JP4255061B2 - マイクロ波プラズマ発生方法およびマイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一真空容器内に複数のランチャを使用してマイクロ波プラズマを発生する方法およびマイクロ波プラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロ波によるプラズマ発生法では、マイクロ波源の大きさとプラズマ発生領域とは密接に関連しており、低いパワーのマイクロ波源を用いてプラズマ領域をある程度以上に大きくすることが極めて困難であった。一方ＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を形成する場合に、広い面積のダイヤモンド薄膜を形成したいという要請がある。下記の特許文献１記載の発明は、ブラズマ発生領域を拡大するために同一真空容器内に複数のランチャを並列的に配置してプラズマ領域を拡大することを提案している。またこの装置を用いてダイヤモンド薄膜を形成する方法を提案している。
【特許文献１】
特開２００１−１２２６９０号
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の装置は、プラズマ発生領域を拡大できるという点において優れている。単一のプラズマボールの発生とは異なり、場合によっては、密度分布の不均一性または、不連続性が予想される。そのため、前記装置の発明者は、基体支持台を一定の速度で回転させて、均一なダイヤモンド薄膜を得ることをさらに提案している。本件発明者は複数のランチャを用いて、単一のプラズマボールに起因するプラズマボールを発生することにより、前述した問題を解決しようとするものである。
【０００４】
本発明の目的は同一真空容器内に複数のランチャを配置して単一のプラズマボールに起因するプラズマボールを発生させることにより、高い密度で、より広いプラズマ発生領域を得ることができるマイクロ波プラズマ発生方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は前記方法の実施に使用するマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生方法は、
円筒真空容器内にその中心軸に沿って上下のランチャを対向して配置し、プラズマ生成用のガスを前記ランチャ間に導入し、前記各ランチャにマイクロ波電力を供給し、下側のランチャの中心軸上にプラズマボールを形成し、前記プラズマボールの形状を拡大させるマイクロ波プラズマ発生方法であり、
前記上側のランチャは、同軸外導体、中心にプラズマ生成用のガス通路をもつ同軸中心導体、円板状の電極板、誘電体窓、窓支持電極をもち、前記同軸外導体は前記誘電体窓の窓支持電極部分に接続され、前記同軸中心導体は前記電極板に下端をプラズマボール生成空間に向けて接続され、前記電極板と窓支持電極部分間には前記誘電体窓が保持されており、
前記下側のランチャは、前記同軸外導体、同軸中心導体、プラズマボール生成空間に対面する円板状の電極板、誘電体窓、窓支持電極部分をもち、前記同軸外導体は前記誘電体窓の窓支持電極部分に接続され、前記同軸中心導体は前記電極板に接続され、前記電極板と窓支持電極部分間には前記誘電体窓が保持されており、
各ランチャごとにマイクロ波電力を独立して制御可能なマイクロ波電力供給手段を備えたプラズマ発生装置を用いるプラズマ発生方法であって、
プラズマ生成用のガスを供給するステップと、
上側のランチャからマイクロ波電力を供給し、下側のランチャ上にプラズマボールを発生させるステップと、
上下のランチャからのマイクロ波電力をそれぞれ調整して供給し、前記上下のマイクロ波電力の相乗作用により、前記プラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与するステップと、を含んで構成されている。
前記構成によれば、特許文献１に記載されたものと異なり、ランチャの中心軸と真空容器の中心軸を一致させ、共振空洞を形成でき、上下のランチャからのマイクロ波電力をそれぞれ調整して供給し、前記上下のマイクロ波電力の相乗作用により、前記プラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与する方法が提供できる。
【０００６】
前記目的を達成するために本発明による請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、
円筒状の真空容器と、前記真空容器内にその中心軸に沿って対向して配置された上下のランチャと、プラズマ生成用のガス導入手段と、一対のマイクロ波源と、前記マイクロ波源の出力を同軸導波管を介して前記ランチャに接続する接続手段とを含むマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記ランチャは前記真空容器内に上下一対に配置され、各ランチャは前記同軸導波管の同軸外導体に接続される窓支持電極、同軸中心導体に接続される電極板、および前記窓支持電極と電極板間に配置された誘電体窓からなり、各ランチャがそれぞれ独立して前記真空容器内にマイクロ波電力を送出可能なランチャを形成し、
前記ガス導入手段はプラズマ生成用のガスを前記上側のランチャの中心から上下のランチャ間に導入するようにし、
前記接続手段は、調整されたマイクロ波電力を上側のランチャから供給し、下側のランチャ上にプラズマボールを発生させ、上下のランチャからそれぞれ調整されたマイクロ波電力を接続し、前記上下のマイクロ波電力の相乗作用により、前記プラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与することを特徴とする。
【０００７】
本発明による請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記ガス導入手段は、前記上側のランチャに接続されている同軸中心導体の中心孔を介して前記真空容器内にガスを導入する構成である。
本発明による請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波源は、各ランチャに対応して一対用意されており、
前記接続手段は、前記ランチャごとに調整されたマイクロ波電力を供給し、当初下側のランチャにプラズマボールを形成し、成長させた後に、下方からマイクロ波電力を供給するように構成されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明によるマイクロ波プラズマ発生方法を実施するマイクロ波プラズマ発生装置の実施例を示す略図である。
内径１５２ｍｍ、高さ１８０ｍｍの真空容器１の上側に上側ランチャ、下側に下側ランチャを、相互に対向し、同軸に配置する。
円板状の上側の電極板３ｕは誘電体窓２ｕを介して、容器１の天井壁の破線と矢印で示す窓支持電極４ｕに固定され、上側ランチャを形成している。窓支持電極４ｕには同軸外導体１３ｕが、電極板３ｕには同軸中心導体１２ｕが接続されている。以下本願において、ランチャ組立を形成する上下対の構造について同一の数字を付すときには、上側の構造にはｕ、下側の構造にはｄの添え字を付すことにする。
円板状の下側の電極板３ｄは誘電体窓２ｄを介して、皿状の窓支持電極４ｄに支持され、下側ランチャを形成している。
【０００９】
上側の電極板３ｕは同軸中心導体１２ｕに接続されており、電極板３ｕの中心の開口は、同軸中心導体１２ｕの中心孔に連続しており、原料ガス７が、容器１内に導かれる。また同軸中心導体１２ｕは図示しない冷却水パイプにより冷却されている。
同軸外導体１３ｕと同軸中心導体１２ｕよりなる上側導体は導波管２５ｕに接続されたマイクロ波電力を容器１内に導き、上側ランチャを介して容器１内に放出（＝ＬＡＵＮＣＨ）する。
【００１０】
この実施例においては、各ランチャに対応してマイクロ波源と接続手段が設けられている。マグネトロン（マイクロ波源）２０ｕの出力は接続手段を介して上側のランチャに接続される。上側の接続手段に関連して、アイソレータ２１ｕ、反射パワーモニタ２２ｕ、チューナ２３ｕ、入射パワーモニタ２４ｕ、導波管２５ｕが設けられている。３６ｕはショートプランジャである。下側のマイクロ波源と接続手段も同様な構成であるから説明を省略する。真空容器１には内部の観察用または後述する測定の際に利用される窓フランジ９，窓板１０が設けられており、反対側の壁面には排気用フランジ１１が設けられている。この排気用フランジ１１は、真空ポンプ８に接続され、適宜排気がなされる。
【００１１】
本発明方法は、前述した装置により行われる。すなわち、真空容器１内に、電極板３ｕと電極板３ｄが同軸で対向するように、一対のランチャを配置し、プラズマ生成用のガス７を前記対向するランチャ間に導入する。そして、前記各ランチャにマイクロ波電力を供給してプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ発生方法である。まず上側のランチャからマイクロ波電力を供給しプラズマボールを発生させる。そして、上下のランチャからのマイクロ波電力を次第に増加して、前記プラズマボールの形状の拡大と密度の増加を図るものである。
【００１２】
図２は、上側の接続手段からのマイクロ波電力で種とも言えるプラズマボールを形成した後、順次何れかのランチャからのマイクロ波電力を増加させる場合のプラズマボール１５の成長の過程を写真撮影したものをスケッチしたものである。
上側の接続手段から、マイクロ波ランチャに供給され、容器１内に放射されるマイクロ波エネルギーをＰｕ，同様に下の接続手段から、下側のマイクロ波ランチャに供給され、容器１内に放射されるマイクロ波エネルギーをＰｄとする。
そのときのそれぞれの入射電力をＰｉ反射電力をＰｒとする。
曲線１５Ａは
Ｐｕ（Ｐｉ＝１．０ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
Ｐｄ（Ｐｉ＝０．０ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
曲線１５Ｂは
Ｐｕ（Ｐｉ＝１．３ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
Ｐｄ（Ｐｉ＝０．０ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
曲線１５Ｃは
Ｐｕ（Ｐｉ＝１．３ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
Ｐｄ（Ｐｉ＝５．００Ｗ Ｐｒ＝４０Ｗ）
曲線１５Ｄは
Ｐｕ（Ｐｉ＝１．３ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
Ｐｄ（Ｐｉ＝１．０ｋＷ Ｐｒ＝０Ｗ）
の場合の外形をそれぞれ示している。
図から、プラズマボールの形状が下からのマイクロ波出力の供給により着実に順次大きくなっていることが理解できる。
【００１３】
次に、図３を参照して、プラズマの密度の測定方法を説明する。図１に示す窓板を外してラングミュアプローブ１６を挿入して矢印１８の示す方向に、先端の高さを下側の電極３ｄからｈ＝２５ｍｍを保って移動させて電荷密度を測定したものである。
図４は前記測定方法により測定した結果を示すグラフである。
曲線 (I)はＰｕ＝１．０ｋＷ Ｐｄ＝２０Ｗ
曲線(II)はＰｕ＝１．３ｋＷ Ｐｄ＝２０Ｗ
曲線 (III)はＰｕ＝１．３ｋＷ Ｐｄ＝４００Ｗ
曲線 (IV) はＰｕ＝１．３ｋＷ Ｐｄ＝１．０ｋＷ
図４から明らかなように、プラズマ密度も下側からのマイクロ波の入射により加速的に上昇させられている。
【００１４】
前記方法でプラズマガスを発生する装置を用いてＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を製造する方法を提供することができる。
基板としてシリコンウエハを準備して、下側の電極板３ｄの上に配置する。容器１から排気して、水素ガスを導入してプラズマを発生させ、メタンガスを導入してダイヤモンド薄膜を基板上に成長させる。
【００１５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、２台の同軸形ランチャを上下にかつ中心線が一致するように配置し、当初上側からのマイクロ波によりプラズマを形成し、上下のランチャの出力を次第に上昇させることにより、電子密度の高い大きい面積のプラズマを発生することができる。
【００１６】
図４のデータを検討するとプラズマの密度および大きさは、上下のマイクロ波電力の単なる和ではなく相乗的な効果によるものと考えられる。
例えば、一つの高出力マイクロ波源であるマイクロ波発振器（例えば３ｋＷ）から、３ｋＷのマイクロ波電力を供給して発生させたプラズマよりも、本発明による方法で低出力（１台１．５ｋＷ）の２台のマイクロ波を上下同軸ランチャから調節しながら３ｋＷより少ないマイクロ波電力を供給して形成したプラズマのほうが大きく密度も大きくなる。
【００１７】
本発明による装置では上下のマイクロ波電力が相乗的な作用をしていると考えられる。このような効果が得られるのは、当初上側ランチャのマイクロ波出力により下側電極側に構成されたプラズマにより、真空容器内の電磁界分布が変わり、その状態で供給される追加のマイクロ波電力が、効果的にプラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与したものと推測される。
【００１８】
本発明による方法および装置によれば、前述のように、従来装置に比較して、少ない電力で、大きいプラズマを発生できるから、このプラズマを利用して大面積のダイヤモンドの薄膜を高速で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ発生方法を実施するマイクロ波プラズマ発生装置の実施例を示す略図である。
【図２】前記方法により発生させられたプラズマボールの外形の成長状態を対比して示した比較図である。
【図３】プラズマの密度の測定方法を説明するための略図である。
【図４】前記測定方法により測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 誘電体窓
３ 電極板
４ 窓支持電極
７ 原料ガス
８ 真空ポンプ
９ 窓フランジ
１０ 窓板
１１ 排気用フランジ
１２ 同軸中心導体
１３ 同軸外導体
１５ プラズマボール
１６ プローブ
２０ マグネトロン（マイクロ波源）
２１ アイソレータ
２２ 反射パワーモニタ
２３ チューナ
２４ 入射パワーモニタ
２５ 導波管
３６ ショートプランジャ

Claims (4)

1. 円筒真空容器内にその中心軸に沿って上下のランチャを対向して配置し、プラズマ生成用のガスを前記ランチャ間に導入し、前記各ランチャにマイクロ波電力を供給し、下側のランチャの中心軸上にプラズマボールを形成し、前記プラズマボールの形状を拡大させるマイクロ波プラズマ発生方法であり、
   前記上側のランチャは、同軸外導体、中心にプラズマ生成用のガス通路をもつ同軸中心導体、円板状の電極板、誘電体窓、窓支持電極をもち、前記同軸外導体は前記誘電体窓の窓支持電極部分に接続され、前記同軸中心導体は前記電極板に下端をプラズマボール生成空間に向けて接続され、前記電極板と窓支持電極部分間には前記誘電体窓が保持されており、
   前記下側のランチャは、前記同軸外導体、同軸中心導体、プラズマボール生成空間に対面する円板状の電極板、誘電体窓、窓支持電極部分をもち、前記同軸外導体は前記誘電体窓の窓支持電極部分に接続され、前記同軸中心導体は前記電極板に接続され、前記電極板と窓支持電極部分間には前記誘電体窓が保持されており、
   各ランチャごとにマイクロ波電力を独立して制御可能なマイクロ波電力供給手段を備えたプラズマ発生装置を用いるプラズマ発生方法であって、
   プラズマ生成用のガスを供給するステップと、
   上側のランチャからマイクロ波電力を供給し、下側のランチャ上にプラズマボールを発生させるステップと、
   上下のランチャからのマイクロ波電力をそれぞれ調整して供給し、前記上下のマイクロ波電力の相乗作用により、前記プラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与するステップと、
   を含むマイクロ波プラズマ発生方法。
2. 円筒状の真空容器と、前記真空容器内にその中心軸に沿って対向して配置された上下のランチャと、プラズマ生成用のガス導入手段と、一対のマイクロ波源と、前記マイクロ波源の出力を同軸導波管を介して前記ランチャに接続する接続手段とを含むマイクロ波プラズマ発生装置において、
   前記ランチャは前記真空容器内に上下一対に配置され、各ランチャは前記同軸導波管の同軸外導体に接続される窓支持電極、同軸中心導体に接続される電極板、および前記窓支持電極と電極板間に配置された誘電体窓からなり、各ランチャがそれぞれ独立して前記真空容器内にマイクロ波電力を送出可能なランチャを形成し、
   前記ガス導入手段はプラズマ生成用のガスを前記上側のランチャの中心から上下のランチャ間に導入するようにし、
   前記接続手段は、調整されたマイクロ波電力を上側のランチャから供給し、下側のランチャ上にプラズマボールを発生させ、上下のランチャからそれぞれ調整されたマイクロ波電力を接続し、前記上下のマイクロ波電力の相乗作用により、前記プラズマボールの電荷密度の上昇と形状の拡大に寄与することを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
3. 前記ガス導入手段は、前記上側のランチャに接続されている同軸中心導体の中心孔を介して前記真空容器内にガスを導入する構成である請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
4. 前記マイクロ波源は、各ランチャに対応して一対用意されており、
   前記接続手段は、前記ランチャごとに調整されたマイクロ波電力を供給し、当初下側のランチャにプラズマボールを形成し、成長させた後に、下方からマイクロ波電力を供給するように構成した請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置。

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