JPH05117866A

JPH05117866A - マイクロ波プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JPH05117866A
Application number: JP30840491A
Authority: JP
Inventors: Kouichi Ishibori; 宏一石堀; Yoshikazu Ohira; 義和大平; Masaru Yagi; 優八木; Kunio Shibuki; 邦夫渋木
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd; Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp; DKK Co Ltd
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1993-05-14
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: JPH08978B2

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロ波によるプラズマへのエネルギー供
給効率を向上し、大面積基板に均一な薄膜を形成する。【構成】反応室内に伝送手段を介してマイクロ波を導
入することにより、ガスを励起してプラズマを発生さ
せ、基板上に薄膜を形成する装置において、前記伝送手
段を方形導波管と、長さが半波長程度のスリット状の結
合孔を複数個設けた共振孔形モード変換部と、前記反応
室を収容する円形導波管とから構成し、前記マイクロ波
を方形導波管モードから円形導波管の所定のモードに変
換するとともに、前記モード変換部と反応室のマイクロ
波導入窓との距離を変えることができる構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波プラズマＣ
ＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）法、またはＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒ
ｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）形プラズマＣＶＤ法を
利用して、大面積基板に均一にダイヤモンド膜など各種
機能性薄膜の形成、またはエッチング処理をするための
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基板上にダイヤモンド膜を気
相合成する装置として、マイクロ波を利用してプラズマ
処理するＣＶＤ法によるものが知られている。

【０００３】図７は従来から用いられているマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置の一例の概念図である。同装置を用
いて基板にダイヤモンド膜を合成させる場合について説
明する。周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波発振器１の
出力電力は、標準導波管を拡大した拡大導波管２を経由
して反応室３に導かれる。反応室３はマイクロ波を損失
少く通過させうる、例えば石英等の材質で構成される。
該反応室３には、ガス供給管４より炭化水素ガス等の原
料ガスと水素ガスの混合ガスが導入され、排気管５より
一定流量で排気されることにより、反応室３の内部は一
定圧力に維持される。導入されたガスは、拡大導波管２
を通して供給されるマイクロ波電力によりプラズマ化さ
れ、基板台６の上に載置された基板７の上にダイヤモン
ド膜を形成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術によれ
ば、直径約５インチ（１２５ｍｍ）の大面積基板７の上
に、結晶性の良いダイヤモンド膜が形成可能である。し
かし、ダイヤモンド膜の合成領域をさらに拡大しようと
すると以下のような問題点がある。

【０００５】図７において、マイクロ波発振器１からの
マイクロ波電力は、矩形導波管をテーパー状に拡大して
成る同じく矩形状もしくは円筒状の拡大導波管２を経
て、反応室３に導入される。通常、矩形導波管を伝搬す
るマイクロ波の電界モードは、図６（ｂ）に示されるよ
うに、電界がマイクロ波進行方向に直角なＴＥ₁₀モード
である。また、矩形導波管をそのまま拡大した場合、あ
るいは円筒状に拡大した場合の電磁界モードは、同じ形
態のＴＥ₁₀モード（矩形導波管）、あるいはＴＥ₁₁モー
ド（円形導波管）となる。このＴＥ₁₀あるいはＴＥ₁₁モ
ードは、ＴＥ形モードの基本モードであり、他のモード
と比較して同寸法で最も低い周波数の電磁波（マイクロ
波）を伝搬可能である。

【０００６】言い換えれば、同じ周波数であれば最も断
面寸法を小さくできるという特長を持っている。そこ
で、これらＴＥ₁₀、ＴＥ₁₁モードを用いて大形のプラズ
マを発生させようとする場合、導波管を拡大し過ぎると
他の複数の不用モードも同時に励起され易くなり、電界
が不均一となって、プラズマは結果的に分離したり不安
定となる。その結果、一つのまとまった大形のプラズマ
になりにくく、大面積基板の処理ができないという問題
点があった。また構造上、拡大導波管２と反応室３は、
その位置関係が固定されており、マイクロ波を反応室２
に効率良く導入し、最適状態のプラズマを生成させるに
は、必ずしも十分な調節機能を有しているとは言えなか
った。

【０００７】このような問題点を解消するための１つの
試みとして、本発明者らは、特願平２−４５２９２号出
願に記載されたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提案し
た。その後も鋭意研究開発の努力を続けた結果、さらに
マイクロ波の供給効率の向上させ、プラズマの安定性お
よび均一性を向上させうることを発見した。本発明は上
述の問題点および新たな発見に鑑みなされたものであ
る。本発明の目的は、上述の問題点を解消し、反応室内
に大形プラズマを発生させ、大面積基板に均一な薄膜形
成、または均一なエッチング処理をすることができるマ
イクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の構成は、内部に基板が置かれた反応室にガス
を供給すると共に、排気しながら任意のガス圧力に設定
し、かつ前記反応室内に伝送手段を介してマイクロ波を
導入することにより、前記ガスを励起してプラズマを発
生させ、前記基板にダイヤモンド膜を形成するプラズマ
ＣＶＤ装置において、次の（１）または（２）の特徴を
有する。（１）前記伝送手段が、方形導波管と、長さが半波長程
度のスリット状の結合孔を複数個設けた共振孔形モード
変換部と、前記反応室を内部に収容する円形導波管とか
ら構成され、前記マイクロ波を前記モード変換部を介し
て方形導波管モードから円形導波管の所定モードに変換
すると共に、前記モード変換部と反応室のマイクロ波導
入窓との距離を変えることができる構造を有することを
特徴とする。（２）前記（１）の特徴に加えて、前記導波管の周囲に
前記反応室を包囲するように電磁コイルを配設し、該コ
イルに電流を流して前記プラズマに磁場を印加すること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明は以上のように構成されているので、共
振孔形モード変換部に設けられた長さが使用マイクロ波
波長の半波長程度のスリット状の複数個の結合孔を介し
て、マイクロ波の伝搬を磁気的に結合し、方形導波管の
ＴＥ₁₀モードから円形導波管のＴＥ₀₁モードの他、ＴＥ
₂₁、ＴＥ₃₁、ＴＥ₁₂モードなどに直接的にモード変換さ
れる。図６（ａ）ないし（ｅ）により、その作用を詳し
く説明する。図示されているのは、共振孔形モード変換
部を有し、矩形導波管のＴＥ₁₀モードを円形導波管のＴ
Ｅ₀₁モードに変換する例である。同図（ａ）において、
末端が短絡された矩形導波管１２ａ内を伝搬する電磁波
は、矩形導波管１２ａの中央軸方向に設けられた仕切板
１８により２つに分けられて進む。終端近くの一方に
は、長さが管内波長λｇの約１／２、中心の間隔が約λ
ｇ／２でほぼ９０°ずつの角度を成す２つの結合孔１９
が導波管１２ａの側壁に設けられ、他方にも、仕切板１
８を境にして対称の位置に同じようにさらに２つの結合
孔１９が設けられている。

【００１０】同図（ａ）の矩形導波管１２ａの入口で仕
切板１８により分離された２つの電磁波は同位相で伝搬
する。内部において２分割された導波管１２ａの片側の
側壁には、円形導波管１２ｂの端部が直角に固着、接続
されている。矩形導波管１２ａと円形導波管１２ｂは、
共通の前記側壁により隔てられ、該側壁に設けられた前
記４個の結合孔１９が円形導波管１２ｂの断面内におい
て対称になるよう配設されている。ＴＥ₁₀モードの電界
成分は、図６（ｂ）に示されているように、マイクロ波
の進行方向に対し垂直、つまり導波管断面に平行であ
る。磁界成分は、電界成分と直角であり（図６（ｂ）の
点線）、電磁波の進行方向に平行に閉じた曲線を形成す
る。閉じた磁界成分は、１波長当り２組あり、隣あう閉
じた磁力線の巻く方向は、互に逆である。仕切板１８で
分離された電磁波の一方は、隣あう２つの閉じた磁界成
分が２個の結合孔１９を通して円形導波管１２ｂに結合
されることにより、伝搬する。すなわち、円形導波管１
２ｂに入った磁界成分は、やはりその磁力線が電磁波の
進む方向に平行でかつ閉じた磁界成分を形成する。

【００１１】２個の結合孔１９の中心間の距離はλｇ／
２であり、２個の該結合孔１９を通して、円形導波間１
２ｂ側に入った２つの閉じた磁界成分の磁力線の方向
は、図６（ｅ）のように円形導波管１２ｂ断面の中心、
もしくは外側に、同時に向かう。仕切板１８で分離され
た他方の電磁波も、全く同じ原理により円形導波管１２
ｂに伝搬する。結局のところ、結合孔１９を通して矩形
導波管１２ａより円形導波管１２ｂに結合された磁界成
分は、円形導波管１２ｂ内において、その磁力線が電磁
波の進行方向と平行であり、かつほぼ９０°ずつの角度
を成した４つの閉じた磁界成分を形成する。従って、そ
の電界成分は図６（ｅ）のごとく、閉じた磁界成分を貫
通するように、それ自身閉じた曲線を形成し、図６
（ｄ）に示すように、円形導波管１２ｂにおいて同心円
状の電界成分を有するＴＥ₀₁モードに変換されたことに
なる。

【００１２】ＴＥ₀₁モードの円形導波管は、同一周波数
において、他のモードの場合より大きな寸法にすること
が可能であり、理論上限界はない。従って、大形のプラ
ズマの発生が可能となる。さらに、本発明に使用される
モード変換部は、導波管による直接変換であり、大電力
のマイクロ波をほとんど損失なく変換できる。

【００１３】さらに、本発明装置は、前記モード変換部
と反応室のマイクロ波導入窓との距離を変えることがで
きる構造となっている。このような構造を採用すること
により、マイクロ波を反射少なく、効率良く反応室に導
入することが可能となる。つまり導波管中の電磁波は進
行方向に周期的な疎密の電磁界分布を有しているので、
例えば図１に示したように、モード変換部（結合孔）１
９とマイクロ波導入窓１３の距離Ｌを適当に調整するこ
とにより、マイクロ波導入窓１３の位置における電界成
分を最小にし、反応室１２ｃ内の基板台上のプラズマの
位置で電界成分を最大にすることが可能である。かかる
条件においては、マイクロ波を効率良くプラズマに供給
でき、さらにマイクロ波の反射を最小におさえることが
可能となる。

【００１４】通常、導波管のインピーダンスと負荷のイ
ンピーダンスを整合させるために、３スタブチューナー
が良く用いられるが、これは発振器と負荷側を見たイン
ピーダンスの整合調整を行うものであり、負荷であるプ
ラズマ反応室とそれに直接マイクロ波を供給する導波管
構造間そのもののインピーダンス整合をとることはでき
ない。かかる場合に、前記モード変換部と反応室のマイ
クロ波導入窓間の距離を変えることにより、より完全な
インピーダンス整合を行うことができるのである。ま
た、本発明の装置は、前記マイクロ波プラズマＣＶＤ法
の装置に、さらに電磁コイルにより磁場をプラズマに印
加する、所謂ＥＣＲ形プラズマＣＶＤ法の装置として動
作させることが可能である。

【００１５】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例
を例示的に詳しく説明する。実施例１図１および図２は、本発明の一実施例を示すマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置の図で、図１に概略説明図、図２は
図１のII−II線矢視による矩形導波管の断面図である。
図１および図２において、図示されないマイクロ波発振
器に接続された矩形導波管１２ａは、末端部付近におい
てその断面が短辺方向に拡大され、かつ仕切板１８によ
り中央軸方向において二分されていると共に、その末端
は短絡されている。この二分された導波管１２ａの末端
部の各々の側壁には、長さが使用マイクロ波の管内波長
λｇの１／２程度のスリット状で、その中心間の距離が
約λｇ／２で、互いに約９０°の角度を成す結合孔１９
が２個ずつ、計４個、放射状に設けられている。かつ該
結合孔１９を有する側壁部に円形導波間１２ｂが固着、
接続されている。円形導波管１２ｂの内部には、円形導
波管１２ｃが軸方向に並行移動しうる状態で配設されて
いる。円形導波管１２ｃは反応室を兼ねており、真空室
２０と一体となるように構成されている。反応室１２ｃ
の上端には、石英等のマイクロ波を損失なく透過しうる
窓１３が設けられ、Ｏリング２１により気密が保たれ
る。なお、マイクロ波導入窓１３の形状は平板でも、ま
た上に凸形の湾曲状でも、いずれでもよい。ここで反応
室１２ｃの外側及び円形導波管の内側において、各々が
重なり合う部分には、マイクロ波の漏洩を防ぐためのシ
ールド部２４が設けられている。反応室１２ｃ内に配設
された基板台１６の上には基板１７が載置されている。

【００１６】この状態において、ガス供給管１４からメ
タンガス（ＣＨ₄）と水素ガス（Ｈ₂）の容積混合比を
１：１００とする混合ガスを、流量４００ｃｃ／ｍｉｎ
で導入する。排気口１５から、反応室１２ｃ内の圧力が
４０Ｔｏｒｒになるよう調節しながら排気し、基板台１
６を図示しない外部電源により通電加熱した。そして、
周波数２．４５ＧＨｚ、電力３ｋＷのマイクロ波を反応
室１２ｃに導入してプラズマを発生させた。ここで、反
応室１２ｃのマイクロ波導入窓１３とモード変換部の結
合孔１９との距離Ｌを数段階に変えて、プラズマ生成の
状態を観察した。その結果、プラズマが反応室１２ｃの
側壁やマイクロ波導入窓１３に付着したり、あるいは片
寄ったり、分離したりせずに、基板１７の上に安定に拡
がって生成される最適の条件のあることが判明した。そ
こで、基板１７に直径６インチ（１５０ｍｍ）のシリコ
ン基板を使用して、４時間の成膜実験を行なったとこ
ろ、厚さ約３μｍの均一なダイヤモンド膜が得られた。
その結晶は、ラマンスペクトル分析等により、天然のダ
イヤモンドに近いものであることが確認された。なお、
結合孔１９と窓１３間の距離を変える手段は、本実施例
の構造によるものに限定されるものではなく、同様の機
能を果すものであれば他の同様の手段によってもよい。

【００１７】実施例２図３は本発明のもう１つの実施例のマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ装置の概略説明図である。図３においては、図１
と同様に、結合孔１９を通して矩形導波管１２ａのＴＥ
₁₀モードから円形導波管１２ｂのＴＥ₀₁モードに変換さ
れたマイクロ波が、該円形導波管１２ｂに導入される。
円形導波管１２ｂの内側には、実施例１と同様に、円形
導波管１２ｃが円形導波管１２ｂに対して軸方向に移動
できるように構成されている。本実施例においては、円
形導波管１２ｃの内部に石英製の容器が反応室２３とし
て配設され、真空室２０に載置されており、Ｏリング２
１により気密が保持されている。反応室２３の内部に
は、図１と同様に基板１７が基板台１６の上に設置され
ている。このような構成の本実施例において、前記実施
例１と同じ合成条件のもとで、反応室２３の上端と結合
孔１９の距離Ｌを段階的に変化させる同様の操作を行な
い、プラズマを発生させた。その結果、同様に安定で拡
がったプラズマの得られる最適条件が存在することが確
認された。その条件の下で得られたダイヤモンド膜は均
一で、天然に近い結晶性を有するものであった。なお前
記基板台１６には、その上に載置された基板１７の位置
を図において上下、左右、前後に移動させるための位置
調整機構２２が設けられており、該調整機構２２は、外
部から調整つまみ２２ａにより任意に調整できるように
なっている。

【００１８】実施例３図４は本発明のさらにもう１つの実施例のマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置の概略説明図を示す。同図は、図１に
示した前記実施例１と全く同じ構成の装置に、さらにソ
レノイド形電磁コイル２５を円形導波管１２ｂの周囲
に、反応室１２ｃを包囲するように配設したものであ
る。該電磁コイル２５に電流を流すことにより、磁場を
発生させ、プラズマに磁場を印加することができる。こ
の磁場によりプラズマ中の電離した粒子の運動をさらに
加速し、プラズマの強度を著しく高めることができる。
その結果、ダイヤモンド膜の成長速度を約２倍にするこ
とが可能になった。この場合印加する磁場強度は、数１
００Ｇａｕｓｓ〜数１０００Ｇａｕｓｓ程度が好まし
い。

【００１９】実施例４図５は本発明のさらにもう１つの実施例のマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置の概略説明図を示す。同図は前記実施
例２に示した図３と全く同じ構成の装置に、さらにソレ
ノイド形電磁コイル２５を、実施例３と同じ様に反応室
２３及び円形導波管１２ｂ、１２ｃを包囲するように配
設したものである。本実施例においても、実施例３と全
く同様の効果を得ることができる。なお、位置調整機構
２２により、基板台１６は反応室２３内において、上
下、左右、前後にその位置を動かすことが可能であり、
基板１７をプラズマに対してより適した位置に設定でき
ることは、他の実施例１、２、３と同様である。

【００２０】以上説明した各実施例の装置によれば、反
応室を拡大して大形で安定、高密度のプラズマを発生さ
せることができ、従来にない大面積の基板にダイヤモン
ド膜を形成可能である。本発明のように、矩形導波管モ
ードから円形導波管モードに変換するモード変換部と反
応室のマイクロ波導入窓との距離を変えることにより、
マイクロ波はプラズマのインピーダンスに十分整合して
プラズマに供給され、結果的に安定で十分に拡がったプ
ラズマが得られる。また、磁場を印加することにより、
ダイヤモンド膜の合成速度を向上させることができる。
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定さ
れるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段に
よっても良く、また本発明の技術は前記構成の範囲内に
おいて種々の変更、付加が可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、マイクロ波
伝送手段が方形導波管、共振孔形モード変換部および円
形導波管から構成され、マイクロ波を円形導波管の所定
モードに直接変換、すなわち大電力のマイクロ波をほと
んど損失なく変換して、プラズマに効率よく供給でき
る。また、前記モード変換部とマイクロ波導入窓との距
離を変える手段を持たせることにより、マイクロ波導波
管系とプラズマ反応部のインピーダンス整合が十分にと
れ、マイクロ波が効率良くプラズマに供給され、安定で
かつ十分に拡がったプラズマが得られ、大面積基板に均
一な薄膜を形成することができる。さらに、磁場をプラ
ズマに印加することにより、プラズマを高密度化させ
て、薄膜の成長速度をよりいっそう速くすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置の概略説明図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視による矩形導波管の断
面図である。

【図３】本発明の第２の実施例のマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置の概略説明図である。

【図４】本発明の第３の実施例の概略説明図である。

【図５】本発明の第４の実施例の概略説明図である。

【図６】（ａ）は本発明に使用されるモード変換部の主
要構造を示す斜視図、（ｂ）ないし（ｅ）は、同変換部
等の各モードにおける電磁界分布を説明した図である。

【図７】従来から用いられているマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置の一例の概念図である。

【符号の説明】

１マイクロ波発振器２拡大導波管３反応室４ガス供給管５排気管６基板台７基板１２ａ矩形導波管１２ｂ円形導波管１２ｃ反応室（円形導波管）１３マイクロ波導入窓１４ガス供給管１５排気口１６基板台１７基板１８仕切板１９結合孔（モード変換部）２０真空室２１Ｏリング２２位置調整機構２２ａ調整つまみ２３反応室２４シールド部２５電磁コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者八木優神奈川県川崎市幸区塚越一丁目七番地東芝タンガロイ株式会社内 (72)発明者渋木邦夫神奈川県川崎市幸区塚越一丁目七番地東芝タンガロイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に基板が置かれた反応室にガスを供
給すると共に、排気しながら任意のガス圧力に設定し、
かつ前記反応室内に伝送手段を介してマイクロ波を導入
することにより、前記ガスを励起してプラズマを発生さ
せ、前記基板にダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭
素膜（ＤＬＣ）を形成する装置において、前記伝送手段が、方形導波管と、長さが半波長程度のス
リット状の結合孔を複数個設けた共振孔形モード変換部
と、前記反応室を内部に収容する円形導波管とから構成
され、前記マイクロ波を前記モード変換部を介して、方
形導波管モードから円形導波管の所定のモードに変換す
るとともに、前記モード変換部と反応室のマイクロ波導
入窓との距離を変えることができる構造としたことを特
徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】前記円形導波管の周囲に、前記反応室を
包囲するように電磁コイルを配設し、該コイルに電流を
流して前記プラズマに磁場を印加したことを特徴とする
請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。