JP7304280B2 - ダイヤモンド合成用cvd装置 - Google Patents
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Description
一方、盛んに行われているパワー半導体やセンサーなどの応用研究には、より多くの高純度の単結晶ダイヤモンドが必要とされる。そのため、より大きな基板上でダイヤモンドを成長させることができるように、また、複数の基板上で同時にダイヤモンドを成長させることができるように、基板ホルダの大型化が要請されている。
ところが、特許文献1に記載のダイヤモンド合成用CVD装置においては、球形チャンバーの中心部分にのみプラズマを集中させているため、大きな基板ホルダ全体で高速かつ均一にダイヤモンドを成長させることが困難であった。
また、放電室の下半球面も扁平なドーム形状とすることにより、放電室内に露出している同軸アンテナの長さが短くなる。その結果、共振アンテナと接続している同軸アンテナの周囲の電界強度が低下し、共振アンテナの上面の電界強度が更に高められる。
さらに、本発明のダイヤモンド合成用CVD装置においては、共振アンテナの上面に載置台を配置することにより、共振アンテナのみでは、共振アンテナの広い上面の中央部で電界強度が強くなる効果と、載置台では、載置台の周囲のエッジ部分に電界が集中し、中央に向かって電界強度が低下する効果とが組み合わせられた結果、載置台の上面の電界強度が均一化する。
このように、本発明のダイヤモンド合成用CVD装置によれば、共振アンテナの上面の電界強度が高められることによって、ダイヤモンドの合成速度が向上し、さらに、載置台上で電界が均一化されるため、より広い領域で高速かつ均一にダイヤモンドを成長させることができる。
図1に、本発明の実施形態のダイヤモンド合成用CVD装置の概略断面図を示す。同図に示すように、本実施形態のダイヤモンド合成用CVD装置は、ダイヤモンド基板の表面に単結晶ダイヤモンド膜(ダイヤモンドの薄膜及び厚膜)を形成するダイヤモンド合成用CVD装置100であって、扁平なドーム形状を有する上半球面11と扁平なドーム形状を有する下半球面12とで構成された放電室(真空チャンバ)1と、下半球面12を貫通して放電室1の中心軸線Aに沿って延在し、放電室1の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナ部材2と、放電室1内で、同軸アンテナ部材2の先端部に取り付けられ、放電室1の最大直径面13に沿って中心軸線Aと同心に拡がった円盤状の共振アンテナ(基板ホルダ)3と、円形外周を有し、共振アンテナ3の上面31の中央に中心軸線Aと同心に配置された、ダイヤモンド基板Sが載置される載置台(サセプタ)4とを備えている。
例えば、マイクロ波の周波数が915MHzの場合、シミュレーションの結果から、放電室1の最大直径面13における直径(内径)は、720mm~830mmが好ましく、例えば、800mmである。上半球面の扁平回転楕円体の極半径、即ち、最大直径面13から上半球面11の最高部11aまでの高さH1は、シミュレーションの結果から、210mm~270mmが好ましく、例えば、240mmである。一方、下半球面の扁平回転楕円体の極半径、即ち、最大直径面13から下半球面12の最低部12aまでの高さH2は、シミュレーションの結果から、50mm~110mmが好ましく、例えば、80mmである。
なお、下半球面12の最低部12aは、同軸アンテナ部材2が貫通しているため、扁平回転楕円体の仮想の最低部、即ち、下半球面12の扁平回転楕円体と中心軸線Aとの交点である。
具体的には、マイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、シミュレーションの結果から、共振アンテナ3の直径は、160mm~190mmが好ましく、例えば、170mmである。共振アンテナ3の直径がこの範囲内であるときに、プラズマと共振アンテナ3との接触が大きく、ダイヤモンド成長に適している。一方、この範囲から離れると、共振アンテナ3の上面31上のプラズマが弱まる傾向がある。
また、マイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、シミュレーションの結果から、放電室1の最大直径部10と共振アンテナ3の外周30との距離Lは、45mm~65mmが好ましいく、例えば、60mmである。距離Lがこの範囲内であるときに、プラズマと共振アンテナ3との接触が大きく、ダイヤモンド成長に適している。一方、この範囲から離れると、共振アンテナ3の上面31上のプラズマが弱まる傾向がある。
なお、共振アンテナ3の上面31は、平坦でなくてもよく、例えば、中心部が高くなるように周辺部から中心部に向かって緩やかに傾斜していてもよい。
なお、マイクロ波は、通常、2.45GHzのものが使用されるが、他の周波数(例えば、915MHz)の場合にも経路長を上記の式((2n+1)/4)により計算し、設計することができる。
共振アンテナ3の上面31に載置台4を配置することにより、共振アンテナ3の広い上面31の中央部で電界強度が強くなる効果と、載置台4の周囲のエッジ部分に電界が集中し、中央に向かって電界強度が低下する効果とが組み合わせられた結果、載置台4の上面41の電界強度が均一化する。
また、マイクロ波の周波数が915MHzの場合には、載置台4の直径は、134mm~161mmであることが好ましく、載置台4の直径をできるだけ大きくする観点から、161mmが好ましい。915MHzのマクロ波を利用することにより、2.45GHzのマイクロ波を利用する場合よりも、載置台4の面積、即ち、プラズマ暴露する範囲を広くすることができる。
また、載置台4の高さは、5mm~15mm、例えば10mmであるとよい。
このように、マイクロ波の電力に応じて種々の直径の載置台4を用いることにより、マイクロ波が低出力であってもダイヤモンドの成長が可能である。このため、柔軟性の高い装置運用が可能である。
なお、載置台4に載置するダイヤモンド基板Sは、1つであってもよいし、複数であってもよい。
図2~図7は、ダイヤモンド合成用CVD装置の電界強度のシミュレーション結果を示す。図2~図7の各図では、電界の向きと強度を矢印で表すとともに、電界強度を明るさ(白さ)で表している。したがって、電界強度が高いところほど、矢印が長くなるとともに、明るく(白く)表され、電界強度が低いところほど、矢印が短くなるとともに、暗く(黒く)表されている。
しかし、依然として、図5(a)に示すように、共振アンテナ3の底面側と同軸アンテナ部材2を囲む同軸パイプ20の上端との間に電界が集中している。
しかし、依然として、図5(b)に示すように、共振アンテナ3の底面側と同軸アンテナ部材2との間では電界強度が高いままである。
そして、図7に示したダイヤモンド合成用CVD装置は、図1に示したものに相当する。
これにより、広い領域で高速かつ均一にダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド合成用CVD装置の構成が明らかにされた。
次に、図1に示す本実施形態のダイヤモンド合成用CVD装置の動作試験を行った。放電室1内の載置台4上に、4mm角の単結晶のダイヤモンド基板Sを載置し、メタンガス(CH4)を水素ガス(H2)で1%に希釈して、放電室1の圧力が25kPaになるように放電室1内に導入した。同時の酸素も1%導入した。なお、放電室1内の圧力は、超高純度のダイヤモンドを合成する場合においても、バックグラウンド圧力を超高真空とする必要はない。
そして、2.45GHz、3000Wのマイクロ波を印加して、載置台4上にプラズマを発生させ、ダイヤモンド基板Sに成膜を行った。その結果、30μm/hの成膜速度で、単結晶ダイヤモンド膜が成長した。プラズマの大きさに対するパワー密度から、特許文献1と同等以上の成長速度が得られていた。
また、マイクロ波の電力を大きくすることにより、ダイヤモンドの成長速度も増大するため、3kWより高い6kWまでの電力のマイクロ波を印加することによって、より高い成膜速度の実現が可能であることが明らかである。
また、上述した実施形態では、放電室の上半球面及び下半球面の内面形状を扁平楕円体とした例を説明したが、本実施形態では、放電室の上半球面及び下半球面の内面形状は、扁平楕円体に限定されない。
10 最大直径部
11 上半球面
110,111 ポート
12 下半球面
13 最大直径面
14 冷却用パイプ
2 同軸アンテナ部材
20 同軸パイプ
3,3a,3b 共振アンテナ(基板ホルダ)
30 外周
31 上面
4 載置台
41 上面
5 導波管
6 真空シール部
100 ダイヤモンド合成用CVD装置
S ダイヤモンド基板
Claims (10)
- 基板の表面にダイヤモンド膜を形成するダイヤモンド合成用CVD装置であって、
扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面とで構成された放電室と、
前記下半球面を貫通して前記放電室の中心軸線に沿って延在し、前記放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナ部材と、
前記放電室内で、前記同軸アンテナ部材の先端部に取り付けられ、前記放電室の最大直径面に沿って前記中心軸線と同心に拡がった円盤状の共振アンテナと、
円形外周を有し、前記共振アンテナの上面の中央に前記中心軸線と同心に配置された、前記基板が載置される載置台と、
を備えることを特徴とする、ダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が2.45GHzである場合に、前記共振アンテナの直径が、160mm~190mmである
ことを特徴とする、請求項1記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が2.45GHzである場合に、前記放電室の最大直径部と前記共振アンテナの外周との距離が、45mm~65mmである
ことを特徴とする、請求項1又は2記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が915MHzである場合に、前記共振アンテナの直径が、425mm~510mmである
ことを特徴とする、請求項1記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が915MHzである場合に、前記放電室の最大直径部と前記共振アンテナの外周との距離が、120mm~175mmである
ことを特徴とする、請求項1又は4記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - 前記最大直径面から前記下半球面の最低部までの高さが、前記最大直径面から前記上半球面の最高部までの高さよりも低い
ことを特徴とする、請求項1~5のいずれかに記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - 前記放電室の前記上半球面及び前記下半球面は、それぞれ扁平回転楕円体を赤道面で切断した半球形状を有する
ことを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が2.45GHzである場合に、
前記上半球面の扁平回転楕円体の極半径は、80mm~100mmであり、
前記下半球面の扁平回転楕円体の極半径は、20mm~40mmである
ことを特徴とする、請求項7記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - マイクロ波の波長が915MHzである場合に、
前記上半球面の扁平回転楕円体の極半径は、210mm~270mmであり、
前記下半球面の扁平回転楕円体の極半径は、50mm~110mmである
ことを特徴とする、請求項7記載のダイヤモンド合成用CVD装置。 - 前記同軸アンテナ部材の先端部から前記共振アンテナの上面の中心までの経路長が、マイクロ波の波長の実質的に(2n+1)/4倍である
ことを特徴とする、請求項1~9のいずれかに記載のダイヤモンド合成用CVD装置。
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