WO2021131097A1 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents
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- H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
Definitions
- the present invention relates to a microwave plasma processing apparatus that generates plasma by supplying a plurality of microwaves into a container.
- Diamond is a wide bandgap material and has excellent semiconductor properties such as high dielectric breakdown electric field strength and high carrier mobility. For this reason, diamond is highly expected as a future power device material. Further, since diamond has the highest thermoelectricity among solid materials, it can also be used as a heat sink and a substrate material for high-power electronic devices. In commercializing an electronic device using diamond, a technique for efficiently forming a large diamond substrate having a diameter of at least 100 mm or more is desired. One of the most suitable methods for forming a diamond substrate is a microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
- microwave plasma CVD Chemical Vapor Deposition
- a plurality of solid-state microwave generators are used as power supply sources. Microwaves generated from these solid-state microwave generators are emitted into the reaction vessel via the antenna array. By controlling the phase and amplitude of these microwaves, the distribution of the electromagnetic field generated from the antenna array in the reaction vessel is controlled (see, for example, Patent Document 1).
- the position of the region in contact with the plasma on the substrate and the position of the region not in contact with the plasma are constantly changed.
- the chemically active species that contribute to the formation of the diamond substrate may be deactivated between the passage of the plasma and the arrival of the plasma again. This could hinder the continuous growth of diamond crystals.
- the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a microwave plasma processing apparatus capable of forming a large substrate more efficiently.
- the microwave plasma processing apparatus has a container, a microwave supply unit that supplies a plurality of microwaves in the container, and a plurality of microwaves supplied in the container by controlling the phases of the microwaves in the container. It is equipped with a control unit that periodically moves the generated plasma at a cycle set based on the lifetime of the chemically active species generated in the container.
- a large substrate can be formed more efficiently.
- FIG. It is a block diagram which shows the microwave plasma processing apparatus which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is a top view which shows the example of the arrangement of the plurality of antennas of FIG. It is a top view which shows the 1st example of the movement pattern of plasma on the substrate of FIG. It is a top view which shows the 2nd example of the movement pattern of plasma on the substrate of FIG. It is a top view which shows the 3rd example of the movement pattern of plasma on the substrate of FIG. It is a figure which shows the 1st example of the time change of the substrate surface temperature, the chemical active species density and the plasma density at an arbitrary point on a substrate.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the first embodiment.
- the microwave plasma processing apparatus 10 includes a vacuum container 11 as a container, a substrate support 12, a raw material gas supply path 13, an exhaust passage 14, a microwave supply unit 20, and a control unit 30. There is.
- the shape of the vacuum container 11 is cylindrical.
- the vacuum vessel 11 has an incident window 15.
- the shape of the substrate support 12 is a disk shape, and the substrate support 12 is provided in the vacuum container 11.
- a base material 40 for forming a diamond substrate is placed on the substrate support base 12.
- the raw material gas supply path 13 is provided on the side wall of the vacuum container 11.
- the raw material gas is supplied into the vacuum container 11 from the outside of the vacuum container 11 through the raw material gas supply path 13.
- the exhaust passage 14 is provided on the side wall of the vacuum container 11.
- the exhaust passage 14 is connected to a vacuum pump (not shown). When the vacuum pump operates, the gas in the vacuum container 11 is exhausted through the exhaust passage 14.
- the incident window 15 is provided on the upper surface of the vacuum container 11.
- the shape of the incident window 15 is a disk shape. Quartz glass, alumina, or the like is used as the material of the incident window 15.
- the incident window 15 is designed to transmit microwaves.
- the microwave supply unit 20 has a microwave generation source 21, a distributor 22, a plurality of phase devices 23, a plurality of amplifiers 24, a plurality of antennas 25, and a plurality of coaxial lines 26.
- the microwave supply unit 20 supplies a plurality of microwaves into the vacuum vessel 11.
- the microwave generation source 21 generates a microwave having a center frequency of 2.45 GHz.
- the microwave generation source 21 is connected to the distributor 22 via the coaxial line 26.
- the distributor 22 is connected to each of the plurality of phase units 23 via the coaxial line 26.
- the distributor 22 distributes the microwave generated from the microwave generation source 21 to a plurality of phase units 23.
- Each phase device 23 individually changes the phase of the microwave output from the distributor 22.
- each phase device 23 is connected to the input unit of each amplifier 24 corresponding to each phase device 23 via the coaxial line 26.
- Each amplifier 24 individually changes the intensity, that is, the amplitude of the microwave output from each phase device 23.
- Each amplifier 24 is a so-called solid-state amplifier and is composed of a semiconductor circuit.
- each amplifier 24 is connected to each antenna 25 corresponding to each amplifier 24 via a coaxial line 26.
- Each antenna 25 is arranged on the upper surface of the incident window 15.
- the shape of each antenna 25 is a cone shape.
- Each antenna 25 irradiates the microwave output from each amplifier 24 toward the incident window 15.
- FIG. 2 is a top view showing an example of arrangement of the plurality of antennas 25 of FIG. As shown in FIG. 2, in this embodiment, 50 antennas 25 are arranged in a two-dimensional array on the incident window 15.
- each antenna 25 is supplied into the vacuum vessel 11 through the incident window 15.
- the supplied microwaves interfere with each other in the vacuum vessel 11. As a result, a "region having a large electric field strength locally" is formed in the vacuum vessel 11.
- the control unit 30 uses a plurality of phase devices 23 and a plurality of amplifiers 24 to control the phases and amplitudes of the plurality of microwaves supplied into the vacuum vessel 11, respectively, to “locally increase the electric field strength”. Control the size and formation position of the "region”. Therefore, the control unit 30 can move the "region having a large electric field strength locally" in the vacuum vessel 11 by controlling the phases and amplitudes of the plurality of microwaves.
- a large-sized base material 40 having a diameter of 100 mm or more is placed on the substrate support base 12.
- a single crystal diamond base material a magnesium oxide (MgO) base material, a silicon (Si) base material, or a compound semiconductor base material is selected according to the type of diamond to be formed.
- the material of the compound semiconductor base material is silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or the like.
- the single crystal diamond base material is used when forming a single crystal diamond by homoepitaxial growth.
- the MgO substrate is used when forming a single crystal diamond by heteroepitaxial growth.
- An iridium (Ir) thin film is formed on the surface of the MgO base material.
- the Si base material and the compound semiconductor base material are used when forming polycrystalline diamond.
- Initial nucleation means forming irregularities on the surface of the base material 40 by blasting, forming amorphous silicon on the surface of the base material 40 so that irregularities are formed on the surface, and forming diamond fine particles on the surface of the base material 40. For example, it may be dispersedly applied to the surface of.
- the raw material gas is supplied to the vacuum vessel 11 from the raw material gas supply path 13.
- the raw material gas is a mixed gas containing methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2).
- diborane (B 2 H 6 ) which is a boron compound
- phosphine (PH 3 ) which is a phosphorus compound
- a rare gas such as argon (Ar) may be added to the raw material gas in order to improve the crystal quality and the crystal formation rate.
- the pressure inside the vacuum vessel 11 is controlled to 50 Torr to 200 Torr.
- microwaves with a total output of 1 kW to 10 kW are introduced into the vacuum vessel 11 from the plurality of antennas 25.
- a plurality of microwaves controlled by the control unit 30 interfere with each other, a region having a large electric field strength is locally formed on the base material 40.
- control unit 30 locally moves the region having a large electric field strength to an arbitrary position on the base material 40 by controlling the plurality of phase devices 23 and the plurality of amplifiers 24 based on the simulation result. be able to.
- the plasma 50 is generated by dissociating the molecules of the raw material gas into electrons and chemically active species in a region in the vacuum vessel 11 where the electric field strength is locally large. Chemically active species contain ions and radicals. The diameter of the generated plasma 50 is about 50 mm.
- FIG. 3 is a top view showing a first example of the movement pattern of the plasma 50 on the base material 40 of FIG.
- the diameter of the base material 40 is larger than the diameter of the plasma 50. Therefore, as shown by the arrow A1 in FIG. 3, the control unit 30 rotates the center of the plasma 50 at a constant velocity in the circumferential direction of the base material 40 while passing near the midpoint of the radius of the base material 40. To move the plasma 50.
- the plasma 50 returns to the same position on the base material 40 at regular intervals.
- FIG. 4 is a top view showing a second example of the movement pattern of the plasma 50 on the base material 40 of FIG.
- the control unit 30 moves the plasma 50 in a spiral shape and controls the plasma 50 to return to the same position on the base material 40 at regular intervals.
- FIG. 5 is a top view showing a third example of the movement pattern of the plasma 50 on the base material 40 of FIG.
- the control unit 30 moves the plasma 50 in a zigzag manner and controls the plasma 50 to return to the same position on the base material 40 at regular intervals.
- Plasmas using CH 4 , H 2 and O 2 as raw materials contain a large amount of CHx radicals, H radicals and O radicals as chemically active species. It is considered that the diamond forming process by the CVD method proceeds mainly by the simultaneous occurrence of the following two reactions.
- One is a reaction in which CHx radicals and H radicals react on the surface of the base material 40 to form diamond crystals. As a result, diamond crystals grow.
- the other is a reaction in which graphite and diamond-like carbon (DLC), which is an amorphous substance, are selectively etched by H radicals and O radicals. As a result, impurities graphite and DLC are selectively removed.
- DLC diamond-like carbon
- a diamond substrate is formed by growing diamond crystals on the base material 40.
- the diamond substrate contains a base material 40 and diamond crystals on the base material 40.
- the growth rate of diamond crystals and the etching rate of graphite and DLC change depending on the substrate surface temperature, which is the surface temperature of the diamond substrate. Therefore, the substrate surface temperature affects the quality of diamond crystals. From this, it is understood that in the diamond forming process by the CVD method, the amount of chemically active species supplied to the surface of the diamond substrate and the substrate surface temperature are important control parameters.
- the substrate surface temperature is determined by the balance between the amount of heat received by the diamond substrate from the plasma 50 and the amount of heat released by the diamond substrate to the substrate support 12.
- the substrate surface temperature is preferably controlled to 800 ° C. to 1200 ° C. Therefore, it is desirable to control the temperature of the substrate support 12 and adjust the thermal resistance between the substrate support 12 and the diamond substrate.
- the surface temperature of the substrate before the diamond crystals are formed is the surface temperature of the base material 40.
- the supply amount of the chemically active species and the substrate surface temperature fluctuate with time at any point on the diamond substrate.
- the time variation of the supply amount of the chemically active species and the surface temperature of the substrate when the plasma 50 is periodically moved will be specifically described.
- FIG. 6 and 7 show examples of temporal changes in substrate surface temperature, chemically active species density, and plasma density at arbitrary points on the diamond substrate when the plasma 50 is periodically moved on the diamond substrate. It is a figure.
- FIG. 6 shows a case where the plasma 50 is periodically moved in a relatively long cycle as has been conventionally performed.
- FIG. 7 shows a case where the plasma 50 is periodically moved at a cycle shorter than the lifetime of the chemically active species described later.
- the density of chemically active species corresponds to the densities of CHx radicals, H radicals, and O radicals.
- the plasma density is the electron density in the plasma 50.
- the time t0 is the time when the peripheral portion of the plasma 50 reaches an arbitrary point which is an observation point. That is, the time t0 is the time when the plasma starts to be generated at an arbitrary point. Therefore, the plasma density starts to increase from time t0. As a result, chemically active species are generated, and the density of chemically active species increases with the plasma density. Further, since the diamond substrate receives heat from the plasma 50, the surface temperature of the substrate rises.
- Time t1 is the time when the vicinity of the center of the plasma 50 is closest to the observation point. Therefore, at t1, the plasma density becomes maximum. Subsequent time t2 is the time when the density of chemically active species shows a peak value. After that, the plasma density decreases as the vicinity of the center of the plasma 50 moves away from the observation point. Since the time from the generation of each charged particle in the plasma 50 to its deactivation is extremely short, the plasma density rapidly decreases with the movement of the plasma 50.
- Time t3 is the time when the density of chemically active species becomes 1 / e of the peak value of the density of chemically active species. Note that e is a natural logarithm.
- the period from time t0 to time t3 is defined as the lifetime ⁇ 1 of the chemically active species. That is, the lifetime ⁇ 1 of the chemically active species at an arbitrary point on the diamond substrate is the time from when the plasma density begins to increase until the density of the chemically active species decreases to 1 / e of the peak value.
- the time constant of the change in the substrate surface temperature is longer than the time constant of the change in the plasma density and the density of chemically active species. Therefore, the substrate surface temperature decreases more slowly than the plasma density and the density of chemically active species.
- the time from when the plasma 50 passes through an arbitrary point on the diamond substrate to when it passes through the arbitrary point again is defined as the plasma movement cycle T1.
- the plasma migration cycle T1 is sufficiently longer than the lifetime ⁇ 1 of the chemically active species.
- the density of chemically active species is extremely low during the period (T1- ⁇ 1) of the plasma migration cycle T1 excluding the lifetime ⁇ 1 of the chemically active species. That is, during the period (T1- ⁇ 1), the amount of chemically active species supplied to the surface of the diamond substrate becomes extremely small. Therefore, during the period (T1- ⁇ 1), the diamond formation process proceeds intermittently, so that the diamond formation rate is further reduced.
- the change in the substrate surface temperature is slower than the change in the density of chemically active species, but the amount of change is not small. Such a change in the substrate surface temperature may affect the crystal quality of diamond.
- the plasma migration cycle T2 is set shorter than the lifetime ⁇ 2 of the chemically active species.
- control unit 30 periodically moves the plasma 50 on the base material 40 arranged in the vacuum vessel 11 at a cycle of 10 milliseconds or less. That is, the control unit 30 periodically moves the plasma 50 on the diamond substrate at a period of 10 milliseconds or less.
- control unit 30 controls the phases and amplitudes of the plurality of microwaves, so that the plasma 50 generated in the vacuum vessel 11 has a lifetime ⁇ 2 of the chemically active species generated in the vacuum vessel 11.
- the plasma is moved periodically at the plasma movement cycle T2 set based on the above.
- the plasma 50 returns to the same position on the diamond substrate again before the chemically active species are deactivated. Therefore, the density of chemically active species recovers before its value drops significantly. Since this recovery is repeated periodically, the density of chemically active species is always maintained above a certain density. That is, the period corresponding to the above period (T1- ⁇ 1) does not exist. As a result, the diamond formation process continues.
- the diamond formation rate can be maintained at a relatively high rate. Further, as compared with the case of FIG. 6, the amount of time variation of the substrate surface temperature is reduced, so that the crystal quality of diamond is better maintained.
- the lifetimes ⁇ 1 and ⁇ 2 of the chemically active species are longer than the time from the generation of each chemically active species to the deactivation. Assuming that the period in which the plasma density is greater than 0 is the plasma lifetime, chemically active species continue to be generated during the plasma lifetime. After the plasma lifetime, no new chemically active species are generated.
- the time when the chemically active species is inactivated at any point is considered to correspond to the time when the "time from the generation of each active species to the inactivation" has elapsed after the end of the plasma lifetime.
- the lifetimes ⁇ 1 and ⁇ 2 of the chemically active species are considered to correspond to the total period of the plasma duration and the time from the generation of each chemically active species to the deactivation.
- a large diamond substrate can be formed more efficiently.
- the control unit 30 moves the plasma 50 on the base material 40 at a cycle of 10 milliseconds or less. Therefore, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
- the base material 40 was directly mounted on the substrate support base 12, but a substrate holder made of a high melting point material is provided between the base material 40 and the substrate support base 12. May be.
- the melting point material is, for example, molybdenum.
- the number and arrangement of the antennas 25 are merely examples, and are not limited to the number and arrangement of the antennas 25 shown in FIG.
- nitrogen N 2 may be added to the raw material gas. According to this, a nitrogen-vacancy center is formed in the diamond crystal. Therefore, it can be applied to quantum sensors, quantum computing elements, etc. that utilize the spins of electrons trapped in the nitrogen-vacancy center.
- the plasma migration cycle T2 is preferably set to a cycle shorter than the lifetime ⁇ 2 of the chemically active species, but the plasma migration cycle is not necessarily set to a cycle shorter than the lifetime of the chemically active species. It does not have to be done.
- the plasma migration cycle may be equal to the lifetime of the chemically active species.
- the plasma migration cycle may be longer than the lifetime of the chemically active species as long as the time scale is similar to the lifetime of the chemically active species. The point is that at any point on the diamond substrate, the next plasma may arrive before the chemically active species is deactivated.
- FIG. 8 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the second embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the length of the plasma 50 in the direction parallel to the base material 40 is longer than the length of the plasma 50 in the direction perpendicular to the base material 40.
- the shape of the generated plasma 50 is flat when viewed along the direction parallel to the base material 40.
- the configuration and conditions of the microwave plasma processing apparatus 10 other than the flat plasma 50 being generated are the same as those in the first embodiment.
- the control unit 30 can change the shape of the plasma 50 generated in the vacuum vessel 11 by controlling the plurality of phase devices 23 and the plurality of amplifiers 24. Even when controlling a plurality of amplifiers 24, if the total output of the plurality of microwaves does not change, the volume of the generated plasma 50 does not change significantly.
- the control unit 30 changes the phase and amplitude of the plurality of microwaves from the conditions when the spherical plasma 50 shown in FIG. 1 is generated, thereby forming the shape of the “region having a large electric field strength locally”. Can be changed. That is, the flat plasma 50 shown in FIG. 8 can be generated.
- the contact area between the flat plasma 50 and the base material 40 is wider than the contact area between the spherical plasma 50 and the base material 40. In this way, the reaction region of the plasma 50 on the base material 40 can be expanded by changing the phases and amplitudes of the plurality of microwaves, so that a large diamond substrate can be formed more efficiently.
- FIG. 9 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the third embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are respectively arranged on the side wall portion of the vacuum container 11a at equal intervals in the circumferential direction of the vacuum container 11.
- eight antennas 25 are arranged at 45 ° intervals.
- the configuration of the microwave plasma processing device 10 is the same as that of the first embodiment, except that the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are arranged on the side wall portion of the vacuum vessel 11a.
- FIG. 10 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the fourth embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the shape of the vacuum container 11b is a rectangular parallelepiped. As shown in FIG. 10, when the upper surface is viewed from directly above, the shape of the vacuum vessel 11b is rectangular.
- the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are arranged on the side wall portion of the vacuum vessel 11b in a plane parallel to the plane of the substrate support 12. In this embodiment, a total of eight antennas 25 are arranged, two on each side wall.
- the configuration of the microwave plasma processing device 10 is the same as that of the first embodiment, except that the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are arranged on the side wall portion of the vacuum vessel 11b.
- FIG. 11 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the fifth embodiment.
- FIG. 12 is a cross-sectional view showing the lower part of the substrate support of the microwave plasma processing apparatus of FIG.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the configuration of the microwave plasma processing device 10 is the same as that of the first embodiment, except that the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are arranged on the lower portion 16 of the substrate support.
- the plurality of incident windows 15 and the plurality of antennas 25 are respectively arranged in the lower portion 16 of the substrate support base at equal intervals in the circumferential direction of the vacuum container 11.
- the control unit 30 controls the phase and amplitude of each microwave on the base material 40 by using a plurality of phase devices 23 and a plurality of amplifiers 24 so that the electric field strength of the microwave is maximized.
- FIG. 13 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the sixth embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the configuration of the plasma processing device 10 is the same as that of the first embodiment.
- the microwave plasma processing device 10 includes a magnetic field generating unit 17.
- the magnetic field generation unit 17 is provided inside the substrate support 12.
- the magnetic field generating unit 17 has a plurality of electromagnetic coils 18.
- the magnetic field generation unit 17 is connected to a power source (not shown), and power is supplied from the power source.
- the plurality of electromagnetic coils 18 form one coil array. A current can be applied to each of the plurality of electromagnetic coils 18 independently.
- each electromagnetic coil 18 When a current flows through each electromagnetic coil 18, each electromagnetic coil 18 generates a magnetic field.
- the upper plate 12a of the substrate support 12 is arranged between each electromagnetic coil 18 and the space inside the vacuum container 11.
- the upper plate 12a is made of a non-magnetic material such as stainless steel. As a result, the magnetic field generated by each electromagnetic coil 18 is generated in the vacuum vessel 11 without being confined in the substrate support 12.
- FIG. 14 is a view of the inside of the substrate support 12 of the microwave plasma processing apparatus of FIG. 13 as viewed from above. As shown in FIG. 14, the plurality of electromagnetic coils 18 are arranged on a circumference coaxial with the substrate support 12 at equal intervals from each other.
- the control unit 30 controls the magnitude of the current applied to each electromagnetic coil 18, the energization timing, and the like. As a result, the control unit 30 can move the magnetic field in the vacuum vessel 11.
- the arrangement of the plurality of electromagnetic coils 18 shown in FIG. 14 corresponds to the movement pattern of the plasma 50 shown in FIG.
- the control unit 30 moves the plasma 50 in the direction of arrow A1, that is, clockwise. That is, the control unit 30 moves the "region where the electric field strength is locally large” clockwise by controlling the phases and amplitudes of the plurality of microwaves.
- control unit 30 changes the magnitude of the current applied to each of the six electromagnetic coils 18 clockwise in synchronization with the movement of the "region where the electric field strength is locally large". In this way, the control unit 30 moves the magnetic field so that the magnetic field generated from the magnetic field generation unit 17 and the “region having a locally large electric field strength” move in a state of overlapping each other.
- the electrons in the magnetic field receive Lorentz force from the magnetic field and perform cyclotron motion.
- the frequency of electron cyclotron motion is theoretically proportional to the magnetic flux density of the magnetic field.
- ECR electron cyclotron resonance
- the angular frequency ⁇ c of the cyclotron motion is expressed by the following equation (1).
- the magnetic flux density B is expressed by the following equation (2).
- M / q in the equation (3) is called a specific charge.
- the specific charge m / q of the electrons is 1.759 ⁇ 10 11 C / kg. If the center frequency f c of the microwave is 2.45 GHz, the magnitude of the magnetic flux density B res for exciting electron cyclotron resonance is 0.0875 Tesla (3).
- the control unit 30 irradiates the vacuum vessel 11 with microwaves from the antenna 25, and the magnetic field generator 17 generates a magnetic field having a magnetic flux density of B res in the vacuum vessel 11. As a result, electron cyclotron resonance is excited in the region where the electric field strength is locally large and the magnetic field is generated.
- the control unit 30 excites the electron cyclotron resonance and moves the region of the electron cyclotron resonance by controlling the magnetic field generation unit 17.
- FIG. 15 shows an example of temporal changes in substrate surface temperature, chemically active species density, plasma density, and magnetic flux density at arbitrary points on the diamond substrate when the plasma 50 is periodically moved on the diamond substrate. It is a figure.
- the density of chemically active species corresponds to the densities of CHx radicals, H radicals and O radicals.
- the plasma migration cycle T3 is set shorter than the lifetime ⁇ 3 of the chemically active species.
- the time t4 is the time when the peripheral portion of the plasma 50 arrives at an arbitrary point which is an observation point. That is, the time t4 is the time when the plasma starts to be generated at an arbitrary point on the diamond substrate. Therefore, the plasma density starts to increase from time t4. As a result, chemically active species are generated, and the density of chemically active species increases with the plasma density. Further, since the diamond substrate receives heat from the plasma 50, the surface temperature of the substrate rises.
- the magnitude of the magnetic flux density generated by the electromagnetic coil 18 increases from B0 to B3 at an arbitrary point on the diamond substrate.
- the magnitude B0 of the magnetic flux density is 0, and the magnitude B3 of the magnetic flux density is 0.0875 Tesla.
- Time t5 is the time when the peripheral edge of the plasma 50 is separated from an arbitrary point which is an observation point. Since the time from the generation of each charged particle in the plasma 50 to its deactivation is extremely short, the plasma density rapidly decreases with the movement of the plasma 50.
- the magnetic flux density is maintained at a constant magnetic flux density B3 from time t4 to time t5. At time t5, the magnetic flux density begins to decrease from B3 to B0.
- control unit 30 controls the phases and amplitudes of the plurality of microwaves, and also controls the current value applied to each electromagnetic coil 18.
- control unit 30 periodically moves the plasma 50 generated in the vacuum vessel 11 in the plasma movement cycle T3 set based on the lifetime ⁇ 3 of the chemically active species generated in the vacuum vessel 11. ..
- the plasma 50 returns to the same position on the diamond substrate again before the chemically active species are deactivated. Therefore, the density of chemically active species recovers before its value drops significantly. Since this recovery is repeated periodically, the density of chemically active species is always maintained above a certain density. As a result, the diamond formation process continues.
- the plasma 50 can be generated more efficiently by exciting the electron cyclotron resonance. Therefore, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
- the plasma generation position can be controlled not only by controlling the phase and amplitude of the microwave, but also by controlling the current applied to the plurality of electromagnetic coils 18. Therefore, the plasma generation position can be determined with higher accuracy.
- the plurality of electromagnetic coils 18 are arranged inside the substrate support 12 as shown in FIG. 14, but the arrangement of the plurality of electromagnetic coils is not limited to this.
- the plurality of electromagnetic coils may be arranged in a double circular ring, or may be arranged like the plurality of antennas 25 shown in FIG.
- FIG. 16 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the seventh embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the magnetic field generating unit 17 has a permanent magnet 19 instead of the plurality of electromagnetic coils 18, and the control unit 30 controls the position of the permanent magnet 19 in addition to the phases and amplitudes of the plurality of microwaves.
- the configuration of the microwave plasma processing apparatus 10 other than the above is the same as that of the sixth embodiment.
- the magnetic field generating unit 17 of the microwave plasma processing apparatus 10 has a permanent magnet 19.
- the permanent magnet 19 is provided inside the substrate support 12 so as to be freely movable in the horizontal direction.
- the magnetic flux density of the magnetic field generated by the permanent magnet 19 on the base material 40 is 0.0875 Tesla.
- the permanent magnet 19 is attached to a moving mechanism (not shown).
- the moving mechanism is designed to move the permanent magnet 19 horizontally inside the substrate support base 12.
- the control unit 30 can move the permanent magnet 19 to an arbitrary position inside the substrate support 12 by controlling the movement mechanism.
- the control unit 30 controls the phase and amplitude of the microwave to generate a "region having a large electric field strength locally" at an arbitrary position on the base material 40. Further, the control unit 30 moves the permanent magnet 19 by using a moving mechanism so that the magnetic field generated by the permanent magnet 19 overlaps with the “region where the electric field strength is locally large”. As a result, the electron cyclotron resonance is excited, and the plasma 50 is generated more efficiently in the vacuum vessel 11. Therefore, a large diamond substrate can be formed more efficiently.
- the moving mechanism integrally moves the plurality of permanent magnets 19.
- one permanent magnet 19 is used in the seventh embodiment, one electromagnetic coil may be used instead of one permanent magnet 19. Further, the number of electromagnetic coils is not limited to one. In this case, the moving mechanism integrally moves the plurality of electromagnetic coils.
- the magnetic field generating unit 17 is provided inside the substrate support 12, but the position of the magnetic field generating unit 17 is not limited to this.
- the magnetic field generation unit 17 may be provided below the substrate support 12.
- the generation of the magnetic field having the magnetic flux density B res was maintained while the plasma 50 was present, but the strength of the magnetic field is not limited to this.
- a magnetic field with a magnetic flux density of B res may be generated during at least a portion of the time during which the plasma 50 is present.
- FIG. 17 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the eighth embodiment.
- the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the microwave plasma processing apparatus includes a vacuum container 11d, a substrate support 12, a microwave supply unit 20, and a control unit 30.
- the vacuum vessel 11d has a plurality of incident windows 15.
- the microwave supply unit 20 includes a microwave generator 21, a distributor 22, a plurality of phasers 23, a plurality of amplifiers 24, a plurality of antennas 25a, 25b, 25c, 25d, and a plurality of coaxial lines 26. , Cavity resonator 61 and a plurality of waveguides 71a, 71b, 71c, 71d.
- the shape of the vacuum container 11d is cylindrical.
- the antenna 25a outputs microwaves.
- the waveguide 71a is provided corresponding to the antenna 25a.
- An antenna 25a is arranged at one end of the waveguide 71a. Microwaves are introduced into the waveguide 71a from one end. Since the configurations of the antennas 25b, 25c, and 25d are the same as the configurations of the antenna 25a, these explanations are omitted. Further, since the configurations of the waveguides 71b, 71c, and 71d are the same as the configurations of the waveguide 71a, these explanations are omitted.
- the cavity resonator 61 is arranged so as to surround the vacuum vessel 11d along the outer circumference of the vacuum vessel 11d.
- the inside of the cavity resonator 61 does not need to be maintained in a vacuum.
- the plurality of waveguides 71a, 71b, 71c, and 71d are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 61 at equal intervals in the circumferential direction of the cavity resonator 61.
- four waveguides 71a, 71b, 71c, 71d are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 61 at 90 ° intervals.
- the plurality of incident windows 15 are arranged on the outer peripheral portion of the vacuum container 11d at equal intervals in the circumferential direction of the vacuum container 11d. Microwaves in the cavity resonator 61 are introduced into the vacuum vessel 11d from the plurality of incident windows 15. In this embodiment, eight incident windows 15 are arranged at intervals of 45 ° between the cavity resonator 61 and the vacuum vessel 11d.
- the configuration of the microwave plasma processing apparatus 10 is the same as that of the first embodiment except that the cavity resonator 61 and the plurality of waveguides 71a to 71d are provided.
- the electromagnetic field distribution in the vicinity of each incident window 15 changes.
- the phase of the microwave introduced from each incident window 15 into the vacuum vessel 11d changes.
- the microwaves radiated from the plurality of antennas 25a, 25b, 25c, and 25d are introduced into the vacuum vessel 11d in a state of resonance in the cavity resonator 61, so that they are more efficiently introduced into the vacuum vessel 11d. be introduced.
- FIG. 18 to 21 are plan views showing first to fourth examples of the electric field strength distribution in the microwave plasma processing apparatus of FIG. 17, respectively.
- the phase of the microwave emitted from each antenna is attached.
- the phase of the microwave emitted from each antenna is 0 °. That is, the phase difference between the microwaves emitted from each antenna is zero.
- the electric field strength distributions in the waveguides 71a, 71b, 71c, 71d, the cavity resonator 61, and the vacuum vessel 11 are represented by contour lines.
- the contour line is the boundary line
- a “region having a large electric field strength locally” is generated in a region including the center of the base material 40.
- the phases of the microwaves emitted from the antenna 25a and the microwaves emitted from the antenna 25b are equal to each other, and the phases of the microwaves emitted from the antenna 25c and the microwaves emitted from the antenna 25d are equal to each other. Further, the phase of the microwave emitted from the antenna 25a and the microwave emitted from the antenna 25b is 90 ° ahead of the phase of the microwave emitted from the antenna 25c and the microwave emitted from the antenna 25d.
- the phases of the microwaves emitted from the antenna 25a and the microwaves emitted from the antenna 25b are equal to each other, and the phases of the microwaves emitted from the antenna 25c and the microwaves emitted from the antenna 25d are equal to each other. Further, the phase of the microwave emitted from the antenna 25a and the microwave emitted from the antenna 25b is 180 ° ahead of the phase of the microwave emitted from the antenna 25c and the microwave emitted from the antenna 25d.
- the phases of the microwaves emitted from the antenna 25a and the microwaves emitted from the antenna 25d are equal to each other, and the phases of the microwaves emitted from the antenna 25b and the microwaves emitted from the antenna 25c are equal to each other. Further, the phase of the microwave emitted from the antenna 25a and the microwave emitted from the antenna 25d is 180 ° ahead of the phase of the microwave emitted from the antenna 25b and the microwave emitted from the antenna 25c.
- the microwave plasma processing apparatus of the eighth embodiment by changing the phase of the microwave incident on the waveguide from four directions, "the electric field strength is locally large” on the base material 40.
- the position where the "area” occurs can be moved. That is, the plasma 50d generated in the vacuum vessel 11d can be moved.
- the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25a and 25b is 180 ° ahead of the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25c and 25d.
- the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25b and 25c is advanced by 180 ° with respect to the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25d and 25a.
- the phase of the antenna 25a is delayed.
- the phase of the antenna 25c is advanced.
- the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25c and 25d is advanced by 180 ° with respect to the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25a and 25b. Therefore, the phase of the antenna 25b is delayed. Similarly, the phase of the antenna 25d is advanced.
- the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25d and 25a is advanced by 180 ° with respect to the phase of the two microwaves emitted from the two antennas 25b and 25c. Therefore, the phase of the antenna 25c is delayed. Similarly, the phase of the antenna 25a is advanced.
- the plasma 50d periodically moves clockwise on the base material 40.
- the procedure for moving the plasma 50d is not limited to the above direction.
- the phase of the microwave emitted from the antenna 25b is delayed from 180 ° to 0 °, and the phase of the microwave emitted from the antenna 25d is advanced from 0 ° to 180 °. Then, the electric field distribution changes to the state shown in FIG.
- the phase of the microwave emitted from the antenna 25b is advanced from 0 ° to 180 °, and the phase of the microwave emitted from the antenna 25d is delayed from 180 ° to 0 °. Then, the electric field distribution changes to the state shown in FIG. Therefore, these operations may be repeated every few milliseconds.
- phase difference between the four antennas 25a, 25b, 25c, and 25d may be set to zero each time the plasma 50d makes n rotations on the base material 40.
- n is an integer. That is, the state of the electric field distribution may be intermittently changed to the state shown in FIG. Thereby, the crystal growth in the central portion of the base material 40 can be further promoted.
- the waveguides 71a, 71b, 71c, and 71d do not have to have the same length. Further, a plurality of coaxial waveguide converters may be used instead of the antennas 25a, 25b, 25c, and 25d.
- FIG. 22 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the ninth embodiment.
- the cavity resonator 62 is arranged so as to surround the vacuum vessel 11d along the outer circumference of the vacuum vessel 11d.
- the plurality of waveguides 71b and 71d are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 62 at equal intervals in the circumferential direction of the cavity resonator 62. That is, a plurality of waveguides 71b and 71d are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 62 at intervals of 180 °.
- the configuration of the microwave plasma processing device 10 is the same as that of the sixth embodiment except that two antennas and two waveguides are provided.
- the electromagnetic field distribution in the vicinity of each incident window 15 changes.
- the phase of the microwave introduced from each incident window 15 into the vacuum vessel 11d changes.
- the generated plasma 50e can be moved on the base material 40.
- microwaves irradiated from the two antennas 25b and 25d are introduced into the vacuum vessel 11d in a state of resonating in the cavity resonator 62, they are introduced into the vacuum vessel 11 more efficiently.
- FIG. 23 is a configuration diagram showing a microwave plasma processing apparatus according to the tenth embodiment.
- the cavity resonator 63 is arranged so as to surround the vacuum vessel 11d along the outer circumference of the vacuum vessel 11d.
- the plurality of waveguides 71b, 71g, 71h, 71d, 71e, and 71f are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 63 at equal intervals in the circumferential direction of the cavity resonator 63.
- six waveguides 71b, 71g, 71h, 71d, 71e, 71f are connected to the outer peripheral portion of the cavity resonator 63 at intervals of 60 °.
- the configuration of the microwave plasma processing device 10 is the same as that of the eighth embodiment, except that six antennas and six waveguides are provided.
- the electromagnetic field distribution in the vicinity of each incident window 15 changes.
- the phase of the microwave introduced from each incident window 15 into the vacuum vessel 11d changes.
- the generated plasma 50f can be moved on the base material 40.
- microwaves emitted from the six antennas 25b, 25g, 25h, 25d, 25e, and 5f are introduced into the vacuum vessel 11d in a state of resonance in the cavity resonator 63, so that they are more efficient. It is introduced into the vacuum vessel 11.
- the shape of the antenna is not limited to this.
- An antenna having a square cross section or a rod-shaped rod antenna may be used.
- one microwave generated from one microwave generation source 21 is distributed to a plurality of microwaves by the distributor 22, but the microwave.
- the distribution method of is not limited to this.
- the plurality of microwaves may be output from a plurality of microwave sources corresponding to the plurality of microwaves. Further, the plurality of microwaves may be output by a plurality of microwave sources and a plurality of distributors. In this case, it is desirable that the plurality of microwave generation sources 21 are in phase with each other.
- microwave generation source 21, the distributor 22, each phase device 23, each amplifier 24, and each antenna 25 are connected by a coaxial line 26.
- Each coaxial line 26 may be replaced with a waveguide.
- microwave components such as an isolator and a matching device may be inserted in the transmission path between the microwave generation source 21 and the distributor 22.
- the microwave of 2.45 GHz which is the frequency band of the ISM (Industrial, Scientific and Medical) band, was used, but the frequency of the microwave is , Not limited to this.
- the volume of plasma generated in the container is inversely proportional to the cube of the microwave wavelength. Therefore, when microwaves with frequencies lower than 2.45 GHz are used, the volume of plasma increases with the cube of the wavelength ratio of the microwaves. In this case, in order to maintain the plasma density, it is necessary to increase the total output of the microwave by the cube of the wavelength ratio of the microwave.
- the plasma that actually contributes to the formation of diamond is the part that is in contact with the diamond substrate. It should be noted that the contact area between the plasma and the diamond substrate only increases with the square of the wavelength ratio of the microwave, so that the energy efficiency decreases. It is also necessary to pay attention to the increase in the size of the microwave generation source in order to increase the total output of the microwave.
- microwave plasma processing devices of the first to tenth embodiments have been used for forming a diamond substrate, but other substrates can be obtained by changing conditions such as a raw material gas, a substrate surface temperature, and a plasma migration cycle. It can also be applied to the formation of.
- FIG. 24 is a configuration diagram showing a first example of a processing circuit that realizes the function of the control unit of the microwave plasma processing apparatus according to the first to tenth embodiments.
- the processing circuit 100 of the first example is dedicated hardware.
- the processing circuit 100 includes, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof. Applicable.
- FIG. 25 is a configuration diagram showing a second example of a processing circuit that realizes the function of the control unit of the microwave plasma processing apparatus according to the first to tenth embodiments.
- the processing circuit 200 of the second example includes a processor 201 and a memory 202.
- the function of the control unit of the microwave plasma processing device is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
- the software and firmware are described as a program and stored in the memory 202.
- the processor 201 realizes the function by reading and executing the program stored in the memory 202.
- the program stored in the memory 202 causes the computer to execute the procedure or method of each part described above.
- the memory 202 is, for example, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electric Memory), etc.
- a sexual or volatile semiconductor memory e.g., a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, a DVD, etc. also correspond to the memory 202.
- control unit functions may be realized by some dedicated hardware and some by software or firmware.
- the processing circuit can realize the functions of the control unit described above by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
- microwave plasma processing device 11 vacuum vessel (container), 12 substrate support, 15 incident window, 17 magnetic field generator, 18 electromagnetic coil, 19 permanent magnet, 20 microwave supply unit, 21 microwave generator, 22 distribution Instrument, 23 phase device, 24 amplifier, 25, 25a, 25b, 25c, 25d antenna, 30 control unit, 40 base material, 50 plasma, 61 cavity resonator, 71a, 71b, 71c, 71d waveguide.
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Abstract
マイクロ波プラズマ処理装置は、容器、マイクロ波供給部、及び制御部を備えている。マイクロ波供給部は、容器内に複数のマイクロ波を供給する。制御部は、容器内に供給される複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御する。これにより、容器内に生成されるプラズマを、容器内に発生する化学活性種の寿命に基づいて設定された周期で、周期的に移動させる。
Description
この発明は、容器内に複数のマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ材料であり、高絶縁破壊電界強度、高キャリア移動度等の優れた半導体特性を持っている。このため、ダイヤモンドは、将来のパワーデバイス材料として強く期待されている。また、ダイヤモンドは、固体材料の中で最も高い熱電動率を持つことから、高出力電子デバイスのヒートシンク及び基板材料としても利用することができる。
ダイヤモンドを用いた電子デバイスを製品化するにあたって、少なくとも直径が100mm以上の大型のダイヤモンド基板を効率的に形成する技術が望まれている。ダイヤモンド基板の形成に最適な方法の1つは、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法である。
ダイヤモンドを用いた電子デバイスを製品化するにあたって、少なくとも直径が100mm以上の大型のダイヤモンド基板を効率的に形成する技術が望まれている。ダイヤモンド基板の形成に最適な方法の1つは、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法である。
例えば、マイクロ波プラズマCVD法を用いる従来のマイクロ波給電式材料プラズマ処理システムでは、複数の固体マイクロ波発生装置が電力供給源として使用されている。これらの固体マイクロ波発生装置から発生するマイクロ波がアンテナアレイを介して、反応容器内へ放出される。そして、これらのマイクロ波の位相及び振幅が制御されることにより、アンテナアレイから発生する電磁界の反応容器内における分布が制御される(例えば、特許文献1参照)。
しかし、特許文献1に開示されているマイクロ波プラズマ処理装置によりダイヤモンド基板を形成する場合、基板上のプラズマと接触している領域の位置と、プラズマと接触していない領域の位置とが絶えず変化する。プラズマの移動速度によっては、基板上のある点において、プラズマが通過してから再びプラズマが到来するまでの間に、ダイヤモンド基板の形成に寄与する化学活性種が失活することがある。これにより、ダイヤモンド結晶の連続的な成長が妨げられる虞があった。
この発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、大型の基板をより効率的に形成することが可能なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
この発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、容器、容器内に複数のマイクロ波を供給するマイクロ波供給部、及び容器内に供給される複数のマイクロ波の位相を制御することによって、容器内に生成されるプラズマを、容器内に発生する化学活性種の寿命に基づいて設定された周期で、周期的に移動させる制御部を備えている。
この発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、大型の基板をより効率的に形成することができる。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、容器としての真空容器11、基板支持台12、原料ガス供給路13、排気通路14、マイクロ波供給部20及び制御部30を備えている。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、容器としての真空容器11、基板支持台12、原料ガス供給路13、排気通路14、マイクロ波供給部20及び制御部30を備えている。
真空容器11の形状は円筒形である。真空容器11は、入射窓15を有している。基板支持台12の形状は、円板状であり、真空容器11内に設けられている。基板支持台12には、ダイヤモンド基板を形成するための基材40が載せられている。
原料ガス供給路13は、真空容器11の側壁に設けられている。原料ガスは、原料ガス供給路13を通じて、真空容器11の外部から真空容器11内に供給される。排気通路14は、真空容器11の側壁に設けられている。排気通路14は、図示しない真空ポンプと接続されている。真空ポンプが作動することにより、真空容器11内のガスが排気通路14を通って排気される。
入射窓15は、真空容器11の上面に設けられている。入射窓15の形状は、円板状である。入射窓15の材料としては、石英ガラス、アルミナ等が用いられている。入射窓15は、マイクロ波を透過するようになっている。
マイクロ波供給部20は、マイクロ波発生源21、分配器22、複数の位相器23、複数の増幅器24、複数のアンテナ25及び複数の同軸線26を有している。マイクロ波供給部20は、真空容器11内に複数のマイクロ波を供給する。
マイクロ波発生源21は、中心周波数2.45GHzのマイクロ波を発生する。マイクロ波発生源21は、同軸線26を介して、分配器22と接続されている。
分配器22は、同軸線26を介して、複数の位相器23とそれぞれ接続されている。分配器22は、マイクロ波発生源21から発生したマイクロ波を、複数の位相器23に分配する。各位相器23は、分配器22から出力されたマイクロ波の位相を個別に変更する。
各位相器23の出力部は、同軸線26を介して、各位相器23に対応する各増幅器24の入力部と接続されている。各増幅器24は、各位相器23から出力されたマイクロ波の強度、即ち、振幅を個別に変更する。各増幅器24は、所謂固体増幅器であり、半導体回路により構成されている。
各増幅器24の出力部は、同軸線26を介して、各増幅器24に対応する各アンテナ25と接続されている。各アンテナ25は、入射窓15の上面に配置されている。各アンテナ25の形状は、コーン形である。各アンテナ25は、各増幅器24から出力されたマイクロ波を入射窓15に向かって照射する。
図2は、図1の複数のアンテナ25の配置の例を示す上面図である。図2に示したように、この実施の形態では、50個のアンテナ25が、入射窓15上で2次元のアレイ状に整列している。
各アンテナ25から照射されたマイクロ波は、入射窓15を介して真空容器11内に供給される。供給されたそれぞれのマイクロ波は、真空容器11内において互いに干渉し合う。これにより、真空容器11内に「局所的に電界強度の大きい領域」が形成される。
制御部30は、複数の位相器23及び複数の増幅器24を用いて、真空容器11内に供給される複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」の大きさ及び形成位置を制御する。従って、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」を真空容器11内で移動させることができる。
次に、マイクロ波プラズマ処理装置10を用いて、ダイヤモンド基板を形成する方法を説明する。
まず、基板支持台12に、大型、例えば、直径100mm以上の基材40が載せられる。
基材40としては、形成されるダイヤモンドの種類に応じて、単結晶ダイヤモンド基材、酸化マグネシウム(MgO)基材、シリコン(Si)基材又は化合物半導体基材が選択される。化合物半導体基材の材料は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等である。
単結晶ダイヤモンド基材は、ホモエピタキシャル成長により単結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。MgO基材は、ヘテロエピタキシャル成長により単結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。MgO基材の表面には、イリジウム(Ir)薄膜が成膜されている。Si基材及び化合物半導体基材は、多結晶ダイヤモンドを形成する場合に用いられる。
なお、多結晶ダイヤモンドを形成する場合には、多結晶ダイヤモンドを形成するための起点となる初期核形成を促進させることが望ましい。初期核形成とは、ブラスト処理により基材40の表面に凹凸を形成すること、表面に凹凸が形成されるようにアモルファスシリコンを基材40の表面に成膜すること、ダイヤモンド微粒子を基材40の表面に分散塗布すること等である。
次に、原料ガスが原料ガス供給路13から真空容器11に供給される。原料ガスは、メタン(CH4 )、水素(H2 )及び酸素(O2 )を含む混合ガスである。半導体の導電型をp型に制御する場合には、ホウ素化合物であるジボラン(B2H6)が原料ガスに添加される。半導体の導電型をn型に制御する場合には、リン化合物であるホスフィン(PH3 )が原料ガスに添加される。なお、結晶品質の向上及び結晶形成速度の向上のために、アルゴン(Ar)等の希ガスが原料ガスに添加されてもよい。
真空容器11内の圧力は、50Torr~200Torrに制御される。
次に、総出力1kW~10kWのマイクロ波が、複数のアンテナ25から真空容器11に導入される。制御部30によって制御された複数のマイクロ波が互いに干渉することにより、基材40上に局所的に電界強度の大きい領域が形成される。
各アンテナ25から出力されるマイクロ波の位相及び強度と、基材40上における局所的に電界強度の大きい領域の位置との関係は、シミュレーションにより予め把握されている。従って、制御部30は、シミュレーション結果に基づいて、複数の位相器23及び複数の増幅器24を制御することにより、基材40上において、局所的に電界強度の大きい領域を任意の位置に移動させることができる。
プラズマ50は、真空容器11内の局所的に電界強度の大きい領域において、原料ガスの分子が、電子と化学活性種とに解離することにより生成される。化学活性種は、イオン及びラジカルを含んでいる。生成されるプラズマ50の直径は50mm程度である。
次に、プラズマ50の移動パターンについて説明する。図3は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第1の例を示す上面図である。基材40の直径は、プラズマ50の直径よりも大きい。そのため、制御部30は、図3に矢印A1で表したように、プラズマ50の中心が、基材40の半径の中点付近を通りながら基材40の円周方向に等速で回転するように、プラズマ50を移動させる。
これにより、プラズマ50は、一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻る。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る位置を最適化させることが望ましい。
図4は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第2の例を示す上面図である。制御部30は、図4に矢印A2で表したように、渦巻き状にプラズマ50を移動させ、プラズマ50が一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻るように制御する。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る軌跡のピッチを最適化させることが望ましい。
図5は、図1の基材40上におけるプラズマ50の移動パターンの第3の例を示す上面図である。制御部30は、図5に矢印A3で表したように、ジグザグ状にプラズマ50を移動させ、プラズマ50が一定時間毎に基材40上の同じ位置に戻るように制御する。この場合、形成されるダイヤモンド基板の厚さの面内均一性を良好に維持させるため、プラズマ50の直径及びプラズマ50の中心が通る軌跡のピッチを最適化させることが望ましい。
次に、CVD法によるダイヤモンド形成過程について説明する。CH4 、H2 及びO2 を原料ガスとするプラズマ中には、化学活性種としてCHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルが多く含まれている。CVD法によるダイヤモンドの形成過程は、主に以下の2つの反応が同時に生じることにより進行すると考えられている。
1つは、CHx ラジカルとHラジカルとが基材40の表面において反応して、ダイヤモンド結晶が形成される反応である。これにより、ダイヤモンド結晶が成長する。もう1つは、グラファイト及び非晶質体であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)がHラジカルとOラジカルとにより選択的にエッチングされる反応である。これにより、不純物であるグラファイト及びDLCが、選択的に除去される。
このように、基材40上においてダイヤモンド結晶を成長させることにより、ダイヤモンド基板が形成される。ダイヤモンド基板は、基材40と基材40上のダイヤモンド結晶とを含んでいる。
また、ダイヤモンド基板の表面の温度である基板表面温度によって、ダイヤモンド結晶の成長速度、グラファイト及びDLCのエッチング速度が変化する。そのため、基板表面温度は、ダイヤモンド結晶の品質に影響を与える。このことから、CVD法によるダイヤモンド形成過程においては、ダイヤモンド基板の表面への化学活性種の供給量及び基板表面温度が重要な制御パラメータであることが理解される。
基板表面温度は、ダイヤモンド基板がプラズマ50から受け取る熱量と、ダイヤモンド基板が基板支持台12へ放出する熱量とのバランスにより決定される。基板表面温度は、800℃~1200℃に制御されることが望ましい。そのため、基板支持台12の温度の制御及び基板支持台12とダイヤモンド基板との間の熱抵抗の調整が行われることが望ましい。なお、ダイヤモンド結晶が形成される前の基板表面温度は、基材40の表面温度である。
ところで、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させた場合、ダイヤモンド基板上の任意の点においては、化学活性種の供給量及び基板表面温度が時間的に変動する。次に、プラズマ50を周期的に移動させた場合の、化学活性種の供給量及び基板表面温度の時間変動について、具体的に説明する。
図6及び図7は、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させているときの、ダイヤモンド基板上の任意の点における基板表面温度、化学活性種密度及びプラズマ密度の時間変化の例を示す図である。図6は、従来から行われていたように、比較的長い周期で、プラズマ50を周期的に移動させた場合を示している。図7は、後述の化学活性種の寿命よりも短い周期で、プラズマ50を周期的に移動させた場合を示している。なお、化学活性種密度は、CHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルの密度に相当する。また、プラズマ密度とは、プラズマ50中の電子密度のことである。
図6において、時刻t0は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点に到来する時刻である。つまり、時刻t0は、任意の点においてプラズマが生成し始める時刻である。よって、時刻t0からプラズマ密度が増加し始める。これにより、化学活性種が生成され、化学活性種密度もプラズマ密度とともに増加する。また、ダイヤモンド基板がプラズマ50から熱量を受け取るので、基板表面温度が上昇する。
時刻t1は、プラズマ50の中心付近が観測点に最も接近する時刻である。よって、t1において、プラズマ密度が最大となる。その後の時刻t2は、化学活性種密度がピーク値を示す時刻である。その後、プラズマ50の中心付近が観測点から遠ざかるにつれて、プラズマ密度は減少する。プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間は極めて短いので、プラズマ密度は、プラズマ50の移動に伴って急速に減少する。
各CHx ラジカル、各Hラジカル及び各Oラジカルが発生してから失活するまでの時間は、プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間よりも長く、数ミリ秒であると考えられている。そのため、化学活性種密度は、時刻t2から緩やかに減少する。時刻t3は、化学活性種密度が、化学活性種密度のピーク値の1/eとなる時刻である。なお、eは自然対数である。時刻t0から時刻t3までの期間が、化学活性種の寿命τ1と定義される。つまり、ダイヤモンド基板上の任意の点における化学活性種の寿命τ1は、プラズマ密度が増加し始めてから、化学活性種密度がピーク値の1/eに低下するまでの時間である。
また、プラズマ密度及び化学活性種密度の変化の時定数と比べて、基板表面温度の変化の時定数は長い。従って、基板表面温度は、プラズマ密度及び化学活性種密度よりも緩慢に減少する。
プラズマ50がダイヤモンド基板上の任意の点を通過してから、再びその任意の点を通過するまでの時間は、プラズマ移動周期T1と定義される。図6に示したように、プラズマ移動周期T1は、化学活性種の寿命τ1よりも十分に長い。
プラズマ移動周期T1のうち化学活性種の寿命τ1を除く期間(T1-τ1)において、化学活性種密度は著しく低い。つまり、期間(T1-τ1)において、ダイヤモンド基板の表面への化学活性種の供給量は、極めて少なくなる。従って、期間(T1-τ1)において、ダイヤモンドの形成過程が断続的に進行することとなるので、ダイヤモンドの形成速度はより低下する。
また、図6から理解されるように、基板表面温度の変化は、化学活性種密度の変化よりも緩やかであるが、その変化量は少なくない。このような基板表面温度の変化は、ダイヤモンドの結晶品質に影響を与える虞がある。
そこで、実施の形態1のマイクロ波プラズマ処理装置10においては、図7に示したように、プラズマ移動周期T2が化学活性種の寿命τ2よりも短く設定されている。
例えば、制御部30は、真空容器11内に配置されている基材40上において、10ミリ秒以下の周期で、プラズマ50を周期的に移動させる。つまり、制御部30は、ダイヤモンド基板上において、10ミリ秒以下の周期で、プラズマ50を周期的に移動させる。
このように、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御することによって、真空容器11内に生成されるプラズマ50を、真空容器11内に発生する化学活性種の寿命τ2に基づいて設定されたプラズマ移動周期T2で、周期的に移動させる。
これによれば、化学活性種が失活する前に、プラズマ50が再びダイヤモンド基板上の同じ位置に戻ってくる。従って、化学活性種密度は、その値が著しく低下する前に回復する。この回復が周期的に繰り返されるので、化学活性種密度は、常に一定密度以上に維持される。つまり、上記期間(T1-τ1)に相当する期間が存在しなくなる。その結果、継続的にダイヤモンドの形成過程が進行される。
このように、プラズマ50をダイヤモンド基板上で移動させる場合であっても、ダイヤモンドの形成速度を比較的高い速度に維持させることができる。さらに、図6の場合と比べて、基板表面温度の時間変動の量が低減されるので、ダイヤモンドの結晶品質がより良好に維持される。
なお、化学活性種の寿命τ1,τ2は、各化学活性種が発生してから失活するまでの時間よりも長い。プラズマ密度が0よりも大きい期間をプラズマ存続期間とすると、プラズマ存続期間中には、化学活性種が発生し続けている。プラズマ存続期間を過ぎると、化学活性種は新たに発生しなくなる。
従って、任意の点における化学活性種が失活する時期は、プラズマ存続期間が終了してから「各活性種が発生してから失活するまでの時間」が経過した時期に相当すると考えられる。言い換えると、化学活性種の寿命τ1,τ2は、プラズマ存続期間と、各化学活性種が発生してから失活するまでの時間とを合わせた期間に相当すると考えられる。
上記のように、実施の形態1のマイクロ波プラズマ処理装置10によれば、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
制御部30は、基材40上において、10ミリ秒以下の周期でプラズマ50を移動させる。そのため、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
なお、実施の形態1において、基材40は、基板支持台12上に直接載せられていたが、基材40と基板支持台12との間には、高融点材料からなる基板ホルダが設けられていてもよい。高融点材料とは、例えば、モリブデンである。これにより、マイクロ波による電界分布を変化させ、ダイヤモンド基板上に生成されるプラズマ50のプラズマ密度をより高くすることができる。
また、実施の形態1において、アンテナ25の数及び配置は、あくまで例示であり、図2に示したアンテナ25の数及び配置に限定されない。
また、実施の形態1において、原料ガスには、窒素N2 が添加されてもよい。これによれば、ダイヤモンド結晶中に窒素-空孔中心が形成される。よって、窒素-空孔中心にトラップされた電子のスピンを利用する量子センサ、量子計算素子等への適用が可能となる。
また、実施の形態1において、プラズマ移動周期T2は、化学活性種の寿命τ2よりも短い周期に設定されることが好ましいが、プラズマ移動周期は、必ずしも化学活性種の寿命よりも短い周期に設定されなくてもよい。例えば、プラズマ移動周期は、化学活性種の寿命と等しくてもよい。また、プラズマ移動周期は、化学活性種の寿命と同程度の時間スケールであれば、化学活性種の寿命より長くてもよい。要は、ダイヤモンド基板上の任意の点において、化学活性種が失活する前に、次のプラズマが到来すればよい。
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図8は、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図8は、実施の形態2に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
図8に示したように、基材40に平行な方向におけるプラズマ50の長さは、基材40に垂直な方向におけるプラズマ50の長さよりも長い。言い換えると、基材40に平行な方向に沿って見た場合、生成するプラズマ50の形状は扁平形状である。
扁平形状のプラズマ50が生成されること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成及び条件は、実施の形態1と同様である。
制御部30は、複数の位相器23及び複数の増幅器24を制御することにより、真空容器11内に生成されるプラズマ50の形状を変更させることができる。複数の増幅器24を制御する場合であっても、複数のマイクロ波の総出力に変化がなければ、生成されるプラズマ50の体積も大きく変化しない。制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を、図1に示した球状のプラズマ50が生成される場合の条件からそれぞれ変化させることにより、「局所的に電界強度の大きい領域」の形状を変化させることができる。つまり、図8に示した扁平形状のプラズマ50を生成させることができる。
扁平形状のプラズマ50と基材40との接触面積は、球状のプラズマ50と基材40との接触面積よりも広い。このように、複数のマイクロ波の位相及び振幅を変更することにより基材40上でのプラズマ50の反応領域を拡大できるので、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
実施の形態3.
次に、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図9は、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図9は、実施の形態3に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
図9に示したように、複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ真空容器11aの側壁部に、真空容器11の周方向に等しい間隔で配置されている。この実施の形態では、8個のアンテナ25が45°おきに配置されている。
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が、真空容器11aの側壁部に配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
実施の形態4.
次に、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図10は、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図10は、実施の形態4に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
真空容器11bの形状は、直方体である。図10に示したように、真上から上面を見ると、真空容器11bの形状は矩形である。複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ真空容器11bの側壁部に、基板支持台12の面と平行な面内に配置されている。この実施の形態では、各側壁部に2個ずつ、合計8個のアンテナ25が配置されている。
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が、真空容器11bの側壁部に配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
実施の形態5.
次に、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図11は、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図12は、図11のマイクロ波プラズマ処理装置の基板支持台下部を示す断面図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図11は、実施の形態5に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図12は、図11のマイクロ波プラズマ処理装置の基板支持台下部を示す断面図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
基板支持台下部16に複数の入射窓15及び複数のアンテナ25が配置されていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
複数の入射窓15及び複数のアンテナ25は、それぞれ基板支持台下部16に、真空容器11の周方向に等しい間隔で配置されている。複数のマイクロ波は、複数のアンテナ25から真空容器11c内に導入されると、真空容器11cの内壁で反射されるとともに重畳される。制御部30は、基材40上で、マイクロ波の電界強度が最も大きくなるように、複数の位相器23及び複数の増幅器24を用いて、それぞれのマイクロ波の位相及び振幅を制御する。
このような構成によっても、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
実施の形態6.
次に、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図13は、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図13は、実施の形態6に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
基板支持台12の内部に磁場発生部17が設けられていることと、制御部30が、複数のマイクロ波の位相及び振幅に加えて、磁場の発生位置及び強度を制御すること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
図13に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、磁場発生部17を備えている。磁場発生部17は、基板支持台12の内部に設けられている。磁場発生部17は、複数の電磁コイル18を有している。磁場発生部17は、図示しない電源に接続されており、電源から電力が供給される。複数の電磁コイル18は、1つのコイルアレイを形成している。複数の電磁コイル18には、それぞれ独立して電流を印加させることができるようになっている。
各電磁コイル18に電流が流れると、各電磁コイル18は、それぞれ磁場を発生する。各電磁コイル18と、真空容器11内の空間との間には、基板支持台12の上板12aが配置されている。上板12aは、ステンレス等の非磁性材料によって構成されている。これにより、各電磁コイル18によって生じる磁場は、基板支持台12の内部に閉じ込められることなく、真空容器11内に発生する。
図14は、図13のマイクロ波プラズマ処理装置の基板支持台12の内部を上方から見た図である。図14に示したように、複数の電磁コイル18は、基板支持台12と同軸の円周上に、互いに等間隔をおいて配置されている。
制御部30は、各電磁コイル18への印加電流の大きさ、通電タイミング等をそれぞれ制御する。これにより、制御部30は、真空容器11内において磁場を移動させることができる。
図14に示した複数の電磁コイル18の配置は、図3に示したプラズマ50の移動パターンに対応している。図3に示したように、制御部30は、プラズマ50を矢印A1の方向、即ち、時計回りに移動させる。つまり、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅を制御することにより、「局所的に電界強度の大きい領域」を時計回りに移動させる。
さらに、制御部30は、「局所的に電界強度の大きい領域」の移動に同期させて、6個の電磁コイル18にそれぞれ印加する電流の大きさを時計回りに変化させる。このようにして、制御部30は、磁場発生部17から発生する磁場と、「局所的に電界強度の大きい領域」とが互いに重なった状態で移動するように、磁場を移動させる。
磁場中の電子は、磁場からローレンツ力を受けて、サイクロトロン運動を行う。電子のサイクロトロン運動の周波数は、理論上、磁場の磁束密度に比例する。サイクロトロン運動の周波数と、マイクロ波の中心周波数とが一致すると、電子は、マイクロ波のエネルギーをより効率的に吸収する。この現象は、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)と呼ばれている。サイクロトロン運動の角周波数ωc は、以下の(1)式により表される。
ωc = q×B/m …(1)
ここで、qは粒子の電荷量、Bは磁場の磁束密度、mは粒子の質量である。従って、磁束密度Bは、以下の(2)式により表される。
B=ωc ×m/q …(2)
マイクロ波の中心周波数をfc とすると、電子サイクロトロン共鳴が励起される磁場の磁束密度は、以下の(3)式により表される。
B=2π×fc ×m/q …(3)
(3)式中のm/qは、比電荷と呼ばれる。電子の比電荷m/qは、1.759×1011C/kgである。マイクロ波の中心周波数fc が2.45GHzである場合、電子サイクロトロン共鳴を励起させるための磁束密度Bres の大きさは、(3)式から0.0875テスラである。
制御部30は、アンテナ25から真空容器11内にマイクロ波を照射するとともに、磁場発生部17によって真空容器11内に磁束密度Bres の磁場を発生させる。これにより、局所的に電界強度が大きく、且つ磁場が発生している領域には、電子サイクロトロン共鳴が励起される。
電子サイクロトロン共鳴が励起されると、電子サイクロトロン共鳴の領域内では、磁場中の電子が加速される。そして、加速された電子が、周囲の原料ガス内の中性粒子に衝突することにより、中性粒子の電離がより促進される。一方、局所的に電界強度の大きい領域には、プラズマ50が生成されるが、電子サイクロトロン共鳴の励起によって、より効率的にプラズマ50が生成される。このように、制御部30は、磁場発生部17を制御することによって、電子サイクロトロン共鳴を励起させるとともに、電子サイクロトロン共鳴の領域を移動させる。
次に、図15を参照しながら、実施の形態6におけるプラズマと磁束密度との関係について説明する。図15は、プラズマ50をダイヤモンド基板上において周期的に移動させているときの、ダイヤモンド基板上の任意の点における基板表面温度、化学活性種密度、プラズマ密度及び磁束密度の時間変化の例を示す図である。化学活性種密度は、CHx ラジカル、Hラジカル及びOラジカルの密度に相当する。図15に示したように、プラズマ移動周期T3は、化学活性種の寿命τ3よりも短く設定されている。
図15において、時刻t4は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点に到来する時刻である。つまり、時刻t4は、ダイヤモンド基板上の任意の点においてプラズマが生成し始める時刻である。よって、時刻t4からプラズマ密度が増加し始める。これにより、化学活性種が生成され、化学活性種密度もプラズマ密度とともに増加する。また、ダイヤモンド基板がプラズマ50から熱量を受け取るので、基板表面温度が上昇する。
また、このとき、ダイヤモンド基板上の任意の点において、電磁コイル18により発生する磁束密度の大きさはB0からB3へ増加する。例えば、磁束密度の大きさB0は、0であり、磁束密度の大きさB3は、0.0875テスラである。
時刻t5は、プラズマ50の周縁部が、観測点である任意の点から離れる時刻である。プラズマ50中の各荷電粒子が発生してから失活するまでの時間は極めて短いので、プラズマ密度は、プラズマ50の移動に伴って急速に減少する。磁束密度は、時刻t4から時刻t5まで一定の磁束密度B3に維持される。時刻t5において、磁束密度は、B3からB0に向かって減少し始める。
このように、制御部30は、複数のマイクロ波の位相及び振幅をそれぞれ制御するとともに、各電磁コイル18への印加電流値を制御する。これにより、制御部30は、真空容器11内に生成されるプラズマ50を、真空容器11内に発生する化学活性種の寿命τ3に基づいて設定されたプラズマ移動周期T3で、周期的に移動させる。
これによれば、化学活性種が失活する前に、プラズマ50が再びダイヤモンド基板上の同じ位置に戻ってくる。従って、化学活性種密度は、その値が著しく低下する前に回復する。この回復が周期的に繰り返されるので、化学活性種密度は、常に一定密度以上に維持される。その結果、継続的にダイヤモンドの形成過程が進行される。
さらに、実施の形態6のマイクロ波プラズマ処理装置10によれば、電子サイクロトロン共鳴を励起させることにより、プラズマ50をより効率的に発生させることができる。このため、大型のダイヤモンド基板を、より効率的に形成することができる。
また、マイクロ波の位相及び振幅の制御だけでなく、複数の電磁コイル18への印加電流の制御によって、プラズマの発生位置を制御することができる。従って、プラズマの発生位置をより高い精度で決定することができる。
なお、実施の形態6において、複数の電磁コイル18は、基板支持台12の内部に、図14に示したように配置されていたが、複数の電磁コイルの配置は、これに限定されない。例えば、複数の電磁コイルは、二重の円環状に配置されてもよいし、図2に示した複数のアンテナ25のように配置されてもよい。
実施の形態7.
次に、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図16は、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図16は、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
磁場発生部17が、複数の電磁コイル18に代えて、永久磁石19を有していることと、制御部30が複数のマイクロ波の位相及び振幅に加えて永久磁石19の位置を制御すること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態6と同様である。
図16に示したように、実施の形態7に係るマイクロ波プラズマ処理装置10の磁場発生部17は、永久磁石19を有している。永久磁石19は、基板支持台12の内部において、水平方向に自在に移動可能に設けられている。
より具体的に述べると、永久磁石19が基材40上に発生させる磁場の磁束密度は、0.0875テスラである。永久磁石19は、図示しない移動機構に取り付けられている。移動機構は、基板支持台12の内部において、永久磁石19を水平移動させるようになっている。制御部30は、移動機構を制御することにより、基板支持台12の内部における任意の位置に永久磁石19を移動させることができる。
制御部30は、マイクロ波の位相及び振幅を制御して、基材40上の任意の位置に「局所的に電界強度の大きい領域」を生じさせる。さらに、制御部30は、永久磁石19による磁場が「局所的に電界強度の大きい領域」と重なるように、移動機構を用いて永久磁石19を移動させる。これにより、電子サイクロトロン共鳴が励起され、真空容器11内に、より効率的にプラズマ50が生成される。従って、大型のダイヤモンド基板をより効率的に形成することができる。
なお、実施の形態7において、1つの永久磁石19が用いられたが、複数の永久磁石が用いられてもよい。この場合、移動機構は、複数の永久磁石19を一体的に移動させる。
また、実施の形態7において、1つの永久磁石19が用いられたが、1つの永久磁石19に代えて1つの電磁コイルが用いられてもよい。また、電磁コイルは1つであることに限定されない。この場合、移動機構は、複数の電磁コイルを一体的に移動させる。
また、実施の形態6及び7において、磁場発生部17は、基板支持台12の内部に設けられていたが、磁場発生部17の位置は、これに限定されない。磁場発生部17は、基板支持台12の下方に設けられていてもよい。
また、実施の形態6及び7において、プラズマ50が存在している間、磁束密度Bres の磁場の発生が維持されていたが、磁場の強度は、これに限定されない。ダイヤモンド基板上の任意の点において、プラズマ50が存在している間の少なくとも一部の期間中に、磁束密度Bres の磁場が発生すればよい。
実施の形態8.
次に、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図17は、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
次に、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図17は、実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。図1に示した構成要素と同じ構成要素には同一の符号が付され、その詳細な説明は省略される。
実施の形態8に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、真空容器11dと、基板支持台12と、マイクロ波供給部20と、制御部30とを備えている。真空容器11dは、複数の入射窓15を有している。マイクロ波供給部20は、マイクロ波発生源21と、分配器22と、複数の位相器23と、複数の増幅器24と、複数のアンテナ25a,25b,25c,25dと、複数の同軸線26と、空洞共振器61と、複数の導波管71a,71b,71c,71dとを有している。
真空容器11dの形状は、円筒形である。アンテナ25aは、マイクロ波を出力する。導波管71aは、アンテナ25aに対応して設けられている。導波管71aの一端には、アンテナ25aが配置されている。導波管71aには、一端からマイクロ波が導入される。アンテナ25b,25c,25dの構成は、アンテナ25aの構成と同様であるので、これらの説明は省略される。また、導波管71b,71c,71dの構成は、導波管71aの構成と同様であるので、これらの説明は省略される。
空洞共振器61は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。空洞共振器61内は、真空に維持されている必要はない。複数の導波管71a,71b,71c,71dは、他端において、空洞共振器61の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器61の外周部にそれぞれ接続されている。この実施の形態では、4つの導波管71a,71b,71c,71dが、90°おきに空洞共振器61の外周部に接続されている。
複数の入射窓15は、真空容器11dの周方向に互いに等しい間隔で、真空容器11dの外周部にそれぞれ配置されている。複数の入射窓15から、空洞共振器61内のマイクロ波が真空容器11d内に導入される。この実施の形態では、空洞共振器61と真空容器11dとの間には、8個の入射窓15が、45°おきに配置されている。
空洞共振器61及び複数の導波管71a~71dが設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態1と同様である。
複数のアンテナ25a,25b,25c,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。さらに、複数のアンテナ25a,25b,25c,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器61内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11d内に導入される。
図18~図21は、図17のマイクロ波プラズマ処理装置内の電界強度分布の第1~第4の例をそれぞれ示す平面図である。各アンテナの近傍には、各アンテナから照射されるマイクロ波の位相が付されている。図18において、各アンテナから照射されるマイクロ波の位相は、0°である。つまり、各アンテナから照射されるマイクロ波間の位相差はゼロである。
図18~図21において、導波管71a,71b,71c,71d内、空洞共振器61内及び真空容器11内の電界強度分布は、等高線によって表されている。等高線を境界線とする領域において、梨地模様のドットが大きい領域ほど、電界強度が大きいことを表している。図18によれば、基材40の中心を含む領域に「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
図19において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相よりも90°進んでいる。
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
図20において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25cから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相よりも180°進んでいる。
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。
図21において、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しく、アンテナ25bから照射されるマイクロ波及びアンテナ25cから照射されるマイクロ波の位相は互いに等しい。さらに、アンテナ25aから照射されるマイクロ波及びアンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相は、アンテナ25bから照射されるマイクロ波及びアンテナ25cから照射されるマイクロ波の位相よりも180°進んでいる。
この場合、基材40の中心に対して対称に2つの「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する。また、これら2つの「局所的に電界強度の大きい領域」の位置は、図20の2つの「局所的に電界強度の大きい領域」に対して、基材40の中心を軸として90°回転した位置である。
このように、実施の形態8のマイクロ波プラズマ処理装置では、4つの方向から導波管に入射されるマイクロ波の位相を変化させることにより、基材40上で「局所的に電界強度の大きい領域」が発生する位置を移動させることができる。つまり、真空容器11d内に生成されるプラズマ50dを移動させることができる。
次に、プラズマ50dを基材40上で移動させる手順について説明する。図20の状態では、2つのアンテナ25a,25bから照射される2つのマイクロ波の位相は、2つのアンテナ25c,25dから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んでいる。
数ミリ秒後に、2つのアンテナ25b,25cから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25d,25aから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25aの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25cの位相が進められる。
さらに、数ミリ秒後に、2つのアンテナ25c,25dから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25a,25bから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25bの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25dの位相が進められる。
さらに、数ミリ秒後に、2つのアンテナ25d,25aから照射される2つのマイクロ波の位相が、2つのアンテナ25b,25cから照射される2つのマイクロ波の位相に対して180°進んだ状態となるように、アンテナ25cの位相が遅らされる。同様にして、アンテナ25aの位相が進められる。
この手順が繰り返されることにより、プラズマ50dは、基材40上を時計回りに周期的に移動する。
これによれば、複数のマイクロ波が空洞共振器61を介して真空容器11d内に導入されるので、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。
なお、プラズマ50dを移動させる手順は、上記方向に限定されない。例えば、図20の状態において、アンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相を180°から0°に向かって遅らせるとともに、アンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相を0°から180°に向かって進めると、電界分布は、図21の状態に変化する。
一方、図21の状態において、アンテナ25bから照射されるマイクロ波の位相を0°から180°に向かって進めるとともに、アンテナ25dから照射されるマイクロ波の位相を180°から0°に向かって遅らせると、電界分布は、図20の状態に変化する。従って、数ミリ秒毎にこれらの操作が繰り返されてもよい。
また、プラズマ50dが、基材40上をn回転する毎に、4つのアンテナ25a,25b,25c,25dの位相差をゼロに設定してもよい。nは整数である。つまり、電界分布の状態が、間欠的に図18の状態となるようにしてもよい。これにより、基材40の中央部の結晶成長をより促進させることができる。
また、導波管71a,71b,71c,71dは、それぞれが同一の長さである必要はない。また、アンテナ25a,25b,25c,25dに代えて、複数の同軸導波管変換器が用いられてもよい。
実施の形態9.
次に、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図22は、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。
次に、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図22は、実施の形態9に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。
空洞共振器62は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。複数の導波管71b,71dは、他端において、空洞共振器62の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器62の外周部にそれぞれ接続されている。つまり、複数の導波管71b,71dが、180°おきに空洞共振器62の外周部に接続されている。
複数のアンテナ及び複数の導波管がそれぞれ2つずつ設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態6と同様である。
2つのアンテナ25b,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。これにより、生成されるプラズマ50eを基材40上で移動させることができる。
さらに、2つのアンテナ25b,25dからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器62内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11内に導入される。
これによれば、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。
実施の形態10.
次に、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図23は、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。
次に、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置について説明する。図23は、実施の形態10に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す構成図である。
空洞共振器63は、真空容器11dの外周に沿って真空容器11dを取り囲んで配置されている。複数の導波管71b,71g,71h,71d,71e,71fは、他端において、空洞共振器63の周方向に互いに等しい間隔で、空洞共振器63の外周部にそれぞれ接続されている。この実施の形態では、6個の導波管71b,71g,71h,71d,71e,71fが、60°おきに空洞共振器63の外周部に接続されている。
複数のアンテナ及び複数の導波管がそれぞれ6個ずつ設けられていること以外のマイクロ波プラズマ処理装置10の構成は、実施の形態8と同様である
6個のアンテナ25b,25g,25h,25d,25e,5fからそれぞれ照射されるマイクロ波の位相をそれぞれ変化させることにより、各入射窓15近傍における電磁界分布が変化する。各入射窓15近傍における電磁界分布を変化させると、各入射窓15から真空容器11d内に導入されるマイクロ波の位相が変化する。これにより、生成されるプラズマ50fを基材40上で移動させることができる。
さらに、6個のアンテナ25b,25g,25h,25d,25e,5fからそれぞれ照射されるマイクロ波は、空洞共振器63内において共振した状態で真空容器11d内に導入されるので、より効率的に真空容器11内に導入される。
これによれば、より効率的にプラズマを生成させることができる。従って、より効率的に大型のダイヤモンド基板を形成することができる。
なお、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置には、コーン形のアンテナが用いられていたが、アンテナの形状は、これに限定されない。断面が方形のアンテナでもよいし、棒状のロッドアンテナであってもよい。
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置では、1つのマイクロ波発生源21から発生した1つのマイクロ波が、分配器22によって複数のマイクロ波に分配されていたが、マイクロ波の分配方法は、これに限定されない。複数のマイクロ波は、複数のマイクロ波にそれぞれ対応する複数のマイクロ波発生源から出力されてもよい。また、複数のマイクロ波は、複数のマイクロ波発生源と複数の分配器によって出力されてもよい。この場合、複数のマイクロ波発生源21は互いに位相が同期していることが望ましい。
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波発生源21、分配器22、各位相器23、各増幅器24及び各アンテナ25は、同軸線26で接続されていたが、各同軸線26は、導波管に置換されてもよい。
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波発生源21と分配器22との間の伝送経路に、アイソレータ、整合器等のマイクロ波部品が挿入されてもよい。
なお、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置には、ISM(Industrial, Scientific and Medical)バンドの周波数帯である2.45GHzのマイクロ波が用いられていたが、マイクロ波の周波数は、これに限定されない。
容器内に生成されるプラズマの体積は、マイクロ波の波長の3乗に逆比例する。従って、2.45GHzのよりも低い周波数のマイクロ波を用いた場合、プラズマの体積は、マイクロ波の波長比の3乗で大きくなる。この場合、プラズマ密度を維持するためには、マイクロ波の総出力をマイクロ波の波長比の3乗で大きくする必要がある。
しかしながら、実際にダイヤモンドの形成に寄与するプラズマは、ダイヤモンド基板と接触している部分である。プラズマとダイヤモンド基板との接触面積は、マイクロ波の波長比の2乗で大きくなるにすぎないから、エネルギー効率が低下することに注意が必要である。また、マイクロ波の総出力を大きくするために、マイクロ波発生源が大型化することにも注意が必要である。
一方、2.45GHzよりも高い周波数では、生成されるプラズマの体積が小さくなる。従って、大型のダイヤモンド基板を形成するためには、プラズマをダイヤモンド基板上でより狭いピッチで移動させる必要がある。
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置は、ダイヤモンド基板の形成に用いられていたが、原料ガス、基板表面温度、プラズマ移動周期等の条件を変更することにより、他の基板の形成にも応用が可能である。
また、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能は、処理回路によって実現される。図24は、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能を実現する処理回路の第1の例を示す構成図である。第1の例の処理回路100は、専用のハードウェアである。
また、処理回路100は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、又はこれらを組み合わせたものが該当する。
また、図25は、実施の形態1から10までのマイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能を実現する処理回路の第2の例を示す構成図である。第2の例の処理回路200は、プロセッサ201及びメモリ202を備えている。
処理回路200では、マイクロ波プラズマ処理装置の制御部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ202に格納される。プロセッサ201は、メモリ202に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、機能を実現する。
メモリ202に格納されたプログラムは、上述した各部の手順又は方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ202とは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD等も、メモリ202に該当する。
なお、上述した制御部の機能について、一部の専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述した制御部の機能を実現することができる。
10 マイクロ波プラズマ処理装置、11 真空容器(容器)、12 基板支持台、15 入射窓、17 磁場発生部、18 電磁コイル、19 永久磁石、20 マイクロ波供給部、21 マイクロ波発生源、22 分配器、23 位相器、24 増幅器、25,25a,25b,25c,25d アンテナ、30 制御部、40 基材、50 プラズマ、61 空洞共振器、71a,71b,71c,71d 導波管。
Claims (10)
- 容器、
前記容器内に複数のマイクロ波を供給するマイクロ波供給部、及び、
前記容器内に供給される前記複数のマイクロ波の位相を制御することによって、前記容器内に生成されるプラズマを、前記容器内に発生する化学活性種の寿命に基づいて設定された周期で、周期的に移動させる制御部
を備えているマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記マイクロ波供給部は、
前記容器の外周に沿って前記容器を取り囲んで配置されている空洞共振器と、
前記空洞共振器の周方向に互いに等しい間隔で、前記空洞共振器の外周部にそれぞれ接続されている複数の導波管とを有している
請求項1に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記制御部は、
前記容器内に配置されている基材上において、10ミリ秒以下の周期で、前記プラズマを周期的に移動させる
請求項1又は請求項2に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記マイクロ波供給部は、複数の位相器及び複数の増幅器を有しており、
前記制御部は、前記複数の位相器及び前記複数の増幅器を制御することにより、前記容器内に生成される前記プラズマの形状を変更させる
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記容器内に磁場を発生させる磁場発生部
をさらに備え、
前記制御部は、前記磁場発生部を制御することによって、電子サイクロトロン共鳴を励起させるとともに、前記電子サイクロトロン共鳴の領域を移動させる
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記磁場発生部は、複数の電磁コイルを有している
請求項5に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記磁場発生部は、1つ以上の永久磁石と、
前記1つ以上の永久磁石を移動させる移動機構と
を有している
請求項5に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記磁場発生部は、1つ以上の電磁コイルと、
前記1つ以上の電磁コイルを移動させる移動機構と
を有している
請求項5に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - メタン、水素及び酸素を含む原料ガスを前記容器内に供給してダイヤモンド基板を形成する
請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記原料ガスは、ホウ素化合物又はリン化合物を含んでいる
請求項9に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
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---|---|---|---|---|
WO2024088791A1 (en) * | 2022-10-28 | 2024-05-02 | Evatec Ag | A microwave plasma reactor with a plurality of emitters and absorbers and a method for plasma processing a workpiece using such a microwave plasma reactor |
WO2024111102A1 (ja) * | 2022-11-25 | 2024-05-30 | 三菱電機株式会社 | 半導体加工装置、制御回路、及び半導体加工方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03109726A (ja) * | 1989-09-25 | 1991-05-09 | Hitachi Ltd | プラズマ処理装置 |
JPH09106900A (ja) * | 1995-05-19 | 1997-04-22 | Hitachi Ltd | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
JP2001257098A (ja) * | 2000-03-13 | 2001-09-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 放電電極への給電方法、高周波プラズマ生成方法および半導体製造方法 |
JP2005019968A (ja) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Samsung Electronics Co Ltd | 高密度プラズマ処理装置 |
JP2012089334A (ja) * | 2010-10-19 | 2012-05-10 | Tokyo Electron Ltd | マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 |
JP2013023408A (ja) * | 2011-07-21 | 2013-02-04 | Kanazawa Univ | ダイヤモンド基板 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3109726B2 (ja) | 1987-06-11 | 2000-11-20 | 凸版印刷株式会社 | ラベル付容器及びその製造方法。 |
US6170428B1 (en) | 1996-07-15 | 2001-01-09 | Applied Materials, Inc. | Symmetric tunable inductively coupled HDP-CVD reactor |
JP2001110885A (ja) | 1999-10-14 | 2001-04-20 | Hitachi Ltd | 半導体処理装置および半導体処理方法 |
JP5032042B2 (ja) | 2006-03-17 | 2012-09-26 | 株式会社アルバック | プラズマcvd装置および成膜方法 |
JP2011084770A (ja) | 2009-10-15 | 2011-04-28 | Canon Anelva Corp | 静電チャックを備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法 |
-
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03109726A (ja) * | 1989-09-25 | 1991-05-09 | Hitachi Ltd | プラズマ処理装置 |
JPH09106900A (ja) * | 1995-05-19 | 1997-04-22 | Hitachi Ltd | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
JP2001257098A (ja) * | 2000-03-13 | 2001-09-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 放電電極への給電方法、高周波プラズマ生成方法および半導体製造方法 |
JP2005019968A (ja) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Samsung Electronics Co Ltd | 高密度プラズマ処理装置 |
JP2012089334A (ja) * | 2010-10-19 | 2012-05-10 | Tokyo Electron Ltd | マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 |
JP2013023408A (ja) * | 2011-07-21 | 2013-02-04 | Kanazawa Univ | ダイヤモンド基板 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024088791A1 (en) * | 2022-10-28 | 2024-05-02 | Evatec Ag | A microwave plasma reactor with a plurality of emitters and absorbers and a method for plasma processing a workpiece using such a microwave plasma reactor |
WO2024111102A1 (ja) * | 2022-11-25 | 2024-05-30 | 三菱電機株式会社 | 半導体加工装置、制御回路、及び半導体加工方法 |
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