JPH0420878B2 - - Google Patents

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JPH0420878B2
JPH0420878B2 JP63289641A JP28964188A JPH0420878B2 JP H0420878 B2 JPH0420878 B2 JP H0420878B2 JP 63289641 A JP63289641 A JP 63289641A JP 28964188 A JP28964188 A JP 28964188A JP H0420878 B2 JPH0420878 B2 JP H0420878B2
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Kazuo Kumagai
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は化学気相合成によるダイヤモンドの合
成装置に関する。
（従来の技術） ダイヤモンド薄膜の工業上の利用分野は極めて
広く、将来の市場予測でも大きい需要が見込まれ
ている。しかし、ダイヤモンド薄膜の研究が始ま
つてからまだ５年しか経つておらず、工業化のた
めの技術開発課題が多く残されている。
現時点での最重要課題は大面積基板上へ一様に
成膜する技術である。例えば、ダイヤモンド薄膜
の利用が最も有望視されている半導体工業では直
径３インチ〜５インチ程度の大きさのSiウエハへ
ダイヤモンド成膜する技術が期待されている。し
かし現在までに開示された従来技術には必ずしも
満足すべきものは見られない。以下に従来技術に
ついて説明する。
原理が単純なために工業化に最も近い方法と
考えられているのが、熱フイラメント法（以
下、従来技術という）である。
第５図はこの方法の実施例であり、石英製反
応管６１を電気炉６２で覆い、反応管内を適当
な温度（約650℃）に保ち、上記反応管内の基
板支持台６３上に基板６４を置き、該基板６４
より僅かの距離（約１cm）離してタングステン
フイラメント６５を設置したものである。該フ
イラメント６５は通電により約2000℃になり、
この結果基板表面はダイヤモンド合成に必要な
温度（800〜1000℃）に達する。反応管内は真
空ポンプ（図示せず）により減圧（約40Torr）
して適当な濃度の原料ガス（CH4＋H2）を反
応管内に導入することにより、上記基板上にダ
イヤモンドが自然に成長する。
プラズマ発生が安定しているという方法とし
て、マイクロ波法（居合、従来技術という）
がある。
第６図はこの方法の実施例であり、マイクロ
波電源７１で発振させたマイクロ波（2.45G
Hz）を導波管７２により石英製の反応管７３に
導く。上記導波管７２と反応管７３は直交して
おり、基板７４はこの交差部の反応管内に置か
れる。反応管内は真空ポンプ（図示せず）によ
り減圧されており、この反応管に原料ガス
（CH4＋H2）を導入して上記マイクロ波を照射
することにより、基板７４を包み込むようにし
てプラズマが発生する。この結果、基板７４上
にダイヤモンドが成長する。この場合、通常、
基板温度は800〜1000℃、反応管内のガス圧は
30〜50Torrである。
第７図はマイクロ波法の別の実施例であり、
電子サイクロトロン共鳴による気相合成装置
（以下、従来技術という）を示す。
第７図において、マイクロ波は導波管８１によ
り上部反応室８２に導入される。上部反応室８２
と導波管８１の境界は石英ガラス板８３で仕切ら
れている。８４は下部反応室であり、上部反応室
８２とは開口部８５を介して通じており、下部反
応室８４内には基板８６が設置されている。上部
反応室８２の両側方で且つ下部反応室８４の上部
には電磁石８７が設置されており、上部反応室８
２内に共鳴条件を満たす強さの磁場を作つてい
る。下部反応室下方は、真空ポンプ（図示せず）
とつながつており、下部反応室並びに上部反応室
が減圧されている。導波管８１により導入された
マイクロ波は上部反応室８２でサイクロトロン共
鳴によりエネルギーが加増され、上部反応室８２
に導入された原料ガス（CH4＋H2）にこのマイ
クロ波が照射されてプラズマが発生する。このプ
ラズマは減圧下の下部反応室８４にプラズマ流と
なつて流下し、基板８６上にダイヤモンドを生成
する。この場合、ガス圧は1Torr以下とされ、磁
場の強さはマイクロ波が2.45GHzの場合、
850Gaussとされる。
（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術の中で、従来技術は基板を
加熱する装置を必要とし、装置が大きく操作が面
倒である。また高熱のためフイラメントが劣化し
て垂れ、基板との処理が反応中に変化して一定品
質のダイヤモンド膜ができない虞がある。
また、従来技術では、マイクロ波の波長は約
12cmであり、マイクロ波の漏洩を避けるために、
反応管の直径は通常５cm以下とされ、さらに発生
したプラズマにより反応管壁に局部的な高熱部が
生じずに基板周囲にのみプラズマが発生するよう
にするために、基板の大きさは１cm×１cm以上に
大きくできない。
さらに、従来技術では、反応管内のガス圧は
1Torr以下であり、100W以下のマイクロ波を導
入するだけで体積に大きなプラズマが発生する。
しかし、上記ガス圧では数ミクロン／時間の速度
でのダイヤモンド合成はできないのでガス圧を30
〜50Torrに上げ、これに対応してマイクロ波の
出力も約1kW以上に上げる必要がある。この高
出力のために、石英ガラス板や反応室が強く加熱
されて破損したり、反応ガスでエツチングされた
りする。
そこで、本発明者は上記課題を解説するため
に、既出願の特願昭62−245068号に開示されてい
るようなダイヤモンド気相合成装置を発明した。
この発明に係る装置は第８図に示されている。
第８図において、９１はマイクロ波電源、９２
は導波管、９３はアンテナ、９４は該アンテナ９
３の直上に配設された石英製のドーム状マイクロ
波用窓、９５はガス反応室真空容器、９６は該真
空容器内に設置された基板支持台、９７は該基板
支持台９６に載置された基板、９８は基板周囲に
発生したプラズマ、９９，１００はそれぞれガス
反応室真空容器９５の外周に形成された原料ガス
導入口および排気口である。
この発明によれば、特別な加熱装置を必要とせ
ずに、マイクロ波電源９１で発振させたマイクロ
波は導波管９２中を進行してアンテナ９３により
90°進行方向を変更させられて、ドーム状のマイ
クロ波用窓９４を通つてガス反応室真空器９５内
に導入され、直径３インチのSiウエハ基板９７上
にダイヤモンド薄膜を生成させることができる。
上記装置においては、マイクロ波用窓９４の形
状をドーム状としたのでマイクロ波用窓近傍のプ
ラズマ密度は一様であり、局部的な過熱は生じに
くい。しかし、プラズマ９８が石英製のマイクロ
波用窓９４に直接当るため、ガス圧30Torr以上
でマイクロ波出力が2kW以上になるとマイクロ
波用窓がエツチングされ、SiやSiO2が発生して
ダイヤモンド薄膜を混入するだけでなく、さらに
過熱による破損の危険性もある。このため、装置
の運転条件はガス圧30Torr以下でマイクロ波出
力2kW以下に限定され、その結果ダイヤモンド
薄膜の成長速度は約0.3μｍ／ｈに過ぎない。成長
速度を増加させるためには、より高いガス圧で高
出力のマイクロ波を用いてプラズマを発生させる
ことが必要である。
上記に鑑み、本発明者は、特別は加熱装置を必
要とせずに、安定した品質のダイヤモンド薄膜を
大面積の基板上により速く成長させることができ
るダイヤモンド気相合成装置を提供することを目
的とする。
（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために本発明に係るダイヤ
モンド気相合成装置は、 水素を必須ガスとし炭化水素またはアルコール
のうち少なくとも１つのガスを含む混合ガスを原
料ガスとし、該原料ガス中にマイクロ波を導入し
てマイクロ波プラズマを発生させ、該マイクロ波
プラズマ中に基板を設置し、上記原料ガスを分解
させて基板上にダイヤモンドを析出させるダイヤ
モンド気相合成装置において、 マイクロ波電源に矩形断面をしたマイクロ波を
導入する導波管を接続し、該導波管中にアンテナ
を設置し、導波管側面に該アンテナと直交する方
向にマイクロ波用窓を形成し、該マイクロ波用窓
を包含して導波管との接続部が密封された筒体に
引き続いてガス反応室を設け、該ガス反応室の内
部でマイクロ波用窓の反対側に上記マイクロ波用
窓との距離を調節可能な基板支持台を設け、ガス
反応室の周縁部には原料ガス導入口および排気口
を設けたことを第一の発明とし、 上記第一の発明において、基板支持台が電気伝
導性の物質からなり、該基板支持台にバイアス電
圧を負荷するためのバイアス用電源を有すること
を第二の発明とし、 上記第一又は第二の発明において、筒体の上端
面がマイクロ波用窓より５cm以下の距離にあり、
且つ該筒体の内径が６cm以上であることを第三の
発明とし、 上記第一又は第二の発明において、筒体がマイ
クロ波用窓の支持部材と該支持部材に固着して載
置された円筒部材から構成されていることを第四
の発明とし、 上記第一、第二、第三又は第四の発明におい
て、導波管がガス反応室に対して対称に設置され
た２分岐管に分岐し、該分岐管の少なくも１方の
EHチユーナーを設置したことを第五の発明とす
る。
（作用） 上記構成を有する本発明は以下のように作用す
る。
マイクロ波電源で発生したマイクロ波は、導波
管中を進行した後、アンテナにより90°進行方向
が変更されてガス反応室に達する。本発明では、
基板支持台、ガス反応室側壁およびガス反応室底
面がマイクロ波キヤビテイ（共振箱）を構成す
る。しかも、基板支持台の位置が上下動可能に構
成されているから、反応ガス圧やマイクロ波出力
が変わつても、基板支持台の位置調整により、導
波管から送られてきたマイクロ波のエネルギーを
効率よくプラズマ発生に用い、且つプラズマがガ
ス反応室の中央部にのみ発生し石英製マイクロ波
用窓に当たらないように、特定の好ましい共振モ
ードTE111を発生させることができる。ここに炭
化牛素と水素を導入すると、炭化水素はマイクロ
波により分解して黒鉛・無定型炭素・ダイヤモン
ドを生成する。プラズマ中で励起状態となつた水
素は、黒鉛・無定型炭素と結合してこれらを除去
する結果、基板上にはダイヤモンドが形成され
る。
そして、基板支持台にバイアス電圧を負荷する
ことによりダイヤモンド薄膜の成長速度を向上さ
せることができる。
さらに、筒体の内径を６cm以上にすることによ
り、マイクロ波を有効にガス反応室に導入するこ
とができ、筒体の上端面をマイクロ波用窓から５
cm以下の距離にすることにより筒体内にプラズマ
が発生することはなく、マイクロ波用窓がエツチ
ングされない。
また、マイクロ波用窓の上部に円筒部材が設置
されているから、該窓がプラズマによつて過熱さ
れることはない。
さらに、導波管から分岐する２つの分岐管はガ
ス反応室に対して対称に設置されているのでガス
反応室に導入されるマイクロ波の対称性が保たれ
るから、ガス圧が高い場合でもガス反応室内で発
生するプラズマが偏心して側壁に接触することな
く、中央部にのみプラズマは発生する。そして、
EHチユーナーによりマイクロ波の反射波が適正
に制御されるので、マイクロ波の出力が高い場合
でもチユーナーや導波管が異常に過熱しマイクロ
波エネルギーを損失するということはない。
（実施例） 本発明の実施例について以下の添付図面を参照
しながら説明する。
第１図において、１はマイクロ波電源であり、
該マイクロ波電源１の側面には導波管５が接続さ
れ、さらに導波管５とマイクロ波電源１との接続
部にはアイソレーター２、パワーモニター３およ
びチユーナー４が連続して付設されている。導波
管５の端部にはプランジヤー６が設置されてい
る。７は石英台でこの上にアンテナ８が設置され
ている。９は円板状の石英製マイクロ波用窓でア
ンテナ８の上部に設けられて周縁部を導波管に保
持され、ガス反応室真空器１０の下部の矮小な筒
体１１との間は上記マイクロ波用窓より僅かに径
小のＯ−リング１２でシールされている。上記筒
体１１と導波管５との接続部は密封されている。
１３はガス反応室真空容器内の上部に設置され
た円板状の基板支持台であり、該基板支持台１３
の上側には基板支持台保持具１５が固着され、絶
縁体１４′を経て摺動部材１４が固着されている。
上記摺動部材１４にはねじ部１７が形成され、こ
の摺動部材１４には雌ねじ部１８が形成された支
持部材１９が螺合している。２１は摺動部材１４
と支持部材１９とのシールである。適切な回転手
段により、基板支持台、摺動部材および支持部材
を一体として左右に反転を繰り返しながら回転さ
せれば、後述する基板上のダイヤモンド膜厚の均
一性を向上させることができる。上記摺動部材１
４とガス反応室真空容器１０との間は、Ｏ−リン
グ２２でシールされている。上記基板支持台の材
質は耐熱鋼である。基板の温度は800℃から1000
℃に達するので、基板支持台の材質は耐熱性の金
属か炭素材が望ましい。
基板支持台１３には可撓性の配線で接続された
直流バイアス用電源２３により、電流導入端子１
６を経てバイアス電圧が負荷できるようになつて
いる。２４は直流バイアス用電源２３のアースで
ある。
２５は直径４インチのSiウエハ基板であり、基
板の中心がアンテナ８の真上にくるようにして基
板支持台１３の下側に着脱可能に取りつけられて
いる。上記基板２５はダイヤモンドが生成されや
すいように、あらかじめ表面がダイヤモンドペー
ストで研磨されている。２６はプラズマ、２７は
プラズマの発生状況が確認できるようにガス反応
室真空容器の側壁に形成されたビユーポートであ
る。
２８は原料ガス導入口であり、バルブ２９を介
してガス供給装置（図示せず）と連結されてい
る。３０は排気口であり、バルブ３１を介して真
空ポンプ（図示せず）と連結されている。
第２図において、１はマイクロ波電源であり、
該マイクロ波電源１の速めには導波管３２が接続
され、該導波管３２は分岐点（図でＡで示された
箇所）で分岐管３３ａおよび３３ｂに分かれ、各
分岐管にはアイソレーター２、パワーモニター
３、スタブチユーナー４およびEHチユーナー３
４がそれぞれ付設され、これらの分岐管３３ａお
よび３３ｂは第３図のように合流して、ガス反応
室真空容器３５に接続されている。そして上記分
岐管３３ａおよび３３ｂはガス反応室真空容器３
５に対して対称に設置されている。
第３図において、分岐管３３ａおよび３３ｂが
合流した箇所には石英台７が設置され、該石英台
７の上にアンテナ８が設置されている。９は円板
状の石英製のマイクロ波用窓でアンテナ８の上部
に設けられて周縁部を分岐管３３ａおよび３３ｂ
に保持されている。３６は断面が図で示されてい
るような鉤形状の支持部材で、該支持部材３６の
下端側の突出面３６ａと分岐管３３ａおよび３３
ｂとの接続部は密封され、上記マイクロ波用窓９
との間にはシール用のＯ−リング１２が介装され
ている。３７は図示されているように異形の円筒
部材で上記支持部材３６に固着して載置され、内
側の円筒面３７ａがマイクロ波用窓９の近傍まで
伸びている。該円筒面３７ａの内径（図でｄで示
されたもの）は、マイクロ波をガス反応室に有効
に導入するためには６cm以上あればよく、本実施
例では８cmとした。また、上記円筒部材３７の上
端面３７ｂよりマイクロ波用窓９までの距離（図
でｈで示されたもの）があまり長いと円筒部材内
でプラズマが発生してマイクロ波用窓がエツチン
グされるから、該距離ｈは５cm以下とすべきであ
り、本実施例では３cmとした。上記支持部材３６
と円筒部材３７は図示されているように異形の筒
状３８状に形成されており、該筒体３８の上部に
は筒体３８との接続部を密封されたガス反応室真
空容器３５が配設されている。
３９はガス反応室真空容器３５内の上部に設置
された基板支持台であり、該基板支持台３９の上
側には基板支持台保持具１５が固着され、絶縁体
１４′を経て摺動部材１４が固着されている。３
９ａは基板支持台３９を斜めに貫通する孔であ
る。上記摺動部材１４にはねじ部１７が形成さ
れ、この摺動部材１４に対して雌ねじ部１８が形
成された支持部材１９が螺合している。２１は摺
動部材１４と支持部材１９とのシール、２２は摺
動部材１４とガス反応室真空容器３５とのシール
用のＯ−リングである。上記基板支持台３９は耐
熱性を考慮して耐熱鋼とした。
基板支持台３９には可撓性の配線で接続された
直流バイアス用電源２３により電流導入端子１６
を経てバイアス電圧が負荷できるようになつてい
る。２４は直流バイアス用電源２３のアースであ
る。
２５は直径４インチのSiウエハ基板であり、該
基板２５の中心がアンテナ８の真上にくるように
して基板支持台３９の下側に着脱可能に取りつけ
られている。上記基板２５はダイヤモンドが生成
しやすいように、あらかじめその表面がダイヤモ
ンドペーストで研磨されている。
４４は第４図で示されているように、基板支持
台３９に対して円形状に配設されたヒーターであ
り、該ヒーター４４はヒーター用電源４５と接続
されている。
２６はプラズマ、２７はプラズマの発生状況か
ら確認できるようにガス反応室真空容器３５の側
壁に形成されたビユーポートである。
４６はガス反応室真空容器３５の上面に形成さ
れたビユーポートで、基板支持台３９を貫通する
孔３９ａを通して基板２５を視覚できるようにな
つている。４７は放射温度計である。
２８は原料ガス導入口であり、バルブ２９を介
して第２図に示された原料ガス導入管４８を経て
ガス供給装置（図示せず）と連結されている。３
０は排気口であり、バルブ３１を介して第２図で
示された排気管４９を経て真空ポンプ（図示せ
ず）と連結されている。第２図において、５０は
真空計である。
なお、第１図〜第４図において同一参照番号は
同一物を示す。
上記のように構成される本発明に係る装置を用
いて２つの実験を行つた。以下に、説明する。
(1) 最初の実験は、第１図に係る装置を用いた。
本実験においては、炭化水素としては、最も
安価に得られるものとして、メタンを用いた。
なお、加熱された基板上で分解して炭素を生成
する炭化水素であればよく、例えば、エタン・
プロパン・エチレン等の炭化水素やアルコー
ル・アセトンなどを用いることも可能である。
また、原料ガスの組成としてはメタン１％・水
素99％の原料ガスを用い、流量は200c.c.／min
とした。
また、原料ガスの中に酸素（O2）、ジボラン
（B2H6）、ホスフイン（PH3）、シラン（SiH4）
等のガスが含まれていてもよい。
ます、バルブ３１を開いてガス反応室真空容
器１０内を減圧した。同時にバルブ２９を開
き、上記組成・流量の原料ガスをガス反応室真
空容器１０に導入した。ガス反応真空容器の圧
力は実験完了まで200Torrに保持した。この圧
力でダイヤモンドを合成するために、マイクロ
波電源１により、出力が2.5kWで2.45GHzのマ
イクロ波を発振させた。なお、この場合バイア
ス電圧は付加しなかつた。
導波管５を経たマイクロ波はアンテナ８によ
り90°進行方向が変えられ、導波管５とは直行
する方向へ進行する。このマイクロ波により、
Siウエハ基板２５は加熱されるが、本実験にお
いては基板表面の温度を約800℃としガス反応
室真空容器内に共振モードTE111を発生させる
ように、摺動部材１４のねじ部１７を支持部材
１９の雌ねじ部１８に沿つて上下させることに
より基板とマイクロ波用窓との距離を調節し
た。このようにすることで、ガス反応室真空容
器１０に導入されたメタンおよび水素によるプ
ラズマはガス反応室真空容器の中央部にのみ発
生し、加熱されたSiウエハ基板２５上に炭素原
子集合体を生成する。ここで、励起状態の水素
は黒鉛および無定型水素となる炭素原子と優先
的に結合して炭化水素ガスとなつてこれらをSi
ウエハ基板２５表面より除去する。その結果、
Siウエハ基板２５表面にはダイヤモンド薄膜の
みが形成されるのである。
以上のような実験を４時間続けた結果、基板
上に直径３インチで厚さが4μｍの薄膜を生成
させることができた。Ｘ線回折・ラマン散乱測
定によりこの薄膜が良質のダイヤモンドである
ことが確認された。この場合のダイヤモンドの
成膜速度は1μｍ／ｈであり、従来（約0.3μｍ／
ｈ）の３倍以上に向上した。
本発明においては、基板支持台の位置を上下
方向に任意に変えることができるので、ガス圧
およびマイクロ波出力に合わせて所定のマイク
ロ波共振モードを発生させることができる。こ
れに比して従来のマイクロ波キヤビテイを利用
したダイヤモンド合成装置のガス反応室には可
動部分がない。この理由は、可動部分を設ける
ことによつてキヤビテイーを構成する部分に切
断面を生じ、このためマイクロ波キヤビテイー
の効率を低下させると思われていたからであ
る。しかし、本発明のようにガス反応室真空容
器が200Torrの比較的高いガス圧のプラズマで
満たされる場合、マイクロ波のエネルギーの殆
どがプラズマ発生のために消費されてしまうの
で、上記した切断面の存在による効率の低下へ
の影響は問題にならない。
同じく第１図に示す装置を用い、上記ダイヤ
モンド合成条件に付加して、バイアス用電源２
３により、基板支持台を陽極としてガス反応室
真空容器との間にバイアス電圧500voltを負荷
した。そして４時間反応を続けたところ、基板
上に直径が３インチで厚さ4.4μｍの薄膜を生成
させることができた。Ｘ線回折・ラマン散乱測
定により、この薄膜が良質のダイヤモンドであ
ることが確認された。
(2) 第２図〜第４図で示された装置を用いて別の
実験を行つた。
本実験においては、原料ガスの組成としては
上記実験と同様にメタン１％・水素99％の原料
ガスを用い、流量は300c.c.／minとし、ガス反
応室真空容器３５の圧力は実験完了まで
300Torrに保持し、この圧力でダイヤモンドを
合成するために、マイクロ波電源１により、出
力が4kWで2.45GHzのマイクロ波を発振させて
実験を行つた。なお、この場合バイアス電圧は
付加しなかつた。
導波管３２を経たマイクロ波は分岐管３３ａ
および３３ｂに分かれて進行する。そしてガス
反応室真空容器３５まで達して戻つてくる反射
波が最小になるように、３組のスタブチユーナ
ー４とEHチユーナー３４を適宜調整して上記
反射波によつてスタブチユーナー４、EHチユ
ーナー３４、分岐管３３ａおよび３３ｂが過熱
されないようにした。本実験においては各分岐
管にそれぞれEHチユーナーを設置したが、必
ずしも両方に設置する必要はなく、両分岐管が
連通しているので一方の分岐管にのみEHチユ
ーナーを設置した場合でも、該EHチユーナー
を調整して反射波を最小にすることは可能であ
る。なお、EHチユーナー３４を操作せずスタ
ブチユーナー４のみの調整ではチユーナーおよ
び分岐管の過熱は避けられなかつた。
分岐管３３ａおよび３３ｂを経たマイクロ波
はアンテナ８により90°進行方向が変えられ、
筒体３８内を進行する。該筒体の円筒面の内径
が８cmであるからマイクロ波は有効にガス反応
室真空容器３５内に導入される。そして該筒体
の円筒部材によりマイクロ波用窓とプラズマと
の距離が離されているから、マイクロ波用窓が
過熱されることはなく、また円筒部材３７の上
端面３７ｂからマイクロ波用窓９までの距離が
３cmであるから、筒体内でプラズマが発生する
ことはない。
本実施例においても基板表面の温度を約800
℃としガス反応室真空容器３５内に共振モード
TE111を発生させるように、実施例１と同様に
摺動部材１４のねじ部１７を支持部材１９の雌
ねじ部１８に沿つて上下させることにより、基
板２５とマイクロ波用窓９との距離を調節し
た。本発明においてはマイクロ波回路が対称で
あるから、ガス圧が300Torrと高くても上記摺
動部材の操作の結果生じるメタンおよび水素に
よりプラズマはガス反応室真空容器３５の中央
部にのみ発生し、側壁に接触することはない。
このようにして加熱されたSiウエハ基板２５上
に炭素原子集合体が生成する。そして上述のよ
うに、励起状態の水素は黒鉛および無定型炭素
となる炭素原子と優先的に結合して炭化水素ガ
スなつてこれらをSiウエハ基板２５表面から除
去する。その結果Siウエハ基板２５表面にはダ
イヤモンド薄膜のみが形成されるのである。
以上のような実験を４時間続けた結果、Siウ
エハ基板２５上に直径が３インチで厚さが8μ
ｍの薄膜を生成させることができた。Ｘ線回
折・ラマン散乱測定によりこの薄膜が良質のダ
イヤモンドであることが確認された。この場合
のダイヤモンド薄膜の成膜速度は2μｍ／ｈで
あり、従来（0.3μｍ／ｈ）に比べて飛躍的に向
上した。なお、以上の実験中、放射温度計４７
によりビユーポート４６を通して基板支持台３
９に形成された孔３９ａよりSiウエハ基板２５
の温度を測定し、その値に基づいてSiウエハ基
板２５の温度が実験中約800℃に維持されるよ
うにヒーター４４の電源４５の電圧を調整し
た。
同じく第２図、第３図および第４図に示す装
置を用いて、上記ダイヤモンド合成条件に付加
して、バイアス用電源２３により、基板支持台
３９を陽極としてガス反応室真空容器３５との
間にバイアス電圧500voltを付加した。そして、
４時間反応を続けたところ、Siウエハ基板２５
上に直径が３インチで厚さが8.8μｍの薄膜を生
成させることができた。Ｘ線回折・ラマン散乱
測定により、この薄膜が良質のダイヤモンドで
あることが確認できた。
（発明の効果） 請求項１記載のダイヤモンド気相合成装置に
おいては、基板支持台を上下に動かせるので、
反応ガス圧やマイクロ波出力が変動しても基板
支持台の位置調整により、特定のマイクロ波共
振モードTE111を発生させることができ、プラ
ズマをガス反応室真空容器の中央部にのみ発生
させることができる。
請求項２記載のダイヤモンド気相合成装置に
おいては、基板支持台にバイアス電圧を負荷す
ることができるので、ダイヤモンド薄膜の成長
速度を向上させることができる。バイアス電圧
500voltを基板支持台とガス反応室真空容器と
の間に負荷することにより、ダイヤモンドの成
膜速度をバイアス電圧なしの場合に比べて約10
％向上させることができる。
請求項３記載のダイヤモンド気相合成装置に
おいては、筒体の内径が６cm以上であるからマ
イクロ波電源で発生させたマイクロ波を有効に
ガス反応室真空容器に導くことができ、筒体の
上端面からマイクロ波用窓までの高さが５cm以
下であるから、筒体内にプラズマが発生するこ
とはなく、マイクロ波窓見度がエツチングされ
ない。
請求項４記載のダイヤモンド気相合成装置に
おいては、石英製のマイクロ波用窓の上部に円
筒部材が設置されているから、マイクロ波用窓
がプラズマで過熱されることはない。
請求項４項載のダイヤモンド気相合成装置に
おいては、ガス反応室真空容器に進入するマイ
クロ波は対称であるから、ガス反応室真空容器
で発生するプラズマは偏心することはなく、ガ
ス圧が比較的高い場合（300Torr）でもプロズ
マは容器の中央部にのみ発生し、EHチユーナ
ーの作用によりマイクロ波が高出力（4kW）
の場合でも、チユーナーおよび分岐管が過熱す
ることはない。
請求項３、４および５記載のダイヤモンド気
相合成装置においては、比較的高いガス圧
（300Torr）およびマイクロ波出力（4kW）で、
直径４インチのSiウエハ基板上に直径３インチ
のダイヤモンドを成膜させることができる。こ
のときのダイヤモンドの成膜速度は約2μｍ／
ｈであり、従来の成膜速度（0.3μｍ／ｈ）に比
して飛躍的に向上させることができる。
請求項１および５記載のダイヤモンド気相合
成装置においては、プラズマをガス反応室真空
容器の中央部のみに発生させることができるの
で、プラズマがマイクロ波用窓に直接当たらず
マイクロ波用窓がプラズマによりエツチングさ
れないので、比較的安価な円板状の石英窓を使
用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は導波管が分岐しない場合の本発明に係
るダイヤモンド気相合成装置の断面を含む側面
図、第２図〜第４図は導波管が分岐する場合の本
発明の実施例で、第２図はダイヤモンド気相合成
装置の平面図、第３図はダイヤモンド気相合成装
置の断面図、第４図は第３図Ｂ−Ｂ矢視図、第５
図は熱フイラメント法によるダイヤモンド気相合
成装置の側面図、第６図はマイクロ波法によるダ
イヤモンド気相合成装置の側面図、第７図は電子
サイクロトロン共鳴を利用したマイクロ波法によ
るダイヤモンド気相合成装置の側面図、第８図は
本出願による既出願のダイヤモンド気相合成装置
の断面を含む側面図である。 １……マイクロ波電源、５，３２……導波管、
８……アンテナ、９……マイクロ波用窓、１０，
３５……ガス反応室真空容器、１１，３８……筒
体、１３，３９……基板支持台、２３……バイア
ス用電源、２５……基板、２６……プラズマ、２
８……原料ガス導入口、３０……排気口、３３
ａ，３３ｂ……分岐管、３４……EHチユーナ
ー、３６……支持部材、３７……円筒部材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 水素を必須ガスとし炭化水素またはアルコー
    ルのうち少なくとも１つのガスを含む混合ガスを
    原料ガスとし、該原料ガス中にマイクロ波を導入
    してマイクロ波プラズマを発生させ、該マイクロ
    波プラズマ中に基板を設置し、上記原料ガスを分
    解させて基板上にダイヤモンドを析出させるダイ
    ヤモンド気相合成装置において、 マイクロ波電源に矩形断面をしたマイクロ波を
    導入する導波管を接続し、該導波管中にアンテナ
    を設置し、導波管側面に該アンテナと直交する方
    向にマイクロ波用窓を形成し、該マイクロ波用窓
    を包含して導波管との接続部が密封された筒体に
    引き続いてガス反応室を設け、該ガス反応室の内
    部でマイクロ波用窓の反対側に上記マイクロ波用
    窓との距離を調節可能な基板支持台を設け、ガス
    反応室の周縁部には原料ガス導入口および排気口
    を設けたことを特徴とするダイヤモンド気相合成
    装置。 ２ 基板支持台が電気伝導性の物質からなり、該
    基板支持台にバイアス電圧を負荷するためのバイ
    アス用電源を有することを特徴とする請求項１記
    載のダイヤモンド気相合成装置。 ３ 筒体の上端面がマイクロ波用窓より５cm以下
    の距離にあり、且つ該筒体の内径が６cm以上であ
    ることを特徴とする請求項１又は２記載のダイヤ
    モンド気相合成装置。 ４ 筒体がマイクロ波用窓の支持部材と該支持部
    材に固着して載置された円筒部材から構成されて
    いることを特徴とする請求項１又は２記載のダイ
    ヤモンド気相合成装置。 ５ 導波管がガス反応室に対して対称に設置され
    た２分岐管に分岐し、該分岐管の少なくとも１方
    にEHチユーナーを設置したことを特徴とする請
    求項１、２、３又は４記載のダイヤモンド気相合
    成装置。
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