JPH01242141A - 高気圧マイクロ波プラズマ反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ダイヤモンドや高温超伝導体等の新素材作製
のためのプラズマ反応装置に係り、特に、高純度で良質
かつ高速作製や材料の表面改質に好適な高気圧マイクロ
波プラズマ反応装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のプラズマ反応装置は、第４８回（１９８７年１０
月１８日）応用物理学会学術講演会、講演予稿集２．　
ＮＱ１８Ｐ−Ｔ−３（ページ３５１）に記載のように、
直流アーク放電を用いていた。すなわち、第２図に示す
ように、カソード１とアノード２の間に直流電源３より
直流電圧を印加して直流アーク放電（アーク電流〜２０
Ａ、反応ガスＡ　ｒ　−Ｈｚ　−ＣＨａ）を生成する。

このとき形成されるプラズマジェットを水冷基板９０に
照射し、急冷してダイヤモンドの高速合成等を行なって
いた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は前記電極の溶融等による不純物の混入に
ついては配慮されておらず、生成されるダイヤモンド等
の熱伝導率等の諸特性にまだ問題があった。さらに、プ
ラズマ発生のために大電力を必要とするという点にも問
題があった。

本発明の目的は、上記諸問題点を解決するとともに材料
の新しい表面改質等に好適なプラズマ反応装置を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、上記プラズマをマイクロ波電力を用いて高
気圧（１０３〜５０Ｔｏｒｒ）で生成することにより達
成される。

〔作用〕

マイクロ波電力を用いると、無電極（または前記電極を
プラズマに接することなく）で前記熱プラズマを生成す
ることができるにれによって、電極の溶融等による不純
物の混入が低減できるので、良質のダイヤモンド等を作
製することができる。

さらに、マイクロ波電力を用いると直流電力に比べ低電
力で、しかも高圧力（１０δ〜５０Ｔｏｒｒ）で安定に
プラズマを生成できるので、反応の高効率化、高速化が
達成できる。

また、前記熱プラズマは１０”／ｃｃ以上の高密度であ
るので、短時間で例えばＳｉにＢやＰをドーピングでき
、材料の表面を改質処理することなどもできる。

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図および第３図により説
明する。第１図は本発明の基本的な構成を示す、ここで
、１０は高圧電源、２０はマイクロ波発振器（マグネト
ロンやジャイラトロンなど）。

３０は導波管（電力計やアイソレータなど含む）。

４０はマイクロ波アンテナ（マイクロ波電力供給）。

５０は放電管、６０は磁界発生器（空心コイルや永久磁
石など）、７０はプラズマ反応室、８０は冷却（または
加熱）器、９０は基板（Ｓｉ、Ｍｏ。

ｗ、ｐｔなど）、１００は反応ガス（Ａｒ＋Ｈｚ＋ＣＨ
４、Ｏｚ＋　Ｏｚ＋Ａｒ＋Ｈｅなど）容器、１１０は排
気袋Ｗ（ターボポンプなど）、１２０はチューナ（可変
終端器など）、１３０は試料（ＹｚＯｓ−ＢａＣＯ８−
ＣｕＯの混合粉末やＬａ１３ｅ微粉末など）容器、１４
０はバルブ、１５０は観測ボートである。

例えばダイヤモンド薄膜形成の場合の動作は前記マイク
ロ波発振器（１〜１００ＧＨｚ）からのマイクロ波電力
（１０Ｗ〜１０ｋＷ、パルス的でも可）を用いて、前記
放電管５ｏに導入した反応ガス（Ａ　ｒ　＋Ｈｚ十〇Ｈ
ａ、　１０３〜５０Ｔｏｒｒ、流量：Ａｒ＋Ｈｚ　＝５
〜５０Ｑ／ｍｉｎ、　ＣＨ４＝１０−５００ｃｃ／＋ｗ
ｉｎ）を電離させ、高密度（１０１２／ｃｃ以上）の熱
プラズマ（〜１ｅＶ）を生成する。

このとき、前記プラズマ発生を容易かつ高温・高密度化
、さらに安定化するために、磁界（マルチカスプ型や発
散型など）を前記磁界発生器６０を用いて印加するとよ
い、前記発生した熱プラズマはジェット流となって前記
反応室７０に設けた前記基板９０と反応し、この表面に
ダイヤモンド膜を形成する。このとき基板の温度は重要
なパラメータとなり、１０００℃以下になるように前記
冷却器８０を用いて制御する。温度が高過ぎるとグラフ
ァイトが形成される。

一方、高温超伝導体を作製するときには、反応ガスとし
て、Ｏ２または０２主体のＡ　ｒ　十Ｈｅ等の混合ガス
（１０３〜５０Ｔｏｒｒ）を用いて高密度の熱プラズマ
を発生させると共に、前記試料容器から例えばＹｚＯａ
　−Ｂ　ａ　ＣＯｓ　−Ｃｕ　Ｏの混合微粉末を前記反
応室７０に入射しくここで、前記各物質は電子ビームや
スパッタリング技術を用いて独立に微粒子化して入射し
てもよい）、前記熱プラズマと反応させ、前記基板９０
（ＭｇＯ−８ｊやｐｔなどからなる基板上に超伝導体を
堆積させる。このとき、前記基板９０の温度力１３００
〜−１０００℃になるように、前記冷却器（又は加熱器
）８０を用いて制御する。

また、前記試料（Ｙ２ｋｇ−ＢａＣＯａ−ＣｕＯ）をペ
レット状にして前記基板９０の所にセットし。

前記酸素プラズマと反応させて（プラズマ酸化法など）
前記試料を超伝導材料に変えることもできる。

その他、前記試料として、例えばＬａＢｅのような仕事
関数の小さい物質を用い、微粉末として前記反応室７０
に入射するとともに、Ａｒなどの希ガスによる反応ガス
熱プラズマと反応させて前記基板９０（例えば平面ディ
スブレスの陰極基板など）に堆積させると、電子源（陰
極など）などとして利用できる。さらに、半導体（例え
ばＳｉなど）基板への不純物（例えばボロンＢやリンＰ
など）を浅くドーピングすることもできる。例えば、Ｂ
ドーピングのとき、ＨｅベースにＢｚＨｅ反応ガスによ
る熱プラズマを用いると、単結晶Ｓｉ基板（基板温度１
００〜５００℃）上にＢを深さ０．０１μｍ程度高速（
数１０秒）でドーピング（１，０２０ａｔｏｎｅ／　ｃ
＋ｎ’以上）することができる。

第３図は第１図に示したマイクロ波アンテナ（供給器）
４０の具体的な構造の一例を示す。導波管３０から伝送
されたマイクロ波電力は同軸変換器３１を経て前記マイ
クロ波アンテナ４０に供給される。前記マイクロ波アン
テナ４０は円筒状導体（直径は任意１０〜１００１ＩＩ
１１位）にスパイラル状に溝（１〜３ｍｎ＋幅、深さは
前記円筒状導体の厚さ）を数ターン設けた構造になって
いる。なお、前記アンテナ４０の一端は絶縁物の支持具
４２で固定する。また、前記マイクロ波電力が効率よく
前記アンテナ４０に供給されるようにチューナ１２０（
無反射端等含む）で調節する。前記円筒状アンテナ４０
の内部には、石英などから成る放電管５０が設けてあり
、前記アンテナ４０等が熱プラズマに接しないように構
成しである。その−端からは、反応ガス等を導入できる
ように構成されている。なお、前記アンテナ４０の構造
は、前記円筒状導体に使用マイクロ波波長の１／２の長
さのスロットを複数本設けた構造でもよい、さらに、サ
ーファトロン（ｓｕｒｆａｔｒｏｎ）等のキャビティを
用いることもでき、高気圧で熱プラズマを発生できる構
成であれば、特に限定するものではない。

さらに、前記マイクロ波電力はパルス状でもよく、その
周期やパルス幅およびパルスの数などを組合せて前記熱
プラズマを制御すると、より一層制御された良質の材料
等の作製や材料の表面改質を行うことができる。

なお、前記熱プラズマで発生したイオンやラジカルなど
を高真空領域へ導いて（加減速してもよい）基板と反応
させることもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波電力を用いることにより、
従来技術のような電極等が熱プラズマと接することなく
高密度の熱プラズマを用いることができるので、高純度
で良質な物質の作製や材料の表面改質を行うことができ
る。しかも低電力（１０〜１０ｋＷ：従来の約１／２）
かつ高圧力（１０３〜５０Ｔｏｒｒ）で熱プラズマを生
成できるので、高効率かつ高速で作製できるなどの利点
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になるプラズマ反応装置の基
本的な構成を示す概略縦断面図、第２図は従来例の構成
を示す概略縦断面図、第３図は本発明の実施例における
マイクロ波アンテナ部の縦断面図である。 １・・カソード、２・・・アノード、３・・・直流電源
。 ２０・・・マイクロ波発振器、４０・・・マイクロ波ア
ンテナ、５０・・・放電管、６０・・・磁界発生器、７
０・・・反応室、８０・・・冷却（または加熱器）、９
０・・・基板、１００・・・反応ガス、１３０・・・試
料、１４０・・・第　　１　　図 ／１ ７／及に室 ３θ玲Ｑ（Ｚ＋７＃朝）器 ９ρ差級 ｌθθ　反Ａ；力“７、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、プラズマを用いて、ダイヤモンドや高温超伝導体等
   の新素材を作製や不純物をドーピングするプラズマ反応
   装置において、前記プラズマを１０＾３〜５０Ｔｏｒｒ
   の圧力範囲でマイクロ波電力を用いて生成したことを特
   徴とする高気圧マイクロ波プラズマ反応装置。