JP6341565B2

JP6341565B2 - プラズマキャビティ用フランジ、プラズマキャビティ及びプラズマｃｖｄ装置

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Publication number: JP6341565B2
Application number: JP2014137415A
Authority: JP
Inventors: 小泉　聡; 聡小泉; 亮太大谷; 山本　卓; 卓山本
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: JP2016015429A

Description

本発明は、プラズマキャビティ用フランジ、プラズマキャビティ及びプラズマＣＶＤ装置に関する。

近年、ダイヤモンドは、トランジスタ、深紫外発光・受光素子、電子エミッタなどの各種電子デバイスの材料として注目されている。特に、高電圧で安定であるのでパワー半導体の材料として注目されている。

ダイヤモンドに不純物をドープして、ｐ型又はｎ型のダイヤモンド半導体を作成することが検討されている。例えば、ｐ型ダイヤモンド半導体（特許文献１〜３）、ｎ型ダイヤモンド半導体（特許文献４〜６）の報告がある。ｐ型及びｎ型のダイヤモンド半導体を組み合わせることにより、ダイヤモンドのみからなるｐｎデバイスやｐｉｎデバイスを作製できる。

通常、プラズマＣＶＤ法を用い、ダイヤモンドを気相成長させる際に、ｎ型又はｐ型不純物のドープ量を制御して、ｎ型又はｐ型ダイヤモンドを作製する。
この方法では、ホウ素（Ｂ）のようなｐ型不純物をダイヤモンドにドープすることは容易であるが、リン（Ｐ）のようなｎ型不純物をダイヤモンドにドープすることは困難であった。

ドープできなかった原料ガス中のリン（Ｐ）は、装置のチャンバー内部壁面に付着しまい、チャンバー内を汚した。この汚れは、ダイヤモンド半導体の純度を悪化させ、半導体特性を劣化させた。そのため、チャンバー内部壁面の汚れを完全に除去する清掃工程を要し、生産プロセスを悪化させた。

プラズマＣＶＤ装置については、低または中電流型の注入装置を用いる高エネルギーの注入方法およびこれに対応する装置が開示されている。プラズマキャビティと固定フランジを備える構成であるが、しかし、この構成でも、上記課題を解決できない（特許文献７）。

特開２０１３−６７５４１号公報特開２０１１−２２５４４０号公報特開２００６−１７３３１３号公報特開２０１３−６７５４１号公報特開２０１１−２２５４４０号公報特開２０１１−１７６３６０号公報特表平８−５１１６５８号公報

本発明は、原料ガス中のリン（Ｐ）をダイヤモンド膜内に高効率で導入可能なプラズマキャビティ用フランジ、プラズマキャビティ及びプラズマＣＶＤ装置を提供することを課題とする。

本発明者は、上記事情を鑑みて、試行錯誤することにより、プラズマキャビティ内のガスの流れに着目し、基板を配置するフランジであって、プラズマキャビティの下部に配置するものに、フランジ平面視中心の基板配置領域をなるべく密接して取り囲むようにリング状のガス排出領域を形成し、ガス排出領域において複数の平面視円形状の孔部を形成することにより、プラズマキャビティ上部から基板に向けて噴出されたガスが、基板表面にあたってから、孔部から、速やかにプラズマキャビティ外部へ排出され、基板上にダイヤモンドが成膜されるときに、原料ガス内のリン（Ｐ）が効率よく膜内に取り込まれること、また、隣接する孔部の中心点間隔が少なくとも５．５ｍｍ以上とされているので、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、膜の均一性を向上させることができことから、原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よくダイヤモンドにドープすることを可能であり、低抵抗化したｎ型ダイヤモンド層を形成して、高効率のダイヤモンド半導体電子デバイスを作製できることを見出して、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。

（１）略円板状のプラズマキャビティ用フランジであって、外周側面部が、２枚の円板部材が空間部を介して対面配置されたマイクロ波反射形状とされており、一の円板部材の平面視中心を基板中心点とする平面視円状領域が基板配置領域とされており、前記基板配置領域を囲むように平面視リング状のガス排出領域が設けられており、前記ガス排出領域内に６以上の平面視円状の孔部が設けられており、前記孔部の直径は６ｍｍ以下であり、基板中心点に対して点対称に設けられており、かつ、隣接する孔部の中心点間隔が少なくとも５．５ｍｍ以上とされていることを特徴とするプラズマキャビティ用フランジ。

（２）円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられていることを特徴とする（１）に記載のプラズマキャビティ用フランジ。
（３）円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上にも孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられていることを特徴とする（１）又は（２）に記載のプラズマキャビティ用フランジ。
（４）円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上にも孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のプラズマキャビティ用フランジ。

（５）円筒容器を有するプラズマキャビティであって、前記円筒容器の一端側の開口部が石英窓板でふさがれており、前記開口部の近傍に噴射口が設けられており、前記円筒容器の他端側の開口部に、一の円板部材の一面が前記円筒容器の軸方向と垂直となるように、かつ、前記円筒容器の内壁から外周側面部を離間して、（１）〜（４）のいずれかに記載のプラズマキャビティ用フランジが配置されていることを特徴とするプラズマキャビティ。

（６）開口部を備えた成膜用チャンバーと、前記開口部を塞ぐ蓋板と、前記蓋板に取り付けたガス導入管と、前記蓋板の一面と円筒容器の軸方向を垂直にし、前記蓋板に石英窓板を嵌合させ、前記蓋板に取り付けた（５）に記載のプラズマキャビティと、前記石英窓板に一端側を接続したマイクロ波導入管と、前記マイクロ波導入管の他端側に接続したマイクロ波発生装置と、前記成膜用チャンバーの開口部の反対側の近傍に取り付けたガス排気管と、を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

本発明のプラズマキャビティ用フランジは、略円板状のプラズマキャビティ用フランジであって、外周側面部が、２枚の円板部材が空間部を介して対面配置されたマイクロ波反射形状とされており、一の円板部材の平面視中心を基板中心点とする平面視円状領域が基板配置領域とされており、前記基板配置領域を囲むように平面視リング状のガス排出領域が設けられており、前記ガス排出領域内に６以上の平面視円状の孔部が設けられており、前記孔部の直径は６ｍｍ以下であり、基板中心点に対して点対称に設けられており、かつ、隣接する孔部の中心点間隔が少なくとも５．５ｍｍ以上とされている構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明のプラズマキャビティは、円筒容器を有するプラズマキャビティであって、前記円筒容器の一端側の開口部が石英窓板でふさがれており、前記開口部の近傍に噴射口が設けられており、前記円筒容器の他端側の開口部に、一の円板部材の一面が前記円筒容器の軸方向と垂直となるように、かつ、前記円筒容器の内壁から外周側面部を離間して、先に記載のプラズマキャビティ用フランジが配置されている構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明のプラズマＣＶＤ装置は、開口部を備えた成膜用チャンバーと、前記開口部を塞ぐ蓋板と、蓋板に取り付けたガス導入管と、前記蓋板の一面と前記円筒容器の軸方向を垂直にし、前記蓋板に石英窓板を嵌合させ、前記蓋板に取り付けた先に記載のプラズマキャビティと、前記石英窓板に一端側を接続したマイクロ波導入管と、前記マイクロ波導入管の他端側に接続したマイクロ波発生装置と、前記成膜用チャンバーの開口部の反対側の近傍に取り付けたガス排気管と、を有する構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略図であって、全体概略図（ａ）及び蓋板の内部構造図（ｂ）である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティの一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの一例を示す概略図であって、平面図（ａ）と、側面図（ｂ）である。プラズマキャビティ内の原料ガスの流れの一例を示す説明図であって、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジを用いた場合（ａ）と、従来のフランジを用いた場合（ｂ）である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの更に別の一例を示す概略図である。本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの更に別の一例を示す概略図である。作製した実施例１のステージ（チョークフランジ）の平面図である。得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。実施例２のステージの平面図である。得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。リンドープダイヤモンド薄膜中のリン濃度と原料ガス中のＰＨ_３濃度の関係を示すグラフである。比較例１のステージ（チョークフランジ）の平面図である。得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。貫通孔の列数とリン（Ｐ）取り込み効率との関係を示すグラフである。

（プラズマＣＶＤ装置）
まず、本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略図であって、全体概略図（ａ）及び蓋板の内部構造図（ｂ）である。
本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１は、エンドランチ型マイクロ波プラズマＣＶＤ装置である。
図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１は、開口部２８ａを備えた成膜用チャンバー２８と、開口部２８ａを塞ぐ蓋板１８と、蓋板１８に取り付けたガス導入管（Ｇａｓｉｎｌｅｔ）１７と、蓋板１８の一面と円筒容器３０の軸方向を垂直にし、蓋板１８に石英窓板（Ｑｕａｒｔｚｗｉｎｄｏｗ）３６を嵌合させ、蓋板１８に取り付けたプラズマキャビティ（Ｐｌａｓｍａｃａｖｉｔｙ）２９と、石英窓板３６に一端側を接続したマイクロ波導入管１５と、マイクロ波導入管１５の他端側に接続したマイクロ波発生装置（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１１と、前記成膜用チャンバーの開口部の反対側の近傍に取り付けたガス排気管と、を有する。

成膜用チャンバー２８は、開口部２８ａと連通する空洞部２８ｃを有している。空洞部２８ｃ内にプラズマキャビティ２９が保持されている。
成膜用チャンバー２８の空洞部２８ｃには、ゲートバルブ（Ｇａｔｅｖａｌｖｅ）２５を介して、ロードロックチャンバー１９が接続されている。

ゲートバルブ２５を閉じた状態で、ガス排気管に接続されたターボ分子ポンプ（図示略）により、内部を排気することにより、内部を到達真空度２×１０^１０Ｔｏｒｒ程度に減圧可能とされている。ロードロックチャンバー１９にも、別の排気管（Ｅｘｈａｕｓｔ）２６を介して、ターボ分子ポンプ（図示略）により、到達真空度２×１０^１０Ｔｏｒｒ程度に減圧可能とされている。

プラズマキャビティ用フランジ３１には基板ホルダー（Ｓａｍｐｌｅｈｏｌｄｅｒ）３３が設置され、基板ホルダー３３に基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）３４が配置可能とされている。

ロードロックチャンバー１９には、水平方向に移動可能な水平移動棒（Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｏｄ）２７が取り付けられている。
また、プラズマキャビティ用フランジ３１は垂直方向に移動（Ｌｉｎｅｒｍｏｔｉｏｎ）自在な垂直移動棒３２で支えられている。

垂直移動棒３２により、プラズマキャビティ用フランジ３１を下げた状態で、ゲートバルブ２５を開け、水平移動棒２７に取り付けた基板を水平方向に移動して、プラズマキャビティ用フランジ３１上の基板ホルダー３３に設置することができる。その後、水平移動棒２７を引き戻し、ゲートバルブを閉め、垂直移動棒３２を上げることにより、基板をプラズマキャビティ内の所定の位置に配置できる。

図１（ｂ）に示すように、ガス導入管１７は、噴射口３７が８つ設けられたリング状の管１７ｃに接続されている。基板方向に向けた原料ガスの噴射口３７が８つ等間隔で点対称となるように設けられている。これにより、原料ガスを基板方向に向けて噴射することができる。噴射された原料ガスは、原料ガスはプラズマキャビティ２９内を通過し、成膜用チャンバー２８の空洞部２８ｃからガス排気管２３を介して外部に排気される。

原料ガスがガス導入管１７を通ってリング状の管１７ｃへと入る。このリング状の管１７ｃは蓋板１８の中に、蓋板１８の円周に沿うように完全に内蔵されている。このリング状の管１７ｃから、キャビティ円筒３０の内壁に８つの導入ラインがさらに伸びていて、キャビティ内壁に８つの噴射口３７を形成している。

マイクロ波導入管１５には、ＴＥ−ＴＭモード変換器が設けられている。マイクロ波発生装置１１で発生させたマイクロ波は、チューナー１２で制御されて、マイクロ波導入管１５内を移動し、マイクロ波のＴＥモードをＴＭモードに変換し、石英窓部３６を通過して、プラズマキャビティ２９内に導入される。これにより、プラズマキャビティ２９内でプラズマ（Ｐｌａｓｍａ）３５を発生させることができる。

放射温度計（Ｒａｄｉａｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ）１４では、プリズム（Ｐｒｉｓｍ）１３及び石英窓部３６を介して、プラズマキャビティ２９内のプラズマ３５の様子を観測できる。

（プラズマキャビティ）
次に、本発明の実施形態であるプラズマキャビティについて説明する。
図２は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティの一例を示す概略図である。
図２に示すように、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ２９は、円筒容器３０を有するプラズマキャビティであって、円筒容器３０の一端側の開口部が石英窓板３６でふさがれており、前記開口部の近傍に噴射口３７が設けられており、円筒容器３０の他端側の開口部に、一の円板部材の一面が前記円筒容器３０の軸方向と垂直となるように、かつ、円筒容器３０の内壁から外周側面部を離間して、プラズマキャビティ用フランジ３１が配置されている。

（プラズマキャビティ用フランジ）
まず、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジについて説明する。
図３は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの一例を示す概略図であって、平面図（ａ）と、側面図（ｂ）である。
図３（ｂ）に示すように、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ３１は、略円板状のプラズマキャビティ用フランジである。外周側面部４１が、２枚の円板部材４１ａ、４１ｂが空間部を介して対面配置されたマイクロ波反射形状とされている。プラズマキャビティ用フランジ３１は、垂直移動棒３２で支えられており、上下移動自在とされている。

図３（ａ）に示すように、一の円板部材４１ａの平面視中心を基板中心点Ｏとする平面視円状領域が基板配置領域４３とされており、基板配置領域４３を囲むように平面視リング状のガス排出領域４４が設けられている。基板配置領域４３に基板ホルダー３３が設置される。

ガス排出領域４４内に６以上の平面視円状の孔部４５が設けられている。
孔部４５の直径は６ｍｍ以下である。これにより、マイクロ波をプラズマキャビティ内に閉じ込めることができる。６ｍｍ超とすると、マイクロ波を閉じ込められない場合が生じる。

孔部４５は、基板中心点Ｏに対して点対称に設けられている。これにより、基板正面にあたり、外部に排出されるガスの流れを等方的にでき、リン（Ｐ）を面内で均一にドープできる。点対象としない場合は、Ｐの面内分布が不均一となる場合が生じる。

また、隣接する孔部４５の中心点間隔ｄ４５が少なくとも７．５ｍｍ以上とされている。これにより、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、膜の均一性を向上させることができる。
例えば、円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように、２２．５°間隔で、１６個の孔部４５を等間隔で設ける。

以上の構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。また、原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。また、フランジの剛直性を確保して、基板３４を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図４は、プラズマキャビティ内の原料ガスの流れの一例を示す説明図であって、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジを用いた場合（ａ）と、従来のフランジを用いた場合（ｂ）である。
プラズマキャビティ２９の複数の噴射口３７から噴出させた原料ガスＧはプラズマ３５と反応し、基板３４上に堆積してダイヤモンド膜を形成する。このとき、反応に関与しなかった原料ガスＧは、プラズマキャビティ用フランジ３１に設けられた孔部４５から効率的に排出される。このように原料ガスＧの流れを制御することにより、不純物を効率よく取り込んでダイヤモンド薄膜を形成できる。なお、プラズマキャビティ用フランジ３１の外周側面部の隙間からもわずかに原料ガスＧは排出されるが、原料ガスＧの流れにほとんど影響しない。

比較のために、孔部を形成していない従来のフランジを用いた場合の原料ガスＧの流れを説明する。原料ガスＧは基板３４方向に噴出されるが、プラズマ３５と反応した後、原料ガスＧは壁面方向に流れ、フランジの外周側面部の隙間からのみ排出される。このため、基板３４上に原料ガスＧを効率よく流すことができず、基板成長が遅くなるとともに、不純物の取り込み効率も低くなる。

図５は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域５３を囲むように平面視リング状のガス排出領域５４が設けられ、ガス排出領域５４内に６以上の平面視円状の孔部５５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。また、原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。
また、隣接する孔部５５の中心点間隔ｄ５５が少なくとも８．９ｍｍ以上とされている。フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図６は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上にも孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域６３を囲むように平面視リング状のガス排出領域６４が設けられ、ガス排出領域６４内に６以上の平面視円状の孔部６５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。また、原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。
また、隣接する孔部６５の中心点間隔ｄ６５が少なくとも１０．９ｍｍ以上とされている。フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図７は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられ、かつ、円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域７３を囲むように平面視リング状のガス排出領域７４が設けられ、ガス排出領域７４内に６以上の平面視円状の孔部７５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。
また、隣接する孔部７５の中心点間隔ｄ７５が少なくとも５．５ｍｍ以上とされている。原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。また、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図８は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられ、かつ、円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域８３を囲むように平面視リング状のガス排出領域８４が設けられ、ガス排出領域８４内に６以上の平面視円状の孔部８５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。
また、隣接する孔部８５の中心点間隔ｄ８５が少なくとも７．５ｍｍ以上とされている。原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。また、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図９は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられ、かつ、円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域９３を囲むように平面視リング状のガス排出領域９４が設けられ、ガス排出領域９４内に６以上の平面視円状の孔部９５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。
また、隣接する孔部９５の中心点間隔ｄ９５が少なくとも７．０ｍｍ以上とされている。原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。また、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

図１０は、本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジの更に別の一例を示す概略図である。
円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられ、円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられ、かつ、円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている。
基板配置領域１０３を囲むように平面視リング状のガス排出領域１０４が設けられ、ガス排出領域１０４内に６以上の平面視円状の孔部１０５が設けられる構成により、マイクロ波を効率よく閉じ込めることができる。
また、隣接する孔部１０５の中心点間隔ｄ１０５が少なくとも５．５ｍｍ以上とされている。原料ガス内のリン（Ｐ）を効率よく膜内に取り込むことができる。また、フランジの剛直性を確保して、基板を安定に保つことができ、ダイヤモンド膜の均一性を向上させることができる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ３１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１は、略円板状のプラズマキャビティ用フランジであって、外周側面部４１が、２枚の円板部材４１ａ、４１ｂが空間部を介して対面配置されたマイクロ波反射形状とされており、一の円板部材４１ａの平面視中心を基板中心点とする平面視円状領域が基板配置領域４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３とされており、前記基板配置領域を囲むように平面視リング状のガス排出領域４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４が設けられており、前記ガス排出領域内に６以上の平面視円状の孔部４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５が設けられており、前記孔部の直径は６ｍｍ以下であり、基板中心点Ｏに対して点対称に設けられており、かつ、隣接する孔部の中心点間隔ｄ４５、ｄ５５、ｄ６５、ｄ７５、ｄ８５、ｄ９５、ｄ１０５が少なくとも５．５ｍｍ以上とされている構成なので、基板表面を通過するガスの流れを多くするように制御でき、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ５１、７１、９１、１０１は、円板平面中心から２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ３１、７１、８１、１０１は、円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下の同心円上にも孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ６１、８１、９１、１０１は、円板平面中心から２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上にも孔部中心が位置するように複数の孔部が設けられている構成なので、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ２９は、円筒容器３０を有するプラズマキャビティであって、前記円筒容器の一端側の開口部が石英窓板３６でふさがれており、前記開口部の近傍に噴射口３７が設けられており、前記円筒容器の他端側の開口部に、一の円板部材４１ａの一面が前記円筒容器の軸方向と垂直となるように、かつ、前記円筒容器の内壁から外周側面部４１を離間して、先に記載のプラズマキャビティ用フランジ３１が配置されている構成なので、基板表面を通過するガスの流れを多くするように制御でき、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１は、開口部２８ａを備えた成膜用チャンバー２８と、前記開口部を塞ぐ蓋板１８と、蓋板に取り付けたガス導入管１７と、前記蓋板の一面と円筒容器３０の軸方向を垂直にし、前記蓋板に石英窓板３６を嵌合させ、前記蓋板に取り付けたプラズマキャビティ２９と、前記石英窓板に一端側を接続したマイクロ波導入管１５と、前記マイクロ波導入管の他端側に接続したマイクロ波発生装置１１と、前記成膜用チャンバーの開口部の反対側の近傍に取り付けたガス排気管２３と、を有する構成なので、基板表面を通過するガスの流れを多くするように制御でき、原料ガス中のリン（Ｐ）を高効率でダイヤモンド膜内に導入できる。

本発明の実施形態であるプラズマキャビティ用フランジ、プラズマキャビティ及びプラズマＣＶＤ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜ステージ（チョークフランジ）作製＞
まず、実施例１のステージ（チョークフランジ）を作製した。ステージ（チョークフランジ）の円板平面中心から２３ｍｍの同心円上の位置に、中心点で点対象となるように、直径６ｍｍの貫通穴を、貫通穴：間隙面積比＝１：１となるように、１６個開けて、実施例１のステージ（チョークフランジ）を作製した。間隙面積は、外周側面部と円筒内壁との平面視間隙の面積である。
図１１は、作製した実施例１のステージ（チョークフランジ）の平面図である。

＜リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の作製＞
以下のようにして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の作製を行った。
まず、本発明の実施形態で示した独自のエンドランチ型マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のチャンバー内部のプラズマキャビティの下部に実施例１のステージを配置した。
次に、ターボ分子ポンプにより、チャンバー内部を排気して、到達真空度２×１０^１０Ｔｏｒｒ程度に減圧した。
次に、垂直移動棒により、実施例１のステージを下げた。
次に、ゲートバルブを開け、ロードロックチャンバーに入れたＩｂ型ダイヤモンド｛１１１｝基板を、水平移動棒により、ステージ（チョークフランジ）の基板配置部にセットした。
次に、実施例１のステージを上げ、プラズマキャビティ内の所定の位置に基板を配置した。

次に、プラズマキャビティ上部に８箇所、等方的に配置された直径２ｍｍのポートから、原料ガスを圧力１００Ｔｏｒｒで、メタン濃度ＣＨ_４／Ｈ_２は０．０５％、Ｈ_２希釈ＰＨ_３（希釈率ＰＨ_３／Ｈ_２濃度比１００ｐｐｍ）を用い、原料ガス中におけるリン濃度（ＰＨ_３／ＣＨ_４濃度比）は１００ｐｐｍとして、原料ガスを導入し、下部から排出した。

次に、マイクロ波を出射して、プラズマキャビティ内にプラズマを発生させ、基板温度を９１５−９３０oＣとなるようにマイクロ波出力を調整して基板表面にリンドープダイヤモンド薄膜の合成を行った。

図１２は、得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。図１２から、ダイヤモンドへのリン（Ｐ）濃度は、８×１０^１６ｃｍ^−３となった。
チョークフランジ・キャビティ内壁の間隙だけでなく、貫通孔もガスを排出させたので、原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は０．４７％となった。

（実施例２）
＜ステージ（チョークフランジ）作製＞
次に、実施例２のステージ（チョークフランジ）を作製した。
まず、ステージ（チョークフランジ）の円板平面中心から２３ｍｍの同心円上の位置に、基板中心点で点対象となるように、直径６ｍｍの貫通穴を１６個開けた。
次に、円板平面中心から１９．２５ｍｍの同心円上の位置に、基板中心点で点対象となるように、直径４ｍｍの貫通穴を１６個開けた。
次に、円板平面中心から２３ｍｍの同心円上の位置に、基板中心点で点対象となるように、直径６ｍｍの貫通穴を、１６個開けた。
貫通穴の合計面積：間隙面積比＝２：１となるようにした。
以上により、実施例２のステージ（チョークフランジ）を作製した。
図１３は、実施例２のステージの平面図である。

＜リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の作製＞
次に、実施例２のステージを用いた他は実施例１と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。

図１４は、得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。図１４から、ダイヤモンドへのリン（Ｐ）濃度は、８．５×１０^１７ｃｍ^−３となった。
チョークフランジ・キャビティ内壁の間隙だけでなく、貫通孔もガスを排出させたので、原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は５％となった。

（実施例２−２）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を４００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、２．３×１０^１８ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は３．２７％であった。

（実施例２−３）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を４００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、７．１×１０^１８ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は１０．１％であった。

（実施例２−４）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、１．１×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は６．２５％であった。

（実施例２−５）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、１．４×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は７．９５％であった。

（実施例２−６）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を４０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、５．４×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は７．６７％であった。

（実施例２−７）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を４０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、７．４×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は１０．５％であった。

（実施例２−８）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、５．５×１０^１７ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は３．１３％であった。

（実施例２−９）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、７×１０^１７ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は３．９８％であった。

（実施例２−１０）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、５．８×１０^１８ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は３．３％であった。

（実施例２−１１）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１００００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、９×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は５．１１％であった。

（実施例２−１２）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１００００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、６．５×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は３．６９％であった。

（実施例２−１３）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、２×１０^１７ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は１．１４％であった。

（実施例２−１４）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を４０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、３．６×１０^１９ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は５．１１％であった。

（実施例２−１５）
次に、ＣＨ_４ガス中のＰＨ_３濃度を１０００ｐｐｍとした他は実施例２と同様にして、リンドープｎ型ダイヤモンドＣＶＤ薄膜の合成を行った。ＳＩＭＳ測定から、ダイヤモンド薄膜中のリン（Ｐ）濃度は、８．８×１０^１８ｃｍ^−３となった。原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は５．１８％であった。

図１５は、（実施例２）および（実施例２−２）から（実施例２−１５）をまとめたリンドープダイヤモンド薄膜中のリン濃度と原料ガス中のＰＨ_３濃度の関係を示すグラフである。貫通穴：間隙面積比＝２：１の場合において、ガス中のＰＨ_３濃度を１００ｐｐｍから１００００ｐｐｍへ変化させるのに従い、ダイヤモンド膜中のリン濃度はほぼ比例して増加した。

（比較例１）
図１６は、比較例１のステージ（チョークフランジ）の平面図である。
貫通穴なしのステージ（チョークフランジ）（比較例１）を用いた他は実施例１と同様にして、リンドープダイヤモンド薄膜の合成を行った。

図１７は、得られたダイヤモンド薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。図１７から、ダイヤモンドへのリン（Ｐ）濃度は、約８×１０^１５ｃｍ^−３となった。
チョークフランジ・キャビティ内壁の間隙だけでガスを排出させたので、原料ガス中のリン（Ｐ）の取り込み効率は約０．０５％であった。

次に、比較例１、実施例１、２−１のＳＩＭＳ結果に基づいて、貫通孔の列数とリン（Ｐ）取り込み効率との関係を棒グラフにまとめた。
図１８は、貫通孔の列数とリン（Ｐ）取り込み効率との関係を示すグラフである。
３列が高い効率を示した。すなわち、貫通孔：間隙面積比が大きいほど高い効率を示した。

（試験例１）
有限要素法により、チャンバー内のガス流のシミュレーション実験を行った。
シミュレーション実験の結果、チョークフランジに貫通穴が存在する場合、キャビティ上部からプラズマ領域を経て基板表面に達する部分のガス流束が大きくなることが判明した。

プラズマ領域を経て基板表面に達する部分のガス流束が大きくなることにより、貫通穴により上部から下部へのガス流束がスムーズになり、プラズマ熱による対流の影響を抑えながら、ＰＨ_３分子をプラズマ領域への供給できる。これにより、ドーパントを含む気相種の基板表面への到達が促進され、ダイヤモンド膜へのリン原子の取り込み効率が向上したものと推察した。

本発明のプラズマキャビティ用フランジ、プラズマキャビティ及びプラズマＣＶＤ装置は、原料ガス中のリン（Ｐ）をダイヤモンド膜内に高効率で導入可能であるので、ダイヤモンド半導体製造産業、パワーデバイス製造産業等において利用可能性がある。

１…プラズマＣＶＤ装置、１１…マイクロ波発生装置、１２…チューナー、１３…プリズム、１４…放射サーモメータ―、１５…マイクロ波導入管、１７…ガス導入管、１７ｃ…リング状の管、１８…蓋部、１９…ロードロックチャンバー、２３…ガス排気管、２５…ゲートバルブ、２６…ガス排気管、２７…水平移動棒、２８…成膜用チャンバー、２８ａ…開口部、２８ｃ…空洞部、２９…プラズマキャビティ、３０…円筒容器、３１…プラズマキャビティ用フランジ、３２垂直移動棒、３３…基板ホルダー、３４…基板、３５…プラズマ、３６…石英窓部、３７…噴射口、４１…外周側面部、４１ａ…円板部材、４１ｂ…円板部材、４３…基板配置領域、４４…ガス排出領域、４５…孔部、５１…外周側面部、５３…基板配置領域、５４…ガス排出領域、５５…孔部、６１…外周側面部、６３…基板配置領域、６４…ガス排出領域、６５…孔部、７１…外周側面部、７３…基板配置領域、７４…ガス排出領域、７５…孔部、８１…外周側面部、８３…基板配置領域、８４…ガス排出領域、８５…孔部、９１…外周側面部、９３…基板配置領域、９４…ガス排出領域、９５…孔部、１０１…外周側面部、１０３…基板配置領域、１０４…ガス排出領域、１０５…孔部、Ｇ…原料ガス。

Claims

略円板状のプラズマキャビティ用フランジであって、
外周側面部が、２枚の円板部材が空間部を介して対面配置されたマイクロ波反射形状とされており、
一の円板部材の平面視中心を基板中心点とする平面視円状領域が基板配置領域とされており、
前記基板配置領域を囲むように平面視リング状のガス排出領域が設けられており、
前記ガス排出領域内に６以上の平面視円状の孔部が設けられており、
前記孔部の直径は６ｍｍ以下であり、基板中心点に対して点対称に設けられており、
隣接する孔部の中心点間隔が少なくとも５．５ｍｍ以上とされており、
かつ、円板平面中心から１９ｍｍ以上２０ｍｍ以下、２２ｍｍ以上２４ｍｍ以下、または２７ｍｍ以上２９ｍｍ以下の同心円上に孔部中心が位置するように複数の上記孔部が設けられていることを特徴とするプラズマキャビティ用フランジ。
円筒容器を有するプラズマキャビティであって、
前記円筒容器の一端側の開口部が石英窓板でふさがれており、
前記開口部の近傍に噴射口が設けられており、
前記円筒容器の他端側の開口部に、一の円板部材の一面が前記円筒容器の軸方向と垂直となるように、かつ、前記円筒容器の内壁から外周側面部を離間して、請求項１に記載のプラズマキャビティ用フランジが配置されていることを特徴とするプラズマキャビティ。
開口部を備えた成膜用チャンバーと、
前記開口部を塞ぐ蓋板と、
蓋板に取り付けたガス導入管と、
前記蓋板の一面と円筒容器の軸方向を垂直にし、前記蓋板に石英窓板を嵌合させ、前記蓋板に取り付けた請求項２に記載のプラズマキャビティと、
前記石英窓板に一端側を接続したマイクロ波導入管と、
前記マイクロ波導入管の他端側に接続したマイクロ波発生装置と、
前記成膜用チャンバーの開口部の反対側の近傍に取り付けたガス排気管と、
を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。