JP4792594B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。

マイクロ波によって発生するプラズマは、エッチング等の表面処理や化学蒸着等の表面付着法等の各種の用途に利用されている。

例えば、マイクロ波プラズマを使用したＣＶＤによるダイヤモンド成長装置が知られている。このマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波プラズマを発生させる真空室内に、メタン（ＣＨ₄）ガス等の炭化水素系ガスやアルコ−ル系ガス等の炭素源ガスの他に、水素（Ｈ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスなどを原料ガスとして供給し、マイクロ波によって発生したプラズマによって原料ガスを化学反応させて、プラズマ発光部内に配設した基板上にダイヤモンドを成長させる構成となっている（下記非特許文献１参照）。

この様な構成の従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略の構成図を図１に示す。この装置１は、マイクロ波源２、マイクロ波を伝搬させる導波管３、マイクロ波導入誘電体窓４、空洞共振器型の真空室５、内部に冷却水Ｗが通っているステージ６を備えている。ステージ６上には必要に応じて基板支持体が載置される。この様な構造の装置では、通常、マイクロ波プラズマを発生させる真空室５は、マイクロ波の定常波を生じさせるために一定の容積を有する空洞共振室である。このために、真空室内においてマイクロ波密度の強弱が生じて、マイクロ波エネルギー分布が不均一となりやすく、マイクロ波プラズマの発生位置の制御が難しい。また、共振室中にマイクロ波の障害となるものがあると、目的の位置に均一なマイクロ波プラズマを発生させることが困難である。
電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編、「マイクロ波プラズマの技術」、オーム社発行、１５１〜１５２頁

本発明の主な目的は、プラズマの発生位置の制御が容易であり、被処理物上の任意の位置に均一性が良好で高い強度を有するプラズマを発生させることができる新規なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することである。

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、マイクロ波プラズマ処理装置の真空室内に該真空室と同軸状に導体を設置し、この導体の一端面を被処理物の支持体の近傍に位置させることにより、真空室の内面と該導体の外周面との空隙部がマイクロ波の導波路となり、この導波路を通過したマイクロ波が該導体の端面と支持体との間に形成される狭い空間部分に導入され、一様且つ平坦な電界強度分布を得ることができ、均一で高密度のプラズマを形成することが可能となることを見出した。

即ち、本発明は、下記のマイクロ波プラズマ処理装置を提供するものである。
１．マイクロ波プラズマを発生させる円筒状の真空室と、
該真空室内にマイクロ波エネルギーを導入する手段と、
該真空室内に設置された被処理物用支持体と、
該真空室内に同軸状に設置された導体とを含み、
該導体は、一端面が被処理物支持体の近傍に位置するように設置され、該支持体側に位置する導体の端部用部材が交換可能であるマイクロ波プラズマ処理装置。
２．真空室内に同軸状に設置される導体において、端部用部材を除いた導体本体が円柱又は円錐台の形状を有する上記項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
３．導体の交換可能な端部用部材が、円柱又は円錐台の形状を有する上記項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
４．導体の支持体側の端面が平面又は湾曲した凹面である上記項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
５．被処理物用支持体と導体の該支持体側の端面との間隔が、マイクロ波の自由空間波長をλとした場合にλ／２以下である上記項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
６．被処理物用支持体側の導体の端面の直径が、マイクロ波の自由空間波長以下である請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

上記した構成を有するマイクロ波プラズマ処理装置によれば、マイクロ波源から発生したマイクロ波は、導体の端面と支持体との間に形成される狭い空間部分に導入され、一様且つ平坦な電界強度分布を得ることができ、均一で高密度のプラズマを形成できる。

このために本発明のプラズマ処理装置を、例えば、マイクロ波プラズマを使用したＣＶＤによるダイヤモンド成長に利用する場合には、ダイヤモンド基板上に均一性の良い平坦なプラズマを容易に発生させることができ、大面積を有するダイヤモンド結晶の合成を、高いパワー効率の下で行うことができる。更に、小型のダイヤモンドについても効率の良い成長が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の一実施態様の内部構造を概略的に示す構成図である。

図２において、マイクロ波プラズマを発生させる真空室５は円筒状であり、その内部に該真空室５と同軸状に円柱形の導体８が設置されている。マイクロ波源２から発せられたマイクロ波は、導波管３を伝搬し、誘電体窓４を通過して、真空室５に導入される。この際、真空室５の内面と導体８の外周面によって形成される空隙部がマイクロ波の通過路９となり、マイクロ波は、導体８の端面８ａと被処理物の支持体７によって形成される空間部分１０に導入される。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、円筒状の真空室５を有するものであればよく、その具体的な形状などについては特に限定はない。例えば、図１に示す公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置における空洞共振器型の真空室５と同様の構造とすることができる。該真空室５には、例えば、原料ガスを導入するための原料ガス導入口５ａ、真空室内を真空引きするための排気口５ｂなどを設けることができる。

図２の装置は、真空室５にマイクロ波を導入する手段として、マイクロ波源２とマイクロ波を伝搬させる導波管３を備えている。マイクロ波源２で発生したマイクロ波は、図２に矢印で示すようにして、導波管３を伝搬し、誘電体窓４を通過して真空室５に導入される。誘電体窓４は、通常、石英等の誘電体によって形成される。真空室内にマイクロ波エネルギーを導入する手段は、上記した構成に限定されず公知の手段を適宜利用できる。

真空室５の内部には、該真空室と同軸状に導体８が設置される。図２の装置では、円柱形の導体８が設置されている。真空室と同軸状に円柱形の導体８が設置されることによって、該導体８の外周面と真空室５の内面とによって形成される空隙部がマイクロ波の通過路９となり、マイクロ波は、導体８の一端面８ａと被処理物用支持体７によって形成される空間部分１０に導入される。

導体８の大きさについては特に限定はなく、該導体８の直径が真空室５の内径より小さく、該導体８の外周面と真空室の内面との間にマイクロ波が通過できる空隙部分が形成されていればよい。該導体８としては、例えば、モリブデン等の金属、合金等を用いることができる。

被処理物の支持体７側にある導体８の端面８ａは、該支持体７の近傍に位置するように設置される。導体の端面８ａがこのように設置されることによって、端面８ａと支持体７との間に形成される狭い領域にマイクロ波が導入されて、強度が高く均一性のよい電界強度分布を得ることができる。

本発明の装置に用いる導体８は、支持体側の端部用部材８ｂが交換可能となっている。交換可能な端部用部材８ｂを有することによって、被処理物の形状や処理目的に応じて、導体の端面８ａの形状や端面８ａと支持体７との間隔を簡単に変更することができる。また、放電処理によって導体の端面８ａに損傷、汚染などが生じた場合に、端部用部材８ｂのみを交換することによって容易に対応することができる。端部用部材８ｂは、例えば、ねじ止め等の公知の交換可能な手段によって導体本体に接続することができる。

真空室５の側面には、例えば、端部用部材８ｂを交換するための開閉可能な交換口１１を設けることができる。

図３は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の一例の概略を示す部分的な構成図である。

図３（ａ）に示す装置では、導体８は、円柱状の導体本体８ｃに円柱状の端部用部材８ｂが接続されていて、その端面８ａは平面状（円形）である。図３（ｂ）では、円柱状の導体本体８ｃに接続された端部用部材８ｂは円柱状であり、その端面８ａは湾曲凹面となっている。この場合、被処理物の形状に応じて湾曲凹面の形状を調整することによって、狭い範囲に電界を集中させることができ、被処理物が小さい場合であっても、被処理物上の狭い範囲に強度が高く均一性のよい電界強度分布を形成することができる。

図４は、その他の例として、円柱形の導体本体８ｃに交換可能に接続された端部用部材８ｂが円錐台であるマイクロ波プラズマ処理装置について、導体８と被処理物用支持体７を含む部分の概略を示す構成図である。図４（ａ）では、導体本体８ｃに交換可能に接続された円錐台の形状を有する端部用部材８ｂの端面８ａは平面状であり、図４（ｂ）では端部用部材８ｂの端面８ａは湾曲凹面となっている。これらの場合、被処理物の大きさに応じて、円錐台形の端部用部材８ｂの端面８ａの大きさを設定することによって、端面８ａと支持体７とから形成される狭い空間に、一様で強度の高い電界を形成することができる。特に、図４（ｂ）の場合、被処理物の形状に応じて凹面の形状を調整することによって、狭い範囲に電界を集中させることができ、被処理物が非常に小さい場合であっても、処理物上の狭い範囲に強度が高く均一性のよい電界強度分布を形成することができる。

尚、上記した図３及び図４のいずれの場合にも、導体の端面８ａと支持体７とによって形成される空間部分の最大間隔ｄ１は、使用するマイクロ波の自由空間波長をλとした場合にλ／２以下とすることが好ましい。これにより、被処理物の表面に垂直方向における定在波の最大振幅部分を１つだけに制限することができ、電界強度分布の垂直方向への広がりを狭くして、垂直方向に対して電界強度の高い集中度を得ることができる。

導体の端面８ａの大きさ（面積）は特に限定的ではないが、必要な処理範囲にのみ一様な電界強度分布を形成するためには、被処理物の大きさを少し上回る程度の大きさ（面積）とすればよい。また、端面８ａの直径ｄ２は、マイクロ波の自由空間波長以下であることが好ましい。これにより、支持体７に平行方向における定在波の最大振幅部分を１つだけに制限して、均一性の良い電強度度分布を得ることができる。

被処理物の支持体７は、金属、合金等の導体により形成される。支持体７の大きさ、形状等については特に制限はなく、被処理物を載置できる平面部分を有すればよい。例えば、被処理物の載置部が支持体の外周縁部に対して隆起した形状の支持体などを用いてもよい。また、支持体７の形状を変更することによって、導体８の端面８ａと支持体７とによって形成される空間部分の形状を変化させて、電界強度分布を任意に調整することができる。

図２の装置では、ステージ６上に支持体７が載置されているが、このような構造に限定されず、ステージ６と支持体７が一体化された構造であっても良い。

図５は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す概略構成図である。図５では、導体本体８ｃの形状は円錐台であり、真空室５中に同軸状に設置されている。このように、導体８は、真空室５中に同軸状に設置されていればよく、導体本体８ｃは円柱、円錐台などの任意の形状とすることができる。

図６は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す部分的な概略構成図である。図６の装置では、真空室５の内径と比較して非常に小さい直径を有する円柱形の導体８が真空室５中に設置されている。本発明の装置では、導体８の外周面と真空室５の内面との間隔については限定がないので、このように導体の直径は任意に設定できる。

図７は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す部分的な概略構成図である。図７の装置では、誘電体窓４は、導波管３と真空室５との接続部分に形成されている。このように、本発明の装置では、マイクロ波は、導体の端面８ａと被処理物の支持体７によって形成される空間部分に強制的に導入され、この部分でプラズマが発生するので、誘電体窓４の位置は任意に設置できる。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、エッチング等の表面処理や化学蒸着等の表面付着法等の各種の用途に利用できる。特に、マイクロ波プラズマを使用したＣＶＤによるダイヤモンド成長に利用する場合には、ダイヤモンド基板上の狭い範囲に一様かつ平坦な電界強度分布を得ることができ、ダイヤモンド基板上に均一性の良い平坦なプラズマを容易に発生させることができる。このため、大面積を有するダイヤモンド結晶の合成を、高いパワー効率の下で行うことが可能となる。更に、導体の端面の径を小さくすることにより、均一性の良いプラズマを狭い範囲に集中して形成することができ、小さいダイヤモンドを作製する場合にも、効率のよいダイヤモンド成長が可能となる。

以下、本発明のプラズマ処理装置と公知のプラズマ処理装置について、電界強度分布のシミュレーションの結果を示す。

図８(a)は、シミュレーションに用いた、従来のマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略構成図である。周波数2.45GHzのマイクロ波は、導波管３を伝搬し、誘電体窓４を通って真空室５へ導入される。真空室５の内径は１４ｃｍであり、ステージ６から誘電体窓４までの距離は１２ｃｍである。

図９は、電界強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図９において、破線は該装置形状の下での電界強度分布を表す。それぞれ、ステージ中央での電界強度で規格化された電界強度分布を表している。図９(a)の横軸はステージ天面６a中央を通る鉛直方向の座標であり、原点z=0がステージ天面６a中央に対応する。電界強度は原点で最大値を取り、１.５ｃｍ程度の距離に対し強度が１０％程度下降する。図９(b)の横軸はステージ天面６a中央を原点とした径座標である。鉛直方向の広がりと同じく、水平方向も1．5ｃｍ程度の距離に対し強度が１０％程度下降しており、等方的な分布であることが判る。

図８(b)は、シミュレーションに用いた本発明マイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略構成図である。円筒状の導体８が真空室５と同軸状に設置されている。誘電体窓４の中央を導体８が貫通している。真空室５の内径及びステージ６から誘電体窓４までの距離は、それぞれ１４ｃｍ及び１１ｃｍである。導体８は、外径１０ｃｍの円筒状であり、導体８の先端８aは曲率半径が１６．２５ｃｍの湾曲凹面である。尚、図８（ｂ）に示されているように、該導体８には、中心軸部分に装置上部に通じる直径１ｃｍの貫通穴が設けられている。この貫通穴は、原料ガス導入口として設けられたものであり、該導体８は、必要に応じて、この様な構造とすることができる。ステージ６の中央には支持体７が設置されている。支持体７の径と高さはそれぞれ６ｃｍと０．５ｃｍである。該支持体の上部中央には底面が２．４５ｃｍ角、深さが０．１ｃｍの凹部が設けてある。支持体７の最頂部と先端８aの湾曲凹面円周との間隔は０．５ｃｍである。図９の実線は該装置形状の下での電界強度分布を表す。原点は支持体７の天面７a中央に対応する。図９の実線は、原点での電界強度で規格化された電界強度分布を表している。図９(a)にある通り、電界強度は支持体７直上で最大値を取り、０．５ｃｍ程度の距離に対し強度が１０％程度下降する。一方、水平方向には、図９(b)にある通り２．３ｃｍ程度の距離に対し強度が１０％程度下降しており、比較的平坦且つ一様性の高い分布であることが判る。

以上の結果から明らかな通り、本発明により、従来装置よりも３倍程度に鉛直方向の集中度が向上し、且つ１．５倍程度に水平方向の一様性が向上した電界強度分布が得られることが判る。

従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の内部構造を概略的に示す構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置の一実施態様の内部構造を概略的に示す構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す部分的な概略構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置のその他の例を示す部分的な概略構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す概略構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す概略構成図である。 本発明マイクロ波プラズマ処理装置のその他の実施態様を示す概略構成図である。 シミュレーションに用いたマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略構成図である。 電界強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１ マイクロ波プラズマＣＶＤ装置、 ２ マイクロ波電源
３ マイクロ波を伝搬させる導波管、 ４ マイクロ波導入石英窓
５ 空洞共振器型の反応容器、 ５ａ 原料ガス導入口
５ｂ 排気口、 ６ 内部に冷却水Ｗが通っている冷却ステージ
６aステージ天面、 ７ 被処理物用支持体、 ７a 支持体天面、
８ 導体、 ８ａ 導体の支持体側の端面、
８ｂ 交換可能な端部用部材、 ８ｃ 導体本体
９ マイクロ波の通過路、
１０ 空間部分、 １１ 端部用部材の交換口

Claims (4)

1. マイクロ波プラズマを発生させる円筒状の真空室と、
   該真空室内にマイクロ波エネルギーを導入する手段と、
   該真空室内に設置された被処理物用支持体と、
   該真空室内に同軸状に設置された導体とを含み、
   該導体は、一端面が被処理物用支持体の近傍に位置するように設置され、該支持体側に位置する導体の端部用部材が交換可能であり、
   導体の支持体側の端面が平面又は湾曲した凹面であり、
   被処理物用支持体と導体の該支持体側の端面との間隔が、マイクロ波の自由空間波長をλとした場合にλ／２以下であるマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 真空室内に同軸状に設置される導体において、端部用部材を除いた導体本体が円柱又は円錐台の形状を有する請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 導体の交換可能な端部用部材が、円柱又は円錐台の形状を有する請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 被処理物用支持体側の導体の端面の直径が、マイクロ波の自由空間波長以下である請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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