JPWO2008093389A1 - マイクロ波プラズマcvd装置 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち本発明によるマイクロ波プラズマCVD装置は、少なくとも、マイクロ波を導入するための開口部を持つ真空槽と、該開口部にマイクロ波を誘導するための導波管と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための誘電体窓と、該真空槽にマイクロ波を導入するための先端に電極部が形成されたアンテナ部と、該真空槽内に基材を支持するための基材支持台とを有し、該真空槽内面と電極部とで該誘電体窓を狭持したマイクロ波プラズマCVD装置であって、該誘電体窓が隠蔽されるように該電極部端面が誘電体窓端面よりも幅広く形成されており、且つ、該電極部の真空槽中心側の面に凹部が形成されており、該凹部の真空槽中心側の面における差し渡し幅は導入されるマイクロ波の1/3〜5/3波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さは使用するマイクロ波の1/20〜3/5波長の範囲内であることを特徴とする。
2 円形開口部
3 真空槽内部
4 覗き窓
5 ポート
10 下地基材
11 基材支持台
20 マイクロ波
21 (円筒)導波管
22 誘電体窓
23 丸棒部
24,34,44 電極部
25 アンテナ部
26,27,28 凹部
40 原料ガス供給配管
41 排気配管
42 プラズマ
これはマイクロ波を発振するマグネトロンは出力や動作時間などの運転条件によって発振周波数を変化させるが、公称周波数に対して2%以内の変動、すなわち通常入手可能なマグネトロンを使用すれば実現する。すなわち、基板支持台11上部近傍のみにプラズマが発生する程度の電界強度を持つ部分が集中するため、大面積で高品質なダイヤモンド薄膜が作製可能な条件下でも基板支持台11上部近傍にサイズが大きいプラズマが安定して発生し、従来のマイクロ波プラズマCVD装置が有する位置制御の問題が発生しなくなる。
また電極部34の凹部27における、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を導入されるマイクロ波の1/3〜5/3波長の範囲とし、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を導入されるマイクロ波の1/20〜3/5波長の範囲とする。
また電極部44の凹部28における、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を導入されるマイクロ波の1/3〜5/3波長の範囲とし、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を導入されるマイクロ波の1/20〜3/5波長の範囲とする。
<実施例1>
図1に示すマイクロ波プラズマCVD装置を作製し、半導体ダイヤモンドの合成を試みた。マイクロ波20は2.45GHz帯とし、凹部26のサイズは、2.45GHzのマイクロ波の1波長122mmに対して、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1波長の長さに、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を1/5波長とした。装置構成部品の材質として、金属部品にはステンレスを、誘電体部品には石英を用いた。基材10としては、50mmφ×2mmtのモリブデン円板上の中心及び外周部に四回対称に、2×2×0.3mmtの高温高圧合成IIa(111)単結晶基板を配置したものを用いた。原料ガス供給配管40から、マスフローコントローラで流量を調整した水素、メタン、ホスフィンを真空槽内部3に導入した。ガス流量はそれぞれ、水素1slm、メタン0.5sccm、ホスフィン(水素希釈1,000ppm)1sccmとした。排気配管41の圧力調整バルブを調節して真空槽内部3の圧力を100Torrに保った。マイクロ波20の電力を3kWとしてプラズマ42を発生させた。
<実施例2>
<比較例1>
図1に示すマイクロ波プラズマCVD装置のアンテナ部25を、図2に示す回転楕円面の凹部27を有する電極部34に交換した。凹部27のサイズは真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1波長の長さに、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を1/5波長とした凹部27を持つ構成とし、基材10として、60mmφ×2mmtのモリブデン円板上の中心及び外周部に四回対称に、2×2×0.3mmtの高温高圧合成IIa(111)単結晶基板を配置したものを用いて、実施例1と同様の実験を行った。マイクロ波20の電力を3kWとしてプラズマ42を発生させ、基材支持台11の上下位置を調整したところ、5つ配置した単結晶基板全てが半球形状のプラズマ42で覆われた。覗き窓4より放射温度計で5つの基材温度を900±10℃に保ち、6時間ダイヤモンド薄膜合成を行った。合成時間中プラズマの挙動を観察したが、基材真上で安定していた。
上記条件で基材10をセットせずに真空槽内部3の圧力を10〜200Torr、マイクロ波電力を0.5〜5kWの間で調節してプラズマ42を発生させたが、基材支持台11の上下位置を調整することで、60mmφ程度の半球状のプラズマ42を基材支持台11の真上で安定して発生させることができた。
凹部27について、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1/3波長、1/2波長、1波長、3/2波長、5/3波長のいずれか1サイズを選択し、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を1/20波長、1/10波長、1/3波長、1/2波長、3/5波長のいずれか1サイズを選択して作製した凹部を使用した以外は実施例3と同様の実験を行ったところ、実施例3とほぼ同様の結果が得られた。特に真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)が1/2〜3/2波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)が1/10〜1/2波長の範囲内であった凹部を使用した実験では、プラズマのちらつきが全く観察されず安定した半導体ダイヤモンドの合成が実現できた。
図1に示すマイクロ波プラズマCVD装置のアンテナ部25を図3に示す球面の凹部28を有する電極部44に交換した。凹部28のサイズは真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1波長の長さに、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を1/5波長とした凹部28を持つ構成とし、基材10として、70mmφ×2mmtのモリブデン円板上の中心及び外周部に四回対称に、2×2×0.3mmtの高温高圧合成IIa(111)単結晶基板を配置したものを用いて、実施例1と同様の実験を行った。マイクロ波20の電力を3kWとしてプラズマ42を発生させ、基材支持台11の上下位置を調整したところ、5つ配置した単結晶基板全てが半球形状のプラズマ42で覆われた。覗き窓4より放射温度計で5つの基材温度を900±10℃に保ち、6時間ダイヤモンド薄膜合成を行った。合成時間中プラズマの挙動を観察したが、基材真上で安定していた。
凹部28について、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1/3波長、1/2波長、1波長、3/2波長、5/3波長のいずれか1サイズを選択し、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さを1/20波長、1/10波長、1/3波長、1/2波長、3/5波長のいずれか1サイズを選択して作製した凹部を使用した以外は実施例5と同様の実験を行ったところ、実施例5とほぼ同様の結果が得られた。特に真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)が1/2〜3/2波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)が1/10〜1/2波長の範囲内であった凹部を使用した実験では、プラズマのちらつきが全く観察されず安定した半導体ダイヤモンドの合成が実現できた。
凹部28のサイズについて、真空槽中心側の面における差し渡し幅(L1)を1/5波長、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さ(L2)を1/25波長をそれぞれ選択して作製した凹部を使用した以外は実施例5と同様の実験を試みたが、プラズマが基板支持台11上部と電極部44下部との間に渡って分布し、半導体ダイヤモンドの合成は失敗した。
Claims (3)
- 少なくとも、マイクロ波を導入するための開口部を持つ真空槽と、該開口部にマイクロ波を誘導するための導波管と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための誘電体窓と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための先端に電極部が形成されたアンテナ部と、該真空槽内に基材を支持するための基材支持台とを有し、該真空槽内面と電極部とで該誘電体窓を狭持したマイクロ波プラズマCVD装置であって、該誘電体窓が隠蔽されるように該電極部端面が誘電体窓端面よりも幅広く形成されており、且つ、該電極部の真空槽中心側の面に凹部が形成されており、該凹部の真空槽中心側の面における差し渡し幅は導入されるマイクロ波の1/3〜5/3波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さは使用するマイクロ波の1/20〜3/5波長の範囲内であることを特徴とするマイクロ波プラズマCVD装置。
- 前記凹部の表面が、回転楕円面であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。
- 前記凹部の表面が、球面であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。
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