(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】P2023179963
(43)【公開日】2023-12-20
(54)【発明の名称】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/511 20060101AFI20231213BHJP
C30B 29/04 20060101ALI20231213BHJP
C01B 32/26 20170101ALI20231213BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20231213BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20231213BHJP
【ＦＩ】
C23C16/511
C30B29/04 E
C01B32/26
H01L21/205
H05H1/46 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022092952
(22)【出願日】2022-06-08
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100147267
【弁理士】
【氏名又は名称】大槻 真紀子
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】山田 英明
(72)【発明者】
【氏名】茶谷原 昭義
(72)【発明者】
【氏名】杢野 由明
【テーマコード（参考）】
2G084
4G077
4G146
4K030
5F045
【Ｆターム（参考）】
2G084AA05
2G084BB07
2G084BB13
2G084BB14
2G084BB28
2G084CC06
2G084CC33
2G084DD18
2G084DD44
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2G084DD62
4G077AA03
4G077BA03
4G077DB07
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4G077HA06
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4G077TA04
4G146AA04
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4G146DA50
4K030AA10
4K030AA16
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4K030KA30
4K030KA45
4K030KA46
4K030KA47
5F045AA09
5F045AB07
5F045AC00
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5F045AC16
5F045AC19
5F045BB02
5F045DP03
5F045DP05
5F045DQ10
5F045EB03
5F045EH03
5F045EJ04
5F045EJ09
5F045EJ10
5F045EM09
(57)【要約】
【課題】大電力マイクロ波の導入時においても異常放電を抑制し、また、バルクの品質低下を防止することができ、更には装置の大型化を抑制しつつ大型バルクを製造することが可能となるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に設けられた載置台１１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に位置し、且つチャンバ１０Ａの内部共振モードの対称軸の軸方向に平行な中心導体８１及び中心導体８１の周囲に位置する外部導体８２を含む同軸構造部８０Ａと、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられ、チャンバ１０Ａの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と、チャンバ１０Ａと導波部４０Ａとを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過するマイクロ波導入窓３０Ａとを備える。
【選択図】図１
【解決手段】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に設けられた載置台１１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に位置し、且つチャンバ１０Ａの内部共振モードの対称軸の軸方向に平行な中心導体８１及び中心導体８１の周囲に位置する外部導体８２を含む同軸構造部８０Ａと、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられ、チャンバ１０Ａの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と、チャンバ１０Ａと導波部４０Ａとを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過するマイクロ波導入窓３０Ａとを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
チャンバと、
前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に設けられた載置台と、
前記チャンバに原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記チャンバからガスを排出するガス排出部と、
前記チャンバの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポートと、
前記チャンバと導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過する１又は複数のマイクロ波導入窓と、
前記複数のマイクロ波導入ポートに接続された導波部と、
前記導波部に接続されたマイクロ波発振源と、
を備える、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に設けられた載置台と、
前記チャンバに原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記チャンバからガスを排出するガス排出部と、
前記チャンバの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポートと、
前記チャンバと導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過する１又は複数のマイクロ波導入窓と、
前記複数のマイクロ波導入ポートに接続された導波部と、
前記導波部に接続されたマイクロ波発振源と、
を備える、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項2】
前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に位置し、且つ前記チャンバの内部共振モードの対称軸の軸方向に平行な中心導体及び前記中心導体の周囲に位置する外部導体を含む同軸構造部を更に備え、
前記複数のマイクロ波導入ポートが、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられる、請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記複数のマイクロ波導入ポートが、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられる、請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項3】
前記複数のマイクロ波導入ポートから導入されるマイクロ波の導入方向が、前記チャンバの前記内部共振モードの対称軸の軸方向又は前記中心導体の軸方向と平行である、請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項4】
前記複数のマイクロ波導入ポートから導入されるマイクロ波の導入方向が、前記チャンバの内部共振モードの対称軸の軸方向又は前記中心導体の軸方向と垂直である、請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項5】
前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において前記中心導体の周りに配置され、且つ前記中心導体の軸方向に平行に設けられる、請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項6】
前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において前記中心導体の周りに配置され、且つ前記中心導体の軸方向に対して垂直に設けられる、請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項7】
前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において当該チャンバの前記内部共振モードの対称軸又は前記中心導体の中心軸を基準として前記チャンバの周方向に沿って配置される、請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項8】
前記導波部が、方形形状の導波管と、前記方形形状の導波管と結合され、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられたリング形状の共振器と、を有し、
前記リング形状の共振器が、該共振器に設けられた前記複数のマイクロ波導入ポートを介して前記同軸構造部と結合され、
前記方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、前記リング形状の共振器を介して、前記同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される、請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記リング形状の共振器が、該共振器に設けられた前記複数のマイクロ波導入ポートを介して前記同軸構造部と結合され、
前記方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、前記リング形状の共振器を介して、前記同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される、請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
加工工具素材や研磨粒子として産業利用されている人工ダイヤモンドは、そのほとんどが超高圧合成法によって製造されてきたが、近年では、気相合成法の利用が盛んになってきた。気相合成法を用いて製造されるダイヤモンドは、主に窓材、ヒートシンク、半導体、量子応用に用いられる。これらの用途には、大面積および／または高純度であることが要求される。
【0003】
気相合成用の装置としては、主に熱フィラメントＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置とマイクロ波プラズマＣＶＤ装置が産業上使用されている。このうち、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置では、周波数２．４５ＧＨｚまたは９１５ＭＨｚのマイクロ波を用いて、圧力（真空度）１０～３００Ｔｏｒｒにてメタンと水素を主とするガス中でマイクロ波放電を起こし、プラズマを形成して基板上にダイヤモンドを成長することができる。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置をダイヤモンド合成に用いた場合、熱フィラメントＣＶＤ装置と比べ、１０倍程度の高速成長が可能で、製造コスト低減が期待できることに加え、膜中へのフィラメント材料の混入がないことから、半導体用途等に要求される高純度膜の成長が可能になる。
【0004】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置には様々な方式のものがあり、放電容器としてのチャンバの形状や、マイクロ波の導入方法を工夫することにより、プラズマ形状を制御している。主要なチャンバ形状には、旧無機材質研究所（現国立研究開発法人物質・材料研究機構）で考案されたＮＩＲＩＭ型（非特許文献１）、米国ＡＳＴｅＸ社によって開発されたＡＳＴｅＸ型（特許文献１）、ドイツのｉＰｌａｓ社から商品化されているＣＹＲＡＮＮＵＳと呼ばれる装置（特許文献２）、ドイツのフランフォーファー研究所で開発されたＡＩＸＴＲＯＮと呼ばれる装置（非特許文献２）およびその変形（非特許文献３～５）などがある。その他のマイクロ波導入方式として、複数の導波管から照射タイミングをずらしてマイクロ波をチャンバに供給する方法（特許文献３）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第３４８３１４７号公報
【特許文献2】特表２０００－５１５２９６号公報
【特許文献3】特開平４－１４４９９２号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， ６２ （１９８３）， ６４２－６４４．
【非特許文献2】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ７２， １１４９， １９９８
【非特許文献3】Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ３０， （２０１２）， １５－１９
【非特許文献4】Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ５１， （２０１５）， ２４－２９
【非特許文献5】Ｖａｃｕｕｍ， １１７， （２０１５）， １１２－１２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、少なくともマイクロ波を発生させるマイクロ波電源、ダイヤモンドを合成するチャンバ、およびマイクロ波電源からチャンバにマイクロ波を導入する導波管からなる。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いた大面積ダイヤモンドの高速成長には、大電力マイクロ波の導入が必要となる。しかし、その場合に導波管内で異常放電が発生する場合がある。特に、高湿度環境下において、チャンバにマイクロ波を導入する導波管内や、上記マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のうちＡＳＴｅＸ型等に採用されている方形導波管と円筒導波管とが連結してなるアプリケータ内等で、異常放電の発生が顕著となる。
【0008】
また、大型な宝石や半導体ダイヤモンドのインゴットを製造する場合においては、被処理体（結晶）の冷却、自動昇降、温度分布管理などを行える機構を設置する十分なスペースが結晶の近傍に必要となる。具体的には、結晶を載置台に置く場合、その下方にはマイクロ波導入部など上記機構の設置に障害となるものがないことが望ましい。
【0009】
さらに、上記マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のうち、ＮＩＲＩＭ型、ＣＹＲＡＮＮＵＳ、ＡＩＸＴＲＯＮでは、結晶上面（成長面）に対して面内方向の延長線上或いはその近傍においてチャンバと外部との真空隔壁として設置される石英製などのマイクロ波導入窓があるため、それがプラズマによってエッチングされ、エッチングによって浮遊した石英成分が基板上のダイヤモンドに混入してバルクなどの被処理体の品質低下を招く虞がある。このような現象は、大電力のマイクロ波を投入するとプラズマが広がりマイクロ波導入窓に近づくため、より顕著になると考えられる。
【0010】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、大電力マイクロ波の導入時においても異常放電を抑制し、また、結晶への良好なアクセスを確保することにより結晶品質を向上させることができ、更には高純度ダイヤモンドを製造することが可能となるマイクロ波プラズマＣＶＤ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】
【0011】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
［１］チャンバと、
前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に設けられた載置台と、
前記チャンバに原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記チャンバからガスを排出するガス排出部と、
前記チャンバの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポートと、
前記チャンバと導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過する１又は複数のマイクロ波導入窓と、
前記複数のマイクロ波導入ポートに接続された導波部と、
前記導波部に接続されたマイクロ波発振源と、
を備える、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
［１］チャンバと、
前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に設けられた載置台と、
前記チャンバに原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記チャンバからガスを排出するガス排出部と、
前記チャンバの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポートと、
前記チャンバと導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過する１又は複数のマイクロ波導入窓と、
前記複数のマイクロ波導入ポートに接続された導波部と、
前記導波部に接続されたマイクロ波発振源と、
を備える、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0012】
［２］前記チャンバの平面視において前記チャンバの中心部に位置し、且つ前記チャンバの内部共振モードの対称軸の軸方向に平行な中心導体及び前記中心導体の周囲に位置する外部導体を含む同軸構造部を更に備え、
前記複数のマイクロ波導入ポートが、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられる、上記［１］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記複数のマイクロ波導入ポートが、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられる、上記［１］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0013】
［３］前記複数のマイクロ波導入ポートから導入されるマイクロ波の導入方向が、前記チャンバの前記内部共振モードの対称軸の軸方向又は前記中心導体の軸方向と平行である、上記［１］又は［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0014】
［４］前記複数のマイクロ波導入ポートから導入されるマイクロ波の導入方向が、前記チャンバの前記内部共振モードの対称軸の軸方向又は前記中心導体の軸方向と垂直である、上記［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0015】
［５］前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において前記中心導体の周りに配置され、且つ前記中心導体の軸方向に平行に設けられる、上記［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0016】
［６］前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において前記中心導体の周りに配置され、且つ前記中心導体の軸方向に対して垂直に設けられる、上記［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0017】
［７］前記複数のマイクロ波導入ポートの開口面が、前記チャンバの平面視において当該チャンバの前記内部共振モードの対称軸又は前記中心導体の中心軸を基準として前記チャンバの周方向に沿って配置される、上記［１］～［６］のいずれかに記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【0018】
［８］前記導波部が、方形形状の導波管と、前記方形形状の導波管と結合され、前記チャンバの前記同軸構造部に設けられたリング形状の共振器と、を有し、
前記リング形状の共振器が、該共振器に設けられた前記複数のマイクロ波導入ポートを介して前記同軸構造部と結合され、
前記方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、前記リング形状の共振器を介して、前記同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される、上記［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記リング形状の共振器が、該共振器に設けられた前記複数のマイクロ波導入ポートを介して前記同軸構造部と結合され、
前記方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、前記リング形状の共振器を介して、前記同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される、上記［２］に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、大電力マイクロ波の導入時においても異常放電を抑制し、また、結晶への良好なアクセスを確保することにより結晶品質を向上させることができ、更には高純度ダイヤモンドを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0022】
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0023】
図１は、本発明の実施形態に係るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成の一例を示す部分断面斜視図であり、図２は、図１のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す側面図である。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、プラズマを生成して基板などのワーク上にダイヤモンドなどの物質を析出或いは堆積させる装置である。
【0024】
図１及び図２に示すように、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に設けられた載置台１１０Ａと、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心部に位置し、且つチャンバ１０Ａの内部共振モードの対称軸Ｚ１の軸方向に平行な中心導体８１及び中心導体８１の周囲に位置する外部導体８２を含む同軸構造部８０Ａと、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられ、チャンバ１０Ａの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と、チャンバ１０Ａと後述する導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過するマイクロ波導入窓３０Ａと、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…に接続された導波部４０Ａと、導波部４０Ａに接続されたマイクロ波発振源５０と、を備える。
【0025】
載置台１１０Ａは、中心導体８１の軸線方向上端部に設けられてもよいし、例えば、中心導体８１の軸線方向上端部に対向するチャンバ１０Ａの上面に設置することもできる。中心導体８１の軸線方向上端部は、マイクロ波導入窓３０Ａがプラズマに晒されない観点から、チャンバ１０Ａの底面より上部に位置することが望ましい。載置台１１０Ａは、ワークＷを安定的に載置可能であれば特に制限されないが、導電性材料および耐熱材料であってプラズマにエッチングされ難い観点からは、モリブデン（Ｍｏ）などで構成されるのが好ましい。また、載置台１１０Ａは、異なる材料からなる層の複数で構成される多層構造を有していてもよい。多層構造としては、特に限定されないが、例えば２層構造であって、下層が銅（水冷用）、上層がモリブデンからなるものであってもよい。また、３層構造であって、最下層が銅（水冷用）、中間層がＳＵＳ、最上層がモリブデンからなるものであってもよい。
【0026】
チャンバ１０Ａは、少なくとも図２及び図３に示す底壁１１及び側壁１２を有しており、内部に図１～図３に示す密閉空間Ｓ１を有する密閉容器である。チャンバ１０Ａは、ステンレスまたはアルミ合金などの金属でできており、必要に応じて、のぞき窓（石英、耐熱ガラス）を備えている。本実施形態では、チャンバ１０Ａは１軸対称形状を有しており、ｚ方向に平行な対称軸Ｚ１を基準として回転対称な形状である。チャンバ１０Ａは、例えば平面視で略円筒状であるが、これに限定されるものではない。
【0027】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ａに原料ガスを導入する原料ガス導入部６０と、チャンバ１０Ａからガスを排出するガス排出部７０とを備えている。原料ガス導入部６０は、ワークＷに成膜する被膜の原料となる原料ガスをチャンバ１０Ａの密閉空間Ｓ１内に供給する。原料ガスは、例えばメタン（ＣＨ４）及び水素（Ｈ２）を主成分とする混合ガスである。上記原料ガスは、アルゴン（Ａｒ）、酸素（Ｏ２）、また、不純物として意図的にドーピングする目的で、窒素（Ｎ２）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）等を含む化合物などを更に含有してもよい。ガス排出部７０は、密閉空間Ｓ１内のガスを排気するポンプおよび不図示の排気抵抗制御器を有しており、ポンプを駆動することにより、密閉空間Ｓ１を一定圧力の減圧状態（好ましくは真空状態）に保つことができる。
【0028】
【0029】
本実施形態では、チャンバ１０Ａの底壁１１に、同軸構造部８０Ａに設けられた複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と連通する同軸開口部１３が設けられている。同軸開口部１３の開口面は、チャンバ１０Ａの平面視において中心導体８１の周りに配置され、且つ中心導体８１の軸方向（ｚ方向）に対して垂直に設けられている。同軸開口部１３は、例えばリング形状を有しており、軸線方向が中心導体８１の軸方向（ｚ方向）に平行となるように設けられる。
【0030】
同軸開口部１３の開口面は、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの中心導体８１の中心軸を基準として同軸となるように配置される。同軸開口部１３は、周方向及び径方向を有しており、周方向がチャンバ１０Ａの周方向に沿うように設けられている。
【0031】
マイクロ波導入窓３０Ａは、本実施形態では同軸開口部１３を覆うようにチャンバ１０Ａの底壁１１上に載置されている。マイクロ波導入窓３０Ａは、チャンバ１０Ａ（減圧領域）と導波部４０Ａ（大気圧領域）(図１および図２参照）との間に設置される。マイクロ波導入窓３０Ａは、マイクロ波を損失させること無く透過させる材料（誘電体）で構成されるのが好ましく、例えば石英で構成されている。
【0032】
マイクロ波導入窓３０Ａも、同軸開口部１３と同様、チャンバ１０Ａの平面視においてチャンバ１０Ａの内部共振モードの対称軸の軸方向又は中心導体８１の軸方向に平行に設けられる。マイクロ波導入窓３０Ａは、軸対称であって同軸開口部１３を閉塞可能であれば、リング形状に限定されず、リング形状以外の他の形状を有していてもよい。
【0033】
図２に示す導波部４０Ａは、マイクロ波発振源５０からのマイクロ波を複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を介してチャンバ１０Ａに伝送する。本実施形態では、導波部４０Ａは、図３に示すように、方形形状の導波管４１１と結合され、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられたリング形状の共振器４１２を有する。同軸構造部８０Ａとリング形状の共振器４１２は、マイクロ波モード変換器４１を構成する。リング形状の共振器４１２は、該共振器に設けられた複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を介して同軸構造部８０Ａと結合されている。
【0034】
図３に示す構成では、内部共振モードが軸対称であって、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…から導入されるマイクロ波の導入方向が、チャンバ１０Ａの内部共振モードの対称軸の軸方向又は中心導体８１の軸方向と垂直である。換言すれば、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，の開口面の中心での法線が、上記対称軸と垂直である。また、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面は、チャンバ１０Ａの平面視において中心導体８１の周りに配置され、且つ中心導体８１の軸方向に平行に設けられておいる。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…から後述の同軸構造部８０Ａに、上記対称軸と垂直な方向にマイクロ波が導入されると、その後、マイクロ波は、同軸開口部１３のマイクロ波導入窓３０Ａを透過して、チャンバ１０Ａ内の上部に進行する。
【0035】
図４は、図１の同軸構造部８０Ａに設けられるマイクロ波モード変換器４１の構成を示す斜視図であり、図５（Ａ）は、図４のマイクロ波モード変換器４１の平面図、図５（Ｂ）は、線Ｂ－Ｂに沿う断面図である。
マイクロ波モード変換器４１は、方形形状の導波管４１１と、導波管４１１と結合されたリング形状の共振器４１２と、共振器４１２に結合された同軸構造部４１３とを有している。マイクロ波モード変換器４１は、方形形状の導波管４１１及び同軸構造部４１３を有していることから、モード変換継ぎ手であるアプリケータと称することもできる。但し、本実施形態のアプリケータは、リング形状の共振器を有している点で、従来のアプリケータとは大きく異なる。
マイクロ波モード変換器４１は、方形形状の導波管４１１と、導波管４１１と結合されたリング形状の共振器４１２と、共振器４１２に結合された同軸構造部４１３とを有している。マイクロ波モード変換器４１は、方形形状の導波管４１１及び同軸構造部４１３を有していることから、モード変換継ぎ手であるアプリケータと称することもできる。但し、本実施形態のアプリケータは、リング形状の共振器を有している点で、従来のアプリケータとは大きく異なる。
【0036】
導波管４１１は、その一端部４１１ａがサーキュレータ９０（マイクロ波発振源５０側）に接続されており、他端部４１１ｂが共振器４１２に接続されている。導波管４１１は、マイクロ波の伝搬方向に対して垂直な方向の断面視において矩形形状であって、平面視においてストレート形状を有している。
【0037】
共振器４１２は、外周側壁４１２Ａ及び内周側壁４１２Ｂを有しており、導波管４１１の他端部４１１ｂが外周側壁４１２Ａに接続されている。共振器４１２は、マイクロ波の伝搬方向に対して垂直な方向の断面視において矩形形状であって、平面視において真円形状を有している。また、共振器４１２は、内周側壁４１２Ｂの円周方向に沿って並べて配置された複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…を有している。本実施形態では、複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…が、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を構成しているが、これに限らず、複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…と、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…が別々に設けられ、これらが直接接続されてもよい。
【0038】
複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…の開口面は、共振器４１２の対称軸の軸方向（ｚ方向）、例えば中心導体８１の軸方向に平行に設けられており、共振器４１２の対称軸を基準として内周側壁４１２Ｂの円周方向に沿って回転対称となるように並べて配置されている。例えば、４つのマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃの開口面が、内周側壁４１２Ｂの円周方向に沿って、９０°回転対称となるように並べて配置されている。複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…の開口面は、例えば長辺及び短辺を有しており、長辺が内周側壁４１２Ｂの円周方向に沿うように設けられ、短辺は中心導体８１の軸方向に沿って設けられている。複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…の開口面は、同一形状であるのが好ましいが、マイクロ波の放射に影響しない範囲で、異なる形状であってもよい。
【0039】
マイクロ波導入ポート４１２Ｃは、典型的には線状又は矩形のスリットである。スリットは、共振器４１２内の共振モードに対応して、その長辺がスリット又はスリット近傍での磁界方向と平行となるように、かつスリットによって同軸構造部４１３内に形成される磁場方向が同軸構造部４１３内の磁場方向と同じになるように配置される。スリットは、例えば矩形形状であるが、長穴形状等を有していてもよい。
【0040】
同軸構造部４１３は、外周側壁４１３Ａ及び内周側壁４１３Ｂを有しており、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａを形成している。同軸構造部４１３の一端部４１３ａは、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を介して共振器４１２に接続されており、他端部４１３ｂがチャンバ１０Ａの同軸開口部１３となる（図３（Ａ）参照）。本実施形態では、内周側壁４１３Ｂが、中心導体８１を構成し、外周側壁４１３Ａが、外部導体８２を構成している。同軸構造部４１３は、マイクロ波の伝搬方向に対して垂直な方向の断面視においてリング形状を有している。また、本実施形態では同軸構造部４１３の外周側壁４１３Ａと、共振器４１２の内周側壁４１２Ｂが同一面を形成している。よって換言すれば、複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…は、同軸構造部４１３の外周側壁４１３Ａに設けられ、且つその円周方向に沿って並べて配置されているとも言える。
【0041】
上記のように構成されるマイクロ波モード変換器４１では、導波管４１１の一端部４１１ａから導入されたマイクロ波を、他端部４１１ｂから共振器４１２に導入し、更に、共振器４１２の内周側壁４１２Ｂに設けられた複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…から同軸構造部４１３に伝送する。これにより、方形形状の導波管４１１を伝送するマイクロ波のＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードが、リング形状の共振器４１２を介して、同軸構造部４１３を伝送するＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）モードに変換される。尚、ＴＥモードとは、一般に、電界方向が電磁波の進行方向と直交している伝搬モードであり、ＴＥＭモードとは、一般に、電界方向及び磁界方向の両方が電磁波の進行方向と直交する伝播モードである。本実施形態の場合、ＴＥモードは、例えば基本モードＴＥ１０を指す。この場合、チャンバ１０Ａ内の磁界分布は軸対称（円形）となる。
【0042】
このように、マイクロ波モード変換器４１はリング形状の共振器４１２を有しており、共振器４１２が、内周側壁４１２Ｂの円周方向に沿って並べて配置された複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…を有しているので、共振モードのマイクロ波が複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…から同軸構造部４１３に導入される。これにより、マイクロ波モード変換器４１内での電界強度の集中を抑制して、導波管内での異常放電の発生確率を低減することができる。また、マイクロ波モード変換器４１の構成を既存のマイクロ波モード変換器と比較して簡素化、小型化することができる。更には、マイクロ波モード変換器４１はリング形状の共振器４１２を有しているため、同軸構造部４１３（特に内周側壁４１３Ｂ）を大口径化することができ、その結果、大型バルクなどの被処理体を製造する場合に必要とされる被処理体（結晶）の冷却、自動昇降、温度分布管理などを行える機構を設置する十分なスペースを被処理体下方に確保することが可能となる。
【0043】
また、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、導波部４０Ａに設けられたサーキュレータ９０及びＥ－Ｈチューナ１００を備えている。サーキュレータ９０は、マイクロ波発振源５０側に結合された第１ポート９１と、チャンバ１０Ａ側に結合された第２ポート９２と、第１ポート９１、第２ポート９２とは異なる第３ポート９３とを有する。サーキュレータ９０は、マイクロ波発振源５０からのマイクロ波を第１ポート９１で受けて、このマイクロ波を第２ポート９２に伝搬させる。また、サーキュレータ９０は、第２ポート９２で受けたマイクロ波、すなわち第２ポート９２に接続されたマイクロ波伝搬構成要素から反射してきたマイクロ波を第３ポート９３に伝搬させる。第３ポート９３には、ダミー負荷と呼ばれる無反射吸収端が接続されており、第３ポート９３に伝搬してきたマイクロ波は、完全に吸収されて熱に変換される。これにより第２ポート９２に接続されたマイクロ波伝搬構成要素から反射してきたマイクロ波は、ダミー負荷で完全に吸収され、このマイクロ波をマイクロ波発振源５０側に戻らないようにしている。このようなサーキュレータ９０およびダミー負荷の使用方法としては、マイクロ波発振源（マグネトロンなど）が反射マイクロ波により熱的に損傷を受けることを防止するための一般的な方法を用いることができる。これにより、マイクロ波発振源５０で発生したマイクロ波が一方向的に導波部４０Ａに供給される。Ｅ－Ｈチューナ１００は、Ｅチューナ部１０１及びＨチューナ部１０２を有しており、Ｅチューナ部１０１及びＨチューナ部１０２のプランジャを出し入れすることで、インピーダンスを調整する。Ｅ－Ｈチューナ１００は、インピーダンスを調整する方法の一例であり、他の方法、たとえば３スタブチューナーを使用することができる。
【0044】
マイクロ波発振源５０は、所定周波数、例えばＩＳＭバンドである周波数２．４５ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚのマイクロ波を発振する。マイクロ波発振源５０としては、例えばマグネトロンや半導体発振器が用いられる。また、本実施形態のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置１において、チャンバ１０Ａの上方、側方及び下方に冷却水または空気などの媒体を用いた冷却経路が設けられてもよい。
【0045】
上記のように構成されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置１では、マイクロ波発振源５０から供給されたマイクロ波をチャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられる複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を通してチャンバ１０Ａ内に導入する。このマイクロ波をチャンバ１０Ａ内の原料ガスに照射して放電させることにより、チャンバ１０Ａ内にプラズマが生成される。そしてプラズマにより分解された原料ガスから、プラズマ付近に設置したワークＷの表面にダイヤモンド等の被膜を形成する。
【0046】
上述したように、本実施形態によれば、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…が、チャンバ１０Ａの同軸構造部８０Ａに設けられており、同軸構造部８０Ａを含むチャンバ１０Ａの内部共振モードに合うように結合されているので、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…からチャンバ１０Ａにマイクロ波を導入することにより、導波部４０Ａ（図２）および同軸構造部８０Ａにおける電界集中が緩和され、大電力マイクロ波の導入時においても異常放電やそれに伴う加熱等を抑制し、電力効率を改善することができる。
【0047】
また、ワークＷ下部の中心導体８１を必要に応じて太くすることができるため、大面積のワークＷの昇降や冷却・加熱などの温度（分布）制御など、結晶成長環境の管理に必要な機構を基板電極下部に組み込むことができ、結晶品質を向上させるとともに大面積基板の均一合成や厚いバルク結晶の合成を実現することができる。
【0048】
また、プラズマは載置台１１０Ａの上方に生成し、マイクロ波導入窓３０Ａがチャンバ１０Ａ内に生成されるプラズマに晒されない位置に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ａがプラズマによってエッチングされるのを抑制することができる。その結果、ワークＷへのシリコン等のマイクロ波導入窓を構成する元素の混入が抑制され、例えばダイヤモンド等の高純度薄膜の合成が可能となってバルクなどの被処理体の品質向上を実現することができる。更に、大電力マイクロ波を供給してもプラズマがマイクロ波窓に近づかないため、大電力マイクロ波の供給が可能になり、ワークＷにおける成膜面積を拡大できるので、装置の大型化を抑制しつつ大型バルクなどの被処理体を製造することが可能となる。
【0049】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、図３（Ａ）のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置１の変形例を概略的に示す断面図である。図７（Ａ）～図７（Ｃ）は、図３（Ａ）のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置１のその他の変形例を概略的に示す断面図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の構成におけるマイクロ波導入方法は、図１～図５の構成におけるマイクロ波導入方法と同じであり、すなわち、同軸構造部８０Ｂ又は同軸構造部８０Ｃに設けたリング状の共振器４１２からのマイクロ波導入方向が各同軸構造部の軸に垂直である構成を示す。また、図７（Ａ）～図７（Ｃ）は、同軸構造部８０Ｄ、同軸構造部８０Ｅ又は同軸構造部８０Ｆに設けたリング状の共振器４１２からのマイクロ波導入方向が各同軸構造部の軸に平行である構成を示す。
【0050】
図６（Ａ）に示すように、マイクロ波導入窓３０Ａが、載置台１１０Ｂの下方に配置される。すなわち、チャンバ１０Ｂの対称軸の軸方向（ｚ軸方向）に関して、載置台１１０Ｂの載置面、すなわちワークＷの載置位置と、マイクロ波導入窓３０Ａの設置位置とがオフセットされていることが好ましい。
【0051】
また、図６（Ｂ）に示すように、載置台１１０Ｃが、チャンバ１０Ｃの同軸構造部８０Ｃの中心導体８１の外径よりも大きい外径を有しており、マイクロ波導入窓３０Ｂが、載置台１１０Ｃの下方に配置され、且つチャンバ１０Ｃの対称軸の軸方向に沿って延在していてもよい。この場合、マイクロ波導入窓３０Ｂは、例えば円筒形状を有しており、マイクロ波導入窓３０Ｂによって、チャンバ１０Ｃの密閉空間Ｓ１と載置台１１０Ｃの下側空間Ｓ２とが圧力隔壁される。プラズマは載置台１１０Ｃの上方に生成され、マイクロ波導入窓３０Ｂは載置台１１０Ｃの下方であって、かつ載置台１１０Ｃに遮られて前記プラズマに晒されない位置に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ｂがプラズマによってエッチングされるのを抑制することができる。
【0052】
図７（Ａ）では、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…が、チャンバ１０Ｄの同軸構造部８０Ｄに設けられ、チャンバ１０Ｄの内部共振モードに合うように結合されている。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…から導入されるマイクロ波の導入方向は、チャンバ１０Ｄの内部共振モードの対称軸の軸方向又は中心導体８１の軸方向と平行である。このとき、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面が、チャンバ１０Ｄの平面視において中心導体８１の周りに配置され、且つ中心導体８１の軸方向に対して垂直に設けられる。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…は、同軸構造部８０の一部、すなわちチャンバ１０Ｄの底壁１１に設けられている。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…は、リング形状の共振器４１２に設けられた複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…の直上に設けられている。中心導体８１の上端部には載置台１１０Ｄが設けられている。
【0053】
また、リング形状の共振器４１２は、チャンバ１０Ｄの直下に配置されている。リング形状の共振器４１２は、リング形状の共振器４１２上面に設けられた複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…を有している。複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…は、複数のマイクロ波導入ポート２０に直接接続されている。リング形状の共振器４１２のマイクロ波導入ポート４１２Ｃの開口面及びマイクロ波導入ポート２０の開口面は、中心導体８１の軸方向（ｚ方向）に対して垂直に設けられている。本実施形態では、複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…と、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…は別々に設けられるが、複数のマイクロ波導入ポート４１２Ｃ，４１２Ｃ，…が複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を構成してもよい。
【0054】
また、図７（Ｂ）に示すように、載置台１１０Ｅが、中心導体８１の外径よりも大きい外径を有しており、マイクロ波導入窓３０Ｂが、チャンバ１０Ｅの下方に配置され、且つチャンバ１０Ｅの対称軸の軸方向に沿って延在していてもよい。この場合、マイクロ波導入窓３０Ｂは、例えば円筒形状を有しており、マイクロ波導入窓３０Ｂによって、チャンバ１０Ｅの密閉空間Ｓ１と載置台１１０Ｅの下側空間Ｓ２とが圧力隔壁される。プラズマは載置台１１０Ｅの上方に生成し、マイクロ波導入窓３０Ｂは載置台１１０Ｅの下方かつ載置台に遮られて前記プラズマに晒されない位置に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ｂがプラズマによってエッチングされるのを抑制することができる。
【0055】
また、図７（Ｃ）に示すように、載置台１１０Ｆを支持する中心導体８１が、チャンバ１０Ｆの下方に延在していてもよい。この場合、リング形状の共振器４１２は、チャンバ１０Ｆの下部に配置されており、マイクロ波導入ポート２０は、中心導体８１の径方向（ｘ方向）側方に設けられる。下方に延在した同軸構造部８０Ｆの長さを変えることにより、チャンバ１０Ｆ内の共振モードを調整することができる。
【0056】
このように、上記図７（Ａ）に示した実施形態によれば、プラズマは載置台１１０Ｄの上方に生成し、マイクロ波導入窓３０Ａは載置台１１０Ｄの下方に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ｂがプラズマによってエッチングされるのを抑制することができる。また、上記図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示した実施形態によれば、プラズマは載置台１１０Ｅの上方に生成し、マイクロ波導入窓３０Ｂは載置台１１０Ｅの下方かつ載置台１１０Ｅに遮られて前記プラズマに晒されない位置に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ｂがプラズマによってエッチングされるのをさらに抑制することができる。また、これと同様に、プラズマは載置台１１０Ｆの上方に生成し、マイクロ波導入窓３０Ｂは載置台１１０Ｆの下方かつ載置台１１０Ｆに遮られて前記プラズマに晒されない位置に設けられるので、マイクロ波導入窓３０Ｂがプラズマによってエッチングされるのをさらに抑制することができる。
【0057】
【0058】
【0059】
図８（Ａ）は、図６（Ａ）のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の変形例を概略的に示す側面図であり、図８（Ｂ）は、線Ｃ－Ｃに沿う断面図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成は、図６（Ａ）のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成と基本的に同じであり、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下に異なる部分を説明する。
【0060】
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ｇの同軸構造部８０Ｇに設けられ、チャンバ１０Ｇの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と、チャンバ１０Ｇと導波部４０Ｂとを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過する複数のマイクロ波導入窓３０Ｃ，３０Ｃ,…と、を備える。導波部４０Ｂは、例えば複数の方形導波管で構成されており、本実施形態では４つの方形導波管がチャンバ１０Ｇの対称軸周りに配置されている。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す構成では、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…からチャンバ１０Ｇの内部共振モードの対称軸の軸方向と平行にマイクロ波が導入される。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面の近傍において、チャンバ１０Ｇの内部共振モードの磁場の向きＭと、ＴＥモードの導波部４０Ｂの各方形導波管内の磁場の向きＭが合うように、導波部４０Ｂがチャンバ１０Ｇに結合される。
【0061】
本実施形態では、チャンバ１０Ｇの内部共振モードが軸対称であって、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…から導入されるマイクロ波の導入方向が、チャンバ１０Ｇの内部共振モードの対称軸と平行である。換言すれば、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，の開口面の中心での法線が、対称軸と平行である。このとき、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面は、チャンバ１０Ｇの平面視においてチャンバ１０Ｇの内部共振モードの対称軸の軸方向（ｚ方向）に対して垂直に設けられている。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面は、例えば長辺及び短辺を有しており、長辺及び短辺で画定される開口面の面内方向が、上記内部共振モードの対称軸の軸方向（ｚ方向）に対して垂直に設けられる。複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…は、同一形状であるのが好ましいが、マイクロ波の放射に影響しない範囲で、異なる形状であってもよい。
【0062】
複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面は、チャンバ１０Ｇの平面視においてチャンバ１０Ｇの内部共振モードの対称軸を基準としてチャンバ１０Ｇの周方向に沿って配置される。例えば、４つのマイクロ波導入ポート２０，２０，…の開口面が、チャンバ１０Ｇの円周方向に沿って、９０°回転対称となるように並べて配置されている。マイクロ波導入ポート２０の開口面は、例えば、長辺及び短辺を有しており、長辺方向がチャンバ１０Ｇの周方向に沿うように設けられ、短辺は上記内部共振モードの対称軸の軸方向に沿って設けられている。
【0063】
マイクロ波導入ポート２０は、典型的には線状又は矩形のスリットである。スリットの長辺は、スリット付近の磁界Ｍの方向と平行となるように配置される。これにより、スリットの短辺に平行な電界が発生し、スリットはその開口部から電磁波を放射するアンテナとして機能する。スリットは、例えば円弧形状であるが、矩形形状や、長穴形状等を有していてもよい。
【0064】
複数のマイクロ波導入窓３０Ｃ，３０Ｃ，…は、本実施形態では複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…を覆うようにチャンバ１０Ｇの底壁１１上に載置されている。複数のマイクロ波導入窓３０Ｃ，３０Ｃ，…は、チャンバ１０Ｇ（減圧領域）と導波部４０Ｂ（大気圧領域）との間に設置される。
【0065】
複数のマイクロ波導入窓３０Ｃ，３０Ｃ，…も、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と同様、チャンバ１０Ｇの平面視においてチャンバ１０Ｇの内部共振モードの対称軸を基準としてチャンバ１０Ｇの周方向に沿って配置される。例えば、４つのマイクロ波導入窓３０Ｃ，３０Ｃ，…が、チャンバ１０Ｇの円周方向に沿って、９０°回転対称となるように並べて配置されている。マイクロ波導入窓３０Ｃは、マイクロ波導入ポート２０を閉塞可能であれば円弧形状に限定されず、矩形形状や、長穴形状等を有していてもよいし、分割しないで１個のリング状であってもよい。
【0066】
このように、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、例えば複数の方形形状の導波管からなる導波部４０Ｂによってマイクロ波がチャンバ１０Ｇに導入される構成であってもよい。この場合、各マイクロ波導入ポートにマイクロ波を同じ位相で導入する。本構成によっても、導波部４０Ｂでの異常放電を抑制し、また、結晶への良好なアクセスを確保することにより結晶品質を向上させることができ、大型バルクなどの被処理体を製造することができる。
【0067】
図９は、実施例１のシミュレーションによる電界強度の分布を示す図である。図１０（Ａ）は、実施例２のシミュレーションによる電界強度の分布を示す図であり、図１０（Ｂ）は、線Ｄ－Ｄに沿う断面における磁場強度の分布を示す図である。図１１は、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置におけるマイクロ波モード変換器の構成を示す斜視図である。図１２は、比較例１のシミュレーションによる電界強度の分布を示す図である。
【0068】
実施例１として、シミュレーションにて図６（Ａ）に示す構成と同等の構造を設計し、数値計算を実施し、電界強度分布を計算した。シミュレーションソフトウェアは、ＪＭＡＧ－Ｓｔｕｄｉｏ（ＪＳＯＬ社製）を使用した。計算手法としては有限要素法、反復法を用い、要素数は１００万程度（テトラメッシュ）、モデルサイズは１ｍ×０．４ｍ×０．３ｍ、投入マイクロ波は周波数２．４５ＧＨｚ，モードはＴＥ１０、境界条件は、マイクロ波を投入する入出力ポート（矩形導波管端）とマイクロ波導入窓以外は、完全導体とした。
図９では、シミュレーションによって計算された電界強度をグレースケールの濃淡として示している。また、電界強度の測定領域として、基板設置部に対応する図９中の領域Ａでの電界強度と、導波管または同軸構造部に対応する領域Ｂでの電界強度とを算出した。
図９では、シミュレーションによって計算された電界強度をグレースケールの濃淡として示している。また、電界強度の測定領域として、基板設置部に対応する図９中の領域Ａでの電界強度と、導波管または同軸構造部に対応する領域Ｂでの電界強度とを算出した。
【0069】
実施例２として、同軸構造部の径方向幅を実施例１よりも大きくした構造（図１０（Ａ））を設計し、実施例１と同様にして数値計算を実施し、電界強度分布を計算した。
また、図１０（Ｂ）に、図１０（Ａ）のリング形状の共振器のＤ－Ｄ断面における磁場強度分布の計算結果と、リング共振器および同軸構造部内のおおまかな磁力線の向きを矢印で示す。リング形状の共振器の内周部に設けられるマイクロ波導入ポートは、リング形状の共振器と同軸構造部の境界部において、それぞれの磁力線の向きが合うよう複数配置される。これにより、方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、リング形状の共振器を介して、同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される。
また、図１０（Ｂ）に、図１０（Ａ）のリング形状の共振器のＤ－Ｄ断面における磁場強度分布の計算結果と、リング共振器および同軸構造部内のおおまかな磁力線の向きを矢印で示す。リング形状の共振器の内周部に設けられるマイクロ波導入ポートは、リング形状の共振器と同軸構造部の境界部において、それぞれの磁力線の向きが合うよう複数配置される。これにより、方形形状の導波管を伝送するマイクロ波のＴＥモードが、リング形状の共振器を介して、同軸構造部を伝送するＴＥＭモードに変換される。
【0070】
また、比較例１として、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に設けられるマイクロ波モード変換器を用いた。従来のＡＳＴｅＸ６５００型マイクロ波プラズマＣＶＤ装置では、マイクロ波がチャンバ下方のマイクロ波モード変換器３００（図１１）を経由して共振器型のチャンバに導入され、基板設置部で所定の電界強度を得ている。すなわち、従来のマイクロ波モード変換器は、方形形状の導波管と同軸線路とを有し、リング形状の共振器を有さない構造である。比較例１としてこの従来のマイクロ波モード変換器に対応する構造（図１２）を設計し、数値計算を実施し、電界強度分布を計算した。
実施例１～２および比較例１の領域Ａおよび領域Ｂでの電界強度と、領域Ｂの電界強度に対する領域Ａの電界強度の比（比強度）の計算結果を表１に示す。
実施例１～２および比較例１の領域Ａおよび領域Ｂでの電界強度と、領域Ｂの電界強度に対する領域Ａの電界強度の比（比強度）の計算結果を表１に示す。
【0071】
【表1】
【0072】
表１の結果から、実施例１では、方形形状の導波管から、側壁に複数のスリットが設けられたリング形状の共振器を介してマイクロ波をチャンバに導入すると、領域Ａ、すなわち基板設置部で比較例１と同等の高い電界強度を得ることができた。また、領域Ｂの電界強度に対する領域Ａの電界強度の比（比強度）が０．２～０．３であり、比較例１と比べて領域Ｂ、すなわち導波管での異常放電の発生確率を低減できることが分かった。
【0073】
また、実施例２では、同軸構造部の径方向幅を実施例１よりも大きくしても、領域Ａ、すなわち基板設置部で比較例１と同等の高い電界強度を得ることができた。また、領域Ｂの電界強度に対する領域Ａの電界強度の比（比強度）が０．７～２．５であり、実施例１の比強度よりも格段に大きくなり、領域Ｂ、すなわち導波管での異常放電の発生確率を更に低減できることが分かった。
【0074】
一方、比較例１では、方形形状の導波管から共振器を経由せずにマイクロ波を同軸線路に導入すると、領域Ｂの電界強度に対する領域Ａの電界強度の比（比強度）が０．０５～０．３であり、実施例１，２のいずれよりも異常放電の発生確率が高くなることが分かった。
【0075】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0076】
例えば本実施形態では、図３の構成において、同軸構造部８０Ａが、チャンバ１０Ａの底壁１１上に設けられるが、これに限らず、同軸構造部がチャンバ１０Ａの内部共振モードに合うように結合されており、且つマイクロ波導入窓３０Ａが、チャンバ１０内に生成されるプラズマに晒されない位置に設けられていれば、同軸構造部及びマイクロ波導入窓３０Ａの設置位置は特に制限されない。マイクロ波導入窓３０Ａは、例えばワークＷの面内方向の延長線上及びその近傍以外の位置に設けられてもよい。また、マイクロ波導入窓３０Ａは、底壁１１のワークＷから視覚的に望めない位置或いは底壁１１のワークＷから見えない位置に設置されると表現することもできる。これにより、ワークＷ上に生成するプラズマによるマイクロ波導入窓のエッチングを抑制しつつ、ワークＷ上に堆積或いは成長するダイヤモンドを高純度化することができる。
【0077】
また、導波部４０Ａは、同軸構造部４１３を有さず、方形形状の導波管４１１と、導波管４１１と結合されたリング形状の共振器４１２とを有していてもよい。この場合、共振器４１２は、該共振器４１２の上面に１又は複数のマイクロ波導入ポートを有し、同軸形状の導波管としての機能を兼ね備えてもよい。より具体的には、図７（Ａ）の構成において、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、同軸構造部８０Ｄを有さず、載置台１１０Ｄがチャンバ１０Ｄの底壁１１に設けられてもよい。この場合、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバ１０Ｄに原料ガスを導入する原料ガス導入部６０（図１，２参照）と、チャンバ１０Ｄの内部共振モードに合うように結合された複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…と、チャンバ１０Ｄと導波部とを圧力隔壁しつつマイクロ波を透過するマイクロ波導入窓３０Ａ（図１，２参照）と、複数のマイクロ波導入ポート２０，２０，…に接続された導波部４０Ａ（図１，２参照）と、導波部４０Ａに接続されたマイクロ波発振源５０（図１，２参照）と、を備えていてもよい。
【0078】
更に、ワークＷは、チャンバ１０Ａの底壁及び上壁の双方に設置されているが、これに限らず、チャンバ１０Ａの底壁及び上壁のうちのいずれかに設置されてもよい。
【符号の説明】
【0079】
１ マイクロ波プラズマＣＶＤ装置
１０Ａ チャンバ
１０Ｂ チャンバ
１０Ｃ チャンバ
１０Ｄ チャンバ
１０Ｅ チャンバ
１０Ｆ チャンバ
１０Ｇ チャンバ
１１ 底壁
１２ 側壁
１３ 同軸開口部
２０ マイクロ波導入ポート
３０Ａ マイクロ波導入窓
３０Ｂ マイクロ波導入窓
３０Ｃ マイクロ波導入窓
４０Ａ 導波部
４０Ｂ 導波部
４１ マイクロ波モード変換器
５０ マイクロ波発振源
６０ 原料ガス導入部
７０ ガス排出部
８０Ａ 同軸構造部
８０Ｂ 同軸構造部
８０Ｃ 同軸構造部
８０Ｄ 同軸構造部
８０Ｅ 同軸構造部
８０Ｆ 同軸構造部
８０Ｇ 同軸構造部
８１ 中心導体
８２ 外部導体
９０ サーキュレータ
９１ 第１ポート
９２ 第２ポート
９３ 第３ポート
１００ Ｅ－Ｈチューナ
１０１ Ｅチューナ部
１０２ Ｈチューナ部
１１０Ａ 載置台
１１０Ｂ 載置台
１１０Ｃ 載置台
１１０Ｄ 載置台
１１０Ｅ 載置台
１１０Ｆ 載置台
１１０Ｇ 載置台
４１１ 導波管
４１１ａ 一端部
４１１ｂ 他端部
４１２ 共振器
４１２Ａ 外周側壁
４１２Ｂ 内周側壁
４１２Ｃ マイクロ波導入ポート
４１３ 同軸構造部
４１３Ａ 外周側壁
４１３Ｂ 内周側壁
１０Ａ チャンバ
１０Ｂ チャンバ
１０Ｃ チャンバ
１０Ｄ チャンバ
１０Ｅ チャンバ
１０Ｆ チャンバ
１０Ｇ チャンバ
１１ 底壁
１２ 側壁
１３ 同軸開口部
２０ マイクロ波導入ポート
３０Ａ マイクロ波導入窓
３０Ｂ マイクロ波導入窓
３０Ｃ マイクロ波導入窓
４０Ａ 導波部
４０Ｂ 導波部
４１ マイクロ波モード変換器
５０ マイクロ波発振源
６０ 原料ガス導入部
７０ ガス排出部
８０Ａ 同軸構造部
８０Ｂ 同軸構造部
８０Ｃ 同軸構造部
８０Ｄ 同軸構造部
８０Ｅ 同軸構造部
８０Ｆ 同軸構造部
８０Ｇ 同軸構造部
８１ 中心導体
８２ 外部導体
９０ サーキュレータ
９１ 第１ポート
９２ 第２ポート
９３ 第３ポート
１００ Ｅ－Ｈチューナ
１０１ Ｅチューナ部
１０２ Ｈチューナ部
１１０Ａ 載置台
１１０Ｂ 載置台
１１０Ｃ 載置台
１１０Ｄ 載置台
１１０Ｅ 載置台
１１０Ｆ 載置台
１１０Ｇ 載置台
４１１ 導波管
４１１ａ 一端部
４１１ｂ 他端部
４１２ 共振器
４１２Ａ 外周側壁
４１２Ｂ 内周側壁
４１２Ｃ マイクロ波導入ポート
４１３ 同軸構造部
４１３Ａ 外周側壁
４１３Ｂ 内周側壁
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
