(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023168450
(43)【公開日】2023-11-24
(54)【発明の名称】高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/509 20060101AFI20231116BHJP
C23C 16/27 20060101ALI20231116BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231116BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20231116BHJP
【ＦＩ】
C23C16/509
C23C16/27
H01L21/205
H05H1/46 M
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
【公開請求】
(21)【出願番号】P 2023171166
(22)【出願日】2023-10-02
(71)【出願人】
【識別番号】303034908
【氏名又は名称】村田 正義
(72)【発明者】
【氏名】村田正義
(57)【要約】
【課題】
パワー半導体材料としてのダイヤモンド膜の形成のために、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置及び熱フィラメントＣＶＤ装置等が開発されている。前者は波長の制約により大面積化が困難であり、後者は熱電子の発生の高密度化のための高温化と基板温度の制御がトレードオフの関係にあることにより、高速成膜化が困難という課題がある。この問題を解決可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供すること。
【解決手段】
基板の輻射加熱と高周波プラズマの発生を兼備する梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源と、を具備し、前記電極に前記直流電源及び前記高周波電源からそれぞれに直流及び高周波電力を供給することにより、原料ガスである炭素含有ガスと水素の混合ガスをプラズマ化して、ダイヤモンドを形成することを特徴とする。
【選択図】図１
パワー半導体材料としてのダイヤモンド膜の形成のために、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置及び熱フィラメントＣＶＤ装置等が開発されている。前者は波長の制約により大面積化が困難であり、後者は熱電子の発生の高密度化のための高温化と基板温度の制御がトレードオフの関係にあることにより、高速成膜化が困難という課題がある。この問題を解決可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供すること。
【解決手段】
基板の輻射加熱と高周波プラズマの発生を兼備する梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源と、を具備し、前記電極に前記直流電源及び前記高周波電源からそれぞれに直流及び高周波電力を供給することにより、原料ガスである炭素含有ガスと水素の混合ガスをプラズマ化して、ダイヤモンドを形成することを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガス供給系及び排気系を備えた反応容器と、前記反応容器の内部に配置されて基板を保持する主面を有する基板保持台と、前記基板を加熱する輻射エネルギーを発生し、且つ高周波プラズマを発生する輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に直流電力を供給する直流電源と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極にインピーダンス整合器を介して高周波電力を供給する高周波電源と、電気的に非接地の第１の真空装置用電流導入端子と、接地された第２の真空装置用電流導入端子と、を具備した高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置であって、
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、線状及び／又は棒状及び／又は板状の高融点金属材で形成された梯子型の形状を有し、前記梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の互いに対向する一方の端部を前記第１の真空装置用電流導入端子と電気的に接続し、他方の端部を前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続することを特徴とする高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、線状及び／又は棒状及び／又は板状の高融点金属材で形成された梯子型の形状を有し、前記梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の互いに対向する一方の端部を前記第１の真空装置用電流導入端子と電気的に接続し、他方の端部を前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続することを特徴とする高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項2】
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記第１の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第１の導体棒と、前記第１の導体棒に平行に配置され、且つ前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第２の導体棒と、前記第１の導体棒と前記第２の導体棒を電気的に接続し、且つ互いに平行に等間隔に配置されるタングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作された複数の第３の導体棒から構成され、前記第１の導体棒、前記第２の導体棒及び前記複数の第３の導体棒は、前記基板保持台の主面に平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項3】
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記複数の第３の導体棒に張力を与える張力付与手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項4】
前記複数の第３の導体棒は、断面形状が直径略０．１ｍｍ～１．０ｍｍの円形であることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一つに記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項5】
前記複数の第３の導体棒は、断面形状が略０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの厚みで、略０．５ｍｍ～１０ｍｍの幅を持つ長方形であることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一つに記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項6】
前記高周波電源の周波数は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項7】
前記基板保持台は、タンタル（Ｔａ）で形成され、且つ冷媒を用いた冷却手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【請求項8】
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする請求項１から請求７のいずれか一つに記載の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に関する。特に、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）の周波数を用いた高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンドは、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、宝飾品や機械加工材料のみならず、ワイドギャップ半導体として知られ、ＳｉやＳｉＣ等の半導体より遙かに優れた特性を有することから、究極のパワー半導体材料として注目されている。そして、パワー半導体材料への応用を図るために、４～５インチ級の基板への対応が可能な、大面積のダイヤモンド形成装置に関し、鋭意、開発研究が進められている。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法には、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と熱フィラメントＣＶＤ法があることが知られている。また、一般に次のことが知られている。即ち、上記ＣＶＤ法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、かつ結晶性が低下することがある。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法には、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と熱フィラメントＣＶＤ法があることが知られている。また、一般に次のことが知られている。即ち、上記ＣＶＤ法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、かつ結晶性が低下することがある。
【0003】
マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、基板の加熱と原料ガスの分解にマイクロ波を用いることを特徴とする。即ち、マイクロ波を用いて原料ガスであるメタン（ＣＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスをプラズマ化することにより、該プラズマ中に生成される電子及びイオン等によってダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させるとともに、前記マイクロ波を用いて基板上でのプラズマ化学反応促進に必要な基板温度を、約７００℃～約１，００℃に加熱する。基板上に形成されるダイヤモンドは、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着して、基板上で原子状Ｈ等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が成長する。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献３に記載されているように、一般にダイヤモンド成長速度は１～１０μｍ／ｈと比較的高いが、マイクロ波の波長が短いことに起因する均一プラズマ生成領域の広さに制限があり、成膜可能な面積がλ／８～λ／１０程度（λ：波長）と小さく、４～５インチ級の基板への対応の必須条件である大面積化が困難である、という課題がある。なお、周波数２．４５ＧＨｚの場合、高密度プラズマ中の波長λは、真空中の波長λ０（１２２ｍｍ）ｘ波長短縮率（例えば、０．６５）＝７９．３ｍｍであり、均一な高密度プラズマ生成領域を、例えば、λ／８～λ／１０程度と見積もると、成膜可能な面積は、直径約８～１０ｍｍ程度である。
熱フィラメントＣＶＤ法は、基板の加熱に輻射熱を用い、原料ガスの分解に熱フィラメントから放出される熱電子及び紫外線等を用いることを特徴とする。即ち、基板の直上数ｍｍ～１０ｍｍ程度の位置に、高温のフィラメント（約１，０００℃～２，４００℃）を設置し、高温度のフィラメントから放出される熱電子及び紫外線等によって原料ガスである水素（Ｈ２）とメタン（ＣＨ４）の混合ガスを分解し、ダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させる。ダイヤモンドは、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着しつつ、基板上で原子状Ｈ等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が形成される。基板の温度は、一般に、約７００～約１，０００℃に設定される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、熱フィラメントＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１及び特許文献３に記載されているように、製膜速度が、一般に１．５～２．０μｍ／ｈと低速であることから、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と同じレベルの高速製膜の実現が課題である。また、パワー半導体材料への応用を図るには、４～５インチ級の基板への対応が可能な大面積化が課題である。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献３に記載されているように、一般にダイヤモンド成長速度は１～１０μｍ／ｈと比較的高いが、マイクロ波の波長が短いことに起因する均一プラズマ生成領域の広さに制限があり、成膜可能な面積がλ／８～λ／１０程度（λ：波長）と小さく、４～５インチ級の基板への対応の必須条件である大面積化が困難である、という課題がある。なお、周波数２．４５ＧＨｚの場合、高密度プラズマ中の波長λは、真空中の波長λ０（１２２ｍｍ）ｘ波長短縮率（例えば、０．６５）＝７９．３ｍｍであり、均一な高密度プラズマ生成領域を、例えば、λ／８～λ／１０程度と見積もると、成膜可能な面積は、直径約８～１０ｍｍ程度である。
熱フィラメントＣＶＤ法は、基板の加熱に輻射熱を用い、原料ガスの分解に熱フィラメントから放出される熱電子及び紫外線等を用いることを特徴とする。即ち、基板の直上数ｍｍ～１０ｍｍ程度の位置に、高温のフィラメント（約１，０００℃～２，４００℃）を設置し、高温度のフィラメントから放出される熱電子及び紫外線等によって原料ガスである水素（Ｈ２）とメタン（ＣＨ４）の混合ガスを分解し、ダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させる。ダイヤモンドは、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体とし、基板に化学吸着しつつ、基板上で原子状Ｈ等によって水素成分やグラファイト成分が排除されて、ダイヤモンド結晶が形成される。基板の温度は、一般に、約７００～約１，０００℃に設定される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、熱フィラメントＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１及び特許文献３に記載されているように、製膜速度が、一般に１．５～２．０μｍ／ｈと低速であることから、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と同じレベルの高速製膜の実現が課題である。また、パワー半導体材料への応用を図るには、４～５インチ級の基板への対応が可能な大面積化が課題である。
【0004】
熱フィラメントＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に関する代表的特許技術として、例えば、特許文献１ないし特許文献３が挙げられる。
特許文献１には、加熱体によって加熱した原料ガスを基板表面に導入してダイヤモンドを析出させるにあたって、該ガス流に対面して２以上の加熱体を多段に配置したことを特徴とするダイヤモンドの気相合成方法、が記載されている。また、具体的知見として、以下に示す主旨の記述がある。即ち、
（１）Ｗ、Ｔａ等の高融点金属で製作された第１フィラメント層と第２のフィラメント層からなる加熱体を原料ガス噴出のノズルの前方に２段に配置した方法であって、各々のフィラメントは該ノズルから噴出し基板に至るガス流に対面して置かれている．そのため第１のフィラメントを通過したガスは更に第２のフィラメントで充分な活性状態を得る．（ロ（２）フィラメントの層数が多い程、またフィラメント間の距離が小である程、望ましくは２０ｍｍ以内とすることで、良好な結果をうることかできる。
（３）フィラメントの代わりとして他の形状の加熱体、例えばメッシュ状、棒状、コイル状あるいは板状の加熱体等を用いることもできる．
特許文献２には、熱フィラメントＣＶＤを用いたダイヤモンド形成装置に関し、以下に示す主旨の記述がある。即ち、従来技術では、高温発熱体が一つの発熱系で構成されているため、高温発熱体の中央部分と周辺部分とでは、反応容器への熱の逃げなどの違いから、高温発熱体表面に温度の低い部分が現われ、接触分解反応の均一性が損なわれる。このため基板面内に形成される膜厚を良好で、均一にすることは困難であるという課題がある。基板上に堆積される薄膜の膜厚を良好で均一なものにするためには、基板表面に到達する活性種の量を基板箇所に応じて制御する必要がある。この課題を解決する半導体製造装置は、基板を処理する反応室と、前記反応室内に反応ガスを供給するガス供給手段と、前記反応室内に供給された反応ガスと接触することにより前記反応ガスを分解する高温発熱体とを備え、前記高温発熱体は、互いに独立にまたは複数個ずつ組み合わされて制御されるユニットから構成され、前記ユニットは前記反応室内を適宜分割した複数の領域に配置されていることを特徴とする。実施例として、基板の面に平行で、且つ距離が異なる２つの平面に、それぞれに複数のフィラメントを配置し、互いに独立した加熱用電源が配置されている構成が記載されている。
特許文献１には、加熱体によって加熱した原料ガスを基板表面に導入してダイヤモンドを析出させるにあたって、該ガス流に対面して２以上の加熱体を多段に配置したことを特徴とするダイヤモンドの気相合成方法、が記載されている。また、具体的知見として、以下に示す主旨の記述がある。即ち、
（１）Ｗ、Ｔａ等の高融点金属で製作された第１フィラメント層と第２のフィラメント層からなる加熱体を原料ガス噴出のノズルの前方に２段に配置した方法であって、各々のフィラメントは該ノズルから噴出し基板に至るガス流に対面して置かれている．そのため第１のフィラメントを通過したガスは更に第２のフィラメントで充分な活性状態を得る．（ロ（２）フィラメントの層数が多い程、またフィラメント間の距離が小である程、望ましくは２０ｍｍ以内とすることで、良好な結果をうることかできる。
（３）フィラメントの代わりとして他の形状の加熱体、例えばメッシュ状、棒状、コイル状あるいは板状の加熱体等を用いることもできる．
特許文献２には、熱フィラメントＣＶＤを用いたダイヤモンド形成装置に関し、以下に示す主旨の記述がある。即ち、従来技術では、高温発熱体が一つの発熱系で構成されているため、高温発熱体の中央部分と周辺部分とでは、反応容器への熱の逃げなどの違いから、高温発熱体表面に温度の低い部分が現われ、接触分解反応の均一性が損なわれる。このため基板面内に形成される膜厚を良好で、均一にすることは困難であるという課題がある。基板上に堆積される薄膜の膜厚を良好で均一なものにするためには、基板表面に到達する活性種の量を基板箇所に応じて制御する必要がある。この課題を解決する半導体製造装置は、基板を処理する反応室と、前記反応室内に反応ガスを供給するガス供給手段と、前記反応室内に供給された反応ガスと接触することにより前記反応ガスを分解する高温発熱体とを備え、前記高温発熱体は、互いに独立にまたは複数個ずつ組み合わされて制御されるユニットから構成され、前記ユニットは前記反応室内を適宜分割した複数の領域に配置されていることを特徴とする。実施例として、基板の面に平行で、且つ距離が異なる２つの平面に、それぞれに複数のフィラメントを配置し、互いに独立した加熱用電源が配置されている構成が記載されている。
【0005】
特許文献３には、熱フィラメント法を用いたダイヤモンド形成装置に関し、以下に示す主旨の記述がある。
即ち、従来の技術課題として、プラズマＣＶＤは、成膜室内に供給した原料ガスをマイクロ波等によりプラズマ状態にし、成膜する方法であることから、成長速度が１～１０μｍ／ｈと比較的高いという長所があるが、装置の構造が複雑で高価であり、マイクロ波の波長の制約により可能な成膜面積に限界があるという短所がある。
熱フィラメントＣＶＤは、成膜室に供給した原料ガスを高温フィラメントにて熱分解し、化学反応を誘導する成膜方法であり、構造が簡単で安価であるとともに、成膜面積を大きくすることができる。しかしながら、これまで、この熱フィラメントＣＶＤは、上記プラズマＣＶＤより成膜の成長速度が低いという課題があった。
この課題を解決する半導体製造装置として、特許文献３に記載の装置は、成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，５００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は１～１０ｍｍの間隔を隔てて複数段に配置され、前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径０．１～１．０ｍｍのタンタル又はその合金からなる線材が３～３０ｍｍの間隔で複数本配置されていることを特徴とする。
特許文献３に記載の装置に関する実施例に以下に示す主旨の記述がある。即ち、
（１）フィラメントの線径は０．１～１．０ｍｍの範囲、好ましくは０．１～０．３ｍｍの範囲がよい。
（２）１つのフィラメント層を形成するフィラメントの間隔は３～３０ｍｍ、好ましくは５～１５ｍｍの範囲である。
（３）一段目のフィラメント層と二段目のフィラメント層の間隔は１ｍｍ～１０ｃｍ、好ましくは１～１０ｍｍの範囲である。
（４）フィラメントの材質は、２，４００℃以上の高温に耐えられるものであれば、各種材質を用いることができる。例えば、タングステン、タンタル等であり、これらはその合金又は炭化物等の化合物であってもよい。タンタルが好ましい。
特許文献３に記載の熱フィラメントＣＶＤを用いたダイヤモンド形成装置は、熱電子発生量（熱電子放出量）を増大させる手段として、熱フィラメントの材料にタンタル（Ｔａ）を用い、且つ該熱フィラメントの温度を２，５００℃以上に加熱し、且つ前記熱フィラメントを多段に配置することを特徴とする。
即ち、従来の技術課題として、プラズマＣＶＤは、成膜室内に供給した原料ガスをマイクロ波等によりプラズマ状態にし、成膜する方法であることから、成長速度が１～１０μｍ／ｈと比較的高いという長所があるが、装置の構造が複雑で高価であり、マイクロ波の波長の制約により可能な成膜面積に限界があるという短所がある。
熱フィラメントＣＶＤは、成膜室に供給した原料ガスを高温フィラメントにて熱分解し、化学反応を誘導する成膜方法であり、構造が簡単で安価であるとともに、成膜面積を大きくすることができる。しかしながら、これまで、この熱フィラメントＣＶＤは、上記プラズマＣＶＤより成膜の成長速度が低いという課題があった。
この課題を解決する半導体製造装置として、特許文献３に記載の装置は、成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，５００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は１～１０ｍｍの間隔を隔てて複数段に配置され、前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径０．１～１．０ｍｍのタンタル又はその合金からなる線材が３～３０ｍｍの間隔で複数本配置されていることを特徴とする。
特許文献３に記載の装置に関する実施例に以下に示す主旨の記述がある。即ち、
（１）フィラメントの線径は０．１～１．０ｍｍの範囲、好ましくは０．１～０．３ｍｍの範囲がよい。
（２）１つのフィラメント層を形成するフィラメントの間隔は３～３０ｍｍ、好ましくは５～１５ｍｍの範囲である。
（３）一段目のフィラメント層と二段目のフィラメント層の間隔は１ｍｍ～１０ｃｍ、好ましくは１～１０ｍｍの範囲である。
（４）フィラメントの材質は、２，４００℃以上の高温に耐えられるものであれば、各種材質を用いることができる。例えば、タングステン、タンタル等であり、これらはその合金又は炭化物等の化合物であってもよい。タンタルが好ましい。
特許文献３に記載の熱フィラメントＣＶＤを用いたダイヤモンド形成装置は、熱電子発生量（熱電子放出量）を増大させる手段として、熱フィラメントの材料にタンタル（Ｔａ）を用い、且つ該熱フィラメントの温度を２，５００℃以上に加熱し、且つ前記熱フィラメントを多段に配置することを特徴とする。
【0006】
他方、例えば、特許文献４及び特許文献５に見られるように、電源の周波数がＶＨＦ帯域（３０～３００ＭＨｚ）であるＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置が提案されている。
特許文献４に記載のＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、対向電極型容量性放電にプラズマを用いるプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンドを合成するに際し、超短波域（３０～３００ＭＨｚ）の電力を用いることを特徴とする。
特許文献５に記載のＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、高周波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド膜の形成方法において、誘導結合型プラズマＣＶＤ法を用い、かつ高周波周波数を４０～２５０ＭＨｚとして、炭素を含有する原料ガスを分解し、基体上にダイヤモンド膜を形成することを特徴とする。
しかしながら、基板温度を約７００～約１，０００℃に制御可能で、イオンダメージが抑制され、高品質のダイヤモンドを形成可能なＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、依然として開発されていない。
特許文献４に記載のＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、対向電極型容量性放電にプラズマを用いるプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンドを合成するに際し、超短波域（３０～３００ＭＨｚ）の電力を用いることを特徴とする。
特許文献５に記載のＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、高周波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド膜の形成方法において、誘導結合型プラズマＣＶＤ法を用い、かつ高周波周波数を４０～２５０ＭＨｚとして、炭素を含有する原料ガスを分解し、基体上にダイヤモンド膜を形成することを特徴とする。
しかしながら、基板温度を約７００～約１，０００℃に制御可能で、イオンダメージが抑制され、高品質のダイヤモンドを形成可能なＶＨＦプラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、依然として開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平０３－１０３３９６
【特許文献2】特開２００２－０９３７１４
【特許文献3】特許７０１２３０４
【特許文献4】特公平０７－０４２１９７
【特許文献5】特開平０８－０２７５７６
【0008】
【非特許文献1】有屋田修、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、真空ジャーナル、２０２３年１月、２４－２６
【非特許文献2】山田英明、プラズマ CVD による単結晶ダイヤモンド合成の現状と課題、J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.2 (2014)１５２‐１５８
【非特許文献3】小林利明、ＳＰｒｉｎｇ８ 熱電子銃について 、運転員講習会資料、２００３．５．１２
【非特許文献4】ギード（横堀進、久我修、共訳本）、基礎伝熱工学、１９６０（丸善）、２０－２２２
【非特許文献5】近 藤 道雄 、藤原 裕 之 、 松 田 彰 久、シリコン系薄膜製膜技術の現状 と展望、応 用物理 第71巻 第7号（２００２）、８２３－８３２
【非特許文献6】布村正太、片山博貴、吉田功、表面処理用水素プラズマにおける水素原子の物理化学、ＡＩＳＴ太陽光発電研究、成果報告２０１７
【非特許文献7】M. Murata, Y. Takeuchi, E. Sasakawa, K. Hamamoto, Inductively coupled radio frequency plasma chemical vapor deposition using a ladder-shaped antenna, Rev. Sci. Instrum.67(4), April 1996,1542-1545
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述したように、マイクロ波プラズマＣＶＤを用いたダイヤモンド形成装置は、使用するマイクロ波の波長が短いことから、生成されるプラズマの生成領域は小さい領域（例えば、約８～１０ｍｍ）となり、サイズ４～５インチ級の基板への対応が本質的に困難であるという課題がある。
従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、例えば、特許文献１～３に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、ダイヤモンド形成に際し、熱フィラメント温度をＣＨ３ラジカル等及び原子状Ｈ等の大量発生に適した約２，４００～約２，５００℃以上に設定し（ここで、装置操作パラメータＡと呼ぶ）、且つ基板温度をダイヤモンド成長に適した約７００～約１，０００℃に設定する（ここで、装置操作パラメータＢと呼ぶ）。
熱電子の発生は、例えば、非特許文献３に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う（熱電子の発生は、該熱フィラメント温度の２乗に比例する）ことから、該熱電子の大量発生に際し、該熱フィラメント温度は高ければ高いほどよい。他方、該熱フィラメントの温度を高温化すると、例えば、非特許文献４に記載されているように、基板に到達する該熱フィラメントの放射エネルギーは、ステファン・ボルツマンの法則により該熱フィラメント温度の４乗に比例し、該熱フィラメントと該基板間の距離の２乗に反比例することから、該熱フィラメントの温度を高温にすると該基板の温度は上昇する。
即ち、熱電子の大量発生のための該熱フィラメントの超高温化（装置操作パラメータＡ）と該基板温度の適正値設定（装置操作パラメータＢ）は両立出来ないという関係（トレードオフの関係）がある。それが故に、ダイヤモンド形成に必須のＣＨ３ラジカル等及び原子状Ｈ等を大量に生成する作用を有する熱電子及び紫外線等の発生量増大（熱電子の高密度化）という装置操作パラメータＡと、ダイヤモンド成長に必須の基板温度の適正値設定という装置操作パラメータＢは、両立出来ない。その結果、ダイヤモンドの製膜速度（成長速度）を増大させることは困難である、という問題がある。
電源周波数としてＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）を用いるＶＨＦプラズマＣＶＤ装置は、例えば、非特許文献５に記載されているように、プラズマのシース電圧（プラズマ電位Ｖｐと壁電位Ｖ４の差：Ｖｐ―Ｖ４）が低く、イオンダメージが抑制される、という特徴がある。また、例えば、非特許文献６に記載されているように、高濃度の原子状水素Ｈを発生することが可能であり、該原子状水素Ｈの濃度は、圧力に比例して増大する、という特徴がある。即ち、ＶＨＦプラズマＣＶＤ装置は、イオンダメージの抑制が可能、且つ高濃度原子状Ｈの生成が可能、という特徴があり、ダイヤモンド形成装置への応用が期待される。
しかしながら、ＶＨＦプラズマＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、特許文献４及び特許５に記載の方法を用いた装置以外は見当たらない。ＶＨＦプラズマＣＶＤ法は、生成されるプラズマ中の波長がマイクロ波プラズマのそれと比べると、充分に長いことから、波長に起因する問題はない。実用に供せられるＶＨＦプラズマＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置の創出が課題である。
本発明は、上記課題を解決可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。即ち、高速製膜が可能で４～５インチ級大面積基板への対応が可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。また、イオンダメージの抑制が可能で、ＣＨ３ラジカル等と高濃度原子状Ｈ等の生成が可能という特徴を有する超高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。
従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、例えば、特許文献１～３に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、ダイヤモンド形成に際し、熱フィラメント温度をＣＨ３ラジカル等及び原子状Ｈ等の大量発生に適した約２，４００～約２，５００℃以上に設定し（ここで、装置操作パラメータＡと呼ぶ）、且つ基板温度をダイヤモンド成長に適した約７００～約１，０００℃に設定する（ここで、装置操作パラメータＢと呼ぶ）。
熱電子の発生は、例えば、非特許文献３に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う（熱電子の発生は、該熱フィラメント温度の２乗に比例する）ことから、該熱電子の大量発生に際し、該熱フィラメント温度は高ければ高いほどよい。他方、該熱フィラメントの温度を高温化すると、例えば、非特許文献４に記載されているように、基板に到達する該熱フィラメントの放射エネルギーは、ステファン・ボルツマンの法則により該熱フィラメント温度の４乗に比例し、該熱フィラメントと該基板間の距離の２乗に反比例することから、該熱フィラメントの温度を高温にすると該基板の温度は上昇する。
即ち、熱電子の大量発生のための該熱フィラメントの超高温化（装置操作パラメータＡ）と該基板温度の適正値設定（装置操作パラメータＢ）は両立出来ないという関係（トレードオフの関係）がある。それが故に、ダイヤモンド形成に必須のＣＨ３ラジカル等及び原子状Ｈ等を大量に生成する作用を有する熱電子及び紫外線等の発生量増大（熱電子の高密度化）という装置操作パラメータＡと、ダイヤモンド成長に必須の基板温度の適正値設定という装置操作パラメータＢは、両立出来ない。その結果、ダイヤモンドの製膜速度（成長速度）を増大させることは困難である、という問題がある。
電源周波数としてＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）を用いるＶＨＦプラズマＣＶＤ装置は、例えば、非特許文献５に記載されているように、プラズマのシース電圧（プラズマ電位Ｖｐと壁電位Ｖ４の差：Ｖｐ―Ｖ４）が低く、イオンダメージが抑制される、という特徴がある。また、例えば、非特許文献６に記載されているように、高濃度の原子状水素Ｈを発生することが可能であり、該原子状水素Ｈの濃度は、圧力に比例して増大する、という特徴がある。即ち、ＶＨＦプラズマＣＶＤ装置は、イオンダメージの抑制が可能、且つ高濃度原子状Ｈの生成が可能、という特徴があり、ダイヤモンド形成装置への応用が期待される。
しかしながら、ＶＨＦプラズマＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、特許文献４及び特許５に記載の方法を用いた装置以外は見当たらない。ＶＨＦプラズマＣＶＤ法は、生成されるプラズマ中の波長がマイクロ波プラズマのそれと比べると、充分に長いことから、波長に起因する問題はない。実用に供せられるＶＨＦプラズマＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置の創出が課題である。
本発明は、上記課題を解決可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。即ち、高速製膜が可能で４～５インチ級大面積基板への対応が可能な高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。また、イオンダメージの抑制が可能で、ＣＨ３ラジカル等と高濃度原子状Ｈ等の生成が可能という特徴を有する超高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガス供給系及び排気系を備えた反応容器と、前記反応容器の内部に配置されて基板を保持する主面を有する基板保持台と、前記基板を加熱する輻射エネルギーを発生し、且つ高周波プラズマを発生する輻射加熱兼用プラズマ発生電極と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極に直流電力を供給する直流電源と、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極にインピーダンス整合器を介して高周波電力を供給する高周波電源と、電気的に非接地の第１の真空装置用電流導入端子と、接地された第２の真空装置用電流導入端子と、を具備した高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置であって、
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、線状及び／又は棒状及び／又は板状の高融点金属材で形成された梯子型の形状を有し、前記梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の互いに対向する一方の端部を前記第１の真空装置用電流導入端子と電気的に接続し、他方の端部を前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記第１の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第１の導体棒と、前記第１の導体棒に平行に配置され、且つ前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第２の導体棒と、前記第１の導体棒と前記第２の導体棒を電気的に接続し、且つ互いに平行に等間隔に配置されるタングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作された複数の第３の導体棒から構成され、前記第１の導体棒、前記第２の導体棒及び前記複数の第３の導体棒は、前記基板保持台の主面に平行に配置されることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記複数の第３の導体棒に張力を与える張力付与手段を備えることを特徴とする。
第４の発明は、第２の発明又は第３の発明において、前記複数の第３の導体棒は、断面形状が直径略０．１ｍｍ～１．０ｍｍの円形であることを特徴とする。
第５の発明は、第２の発明又は第４の発明において、前記複数の第３の導体棒は、断面形状が略０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの厚みで、略０．５ｍｍ～１０ｍｍの幅を持つ長方形であることを特徴とする。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記高周波電源の周波数は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）であることを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つの発明において、前記基板保持台は、タンタル（Ｔａ）で形成され、且つ冷媒を用いた冷却手段を備えることを特徴とする。
第８の発明は、第１の発明から第７の発明のいずれか一つの発明において、前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする。
前記直流電源の出力端子は前記高周波電源が発生する前記高周波電力の侵入を遮断するコイルを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記インピーダンス整合器の出力端子は前記直流電源が発生する前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを介して前記第１の真空装置用電流導入端子に接続され、
前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、線状及び／又は棒状及び／又は板状の高融点金属材で形成された梯子型の形状を有し、前記梯子型の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の互いに対向する一方の端部を前記第１の真空装置用電流導入端子と電気的に接続し、他方の端部を前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記第１の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第１の導体棒と、前記第１の導体棒に平行に配置され、且つ前記第２の真空装置用電流導入端子に電気的に接続された第２の導体棒と、前記第１の導体棒と前記第２の導体棒を電気的に接続し、且つ互いに平行に等間隔に配置されるタングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作された複数の第３の導体棒から構成され、前記第１の導体棒、前記第２の導体棒及び前記複数の第３の導体棒は、前記基板保持台の主面に平行に配置されることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極は、前記複数の第３の導体棒に張力を与える張力付与手段を備えることを特徴とする。
第４の発明は、第２の発明又は第３の発明において、前記複数の第３の導体棒は、断面形状が直径略０．１ｍｍ～１．０ｍｍの円形であることを特徴とする。
第５の発明は、第２の発明又は第４の発明において、前記複数の第３の導体棒は、断面形状が略０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの厚みで、略０．５ｍｍ～１０ｍｍの幅を持つ長方形であることを特徴とする。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記高周波電源の周波数は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）であることを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つの発明において、前記基板保持台は、タンタル（Ｔａ）で形成され、且つ冷媒を用いた冷却手段を備えることを特徴とする。
第８の発明は、第１の発明から第７の発明のいずれか一つの発明において、前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
上記のように構成された本発明の高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、高周波プラズマの形成が可能な梯子型の形状を有する輻射加熱兼用プラズマ発生電極に高周波電力の侵入を遮断するコイルを備える直流電源から直流電力を供給して輻射熱を発生させ、且つ熱電子及び紫外線等を発生させるとともに、前記直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源から高周波電力を供給し、原料ガス（炭素含有ガスと水素の混合ガス）をプラズマ化することにより、前記輻射加熱兼用プラズマ発生電極が有する輻射熱を発生する作用と、熱電子を発生する作用と、プラズマを発生する作用の３つの作用を効果的に併用することが可能となり、高濃度のＣＨ３ラジカル等及び高濃度の原子状Ｈ等を発生させることが可能となる。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。
【0014】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成について、図１～図５を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極から放出される輻射エネルギーと熱電子、及びプラズマを示す原理的模式図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置における原料ガス（メタンＣＨ４と水素Ｈ２の混合ガス）のプラズマによる分解を示す原理的模式図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を用いて形成されるダイヤモンドの成長過程を示す原理的模式図である。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成について、図１～図５を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極から放出される輻射エネルギーと熱電子、及びプラズマを示す原理的模式図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置における原料ガス（メタンＣＨ４と水素Ｈ２の混合ガス）のプラズマによる分解を示す原理的模式図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置を用いて形成されるダイヤモンドの成長過程を示す原理的模式図である。
【0015】
本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、図１及び図２に示されるように、少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガスの供給系及び排気系を有する反応容器１と、前記原料ガスをプラズマ化する第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、前記第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、前記第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に直流電力を供給する直流電力供給手段と、を備えている。
反応容器１は、円筒箱状あるいは矩形箱状の反応容器である。反応容器１の内部には、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、基板９を保持する主面６ａを有する基板保持台６と、原料ガス供給箱１３が配置される。
反応容器１は、図示しない真空ポンプに接続された排気口１７ａ、１７ｂを備えている。排気口１７ａ、１７ｂは、図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器１の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器１内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
反応容器１は、該反応容器１内部の各種構成部品を組み立て、配置するための図示しない作業用フランジを備えている。
反応容器１は、円筒箱状あるいは矩形箱状の反応容器である。反応容器１の内部には、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、基板９を保持する主面６ａを有する基板保持台６と、原料ガス供給箱１３が配置される。
反応容器１は、図示しない真空ポンプに接続された排気口１７ａ、１７ｂを備えている。排気口１７ａ、１７ｂは、図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器１の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器１内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
反応容器１は、該反応容器１内部の各種構成部品を組み立て、配置するための図示しない作業用フランジを備えている。
【0016】
基板保持台６は、主面６ａを有し、該主面６ａで基板９と接し、保持する。基板９の温度は、輻射加熱兼用電極２が放射する輻射熱により加熱され、基板保持台６の内部に設けられた図示しない冷媒を用いた冷却手段と連携して所定の温度に制御される。基板９の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。なお、基板６の温度は、後述の放射温度計１９を用いて測定される。
基板保持台６の断面形状は、基板９の形状と相似形である。例えば、基板９のサイズが直径５インチの円板形である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、直径１５３ｍｍである。例えば、基板９のサイズが５インチｘ５インチの矩形板である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、１５３ｍｍｘ１５３ｍｍである。
基板９は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から基板保持台６の主面６ａに搬入、載置され、目的とするプラズマ処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。
ここでは、基板９を、例えば、直径５インチの単結晶Ｓｉウエハーとする。基板保持台６の主面６ａのサイズは、例えば、直径１５３ｍｍとする。なお、基板９は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンド基板を載置してもよい。
基板保持台６の断面形状は、基板９の形状と相似形である。例えば、基板９のサイズが直径５インチの円板形である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、直径１５３ｍｍである。例えば、基板９のサイズが５インチｘ５インチの矩形板である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、１５３ｍｍｘ１５３ｍｍである。
基板９は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から基板保持台６の主面６ａに搬入、載置され、目的とするプラズマ処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。
ここでは、基板９を、例えば、直径５インチの単結晶Ｓｉウエハーとする。基板保持台６の主面６ａのサイズは、例えば、直径１５３ｍｍとする。なお、基板９は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンド基板を載置してもよい。
【0017】
第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、図２に示されるように、梯子型の構造を有する。梯子型の電極は、例えば、非特許文献７に記載されているように、一様な高周波プラズマを形成することが出来る。
第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、第１の導体棒２ａと、第２の導体棒２ｂと、複数の第３の導体棒２ｃを備えている。第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２を輻射加熱の観点で見ると、複数の第３の導体棒２ｃは発熱部で、第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは固定部である。又、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２をプラズマ生成の観点で見ると、複数の第３の導体棒２ｃはプラズマ発生領域で、第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは、給電部である。
第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは、互いに平行に、且つ基板保持台６の主面６ａに平行に配置される。複数の第３の導体棒２ｃは、その端部の一方が前記第１の導体棒２ａに固着され、他方が前記第２の導体棒２ｂに固着される。複数の第３の導体棒２ｃは、互いに平行に、等間隔に並べられる。
第１の導体棒２ａは、図２に示されるように、第１の板バネ式張力付与手段３ａに固着され、該第１の板バネ式張力付与手段３ａは、後述の第１の給電棒５ａに第１の接続治具５ａａを介して固着される。なお、第１の板バネ式張力付与手段３ａは電気的に導体で、高融点の金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第１の導体棒２ａは、断面形状を、例えば円形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第１の導体棒２ａの直径は、適度の剛性を持つ、例えば、直径１ｍｍ～５ｍｍの丸棒を選ぶ。第１の導体棒２ａの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
第２の導体棒２ｂは、図２に示されるように、第２の板バネ式張力付与手段３ｂに固着され、該第２の板バネ式張力付与手段３ｂは、後述の第２の給電棒５ｂに第２の接続治具５ｂｂを介して固着される。なお、第２の板バネ式張力付与手段３ｂは電気的に導体で、高融点の金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第２の導体棒２ｂは、断面形状を、例えば円形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第２の導体棒２ｂの直径は、適度の剛性を持つ、例えば、直径１ｍｍ～５ｍｍの丸棒を選ぶ。第２の導体棒２ｂの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
第３の導体棒２ｃは、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン（Ｗ、φ＝４．５ｅＶ）あるいはタンタル（Ｔａ、φ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金で形成される。第３の導体棒２ｃの断面形状は、電気抵抗と表面積を考慮し、円形あるいは長方形とする。
第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、第１の導体棒２ａと、第２の導体棒２ｂと、複数の第３の導体棒２ｃを備えている。第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２を輻射加熱の観点で見ると、複数の第３の導体棒２ｃは発熱部で、第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは固定部である。又、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２をプラズマ生成の観点で見ると、複数の第３の導体棒２ｃはプラズマ発生領域で、第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは、給電部である。
第１の導体棒２ａと第２の導体棒２ｂは、互いに平行に、且つ基板保持台６の主面６ａに平行に配置される。複数の第３の導体棒２ｃは、その端部の一方が前記第１の導体棒２ａに固着され、他方が前記第２の導体棒２ｂに固着される。複数の第３の導体棒２ｃは、互いに平行に、等間隔に並べられる。
第１の導体棒２ａは、図２に示されるように、第１の板バネ式張力付与手段３ａに固着され、該第１の板バネ式張力付与手段３ａは、後述の第１の給電棒５ａに第１の接続治具５ａａを介して固着される。なお、第１の板バネ式張力付与手段３ａは電気的に導体で、高融点の金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第１の導体棒２ａは、断面形状を、例えば円形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第１の導体棒２ａの直径は、適度の剛性を持つ、例えば、直径１ｍｍ～５ｍｍの丸棒を選ぶ。第１の導体棒２ａの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
第２の導体棒２ｂは、図２に示されるように、第２の板バネ式張力付与手段３ｂに固着され、該第２の板バネ式張力付与手段３ｂは、後述の第２の給電棒５ｂに第２の接続治具５ｂｂを介して固着される。なお、第２の板バネ式張力付与手段３ｂは電気的に導体で、高融点の金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第２の導体棒２ｂは、断面形状を、例えば円形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第２の導体棒２ｂの直径は、適度の剛性を持つ、例えば、直径１ｍｍ～５ｍｍの丸棒を選ぶ。第２の導体棒２ｂの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
第３の導体棒２ｃは、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン（Ｗ、φ＝４．５ｅＶ）あるいはタンタル（Ｔａ、φ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金で形成される。第３の導体棒２ｃの断面形状は、電気抵抗と表面積を考慮し、円形あるいは長方形とする。
【0018】
本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置では、円形を選ぶ。例えば、直径０．１ｍｍ～１．０ｍｍから、例えば、０．３ｍｍを選ぶ。
なお、直径０．１ｍｍ～１．０ｍｍを選ぶ理由は、例えば、特許文献１～特許文献３に記載されているように、熱フィラメントＣＶＤ装置としての実績があり、一般的知見として妥当であるからである。プラズマ生成に関する観点からも、上記サイズは、例えば、非特許文献７に記載されているように、梯子型プラズマ発生電極として、問題なく適用できるからである。
第３の導体棒２ｃの長さは、 第１の導体棒２ａおよび第２の導体棒２ｂのそれと同じとする。例えば、第１の導体棒２ａおよび第２の導体棒２ｂの長さと同じく、１６０ｍｍとする。その理由は、基板９の面積より広い領域に、熱電子及びプラズマを発生させるためである。隣り合う第３の導体棒２ｃ同士の間隔は、３ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。その理由は、基板９の温度を制御するために、適度の間隔であり、例えば、特許文献１～特許文献３に記載されているように、熱フィラメントＣＶＤとしての実績があるからであり、一般的知見として妥当であるからである。
なお、直径０．１ｍｍ～１．０ｍｍを選ぶ理由は、例えば、特許文献１～特許文献３に記載されているように、熱フィラメントＣＶＤ装置としての実績があり、一般的知見として妥当であるからである。プラズマ生成に関する観点からも、上記サイズは、例えば、非特許文献７に記載されているように、梯子型プラズマ発生電極として、問題なく適用できるからである。
第３の導体棒２ｃの長さは、 第１の導体棒２ａおよび第２の導体棒２ｂのそれと同じとする。例えば、第１の導体棒２ａおよび第２の導体棒２ｂの長さと同じく、１６０ｍｍとする。その理由は、基板９の面積より広い領域に、熱電子及びプラズマを発生させるためである。隣り合う第３の導体棒２ｃ同士の間隔は、３ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。その理由は、基板９の温度を制御するために、適度の間隔であり、例えば、特許文献１～特許文献３に記載されているように、熱フィラメントＣＶＤとしての実績があるからであり、一般的知見として妥当であるからである。
【0019】
第３の導体棒２ｃをタンタル製とした場合、前記第３の導体棒２ｃ（タンタル線）の電気抵抗は、概略、次に示す値を持つ。因みに、タンタル線の抵抗率は、１，２００℃で、６１．５ｘ１０－６Ω・ｃｍである。
第３の導体棒２ｃ（タンタル線）の抵抗値（直径：０．３ｍｍ、長さ１６ｃｍ）Ｒ
＝抵抗率（Ω・ｃｍ）ｘ長さ（ｃｍ）／断面積（ｃｍ２）
＝６１．５ｘ１０－６（Ω・ｃｍ）ｘ１６（ｃｍ）／０．７ｘ１０－３（ｃｍ２）
＝１．４Ω ・・・（１）
第３の導体棒２ｃと基板６の間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、且つ後述の熱電子の発生を多大にする第３の導体棒２ｃの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、第３の導体棒２ｃと基板６の間隔は、略４ｍｍ～略４０ｍｍの範囲に選定される。例えば、５ｍｍとする。
第３の導体棒２ｃ（タンタル線）の抵抗値（直径：０．３ｍｍ、長さ１６ｃｍ）Ｒ
＝抵抗率（Ω・ｃｍ）ｘ長さ（ｃｍ）／断面積（ｃｍ２）
＝６１．５ｘ１０－６（Ω・ｃｍ）ｘ１６（ｃｍ）／０．７ｘ１０－３（ｃｍ２）
＝１．４Ω ・・・（１）
第３の導体棒２ｃと基板６の間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、且つ後述の熱電子の発生を多大にする第３の導体棒２ｃの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、第３の導体棒２ｃと基板６の間隔は、略４ｍｍ～略４０ｍｍの範囲に選定される。例えば、５ｍｍとする。
【0020】
原料ガス供給箱１３は、図１に示されるように、原料ガス供給口７と、原料ガス噴出穴１３ａと、温度測定用石英窓１９ａを備えている。
原料ガス供給口７の上流に図示しない少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガスの供給源が配置される。
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスである。高品質ダイヤモンドの形成の観点から、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）を選ぶ。
温度測定用石英窓１９ａは、放射温度計１９と連携して、基板温度の測定に用いられる。原料ガス噴出穴１３ａは、穴の直径が、例えば、略０．４ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。穴の直径を０．４ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、原料ガスを均一に噴出することが出来る。開口率を３０％～８０％に設定することにより、温度測定用石英窓１９ａから基板表面を透視できるので、放射温度計１９により、石英窓１９ａを介して、基板９の温度を測定出来る。なお、放射温度計１９は、基板９の温度のみならず、複数の第３の導体棒２ｃの温度も測定出来る。
なお、前記開口率を３０％以下に設定すれば、透視することが困難になる。また、前記開口率を８０％以上に設定すれば、機械的強度の低下が恐れがある。
原料ガス供給口７の上流に図示しない少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガスの供給源が配置される。
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスである。高品質ダイヤモンドの形成の観点から、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）を選ぶ。
温度測定用石英窓１９ａは、放射温度計１９と連携して、基板温度の測定に用いられる。原料ガス噴出穴１３ａは、穴の直径が、例えば、略０．４ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。穴の直径を０．４ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、原料ガスを均一に噴出することが出来る。開口率を３０％～８０％に設定することにより、温度測定用石英窓１９ａから基板表面を透視できるので、放射温度計１９により、石英窓１９ａを介して、基板９の温度を測定出来る。なお、放射温度計１９は、基板９の温度のみならず、複数の第３の導体棒２ｃの温度も測定出来る。
なお、前記開口率を３０％以下に設定すれば、透視することが困難になる。また、前記開口率を８０％以上に設定すれば、機械的強度の低下が恐れがある。
【0021】
第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に直流電力を供給する直流電力供給手段は、図１及び図２に示されるように、直流電源８と、非接地の直流電力供給線８ａと、高周波電力を遮断するコイル１６と、接地された直流電力供給線８ｂと、第１の真空用電流導入端子１２ａと、第２の真空用電流導入端子１２ｂと、を備える。なお、直流電源８は、定電力制御方式の直流電源であり、負荷の状態が変化しても常に一定の電力を流すように制御可能である。
直流電源８の非接地の出力端子は、非接地の直流電力供給線８ａとコイル１６を介して、第１の真空用電流導入端子１２ａに接続される。直流電源８の接地された出力端子は、接地された直流電力供給線８ｂを介して、第２の真空用電流導入端子１２ｂに接続される。
即ち、直流電源８の直流電力供給回路は、該直流電源８の出力端子から順に、非接地の直流電力供給線８ａ、コイル１６、第１の真空用電流導入端子１２ａ、第１の給電棒５ａ、第１の板バネ式張力付与手段３ａ、第１の導体棒２ａ、複数の第３の導体棒２ｃ、第２の導体棒２ｂ、第２の板バネ式張力付与手段３ｂ、第２の給電棒５ｂ、第２の真空用電流導入端子１２ｂ、接地された直流電力供給線８ｂ及び前記直流電源８の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
直流電源８は、定電力制御方式であり、第１の輻射加熱兼用電極２の構成部材の第３の導体棒２ｃの温度を、約１，０００～約２，５００℃に、例えば、２，４００℃に加熱し、一定温度に制御可能である。直流電源８は、市販の装置、例えば、出力電流：最大３０Ａ，出力電圧：最大１ｋＶ、出力電力：最大３０ｋＷの定電力制御方式直流電源を用いる。
コイル１６は、後述の高周波電源１０が発生する高周波電力の直流電源８への進入を遮断するインダクタンスを有する。なお、高周波電力の周波数に見合ったインダクタンスは、コイルの巻き数を調整することにより、対応可能であり、該高周波数の電力を遮断することが出来る。
直流電源８の非接地の出力端子は、非接地の直流電力供給線８ａとコイル１６を介して、第１の真空用電流導入端子１２ａに接続される。直流電源８の接地された出力端子は、接地された直流電力供給線８ｂを介して、第２の真空用電流導入端子１２ｂに接続される。
即ち、直流電源８の直流電力供給回路は、該直流電源８の出力端子から順に、非接地の直流電力供給線８ａ、コイル１６、第１の真空用電流導入端子１２ａ、第１の給電棒５ａ、第１の板バネ式張力付与手段３ａ、第１の導体棒２ａ、複数の第３の導体棒２ｃ、第２の導体棒２ｂ、第２の板バネ式張力付与手段３ｂ、第２の給電棒５ｂ、第２の真空用電流導入端子１２ｂ、接地された直流電力供給線８ｂ及び前記直流電源８の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
直流電源８は、定電力制御方式であり、第１の輻射加熱兼用電極２の構成部材の第３の導体棒２ｃの温度を、約１，０００～約２，５００℃に、例えば、２，４００℃に加熱し、一定温度に制御可能である。直流電源８は、市販の装置、例えば、出力電流：最大３０Ａ，出力電圧：最大１ｋＶ、出力電力：最大３０ｋＷの定電力制御方式直流電源を用いる。
コイル１６は、後述の高周波電源１０が発生する高周波電力の直流電源８への進入を遮断するインダクタンスを有する。なお、高周波電力の周波数に見合ったインダクタンスは、コイルの巻き数を調整することにより、対応可能であり、該高周波数の電力を遮断することが出来る。
【0022】
第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に高周波電力を供給する高周波電力供給手段は、図１及び図２に示されるように、高周波電源１０と、同軸ケーブル１０ａと、インピーダンス整合器１１と、第１の高周波電力線１１ａと、コンデンサー１５と、第２の高周波電力線１１ｂと、第１の真空用電流導入端子１２ａと、第２の真空用電流導入端子１２ｂを備える。なお、第２の真空用電流導入端子１２ｂは接地されている。
高周波電源１０は、発生電力の周波数がＶＨＦ帯域である３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚから選ぶ。例えば、６０ＭＨｚの電源を用いる。なお、直流電源１０と後述のインピーダンス整合器１１は市販されている装置、例えば、周波数６０ＭＨｚ、出力最大１ｋＷの高周波電源が用いられる。
ＶＨＦ帯域の周波数を用いたプラズマ生成では、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２が形成する電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、プラズマ中の電子が該プラズマ領域に補足され電子密度が高くなるという効果がある。その結果、高密度プラズマの生成が可能であり、低電子温度のプラズマが生成される。
高周波電源１０の非接地の出力端子は、同軸ケーブル１０ａとインピーダンス整合器１１と第１の高周波電力線１１ａとコンデンサー１５と第２の高周波電力線１１ｂを介して、第１の真空用電流導入端子１２ａに接続される。なお、インピーダンス整合器１１は、高周波電源１０から供給された高周波電力が第１の真空用電流導入端子１２ａ側から上流側へ反射して戻ってくる反射波の強さを最小になるように、該インピーダンス整合器１１に内蔵されるインピーダンス調整手段を調整することができる。また、コンデンサー１５は、直流電源８が発生する直流電力の高周波電源１０への進入を遮断するキャパシタンスを有する。なお、高周波電力の供給及び直流電力遮断に見合ったキャパシタンスは、可変コンデンサーを用いることにより、対応可能であり、高周波電力を送電し、且つ直流電源８の出力である直流電力を遮断することが出来る。
即ち、高周波電源１０の高周波電力供給回路は、該高周波電源１０の出力端子から順に、同軸ケーブル１０ａ、インピーダンス整合器１１、第１の高周波電力線１１ａ、コンデンサー１５、第２の高周波電力線１１ｂ、第１の真空用電流導入端子１２ａ、第１の給電棒５ａ、第１の板バネ式張力付与手段３ａ、第１の導体棒２ａ、複数の第３の導体棒２ｃ、第２の導体棒２ｂ、第２の板バネ式張力付与手段３ｂ、第２の給電棒５ｂ及び接地された第２の真空用電流導入端子１２ｂを結ぶループで形成される。
第１の高周波電力線１１ａ及び第２の高周波電力線１１ｂは、帯状の導体板あるいは同軸ケーブルが用いられる。ここでは、インピーダンスが小さい帯状の導体板が用いられる。
高周波電源１０は、発生電力の周波数がＶＨＦ帯域である３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚから選ぶ。例えば、６０ＭＨｚの電源を用いる。なお、直流電源１０と後述のインピーダンス整合器１１は市販されている装置、例えば、周波数６０ＭＨｚ、出力最大１ｋＷの高周波電源が用いられる。
ＶＨＦ帯域の周波数を用いたプラズマ生成では、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２が形成する電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、プラズマ中の電子が該プラズマ領域に補足され電子密度が高くなるという効果がある。その結果、高密度プラズマの生成が可能であり、低電子温度のプラズマが生成される。
高周波電源１０の非接地の出力端子は、同軸ケーブル１０ａとインピーダンス整合器１１と第１の高周波電力線１１ａとコンデンサー１５と第２の高周波電力線１１ｂを介して、第１の真空用電流導入端子１２ａに接続される。なお、インピーダンス整合器１１は、高周波電源１０から供給された高周波電力が第１の真空用電流導入端子１２ａ側から上流側へ反射して戻ってくる反射波の強さを最小になるように、該インピーダンス整合器１１に内蔵されるインピーダンス調整手段を調整することができる。また、コンデンサー１５は、直流電源８が発生する直流電力の高周波電源１０への進入を遮断するキャパシタンスを有する。なお、高周波電力の供給及び直流電力遮断に見合ったキャパシタンスは、可変コンデンサーを用いることにより、対応可能であり、高周波電力を送電し、且つ直流電源８の出力である直流電力を遮断することが出来る。
即ち、高周波電源１０の高周波電力供給回路は、該高周波電源１０の出力端子から順に、同軸ケーブル１０ａ、インピーダンス整合器１１、第１の高周波電力線１１ａ、コンデンサー１５、第２の高周波電力線１１ｂ、第１の真空用電流導入端子１２ａ、第１の給電棒５ａ、第１の板バネ式張力付与手段３ａ、第１の導体棒２ａ、複数の第３の導体棒２ｃ、第２の導体棒２ｂ、第２の板バネ式張力付与手段３ｂ、第２の給電棒５ｂ及び接地された第２の真空用電流導入端子１２ｂを結ぶループで形成される。
第１の高周波電力線１１ａ及び第２の高周波電力線１１ｂは、帯状の導体板あるいは同軸ケーブルが用いられる。ここでは、インピーダンスが小さい帯状の導体板が用いられる。
【0023】
次に、上述の直流電力供給手段から第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２へ直流電力が供給される際に発生する輻射熱及び熱電子の形態について、以下に説明する。
図１において、直流電源８の出力を、例えば、５００Ｗ～１０ｋＷ、例えば、５ｋＷとして、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給する。そうすると、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２の構成部材の発熱部である第３の導体棒２ｃは、赤熱し、図３に示されるように、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２の第３の導体棒２ｃから輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）１００が放出され、基板９は加熱される。ただし、図３において、符号１００は、第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）である。
第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）１００は、例えば、非特許文献４に記載されているように、ステファン・ボルツマンの法則で表される。即ち、第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギーＥｓは、次式（２）で表される。
Ｅｓ ∝ ε・σ・Ｔ４（ｗ／ｃｍ２） ・・・（２）
ただし、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔは第３の導体棒２ｃの絶対温度である。
基板９に入射する輻射エネルギーＱは、例えば、非特許文献４に記載されているように、次式（３）で表される。
Ｑ ∝ Ｅｓ・Ｓｓ・cosθ／ｄ２ ・・・（３）
ただし、Ｅｓは第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー、Ｓｓは第３の導体棒２ｃの表面積、θは、図３に示されるように基板９の法線を基準にした第３の導体棒２ｃを見上げる角度（仰角）、ｄは第３の導体棒２ｃと基板９の距離である。
また、隣り合う２つの高温物体では輻射エネルギーの交換が発生する。例えば、隣り合って配置された第１の高温物体の温度Ｔ１で、第２の高温物体の温度Ｔ２の場合、単位面積当たりの正味のエネルギー交換量ΔＥは、次式（４）で表される。
ΔＥ ∝ ε・σ・（Ｔ１－Ｔ２）４ ・・・（４）
これは、隣り合って配置された複数の第３の導体棒２ｃの間では、温度が同じであれば、正味のエネルギー交換は発生しない、ということを示している。即ち、隣り合って配置された複数の第３の導体棒２ｃ同士は温度がほぼ同じであるので、両者の間で正味のエネルギー交換は発生しない、という意味である。
基板９の表面温度は、上記式（２）ないし式（４）で表されるように、複数の隣り合う第３の導体棒２ｃ間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離ｄ及び直流電源８の出力に依存することから、放射温度計１９で基板９の表面温度を測定しながら、基板９の表面温度が該基板９の前面に亘って、ほぼ一様になるように、複数の第３の導体棒２ｃ同士間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離ｄ及び直流電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを、予め実験により把握する。
ここでは、予め把握した複数の第３の導体棒２ｃ同士間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離及び直流電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを基に、基板９の表面温度が、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、維持制御する。
図１において、直流電源８の出力を、例えば、５００Ｗ～１０ｋＷ、例えば、５ｋＷとして、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給する。そうすると、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２の構成部材の発熱部である第３の導体棒２ｃは、赤熱し、図３に示されるように、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２の第３の導体棒２ｃから輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）１００が放出され、基板９は加熱される。ただし、図３において、符号１００は、第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）である。
第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）１００は、例えば、非特許文献４に記載されているように、ステファン・ボルツマンの法則で表される。即ち、第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギーＥｓは、次式（２）で表される。
Ｅｓ ∝ ε・σ・Ｔ４（ｗ／ｃｍ２） ・・・（２）
ただし、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔは第３の導体棒２ｃの絶対温度である。
基板９に入射する輻射エネルギーＱは、例えば、非特許文献４に記載されているように、次式（３）で表される。
Ｑ ∝ Ｅｓ・Ｓｓ・cosθ／ｄ２ ・・・（３）
ただし、Ｅｓは第３の導体棒２ｃから放射される輻射エネルギー、Ｓｓは第３の導体棒２ｃの表面積、θは、図３に示されるように基板９の法線を基準にした第３の導体棒２ｃを見上げる角度（仰角）、ｄは第３の導体棒２ｃと基板９の距離である。
また、隣り合う２つの高温物体では輻射エネルギーの交換が発生する。例えば、隣り合って配置された第１の高温物体の温度Ｔ１で、第２の高温物体の温度Ｔ２の場合、単位面積当たりの正味のエネルギー交換量ΔＥは、次式（４）で表される。
ΔＥ ∝ ε・σ・（Ｔ１－Ｔ２）４ ・・・（４）
これは、隣り合って配置された複数の第３の導体棒２ｃの間では、温度が同じであれば、正味のエネルギー交換は発生しない、ということを示している。即ち、隣り合って配置された複数の第３の導体棒２ｃ同士は温度がほぼ同じであるので、両者の間で正味のエネルギー交換は発生しない、という意味である。
基板９の表面温度は、上記式（２）ないし式（４）で表されるように、複数の隣り合う第３の導体棒２ｃ間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離ｄ及び直流電源８の出力に依存することから、放射温度計１９で基板９の表面温度を測定しながら、基板９の表面温度が該基板９の前面に亘って、ほぼ一様になるように、複数の第３の導体棒２ｃ同士間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離ｄ及び直流電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを、予め実験により把握する。
ここでは、予め把握した複数の第３の導体棒２ｃ同士間の距離、第３の導体棒２ｃと基板９の距離及び直流電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを基に、基板９の表面温度が、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、維持制御する。
【0024】
他方、第３の導体棒２ｃが高温度に加熱される場合、熱電子が発生する。熱電子の発生状況を、模式的に図３に示す。ただし、図３において、符号１０１は、第３の導体棒２ｃから放出される熱電子である。
第３の導体棒２ｃが高温である場合、例えば、非特許文献３に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。
即ち、第３の導体棒２ｃが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、次式（５）で表される。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：Ａ／ｍ２） ・・・（５）
ただし、Ｔは第３の導体棒２ｃの絶対温度、φは第３の導体棒２ｃの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、第３の導体棒２ｃの温度が高いほど、また、仕事関数が小さいほど、放出される熱電子の数が多くなる。例えば、非特許文献３によれば、タングステン（Ｗ）の仕事関数φ＝４．５ｅＶ、タンタル（Ｔａ）の仕事関数φ＝４．２ｅＶであり、熱電子放出特性として、タングステンＷ（融点：３，０００℃）に関し、２０００℃で０．０１Ａ／ｃｍ２及び２，４００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られ、タンタルＴａ（融点：２，８５０℃）に関し、１，４００℃で、０．０１Ａ／ｃｍ２及び１，８００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られている。
即ち、上記式（５）及び非特許文献３に記載の上記データは、第３の導体棒２ｃの温度が高ければ高いほど、多量の熱電子が発生することを示している。また、熱電子発生の能力で比較すれば、タンタルがタングステンよりも優れていることが判る。
ここでは、熱電子の発生量を最大とするために、第３の導体棒２ｃの温度を融点以下とし、可能な限り最大の温度に選ぶ。例えば、基板９の表面温度を所要の値に維持しつつ、第３の導体棒２ｃの温度を可能な限り高い温度に、例えば、２，４００℃に設定する。ただし、基板９の温度は上昇するので、基板保持台６が内蔵する冷却手段を用いて、基板９を冷却し、該基板９の表面温度を約１，０００℃に制御する。なお、該基板９の温度の制御する場合、第３の導体棒２ｃと基板６の間隔を、例えば、５ｍｍから１０ｍｍに変更してもよい。
第３の導体棒２ｃが高温である場合、例えば、非特許文献３に記載されているように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。
即ち、第３の導体棒２ｃが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、次式（５）で表される。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：Ａ／ｍ２） ・・・（５）
ただし、Ｔは第３の導体棒２ｃの絶対温度、φは第３の導体棒２ｃの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、第３の導体棒２ｃの温度が高いほど、また、仕事関数が小さいほど、放出される熱電子の数が多くなる。例えば、非特許文献３によれば、タングステン（Ｗ）の仕事関数φ＝４．５ｅＶ、タンタル（Ｔａ）の仕事関数φ＝４．２ｅＶであり、熱電子放出特性として、タングステンＷ（融点：３，０００℃）に関し、２０００℃で０．０１Ａ／ｃｍ２及び２，４００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られ、タンタルＴａ（融点：２，８５０℃）に関し、１，４００℃で、０．０１Ａ／ｃｍ２及び１，８００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られている。
即ち、上記式（５）及び非特許文献３に記載の上記データは、第３の導体棒２ｃの温度が高ければ高いほど、多量の熱電子が発生することを示している。また、熱電子発生の能力で比較すれば、タンタルがタングステンよりも優れていることが判る。
ここでは、熱電子の発生量を最大とするために、第３の導体棒２ｃの温度を融点以下とし、可能な限り最大の温度に選ぶ。例えば、基板９の表面温度を所要の値に維持しつつ、第３の導体棒２ｃの温度を可能な限り高い温度に、例えば、２，４００℃に設定する。ただし、基板９の温度は上昇するので、基板保持台６が内蔵する冷却手段を用いて、基板９を冷却し、該基板９の表面温度を約１，０００℃に制御する。なお、該基板９の温度の制御する場合、第３の導体棒２ｃと基板６の間隔を、例えば、５ｍｍから１０ｍｍに変更してもよい。
【0025】
次に、上述の高周波電力供給手段から輻射加熱兼用プラズマ発生電極２へ高周波電力を供給する際に発生するプラズマの形態について、以下に説明する。
原料ガス噴出穴１３ａから炭素含有ガスと水素（Ｈ２）の混合ガスを噴出させ、圧力を所定の値に設定し、高周波電源１０の出力を、同軸ケーブル１０ａ、インピーダンス整合器１１、第１の高周波電力線１１ａ、コンデンサー１５、第２の高周波電力線１１ｂ及び第１の真空用電流導入端子１２ａを介して、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給する。そうすると、図３に示されるように、プラズマ１０２が発生する。
該プラズマ１０２は、直流電源８から供給される直流電力により加熱されている第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２及び周波数がＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）である６０ＭＨｚの高周波電源１０を用いて生成されることから、以下に列記するような特徴がある。
（ａ－１）：第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。前記第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２で発生した熱電子１０１は、一般的なプラズマ生成空間におけるα作用（電子が気体分子と衝突して電離させ、新たな電子を発生させる作用）、β作用（イオンが気体分子と衝突し、電子を発生させる作用）及びγ作用（陰極に、正イオンが衝突して電子を放出させる作用）で生成される電子と同様に、気体分子の電離作用及び解離作用を有する。
（ｂ－１）：プラズマは第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に印加された高周波電源１０の高周波電力が形成する空間電界により生成されるが、上記（ａ－１）の熱電子１０１の存在（エジソン効果）により、一般的なプラズマ生成条件に比べて、高周波プラズマが容易に生成される。即ち、上記（ａ－１）の熱電子１０１が超高周波数の電界で加速され、上記α作用及びβ作用に起因するＶＨＦプラズマが生成される。一般的なプラズマ生成では、パッシェンの法則（放電開始電圧Ｖｓは、圧力ｐと電極間の距離ｄの積：ｐｄ＝１～１０Ｐａ・ｍ程度において極小値を取る）に依存し、高圧条件下でのグロー放電の生成は困難である。ところが、図１及び図２に示される本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置では、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間の空間領域に該第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２が発生する熱電子を含むことから、エジソン効果及び超高周波電界印加効果（電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、電子が空間領域に補足され電子密度が高くなる効果）により高圧条件でのプラズマ生成が可能となる。その結果、電極間の距離ｄが、例えば、５ｍｍ～１０ｍｍで、例えば、数ｋＰａ～略１０ｋＰａにおいて、超高周波グロー放電プラズマの生成が可能である。
（ｃ－１）：高周波電源１０の周波数がＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）であることから、プラズマ空間（電界発生空間）での電子補足効果があり、イオンダメージが抑制され、且つ高密度のプラズマが生成され、維持される。イオンダメージが抑制された高密度のプラズマの発生により、気体分子の電離及び解離が効果的に促進される。
（ｄ－１）：プラズマ１０２が生成されると、ダイヤモンド形成での主たる前駆体である多量のＣＨ３ラジカル等（電気的に中性の化学的活性種）と、多量の原子状Ｈ等が生成される。該ＣＨ３ラジカル等はダイヤモンド形成の主たる前駆体として、基板表面に化学吸着し、該基板表面で表面化学的に反応し、多数のＣ－Ｃ結合体を形成する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカル及び該ＣＨ３ラジカルで形成されたＣ－Ｃ結合体に対し、多量の原子状Ｈ等が入射し、基板上で成長するダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分を抜き取ることにより、正四面体構造（ダイヤモンド構造）のＣ－Ｃ結合体が効率良く成長する。
原料ガス噴出穴１３ａから炭素含有ガスと水素（Ｈ２）の混合ガスを噴出させ、圧力を所定の値に設定し、高周波電源１０の出力を、同軸ケーブル１０ａ、インピーダンス整合器１１、第１の高周波電力線１１ａ、コンデンサー１５、第２の高周波電力線１１ｂ及び第１の真空用電流導入端子１２ａを介して、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給する。そうすると、図３に示されるように、プラズマ１０２が発生する。
該プラズマ１０２は、直流電源８から供給される直流電力により加熱されている第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２及び周波数がＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）である６０ＭＨｚの高周波電源１０を用いて生成されることから、以下に列記するような特徴がある。
（ａ－１）：第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従って、熱電子を発生する。前記第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２で発生した熱電子１０１は、一般的なプラズマ生成空間におけるα作用（電子が気体分子と衝突して電離させ、新たな電子を発生させる作用）、β作用（イオンが気体分子と衝突し、電子を発生させる作用）及びγ作用（陰極に、正イオンが衝突して電子を放出させる作用）で生成される電子と同様に、気体分子の電離作用及び解離作用を有する。
（ｂ－１）：プラズマは第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に印加された高周波電源１０の高周波電力が形成する空間電界により生成されるが、上記（ａ－１）の熱電子１０１の存在（エジソン効果）により、一般的なプラズマ生成条件に比べて、高周波プラズマが容易に生成される。即ち、上記（ａ－１）の熱電子１０１が超高周波数の電界で加速され、上記α作用及びβ作用に起因するＶＨＦプラズマが生成される。一般的なプラズマ生成では、パッシェンの法則（放電開始電圧Ｖｓは、圧力ｐと電極間の距離ｄの積：ｐｄ＝１～１０Ｐａ・ｍ程度において極小値を取る）に依存し、高圧条件下でのグロー放電の生成は困難である。ところが、図１及び図２に示される本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置では、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間の空間領域に該第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２が発生する熱電子を含むことから、エジソン効果及び超高周波電界印加効果（電界の方向が超短時間で正方向と負方向に変化することから、電子が空間領域に補足され電子密度が高くなる効果）により高圧条件でのプラズマ生成が可能となる。その結果、電極間の距離ｄが、例えば、５ｍｍ～１０ｍｍで、例えば、数ｋＰａ～略１０ｋＰａにおいて、超高周波グロー放電プラズマの生成が可能である。
（ｃ－１）：高周波電源１０の周波数がＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）であることから、プラズマ空間（電界発生空間）での電子補足効果があり、イオンダメージが抑制され、且つ高密度のプラズマが生成され、維持される。イオンダメージが抑制された高密度のプラズマの発生により、気体分子の電離及び解離が効果的に促進される。
（ｄ－１）：プラズマ１０２が生成されると、ダイヤモンド形成での主たる前駆体である多量のＣＨ３ラジカル等（電気的に中性の化学的活性種）と、多量の原子状Ｈ等が生成される。該ＣＨ３ラジカル等はダイヤモンド形成の主たる前駆体として、基板表面に化学吸着し、該基板表面で表面化学的に反応し、多数のＣ－Ｃ結合体を形成する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカル及び該ＣＨ３ラジカルで形成されたＣ－Ｃ結合体に対し、多量の原子状Ｈ等が入射し、基板上で成長するダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分を抜き取ることにより、正四面体構造（ダイヤモンド構造）のＣ－Ｃ結合体が効率良く成長する。
【0026】
ところで、ＣＨ３ラジカルの気相中の輸送（移動）は、「物質の単位面積、単位時間当たりの拡散量は、濃度勾配に比例する」というフイックの法則に従う。即ち、これは、次式（６）で表せられる。なお、基板表面の法線方向を座標ｘ軸とし、該基板表面をｘ＝０とする。基板表面に流れ込む単位面積・単位時間当たりのＣＨ３ラジカルの量J１（ＣＨ３）：（ｃｍ－２・ｓ－１）は、ＣＨ３ラジカルの拡散係数をＤ（ＣＨ３）として、
J１（ＣＨ３）∝ Ｄ（ＣＨ３）・｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（６）
ただし、｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＣＨ３濃度勾配（ｃｍ－４）である。
原子状Ｈの輸送（移動）は、上記ＣＨ３ラジカルの輸送（移動）と同様に、フイックの法則に従う。即ち、基板表面に流れ込む原子状Ｈの量J２（Ｈ）は、原子状Ｈの拡散係数をＤ（Ｈ）として、次式（７）で表せられる。
J２（Ｈ）∝ Ｄ（Ｈ）・｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（７）
ただし、｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＨ濃度勾配（ｃｍ－４）である。
なお、上記式（６）及び式（７）は、基板表面近傍のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの輸送量は、それぞれの濃度が高ければ、高いほど多くなる、ということを示している。
また、上記式（６）の｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ を増大させるには、ＣＨ３ラジカルを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
また、上記式（７）の｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ を増大させるには、原子状Ｈを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
J１（ＣＨ３）∝ Ｄ（ＣＨ３）・｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（６）
ただし、｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＣＨ３濃度勾配（ｃｍ－４）である。
原子状Ｈの輸送（移動）は、上記ＣＨ３ラジカルの輸送（移動）と同様に、フイックの法則に従う。即ち、基板表面に流れ込む原子状Ｈの量J２（Ｈ）は、原子状Ｈの拡散係数をＤ（Ｈ）として、次式（７）で表せられる。
J２（Ｈ）∝ Ｄ（Ｈ）・｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（７）
ただし、｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＨ濃度勾配（ｃｍ－４）である。
なお、上記式（６）及び式（７）は、基板表面近傍のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの輸送量は、それぞれの濃度が高ければ、高いほど多くなる、ということを示している。
また、上記式（６）の｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ を増大させるには、ＣＨ３ラジカルを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
また、上記式（７）の｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ を増大させるには、原子状Ｈを発生させるプラズマ中の電子の密度を増大することが効果的であることを意味している。
【0027】
上記特徴（ａ－１）～（ｄ－１）を有する本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置では、図４及び図５に示されるように、ＣＨ３ラジカルと原子状Ｈを主体にしたラジカルの輸送現象と基板表面での化学反応現象、並びに多量の原子状によるダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分の引き抜き作用によりダイヤモンドが形成される、と考えられる。
即ち、図４及び図５において、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板９の間の領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル等は拡散現象により、基板９の表面に移動する。その一部分は、基板９の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカル等の一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する。
即ち、図４及び図５において、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板９の間の領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル等は拡散現象により、基板９の表面に移動する。その一部分は、基板９の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカル等の一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する。
【0028】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の操作手順について、図１～図５を参照して説明する。
先ず、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１７ａ及び排気口７ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、直流電源８の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給し、予め把握しているデータに基づいて、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングを行う。図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして水素ガスのみを導入し、高周波電源１０の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給し、水素プラズマを発生させる。なお、水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングの方法は、公知の方法で行う。水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングを行う。
次に、上記高周波電源１０の出力を、一旦、ゼロに戻す。
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、例えば、メタンガスと水素を選ぶ。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／３とする。その後、図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給口７を介して原料ガス噴出穴１３ａから噴出させる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
先ず、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１７ａ及び排気口７ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、直流電源８の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給し、予め把握しているデータに基づいて、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングを行う。図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして水素ガスのみを導入し、高周波電源１０の出力を輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に供給し、水素プラズマを発生させる。なお、水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングの方法は、公知の方法で行う。水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の水素プラズマによる基板９の表面のクリーニングを行う。
次に、上記高周波電源１０の出力を、一旦、ゼロに戻す。
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、例えば、メタンガスと水素を選ぶ。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／３とする。その後、図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給口７を介して原料ガス噴出穴１３ａから噴出させる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
【0029】
次に、高周波電源１０の周波数をＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）、例えば、６０ＭＨｚとし、出力を、例えば、２００Ｗ～１ＫＷ、ここでは５００Ｗに設定する。
そうすると、図３に示されるように、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間に、プラズマ１０２が生成される。原料ガスのメタン（ＣＨ４）及び水素（Ｈ２）がプラズマ化すると、ＣＨ４、Ｈ２が解離し、ダイヤモンド形成の前駆体であるＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等を発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
そうすると、図３に示されるように、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間に、プラズマ１０２が生成される。原料ガスのメタン（ＣＨ４）及び水素（Ｈ２）がプラズマ化すると、ＣＨ４、Ｈ２が解離し、ダイヤモンド形成の前駆体であるＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等を発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
【0030】
次に、ダイヤモンド膜の厚みは上記プラズマ１０２の生成持続の時間に比例するので、上記高周波電源１０の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、その出力をゼロにする。また、直流電源８の出力をゼロに落とす。製膜時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、３０分～６０分、例えば６０分とする。
なお、製膜時間は、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器１内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
なお、製膜時間は、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器１内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
【0031】
以上の説明で示されたように、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、周波数６０ＭＨｚの高周波電源１０と、直流電源８等を備えることにより、従来の装置では困難である大面積基板への対応が可能である。
即ち、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
（Ａ－１）：装置構成において、輻射エネルギー（輻射熱）を放射し、且つ熱電子を発生し、且つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源８と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源１０と、を主要部材とすることを特徴とする。
（Ｂ－１）：第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は仕事関数φが小さいタンタル（タンタルのφ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン（タングステンのφ＝４．５ｅＶ）で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）の超高周波電圧の供給に伴い、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は基板温度を約約８００℃～約１，２００℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
（Ｃ－１）：上記（Ｂ－１）により、原料ガスであるメタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、４インチ～５インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須の基板温度の制御と、ＣＨ３ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Ｈの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
即ち、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
（Ａ－１）：装置構成において、輻射エネルギー（輻射熱）を放射し、且つ熱電子を発生し、且つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源８と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源１０と、を主要部材とすることを特徴とする。
（Ｂ－１）：第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は仕事関数φが小さいタンタル（タンタルのφ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン（タングステンのφ＝４．５ｅＶ）で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）の超高周波電圧の供給に伴い、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２は基板温度を約約８００℃～約１，２００℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
（Ｃ－１）：上記（Ｂ－１）により、原料ガスであるメタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、４インチ～５インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須の基板温度の制御と、ＣＨ３ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Ｈの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
【0032】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して、説明する。図１ないし図５も参照する。
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に代えて、以下に説明する第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いることを特徴とする。
図６は本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。図６（ａ）は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２の外観図、図６（ｂ）は、第１及び第２の棒バネ式張力付与手段３ａａ、３ｂｂと第３及び第４の真空用電流導入端子２１ａ、２１ｂの接続部の構成図である。
図６（ａ）において、符号２２は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極である。第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と同様に、梯子型の形状を有する。
第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、図６（ａ）に示されるように、第４の導体棒２ａａと、第５の導体棒２ｂｂと、複数の第６の導体棒２ｃａを備えている。
なお、複数の第６の導体棒２ｃａは発熱部であり、第４の導体棒２ａａと第５の導体棒２ｂｂは前記発熱部を固定する固定部である。
第４の導体棒２ａａと第５の導体棒２ｂｂは、互いに平行に、且つ基板保持台６の主面６ａに平行に配置される。複数の第６の導体棒２ｃａは、その端部の一方が前記第４の導体棒２ａａに固着され、他方が前記第５の導体棒２ｂｂに固着される。複数の第６の導体棒２ｃａは、互いに平行に、等間隔に並べられる。
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して、説明する。図１ないし図５も参照する。
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２に代えて、以下に説明する第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いることを特徴とする。
図６は本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の構成部材である第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極の構成を示す模式的構成図である。図６（ａ）は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２の外観図、図６（ｂ）は、第１及び第２の棒バネ式張力付与手段３ａａ、３ｂｂと第３及び第４の真空用電流導入端子２１ａ、２１ｂの接続部の構成図である。
図６（ａ）において、符号２２は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極である。第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２と同様に、梯子型の形状を有する。
第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、図６（ａ）に示されるように、第４の導体棒２ａａと、第５の導体棒２ｂｂと、複数の第６の導体棒２ｃａを備えている。
なお、複数の第６の導体棒２ｃａは発熱部であり、第４の導体棒２ａａと第５の導体棒２ｂｂは前記発熱部を固定する固定部である。
第４の導体棒２ａａと第５の導体棒２ｂｂは、互いに平行に、且つ基板保持台６の主面６ａに平行に配置される。複数の第６の導体棒２ｃａは、その端部の一方が前記第４の導体棒２ａａに固着され、他方が前記第５の導体棒２ｂｂに固着される。複数の第６の導体棒２ｃａは、互いに平行に、等間隔に並べられる。
【0033】
第４の導体棒２ａａは、図６（ａ）に示されるように、断面形状を、例えば矩形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第４の導体棒２ａａの寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法２ｍｍ～５ｍｍ程度ｘ２ｍｍ～５ｍｍ程度の角棒を選ぶ。第４の導体棒２ａａの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
また、第４の導体棒２ａａは、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、第１の棒バネ式張力付与手段３ａａに固着され、該第１の棒バネ式張力付与手段３ａａは、後述の第３の真空用電流導入端子２１ａの給電棒５ａに第３の接続治具２０ａを介して固着される。なお、第１の棒バネ式張力付与手段３ａａは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第５の導体棒２ｂｂは、図６（ａ）に示されるように、断面形状を、例えば矩形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第５の導体棒２ｂｂの寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法２ｍｍ～５ｍｍ程度ｘ２ｍｍ～５ｍｍ程度の角棒を選ぶ。第５の導体棒２ｂｂの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
また、第５の導体棒２ｂｂは、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂに固着される。第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂは、図示しない給電棒５ｂに第４の接続治具２０ｂを介して固着される。なお、第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第６の導体棒２ｃａは、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン（Ｗ、φ＝４．５ｅＶ）あるいはタンタル（Ｔａ、φ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金で形成される。第６の導体棒２ｃａの断面形状は、電気抵抗と表面積を考慮し、円形あるいは長方形とする。ここでは、以下に示すように、長方形を選ぶ。
また、第４の導体棒２ａａは、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、第１の棒バネ式張力付与手段３ａａに固着され、該第１の棒バネ式張力付与手段３ａａは、後述の第３の真空用電流導入端子２１ａの給電棒５ａに第３の接続治具２０ａを介して固着される。なお、第１の棒バネ式張力付与手段３ａａは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第５の導体棒２ｂｂは、図６（ａ）に示されるように、断面形状を、例えば矩形とし、高融点の金属、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金で製作される。第５の導体棒２ｂｂの寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法２ｍｍ～５ｍｍ程度ｘ２ｍｍ～５ｍｍ程度の角棒を選ぶ。第５の導体棒２ｂｂの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
また、第５の導体棒２ｂｂは、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂに固着される。第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂは、図示しない給電棒５ｂに第４の接続治具２０ｂを介して固着される。なお、第２の棒バネ式張力付与手段３ｂｂは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タングステンあるいはタンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。
第６の導体棒２ｃａは、熱電子発生の観点から、仕事関数φが低い材料であるタングステン（Ｗ、φ＝４．５ｅＶ）あるいはタンタル（Ｔａ、φ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金で形成される。第６の導体棒２ｃａの断面形状は、電気抵抗と表面積を考慮し、円形あるいは長方形とする。ここでは、以下に示すように、長方形を選ぶ。
【0034】
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置では、発熱部である第６の導体棒２ｃａの断面形状として長方形を選ぶ。
例えば、厚み０．１ｍｍ～１．０ｍｍｘ幅０．５～１ｍｍから、例えば、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍを選ぶ。なお、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍを選ぶ理由は、第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の第３の導体棒２ｃ（タンタル線、直径：０．３ｍｍ）と略同じ電気抵抗値とするため、である。
ところで、ＶＨＦプラズマ生成の観点で見れば、第６の導体棒２ｃａと基板保持台６の間の静電容量は該第６の導体棒２ｃａの該基板保持台６の主面６ａに対向する面の面積に比例して大きくなることから、前記第６の導体棒２ｃａの幅方向が前記基板保持台６の主面６ａに平行方向を向くように、配置する。その結果、静電容量が適度に増大することにより、後述の第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いたＶＨＦプラズマが容易に生成される。
即ち、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いたＶＨＦプラズマの生成を容易に生成するように、第６の導体棒２ｃａは、該第６の導体棒２ｃａの厚み方向が基板保持台６の主面６ａの法線方向を向き、該第６の導体棒２ｃａの幅方向が、該基板保持台６の主面６ａに平行方向を向くように配置される。
例えば、厚み０．１ｍｍ～１．０ｍｍｘ幅０．５～１ｍｍから、例えば、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍを選ぶ。なお、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍを選ぶ理由は、第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の第３の導体棒２ｃ（タンタル線、直径：０．３ｍｍ）と略同じ電気抵抗値とするため、である。
ところで、ＶＨＦプラズマ生成の観点で見れば、第６の導体棒２ｃａと基板保持台６の間の静電容量は該第６の導体棒２ｃａの該基板保持台６の主面６ａに対向する面の面積に比例して大きくなることから、前記第６の導体棒２ｃａの幅方向が前記基板保持台６の主面６ａに平行方向を向くように、配置する。その結果、静電容量が適度に増大することにより、後述の第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いたＶＨＦプラズマが容易に生成される。
即ち、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２を用いたＶＨＦプラズマの生成を容易に生成するように、第６の導体棒２ｃａは、該第６の導体棒２ｃａの厚み方向が基板保持台６の主面６ａの法線方向を向き、該第６の導体棒２ｃａの幅方向が、該基板保持台６の主面６ａに平行方向を向くように配置される。
【0035】
第６の導体棒２ｃａの電気抵抗は、概略次に示す値を持つ。因みに、タンタル材の抵抗率は、１，２００℃で、６１．５ｘ１０－６Ω・ｃｍである。
タンタル製第６の導体棒２ｃａの抵抗値（厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍ、長さ１６ｃｍ）Ｒ
＝抵抗率（Ω・ｃｍ）ｘ長さ（ｃｍ）／断面積（ｃｍ２）
＝６１．５ｘ１０－６（Ω・ｃｍ）ｘ１６（ｃｍ）／０．７ｘ１０－３（ｃｍ２）
＝１．４Ω ・・・（８）
第６の導体棒２ｃａと基板６の間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、且つ後述の熱電子の発生を多大にするための条件である第６の導体棒２ｃａの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、第６の導体棒２ｃａと基板６の間隔は、略４ｍｍ～略４０ｍｍの範囲に選定される。例えば、５ｍｍとする。
タンタル製第６の導体棒２ｃａの抵抗値（厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍ、長さ１６ｃｍ）Ｒ
＝抵抗率（Ω・ｃｍ）ｘ長さ（ｃｍ）／断面積（ｃｍ２）
＝６１．５ｘ１０－６（Ω・ｃｍ）ｘ１６（ｃｍ）／０．７ｘ１０－３（ｃｍ２）
＝１．４Ω ・・・（８）
第６の導体棒２ｃａと基板６の間隔は、プラズマ生成条件と基板温度の設定条件を考慮して決められる。ここでは、基板温度を、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定し、且つ後述の熱電子の発生を多大にするための条件である第６の導体棒２ｃａの温度の最大化、且つ生成されるプラズマがグロー放電領域である条件を満たすために、第６の導体棒２ｃａと基板６の間隔は、略４ｍｍ～略４０ｍｍの範囲に選定される。例えば、５ｍｍとする。
【0036】
ここで、 本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に用いられる第６の導体棒２ｃａと、 本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に用いられる第３の導体棒２ｃの熱電子発生能力を比較する。
第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、リチャードソン・ダッシ ュマンの式で求められる。即ち、次式で表される。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：Ａ／ｍ２） ・・・（５）
ただし、Ｔは第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃの絶対温度、φは第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
上式（５）は単位面積当たりの熱電子の発生個数Ｎｅであるので、第６の導体棒２ｃａの場合は、該第６の導体棒２ｃａの表面積、即ち、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍの周長＝１．６１２ｍｍに比例した個数になる。
他方、第３の導体棒２ｃの場合は、該第３の導体棒２ｃの表面積、即ち、直径０．３ｍｍの周長＝０．９４２ｍｍに比例した個数になる。
即ち、第６の導体棒２ｃａは、電気抵抗値としては、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置における第３の導体棒２ｃと同じであるが、周長は、第３の導体棒２ｃ（直径０．３ｍｍ）の０．９４２ｍｍに対し、第６の導体棒２ｃａ（長方形０．１ｍｍｘ０．７０６ｍｍ）の場合、１．６１２ｍｍであり、約１．７倍増大する。
電気抵抗値が同じ条件において、上記周長が約１．７倍になることは、第６の導体棒２ｃａから放出される熱電子の発生量が、第３の導体棒２ｃの約１．７倍になることを意味する。
したがって、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に比べて、熱電子の発生量の増大化が可能であり、プラズマ密度の増大の作用を強めることから、原料ガスである炭素含有ガス、例えば、メタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。
第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、リチャードソン・ダッシ ュマンの式で求められる。即ち、次式で表される。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：Ａ／ｍ２） ・・・（５）
ただし、Ｔは第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃの絶対温度、φは第６の導体棒２ｃａ及び第３の導体棒２ｃの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
上式（５）は単位面積当たりの熱電子の発生個数Ｎｅであるので、第６の導体棒２ｃａの場合は、該第６の導体棒２ｃａの表面積、即ち、厚み０．１ｍｍｘ幅０．７０６ｍｍの周長＝１．６１２ｍｍに比例した個数になる。
他方、第３の導体棒２ｃの場合は、該第３の導体棒２ｃの表面積、即ち、直径０．３ｍｍの周長＝０．９４２ｍｍに比例した個数になる。
即ち、第６の導体棒２ｃａは、電気抵抗値としては、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置における第３の導体棒２ｃと同じであるが、周長は、第３の導体棒２ｃ（直径０．３ｍｍ）の０．９４２ｍｍに対し、第６の導体棒２ｃａ（長方形０．１ｍｍｘ０．７０６ｍｍ）の場合、１．６１２ｍｍであり、約１．７倍増大する。
電気抵抗値が同じ条件において、上記周長が約１．７倍になることは、第６の導体棒２ｃａから放出される熱電子の発生量が、第３の導体棒２ｃの約１．７倍になることを意味する。
したがって、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に比べて、熱電子の発生量の増大化が可能であり、プラズマ密度の増大の作用を強めることから、原料ガスである炭素含有ガス、例えば、メタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。
【0037】
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の操作手順は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置の場合と同様である。
以上の説明で示されたように、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２と、周波数６０ＭＨｚの高周波電源１０と、直流電源８等を備えることにより、従来の装置では困難である大面積基板への対応が可能である。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
（Ａ－２）：装置構成において、輻射エネルギー（輻射熱）を放射し、且つ熱電子を発生し、且つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源８と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源１０と、を主要部材とすることを特徴とする。
（Ｂ－２）：第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は仕事関数φが小さいタンタル（タンタルのφ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金あるいはタングステン（タングステンのφ＝４．５ｅＶ）で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）の超高周波電圧の供給に伴い、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は基板温度を約約８００℃～約１，２００℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
（Ｃ－２）：上記（Ｂ－２）により、原料ガスである、炭素含有ガス、例えば、メタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、４インチ～５インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須の基板温度の制御と、ＣＨ３ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Ｈの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
以上の説明で示されたように、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２と、周波数６０ＭＨｚの高周波電源１０と、直流電源８等を備えることにより、従来の装置では困難である大面積基板への対応が可能である。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド形成装置は、次に示すような特徴を有する。
（Ａ－２）：装置構成において、輻射エネルギー（輻射熱）を放射し、且つ熱電子を発生し、且つ、超高周波電界を形成するタンタル製あるいはタンタルを含む合金製あるいはタングステン製の第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２と、高周波電力の侵入を遮断するコイルを備えた直流電源８と、直流電力の侵入を遮断するコンデンサーを備えた高周波電源１０と、を主要部材とすることを特徴とする。
（Ｂ－２）：第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は仕事関数φが小さいタンタル（タンタルのφ＝４．２ｅＶ）あるいはタンタルを含む合金あるいはタングステン（タングステンのφ＝４．５ｅＶ）で形成されることから、温度上昇に伴い、熱電子を効果的に発生可能という作用を有する。また、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は、ＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）の超高周波電圧の供給に伴い、超高周波電界による高密度プラズマを効果的に発生可能で、且つ前記熱電子のエジソン効果との相乗効果により、超高密度プラズマを形成可能という作用を有する。また、第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極２２は基板温度を約約８００℃～約１，２００℃の範囲から選ばれた任意の温度に均一に加熱することが可能という作用を有する。
（Ｃ－２）：上記（Ｂ－２）により、原料ガスである、炭素含有ガス、例えば、メタンと水素の混合ガスを高密度でプラズマ化し、ＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を多量に発生することが可能となり、高温度に制御された基板上に効率良くダイヤモンドを形成可能という効果を奏する。前記高密度プラズマを励起する高周波電力の波長はメートル級と長いことから、４インチ～５インチ級の基板を対象にした大面積ダイヤモンドの形成に必須の基板温度の制御と、ＣＨ３ラジカルの発生に関する制御と、高濃度の原子状水素Ｈの発生に関する制御が可能となり、従来のダイヤモンド形成装置が抱える課題を解消可能という効果を奏する。
【符号の説明】
【0038】
１・・・反応容器、
２・・・第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極、
２ａ・・・第１の導体棒（固定部）、
２ｂ・・・第２の導体棒（固定部）、
２ｃ・・・複数の第３の導体棒（発熱部）、
３ａ、３ｂ・・・第１及び第２の板バネ式張力付与手段、
３ａａ、３ｂｂ・・・第１及び第２の棒バネ式張力付与手段、
６・・・基板保持台、
６ａ・・・基板保持台の主面、
７・・・原料ガス供給口、
８・・・直流電源、
９・・・基板、
１０・・・高周波電源、
１１・・・インピーダンス整合器、
１２ａ、１２ｂ・・・第１及び第２の真空用電流導入端子、
１３・・・原料ガス供給箱、
１３ａ・・・原料ガス噴出穴、
１５・・・コンデンサー、
１６・・・コイル、
１９・・・放射温度計、
１９ａ・・・温度測定用石英窓、
２２・・・第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極。
２・・・第１の輻射加熱兼用プラズマ発生電極、
２ａ・・・第１の導体棒（固定部）、
２ｂ・・・第２の導体棒（固定部）、
２ｃ・・・複数の第３の導体棒（発熱部）、
３ａ、３ｂ・・・第１及び第２の板バネ式張力付与手段、
３ａａ、３ｂｂ・・・第１及び第２の棒バネ式張力付与手段、
６・・・基板保持台、
６ａ・・・基板保持台の主面、
７・・・原料ガス供給口、
８・・・直流電源、
９・・・基板、
１０・・・高周波電源、
１１・・・インピーダンス整合器、
１２ａ、１２ｂ・・・第１及び第２の真空用電流導入端子、
１３・・・原料ガス供給箱、
１３ａ・・・原料ガス噴出穴、
１５・・・コンデンサー、
１６・・・コイル、
１９・・・放射温度計、
１９ａ・・・温度測定用石英窓、
２２・・・第２の輻射加熱兼用プラズマ発生電極。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】