高濃度のＣＨ_３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ_３ラジカル等の一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する。

次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマ２２の生成持続時間に比例するので、第１のマイクロ波電力供給装置１の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、その出力をゼロにする。ダイヤモンド合成時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、３０分～６０分、例えば６０分とする。
なお、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器７の寸法、第１の基板載置台１２と原料ガス導入手段１３の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンドの合成が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器７の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路２６及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。

以上の説明で示されたように、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、反応容器７に配置された第１の基板載置台１２の基板１１と接する主面１２ａに複数の穴１２ｂが形成され、前記複数の穴１２ｂのエッジが有する電界集中効果により、前記主面１２ａの近傍に高密度プラズマ２２ａを生成可能である。プラズマ生成領域２３での一様なプラズマの範囲は、反応容器７内部に発生する定在波２５の電界分布に依存することから、第１のマイクロ波電力供給装置１の発生する電力の周波数を選ぶことにより、大面積化が可能である。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝２２．８ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝６１．１ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝１８６．７ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となる。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成について、図９及び図１０を参照して、説明する。図４も参照する。
図９は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図１０は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第２の基板載置台の模式的断面図である。
本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、図９に示されるように、原料ガスを導入する原料ガス導入手段１３と排気口１５ａ、１５ｂを備える排気手段と基板１１が載置される第２の基板載置台１６とを備えた反応容器７と、前記反応容器７へアンテナ棒５１を介してマイクロ波電力を供給する第２のマイクロ波電力供給装置５０と、を備えている。
第２のマイクロ波電力供給装置５０は、図９に示されるように、マイクロ波を伝播する同軸管５０ｂと、同軸管５０ｂの一方の端部に設けられマイクロ波を発生させる第２のマイクロ波発生装置（例えば、マグネトロン）５０ａと、同軸管５０ｂに取付けられマイクロ波の反射波を調整するための負荷インピーダンス整合を行なう整合器５０ｅと、第２のマイクロ波発生装置５０ａと整合器５０ｅとの間に取付けられ同軸管５０ｂを戻る反射波を吸収するアイソレータ５０ｃと、アイソレータ５０ｃと整合器５０ｅの間に設けられたパワーモニター５０ｄを備える。
反応容器７は、図９に示されるように、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、天面７ａと、底面７ｂと、第１側面７ｃと、第２側面７ｄと、第１端面７ｅと、第２端面７ｆからなる直方体の構造を有する。 なお、反応容器７の構造は、直方体に限定されず、円筒形又はダブルリッジ型でもよい。
ここでは、図９に示されるように、第１端面７ｅは壁である。第１端面７ｅの近傍にアンテナ棒５１が配置される。アンテナ棒５１は同軸管継手５１ａ及び同軸管５０ｂを介して、整合器５０ｅに接続される。アンテナ棒５１は第２のマイクロ波電力供給装置５０から供給されたマイクロ波を放射する。なお、同軸管５０ｂと同軸管継手５１ａの間は真空漏れが無いように真空装置用の部材が用いられる。
第２端面７ｆに、第２のマイクロ波電力供給装置５０から反応容器７へ供給されるマイクロ波電力の位相調整に用いられるプランジャ９が配置される。
第２のマイクロ波電力供給装置５０ａは、３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのマイクロ波帯域から選ばれる周波数の電力を発生可能である。
電源周波数を３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのマイクロ波帯域から選ぶ理由は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様である。
ここでは、第２のマイクロ波発生装置５０ａとして、例えば、９１５ＭＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン装置を用いる。

図９及び図１０において、符号１６は、第２の基板載置台である。第２の基板載置台１６は、反応容器７の中央部の底面７ｂに配置される。第２の基板載置台１６は、図１０に示されるように、基板１１と接する主面１６ａに形成された断面形状が矩形の溝１６ｂを備える。該溝１６ｂは、第２の基板載置台１６の中心線２１ａを同心とする複数の円形の溝である。
第２の基板載置台１６の主面１６ａは、マイクロ波の電界方向と直交する面に平行に配置される。即ち、反応容器７の底面７ｂに平行に配置される。
複数の溝１６ｂの溝幅は、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、２ｍｍ、前記溝１６ｂの深さは、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。隣り合う溝１６ｂの縁の間隔はで１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、３ｍｍとする。
第２の基板支持台１６の材料は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様である。
第２の基板載置台１６の主面１６ａの形状は、基板形状と相似形とする。基板１１が円形の場合は、第２の基板載置台１６の主面１６ａの形状は円形である。基板１１が矩形の場合は、第２の基板載置台１６の主面１６ａの形状は矩形である。ここでは、円形とする。そのサイズは、基板１１のサイズより一回りおおきいサイズで、例えば、直径５インチの基板の場合、例えば、直径１３７ｍｍである。なお、第２の基板載置台１６の主面１６ａは、基板保持の安定性を確保するために、第２の基板載置台１６の中心軸線２１ａと同心である直径が前記基板のサイズより略０．５ｍｍ大きいサイズの枠１６ｃを備えてもよいし、基板位置決めの図示しないピンを備えてもよい。
第２の基板載置台１６は、該第２の基板載置台１６の内部に図示しない冷却手段１６ｄを備えている。冷却手段１６ｄは、反応容器７の外部より供給される図示しない冷却媒体により冷却される。
ここでは、基板１１を、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンド基板を載置してもよい。
基板１１は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、図４に示されるように、反応容器７の第２側面７ｄに配置された搬入搬出口２６ａから、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７を介して、搬入搬出される。なお、基板搬入搬出バルブ２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、 第２の基板載置台１６からの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。なお、基板１１の温度は、観察窓１９を介して図示しない放射温度計を用いて測定される。
第２の基板載置台１６の主面１６ａと原料ガス導入手段１３の第２の基板載置台１６に対向する面の間隔ｄは、後述のプラズマを生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（マイクロ波電力供給装置２の出力）は、反応容器７内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、圧力ｐと前記間隔ｄは両者を調整し定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～２０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。

第２のマイクロ波発生装置５０ａからマイクロ波が同軸管５０ｂを介してアンテナ棒５１へ供給されると、該アンテナ棒５１から該マイクロ波が放射される。アンテナ棒５１から放射されたマイクロ波は、反応容器７内部を伝播し、該反応容器７内部で共振し、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合と同様に、定在波２５を発生する。該定在波２５は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、図９に示されるように、第２の基板載置台１６の主面１６ａと原料ガス噴出箱１３とで挟まれる領域に電界２５ａを発生する。
電界２５ａが発生すると、図１０に示されるように、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合と同様に、エッジ効果により電界集中が起こり、高密度プラズマ２２ｂが発生する。
第２の基板載置台１６の上に基板１１が載置される際、該基板１１の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線の形態に変化はないので、該基板１１が無い場合と同様に、図１０に示される高密度プラズマ２２ｂが発生する。

第２の基板載置台１６と原料ガス噴出箱１３とで挟まれる領域に発生する定在波２５は、反応容器７の長さＬの方向において余弦波状の形態を有することから、一様なプラズマが生成される領域は、第２の基板載置台１６の中心軸２１ａを中心にした直径略０．２５λの範囲である。したがって、例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ１２２ｍｍ＝２２．８ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ１２２ｍｍ＝６１．１ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５ｘ９９６ｍｍ＝１８６．７ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、一様なプラズマの生成による均一なダイヤモンド合成が可能になる。

次に、本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の操作手順について、図９及び図１０を参照して説明する。図８も参照する。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、第２の基板載置台１６に載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。即ち、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして水素ガスのみを導入し、反応容器７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、第２のマイクロ波電力供給装置５０からアンテナ棒５１を介して反応容器７へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、同軸管５０ｂに付属のアイソレータ５０ｃ、パワーモニター５０ｄ（進行波、反射波）、整合器５０５０ｅ及びプランジャ９によりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１９から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦第２のマイクロ波電力供給装置５０の出力をゼロに落とす。なお、基板１１及び第２の基板載置台１６はマイクロ波の磁気加熱効果（μ・H^２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）、誘導加熱効果（σ・Ｅ^２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）及び誘導加熱効果（σ・Ｅ^２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとしてメタンガスと水素を選ぶ。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／１とする。その後、図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量に制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給孔１３ｃから噴出させる。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、ドーム型反応容器７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。

次に、第２のマイクロ波発生装置５０ａの出力を、例えば、５００Ｗ～２ＫＷ、ここでは、例えば、１ｋＷに設定する。この際、同軸管５０ｂの付属の図示しないアイソレータ５０ｃ、パワーモニター５０ｄ（進行波、反射波）、整合器５０ｅ及びプランジャ９によりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１９から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、図９に示されるように、第２の基板載置台１６と原料ガス導入手段１３に挟まれる領域２３（プラズマ生成領域２３）に原料ガスのプラズマ２２が生成される。プラズマ２２は、図１０に示される高密度プラズマ２２ｂを伴っているので、原料ガスを効果的に分解できる。高密度プラズマ２２ｂによって、原料ガスのメタン（ＣＨ_４）及び水素（Ｈ_２）がプラズマ化すると、ＣＨ_４、Ｈ_２が解離し、ダイヤモンド形成の前駆体である高濃度のＣＨ_３ラジカル及び原子状Ｈ等を発生する。該ＣＨ_３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板１１の表面に到達する。
即ち、図８に示されるように、プラズマ生成領域２３で発生した高濃度のＣＨ_３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ_３ラジカル等の一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する。

次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマ２２の生成持続時間に比例するので、第２のマイクロ波電力供給装置５０の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、その出力をゼロにする。ダイヤモンド合成時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、３０分～６０分、例えば６０分とする。
なお、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器７の寸法、第２の基板載置台１６と原料ガス導入手段１３の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンドの合成が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器７の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路２６及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。

以上の説明で示されたように、本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、反応容器７に配置された第２の基板載置台１６の基板１１と接する主面１６ａに複数の溝１６ｂが形成され、前記複数の溝１６ｂのエッジが有する電界集中効果により、前記主面１６ａ近傍に高密度プラズマ２２ｂを生成することが可能である。プラズマ生成領域２３での一様なプラズマの範囲は、反応容器７内部に発生する定在波の電界分布に依存することから、第２のマイクロ波電力供給装置５０の発生する電力の周波数を選ぶことにより、大面積化が可能である。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝２２．８ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマの範囲は、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝６１．１ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．２５λ＝１８６．７ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となる。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置について、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３の基板載置台の構成を示す断面図である。
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の基板載置台１２、１６に代えて、以下に示す第３の基板載置台１７を用いることを特徴とする。
図１１において、符号１７は第３の基板載置台である。符号１７ａは第３の基板載置台１７の主面である。第３の基板載置台１７の主面１７ａは、断面形状が三角形である突起１７ｂを備える。三角形の突起１７ｂは、第３の基板載置台１７の中心軸線２１ｂと同心の円形の山と谷で形成される。符号１７ｃは基板保持の安定性を確保するための枠である。
三角形状の突起１７ｂの寸法は、第３の基板載置台１７の中心軸線２１ｂと同心の円形の山と谷の間隔を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山と前記谷の高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
突起１７ｂは、第３の基板載置台１７の主面１７ａの法線方向に電界が発生した場合、電界集中が発生し、高密度プラズマ２２ｃを発生する。高密度プラズマ２２ｃを発生すると、原料ガスのプラズマ分解が効果的に起こり、ダイヤモンド合成の高速成膜が可能となる。
第３の基板載置台１７の主面１７ａの法線方向に発生する電界分布は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合と同様に、反応容器７に形成されるマイクロ波の定在波に依存する。
したがって、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となる。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置について、図１２を参照して説明する。図１２は、本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第４の基板載置台の構成を示す断面図である。
本発明の第４の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の基板載置台１２、１６に代えて、以下に示す第４の基板載置台１８を用いることを特徴とする。
図１２において、符号１８は第４の基板載置台である。符号１８ａは、第４の基板載置台１８の主面である。第４の基板載置台１８の主面１８ａは、断面形状が正弦波状である突起１８ｂを備える。正弦波状の突起１８ｂは、第４の基板載置台１８の中心軸線２１ｃと同心の円形状の山と谷で形成される。符号１８ｃは基板保持の安定性を確保するための枠である。
正弦波状の突起１８ｂの寸法は、第４の基板載置台１８の中心軸線２１ｃと同心の円形状の山と谷の間隔を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山と前記谷の高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
突起１８ｂは、第４の基板載置台１８の主面１８ａの法線方向に電界が発生した場合、電界集中が発生し、高密度プラズマ２２ｄを発生する。高密度プラズマ２２ｄを発生すると、原料ガスのプラズマ分解が効果的に起こり、ダイヤモンド合成の高速成膜が可能となる。
第４の基板載置台１７の主面１８ａの法線方向に発生する電界分布は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合と同様に、反応容器７に形成されるマイクロ波の定在波に依存する。
したがって、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となる。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。

１・・・第１のマイクロ波電力供給装置、
２・・・導波管、
５・・・誘電体窓（石英窓）、
７・・・反応容器、
９・・・プランジャ、
１１・・・基板、
１２・・・第１の基板載置台、
１２ａ・・・第１の基板載置台の主面、
１２ｂ・・・穴、
１２ｂｆ・・・電界集中領域、
１３・・・原料ガス噴出箱、
１３ｃ・・・原料ガス噴出孔、
１５ａ、１５ｂ・・・排気口、
１６・・・第２の基板載置台、
１６ａ・・・第２の基板載置台の主面、
１６ｂ・・・溝、
１７・・・第３の基板載置台、
１７ａ・・・第３の基板載置台の主面、
１７ｂ・・・三角形状の突起、
１８・・・第４の基板載置台、
１８ａ・・・第４の基板載置台の主面、
１８ｂ・・・正弦波形状の突起、
１９・・・観察窓、
２２・・・プラズマ、
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ・・・高密度プラズマ、
２５・・・定在波、
２５ａ・・・電界、
５０・・・第２のマイクロ波電力供給装置、
５１・・・アンテナ棒。

Claims (5)

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、前記反応容器へ誘電体窓又はアンテナ棒を介してマイクロ波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供給された前記マイクロ波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、
   前記基板載置台は前記基板と接する主面を有し、前記主面は前記マイクロ波電力供給装置から供給される前記マイクロ波の電界方向と直交する面に平行に配置され、前記主面に複数の溝又は複数の穴又は複数の突起が形成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。
2. 前記基板載置台の前記主面の前記複数の溝は、断面形状が矩形であり、前記基板載置台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に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
3. 前記基板載置台の前記主面の前記複数の穴は、断面形状が矩形であり、隣り合う前記複数の穴の中心同士が略等間隔に配置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。
4. 前記基板載置台の前記主面の前記複数の突起は、断面形状が三角形又は正弦波形であり、前記基板載置台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に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
5. 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４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。

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