JP7032554B2 - Microwave plasma processing equipment - Google Patents
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Description
この発明は、容器内に複数のマイクロ波を供給してプラズマを生成する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 that supplies a plurality of microwaves into a container to generate plasma.
ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ材料であり、高絶縁破壊電界強度、高キャリア移動度等の優れた半導体特性を持っている。このため、ダイヤモンドは、将来のパワーデバイス材料として強く期待されている。また、ダイヤモンドは、固体材料の中で最も高い熱電動率を持つことから、高出力電子デバイスのヒートシンク及び基板材料としても利用することができる。
ダイヤモンドを用いた電子デバイスを製品化するにあたって、少なくとも直径が100mm以上の大型のダイヤモンド基板を効率的に形成する技術が望まれている。ダイヤモンド基板の形成に最適な方法の1つは、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法である。Diamond is a wide bandgap material and has excellent semiconductor properties such as high dielectric breakdown electric field strength and high carrier mobility. For this reason, diamond is highly expected as a future power device material. In addition, since diamond has the highest thermoelectricity among solid materials, it can also be used as a heat sink and a substrate material for high-power electronic devices.
In commercializing an electronic device using diamond, a technique for efficiently forming a large diamond substrate having a diameter of at least 100 mm or more is desired. One of the most suitable methods for forming a diamond substrate is a microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
例えば、マイクロ波プラズマCVD法を用いる従来のマイクロ波給電式材料プラズマ処理システムでは、複数の固体マイクロ波発生装置が電力供給源として使用されている。これらの固体マイクロ波発生装置から発生するマイクロ波がアンテナアレイを介して、反応容器内へ放出される。そして、これらのマイクロ波の位相及び振幅が制御されることにより、アンテナアレイから発生する電磁界の反応容器内における分布が制御される(例えば、特許文献1参照)。 For example, in a conventional microwave-fed material plasma processing system using a microwave plasma CVD method, a plurality of solid-state microwave generators are used as power supply sources. The microwaves generated from these solid microwave generators are emitted into the reaction vessel via the antenna array. By controlling the phase and amplitude of these microwaves, the distribution of the electromagnetic field generated from the antenna array in the reaction vessel is controlled (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1に開示されているマイクロ波プラズマ処理装置によりダイヤモンド基板を形成する場合、基板上のプラズマと接触している領域の位置と、プラズマと接触していない領域の位置とが絶えず変化する。プラズマの移動速度によっては、基板上のある点において、プラズマが通過してから再びプラズマが到来するまでの間に、ダイヤモンド基板の形成に寄与する化学活性種が失活することがある。これにより、ダイヤモンド結晶の連続的な成長が妨げられる虞があった。
However, when the diamond substrate is formed by the microwave plasma processing apparatus disclosed in
この発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、大型の基板をより効率的に形成することが可能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 to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a microwave plasma processing apparatus capable of forming a large substrate more efficiently.
この発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、容器、容器内に複数のマイクロ波を供給するマイクロ波供給部、及び容器内に供給される複数のマイクロ波の位相を制御することによって、容器内に生成されるプラズマを、容器内に配置されている基材上において、容器内に発生する化学活性種の寿命以上の周期且つ基材上の任意の点における化学活性種が失活する前に次のプラズマが到来するような周期で、周期的に移動させる制御部を備え、プラズマの直径は、基材の直径よりも小さいことを特徴とする。 In the microwave plasma processing apparatus according to the present invention, the container, the microwave supply unit that supplies a plurality of microwaves in the container, and the phase of the plurality of microwaves supplied in the container are controlled in the container. The generated plasma is applied to the substrate placed in the container at a period longer than the lifetime of the chemically active species generated in the container and before the chemically active species is deactivated at any point on the substrate. It is provided with a control unit that periodically moves the plasma in such a cycle that the plasma arrives , and the diameter of the plasma is smaller than the diameter of the base material.
この発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、大型の基板をより効率的に形成することができる。 According to the microwave plasma processing apparatus according to the present invention, a large substrate can be formed more efficiently.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、容器としての真空容器11、基板支持台12、原料ガス供給路13、排気通路14、マイクロ波供給部20及び制御部30を備えている。Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the microwave
真空容器11の形状は円筒形である。真空容器11は、入射窓15を有している。基板支持台12の形状は、円板状であり、真空容器11内に設けられている。基板支持台12には、ダイヤモンド基板を形成するための基材40が載せられている。
The shape of the
原料ガス供給路13は、真空容器11の側壁に設けられている。原料ガスは、原料ガス供給路13を通じて、真空容器11の外部から真空容器11内に供給される。排気通路14は、真空容器11の側壁に設けられている。排気通路14は、図示しない真空ポンプと接続されている。真空ポンプが作動することにより、真空容器11内のガスが排気通路14を通って排気される。
The raw material
入射窓15は、真空容器11の上面に設けられている。入射窓15の形状は、円板状である。入射窓15の材料としては、石英ガラス、アルミナ等が用いられている。入射窓15は、マイクロ波を透過するようになっている。
The
マイクロ波供給部20は、マイクロ波発生源21、分配器22、複数の位相器23、複数の増幅器24、複数のアンテナ25及び複数の同軸線26を有している。マイクロ波供給部20は、真空容器11内に複数のマイクロ波を供給する。
The
マイクロ波発生源21は、中心周波数2.45GHzのマイクロ波を発生する。マイクロ波発生源21は、同軸線26を介して、分配器22と接続されている。
The
分配器22は、同軸線26を介して、複数の位相器23とそれぞれ接続されている。分配器22は、マイクロ波発生源21から発生したマイクロ波を、複数の位相器23に分配する。各位相器23は、分配器22から出力されたマイクロ波の位相を個別に変更する。
The
各位相器23の出力部は、同軸線26を介して、各位相器23に対応する各増幅器24の入力部と接続されている。各増幅器24は、各位相器23から出力されたマイクロ波の強度、即ち、振幅を個別に変更する。各増幅器24は、所謂固体増幅器であり、半導体回路により構成されている。
The output unit of each
各増幅器24の出力部は、同軸線26を介して、各増幅器24に対応する各アンテナ25と接続されている。各アンテナ25は、入射窓15の上面に配置されている。各アンテナ25の形状は、コーン形である。各アンテナ25は、各増幅器24から出力されたマイクロ波を入射窓15に向かって照射する。
The output unit of each
図2は、図1の複数のアンテナ25の配置の例を示す上面図である。図2に示したように、この実施の形態では、50個のアンテナ25が、入射窓15上で2次元のアレイ状に整列している。
FIG. 2 is a top view showing an example of the arrangement of the plurality of
各アンテナ25から照射されたマイクロ波は、入射窓15を介して真空容器11内に供給される。供給されたそれぞれのマイクロ波は、真空容器11内において互いに干渉し合う。これにより、真空容器11内に「局所的に電界強度の大きい領域」が形成される。
The microwave emitted from each
制御部30は、複数の位相器23及び複数の増幅器24を用いて、真空容器11内に供給される複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」の大きさ及び形成位置を制御する。従って、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」を真空容器11内で移動させることができる。
The
次に、マイクロ波プラズマ処理装置10を用いて、ダイヤモンド基板を形成する方法を説明する。
Next, a method of forming a diamond substrate by using the microwave
まず、基板支持台12に、大型、例えば、直径100mm以上の基材40が載せられる。
First, a large-
基材40としては、形成されるダイヤモンドの種類に応じて、単結晶ダイヤモンド基材、酸化マグネシウム(MgO)基材、シリコン(Si)基材又は化合物半導体基材が選択される。化合物半導体基材の材料は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等である。
As the
単結晶ダイヤモンド基材は、ホモエピタキシャル成長により単結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。MgO基材は、ヘテロエピタキシャル成長により単結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。MgO基材の表面には、イリジウム(Ir)薄膜が成膜されている。Si基材及び化合物半導体基材は、多結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。 The single crystal diamond substrate is used when forming a single crystal diamond by homoepitaxial growth. The MgO substrate is used when forming a single crystal diamond by heteroepitaxial growth. An iridium (Ir) thin film is formed on the surface of the MgO base material. The Si base material and the compound semiconductor base material are used when forming polycrystalline diamond.
なお、多結晶ダイヤモンドを形成する場合には、多結晶ダイヤモンドを形成するための起点となる初期核形成を促進させることが望ましい。初期核形成とは、ブラスト処理により基材40の表面に凹凸を形成すること、表面に凹凸が形成されるようにアモルファスシリコンを基材40の表面に成膜すること、ダイヤモンド微粒子を基材40の表面に分散塗布すること等である。
When forming a polycrystalline diamond, it is desirable to promote the initial nucleation which is a starting point for forming the polycrystalline diamond. Initial nucleation means forming irregularities on the surface of the
次に、原料ガスが原料ガス供給路13から真空容器11に供給される。原料ガスは、メタン(CH4 )、水素(H2 )及び酸素(O2 )を含む混合ガスである。半導体の導電型をp型に制御する場合には、ホウ素化合物であるジボラン(B2H6)が原料ガスに添加される。半導体の導電型をn型に制御する場合には、リン化合物であるホスフィン(PH3 )が原料ガスに添加される。なお、結晶品質の向上及び結晶形成速度の向上のために、アルゴン(Ar)等の希ガスが原料ガスに添加されてもよい。Next, the raw material gas is supplied to the
真空容器11内の圧力は、50Torr~200Torrに制御される。
The pressure in the
次に、総出力1kW~10kWのマイクロ波が、複数のアンテナ25から真空容器11に導入される。制御部30によって制御された複数のマイクロ波が互いに干渉することにより、基材40上に局所的に電界強度の大きい領域が形成される。
Next, microwaves having a total output of 1 kW to 10 kW are introduced into the
各アンテナ25から出力されるマイクロ波の位相及び強度と、基材40上における局所的に電界強度の大きい領域の位置との関係は、シミュレーションにより予め把握されている。従って、制御部30は、シミュレーション結果に基づいて、複数の位相器23及び複数の増幅器24を制御することにより、基材40上において、局所的に電界強度の大きい領域を任意の位置に移動させることができる。
The relationship between the phase and intensity of the microwave output from each
プラズマ50は、真空容器11内の局所的に電界強度の大きい領域において、原料ガスの分子が、電子と化学活性種とに解離することにより生成される。化学活性種は、イオン及びラジカルを含んでいる。生成されるプラズマ50の直径は50mm程度である。
The
次に、プラズマ50の移動パターンについて説明する。図3は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第1の例を示す上面図である。基材40の直径は、プラズマ50の直径よりも大きい。そのため、制御部30は、図3に矢印A1で表したように、プラズマ50の中心が、基材40の半径の中点付近を通りながら基材40の円周方向に等速で回転するように、プラズマ50を移動させる。
Next, the movement pattern of the
これにより、プラズマ50は、一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻る。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る位置を最適化させることが望ましい。
As a result, the
図4は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第2の例を示す上面図である。制御部30は、図4に矢印A2で表したように、渦巻き状にプラズマ50を移動させ、プラズマ50が一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻るように制御する。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る軌跡のピッチを最適化させることが望ましい。
FIG. 4 is a top view showing a second example of the movement pattern of the
図5は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第3の例を示す上面図である。制御部30は、図5に矢印A3で表したように、ジグザグ状にプラズマ50を移動させ、プラズマ50が一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻るように制御する。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る軌跡のピッチを最適化させることが望ましい。
FIG. 5 is a top view showing a third example of the movement pattern of the
次に、CVD法によるダイヤモンド形成過程について説明する。CH4 、H2 及びO2 を原料ガスとするプラズマ中には、化学活性種としてCHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルが多く含まれている。CVD法によるダイヤモンドの形成過程は、主に以下の2つの反応が同時に生じることにより進行すると考えられている。Next, the diamond forming process by the CVD method will be described. Plasmas using CH 4 , H 2 and O 2 as raw materials contain a large amount of CHx radicals, H radicals and O radicals as chemically active species. It is considered that the diamond forming process by the CVD method proceeds mainly by the simultaneous occurrence of the following two reactions.
1つは、CHx ラジカルとHラジカルとが基材40の表面において反応して、ダイヤモンド結晶が形成される反応である。これにより、ダイヤモンド結晶が成長する。もう1つは、グラファイト及び非晶質体であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)がHラジカルとOラジカルとにより選択的にエッチングされる反応である。これにより、不純物であるグラファイト及びDLCが、選択的に除去される。
One is a reaction in which CHx radicals and H radicals react on the surface of the
このように、基材40上においてダイヤモンド結晶を成長させることにより、ダイヤモンド基板が形成される。ダイヤモンド基板は、基材40と基材40上のダイヤモンド結晶とを含んでいる。
In this way, a diamond substrate is formed by growing diamond crystals on the
また、ダイヤモンド基板の表面の温度である基板表面温度によって、ダイヤモンド結晶の成長速度、グラファイト及びDLCのエッチング速度が変化する。そのため、基板表面温度は、ダイヤモンド結晶の品質に影響を与える。このことから、CVD法によるダイヤモンド形成過程においては、ダイヤモンド基板の表面への化学活性種の供給量及び基板表面温度が重要な制御パラメータであることが理解される。 Further, the growth rate of diamond crystals and the etching rate of graphite and DLC change depending on the substrate surface temperature, which is the temperature of the surface of the diamond substrate. Therefore, the substrate surface temperature affects the quality of diamond crystals. From this, it is understood that in the diamond forming process by the CVD method, the amount of chemically active species supplied to the surface of the diamond substrate and the surface temperature of the substrate are important control parameters.
基板表面温度は、ダイヤモンド基板がプラズマ50から受け取る熱量と、ダイヤモンド基板が基板支持台12へ放出する熱量とのバランスにより決定される。基板表面温度は、800℃~1200℃に制御されることが望ましい。そのため、基板支持台12の温度の制御及び基板支持台12とダイヤモンド基板との間の熱抵抗の調整が行われることが望ましい。なお、ダイヤモンド結晶が形成される前の基板表面温度は、基材40の表面温度である。
The substrate surface temperature is determined by the balance between the amount of heat received by the diamond substrate from the
ところで、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させた場合、ダイヤモンド基板上の任意の点においては、化学活性種の供給量及び基板表面温度が時間的に変動する。次に、プラズマ50を周期的に移動させた場合の、化学活性種の供給量及び基板表面温度の時間変動について、具体的に説明する。
By the way, when the
図6及び図7は、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させているときの、ダイヤモンド基板上の任意の点における基板表面温度、化学活性種密度及びプラズマ密度の時間変化の例を示す図である。図6は、従来から行われていたように、比較的長い周期で、プラズマ50を周期的に移動させた場合を示している。図7は、後述の化学活性種の寿命よりも短い周期で、プラズマ50を周期的に移動させた場合を示している。なお、化学活性種密度は、CHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルの密度に相当する。また、プラズマ密度とは、プラズマ50中の電子密度のことである。
6 and 7 show examples of temporal changes in substrate surface temperature, chemically active species density, and plasma density at any point on the diamond substrate when the
図6において、時刻t0は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点に到来する時刻である。つまり、時刻t0は、任意の点においてプラズマが生成し始める時刻である。よって、時刻t0からプラズマ密度が増加し始める。これにより、化学活性種が生成され、化学活性種密度もプラズマ密度とともに増加する。また、ダイヤモンド基板がプラズマ50から熱量を受け取るので、基板表面温度が上昇する。
In FIG. 6, the time t0 is the time when the peripheral edge of the
時刻t1は、プラズマ50の中心付近が観測点に最も接近する時刻である。よって、t1において、プラズマ密度が最大となる。その後の時刻t2は、化学活性種密度がピーク値を示す時刻である。その後、プラズマ50の中心付近が観測点から遠ざかるにつれて、プラズマ密度は減少する。プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間は極めて短いので、プラズマ密度は、プラズマ50の移動に伴って急速に減少する。
Time t1 is the time when the vicinity of the center of the
各CHx ラジカル、各Hラジカル及び各Oラジカルが発生してから失活するまでの時間は、プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間よりも長く、数ミリ秒であると考えられている。そのため、化学活性種密度は、時刻t2から緩やかに減少する。時刻t3は、化学活性種密度が、化学活性種密度のピーク値の1/eとなる時刻である。なお、eは自然対数である。時刻t0から時刻t3までの期間が、化学活性種の寿命τ1と定義される。つまり、ダイヤモンド基板上の任意の点における化学活性種の寿命τ1は、プラズマ密度が増加し始めてから、化学活性種密度がピーク値の1/eに低下するまでの時間である。
The time from the generation of each CHx radical, each H radical, and each O radical to the deactivation is longer than the time from the generation of each charged particle in the
また、プラズマ密度及び化学活性種密度の変化の時定数と比べて、基板表面温度の変化の時定数は長い。従って、基板表面温度は、プラズマ密度及び化学活性種密度よりも緩慢に減少する。 Further, the time constant of the change in the substrate surface temperature is longer than the time constant of the change in the plasma density and the density of the chemically active species. Therefore, the substrate surface temperature decreases more slowly than the plasma density and the chemically active species density.
プラズマ50がダイヤモンド基板上の任意の点を通過してから、再びその任意の点を通過するまでの時間は、プラズマ移動周期T1と定義される。図6に示したように、プラズマ移動周期T1は、化学活性種の寿命τ1よりも十分に長い。
The time from when the
プラズマ移動周期T1のうち化学活性種の寿命τ1を除く期間(T1-τ1)において、化学活性種密度は著しく低い。つまり、期間(T1-τ1)において、ダイヤモンド基板の表面への化学活性種の供給量は、極めて少なくなる。従って、期間(T1-τ1)において、ダイヤモンドの形成過程が断続的に進行することとなるので、ダイヤモンドの形成速度はより低下する。 During the period (T1-τ1) of the plasma migration cycle T1 excluding the lifetime τ1 of the chemically active species, the density of the chemically active species is extremely low. That is, during the period (T1-τ1), the amount of chemically active species supplied to the surface of the diamond substrate becomes extremely small. Therefore, during the period (T1-τ1), the diamond formation process proceeds intermittently, so that the diamond formation rate is further reduced.
また、図6から理解されるように、基板表面温度の変化は、化学活性種密度の変化よりも緩やかであるが、その変化量は少なくない。このような基板表面温度の変化は、ダイヤモンドの結晶品質に影響を与える虞がある。 Further, as can be understood from FIG. 6, the change in the substrate surface temperature is slower than the change in the density of chemically active species, but the amount of change is not small. Such a change in the substrate surface temperature may affect the crystal quality of diamond.
そこで、実施の形態1のマイクロ波プラズマ処理装置10においては、図7に示したように、プラズマ移動周期T2が化学活性種の寿命τ2よりも短く設定されている。
Therefore, in the microwave
例えば、制御部30は、真空容器11内に配置されている基材40上において、10ミリ秒以下の周期で、プラズマ50を周期的に移動させる。つまり、制御部30は、ダイヤモンド基板上において、10ミリ秒以下の周期で、プラズマ50を周期的に移動させる。
For example, the
このように、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御することによって、真空容器11内に生成されるプラズマ50を、真空容器11内に発生する化学活性種の寿命τ2に基づいて設定されたプラズマ移動周期T2で、周期的に移動させる。
In this way, the
これによれば、化学活性種が失活する前に、プラズマ50が再びダイヤモンド基板上の同じ位置に戻ってくる。従って、化学活性種密度は、その値が著しく低下する前に回復する。この回復が周期的に繰り返されるので、化学活性種密度は、常に一定密度以上に維持される。つまり、上記期間(T1-τ1)に相当する期間が存在しなくなる。その結果、継続的にダイヤモンドの形成過程が進行される。
According to this, the
このように、プラズマ50をダイヤモンド基板上で移動させる場合であっても、ダイヤモンドの形成速度を比較的高い速度に維持させることができる。さらに、図6の場合と比べて、基板表面温度の時間変動の量が低減されるので、ダイヤモンドの結晶品質がより良好に維持される。
In this way, even when the
なお、化学活性種の寿命τ1,τ2は、各化学活性種が発生してから失活するまでの時間よりも長い。プラズマ密度が0よりも大きい期間をプラズマ存続期間とすると、プラズマ存続期間中には、化学活性種が発生し続けている。プラズマ存続期間を過ぎると、化学活性種は新たに発生しなくなる。 The lifetimes τ1 and τ2 of the chemically active species are longer than the time from the generation of each chemically active species to the deactivation. Assuming that the period in which the plasma density is larger than 0 is the plasma survival period, chemically active species continue to be generated during the plasma survival period. After the plasma lifetime, no new chemically active species will be generated.
従って、任意の点における化学活性種が失活する時期は、プラズマ存続期間が終了してから「各活性種が発生してから失活するまでの時間」が経過した時期に相当すると考えられる。言い換えると、化学活性種の寿命τ1,τ2は、プラズマ存続期間と、各化学活性種が発生してから失活するまでの時間とを合わせた期間に相当すると考えられる。 Therefore, the time when the chemically active species is inactivated at any point is considered to correspond to the time when "the time from the generation of each active species to the inactivation" has elapsed after the end of the plasma survival period. In other words, the lifetimes τ1 and τ2 of the chemically active species are considered to correspond to the combined period of the plasma duration and the time from the generation of each chemically active species to the inactivation.
上記のように、実施の形態1のマイクロ波プラズマ処理装置10によれば、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
As described above, according to the microwave
制御部30は、基材40上において、10ミリ秒以下の周期でプラズマ50を移動させる。そのため、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
The
なお、実施の形態1において、基材40は、基板支持台12上に直接載せられていたが、基材40と基板支持台12との間には、高融点材料からなる基板ホルダが設けられていてもよい。高融点材料とは、例えば、モリブデンである。これにより、マイクロ波による電界分布を変化させ、ダイヤモンド基板上に生成されるプラズマ50のプラズマ密度をより高くすることができる。
In the first embodiment, the
また、実施の形態1において、アンテナ25の数及び配置は、あくまで例示であり、図2に示したアンテナ25の数及び配置に限定されない。
Further, in the first embodiment, the number and arrangement of the
また、実施の形態1において、原料ガスには、窒素N2 が添加されてもよい。これによれば、ダイヤモンド結晶中に窒素-空孔中心が形成される。よって、窒素-空孔中心にトラップされた電子のスピンを利用する量子センサ、量子計算素子等への適用が可能となる。Further, in the first embodiment, nitrogen N 2 may be added to the raw material gas. According to this, a nitrogen-vacancy center is formed in the diamond crystal. Therefore, it can be applied to quantum sensors, quantum computing devices, etc. that utilize the spins of electrons trapped in the nitrogen-vacancy center.
また、実施の形態1において、プラズマ移動周期T2は、化学活性種の寿命τ2よりも短い周期に設定されることが好ましいが、プラズマ移動周期は、必ずしも化学活性種の寿命よりも短い周期に設定されなくてもよい。例えば、プラズマ移動周期は、化学活性種の寿命と等しくてもよい。また、プラズマ移動周期は、化学活性種の寿命と同程度の時間スケールであれば、化学活性種の寿命より長くてもよい。要は、ダイヤモンド基板上の任意の点において、化学活性種が失活する前に、次のプラズマが到来すればよい。 Further, in the first embodiment, the plasma migration cycle T2 is preferably set to a cycle shorter than the lifetime of the chemically active species τ2, but the plasma migration cycle is not necessarily set to a cycle shorter than the lifetime of the chemically active species. It does not have to be done. For example, the plasma migration cycle may be equal to the lifetime of the chemically active species. Further, the plasma migration cycle may be longer than the lifetime of the chemically active species as long as the time scale is similar to the lifetime of the chemically active species. In short, at any point on the diamond substrate, the next plasma may arrive before the chemically active species is inactivated.
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図8は、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 2.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the second embodiment will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the second embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図8に示したように、基材40に平行な方向におけるプラズマ50の長さは、基材40に垂直な方向におけるプラズマ50の長さよりも長い。言い換えると、基材40に平行な方向に沿って見た場合、生成するプラズマ50の形状は扁平形状である。
As shown in FIG. 8, the length of the
扁平形状のプラズマ50が生成されること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成及び条件は、実施の形態1と同様である。
The configuration and conditions of the microwave
制御部30は、複数の位相器23及び複数の増幅器24を制御することにより、真空容器11内に生成されるプラズマ50の形状を変更させることができる。複数の増幅器24を制御する場合であっても、複数のマイクロ波の総出力に変化がなければ、生成されるプラズマ50の体積も大きく変化しない。制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を、図1に示した球状のプラズマ50が生成される場合の条件からそれぞれ変化させることにより、「局所的に電界強度の大きい領域」の形状を変化させることができる。つまり、図8に示した扁平形状のプラズマ50を生成させることができる。
The
扁平形状のプラズマ50と基材40との接触面積は、球状のプラズマ50と基材40との接触面積よりも広い。このように、複数のマイクロ波の位相及び振幅を変更することにより基材40上でのプラズマ50の反応領域を拡大できるので、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
The contact area between the
実施の形態3.
次に、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図9は、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 3.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the third embodiment will be described. FIG. 9 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the third embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図9に示したように、複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ真空容器11aの側壁部に、真空容器11の周方向に等しい間隔で配置されている。この実施の形態では、8個のアンテナ25が45°おきに配置されている。
As shown in FIG. 9, the plurality of
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が、真空容器11aの側壁部に配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
The configuration of the microwave
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。 Even with such a configuration, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
実施の形態4.
次に、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図10は、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 4.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the fourth embodiment will be described. FIG. 10 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the fourth embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
真空容器11bの形状は、直方体である。図10に示したように、真上から上面を見ると、真空容器11bの形状は矩形である。複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ真空容器11bの側壁部に、基板支持台12の面と平行な面内に配置されている。この実施の形態では、各側壁部に2個ずつ、合計8個のアンテナ25が配置されている。
The shape of the
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が、真空容器11bの側壁部に配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
The configuration of the microwave
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。 Even with such a configuration, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
実施の形態5.
次に、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図11は、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図12は、図11のマイクロ波プラズマ処理装置の基板支持台下部を示す断面図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 5.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the fifth embodiment will be described. FIG. 11 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the fifth embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the lower part of the substrate support of the microwave plasma processing apparatus of FIG. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
基板支持台下部16に複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
The configuration of the microwave
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ基板支持台下部16に、真空容器11の周方向に等しい間隔で配置されている。複数のマイクロ波は、複数のアンテナ25から真空容器11c内に導入されると、真空容器11cの内壁で反射されるとともに重畳される。制御部30は、基材40上で、マイクロ波の電界強度が最も大きくなるように、複数の位相器23及び複数の増幅器24を用いて、それぞれのマイクロ波の位相及び振幅を制御する。
The plurality of
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。 Even with such a configuration, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
実施の形態6.
次に、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図13は、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 6.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the sixth embodiment will be described. FIG. 13 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the sixth embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
基板支持台12の内部に磁場発生部17が設けられていることと、制御部30が、複数のマイクロ波の位相及び振幅に加えて、磁場の発生位置及び強度を制御すること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
Microwaves other than the fact that the magnetic
図13に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、磁場発生部17を備えている。磁場発生部17は、基板支持台12の内部に設けられている。磁場発生部17は、複数の電磁コイル18を有している。磁場発生部17は、図示しない電源に接続されており、電源から電力が供給される。複数の電磁コイル18は、1つのコイルアレイを形成している。複数の電磁コイル18には、それぞれ独立して電流を印加させることができるようになっている。
As shown in FIG. 13, the microwave
各電磁コイル18に電流が流れると、各電磁コイル18は、それぞれ磁場を発生する。各電磁コイル18と、真空容器11内の空間との間には、基板支持台12の上板12aが配置されている。上板12aは、ステンレス等の非磁性材料によって構成されている。これにより、各電磁コイル18によって生じる磁場は、基板支持台12の内部に閉じ込められることなく、真空容器11内に発生する。
When a current flows through each
図14は、図13のマイクロ波プラズマ処理装置の基板支持台12の内部を上方から見た図である。図14に示したように、複数の電磁コイル18は、基板支持台12と同軸の円周上に、互いに等間隔をおいて配置されている。
FIG. 14 is a view of the inside of the
制御部30は、各電磁コイル18への印加電流の大きさ、通電タイミング等をそれぞれ制御する。これにより、制御部30は、真空容器11内において磁場を移動させることができる。
The
図14に示した複数の電磁コイル18の配置は、図3に示したプラズマ50の移動パターンに対応している。図3に示したように、制御部30は、プラズマ50を矢印A1の方向、即ち、時計回りに移動させる。つまり、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」を時計回りに移動させる。
The arrangement of the plurality of
さらに、制御部30は、「局所的に電界強度の大きい領域」の移動に同期させて、6個の電磁コイル18にそれぞれ印加する電流の大きさを時計回りに変化させる。このようにして、制御部30は、磁場発生部17から発生する磁場と、「局所的に電界強度の大きい領域」とが互いに重なった状態で移動するように、磁場を移動させる。
Further, the
磁場中の電子は、磁場からローレンツ力を受けて、サイクロトロン運動を行う。電子のサイクロトロン運動の周波数は、理論上、磁場の磁束密度に比例する。サイクロトロン運動の周波数と、マイクロ波の中心周波数とが一致すると、電子は、マイクロ波のエネルギーをより効率的に吸収する。この現象は、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)と呼ばれている。サイクロトロン運動の角周波数ωc は、以下の(1)式により表される。The electrons in the magnetic field receive Lorentz force from the magnetic field and perform cyclotron motion. The frequency of electron cyclotron motion is theoretically proportional to the magnetic flux density of the magnetic field. When the frequency of the cyclotron motion matches the center frequency of the microwave, the electrons absorb the energy of the microwave more efficiently. This phenomenon is called electron cyclotron resonance (ECR). The angular frequency ω c of the cyclotron motion is expressed by the following equation (1).
ωc = q×B/m …(1)ω c = q × B / m… (1)
ここで、qは粒子の電荷量、Bは磁場の磁束密度、mは粒子の質量である。従って、磁束密度Bは、以下の(2)式により表される。 Here, q is the amount of charge of the particles, B is the magnetic flux density of the magnetic field, and m is the mass of the particles. Therefore, the magnetic flux density B is expressed by the following equation (2).
B=ωc ×m/q …(2)B = ω c × m / q… (2)
マイクロ波の中心周波数をfc とすると、電子サイクロトロン共鳴が励起される磁場の磁束密度は、以下の(3)式により表される。Assuming that the central frequency of the microwave is f c , the magnetic flux density of the magnetic field in which the electron cyclotron resonance is excited is expressed by the following equation (3).
B=2π×fc ×m/q …(3)B = 2π × f c × m / q… (3)
(3)式中のm/qは、比電荷と呼ばれる。電子の比電荷m/qは、1.759×1011C/kgである。マイクロ波の中心周波数fc が2.45GHzである場合、電子サイクロトロン共鳴を励起させるための磁束密度Bres の大きさは、(3)式から0.0875テスラである。M / q in the equation (3) is called a specific charge. The specific charge m / q of the electrons is 1.759 × 10 11 C / kg. When the center frequency f c of the microwave is 2.45 GHz, the magnitude of the magnetic flux density B res for exciting the electron cyclotron resonance is 0.0875 tesla from the equation (3).
制御部30は、アンテナ25から真空容器11内にマイクロ波を照射するとともに、磁場発生部17によって真空容器11内に磁束密度Bres の磁場を発生させる。これにより、局所的に電界強度が大きく、且つ磁場が発生している領域には、電子サイクロトロン共鳴が励起される。The
電子サイクロトロン共鳴が励起されると、電子サイクロトロン共鳴の領域内では、磁場中の電子が加速される。そして、加速された電子が、周囲の原料ガス内の中性粒子に衝突することにより、中性粒子の電離がより促進される。一方、局所的に電界強度の大きい領域には、プラズマ50が生成されるが、電子サイクロトロン共鳴の励起によって、より効率的にプラズマ50が生成される。このように、制御部30は、磁場発生部17を制御することによって、電子サイクロトロン共鳴を励起させるとともに、電子サイクロトロン共鳴の領域を移動させる。
When the electron cyclotron resonance is excited, the electrons in the magnetic field are accelerated in the region of the electron cyclotron resonance. Then, the accelerated electrons collide with the neutral particles in the surrounding raw material gas, so that the ionization of the neutral particles is further promoted. On the other hand, the
次に、図15を参照しながら、実施の形態6におけるプラズマと磁束密度との関係について説明する。図15は、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させているときの、ダイヤモンド基板上の任意の点における基板表面温度、化学活性種密度、プラズマ密度及び磁束密度の時間変化の例を示す図である。化学活性種密度は、CHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルの密度に相当する。図15に示したように、プラズマ移動周期T3は、化学活性種の寿命τ3よりも短く設定されている。
Next, the relationship between the plasma and the magnetic flux density in the sixth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows an example of changes over time in the substrate surface temperature, chemically active species density, plasma density, and magnetic flux density at any point on the diamond substrate when the
図15において、時刻t4は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点に到来する時刻である。つまり、時刻t4は、ダイヤモンド基板上の任意の点においてプラズマが生成し始める時刻である。よって、時刻t4からプラズマ密度が増加し始める。これにより、化学活性種が生成され、化学活性種密度もプラズマ密度とともに増加する。また、ダイヤモンド基板がプラズマ50から熱量を受け取るので、基板表面温度が上昇する。
In FIG. 15, the time t4 is the time when the peripheral edge of the
また、このとき、ダイヤモンド基板上の任意の点において、電磁コイル18により発生する磁束密度の大きさはB0からB3へ増加する。例えば、磁束密度の大きさB0は、0であり、磁束密度の大きさB3は、0.0875テスラである。
Further, at this time, the magnitude of the magnetic flux density generated by the
時刻t5は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点から離れる時刻である。プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間は極めて短いので、プラズマ密度は、プラズマ50の移動に伴って急速に減少する。磁束密度は、時刻t4から時刻t5まで一定の磁束密度B3に維持される。時刻t5において、磁束密度は、B3からB0に向かって減少し始める。
The time t5 is a time when the peripheral edge of the
このように、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御するとともに、各電磁コイル18への印加電流値を制御する。これにより、制御部30は、真空容器11内に生成されるプラズマ50を、真空容器11内に発生する化学活性種の寿命τ3に基づいて設定されたプラズマ移動周期T3で、周期的に移動させる。
In this way, the
これによれば、化学活性種が失活する前に、プラズマ50が再びダイヤモンド基板上の同じ位置に戻ってくる。従って、化学活性種密度は、その値が著しく低下する前に回復する。この回復が周期的に繰り返されるので、化学活性種密度は、常に一定密度以上に維持される。その結果、継続的にダイヤモンドの形成過程が進行される。
According to this, the
さらに、実施の形態6のマイクロ波プラズマ処理装置10によれば、電子サイクロトロン共鳴を励起させることにより、プラズマ50をより効率的に発生させることができる。このため、大型のダイヤモンド基板を、より効率的に形成することができる。
Further, according to the microwave
また、マイクロ波の位相及び振幅の制御だけでなく、複数の電磁コイル18への印加電流の制御によって、プラズマの発生位置を制御することができる。従って、プラズマの発生位置をより高い精度で決定することができる。
Further, the plasma generation position can be controlled not only by controlling the phase and amplitude of the microwave but also by controlling the current applied to the plurality of
なお、実施の形態6において、複数の電磁コイル18は、基板支持台12の内部に、図14に示したように配置されていたが、複数の電磁コイルの配置は、これに限定されない。例えば、複数の電磁コイルは、二重の円環状に配置されてもよいし、図2に示した複数のアンテナ25のように配置されてもよい。
In the sixth embodiment, the plurality of
実施の形態7.
次に、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図16は、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。Embodiment 7.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the seventh embodiment will be described. FIG. 16 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the seventh embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
磁場発生部17が、複数の電磁コイル18に代えて、永久磁石19を有していることと、制御部30が複数のマイクロ波の位相及び振幅に加えて永久磁石19の位置を制御すること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態6と同様である。
The magnetic
図16に示したように、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置10の磁場発生部17は、永久磁石19を有している。永久磁石19は、基板支持台12の内部において、水平方向に自在に移動可能に設けられている。
As shown in FIG. 16, the magnetic
より具体的に述べると、永久磁石19が基材40上に発生させる磁場の磁束密度は、0.0875テスラである。永久磁石19は、図示しない移動機構に取り付けられている。移動機構は、基板支持台12の内部において、永久磁石19を水平移動させるようになっている。制御部30は、移動機構を制御することにより、基板支持台12の内部における任意の位置に永久磁石19を移動させることができる。
More specifically, the magnetic flux density of the magnetic field generated by the
制御部30は、マイクロ波の位相及び振幅を制御して、基材40上の任意の位置に「局所的に電界強度の大きい領域」を生じさせる。さらに、制御部30は、永久磁石19による磁場が「局所的に電界強度の大きい領域」と重なるように、移動機構を用いて永久磁石19を移動させる。これにより、電子サイクロトロン共鳴が励起され、真空容器11内に、より効率的にプラズマ50が生成される。従って、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
The
なお、実施の形態7において、1つの永久磁石19が用いられたが、複数の永久磁石が用いられてもよい。この場合、移動機構は、複数の永久磁石19を一体的に移動させる。
Although one
また、実施の形態7において、1つの永久磁石19が用いられたが、1つの永久磁石19に代えて1つの電磁コイルが用いられてもよい。また、電磁コイルは1つであることに限定されない。この場合、移動機構は、複数の電磁コイルを一体的に移動させる。
Further, although one
また、実施の形態6及び7において、磁場発生部17は、基板支持台12の内部に設けられていたが、磁場発生部17の位置は、これに限定されない。磁場発生部17は、基板支持台12の下方に設けられていてもよい。
Further, in the sixth and seventh embodiments, the magnetic
また、実施の形態6及び7において、プラズマ50が存在している間、磁束密度Bres の磁場の発生が維持されていたが、磁場の強度は、これに限定されない。ダイヤモンド基板上の任意の点において、プラズマ50が存在している間の少なくとも一部の期間中に、磁束密度Bres の磁場が発生すればよい。Further, in the sixth and seventh embodiments, the generation of the magnetic field having the magnetic flux density B res was maintained while the
実施の形態8.
次に、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図17は、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the eighth embodiment will be described. FIG. 17 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the eighth embodiment. The same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、真空容器11dと、基板支持台12と、マイクロ波供給部20と、制御部30とを備えている。真空容器11dは、複数の入射窓15を有している。マイクロ波供給部20は、マイクロ波発生源21と、分配器22と、複数の位相器23と、複数の増幅器24と、複数のアンテナ25a,25b,25c,25dと、複数の同軸線26と、空洞共振器61と、複数の導波管71a,71b,71c,71dとを有している。
The microwave plasma processing apparatus according to the eighth embodiment includes a
真空容器11dの形状は、円筒形である。アンテナ25aは、マイクロ波を出力する。導波管71aは、アンテナ25aに対応して設けられている。導波管71aの一端には、アンテナ25aが配置されている。導波管71aには、一端からマイクロ波が導入される。アンテナ25b,25c,25dの構成は、アンテナ25aの構成と同様であるので、これらの説明は省略される。また、導波管71b,71c,71dの構成は、導波管71aの構成と同様であるので、これらの説明は省略される。
The shape of the
空洞共振器61は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。空洞共振器61内は、真空に維持されている必要はない。複数の導波管71a,71b,71c,71dは、他端において、空洞共振器61の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器61の外周部にそれぞれ接続されている。この実施の形態では、4つの導波管71a,71b,71c,71dが、90°おきに空洞共振器61の外周部に接続されている。
The
複数の入射窓15は、真空容器11dの周方向に互いに等しい間隔で、真空容器11dの外周部にそれぞれ配置されている。複数の入射窓15から、空洞共振器61内のマイクロ波が真空容器11d内に導入される。この実施の形態では、空洞共振器61と真空容器11dとの間には、8個の入射窓15が、45°おきに配置されている。
The plurality of
空洞共振器61及び複数の導波管71a~71dが設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
The configuration of the microwave
複数のアンテナ25a,25b,25c,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。さらに、複数のアンテナ25a,25b,25c,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器61内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11d内に導入される。
By changing the phase of the microwaves emitted from the plurality of
図18~図21は、図17のマイクロ波プラズマ処理装置内の電界強度分布の第1~第4の例をそれぞれ示す平面図である。各アンテナの近傍には、各アンテナから照射されるマイクロ波の位相が付されている。図18において、各アンテナから照射されるマイクロ波の位相は、0°である。つまり、各アンテナから照射されるマイクロ波間の位相差はゼロである。 18 to 21 are plan views showing first to fourth examples of the electric field intensity distribution in the microwave plasma processing apparatus of FIG. 17, respectively. In the vicinity of each antenna, the phase of the microwave emitted from each antenna is attached. In FIG. 18, the phase of the microwave emitted from each antenna is 0 °. That is, the phase difference between the microwaves emitted from each antenna is zero.
図18~図21において、導波管71a,71b,71c,71d内、空洞共振器61内及び真空容器11内の電界強度分布は、等高線によって表されている。等高線を境界線とする領域において、梨地模様のドットが大きい領域ほど、電界強度が大きいことを表している。図18によれば、基材40の中心を含む領域に「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
In FIGS. 18 to 21, the electric field strength distributions in the
図19において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相よりも90°進んでいる。
In FIG. 19, the phases of the microwave emitted from the
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
In this case, two "regions having a large electric field strength locally" are generated symmetrically with respect to the center of the
図20において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相よりも180°進んでいる。
In FIG. 20, the phases of the microwaves emitted from the
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
In this case, two "regions having a large electric field strength locally" are generated symmetrically with respect to the center of the
図21において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25bから照射されるマイクロ波及びアンテナ25cから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25bから照射されるマイクロ波及びアンテナ25cから照射されるマイクロ波の位相よりも180°進んでいる。
In FIG. 21, the phases of the microwave emitted from the
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。また、これら2つの「局所的に電界強度の大きい領域」の位置は、図20の2つの「局所的に電界強度の大きい領域」に対して、基材40の中心を軸として90°回転した位置である。
In this case, two "regions having a large electric field strength locally" are generated symmetrically with respect to the center of the
このように、実施の形態8のマイクロ波プラズマ処理装置では、4つの方向から導波管に入射されるマイクロ波の位相を変化させることにより、基材40上で「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する位置を移動させることができる。つまり、真空容器11d内に生成されるプラズマ50dを移動させることができる。
As described above, in the microwave plasma processing apparatus of the eighth embodiment, by changing the phase of the microwave incident on the waveguide from four directions, the
次に、プラズマ50dを基材40上で移動させる手順について説明する。図20の状態では、2つのアンテナ25a,25bから照射される2つのマイクロ波の位相は、2つのアンテナ25c,25dから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んでいる。
Next, a procedure for moving the
数ミリ秒後に、2つのアンテナ25b,25cから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25d,25aから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25aの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25cの位相が進められる。
After a few milliseconds, the phase of the two microwaves emitted from the two
さらに、数ミリ秒後に、2つのアンテナ25c,25dから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25a,25bから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25bの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25dの位相が進められる。
Further, after a few milliseconds, the phase of the two microwaves emitted from the two
さらに、数ミリ秒後に、2つのアンテナ25d,25aから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25b,25cから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25cの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25aの位相が進められる。
Further, after a few milliseconds, the phase of the two microwaves emitted from the two
この手順が繰り返されることにより、プラズマ50dは、基材40上を時計回りに周期的に移動する。
By repeating this procedure, the
これによれば、複数のマイクロ波が空洞共振器61を介して真空容器11d内に導入されるので、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。
According to this, since a plurality of microwaves are introduced into the
なお、プラズマ50dを移動させる手順は、上記方向に限定されない。例えば、図20の状態において、アンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相を180°から0°に向かって遅らせるとともに、アンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相を0°から180°に向かって進めると、電界分布は、図21の状態に変化する。
The procedure for moving the
一方、図21の状態において、アンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相を0°から180°に向かって進めるとともに、アンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相を180°から0°に向かって遅らせると、電界分布は、図20の状態に変化する。従って、数ミリ秒毎にこれらの操作が繰り返されてもよい。
On the other hand, in the state of FIG. 21, the phase of the microwave emitted from the
また、プラズマ50dが、基材40上をn回転する毎に、4つのアンテナ25a,25b,25c,25dの位相差をゼロに設定してもよい。nは整数である。つまり、電界分布の状態が、間欠的に図18の状態となるようにしてもよい。これにより、基材40の中央部の結晶成長をより促進させることができる。
Further, the phase difference between the four
また、導波管71a,71b,71c,71dは、それぞれが同一の長さである必要はない。また、アンテナ25a,25b,25c,25dに代えて、複数の同軸導波管変換器が用いられてもよい。
Further, the
実施の形態9.
次に、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図22は、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。Embodiment 9.
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the ninth embodiment will be described. FIG. 22 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the ninth embodiment.
空洞共振器62は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。複数の導波管71b,71dは、他端において、空洞共振器62の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器62の外周部にそれぞれ接続されている。つまり、複数の導波管71b,71dが、180°おきに空洞共振器62の外周部に接続されている。
The
複数のアンテナ及び複数の導波管がそれぞれ2つずつ設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態6と同様である。
The configuration of the microwave
2つのアンテナ25b,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。これにより、生成されるプラズマ50eを基材40上で移動させることができる。
By changing the phase of the microwaves emitted from the two
さらに、2つのアンテナ25b,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器62内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11内に導入される。
Further, the microwaves irradiated from the two
これによれば、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。 According to this, plasma can be generated more efficiently. Therefore, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
実施の形態10.
次に、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図23は、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。
Next, the microwave plasma processing apparatus according to the tenth embodiment will be described. FIG. 23 is a block diagram showing the microwave plasma processing apparatus according to the tenth embodiment.
空洞共振器63は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。複数の導波管71b,71g,71h,71d,71e,71fは、他端において、空洞共振器63の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器63の外周部にそれぞれ接続されている。この実施の形態では、6個の導波管71b,71g,71h,71d,71e,71fが、60°おきに空洞共振器63の外周部に接続されている。
The
複数のアンテナ及び複数の導波管がそれぞれ6個ずつ設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態8と同様である
The configuration of the microwave
6個のアンテナ25b,25g,25h,25d,25e,5fからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。これにより、生成されるプラズマ50fを基材40上で移動させることができる。
By changing the phase of the microwave emitted from each of the six
さらに、6個のアンテナ25b,25g,25h,25d,25e,5fからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器63内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11内に導入される。
Further, the microwaves irradiated from the six
これによれば、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。 According to this, plasma can be generated more efficiently. Therefore, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
なお、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置には、コーン形のアンテナが用いられていたが、アンテナの形状は、これに限定されない。断面が方形のアンテナでもよいし、棒状のロッドアンテナであってもよい。 A cone-shaped antenna has been used in the microwave plasma processing devices according to the first to tenth embodiments, but the shape of the antenna is not limited to this. An antenna having a square cross section may be used, or a rod-shaped rod antenna may be used.
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置では、1つのマイクロ波発生源21から発生した1つのマイクロ波が、分配器22によって複数のマイクロ波に分配されていたが、マイクロ波の分配方法は、これに限定されない。複数のマイクロ波は、複数のマイクロ波にそれぞれ対応する複数のマイクロ波発生源から出力されてもよい。また、複数のマイクロ波は、複数のマイクロ波発生源と複数の分配器によって出力されてもよい。この場合、複数のマイクロ波発生源21は互いに位相が同期していることが望ましい。
Further, in the microwave plasma processing apparatus of the first to tenth embodiments, one microwave generated from one
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波発生源21、分配器22、各位相器23、各増幅器24及び各アンテナ25は、同軸線26で接続されていたが、各同軸線26は、導波管に置換されてもよい。
Further, in the microwave plasma processing devices of the first to tenth embodiments, the
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波発生源21と分配器22との間の伝送経路に、アイソレータ、整合器等のマイクロ波部品が挿入されてもよい。
Further, in the microwave plasma processing devices of the first to tenth embodiments, microwave components such as an isolator and a matching device may be inserted in the transmission path between the
なお、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置には、ISM(Industrial, Scientific and Medical)バンドの周波数帯である2.45GHzのマイクロ波が用いられていたが、マイクロ波の周波数は、これに限定されない。 In the microwave plasma processing apparatus of the first to tenth embodiments, the microwave of 2.45 GHz, which is the frequency band of the ISM (Industrial, Scientific and Medical) band, was used, but the frequency of the microwave is , Not limited to this.
容器内に生成されるプラズマの体積は、マイクロ波の波長の3乗に逆比例する。従って、2.45GHzのよりも低い周波数のマイクロ波を用いた場合、プラズマの体積は、マイクロ波の波長比の3乗で大きくなる。この場合、プラズマ密度を維持するためには、マイクロ波の総出力をマイクロ波の波長比の3乗で大きくする必要がある。 The volume of plasma generated in the container is inversely proportional to the cube of the wavelength of the microwave. Therefore, when microwaves with frequencies lower than 2.45 GHz are used, the volume of plasma increases by the cube of the wavelength ratio of the microwaves. In this case, in order to maintain the plasma density, it is necessary to increase the total output of the microwave by the cube of the wavelength ratio of the microwave.
しかしながら、実際にダイヤモンドの形成に寄与するプラズマは、ダイヤモンド基板と接触している部分である。プラズマとダイヤモンド基板との接触面積は、マイクロ波の波長比の2乗で大きくなるにすぎないから、エネルギー効率が低下することに注意が必要である。また、マイクロ波の総出力を大きくするために、マイクロ波発生源が大型化することにも注意が必要である。 However, the plasma that actually contributes to the formation of diamond is the portion in contact with the diamond substrate. It should be noted that the contact area between the plasma and the diamond substrate only increases with the square of the wavelength ratio of the microwave, so that the energy efficiency decreases. It is also necessary to pay attention to the increase in the size of the microwave generation source in order to increase the total output of the microwave.
一方、2.45GHzよりも高い周波数では、生成されるプラズマの体積が小さくなる。従って、大型のダイヤモンド基板を形成するためには、プラズマをダイヤモンド基板上でより狭いピッチで移動させる必要がある。 On the other hand, at frequencies higher than 2.45 GHz, the volume of generated plasma becomes smaller. Therefore, in order to form a large diamond substrate, it is necessary to move the plasma on the diamond substrate at a narrower pitch.
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置は、ダイヤモンド基板の形成に用いられていたが、原料ガス、基板表面温度、プラズマ移動周期等の条件を変更することにより、他の基板の形成にも応用が可能である。 Further, the microwave plasma processing apparatus of the first to tenth embodiments was used for forming the diamond substrate, but other substrates can be obtained by changing the conditions such as the raw material gas, the substrate surface temperature, and the plasma transfer cycle. It can also be applied to the formation of.
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能は、処理回路によって実現される。図24は、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能を実現する処理回路の第1の例を示す構成図である。第1の例の処理回路100は、専用のハードウェアである。
Further, the function of the control unit of the microwave plasma processing apparatus according to the first to tenth embodiments is realized by the processing circuit. FIG. 24 is a configuration diagram showing a first example of a processing circuit that realizes the function of the control unit of the microwave plasma processing apparatus according to the first to tenth embodiments. The
また、処理回路100は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
Further, the
また、図25は、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能を実現する処理回路の第2の例を示す構成図である。第2の例の処理回路200は、プロセッサ201及びメモリ202を備えている。
Further, FIG. 25 is a configuration diagram showing a second example of a processing circuit that realizes the function of the control unit of the microwave plasma processing apparatus according to the first to tenth embodiments. The
処理回路200では、マイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ202に格納される。プロセッサ201は、メモリ202に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、機能を実現する。
In the
メモリ202に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ202とは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD等も、メモリ202に該当する。
It can be said that the program stored in the
なお、上述した制御部の機能について、一部の専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。 The functions of the control unit described above may be realized by some dedicated hardware and some may be realized by software or firmware.
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した制御部の機能を実現することができる。 As described above, the processing circuit can realize the function of the control unit described above by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
10 マイクロ波プラズマ処理装置、11 真空容器(容器)、12 基板支持台、15 入射窓、17 磁場発生部、18 電磁コイル、19 永久磁石、20 マイクロ波供給部、21 マイクロ波発生源、22 分配器、23 位相器、24 増幅器、25,25a,25b,25c,25d アンテナ、30 制御部、40 基材、50 プラズマ、61 空洞共振器、71a,71b,71c,71d 導波管。 10 microwave plasma processing device, 11 vacuum vessel (container), 12 substrate support, 15 incident window, 17 magnetic field generator, 18 electromagnetic coil, 19 permanent magnet, 20 microwave supply unit, 21 microwave generator, 22 distribution Instrument, 23 phase instrument, 24 amplifier, 25, 25a, 25b, 25c, 25d antenna, 30 control unit, 40 base material, 50 plasma, 61 cavity resonator, 71a, 71b, 71c, 71d waveguide.
Claims (11)
前記容器内に複数のマイクロ波を供給するマイクロ波供給部、及び、
前記容器内に供給される前記複数のマイクロ波の位相を制御することによって、前記容器内に生成されるプラズマを、前記容器内に配置されている基材上において、前記容器内に発生する化学活性種の寿命以上の周期且つ前記基材上の任意の点における前記化学活性種が失活する前に次の前記プラズマが到来するような周期で、周期的に移動させる制御部
を備え、
前記プラズマの直径は、前記基材の直径よりも小さいことを特徴とする
マイクロ波プラズマ処理装置。 container,
A microwave supply unit that supplies a plurality of microwaves into the container, and
By controlling the phases of the plurality of microwaves supplied in the container, the plasma generated in the container is transferred to the chemistry generated in the container on the substrate arranged in the container. It is provided with a control unit that periodically moves the plasma at a cycle longer than the lifetime of the active species and at a cycle such that the next plasma arrives before the chemically active species is deactivated at any point on the substrate .
A microwave plasma processing apparatus characterized in that the diameter of the plasma is smaller than the diameter of the base material.
請求項1に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The control unit is characterized in that the surface temperature of the substrate is raised only by the amount of heat from the plasma at an arbitrary point on the substrate in the container, and the amount of time fluctuation of the surface temperature is maintained at a specified amount or less. The microwave plasma processing apparatus according to claim 1.
前記容器の外周に沿って前記容器を取り囲んで配置されている空洞共振器と、
前記空洞共振器の周方向に互いに等しい間隔で、前記空洞共振器の外周部にそれぞれ接続されている複数の導波管とを有している
請求項1又は請求項2に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The microwave supply unit is
A cavity resonator arranged around the container along the outer circumference of the container, and
The microwave plasma according to claim 1 or 2, further comprising a plurality of waveguides connected to the outer peripheral portions of the cavity resonator at equal intervals in the circumferential direction of the cavity resonator. Processing device.
前記容器内に配置されている基材上において、10ミリ秒以下の周期で、前記プラズマを周期的に移動させる
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The control unit
The microwave plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the plasma is periodically moved on a substrate arranged in the container at a cycle of 10 milliseconds or less. ..
前記制御部は、前記複数の位相器及び前記複数の増幅器を制御することにより、前記容器内に生成される前記プラズマの形状を変更させる
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The microwave supply unit has a plurality of phase detectors and a plurality of amplifiers.
The one according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit changes the shape of the plasma generated in the container by controlling the plurality of phase detectors and the plurality of amplifiers. Microwave plasma processing equipment.
をさらに備え、
前記制御部は、前記磁場発生部を制御することによって、電子サイクロトロン共鳴を励起させるとともに、前記電子サイクロトロン共鳴の領域を移動させる
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 A magnetic field generator for generating a magnetic field is further provided in the container.
The microwave according to any one of claims 1 to 5, wherein the control unit excites an electron cyclotron resonance and moves a region of the electron cyclotron resonance by controlling the magnetic field generation unit. Plasma processing equipment.
請求項6に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The microwave plasma processing apparatus according to claim 6, wherein the magnetic field generating unit has a plurality of electromagnetic coils.
前記1つ以上の永久磁石を移動させる移動機構と
を有している
請求項6に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The magnetic field generator includes one or more permanent magnets and
The microwave plasma processing apparatus according to claim 6, further comprising a moving mechanism for moving one or more permanent magnets.
前記1つ以上の電磁コイルを移動させる移動機構と
を有している
請求項6に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The magnetic field generator includes one or more electromagnetic coils and
The microwave plasma processing apparatus according to claim 6, further comprising a moving mechanism for moving one or more of the electromagnetic coils.
請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The microwave plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein a raw material gas containing methane, hydrogen and oxygen is supplied into the container to form a diamond substrate.
請求項10に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 The microwave plasma processing apparatus according to claim 10, wherein the raw material gas contains a boron compound or a phosphorus compound.
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C211 | Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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