JP5071927B2 - Microwave plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明はマイクロ波プラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a microwave plasma processing apparatus.
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、以下に示す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。 Plasma generated by microwaves is used in various applications such as surface treatment such as etching and surface deposition methods such as chemical vapor deposition. For example, a diamond growth apparatus by CVD using the following microwave plasma is known.
公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を図５に示す（下記非特許文献１参照）。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１０１は、マイクロ波源１０２、導波管１０３、マイクロ波導入誘電体窓１０４、空洞共振器型の真空室１０５、内部に冷却水Ｗが通っているステージ１０６、ガス原料導入口１０５ａおよび排気口１０５ｂを備えている。ステージ１０６上には必要に応じて基板支持体が載置される。このマイクロ波プラズマＣＶＤ装置１０１では、真空室１０５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ガス原料導入口１０５ａから供給し、導波管１０３から伝搬されるマイクロ波によってプラズマＰを発生させる。発生したプラズマＰによって原料ガスが化学反応し、ステージ１０６上に配設された基板表面にダイヤモンドを成長させる。
An example of a known microwave plasma CVD apparatus is shown in FIG. 5 (see Non-Patent Document 1 below). A microwave plasma CVD apparatus 101 includes a microwave source 102, a waveguide 103, a microwave introduction dielectric window 104, a cavity resonator-type vacuum chamber 105, a stage 106 through which cooling water W passes, and a gas source introduction port. 105a and an exhaust port 105b. A substrate support is placed on the stage 106 as necessary. In this microwave plasma CVD apparatus 101, in a vacuum chamber 105, hydrogen (H 2 ) gas or helium in addition to hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) gas or carbon source gas such as alcohol gas. (He) gas, argon (Ar)
An inert gas such as a gas is supplied as a source gas from the gas source inlet 105 a, and plasma P is generated by microwaves propagated from the waveguide 103. The source gas chemically reacts with the generated plasma P, and diamond is grown on the substrate surface disposed on the stage 106.
また、下記特許文献１には、図６に示したように、側壁に内部の観察用の窓１０が設けられた真空容器１内に、上下２つの電極板３ｕ、３ｄを同軸で対向するように、一対のランチャを配置し、プラズマ発生用の原料ガス７を対向するランチャ間に導入し、各ランチャにマイクロ波電力Ｐｕ、Ｐｄを供給してプラズマボール１５を発生させるマイクロ波プラズマ発生装置が開示されている。同装置では、上下のランチャからのマイクロ波電力Ｐｕ、Ｐｄを増大させて、プラズマボール１５の形状および密度を増大させることができる。 Further, in Patent Document 1 below, as shown in FIG. 6, two upper and lower electrode plates 3u and 3d are coaxially opposed to each other in a vacuum vessel 1 in which an internal observation window 10 is provided on a side wall. A microwave plasma generator that generates a plasma ball 15 by arranging a pair of launchers, introducing a source gas 7 for plasma generation between opposing launchers, and supplying microwave powers Pu and Pd to each launcher. It is disclosed. In the apparatus, the microwave powers Pu and Pd from the upper and lower launchers can be increased, and the shape and density of the plasma ball 15 can be increased.
また、下記特許文献２には、図７に示したように、ステージを兼ねた電極板１１４上にプラズマ１４０を形成することができるマイクロ波プラズマ反応器が開示されている。 Patent Document 2 listed below discloses a microwave plasma reactor capable of forming plasma 140 on an electrode plate 114 that also serves as a stage, as shown in FIG.
一方、ダイヤモンドの成長においては、良質のダイヤモンドの成長に望ましい基板の温度範囲が存在する。従って、基板温度を観測することが必要であり、基板温度に応じて、供給するガスの流量やマクロ波電力を調節することが望ましい。そのために従来では、図８（ａ）、（ｂ）に示すように石英板を用いた観察用の窓を真空室の壁面に備え、放射温度計で基板温度を測定している。図８の（ａ）、（ｂ）において、ガス導入と記載した近傍の石英板には原料ガスを通過させるための小さい孔が開いており、この孔を介して原料ガスが真空室の内部に供給される。
発生するプラズマを有効利用し、基板上のできるだけ広い範囲にダイヤモンドを均一に成長させるには、基板表面に近傍に扁平なプラズマを発生させることが望ましい。しかし
、上記特許文献１および上記非特許文献１では、球状または半球状のプラズマを形成することはできるが、扁平なプラズマを形成することはできない。
In order to make effective use of the generated plasma and to uniformly grow diamond in the widest possible range on the substrate, it is desirable to generate a flat plasma near the substrate surface. However, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, spherical or hemispherical plasma can be formed, but flat plasma cannot be formed.
また、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、比較的広い空間内で原料ガスの環状の流れが発生し、特に（ｂ）に示したように真空領域が複雑な形状をしている場合、ガスの流れも複雑になり、乱流も発生しやすく、したがって発生するプラズマの均一性を実現することが難しい。上記特許文献２では、扁平な形状のプラズマを発生させることを試みているが、原料ガスの供給口、排出口の位置および真空内壁の形状から、同様の問題がある。
Further, as shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), an annular flow of the source gas is generated in a relatively wide space, and in particular, the vacuum region has a complicated shape as shown in FIG. 8 (b). In this case, the gas flow becomes complicated and turbulent flow is likely to occur, so that it is difficult to achieve uniformity of the generated plasma. In Patent Document 2, an attempt is made to generate a flat plasma, but there are similar problems in terms of the positions of the supply port and the discharge port of the source gas and the shape of the vacuum inner wall.
一方、基板表面の観察に関しては、上記特許文献１および非特許文献１では、球状または半球状の厚いプラズマの層を介してして観察することになる。通常、基板温度を測定する場合、非接触の赤外線センサを用いて測定するので、プラズマの層の影響を受けて基板表面の温度を正確に測定することができない。また、上記特許文献２には、基板を観察する手段に関して何ら開示されていない。 On the other hand, regarding the observation of the substrate surface, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, observation is made through a spherical or hemispherical thick plasma layer. Usually, when measuring a substrate temperature, since it measures using a non-contact infrared sensor, the temperature of a substrate surface cannot be measured correctly under the influence of a plasma layer. Further, Patent Document 2 does not disclose any means for observing the substrate.
本発明は、上記した問題を解決するために成されたものであり、扁平で均一な形状のプラズマを形成することができ、原料ガスの流れを一様に保持することができ、且つ、プラズマ近傍に配置された基板表面の観察が容易なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and can form a flat and uniform plasma, can maintain a uniform flow of a source gas, and can be plasma. An object of the present invention is to provide a microwave plasma processing apparatus that allows easy observation of the surface of a substrate disposed in the vicinity.
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。 The object of the present invention is achieved by the following means.
即ち、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、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している。
That is, the microwave plasma processing apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber formed of a conductive material and a first chamber that is fixed to the upper wall surface on the vacuum chamber side, has a through hole, and is formed of a conductive material. An antenna and a stage disposed opposite to the first antenna and capable of mounting a substrate are provided, one end of the through hole is connected to the outside of the vacuum chamber, and the other end of the through hole is the first A source gas for plasma, which is located on the surface of the antenna facing the stage, is supplied from one end of the through-hole to the gap between the first antenna and the stage through the other end, and the outer wall of the stage And a first space formed between the inner wall of the vacuum chamber or a second space formed between the outer wall of the first antenna and the inner wall of the vacuum chamber. as, micro-wave, the original The gas is supplied from the outside of the vacuum chamber by different routes, the plasma is generated into the gap of the first antenna and the stage, the plasma, the distance between the first antenna and the stage of the microwave The flat plasma is 1/10 or less of the free space wavelength and the outer diameter of the first antenna is equal to or greater than the half wavelength of the free space of the microwave, and the substrate mounted on the stage through the through hole It is characterized by being able to observe the surface.
前記マイクロ波は、前記第１の空間の下方から供給されることができる。
Before Symbol microwave can be supplied from below of the first space.
また、前記第１の空間を形成する前記ステージの外側壁および前記真空室の内側壁は、それぞれ円筒形であり、円筒軸が相互に一致するように配置され、前記貫通孔の前記他端は、前記ステージの円筒軸上に形成されていることができる。
Further, the outer wall of the stage and the inner wall of the vacuum chamber forming the first space are each cylindrical, and are arranged so that the cylinder axes coincide with each other, and the other end of the through hole is , Can be formed on the cylindrical axis of the stage.
また、前記マイクロ波は、前記第２の空間の上方から供給されてもよい。
The front Symbol microwave may be supplied from above the second space.
また、前記第２の空間を形成する前記アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁は、それぞれ円筒形に形成され、円筒軸が相互に一致するように配置され、前記貫通孔の前記他端は、前記第１アンテナの円筒軸上に形成されていることができる。
In addition, the outer wall of the antenna and the inner wall of the vacuum chamber forming the second space are each formed in a cylindrical shape and arranged so that the cylindrical axes coincide with each other, and the other end of the through hole Can be formed on the cylindrical axis of the first antenna.
また、マイクロ波プラズマ処理装置は、真空室内側の上壁面から所定距離だけ離隔して配置され、導電性材料で形成された第２アンテナをさらに備え、前記第２アンテナは前記第１アンテナの外側に配置され、前記第１アンテナの外側壁および前記第２アンテナの内
側壁と、前記第２アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁とは、それぞれ前記マイクロ波の導波路を形成することができる。
The microwave plasma processing apparatus further includes a second antenna disposed at a predetermined distance from the upper wall surface on the vacuum chamber side and formed of a conductive material, and the second antenna is located outside the first antenna. The outer wall of the first antenna and the inner wall of the second antenna, and the outer wall of the second antenna and the inner wall of the vacuum chamber may form a microwave waveguide, respectively. it can.
また、前記第１アンテナの外側壁、前記第２アンテナの内側壁、前記第２アンテナの外側壁、および前記真空室の内側壁は、それぞれ円筒形であり、円筒軸が相互に一致するように配置されていることができる。 In addition, the outer wall of the first antenna, the inner wall of the second antenna, the outer wall of the second antenna, and the inner wall of the vacuum chamber are each cylindrical, and the cylindrical axes coincide with each other. Can be arranged.
また、前記貫通孔の内径は、前記マイクロ波の自由空間波長の１／１０以下であることができる。 In addition, the inner diameter of the through hole may be 1/10 or less of the free space wavelength of the microwave.
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、ダイヤモンド合成に適した扁平で均一な形状のプラズマを形成することができ、原料ガスの流れを一様に保持することができ、且つ、プラズマ近傍に配置された基板表面の観察が容易となる。 According to the microwave plasma processing apparatus of the present invention, a flat and uniform plasma suitable for diamond synthesis can be formed, the flow of the source gas can be kept uniform, and the plasma can be maintained in the vicinity of the plasma. Observation of the arranged substrate surface becomes easy.
従って、ダイヤモンドの合成中に基板表面の温度を正確に測定することができるので、原料ガス圧やマイクロ波電力等の条件を適切に制御することができ、基板温度をダイヤモンドの合成に適した温度に維持することができる。また、これら条件の変化に依らず、原料ガスの流れを一様に保持することができる。 Therefore, since the temperature of the substrate surface can be accurately measured during the synthesis of diamond, conditions such as the raw material gas pressure and microwave power can be appropriately controlled, and the substrate temperature is a temperature suitable for the synthesis of diamond. Can be maintained. In addition, the flow of the source gas can be kept uniform regardless of changes in these conditions.
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。本マイクロ波プラズマ処理装置（以下、単に処理装置とも記す）１は、真空室２と、真空室２内側の上壁面に固定され、貫通孔３を有するアンテナ４と、アンテナ４に対向して配置されたステージ５と、一端がアンテナ４の貫通孔３に接続され、側壁に開口部６を有する筒部７と、筒部７の他端に配置された石英板で形成された窓部８と、放射温度計９とを備えている。図１では、ステージ５の上に基板Ｓが搭載されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave plasma processing apparatus according to the present embodiment. The microwave plasma processing apparatus (hereinafter also simply referred to as a processing apparatus) 1 is fixed to a vacuum chamber 2, an upper wall surface inside the vacuum chamber 2, an antenna 4 having a through-hole 3, and an antenna 4. The stage 5, one end connected to the through hole 3 of the antenna 4, a cylindrical portion 7 having an opening 6 on the side wall, and a window portion 8 formed of a quartz plate disposed at the other end of the cylindrical portion 7, A radiation thermometer 9 is provided. In FIG. 1, the substrate S is mounted on the stage 5.
本処理装置１において、マイクロ波発生手段（図示せず）で発生されたマイクロ波は、導波管（図示せず）を経由し、下方から真空室２内部に供給される。真空室２、アンテナ４、およびステージ５は、何れも導電性材料（銅、モリブデン等の金属や合金等）で側形が円筒形に形成され、各円筒の中心軸（以下、円筒軸と記す）を略一致させて配置されている。従って、下方から導入されたマイクロ波は、対向する真空室２の内側壁とステージ５の外側壁とが形成する導波路を通過する。 In the processing apparatus 1, the microwave generated by the microwave generating means (not shown) is supplied into the vacuum chamber 2 from below via a waveguide (not shown). The vacuum chamber 2, the antenna 4, and the stage 5 are all formed of a conductive material (metal or alloy such as copper or molybdenum) in a cylindrical shape, and the central axis of each cylinder (hereinafter referred to as a cylindrical axis). ) Are substantially matched. Accordingly, the microwave introduced from below passes through the waveguide formed by the inner wall of the opposing vacuum chamber 2 and the outer wall of the stage 5.
また、原料ガスは、図１において破線矢印で示したように、筒部７の側壁の開口部６（より正確には開口部６で筒部７に接続された分岐管）から供給され、貫通孔３、アンテナ４およびステージ５の間隙を通り、真空室５の外側壁とステージの内側壁との間（上記したマイクロ波の導波路）から排気される。原料ガスには、通常使用されるガスを使用する。例えば、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、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
などを使用する。
Further, as shown by broken line arrows in FIG. 1, the source gas is supplied from the opening 6 on the side wall of the cylindrical portion 7 (more precisely, the branch pipe connected to the cylindrical portion 7 at the opening 6) and penetrates. The air is exhausted from between the outer wall of the vacuum chamber 5 and the inner wall of the stage (the microwave waveguide described above) through the gap between the hole 3, the antenna 4 and the stage 5. The gas used normally is used for source gas. For example, in addition to carbon source gases such as hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ) gas and alcohol gases, hydrogen (H 2 ) gas, helium (He) gas, and inert gases such as argon (Ar) gas Use gas.
以上のように原料ガスおよびマイクロ波が供給されて、アンテナ４およびステージ５の
間隙にプラズマＰが形成される。このとき、アンテナ４およびステージ５は、それらの外径と比較して両者の間隔が十分に狭く配置されているので、プラズマＰは扁平な形状に形成される。また、上記したように、ガスは、ステージ５に対向するアンテナ４の端面の略中央に形成された貫通孔３の開口から供給され、アンテナ４とステージ５との間隙を放射状に流れて下方に排気されるので、アンテナ４とステージ５との間隙において局所的な環状の流れや乱流を形成することなく、全体として比較的単純で一様な流れを形成する。
As described above, the source gas and the microwave are supplied, and the plasma P is formed in the gap between the antenna 4 and the stage 5. At this time, the distance between the antenna 4 and the stage 5 is sufficiently narrow compared to their outer diameters, so that the plasma P is formed in a flat shape. Further, as described above, the gas is supplied from the opening of the through hole 3 formed in the approximate center of the end face of the antenna 4 facing the stage 5, and flows downward through the gap between the antenna 4 and the stage 5. Since the air is exhausted, a relatively simple and uniform flow is formed as a whole without forming a local annular flow or turbulent flow in the gap between the antenna 4 and the stage 5.
また、筒部７および貫通孔３がそれぞれの円筒軸が略一致するように配置され、その軸の延長線上に基板Ｓが配置されているので、窓部８、筒部７および貫通孔３を介して基板Ｓの表面の一部を直接に見通すことができる光路（以下、基板観察用の光路と記す）が形成される。しかも、アンテナ４およびステージ５の間隔が狭いので、形成されるプラズマＰは扁平な形状になり、基板観察用の光路上に位置するプラズマＰの厚さが比較的薄く、プラズマＰの影響を殆ど受けることなく、放射温度計９によって基板Ｓの表面温度を観測することができる。 Moreover, since the cylinder part 7 and the through-hole 3 are arrange | positioned so that each cylindrical axis may correspond substantially and the board | substrate S is arrange | positioned on the extension line | wire of the axis | shaft, the window part 8, the cylinder part 7, and the through-hole 3 are connected. Thus, an optical path (hereinafter referred to as an optical path for observing the substrate) that allows a part of the surface of the substrate S to be directly seen is formed. In addition, since the distance between the antenna 4 and the stage 5 is narrow, the plasma P to be formed has a flat shape, the thickness of the plasma P located on the optical path for observing the substrate is relatively thin, and the influence of the plasma P is hardly affected. The surface temperature of the substrate S can be observed by the radiation thermometer 9 without receiving.
従って、基板Ｓの表面温度を正確に測定することができ、測定した温度が良好なダイヤモンドを形成するための適正温度になるように、供給する原料ガス圧、マイクロ波電力を制御することが可能になる。例えば、基板Ｓの測定温度が高い場合、供給する原料ガス圧、マイクロ波電力を低減させ、基板Ｓの測定温度が低い場合、供給する原料ガス圧、マイクロ波電力を増大させる。 Accordingly, the surface temperature of the substrate S can be accurately measured, and the supplied raw material gas pressure and microwave power can be controlled so that the measured temperature is an appropriate temperature for forming a good diamond. become. For example, when the measurement temperature of the substrate S is high, the supplied raw material gas pressure and microwave power are reduced, and when the measurement temperature of the substrate S is low, the supplied raw material gas pressure and microwave power are increased.
なお、アンテナ４およびステージ５の間に形成されるプラズマＰは、原料ガス圧が高くなるにつれて扁平な形状から球形に近づく。その場合にも、アンテナ４およびステージ５の間隔が狭いので、上記と同様に、プラズマＰの影響を殆ど受けることなく、基板Ｓの表面を観察することができる。 The plasma P formed between the antenna 4 and the stage 5 approaches a spherical shape from a flat shape as the source gas pressure increases. Even in this case, since the distance between the antenna 4 and the stage 5 is narrow, the surface of the substrate S can be observed with almost no influence of the plasma P as described above.
また、アンテナ４内部およびステージ５内部には、所定の流路を形成し、冷却水を循環させることができる。その場合、ステージ５の冷却水による影響を抑制するために、熱伝導性の低い物質を基板Ｓとステージ５との間に配置することが有効である。従って、放射温度計９によって基板Ｓの表面温度を観測することによって、熱伝導性の低い物質を基板Ｓとステージ５との間に配置する必要性の有無を判断することもできる。 A predetermined flow path can be formed inside the antenna 4 and the stage 5 to circulate the cooling water. In that case, in order to suppress the influence of the cooling water on the stage 5, it is effective to dispose a substance having low thermal conductivity between the substrate S and the stage 5. Therefore, by observing the surface temperature of the substrate S with the radiation thermometer 9, it is possible to determine whether or not it is necessary to dispose a substance having low thermal conductivity between the substrate S and the stage 5.
アンテナ４とステージ５との間隔に関しては、間隔が広い場合、プラズマを集中する効率が低下し、ダイヤモンドの合成効率が低下するので、アンテナ４とステージ５との間隔は、使用するマイクロ波の自由空間波長の約１／１０以下であることが望ましい。 Regarding the distance between the antenna 4 and the stage 5, when the distance is wide, the efficiency of concentrating the plasma is reduced and the synthesis efficiency of the diamond is lowered. It is desirable to be about 1/10 or less of the spatial wavelength.
また、ダイヤモンドは熱伝導性が良好なので、基板表面の一部の温度が測定できれば、制御が可能である。従って、基板観察用の光路を形成する貫通孔３および筒部７の内径は、使用する測定手段が必要とする測定径以上の内径であればよく、基板の一部を見通すことが可能な大きさであればよい。但し、貫通孔３を設けたことによるプラズマ形状への影響を低減するため、使用するマイクロ波の自由空間波長の約１／１０以下であることが望ましい。 Also, since diamond has good thermal conductivity, it can be controlled if the temperature of a part of the substrate surface can be measured. Therefore, the inner diameters of the through hole 3 and the cylindrical portion 7 that form the optical path for observing the substrate may be larger than the measurement diameter required by the measurement means to be used, and are large enough to see a part of the substrate. That's fine. However, in order to reduce the influence on the plasma shape due to the provision of the through hole 3, it is desirable that it is about 1/10 or less of the free space wavelength of the microwave used.
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。本マイクロ波プラズマ処理装置１ａは、真空室２ａと、真空室２ａ内側の上壁面に固定され、貫通孔３を有するアンテナ４ａと、アンテナ４ａに対向して配置されたステージ５ａと、一端がアンテナ４ａの貫通孔３に接続され、側壁に開口部６を有する筒部７と、筒部７の他端に配置された窓部８と、放射温度計９とを備えている。ステージ５ａの上には基板Ｓが搭載されている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave plasma processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The microwave plasma processing apparatus 1a includes a vacuum chamber 2a, an antenna 4a fixed to the upper wall surface inside the vacuum chamber 2a, having a through hole 3, a stage 5a disposed opposite to the antenna 4a, and one end of the antenna. A cylindrical part 7 connected to the through hole 3 of 4a and having an opening 6 on the side wall, a window part 8 disposed at the other end of the cylindrical part 7 and a radiation thermometer 9 are provided. A substrate S is mounted on the stage 5a.
本第２の実施の形態の処理装置１ａは、第１の実施の形態の処理装置１と類似する構成をしている。従って、ここでは主として処理装置１ａが処理装置１と異なる点について説明する。 The processing apparatus 1a according to the second embodiment has a configuration similar to that of the processing apparatus 1 according to the first embodiment. Therefore, here, the difference between the processing apparatus 1a and the processing apparatus 1 will be mainly described.
まず、処理装置１ａでは、真空室２ａの上部に形成された開口からマイクロ波が供給される。また、マイクロ波を導入する位置が異なることに依存して、使用するマイクロ波の周波数を考慮してアンテナ４ａおよびステージ５ａの形状も適宜変更され得る。これら以外、各部の形状、材質、各部相互の位置関係などは同じである。例えば、供給された原料
ガスは、ステージ５ａに対向するアンテナ４ａの端面に形成された貫通孔３の開口から供給され、アンテナ４ａとステージ５ａとの間隙を放射状に流れた後、下方に排気される。
First, the processing apparatus 1a, the microwave is supplied from the opening formed in the upper portion of the vacuum chamber 2 a. In addition, depending on the position where the microwave is introduced, the shapes of the antenna 4a and the stage 5a can be appropriately changed in consideration of the frequency of the microwave to be used. Other than these, the shape, material, and positional relationship between the parts are the same. For example, the supplied source gas is supplied from the opening of the through hole 3 formed in the end face of the antenna 4a facing the stage 5a, flows radially through the gap between the antenna 4a and the stage 5a, and then exhausted downward. The
従って、図２に示した処理装置１ａは、処理装置１と同様の効果を奏することができる。即ち、アンテナ４ａとステージ５ａとの間隙に、扁平な形状のプラズマＰが形成される。また、窓部８、筒部７および貫通孔３によって基板観察用の光路が形成される。 Therefore, the processing apparatus 1a shown in FIG. 2 can achieve the same effects as the processing apparatus 1. That is, a flat plasma P is formed in the gap between the antenna 4a and the stage 5a. Further, the optical path for observing the substrate is formed by the window portion 8, the cylindrical portion 7 and the through hole 3.
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った水平断面図であり、（ｂ）においては一部の構成要素のみ示している。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a microwave plasma processing apparatus according to the third embodiment of the present invention. (A) is a longitudinal cross-sectional view, (b) is a horizontal cross-sectional view along the line BB, and (b) shows only some components.
本マイクロ波プラズマ処理装置１ｂは、真空室２ｂと、真空室２ｂ内側の上壁面に固定され、貫通孔３を有する第１アンテナ４ｂと、支持部１０を介して真空室２ｂ内側の上壁面に固定され、第１アンテナ４ｂの外周に配置された第２アンテナ４ｃと、第１アンテナ４ｂに対向して配置されたステージ５ｂと、一端がアンテナ４ｂの貫通孔３に接続され、側壁に開口部６を有する筒部７と、筒部７の他端に配置された窓部８と、放射温度計９とを備えている。ステージ５ｂの上には基板Ｓが搭載されている。 This microwave plasma processing apparatus 1 b is fixed to the upper wall surface inside the vacuum chamber 2 b through the vacuum chamber 2 b, the first antenna 4 b that is fixed to the upper wall surface inside the vacuum chamber 2 b, and has the through hole 3, and the support portion 10. A fixed second antenna 4c arranged on the outer periphery of the first antenna 4b, a stage 5b arranged opposite to the first antenna 4b, and one end connected to the through hole 3 of the antenna 4b, and an opening on the side wall 6, a window portion 8 disposed at the other end of the tube portion 7, and a radiation thermometer 9. A substrate S is mounted on the stage 5b.
本第３の実施の形態の処理装置１ｂは、第１および第２の実施の形態の処理装置１、１ａと類似する構成をしている。従って、ここでは主として処理装置１ｂが処理装置１、１ａと異なる点について説明する。 The processing apparatus 1b according to the third embodiment has a configuration similar to the processing apparatuses 1 and 1a according to the first and second embodiments. Therefore, here, the difference between the processing apparatus 1b and the processing apparatuses 1 and 1a will be mainly described.
まず、処理装置１ｂでは、真空室２ｂの上部に形成された開口からマイクロ波が供給される。また、上記したように、第２アンテナ４ｃが、支持部１０を介して真空室２ｂ内側の上壁面に固定されている。第２アンテナ４ｃは導電性材料（銅、モリブデン等の金属や合金等）で外形が円筒形に形成され、真空室２ｂ、第１アンテナ４ｂ、第２アンテナ４ｃおよびステージ５ｂは各円筒軸を略一致させて配置されている。支持部１０も導電性材料で形成されている。 First, in the processing apparatus 1b, microwaves are supplied from an opening formed in the upper part of the vacuum chamber 2b. Further, as described above, the second antenna 4c is fixed to the upper wall surface inside the vacuum chamber 2b via the support portion 10. The second antenna 4c is formed of a conductive material (metal or alloy such as copper or molybdenum) in a cylindrical shape, and the vacuum chamber 2b, the first antenna 4b, the second antenna 4c, and the stage 5b have substantially cylindrical axes. It is arranged to match. The support part 10 is also formed of a conductive material.
処理装置１ｂでは、処理装置１ａと同様に、対向する第２アンテナ４ｃの外側壁および真空室２ｂの内側壁とが、供給されるマイクロ波の導波路として機能する。さらにこれに加えて、対向する第１アンテナ４ｂの外側壁および第２アンテナ４ｃの内側壁もマイクロ波の導波路として機能する。即ち、供給されるマイクロ波は、比較的細い支持部１０によって支持された第２アンテナ４ｃの端面と真空室２ｂ内側の上壁面との間を通過し、第２アンテナ４ｂの外側壁および第２アンテナ４ｃの内側壁の間隙を伝搬する。従って、第１アンテナ４ｂおよび第２アンテナ４ｃとステージ５ｂとの間隙に、マイクロ波電力が供給される。 In the processing apparatus 1b, similarly to the processing apparatus 1a, the outer wall of the second antenna 4c and the inner wall of the vacuum chamber 2b that face each other function as a waveguide of the supplied microwave. In addition to this, the outer wall of the opposing first antenna 4b and the inner wall of the second antenna 4c also function as a microwave waveguide. That is, the supplied microwave passes between the end surface of the second antenna 4c supported by the relatively thin support portion 10 and the upper wall surface inside the vacuum chamber 2b, and the second wall of the second antenna 4b and the second wall. It propagates through the gap on the inner wall of the antenna 4c. Accordingly, microwave power is supplied to the gap between the first antenna 4b and the second antenna 4c and the stage 5b.
一方、原料ガスは、図１の処理装置１と同様に、開口部６、筒部７および貫通孔３を経由して、第１アンテナの端部の開口から供給され、第１アンテナ４ｂおよび第２アンテナ
４ｃとステージ５ｂとの間隙を放射状に流れ、下方に排気される。従って、原料ガスは、局所的な環状の流れや乱流を形成することなく、全体として比較的単純で一様な流れを形成する。
On the other hand, the source gas is supplied from the opening at the end of the first antenna via the opening 6, the cylindrical portion 7, and the through hole 3, as in the processing apparatus 1 of FIG. The air flows radially through the gap between the two antennas 4c and the stage 5b and is exhausted downward. Therefore, the raw material gas forms a relatively simple and uniform flow as a whole without forming a local annular flow or turbulent flow.
以上のことから、第１アンテナ４ｂおよび第２アンテナ４ｃとステージ５ｂとの間隙に、扁平な形状のプラズマが形成される。 From the above, a flat plasma is formed in the gap between the first antenna 4b and the second antenna 4c and the stage 5b.
また、図３に示した処理装置１ｂは、基板表面の観察に関して、図１および図２に示した処理装置１および１ａと同様の効果を奏することができる。即ち、窓部８、筒部７および貫通孔３によって基板観察用の光路が形成されるので、放射温度計９によって基板表面を観察することができる。 Further, the processing apparatus 1b shown in FIG. 3 can achieve the same effects as the processing apparatuses 1 and 1a shown in FIGS. 1 and 2 with respect to the observation of the substrate surface. That is, since the optical path for observing the substrate is formed by the window portion 8, the cylindrical portion 7, and the through hole 3, the substrate surface can be observed by the radiation thermometer 9.
以上、第１〜第３の実施の形態として本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されず、種々変更して実施することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated as 1st-3rd embodiment, this invention is not limited to these, It can implement in various changes.
例えば、上記した第１〜第３の実施の形態では、アンテナ、ステージおよび真空室の側壁が全て円筒形である場合を説明したが、これに限定されず、外部から真空室に供給されるマイクロ波を、アンテナとステージとの間隙に伝送することができる導波路として機能する形状であればよい。 For example, in the first to third embodiments described above, the case where the antenna, the stage, and the side walls of the vacuum chamber are all cylindrical has been described. However, the present invention is not limited to this, and the micro that is supplied to the vacuum chamber from the outside. Any shape that functions as a waveguide capable of transmitting a wave to the gap between the antenna and the stage may be used.
また、窓部８は、赤外線を透過することができ、ガスが外部に漏れるのを防止することができる材質であればよく、石英でなくともよい。 Moreover, the window part 8 should just be a material which can permeate | transmit infrared rays and can prevent that a gas leaks outside, and does not need to be quartz.
また、放射温度計９は、赤外線を検知して非接触で温度を測定することができる装置であればよい。 Moreover, the radiation thermometer 9 should just be an apparatus which can detect infrared rays and can measure temperature non-contactingly.
また、第３の実施の形態では、２つのアンテナを同軸状に配置する場合を説明したが、３つ以上のアンテナを同軸状に配置してもよい。 In the third embodiment, the case where two antennas are arranged coaxially has been described. However, three or more antennas may be arranged coaxially.
また、貫通孔３は、アンテナの円筒軸上になくてもよい。アンテナの外径が大きければ、形成するプラズマの分布を劣化させない範囲で、アンテナの円筒軸から離れた位置に貫通孔３を形成してもよい。 Further, the through hole 3 may not be on the cylindrical axis of the antenna. If the outer diameter of the antenna is large, the through hole 3 may be formed at a position away from the cylindrical axis of the antenna as long as the distribution of plasma to be formed is not deteriorated.
また、筒部７が１つの円筒で形成されている場合を説明したが、所定波長の赤外線の反射手段（鏡など）を間に配置して、２つ以上の円筒を接続してもよい。即ち、筒部が屈曲していても、反射手段によって筒部に沿って光路が形成されるようになっていればよい。 Moreover, although the case where the cylinder part 7 was formed with one cylinder was demonstrated, you may arrange | position two or more cylinders by arrange | positioning the reflection means (mirror etc.) of the infrared rays of a predetermined wavelength in between. That is, even if the tube portion is bent, it is sufficient that the optical path is formed along the tube portion by the reflecting means.
また、１台の真空容器内に、第１〜第３の実施の形態として示したマイクロ波プラズマ処理装置を複数備えることも可能である。 It is also possible to provide a plurality of microwave plasma processing apparatuses shown as the first to third embodiments in one vacuum vessel.
図４は、実際に製作したマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。これは、第１の実施の形態に該当する。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing an actually manufactured microwave plasma processing apparatus. This corresponds to the first embodiment.
図４に示したように、アンテナの外径ｄ１が約１００ｍｍ、ステージの外径ｄ２が約２００ｍｍ、貫通孔の内径ｄ３が約１０ｍｍ、ステージ上に搭載した基板表面とアンテナとの間隔ｇが約１０ｍｍとした。ステージの上に基板が搭載されるので、基板の厚さを考慮して、ステージに対向するアンテナの端面の形状は、中央部が窪んだ形状をしている。 As shown in FIG. 4, the outer diameter d1 of the antenna is about 100 mm, the outer diameter d2 of the stage is about 200 mm, the inner diameter d3 of the through hole is about 10 mm, and the distance g between the substrate surface mounted on the stage and the antenna is about It was 10 mm. Since the substrate is mounted on the stage, considering the thickness of the substrate, the end face of the antenna facing the stage has a recessed central portion.
このマイクロ波プラズマ処理装置のステージに直径が約２５ｍｍの基盤を搭載し、周波
数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、アンテナとステージとの間に扁平なプラズマを形成した。そして、窓から基板表面の温度を直接観測しながら、マイクロ波電力および原料ガス圧を調節し、基板上に良好なダイヤモンドを形成することができた。
A substrate having a diameter of about 25 mm was mounted on the stage of this microwave plasma processing apparatus, microwaves with a frequency of 2.45 GHz were supplied, and flat plasma was formed between the antenna and the stage. Then, while directly observing the temperature of the substrate surface from the window, the microwave power and the raw material gas pressure were adjusted, and good diamond could be formed on the substrate.
１、１ａ、１ｂ マイクロ波プラズマ処理装置
２、２ａ、２ｂ 真空室
３ 貫通孔
４、４ａ、４ｂ、４ｃ アンテナ
５、５ａ、５ｂ ステージ
６ 開口部
７ 筒部
８ 窓部
９ 放射温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b Microwave plasma processing apparatus 2, 2a, 2b Vacuum chamber 3 Through-hole 4, 4a, 4b, 4c Antenna 5, 5a, 5b Stage 6 Opening part 7 Cylinder part 8 Window part 9 Radiation thermometer
Claims (8)
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。 A vacuum chamber formed of a conductive material;
A first antenna fixed to the upper wall surface on the vacuum chamber side, having a through hole, and formed of a conductive material;
A stage disposed opposite to the first antenna and capable of mounting a substrate;
One end of the through hole is connected to the outside of the vacuum chamber,
The other end of the through hole is located on the surface of the first antenna facing the stage;
A source gas for plasma is supplied from the one end of the through hole to the gap between the first antenna and the stage through the other end,
A first space formed between the outer wall of the stage and the inner wall of the vacuum chamber, or a second space formed between the outer wall of the first antenna and the inner wall of the vacuum chamber. Using either one as a waveguide, microwaves are supplied from the outside of the vacuum chamber through a path different from the source gas, and plasma is generated in the gap between the first antenna and the stage,
The plasma is flat such that the distance between the first antenna and the stage is not more than 1/10 of the free space wavelength of the microwave, and the outer diameter of the first antenna is not less than a half wavelength of the free space of the microwave. Plasma,
A microwave plasma processing apparatus, wherein the surface of the substrate mounted on the stage can be observed through the through hole.
前記貫通孔の前記他端が、前記ステージの円筒軸上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The outer wall of the stage forming the first space and the inner wall of the vacuum chamber are each cylindrical, and are arranged so that the cylinder axes coincide with each other,
The microwave plasma processing apparatus according to claim 2, wherein the other end of the through hole is formed on a cylindrical axis of the stage.
前記貫通孔の前記他端が、前記第１アンテナの円筒軸上に形成されていることを特徴と
する請求項４に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The outer wall of the antenna forming the second space and the inner wall of the vacuum chamber are each formed in a cylindrical shape, and are arranged so that the cylindrical axes coincide with each other,
The microwave plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the other end of the through hole is formed on a cylindrical axis of the first antenna.
前記第２アンテナが前記第１アンテナの外側に配置され、
前記第１アンテナの外側壁および前記第２アンテナの内側壁と、前記第２アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁とが、それぞれ前記マイクロ波の導波路を形成することを特徴とする請求項４または５に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 A second antenna that is disposed at a predetermined distance from the upper wall surface on the vacuum chamber side and is formed of a conductive material;
The second antenna is disposed outside the first antenna;
The outer wall of the first antenna and the inner wall of the second antenna, and the outer wall of the second antenna and the inner wall of the vacuum chamber each form a waveguide of the microwave. Item 6. The microwave plasma processing apparatus according to Item 4 or 5.
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