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(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】P2024109804
(43)【公開日】2024-08-14
(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 20060101AFI20240806BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240806BHJP
H01L 21/314 20060101ALI20240806BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20240806BHJP
【ＦＩ】
C23C16/511
H01L21/205
H01L21/314 A
H05H1/46 B
H05H1/46 R
【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 2024083824
(22)【出願日】2024-05-23
(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】 （修正有）
【課題】従来のマイクロ波高密度プラズマＣＶＤによるダイヤモンド合成装置は、反応容器に定在波が発生し、プラズマの均一性は波長の略１／８以下であるため、４インチ級大面積基板への対応が困難である。従来の定在波重畳方式による装置は、２出力位相可変のマイクロ波電源の製造が困難でコストが高く、且つダイヤモンド形成に必須の高圧力条件への適用が困難である。これらを解決可能なマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、ダブルリッジ型導波管から成る反応室の両端部それぞれに設けられた第１及び第２のアンテナから第１及び第２のマイクロ波が時間的に交互に供給され、それぞれの進行波と反射により腹の位置が波長の１／４離れた第１の定在波及び第２の定在波を形成させる。略（１／２波長）ｘ（１～２波長）の面積に均一なプラズマを形成することが可能である。
【選択図】図２
【解決手段】定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、ダブルリッジ型導波管から成る反応室の両端部それぞれに設けられた第１及び第２のアンテナから第１及び第２のマイクロ波が時間的に交互に供給され、それぞれの進行波と反射により腹の位置が波長の１／４離れた第１の定在波及び第２の定在波を形成させる。略（１／２波長）ｘ（１～２波長）の面積に均一なプラズマを形成することが可能である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
基板が載置される第１のリッジ電極と前記第１のリッジ電極に対向して配置される第２のリッジ電極からなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段を有する反応室と、前記反応室の長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁を有する第１の側室と、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁を有する第２の側室と、を備える反応容器と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源と、前記第１のマイクロ波電源に接続され、前記第１のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器と、前記第１の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路と、前記第１の側室に配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路に接続された第１のアンテナからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源と、前記第２のマイクロ波電源に接続され、前記第２のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器と、前記第２の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路と、前記第２の側室に配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路に接続された第２のアンテナからなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源が前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源が前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置と、を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
基板が載置される第１のリッジ電極と前記第１のリッジ電極に対向して配置される第２のリッジ電極からなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段を有する反応室と、前記反応室の長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁を有する第１の側室と、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁を有する第２の側室と、を備える反応容器と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源と、前記第１のマイクロ波電源に接続され、前記第１のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器と、前記第１の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路と、前記第１の側室に配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路に接続された第１のアンテナからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源と、前記第２のマイクロ波電源に接続され、前記第２のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器と、前記第２の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路と、前記第２の側室に配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路に接続された第２のアンテナからなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源が前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源が前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置と、を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項2】
前記第１のアンテナと前記第１の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され、
前記第２のアンテナと前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、
前記第１の反射壁と前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎとして、λ／４＋ｎλ／２に設定されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
前記第２のアンテナと前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、
前記第１の反射壁と前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎとして、λ／４＋ｎλ／２に設定されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項3】
前記第１の電源系は、前記第１の整合器と前記第１の同軸線路の間に第１の同軸導波管変換器を備え、前記第２の電源系は、前記第２の整合器と前記第２の同軸線路の間に第２の同軸導波管変換器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項4】
前記第１の側室と前記第２の側室は、ダブルリッジ型導波管の構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項5】
前記第１の側室と前記第２の側室は、方形導波管の構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項6】
前記第１のリッジ電極は前記基板と接する基板接触領域を有し、前記基板接触領域がモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成され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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項7】
前記原料ガスは、少なくともメタンと水素を含み、前記基板の温度を７００℃～１，０００℃に設定し、前記基板の表面にダイヤモンドを合成す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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。
【請求項8】
前記原料ガスは、少なくともシランと水素を含み、前記基板の温度を１００℃～５００℃に設定し、前記基板の表面にシリコン系薄膜を形成す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。特に、ダブルリッジ型導波管の構造を有する反応室を用いた定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ダイヤモンド半導体が注目されている。ダイヤモンド半導体は、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、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、その実用化が期待されている。そして、パワー半導体デバイス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、研究開発が進められている。
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としては、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法が用いられている。また、次のことが知られている。即ち、マイクロ波プラズマ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としては、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法が用いられている。また、次のことが知られている。即ち、マイクロ波プラズマ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。ダイヤモンド結晶の成長速度は、一般的に１～１０μｍ／ｈ程度であることが知られている。
【0004】
マイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド合成用装置に関する代表的特許技術として、アンテナ電極を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド合成用装置、例えば、特許文献１ないし特許文献４に記載された装置が挙げられる。
特許文献１には、導電性材料で形成された真空室と、該真空室内側の上壁面に固定され、貫通孔を有し、導電性材料で形成された第１アンテナと、該第１アンテナに対向して配置され、基板を搭載可能なステージとを備え、前記貫通孔の一端が前記真空室の外部に接続され、前記貫通孔の他端が、前記第１アンテナの前記ステージに対向する面に位置し、プラズマ用の原料ガスが、前記貫通孔の前記一端から前記他端を通って前記第１アンテナおよび前記ステージの間隙に供給され、前記ステージの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第１の空間、または、前記第１アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第２の空間のいずれかを導波路として、マイクロ波が、前記原料ガスとは異なる経路で前記真空室の外部から供給され、前記第１アンテナおよび前記ステージの前記間隙にプラズマを発生させ、前記プラズマが、前記第１アンテナと前記ステージとの間隔が前記マイクロ波の自由空間波長の１／１０以下、前記第１アンテナの外径が前記マイクロ波の自由空間の半波長以上である扁平なプラズマであり、前記貫通孔を介して、前記ステージに搭載された基板の表面を観察可能であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置、が開示されている。
特許文献２には、少なくとも、マイクロ波を導入するための開口部を持つ真空槽と、該開口部にマイクロ波を誘導するための導波管と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための誘電体窓と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための先端に電極部が形成されたアンテナ部と、該真空槽内に基材を支持するための基材支持台とを有し、該真空槽内面と電極部とで該誘電体窓を狭持したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、該誘電体窓が隠蔽されるように該電極部端面が誘電体窓端面よりも幅広く形成されており、且つ、該電極部の真空槽中心側の面の中央部に凹部が形成されており、該凹部の真空槽中心側の面における差し渡し幅は導入されるマイクロ波の１／３～５／３波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さは使用するマイクロ波の１／２０～３／５波長の範囲内であることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置、が開示されている。
特許文献１には、導電性材料で形成された真空室と、該真空室内側の上壁面に固定され、貫通孔を有し、導電性材料で形成された第１アンテナと、該第１アンテナに対向して配置され、基板を搭載可能なステージとを備え、前記貫通孔の一端が前記真空室の外部に接続され、前記貫通孔の他端が、前記第１アンテナの前記ステージに対向する面に位置し、プラズマ用の原料ガスが、前記貫通孔の前記一端から前記他端を通って前記第１アンテナおよび前記ステージの間隙に供給され、前記ステージの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第１の空間、または、前記第１アンテナの外側壁および前記真空室の内側壁の間に形成される第２の空間のいずれかを導波路として、マイクロ波が、前記原料ガスとは異なる経路で前記真空室の外部から供給され、前記第１アンテナおよび前記ステージの前記間隙にプラズマを発生させ、前記プラズマが、前記第１アンテナと前記ステージとの間隔が前記マイクロ波の自由空間波長の１／１０以下、前記第１アンテナの外径が前記マイクロ波の自由空間の半波長以上である扁平なプラズマであり、前記貫通孔を介して、前記ステージに搭載された基板の表面を観察可能であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置、が開示されている。
特許文献２には、少なくとも、マイクロ波を導入するための開口部を持つ真空槽と、該開口部にマイクロ波を誘導するための導波管と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための誘電体窓と、該真空槽内にマイクロ波を導入するための先端に電極部が形成されたアンテナ部と、該真空槽内に基材を支持するための基材支持台とを有し、該真空槽内面と電極部とで該誘電体窓を狭持したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、該誘電体窓が隠蔽されるように該電極部端面が誘電体窓端面よりも幅広く形成されており、且つ、該電極部の真空槽中心側の面の中央部に凹部が形成されており、該凹部の真空槽中心側の面における差し渡し幅は導入されるマイクロ波の１／３～５／３波長の範囲内で、真空槽中心側の面から凹部最深部までの深さは使用するマイクロ波の１／２０～３／５波長の範囲内であることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置、が開示されている。
【0005】
特許文献３には、ダイヤモンド基板の表面に単結晶ダイヤモンドの薄膜を形成するダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置であって、球状に形成された放電室と、この放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナと、この同軸アンテナの先端に設けられた載置部材とを備え、この載置部材又はこの載置部材上に置かれた前記ダイヤモンド基板が、前記放電室の中心に位置し、前記載置部材から放射されたマイクロ波が前記放電室の内面で反射して前記放電室の中心部に戻るとともに、当該放電室の中心部で前記マイクロ波の振幅が最大になることを特徴とするダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、が開示されている。
特許文献４には、 基板の表面にダイヤモンド膜を形成するダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置であって、扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面とで構成された放電室と、前記下半球面を貫通して前記放電室の中心軸線に沿って延在し、前記放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナ部材と、前記放電室内で、前記同軸アンテナ部材の先端部に取り付けられ、前記放電室の最大直径面に沿って前記中心軸線と同心に拡がった円盤状の共振アンテナと、円形外周を有し、前記共振アンテナの上面の中央に前記中心軸線と同心に配置された、前記基板が載置される載置台と、を備えることを特徴とする、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、が開示されている。
特許文献４には、 基板の表面にダイヤモンド膜を形成するダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置であって、扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面とで構成された放電室と、前記下半球面を貫通して前記放電室の中心軸線に沿って延在し、前記放電室の内部へマイクロ波を供給する同軸アンテナ部材と、前記放電室内で、前記同軸アンテナ部材の先端部に取り付けられ、前記放電室の最大直径面に沿って前記中心軸線と同心に拡がった円盤状の共振アンテナと、円形外周を有し、前記共振アンテナの上面の中央に前記中心軸線と同心に配置された、前記基板が載置される載置台と、を備えることを特徴とする、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、が開示されている。
【0006】
他方、数ｋＰａ～１０ｋＰａ級の高圧条件での応用が可能で、且つ大面積基板への応用が可能なダブルリッジ型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置が、例えば、特許文献５に公開されている。
特許文献５には、互いに対向して配置され、間にプラズマ処理が施される基板が配置される放電用のリッジ部であるリッジ電極を有するリッジ導波管からなる放電室と、 高周波電力を前記放電室に供給する電源と、内部導体および外部導体からなり、前記電源から前記放電室へ前記高周波電力を導く同軸線路と、リッジ部を有するリッジ導波管からなり、前記放電室が延びる方向に隣接して配置され、前記同軸線路から前記放電室へ前記高周波電力を導く変換部と、が設けられ、前記リッジ部の一方は、前記内部導体と電気的に接続され、前記リッジ部の他方は、前記外部導体と電気的に接続されていることを特徴とする真空処理装置、が開示されている。
ダブルリッジ型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置は、例えば、非特許文献３に記載されているように、該ダブルリッジ型電極のリッジ部の幅方向においてほぼ均一な分布の電界が発生し、該ダブルリッジ型電極の長さ方向においては、定在波の発生による不均一電界が発生するという、特徴があることが知られている。
特許文献５には、互いに対向して配置され、間にプラズマ処理が施される基板が配置される放電用のリッジ部であるリッジ電極を有するリッジ導波管からなる放電室と、 高周波電力を前記放電室に供給する電源と、内部導体および外部導体からなり、前記電源から前記放電室へ前記高周波電力を導く同軸線路と、リッジ部を有するリッジ導波管からなり、前記放電室が延びる方向に隣接して配置され、前記同軸線路から前記放電室へ前記高周波電力を導く変換部と、が設けられ、前記リッジ部の一方は、前記内部導体と電気的に接続され、前記リッジ部の他方は、前記外部導体と電気的に接続されていることを特徴とする真空処理装置、が開示されている。
ダブルリッジ型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置は、例えば、非特許文献３に記載されているように、該ダブルリッジ型電極のリッジ部の幅方向においてほぼ均一な分布の電界が発生し、該ダブルリッジ型電極の長さ方向においては、定在波の発生による不均一電界が発生するという、特徴があることが知られている。
【0007】
また、微結晶シリコン膜形成のためのＶＨＦプラズマＣＶＤ装置の分野では、例えば、非特許文献４に記載されているように、腹の位置が異なる２つの定在波を時間的に分離して交互に発生させることにより、該定在波の影響を抑制するという定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置が知られている。
定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置では、第１電力と第２電力から成る２出力位相可変の電源を用い、一対の長尺型平行平板電極の互いに対向する２つの短辺に給電点を設け、該給電点から互いに対向して伝播する前記第１及び第２の電力を供給する。前記第１及び第２の電力の前記対向する２つの給電点における位相を同相とした同相状態にある第１の時間帯と該位相が逆相である逆相状態にある第２の時間帯に分け、時間的に交互に供給する。そうすると、一方の時間帯において定在波の電界強度分布が、ｘを前記一対の長尺型平行平板電極の中心からの電力伝播方向の距離、λを供給される電力の波長とすると、ｃｏｓ２(２πｘ／λ）になり、他方の時間帯において定在波の電界強度分布がｓｉｎ２(２πｘ／λ）になる。即ち、定在波重畳方式を用いたプラズマＣＶＤ装置は、一対の平行平板電極で形成される電界の強度分布が、次式で示されるように、一定となる。
ｃｏｓ２(２πｘ／λ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ）＝１ ・・・（１）
その結果、重畳された２つの定在波の時間的平均値は一定になり、大面積均一の製膜が可能となる。しかしながら、位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、その応用は限定されている。
定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置では、第１電力と第２電力から成る２出力位相可変の電源を用い、一対の長尺型平行平板電極の互いに対向する２つの短辺に給電点を設け、該給電点から互いに対向して伝播する前記第１及び第２の電力を供給する。前記第１及び第２の電力の前記対向する２つの給電点における位相を同相とした同相状態にある第１の時間帯と該位相が逆相である逆相状態にある第２の時間帯に分け、時間的に交互に供給する。そうすると、一方の時間帯において定在波の電界強度分布が、ｘを前記一対の長尺型平行平板電極の中心からの電力伝播方向の距離、λを供給される電力の波長とすると、ｃｏｓ２(２πｘ／λ）になり、他方の時間帯において定在波の電界強度分布がｓｉｎ２(２πｘ／λ）になる。即ち、定在波重畳方式を用いたプラズマＣＶＤ装置は、一対の平行平板電極で形成される電界の強度分布が、次式で示されるように、一定となる。
ｃｏｓ２(２πｘ／λ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ）＝１ ・・・（１）
その結果、重畳された２つの定在波の時間的平均値は一定になり、大面積均一の製膜が可能となる。しかしながら、位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、その応用は限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許５０７１９２７
【特許文献2】特許５１４２０７４
【特許文献3】特許４６４９１５３
【特許文献4】特許７３０４２８０
【特許文献5】特許５１９９９６２
【0009】
【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】K. Ogiwara, Y. Takeuchi , K. Uchino and Y. Kawai, New large-area plasma source using double-ridge waveguide, Proceedings of 2017 International Symposium on Dry Process(2017), 115-116
【非特許文献4】H.Kaneko, A.Kodera, Y.Soejima, S.Tsuji, M.Murata, Production of VHF excited H2 Plasma by New Method of Superposing the Standing Waves, Plasma Processes and Polymers, 2009, 6, S269-S272
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置のダイヤモンド形成への応用分野では、４～５インチ級基板への対応が可能な、大面積のダイヤモンド形成装置が求められている。しかしながら、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、以下に説明するように、上記ニーズに対応できないという問題がある。
例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、アンテナ電極と基板載置台に挟まれる領域をプラズマ生成室とし、該プラズマ生成室へマイクロ波電力を供給しプラズマを生成する。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置では、前記プラズマ生成室へマイクロ波を供給するマイクロ波電力供給路に起因すると考えられる多大の電力損失が発生し、前記プラズマ生成室での高密度プラズマの生成が困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献３に記載の装置は、球状に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することにより、ダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献４に記載の装置は、扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することによりダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献５に記載の装置は、互いに対向して配置されるリッジ電極から成るリッジ導波管を放電室とし、該放電室の前記リッジ電極の長さ方向の一方の端部からマイクロ波を供給し、該マイクロ波と前記リッジ電極の長さ方向の他方の端部に設けられた位相調整器より反射する反射波を重畳させて定在波を形成する。この定在波は、前記リッジ電極の長さ方向の前記放電室の中心から前記長さ方向へ延びる距離をｘ、前記マイクロ波の波長をλとすると、ｃｏｓ２(２πｘ／λ）で表される。それ故、プラズマＣＶＤへの応用において求められるプラズマの均一性を±１０％とすると、プラズマが均一である範囲は、前記リッジ電極の長さ方向で見て、略λ／８に限定される。即ち、特許文献５に記載の装置は定在波の発生により、均一な製膜ができないという、問題がある。
また、例えば、非特許文献４に記載の定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置は、２出力位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、マイクロ波プラズマＣＶＤへの応用は困難視されている。
本発明は、上記従来装置が抱える問題を解決可能なダイヤモンド合成のための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。即ち、４～５インチ級の大面積基板を対象にして、高密度で、且つ均一なプラズマを生成可能な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。
例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、アンテナ電極と基板載置台に挟まれる領域をプラズマ生成室とし、該プラズマ生成室へマイクロ波電力を供給しプラズマを生成する。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置では、前記プラズマ生成室へマイクロ波を供給するマイクロ波電力供給路に起因すると考えられる多大の電力損失が発生し、前記プラズマ生成室での高密度プラズマの生成が困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献３に記載の装置は、球状に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することにより、ダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献４に記載の装置は、扁平なドーム形状を有する上半球面と扁平なドーム形状を有する下半球面に形成された放電室と該放電室の中心部に配置された同軸アンテナから該放電室にマイクロ波を放射し、該マイクロ波の空洞共振を発生させて高密度プラズマを形成することによりダイヤモンドを高速合成するという特徴を有する。しかしながら、マイクロ波の空洞共振方式であることから定在波発生によるプラズマの不均一化により４～５インチ級の大面積ダイヤモンド合成は困難であるという、問題がある。
また、例えば、特許文献５に記載の装置は、互いに対向して配置されるリッジ電極から成るリッジ導波管を放電室とし、該放電室の前記リッジ電極の長さ方向の一方の端部からマイクロ波を供給し、該マイクロ波と前記リッジ電極の長さ方向の他方の端部に設けられた位相調整器より反射する反射波を重畳させて定在波を形成する。この定在波は、前記リッジ電極の長さ方向の前記放電室の中心から前記長さ方向へ延びる距離をｘ、前記マイクロ波の波長をλとすると、ｃｏｓ２(２πｘ／λ）で表される。それ故、プラズマＣＶＤへの応用において求められるプラズマの均一性を±１０％とすると、プラズマが均一である範囲は、前記リッジ電極の長さ方向で見て、略λ／８に限定される。即ち、特許文献５に記載の装置は定在波の発生により、均一な製膜ができないという、問題がある。
また、例えば、非特許文献４に記載の定在波重畳方式によるプラズマＣＶＤ装置は、２出力位相可変の電源あるいはコンピュータ制御の電源が必須であり、マイクロ波プラズマＣＶＤへの応用は困難視されている。
本発明は、上記従来装置が抱える問題を解決可能なダイヤモンド合成のための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。即ち、４～５インチ級の大面積基板を対象にして、高密度で、且つ均一なプラズマを生成可能な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】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、定在波重畳方式によるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であって、
基板が載置される第１のリッジ電極と前記第１のリッジ電極に対向して配置される第２のリッジ電極からなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段を有する反応室と、前記反応室の長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁を有する第１の側室と、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁を有する第２の側室と、を備える反応容器と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源と、前記第１のマイクロ波電源に接続され、前記第１のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器と、前記第１の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路と、前記第１の側室に配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路に接続された第１のアンテナからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源と、前記第２のマイクロ波電源に接続され、前記第２のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器と、前記第２の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路と、前記第２の側室に配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路に接続された第２のアンテナからなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源が前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源が前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置と、を備えることを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記第１のアンテナと前記第１の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され、
前記第２のアンテナと前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、
前記第１の反射壁と前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎとして、λ／４＋ｎλ／２に設定されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記第１の電源系は、前記第１の整合器と前記第１の同軸線路の間に第１の同軸導波管変換器を備え、前記第２の電源系は、前記第２の整合器と前記第２の同軸線路の間に第２の同軸導波管変換器を備えたことを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の側室と前記第２の側室は、ダブルリッジ型導波管の構造を有することを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の側室と前記第２の側室は、方形導波管の構造を有す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において、前記第１のリッジ電極は前記基板と接する基板接触領域を有し、前記基板接触領域がモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成され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において、前記原料ガスは、少なくともメタンと水素を含み、前記基板の温度を７００℃～１，０００℃に設定し、前記基板の表面にダイヤモンドを合成することを特徴とする。
第８の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つにおいて、前記原料ガスは、少なくともシランと水素を含み、前記基板の温度を１００℃～５００℃に設定し、前記基板の表面にシリコン系薄膜を形成することを特徴とする。
基板が載置される第１のリッジ電極と前記第１のリッジ電極に対向して配置される第２のリッジ電極からなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段を有する反応室と、前記反応室の長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁を有する第１の側室と、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁を有する第２の側室と、を備える反応容器と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源と、前記第１のマイクロ波電源に接続され、前記第１のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器と、前記第１の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路と、前記第１の側室に配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路に接続された第１のアンテナからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源と、前記第２のマイクロ波電源に接続され、前記第２のマイクロ波電源と負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器と、前記第２の整合器に接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路と、前記第２の側室に配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路に接続された第２のアンテナからなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源が前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源が前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置と、を備えることを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記第１のアンテナと前記第１の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され、
前記第２のアンテナと前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、
前記第１の反射壁と前記第２の反射壁の間隔は、前記反応容器の内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎとして、λ／４＋ｎλ／２に設定されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記第１の電源系は、前記第１の整合器と前記第１の同軸線路の間に第１の同軸導波管変換器を備え、前記第２の電源系は、前記第２の整合器と前記第２の同軸線路の間に第２の同軸導波管変換器を備えたことを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の側室と前記第２の側室は、ダブルリッジ型導波管の構造を有することを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の側室と前記第２の側室は、方形導波管の構造を有す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において、前記第１のリッジ電極は前記基板と接する基板接触領域を有し、前記基板接触領域がモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成され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において、前記原料ガスは、少なくともメタンと水素を含み、前記基板の温度を７００℃～１，０００℃に設定し、前記基板の表面にダイヤモンドを合成することを特徴とする。
第８の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つにおいて、前記原料ガスは、少なくともシランと水素を含み、前記基板の温度を１００℃～５００℃に設定し、前記基板の表面にシリコン系薄膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、上記従来装置が抱える問題を解決可能なという効果を奏する。
即ち、本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、ダブルリッジ型導波管の構造を備える反応室に、電力供給タミング制御装置で制御された第１の時間帯に、第１のマイクロ波電源と第１の整合器と第１の同軸線路と第１のアンテナを用いて第１のマイクロ波を供給してその進行波と該進行波の第２の反射壁からの反射波により第１の定在波を発生さ、該定在波の位相を前記第１の整合器により調整するとともに、前記電力供給タミング制御装置で制御された前記第１の時間帯と異なる第２の時間帯に、第２のマイクロ波電源と第２の整合器と第２の同軸線路と第２のアンテナを用いて第２のマイクロ波を供給してその進行波と該進行波の第１の反射壁からの反射波により第２の定在波を発生さ、前記第２の整合器により前記第１の定在波の腹と前記第２の定在波の腹の間隔を波長の１／４に調整することにより、前記反応容器内部の電界の強さの分布を均一化することが可能となり、マイクロ波プラズマＣＶＤによる大面積均一の製膜が可能という効果を奏する。
本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置のダイヤモンド合成及び微結晶シリコン等への応用分野での経済的効果は著しく大きいものがある。
即ち、本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、ダブルリッジ型導波管の構造を備える反応室に、電力供給タミング制御装置で制御された第１の時間帯に、第１のマイクロ波電源と第１の整合器と第１の同軸線路と第１のアンテナを用いて第１のマイクロ波を供給してその進行波と該進行波の第２の反射壁からの反射波により第１の定在波を発生さ、該定在波の位相を前記第１の整合器により調整するとともに、前記電力供給タミング制御装置で制御された前記第１の時間帯と異なる第２の時間帯に、第２のマイクロ波電源と第２の整合器と第２の同軸線路と第２のアンテナを用いて第２のマイクロ波を供給してその進行波と該進行波の第１の反射壁からの反射波により第２の定在波を発生さ、前記第２の整合器により前記第１の定在波の腹と前記第２の定在波の腹の間隔を波長の１／４に調整することにより、前記反応容器内部の電界の強さの分布を均一化することが可能となり、マイクロ波プラズマＣＶＤによる大面積均一の製膜が可能という効果を奏する。
本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置のダイヤモンド合成及び微結晶シリコン等への応用分野での経済的効果は著しく大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１～図９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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的外観図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室、第１の側室及び第２の側室を構成するダブルリッジ導波管を示す模式図である。図４は、ダブルリッジ導波管のリッジ部に発生する電界分布を示す模式図である。（ａ）リッジ電極の幅方向の電気力線図、（ｂ）リッジ電極の幅方向の電界分布のグラフである。図５は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室の構成を示す模式的断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の第１のマイクロ波の発生時間帯と第２のマイクロ波の発生時間帯を示すタイムチャートである。図７は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の第１の側室の構成を示す模式的断面斜視図である。
図８は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器に発生する第１の定在波を示す模式図である。図９は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器に発生する第２の定在波を示す模式図である。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１～図９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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的外観図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室、第１の側室及び第２の側室を構成するダブルリッジ導波管を示す模式図である。図４は、ダブルリッジ導波管のリッジ部に発生する電界分布を示す模式図である。（ａ）リッジ電極の幅方向の電気力線図、（ｂ）リッジ電極の幅方向の電界分布のグラフである。図５は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応室の構成を示す模式的断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の第１のマイクロ波の発生時間帯と第２のマイクロ波の発生時間帯を示すタイムチャートである。図７は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の第１の側室の構成を示す模式的断面斜視図である。
図８は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器に発生する第１の定在波を示す模式図である。図９は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器に発生する第２の定在波を示す模式図である。
【0016】
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、図１～図７に示されるように、
基板１１が載置される第１のリッジ電極１２ａと前記第１のリッジ電極１２ａに対向して配置される第２のリッジ電極１２ｂからなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段９と排気手段１５ａ、１５ｂと前記基板１１の温度を調整する基板温度調整手段１０を有する反応室１ａと、
前記反応室１ａの長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁７ａｃを有する第１の側室７ａと、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁７ｂｃを有する第２の側室７ｂと、を備える反応容器１と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源２ａと、前記第１のマイクロ波電源２ａに接続され、前記第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器３ａと、前記第１の整合器３ａに接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路５ａと、前記第１の側室７ａに配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路５ａに接続された第１のアンテナ６ａからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源２ｂと、前記第２のマイクロ波電源２ｂに接続され、前記第２のマイクロ波電源２ｂと負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器３ｂと、前記第２の整合器３ｂに接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路５ｂと、前記第２の側室７ｂに配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路５ｂに接続された第２のアンテナか６ｂらなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源２ａが前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源２ｂが前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置４と、を備えている。
前記第１のアンテナ６ａと前記第１の反射壁７ａｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され、前記第２のアンテナ６ｂと前記第２の反射壁ｂｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、前記第１の反射壁７ａｃと前記第２の反射壁７ｂｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２に設定される。
ただし、前記反応容器内部を伝播する第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。また、第２のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第２のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
第１の側室７ａと反応室１ａと第２の側室７ｂはこの順に連通して接続され、反応容器１を形成する。反応容器１の長さは、前記第１の反射壁７ａｃと前記第２の反射壁７ｂｃの間隔であり、空洞共振器を形成する。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、前記第１のアンテナ６ａから放射された前記第１のマイクロ波の進行波と、前記第２の側室７ｂの第２の反射壁７ｂｃで反射する前記第１のマイクロ波の反射波とにより第１の定在波を発生させ、
前記第２のアンテナ６ｂから放射された前記第２のマイクロ波の進行波と、前記第１の側室７ａの第１の反射壁７ａｃで反射する前記第２のマイクロ波の反射波とにより第２の定在波を発生させるとともに、
前記第１の定在波の腹と前記第２の定在波の腹の間隔が、前記第１のマイクロ波の波長の１／４になるように、前記第１の定在波の位相を前記第１の整合器３ａにより調整し、且つ前記第２の定在波の位相を前記第２の整合器３ｂにより調整して、前記反応容器の中央領域に均一なプラズマを生成することを特徴とする。
基板１１が載置される第１のリッジ電極１２ａと前記第１のリッジ電極１２ａに対向して配置される第２のリッジ電極１２ｂからなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段９と排気手段１５ａ、１５ｂと前記基板１１の温度を調整する基板温度調整手段１０を有する反応室１ａと、
前記反応室１ａの長さ方向の一方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第１の反射壁７ａｃを有する第１の側室７ａと、前記反応室の長さ方向の他方の端部に連通して接続されるとともに、マイクロ波を反射する第２の反射壁７ｂｃを有する第２の側室７ｂと、を備える反応容器１と、
第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源２ａと、前記第１のマイクロ波電源２ａに接続され、前記第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器３ａと、前記第１の整合器３ａに接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路５ａと、前記第１の側室７ａに配置され、前記第１のマイクロ波を放射する前記第１の同軸線路５ａに接続された第１のアンテナ６ａからなる第１の電源系と、
前記第１のマイクロ波と同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源２ｂと、前記第２のマイクロ波電源２ｂに接続され、前記第２のマイクロ波電源２ｂと負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器３ｂと、前記第２の整合器３ｂに接続され、内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路５ｂと、前記第２の側室７ｂに配置され、前記第２のマイクロ波を放射する前記第２の同軸線路５ｂに接続された第２のアンテナか６ｂらなる第２の電源系と、
前記第１のマイクロ波電源２ａが前記第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と前記第２のマイクロ波電源２ｂが前記第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する電力供給タイミング制御装置４と、を備えている。
前記第１のアンテナ６ａと前記第１の反射壁７ａｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され、前記第２のアンテナ６ｂと前記第２の反射壁ｂｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する前記第２のマイクロ波の波長の１／４に設定されるとともに、前記第１の反射壁７ａｃと前記第２の反射壁７ｂｃの間隔は、前記反応容器内部を伝播する第１のマイクロ波の波長をλ、２以上の自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２に設定される。
ただし、前記反応容器内部を伝播する第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。また、第２のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第２のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
第１の側室７ａと反応室１ａと第２の側室７ｂはこの順に連通して接続され、反応容器１を形成する。反応容器１の長さは、前記第１の反射壁７ａｃと前記第２の反射壁７ｂｃの間隔であり、空洞共振器を形成する。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、前記第１のアンテナ６ａから放射された前記第１のマイクロ波の進行波と、前記第２の側室７ｂの第２の反射壁７ｂｃで反射する前記第１のマイクロ波の反射波とにより第１の定在波を発生させ、
前記第２のアンテナ６ｂから放射された前記第２のマイクロ波の進行波と、前記第１の側室７ａの第１の反射壁７ａｃで反射する前記第２のマイクロ波の反射波とにより第２の定在波を発生させるとともに、
前記第１の定在波の腹と前記第２の定在波の腹の間隔が、前記第１のマイクロ波の波長の１／４になるように、前記第１の定在波の位相を前記第１の整合器３ａにより調整し、且つ前記第２の定在波の位相を前記第２の整合器３ｂにより調整して、前記反応容器の中央領域に均一なプラズマを生成することを特徴とする。
【0017】
反応容器１は、図３に示されるダブルリッジ導波管１３の構造を有する。反応容器１は、図１及び図２に示されるように、後述の反応室１ａと、第１の側室７ａと、第２の側室７ｂを備える。第１の側室７ａと反応室１ａと第２の側室７ｂは、この順に連通して接続される。
ダブルリッジ導波管１３は、図３に示されるように、長辺ａと短辺ｂからなる方形導波管の長辺ａに幅ｃ及び高さｈの第１のリッジ１２ａと第２のリッジ１２ｂが設けられた構造を有する。
ここで、第１のリッジ１２ａを第１のリッジ電極、第２のリッジ１２ｂを第２のリッジ電極と呼ぶ。第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔を、リッジ電極の間隔ｄと呼ぶ。
また、説明の便宜上、図３に示されるように、ダブルリッジ導波管１３の長さ方向をｘ軸、長辺ａの方向（第１及び第２のリッジ電極１２ａ、１２ｂの幅方向）をｙ軸、短辺ｂ（第１及び第２のリッジ電極１２ａ、１２ｂの高さ）の方向をｚ軸、とする座標系を設ける。
第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間にマイクロ波電圧が印加された場合に発生する電界分布は、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）の電界分布は一様になる特性があることが、知られている。なお、図４（ａ）は電気力線を示す模式図、図４（ｂ）は電界分布を示す模式図である。
ダブルリッジ導波管１３は、例えば、非特許文献３に記載されているように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）の電界分布が一様になる、という特性を有する。
ダブルリッジ導波管１３は、図３に示されるように、長辺ａと短辺ｂからなる方形導波管の長辺ａに幅ｃ及び高さｈの第１のリッジ１２ａと第２のリッジ１２ｂが設けられた構造を有する。
ここで、第１のリッジ１２ａを第１のリッジ電極、第２のリッジ１２ｂを第２のリッジ電極と呼ぶ。第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔を、リッジ電極の間隔ｄと呼ぶ。
また、説明の便宜上、図３に示されるように、ダブルリッジ導波管１３の長さ方向をｘ軸、長辺ａの方向（第１及び第２のリッジ電極１２ａ、１２ｂの幅方向）をｙ軸、短辺ｂ（第１及び第２のリッジ電極１２ａ、１２ｂの高さ）の方向をｚ軸、とする座標系を設ける。
第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間にマイクロ波電圧が印加された場合に発生する電界分布は、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）の電界分布は一様になる特性があることが、知られている。なお、図４（ａ）は電気力線を示す模式図、図４（ｂ）は電界分布を示す模式図である。
ダブルリッジ導波管１３は、例えば、非特許文献３に記載されているように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）の電界分布が一様になる、という特性を有する。
【0018】
反応室１ａは、図２及び図５に示されるように、基板１１が載置される第１のリッジ電極１２ａと、該リッジ電極１２ａに対向して配置される第２のリッジ電極１２ｂからなる一対のリッジ電極と、前記第１のリッジ電極１２ａに密接して設けられた基板温度調整手段１０と、前記第２のリッジ電極１２ｂに密接して設けられた原料ガス導入手段９と、図示しない真空ポンプに連通した排気口１５ａ、１５ｂと、観測窓１７と、基板搬入搬出通路１６ａと、を備える。
反応室１ａの材料は、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金あるいはＳＵＳが用いられる。また、反応室１ａは、該反応室１ａの温度が高温化しないように、図示しない冷却管が敷設される。
反応室１ａは、図２及び図５に示される第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂを一対の電極とし、該一対の電極の間に後述の第１のマイクロ波と後述の第２のマイクロ波を印加することによりプラズマが生成される。
反応室１ａの寸法は、後述の第１のマイクロ波電源２ａが発生する第１のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長の略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、後述するように、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ＝３～１０ｍｍとする。また、反応室１ａの長さ（ｘ方向の長さ）、即ち第１の反射壁７ａｃと第２の反射壁７ｂｃの間隔は波長を考慮して決められ、後述するように、前記第１のマイクロ波の波長λとするとき、ｎλ／２＋λ／４に設定される。ただし、ｎは２以上の自然数である。
ここでは、ｎ＝４とする。例えば、反応室１ａの長さ（ｘ方向の長さ）は、周波数９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）を用いることから、Ｌ＝７０７ｍｍである。
基板１１を載置する基板接触領域１２ａａを第１のリッジ電極１２ａに設ける。基板１１は、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置される。
基板接触領域１２ａａは、ダイヤモンド合成への応用を可能とするため、高融点金属であるモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成される。なお、第１のリッジ電極１２ａ全体をモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成してもよい。また、反応室１ａの全体をモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成してもよい。これにより、基板１１の設定温度７００～１，０００℃において、基板接触領域１２ａａの機械的強度が確保され、変形が抑制される。さらに、第１のリッジ電極１２ａの大気側に位置する面に熱変形抑制のための補強部材を設けてもよい。
基板１１の温度は、基板接触領域１２ａａに密接して設けられる後述の基板温度調整手段１０により制御される。なお、基板１１の温度は、後述の観測窓１７から図示しない放射温度計により測定される。
基板温度調整手段１０は、第１のリッジ電極１２ａの基板接触領域１２ａａに密接して設けられる。基板温度調整手段１０は図示しないヒータと図示しない冷媒循環手段を備え、第１のリッジ電極１２ａ（基板接触領域１２ａａ）と連携して基板１１の温度を、１００℃～１，１００℃の範囲において任意の温度に制御することができる。
反応室１ａの材料は、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金あるいはＳＵＳが用いられる。また、反応室１ａは、該反応室１ａの温度が高温化しないように、図示しない冷却管が敷設される。
反応室１ａは、図２及び図５に示される第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂを一対の電極とし、該一対の電極の間に後述の第１のマイクロ波と後述の第２のマイクロ波を印加することによりプラズマが生成される。
反応室１ａの寸法は、後述の第１のマイクロ波電源２ａが発生する第１のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長の略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、後述するように、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ＝３～１０ｍｍとする。また、反応室１ａの長さ（ｘ方向の長さ）、即ち第１の反射壁７ａｃと第２の反射壁７ｂｃの間隔は波長を考慮して決められ、後述するように、前記第１のマイクロ波の波長λとするとき、ｎλ／２＋λ／４に設定される。ただし、ｎは２以上の自然数である。
ここでは、ｎ＝４とする。例えば、反応室１ａの長さ（ｘ方向の長さ）は、周波数９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）を用いることから、Ｌ＝７０７ｍｍである。
基板１１を載置する基板接触領域１２ａａを第１のリッジ電極１２ａに設ける。基板１１は、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置される。
基板接触領域１２ａａは、ダイヤモンド合成への応用を可能とするため、高融点金属であるモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成される。なお、第１のリッジ電極１２ａ全体をモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成してもよい。また、反応室１ａの全体をモリブデン（Ｍｏ）又はタンタル（Ｔａ）で形成してもよい。これにより、基板１１の設定温度７００～１，０００℃において、基板接触領域１２ａａの機械的強度が確保され、変形が抑制される。さらに、第１のリッジ電極１２ａの大気側に位置する面に熱変形抑制のための補強部材を設けてもよい。
基板１１の温度は、基板接触領域１２ａａに密接して設けられる後述の基板温度調整手段１０により制御される。なお、基板１１の温度は、後述の観測窓１７から図示しない放射温度計により測定される。
基板温度調整手段１０は、第１のリッジ電極１２ａの基板接触領域１２ａａに密接して設けられる。基板温度調整手段１０は図示しないヒータと図示しない冷媒循環手段を備え、第１のリッジ電極１２ａ（基板接触領域１２ａａ）と連携して基板１１の温度を、１００℃～１，１００℃の範囲において任意の温度に制御することができる。
【0019】
原料ガスは、第２のリッジ電極１２ｂに密接して設けられた原料ガス導入手段９から供給される。
原料ガス導入手段９は、図２及び図５に示されるように、原料ガス導入管９ａとガス分散空洞９ｂとガス噴出孔９ｃで構成される。なお、原料ガス導入管９ａは図示しない原料ガス供給源に接続されている。
ガス噴出孔９ｃは、密接した第２のリッジ電極１２ｂを貫通し、第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間に原料ガスを噴出する。原料ガス導入手段９と第２のリッジ電極１２ｂの間は真空漏れがないように、一体型の構造で形成される。第２のリッジ電極１２ｂと原料ガス導入手段９を分離して製作し、高温用真空ガスケットを介して組み立て合体してもよい。
原料ガス噴出孔９ｃは、直径０．１～１．０ｍｍの多数の孔で形成され、該原料ガス噴出孔１３ｃから噴出される原料ガスが、反応室１の内部に一様に分散する。
排気手段は、排気口１５ａ、１５ｂと図示しない真空ポンプと図示しない圧力制御装置を備えている。排気口１５ａ、１５ｂ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、該圧力を所定の値に保持することが可能である。また、反応容器１の内部を高真空度に真空引きすることが可能である。排気口１５ａ、１５ｂの設置位置は、反応容器１の底面に限定されず、例えば、天面あるいは側面に配置してもよい。また、反応容器１内部を伝播するマイクロ波への影響を抑制するために、小径の穴を多数配置して排気してもよい。
基板搬入搬出通路１６ａは、反応室１ａの側面に配置される。基板搬入搬出通路口１６ａは、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１の搬入搬出に用いられる。なお、基板搬入搬出バルブ１６は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
観測窓１７は、反応室１ａの側面に配置される。観測窓１７から、反応室１ａの内部の状態を観察可能で、且つ図示しない放射温度計と連携して基板１１の表面温度を測定可能である。
原料ガス導入手段９は、図２及び図５に示されるように、原料ガス導入管９ａとガス分散空洞９ｂとガス噴出孔９ｃで構成される。なお、原料ガス導入管９ａは図示しない原料ガス供給源に接続されている。
ガス噴出孔９ｃは、密接した第２のリッジ電極１２ｂを貫通し、第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間に原料ガスを噴出する。原料ガス導入手段９と第２のリッジ電極１２ｂの間は真空漏れがないように、一体型の構造で形成される。第２のリッジ電極１２ｂと原料ガス導入手段９を分離して製作し、高温用真空ガスケットを介して組み立て合体してもよい。
原料ガス噴出孔９ｃは、直径０．１～１．０ｍｍの多数の孔で形成され、該原料ガス噴出孔１３ｃから噴出される原料ガスが、反応室１の内部に一様に分散する。
排気手段は、排気口１５ａ、１５ｂと図示しない真空ポンプと図示しない圧力制御装置を備えている。排気口１５ａ、１５ｂ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、該圧力を所定の値に保持することが可能である。また、反応容器１の内部を高真空度に真空引きすることが可能である。排気口１５ａ、１５ｂの設置位置は、反応容器１の底面に限定されず、例えば、天面あるいは側面に配置してもよい。また、反応容器１内部を伝播するマイクロ波への影響を抑制するために、小径の穴を多数配置して排気してもよい。
基板搬入搬出通路１６ａは、反応室１ａの側面に配置される。基板搬入搬出通路口１６ａは、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１の搬入搬出に用いられる。なお、基板搬入搬出バルブ１６は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
観測窓１７は、反応室１ａの側面に配置される。観測窓１７から、反応室１ａの内部の状態を観察可能で、且つ図示しない放射温度計と連携して基板１１の表面温度を測定可能である。
【0020】
マイクロ波の発生に係わる電気系の装置は、以下に説明するように、第１のマイクロ波を発生し供給する第１電源系統と、第２のマイクロ波を発生し供給する第２電源系統と、電力供給タイミング制御装置４からと構成される。
第１電源系統は、図２に示されるように、第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源２ａと、前記第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器３ａと、前記第１の整合器３ａに接続された内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路５ａと、を備える。
第１のマイクロ波電源２ａは、周波数３００ＭＨｚ～３ＧＨｚの範囲のマイクロ波を発生するマグネトロン型又はソリッドステート型のマイクロ波電源である。ここでは、周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とし、パルス変調方式のソリッドステート型のマイクロ波電源を用いる。ソリッドステート型はマグネトロン型に比べて、周波数が安定しているという特徴がある。
第１のマイクロ波電源２ａは、図６にＶ１で示されるように、周期Ｔ０、パルス幅Ｔｗの形態のパルス変調された第１のマイクロ波を発生し、第１の整合器３ａに送電する。
ここでは、例えば、周期Ｔ０を１ｍ秒とする。パルス変調された第１のマイクロ波のパルス幅Ｔｗと周期Ｔ０との比、即ちデユーテイ比は、４９％以下とし、例えば、４８％とする。デユーテイ比を４９％以下にする理由は、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波を時間的に分離させるためである。なお、第１のマイクロ波で発生するプラズマが残存している状態で、第２のマイクロ波を供給すると、両者が干渉し、プラズマの形態が乱れ、該プラズマの制御が困難となる。
第１のマイクロ波は、後述の電力供給タミング制御装置４により後述の第２のマイクロ波と時間的に分離して発生される。即ち、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。
第１の整合器３ａは、第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合をとり、後述の第１の定在波の位相の調整に用いられる。第１の整合器３ａは、第１のマイクロ波電源２ａから供給された第１のマイクロ波を後述の第１の同軸線路５ａに送電する。
第１の同軸線路５ａは、内部導体と誘電体と外部導体から構成される。第１の同軸線路５ａは、一方の端部が第１の整合器３ａの出力端子に接続され、他方の端部の内部導体と外部導体がそれぞれ、後述の第１の側室７ａの第１のリッジ部７ａａ及び第２のリッジ部７ａｂに接続される。
なお、第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、後述するように、第１のアンテナ６ａとなる。
第１電源系統は、図２に示されるように、第１のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第１のマイクロ波電源２ａと、前記第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第１の整合器３ａと、前記第１の整合器３ａに接続された内部導体と誘電体と外部導体からなる第１の同軸線路５ａと、を備える。
第１のマイクロ波電源２ａは、周波数３００ＭＨｚ～３ＧＨｚの範囲のマイクロ波を発生するマグネトロン型又はソリッドステート型のマイクロ波電源である。ここでは、周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とし、パルス変調方式のソリッドステート型のマイクロ波電源を用いる。ソリッドステート型はマグネトロン型に比べて、周波数が安定しているという特徴がある。
第１のマイクロ波電源２ａは、図６にＶ１で示されるように、周期Ｔ０、パルス幅Ｔｗの形態のパルス変調された第１のマイクロ波を発生し、第１の整合器３ａに送電する。
ここでは、例えば、周期Ｔ０を１ｍ秒とする。パルス変調された第１のマイクロ波のパルス幅Ｔｗと周期Ｔ０との比、即ちデユーテイ比は、４９％以下とし、例えば、４８％とする。デユーテイ比を４９％以下にする理由は、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波を時間的に分離させるためである。なお、第１のマイクロ波で発生するプラズマが残存している状態で、第２のマイクロ波を供給すると、両者が干渉し、プラズマの形態が乱れ、該プラズマの制御が困難となる。
第１のマイクロ波は、後述の電力供給タミング制御装置４により後述の第２のマイクロ波と時間的に分離して発生される。即ち、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。
第１の整合器３ａは、第１のマイクロ波電源２ａと負荷とのインピーダンス整合をとり、後述の第１の定在波の位相の調整に用いられる。第１の整合器３ａは、第１のマイクロ波電源２ａから供給された第１のマイクロ波を後述の第１の同軸線路５ａに送電する。
第１の同軸線路５ａは、内部導体と誘電体と外部導体から構成される。第１の同軸線路５ａは、一方の端部が第１の整合器３ａの出力端子に接続され、他方の端部の内部導体と外部導体がそれぞれ、後述の第１の側室７ａの第１のリッジ部７ａａ及び第２のリッジ部７ａｂに接続される。
なお、第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、後述するように、第１のアンテナ６ａとなる。
【0021】
第２の電源系統は、図２に示されるように、第１のマイクロ波電源２ａと同じ周波数の第２のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生する第２のマイクロ波電源２ｂと、前記第２のマイクロ波電源２ｂと負荷とのインピーダンス整合を調整する第２の整合器３ｂと、前記第２の整合器３ｂに接続された内部導体と誘電体と外部導体からなる第２の同軸線路５ｂと、を備える。
第２のマイクロ波電源２ｂは、第１のマイクロ波電源２ａと同じ周波数の第２のマイクロ波を発生するマグネトロン型又はソリッドステート型のマイクロ波電源である。ここでは、パルス変調方式のソリッドステート型のマイクロ波電源を用いる。
第２のマイクロ波電源２ｂは、図６にＶ２で示されるように、周期Ｔ０、パルス幅Ｔｗの形態を有するパルス変調された第２のマイクロ波を発生し、第２の整合器３ｂに送電する。
ここでは、例えば、周期Ｔ０を１ｍ秒とする。パルス幅Ｔｗと周期Ｔ０との比、即ちデユーテイ比は４０％～４９％の範囲から、例えば、４８％とする。デユーテイ比を４８％に設定することにより、第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。なお、第１のマイクロ波で発生するプラズマが残存している状態で、第２のマイクロ波を供給すると、両者が干渉し、プラズマの形態が乱れ、該プラズマの制御が困難となる。
第２のマイクロ波は、後述の電力供給タミング制御装置４により第１のマイクロ波と時間的に分離して発生される。即ち、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。
第２の整合器３ｂは、第２のマイクロ波電源２ｂと負荷とのインピーダンス整合をとり、供述の第２の定在波の位相の調整に用いられる。第２の整合器３ｂは、第２のマイクロ波電源２ｂから供給された第２のマイクロ波を第２の同軸線路５ｂに供給する。
第２の同軸線路５ｂは、内部導体と誘電体と外部導体から構成される。第２の同軸線路５ｂは、一方の端部が第２の整合器３ｂの出力端子に接続され、他方の端部の内部導体と外部導体がそれぞれ、後述の第２の側室７ｂの第１のリッジ部７ｂａ及び第２のリッジ部７ｂｂに接続される。
なお、第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、後述するように、第２のアンテナ６ｂとなる。
第２のマイクロ波電源２ｂは、第１のマイクロ波電源２ａと同じ周波数の第２のマイクロ波を発生するマグネトロン型又はソリッドステート型のマイクロ波電源である。ここでは、パルス変調方式のソリッドステート型のマイクロ波電源を用いる。
第２のマイクロ波電源２ｂは、図６にＶ２で示されるように、周期Ｔ０、パルス幅Ｔｗの形態を有するパルス変調された第２のマイクロ波を発生し、第２の整合器３ｂに送電する。
ここでは、例えば、周期Ｔ０を１ｍ秒とする。パルス幅Ｔｗと周期Ｔ０との比、即ちデユーテイ比は４０％～４９％の範囲から、例えば、４８％とする。デユーテイ比を４８％に設定することにより、第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。なお、第１のマイクロ波で発生するプラズマが残存している状態で、第２のマイクロ波を供給すると、両者が干渉し、プラズマの形態が乱れ、該プラズマの制御が困難となる。
第２のマイクロ波は、後述の電力供給タミング制御装置４により第１のマイクロ波と時間的に分離して発生される。即ち、第１のマイクロ波と第２のマイクロ波は独立した関係にあり、互いに干渉しない。
第２の整合器３ｂは、第２のマイクロ波電源２ｂと負荷とのインピーダンス整合をとり、供述の第２の定在波の位相の調整に用いられる。第２の整合器３ｂは、第２のマイクロ波電源２ｂから供給された第２のマイクロ波を第２の同軸線路５ｂに供給する。
第２の同軸線路５ｂは、内部導体と誘電体と外部導体から構成される。第２の同軸線路５ｂは、一方の端部が第２の整合器３ｂの出力端子に接続され、他方の端部の内部導体と外部導体がそれぞれ、後述の第２の側室７ｂの第１のリッジ部７ｂａ及び第２のリッジ部７ｂｂに接続される。
なお、第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、後述するように、第２のアンテナ６ｂとなる。
【0022】
電力供給タイミング制御装置４は、第１のマイクロ波電源２ａが第１のマイクロ波を発生する第１の時間帯と第２のマイクロ波電源２ｂが第２のマイクロ波を発生する第２の時間帯を時間的に分離して交互になるように制御する。
例えば、図６に示されるように、パルス変調された第１のマイクロ波Ｖ１とパルス変調された第２のマイクロ波Ｖ２を、時間的に、例えば、時間Ｔｄだけ分離して交互に発生させる。
例えば、図６に示されるように、パルス変調された第１のマイクロ波Ｖ１とパルス変調された第２のマイクロ波Ｖ２を、時間的に、例えば、時間Ｔｄだけ分離して交互に発生させる。
【0023】
第１の側室７ａは、反応室１ａと同様にダブルリッジ導波管１３の構造を有し、図２及び図７に示されるように、反応室１ａの長さ方向（ｘ方向）の一方の端部に連通して配置される。第１の側室７ａは、第１の同軸線路５ａから送電された第１のマイクロ波を反応室１ａに供給する。
第１の側室７ａは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、アンテナと同様に、マイクロ波を放射する。ここで、第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体を第１のアンテナ６ａと呼ぶ。
第１の側室７ａは、第１のリッジ電極１２ａと接続部７ａａｃを介して接続された第１の側室７ａの第１のリッジ部７ａａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部７ａｂｃを介して接続された第１の側室７ａの第２のリッジ部７ａｂと、第１の反射壁７ａｃを備えている。第１の反射壁７ａｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。なお、一般的に、金属の壁は垂直入射の電磁波を略９０％以上を反射することが知られている。
第１のリッジ部７ａａと第２のリッジ部７ａｂの間隔ｄ１は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ１をｄに比べて大きく設定する理由は、第１の側室７ａ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第１の側室７ａの寸法は、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂが発生する第１及び第２のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長λの略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ１＝５４ｍｍとする。
また、第１の側室７ａのｘ方向の長さは、後述されるように、反応室１ａに第１のマイクロ波の定在波及び第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件を満たすために、前記マイクロ波の１／２波長の自然数倍、例えば、１／２波長に設定する。
ここでは、第１及び第２のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、第１の側室７ａのｘ方向の長さは、例えば、１５７ｍｍとする。
第１の側室７ａは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、アンテナと同様に、マイクロ波を放射する。ここで、第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体を第１のアンテナ６ａと呼ぶ。
第１の側室７ａは、第１のリッジ電極１２ａと接続部７ａａｃを介して接続された第１の側室７ａの第１のリッジ部７ａａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部７ａｂｃを介して接続された第１の側室７ａの第２のリッジ部７ａｂと、第１の反射壁７ａｃを備えている。第１の反射壁７ａｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。なお、一般的に、金属の壁は垂直入射の電磁波を略９０％以上を反射することが知られている。
第１のリッジ部７ａａと第２のリッジ部７ａｂの間隔ｄ１は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ１をｄに比べて大きく設定する理由は、第１の側室７ａ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第１の側室７ａの寸法は、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂが発生する第１及び第２のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長λの略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ１＝５４ｍｍとする。
また、第１の側室７ａのｘ方向の長さは、後述されるように、反応室１ａに第１のマイクロ波の定在波及び第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件を満たすために、前記マイクロ波の１／２波長の自然数倍、例えば、１／２波長に設定する。
ここでは、第１及び第２のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、第１の側室７ａのｘ方向の長さは、例えば、１５７ｍｍとする。
【0024】
第１のアンテナ６ａと第１の側室７ａの第１の反射壁７ａｃの距離は、第１のマイクロ波の波長の略１／４に設定する。なお、該距離が第１のマイクロ波の波長の略１／４に設定された場合、第１のアンテナ６ａのマイクロ波放射能力が発揮される。
第１のアンテナ６ａのｙ軸方向の位置は、リッジ幅ｃの中央点とする。
第１のアンテナ６ａと後述の第２の反射壁７ｂｃの距離Ｌ１は、反応室１ａに第１のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（２）を満たすように設定される。
Ｌ１＝ｎλ／２ ・・・（２）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第１のマイクロ波の波長である。なお、第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応容器１の内部に次式で示される第１の定在波Ｉ１（ｘ）が発生する。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（３）
ただし、θは位相である。
第１の定在波Ｉ１（ｘ）を、模式的に、図８に示す。式（３）の位相は、第１の整合器３ａの調整により適正に設定される。
図８において、第１のアンテナ６ａから第１のマイクロ波が放射されると、進行波Ｗｆ１がｘ方向へ伝播し、第２の側室７ｂの第２の反射壁７ｂｃで反射した反射波Ｗｒ１は－ｘ方向へ伝播する。進行波Ｗｆ１と反射波Ｗｒ１は、干渉して上記第１の定在波Ｉ１（ｘ）を形成する。
第１の定在波Ｉ１（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
第１のアンテナ６ａのｙ軸方向の位置は、リッジ幅ｃの中央点とする。
第１のアンテナ６ａと後述の第２の反射壁７ｂｃの距離Ｌ１は、反応室１ａに第１のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（２）を満たすように設定される。
Ｌ１＝ｎλ／２ ・・・（２）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第１のマイクロ波の波長である。なお、第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応容器１の内部に次式で示される第１の定在波Ｉ１（ｘ）が発生する。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（３）
ただし、θは位相である。
第１の定在波Ｉ１（ｘ）を、模式的に、図８に示す。式（３）の位相は、第１の整合器３ａの調整により適正に設定される。
図８において、第１のアンテナ６ａから第１のマイクロ波が放射されると、進行波Ｗｆ１がｘ方向へ伝播し、第２の側室７ｂの第２の反射壁７ｂｃで反射した反射波Ｗｒ１は－ｘ方向へ伝播する。進行波Ｗｆ１と反射波Ｗｒ１は、干渉して上記第１の定在波Ｉ１（ｘ）を形成する。
第１の定在波Ｉ１（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
【0025】
第２の側室７ｂは、反応室１ａと同様にダブルリッジ導波管１３の構造を有し、図２に示されるように、反応室１ａの長さ方向（ｘ方向）の他方の端部に連通して配置される。第２の側室７ｂは、第２の同軸線路５ｂから送電された第２のマイクロ波を反応室１ａに供給する。
第２の側室７ｂは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、アンテナと同様に、マイクロ波を放射する。ここで、第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体を第２のアンテナ６ｂと呼ぶ。
第２の側室７ｂは、第１のリッジ電極１２ａと接続部７ｂａｃを介して接続された第２の側室７ｂの第１のリッジ部７ｂａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部７ｂｂｃを介して接続された第２の側室７ｂの第２のリッジ部７ｂｂと、第２の反射壁７ｂｃを備えている。第２の反射壁７ｂｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。なお、一般的に、金属の壁は垂直入射の電磁波を略９０％以上を反射することが知られている。
第１のリッジ部７ｂａと第２のリッジ部７ｂｂの間隔ｄ２は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ａの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ２をｄに比べて大きく設定する理由は、第２の側室７ｂ内部でのプラズマ発生を抑制するためである。
第２の側室７ｂの寸法は、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂが発生する第１及び第２のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長λの略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ２＝５４ｍｍとする。
また、第２の側室７ｂのｘ方向の長さは、後述されるように、反応室１に第１のマイクロ波の定在波及び第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件を満たすために、前記マイクロ波の１／２波長の自然数倍、例えば、１／２波長に設定する。
ここでは、第１及び第２のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、第２の側室７ｂのｘ方向の長さは、例えば、１５７ｍｍとする。
第２の側室７ｂは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、アンテナと同様に、マイクロ波を放射する。ここで、第２の同軸線路５ｂの端部のむき出しにされた内部導体を第２のアンテナ６ｂと呼ぶ。
第２の側室７ｂは、第１のリッジ電極１２ａと接続部７ｂａｃを介して接続された第２の側室７ｂの第１のリッジ部７ｂａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部７ｂｂｃを介して接続された第２の側室７ｂの第２のリッジ部７ｂｂと、第２の反射壁７ｂｃを備えている。第２の反射壁７ｂｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。なお、一般的に、金属の壁は垂直入射の電磁波を略９０％以上を反射することが知られている。
第１のリッジ部７ｂａと第２のリッジ部７ｂｂの間隔ｄ２は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ａの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ２をｄに比べて大きく設定する理由は、第２の側室７ｂ内部でのプラズマ発生を抑制するためである。
第２の側室７ｂの寸法は、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂが発生する第１及び第２のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。即ち、図３図示のリッジ幅ｃを第１のマイクロ波の波長λの略１／２とし、長辺ａと短辺ｂは任意に選ぶことができる。
ここでは、第１のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、ａ＝２４８ｍｍ、ｂ＝１２４ｍｍ、ｃ＝１５０ｍｍ、ｄ２＝５４ｍｍとする。
また、第２の側室７ｂのｘ方向の長さは、後述されるように、反応室１に第１のマイクロ波の定在波及び第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件を満たすために、前記マイクロ波の１／２波長の自然数倍、例えば、１／２波長に設定する。
ここでは、第１及び第２のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、第２の側室７ｂのｘ方向の長さは、例えば、１５７ｍｍとする。
【0026】
第２のアンテナ６ｂと第２の側室７ｂの第２の反射壁７ｂｃの距離は、第２のマイクロ波の波長の略１／４に設定する。なお、該距離が第２のマイクロ波の波長の略１／４に設定された場合、第２のアンテナ６ｂのマイクロ波放射能力が発揮される。
第２のアンテナ６ｂのｙ軸方向の位置は、リッジ幅ｃの中央点とする。
第２のアンテナ６ｂと第１の反射壁７ａｃの距離Ｌ２は、反応室１ａに第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（４）を満たすように設定される。
Ｌ２＝ｎλ／２ ・・・（４）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第２のマイクロ波の波長である。なお、第２のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１の内部に次式で示される第２の定在波Ｉ２（ｘ）が発生する。
Ｉ２（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（５）
ただし、θは位相である。
第２の定在波Ｉ２（ｘ）を、模式的に、図９に示す。式（３）の位相は、第２の整合器３ｂの調整により適正に設定される。
図９において、第２のアンテナ６ｂから第２のマイクロ波が放射されると、進行波Ｗｆ２がーｘ方向へ伝播し、第１の側室７ａの第１の反射壁７ａｃで反射した反射波Ｗｒ２はｘ方向へ伝播する。進行波Ｗｆ２と反射波Ｗｒ２は、干渉して上記第２の定在波Ｉ２（ｘ）を形成する。
第２の定在波Ｉ２（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
第２のアンテナ６ｂのｙ軸方向の位置は、リッジ幅ｃの中央点とする。
第２のアンテナ６ｂと第１の反射壁７ａｃの距離Ｌ２は、反応室１ａに第２のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（４）を満たすように設定される。
Ｌ２＝ｎλ／２ ・・・（４）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第２のマイクロ波の波長である。なお、第２のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器１の内部を伝播する第１のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１の内部に次式で示される第２の定在波Ｉ２（ｘ）が発生する。
Ｉ２（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（５）
ただし、θは位相である。
第２の定在波Ｉ２（ｘ）を、模式的に、図９に示す。式（３）の位相は、第２の整合器３ｂの調整により適正に設定される。
図９において、第２のアンテナ６ｂから第２のマイクロ波が放射されると、進行波Ｗｆ２がーｘ方向へ伝播し、第１の側室７ａの第１の反射壁７ａｃで反射した反射波Ｗｒ２はｘ方向へ伝播する。進行波Ｗｆ２と反射波Ｗｒ２は、干渉して上記第２の定在波Ｉ２（ｘ）を形成する。
第２の定在波Ｉ２（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
【0027】
上記式（３）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）と、上記式（５）で表される第２の定在波Ｉ２（ｘ）が、電力供給タイミング制御装置４により、時間的に交互に発生されると、次式で表されるように、応容器１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成される。
即ち、反応容器１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（６）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様になる。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（６）
なお、ダブルリッジ電極の特性により、ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。
即ち、反応容器１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（６）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様になる。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（６）
なお、ダブルリッジ電極の特性により、ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。
【0028】
次に、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の操作手順について、図１～図１０を参照して説明する。ここでは、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置をダイヤモンド合成に応用することを例にとり、以下説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置をダイヤモンド合成に応用する際の原料ガス（メタンＣＨ４と水素Ｈ２の混合ガス）のプラズマ化によるダイヤモンド形成を示す原理的模式図である。
反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄは、反応室１ａ内部にプラズマを生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（第１及び第２のマイクロ波電力）は、反応室１ａ内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、予め圧力ｐと前記間隔ｄに関するデータを取得し、そのデータに基づいて定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～１０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器１の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口１６ａから、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬入し、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置する。 基板１１は、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、プラズマＣＶＤ装置で形成されたダイヤモンド基板又は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。
基板搬入搬出バルブ１６の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
即ち、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、反応容器１内部の圧力を例えば、例えば、２ｋＰａに設定する。基板１１の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
そして、第１のマイクロ波電源２ａ、第１の整合器３ａ、第１の同軸線路５ａ及び第１のアンテナ６ａからなる第１の電源系を用いて、反応容器１内部に第１の定在波Ｉ１（ｘ）を発生させる。第１のマイクロ波電源２ａの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、次式（３）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（３）
ただし、θは位相である。
式（３）で表されるプラズマ発光の最大箇所が反応室１ａの中央近傍に現れるように、第１の整合器３ａを調整する。
ここで、プラズマ発光の最大の箇所が第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹で、最小の箇所が節であるので、該第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と節の位置情報として、観測窓１７から観測される該観測窓１７の視野の中で、腹の位置と節の位置を画像情報として記録する（ここで、第１の定在波の位置情報Ａと呼ぶ）。そして、水素クリーニング処理を、例えば、３０秒間ないし３分間、例えば６０秒間行う。その後、上記第１の電源系の第１のマイクロ波電源２ａを一旦ゼロに戻す。
次に、第２のマイクロ波電源２ｂと、第２の整合器３ｂ、第２の同軸線路５ｂと、第２のアンテナ６ｂからなる第２の電源系を用いて反応容器１内部に第２の定在波Ｉ２（ｘ）を発生させる。第２のマイクロ波電源２ｂの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、式（５）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ２（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（５）
ただし、θは位相である。
次に、式（５）で表されるプラズマの腹の位置を、上記第１の定在波の位置情報Ａを参照して、第１の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）と第２の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）の間の距離をマイクロ波の波長の１／４になるように、調整する。この調整は、第２の整合器３ｂのインピーダンス整合で行う。
ここで、上記水素プラズマ発光を観測窓１７から観測して、第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と第２の定在波Ｉ２（ｘ）の腹の位置の間隔をマイクロ波の波長の１／４に設定した条件を定在波重畳の条件と呼ぶ。
そして、水素クリーニング処理を、例えば、３０秒間ないし３分間、例えば６０秒間行う。
その後、上記第２の電源系の第２のマイクロ波電源２ｂを一旦ゼロに戻す。そして、水素ガスの供給を停止する。
図１０は、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置をダイヤモンド合成に応用する際の原料ガス（メタンＣＨ４と水素Ｈ２の混合ガス）のプラズマ化によるダイヤモンド形成を示す原理的模式図である。
反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄは、反応室１ａ内部にプラズマを生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（第１及び第２のマイクロ波電力）は、反応室１ａ内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、予め圧力ｐと前記間隔ｄに関するデータを取得し、そのデータに基づいて定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～１０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器１の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口１６ａから、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬入し、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置する。 基板１１は、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、プラズマＣＶＤ装置で形成されたダイヤモンド基板又は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。
基板搬入搬出バルブ１６の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
即ち、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、反応容器１内部の圧力を例えば、例えば、２ｋＰａに設定する。基板１１の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
そして、第１のマイクロ波電源２ａ、第１の整合器３ａ、第１の同軸線路５ａ及び第１のアンテナ６ａからなる第１の電源系を用いて、反応容器１内部に第１の定在波Ｉ１（ｘ）を発生させる。第１のマイクロ波電源２ａの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、次式（３）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（３）
ただし、θは位相である。
式（３）で表されるプラズマ発光の最大箇所が反応室１ａの中央近傍に現れるように、第１の整合器３ａを調整する。
ここで、プラズマ発光の最大の箇所が第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹で、最小の箇所が節であるので、該第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と節の位置情報として、観測窓１７から観測される該観測窓１７の視野の中で、腹の位置と節の位置を画像情報として記録する（ここで、第１の定在波の位置情報Ａと呼ぶ）。そして、水素クリーニング処理を、例えば、３０秒間ないし３分間、例えば６０秒間行う。その後、上記第１の電源系の第１のマイクロ波電源２ａを一旦ゼロに戻す。
次に、第２のマイクロ波電源２ｂと、第２の整合器３ｂ、第２の同軸線路５ｂと、第２のアンテナ６ｂからなる第２の電源系を用いて反応容器１内部に第２の定在波Ｉ２（ｘ）を発生させる。第２のマイクロ波電源２ｂの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、式（５）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ２（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（５）
ただし、θは位相である。
次に、式（５）で表されるプラズマの腹の位置を、上記第１の定在波の位置情報Ａを参照して、第１の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）と第２の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）の間の距離をマイクロ波の波長の１／４になるように、調整する。この調整は、第２の整合器３ｂのインピーダンス整合で行う。
ここで、上記水素プラズマ発光を観測窓１７から観測して、第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と第２の定在波Ｉ２（ｘ）の腹の位置の間隔をマイクロ波の波長の１／４に設定した条件を定在波重畳の条件と呼ぶ。
そして、水素クリーニング処理を、例えば、３０秒間ないし３分間、例えば６０秒間行う。
その後、上記第２の電源系の第２のマイクロ波電源２ｂを一旦ゼロに戻す。そして、水素ガスの供給を停止する。
【0029】
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして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＝１００／１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に制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス導入管９ａに供給する。原料ガスを供給された原料ガス導入管９ａは、ガス分散空洞９ｂを介して、ガス噴出孔９ｃから噴出させる。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された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、２ｋＰａに設定し、維持する。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された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、２ｋＰａに設定し、維持する。
【0030】
次に、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂの出力を、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。そして、電力供給タミング制御装置４により第１のマイクロ波電源２ａと第２のマイクロ波電源２ｂを制御して、時間的に分離させ交互に発生させる。例えば、周期Ｔ０＝１ｍ秒、パルス幅Ｔｗ＝４８０μ秒のパルス変調された第１のマイクロ波と第２のマイクロ波を、それぞれ第１のアンテナ６ａ及び第２のアンテナ６ｂに供給する。そうすると、前記式（３）と式（５）で表される第１の定在波と、第２の定在波が発生し、上記式（６）で示される一様なプラズマ発光の状況が、観測窓１７から確認される。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、第１のリッジ電極１２ａからの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。
観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間に一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成される。一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成されると、原料ガスを均一に効果的に分解できる。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高濃度の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１１の表面に到達する。
即ち、図１０に示されるように、プラズマ生成領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１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。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、第１のリッジ電極１２ａからの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。
観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間に一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成される。一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成されると、原料ガスを均一に効果的に分解できる。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高濃度の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１１の表面に到達する。
即ち、図１０に示されるように、プラズマ生成領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１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。
【0031】
次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマの生成持続時間に比例するので、第１及び第２のマイクロ波電源２ａ、２ｂ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。ダイヤモンド合成時間は、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、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器１の寸法、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波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の合成が終了後、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の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口１６ａ及び基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。
そして、搬出された基板１１に、均一なダイヤモンドが合成されていることを確認する。
なお、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器１の寸法、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波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の合成が終了後、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の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口１６ａ及び基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。
そして、搬出された基板１１に、均一なダイヤモンドが合成されていることを確認する。
【0032】
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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、電力供給タミング制御装置４で制御された第１の時間帯に、第１のマイクロ波電源２ａと第１の整合器３ａと第１の同軸線路５ａと第１のアンテナ６ａを用いて反応室１ａに第１の定在波を発生させ、前記電力供給タミング制御装置４で制御された前記第１の時間帯と異なる第２の時間帯に、第２のマイクロ波電源２ｂと第２の整合器３ｂと第２の同軸線路５ｂと第２のアンテナ６ｂを用いて、前記第１の定在波の腹の位置から波長の１／４離れた位置に腹を持つ第２の定在波を発生させ、前記第１及び第２の定在波を時間的に交互に繰り返し発生することにより、前記反応室内部の電界の強さの分布を均一化することが可能となり、マイクロ波プラズマＣＶＤによる大面積均一の製膜が可能という効果を奏する。
即ち、上記式（３）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）と、上記式（５）で表される第２の定在波Ｉ２（ｘ）は、電力供給タイミング制御装置４により、時間的に交互に発生される。その結果、反応容器１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（６）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（６）
ｙ方向に関しては、ダブルリッジ電極の特性により、第１のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。その結果、基板面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において、均一なダイヤモンドを形成することが可能である。
即ち、上記式（３）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）と、上記式（５）で表される第２の定在波Ｉ２（ｘ）は、電力供給タイミング制御装置４により、時間的に交互に発生される。その結果、反応容器１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（６）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（６）
ｙ方向に関しては、ダブルリッジ電極の特性により、第１のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。その結果、基板面積が（ｙ方向に第１のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第１のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において、均一なダイヤモンドを形成することが可能である。
【0033】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１１～図１３を参照して、説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器の模式的外観図である。ただし、原料ガス導入手段９、基板温度調整手段１０、基板搬入搬出通路１６ａ及び観測窓１７は、図示されていない。図１２は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器を示す模式的断面斜視図である。（ａ）第３の側室、（ｂ）反応室、（ｃ）第４の側室である。図１３は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。
本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１１～図１３を参照して、説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器の模式的外観図である。ただし、原料ガス導入手段９、基板温度調整手段１０、基板搬入搬出通路１６ａ及び観測窓１７は、図示されていない。図１２は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応容器を示す模式的断面斜視図である。（ａ）第３の側室、（ｂ）反応室、（ｃ）第４の側室である。図１３は、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。
【0034】
本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、図１１に示される反応容器２１を備える。
反応容器２１は、図１２に示される第３の側室２７ａ、反応室１ａ及び第４の側室２７ｂがこの順に連通して接続された構造を有する。第３の側室２７ａと第４の側室２７ｂは方形導波管の構造を有する。反応室１ａは、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応室１ａと同様に、ダブルリッジ型導波管の構造を有する。
反応室１ａは、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置と同様に、基板１１が載置される第１のリッジ電極１２ａと前記第１のリッジ電極１２ａに対向して配置される第２のリッジ電極１２ｂからなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段９と排気手段１５ａ、１５ｂと前記基板１１の温度を調整する基板温度調整手段１０を有する。
本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、図１３に示されるように、
第３のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生するマグネトロン型の第３のマイクロ波電源２２ａと、前記第３のマイクロ波電源２２ａに接続され、前記第３のマイクロ波電源２２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第３の整合器２３ａと、前記第３の整合器２３ａに接続された第１の同軸導波管変換器２０ａと、前記第１の同軸導波管変換器２０ａの構成部材である内部導体と誘電体と外部導体からなる第３の同軸線路２５ａと、前記第３の側室２７ａに配置され、前記第３のマイクロ波を放射する前記第３の同軸線路２５ａに接続された第３のアンテナ２６ａからなる第３の電源系と、
前記第３のマイクロ波と同じ周波数の第４のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生するマグネトロン型の第４のマイクロ波電源２２ｂと、前記第４のマイクロ波電源２２ｂに接続され、前記第４のマイクロ波電源２２ｂと負荷とのインピーダンス整合を調整する第４の整合器２３ｂと、前記第４の整合器２３ｂに接続された第２の同軸導波管変換器２０ｂと、前記第２の同軸導波管変換器２０ｂの構成部材である内部導体と誘電体と外部導体からなる第４の同軸線路２５ｂと、前記第４の側室２７ｂに配置され、前記第４のマイクロ波を放射する前記第４の同軸線路２５ｂに接続された第４のアンテナ２６ｂからなる第４の電源系と、
前記第３のマイクロ波電源２２ａが前記第３のマイクロ波を発生する第３の時間帯と前記第４のマイクロ波電源２２ｂが前記第４のマイクロ波を発生する第４の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する第２の電力供給タイミング制御装置２４と、を備えている。
なお、第３のマイクロ波電源２２ａ及び第４のマイクロ波電源２２ｂは、パルス変調方式のマグネトロンである。
前記反応容器２１の長さＬは、前記第３のマイクロ波の波長をλとし、２以上の自然数をｎとした場合、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４、に設定され、マイクロ波空洞共振器を形成する。
ただし、第３のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第３のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
反応容器２１は、図１２に示される第３の側室２７ａ、反応室１ａ及び第４の側室２７ｂがこの順に連通して接続された構造を有する。第３の側室２７ａと第４の側室２７ｂは方形導波管の構造を有する。反応室１ａは、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である反応室１ａと同様に、ダブルリッジ型導波管の構造を有する。
反応室１ａは、本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置と同様に、基板１１が載置される第１のリッジ電極１２ａと前記第１のリッジ電極１２ａに対向して配置される第２のリッジ電極１２ｂからなる一対のリッジ電極を有するダブルリッジ型導波管からなり、原料ガスを導入する原料ガス導入手段９と排気手段１５ａ、１５ｂと前記基板１１の温度を調整する基板温度調整手段１０を有する。
本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、図１３に示されるように、
第３のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生するマグネトロン型の第３のマイクロ波電源２２ａと、前記第３のマイクロ波電源２２ａに接続され、前記第３のマイクロ波電源２２ａと負荷とのインピーダンス整合を調整する第３の整合器２３ａと、前記第３の整合器２３ａに接続された第１の同軸導波管変換器２０ａと、前記第１の同軸導波管変換器２０ａの構成部材である内部導体と誘電体と外部導体からなる第３の同軸線路２５ａと、前記第３の側室２７ａに配置され、前記第３のマイクロ波を放射する前記第３の同軸線路２５ａに接続された第３のアンテナ２６ａからなる第３の電源系と、
前記第３のマイクロ波と同じ周波数の第４のマイクロ波を一定の時間を隔てて周期的に発生するマグネトロン型の第４のマイクロ波電源２２ｂと、前記第４のマイクロ波電源２２ｂに接続され、前記第４のマイクロ波電源２２ｂと負荷とのインピーダンス整合を調整する第４の整合器２３ｂと、前記第４の整合器２３ｂに接続された第２の同軸導波管変換器２０ｂと、前記第２の同軸導波管変換器２０ｂの構成部材である内部導体と誘電体と外部導体からなる第４の同軸線路２５ｂと、前記第４の側室２７ｂに配置され、前記第４のマイクロ波を放射する前記第４の同軸線路２５ｂに接続された第４のアンテナ２６ｂからなる第４の電源系と、
前記第３のマイクロ波電源２２ａが前記第３のマイクロ波を発生する第３の時間帯と前記第４のマイクロ波電源２２ｂが前記第４のマイクロ波を発生する第４の時間帯を分離して時間的に交互になるように制御する第２の電力供給タイミング制御装置２４と、を備えている。
なお、第３のマイクロ波電源２２ａ及び第４のマイクロ波電源２２ｂは、パルス変調方式のマグネトロンである。
前記反応容器２１の長さＬは、前記第３のマイクロ波の波長をλとし、２以上の自然数をｎとした場合、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４、に設定され、マイクロ波空洞共振器を形成する。
ただし、第３のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第３のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
【0035】
第２の電力供給タイミング制御装置２４は、第３のマイクロ波電源２２ａが第３のマイクロ波を発生する第３の時間帯と第４のマイクロ波電源２２ｂが第２のマイクロ波を発生する第４の時間帯を分離して交互になるように制御する。例えば、図６に示されるパルス変調された第１のマイクロ波Ｖ１とパルス変調された第２のマイクロ波Ｖ２のように、時間的に分離して交互に発生するように、第３のマイクロ波電源２２ａと第４のマイクロ波電源２２ｂを制御する。
【0036】
第３の側室２７ａは、方形導波管の構造を有し、図１１及び図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、反応室１ａの長さ方向（ｘ方向）の一方の端部に連通して配置される。第３の側室２７ａは、第３の同軸線路２５ａから送電された第３のマイクロ波を反応室１ａに供給する。
第３の側室２７ａは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第３の同軸線路２５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、第３のアンテナ２６ａを構成し、第３のマイクロ波を放射する。
第３の側室２７ａは、第１のリッジ電極１２ａと接続部２７ａａｃを介して接続された第３の側室２７ａの底面部２７ａａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部２７ａｂｃを介して接続された第３の側室２７ａの天面部２７ａｂと、第３の反射壁２７ａｃを備えている。第３の反射壁２７ａｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。
ここで、第３の反射壁２７ａｃに反応容器２１の長さ方向（ｘ方向）で移動自在の、図示しない第１のショートプランジャーを設け、マイクロ波の反射波の位相調整に用いてもよい。
第３の側室２７ａの天面部と底面部の間隔ｄ３は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ３をｄに比べて大きく設定する理由は、第３の側室２７ａ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第３の側室２７ａの寸法は、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂが発生する第３及び第４のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。
ここでは、第３のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、方形導波管の長辺ａ＝２４８ｍｍ、短辺ｂ＝１２４ｍｍ、長さｅ＝１５７ｍｍ、とする。
第３の側室２７ａは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第３の同軸線路２５ａの端部のむき出しにされた内部導体は、第３のアンテナ２６ａを構成し、第３のマイクロ波を放射する。
第３の側室２７ａは、第１のリッジ電極１２ａと接続部２７ａａｃを介して接続された第３の側室２７ａの底面部２７ａａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部２７ａｂｃを介して接続された第３の側室２７ａの天面部２７ａｂと、第３の反射壁２７ａｃを備えている。第３の反射壁２７ａｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。
ここで、第３の反射壁２７ａｃに反応容器２１の長さ方向（ｘ方向）で移動自在の、図示しない第１のショートプランジャーを設け、マイクロ波の反射波の位相調整に用いてもよい。
第３の側室２７ａの天面部と底面部の間隔ｄ３は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ３をｄに比べて大きく設定する理由は、第３の側室２７ａ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第３の側室２７ａの寸法は、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂが発生する第３及び第４のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。
ここでは、第３のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、方形導波管の長辺ａ＝２４８ｍｍ、短辺ｂ＝１２４ｍｍ、長さｅ＝１５７ｍｍ、とする。
【0037】
第３のアンテナ２６ａの設置位置は、第３の側室２７ａの天面部２７ａｂの中央点とし、第１リッジ電極１２ａの面の法線方向に延伸するように、配置される。
第３のアンテナ２６ａと後述の第４の反射壁２７ｂｃの距離Ｌ３は、反応室１ａに第３のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（７）を満たすように設定される。
Ｌ３＝ｎλ／２ ・・・（７）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第３のマイクロ波の波長である。なお、第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第３のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１ａの内部に次式で示される第３の定在波Ｉ３（ｘ）が発生する。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（８）
ただし、θは位相である。式（８）の位相は、第３の整合器２３ａの調整により適正に設定される。
第３の定在波Ｉ３（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
第３のアンテナ２６ａと後述の第４の反射壁２７ｂｃの距離Ｌ３は、反応室１ａに第３のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（７）を満たすように設定される。
Ｌ３＝ｎλ／２ ・・・（７）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第３のマイクロ波の波長である。なお、第１のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第３のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１ａの内部に次式で示される第３の定在波Ｉ３（ｘ）が発生する。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（８）
ただし、θは位相である。式（８）の位相は、第３の整合器２３ａの調整により適正に設定される。
第３の定在波Ｉ３（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
【0038】
第４の側室２７ｂは、方形導波管の構造を有し、図１１及び図１２（ｂ）、（ｃ）に示されるように、反応室１ａの長さ方向（ｘ方向）の他方の端部に連通して配置される。第４の側室２７ｂは、第４の同軸線路２５ｂから送電された第４のマイクロ波を反応室１ａに供給する。
第４の側室２７ｂは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第４の同軸線路２５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、第４のアンテナ２６ｂを構成し、第４のマイクロ波を放射する。
第４の側室２７ｂは、第１のリッジ電極１２ａと接続部２７ｂａｃを介して接続された第４の側室２７ｂの底面部２７ｂａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部２７ｂｂｃを介して接続された第４の側室２７ｂの天面部２７ｂｂと、第４の反射壁２７ｂｃを備えている。第４の反射壁２７ｂｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。
ここで、第４の反射壁２７ｂｃに反応容器１の長さ方向（ｘ方向）で移動自在の、図示しない第２のショートプランジャーを設け、マイクロ波の反射波の位相調整に用いてもよい。
第４の側室２７ｂの天面部と底面部の間隔ｄ４は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ４をｄに比べて大きく設定する理由は、第４の側室２７ｂ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第４の側室２７ｂの寸法は、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂが発生する第３及び第４のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。
ここでは、第４のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、方形導波管の長辺ａ＝２４８ｍｍ、短辺ｂ＝１２４ｍｍ、長さｅ＝１５７ｍｍ、とする。
第４の側室２７ｂは、マイクロ波送電の形態を同軸線路型から導波管型へ変換して反応室１ａに供給する。即ち、前記第４の同軸線路２５ｂの端部のむき出しにされた内部導体は、第４のアンテナ２６ｂを構成し、第４のマイクロ波を放射する。
第４の側室２７ｂは、第１のリッジ電極１２ａと接続部２７ｂａｃを介して接続された第４の側室２７ｂの底面部２７ｂａと、第２のリッジ電極１２ｂと接続部２７ｂｂｃを介して接続された第４の側室２７ｂの天面部２７ｂｂと、第４の反射壁２７ｂｃを備えている。第４の反射壁２７ｂｃは、ｚ－ｙ面に平行に配置され、マイクロ波を反射する。
ここで、第４の反射壁２７ｂｃに反応容器１の長さ方向（ｘ方向）で移動自在の、図示しない第２のショートプランジャーを設け、マイクロ波の反射波の位相調整に用いてもよい。
第４の側室２７ｂの天面部と底面部の間隔ｄ４は、反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄに比べて広く設定される。なお、ｄ４をｄに比べて大きく設定する理由は、第４の側室２７ｂ内部でのプラズマの発生を抑制するためである。
第４の側室２７ｂの寸法は、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂが発生する第３及び第４のマイクロ波の波長λを考慮して次のように決められる。
ここでは、第４のマイクロ波電源の周波数を、例えば、９５０ＭＨｚ（波長＝３１４ｍｍ）とするので、例えば、方形導波管の長辺ａ＝２４８ｍｍ、短辺ｂ＝１２４ｍｍ、長さｅ＝１５７ｍｍ、とする。
【0039】
第４のアンテナ２６ｂの設置位置は、第４の側室２７ｂの天面部２７ｂｂの中央点とし、反応室１ａの第１リッジ電極１２ａの面の法線方向に延伸するように、配置される。
第４のアンテナ２６ｂと第３の反射壁２７ａｃの距離Ｌ４は、反応室１ａに第４のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（９）を満たすように設定される。
Ｌ４＝ｎλ／２ ・・・（９）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第４のマイクロ波の波長である。なお、第４のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第４のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１ａの内部に次式で示される第４の定在波Ｉ４（ｘ）が発生する。
Ｉ４（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（１０）
ただし、θは位相である。式（１０）の位相は、第４の整合器２３ｂの調整により適正に設定される。
第４の定在波Ｉ４（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
第４のアンテナ２６ｂと第３の反射壁２７ａｃの距離Ｌ４は、反応室１ａに第４のマイクロ波の定在波を効果的に発生させる条件である次式（９）を満たすように設定される。
Ｌ４＝ｎλ／２ ・・・（９）
ただし、ｎ：２以上の自然数、λ：第４のマイクロ波の波長である。なお、第４のマイクロ波の波長λとは、真空中の波長ではなく、反応容器２１の内部を伝播する第４のマイクロ波の波長で、且つプラズマ発生による波長短縮現象の影響を受けた波長である。
ここでは、ｎ＝４を選ぶ。この場合、反応室１ａの内部に次式で示される第４の定在波Ｉ４（ｘ）が発生する。
Ｉ４（ｘ）∝ ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（１０）
ただし、θは位相である。式（１０）の位相は、第４の整合器２３ｂの調整により適正に設定される。
第４の定在波Ｉ４（ｘ）の発生状況は、観測窓１７から観測できる。また、カーボン系薄膜又はシリコン系薄膜を形成し、膜の厚み分布を測定し評価することにより確認できる。
【0040】
上記式（８）で表される第３の定在波Ｉ３（ｘ）と、上記式（１０）で表される第４の定在波Ｉ４（ｘ）は、電力供給タイミング制御装置２４により、時間的に交互に発生される。その結果、反応容器１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（１１）で表されるように、反応容器２１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（１１）
なお、ダブルリッジ電極の特性により、ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器２１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（１１）
なお、ダブルリッジ電極の特性により、ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器２１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。
【0041】
次に、本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の操作手順について、図１１～図１３を参照して説明する。ここでは、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置をダイヤモンド合成に応用することを例にとり、以下説明する。
反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄは、反応室１ａ内部にプラズマを生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（第３及び第４のマイクロ波電力）は、反応室１ａ内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、予め圧力ｐと前記間隔ｄに関するデータを取得し、そのデータに基づいて定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～１０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器２１の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口１６ａから、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬入し、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置する。 基板１１は、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、プラズマＣＶＤ装置で形成されたダイヤモンド基板又は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。
基板搬入搬出バルブ１６の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。即ち、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、反応容器２１内部の圧力を例えば、例えば、２ｋＰａに設定する。
そして、第３のマイクロ波電源２２ａ、第３の整合器２３ａ、第１の同軸導波管変換器２０ａ、第３の同軸線路２５ａ及び第３のアンテナ２６ａからなる第３の電源系を用いて、反応容器２１内部に第３の定在波Ｉ３（ｘ）を発生させる。第３のマイクロ波電源２２ａの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。
観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、次式（８）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（８）
ただし、θは位相である。
式（８）で表されるプラズマ発光の最大箇所が反応室１ａの中央部に現れるように、第３の整合器２３ａを調整する。
ここで、プラズマ発光の最大の箇所が第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹で、最小の箇所が節であるので、該第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹と節の位置情報として、観測窓１７から観測される該観測窓１７の視野の中で、腹の位置と節の位置を記録する（ここで、第３の定在波の位置情報Ｂと呼ぶ）。そして、所定の水素プラズマ時間を経過の後、上記第３の電源系の第３のマイクロ波電源２２ａを一旦ゼロに戻す。
次に、第４のマイクロ波電源２２ｂと、第４の整合器２３ｂ、第２の同軸導波管変換器２０ｂ、第４の同軸線路２５ｂ及び第４のアンテナ２６ｂからなる第４の電源系を用いて反応容器２１内部に第４の定在波Ｉ４（ｘ）を発生さする。第４のマイクロ波電源２２ｂの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。
観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、式（１０）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ４（ｘ）∝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（１０）
ただし、θは位相である。
次に、式（１０）で表されるプラズマの腹の位置を、上記第３の定在波の位置情報Ｂを参照して、第３の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）と第４の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）の間隔を第３のマイクロ波の波長の１／４になるように、調整する。この調整は、第４の整合器２３ｂで行う。
ここで、上記水素プラズマ発光を観測窓１７から観測して、第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹と第４の定在波Ｉ４（ｘ）の腹の位置の間隔を第４のマイクロ波の波長の１／４に設定した条件を定在波重畳方式の条件と呼ぶ。
次に、所定の水素プラズマ時間を経過の後、第４のマイクロ波電源２２ｂを一旦ゼロに戻す。そして、水素ガスの供給を停止する。
反応室１ａの第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間隔ｄは、反応室１ａ内部にプラズマを生成するに際し、重要なパラメータである。即ち、プラズマ生成における最適な電界（第３及び第４のマイクロ波電力）は、反応室１ａ内部の圧力ｐと前記間隔ｄとの積ｐｄで表せられるパッシェンの法則でのｐｄ曲線に従うことから、予め圧力ｐと前記間隔ｄに関するデータを取得し、そのデータに基づいて定められる。ここでは、前記間隔ｄは、例えば、３ｍｍ～１０ｍｍの範囲とし、例えば、５ｍｍとする。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５ａ、１５ｂを介して反応容器２１の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口１６ａから、基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬入し、第１のリッジ電極１２ａに設けられた基板接触領域１２ａａに載置する。 基板１１は、例えば、直径５インチのイリジウム結晶膜が被覆された単結晶Ｓｉウエハーとする。なお、基板１１は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、プラズマＣＶＤ装置で形成されたダイヤモンド基板又は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。
基板搬入搬出バルブ１６の上流側は、図示しないロードロック室に接続され真空条件が満たされている。
次に、基板１１の表面を水素プラズマでクリーニングし、基板の温度を、例えば、１，０００℃に設定する。即ち、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、反応容器２１内部の圧力を例えば、例えば、２ｋＰａに設定する。
そして、第３のマイクロ波電源２２ａ、第３の整合器２３ａ、第１の同軸導波管変換器２０ａ、第３の同軸線路２５ａ及び第３のアンテナ２６ａからなる第３の電源系を用いて、反応容器２１内部に第３の定在波Ｉ３（ｘ）を発生させる。第３のマイクロ波電源２２ａの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。
観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、次式（８）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（８）
ただし、θは位相である。
式（８）で表されるプラズマ発光の最大箇所が反応室１ａの中央部に現れるように、第３の整合器２３ａを調整する。
ここで、プラズマ発光の最大の箇所が第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹で、最小の箇所が節であるので、該第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹と節の位置情報として、観測窓１７から観測される該観測窓１７の視野の中で、腹の位置と節の位置を記録する（ここで、第３の定在波の位置情報Ｂと呼ぶ）。そして、所定の水素プラズマ時間を経過の後、上記第３の電源系の第３のマイクロ波電源２２ａを一旦ゼロに戻す。
次に、第４のマイクロ波電源２２ｂと、第４の整合器２３ｂ、第２の同軸導波管変換器２０ｂ、第４の同軸線路２５ｂ及び第４のアンテナ２６ｂからなる第４の電源系を用いて反応容器２１内部に第４の定在波Ｉ４（ｘ）を発生さする。第４のマイクロ波電源２２ｂの出力は、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。
観測窓１７から第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間を覗くと、式（１０）で表されるプラズマの強さを持つプラズマ発光が見える。
Ｉ４（ｘ）∝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ） ・・・（１０）
ただし、θは位相である。
次に、式（１０）で表されるプラズマの腹の位置を、上記第３の定在波の位置情報Ｂを参照して、第３の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）と第４の定在波の腹の位置（即ち、プラズマ発光の最大位置）の間隔を第３のマイクロ波の波長の１／４になるように、調整する。この調整は、第４の整合器２３ｂで行う。
ここで、上記水素プラズマ発光を観測窓１７から観測して、第３の定在波Ｉ３（ｘ）の腹と第４の定在波Ｉ４（ｘ）の腹の位置の間隔を第４のマイクロ波の波長の１／４に設定した条件を定在波重畳方式の条件と呼ぶ。
次に、所定の水素プラズマ時間を経過の後、第４のマイクロ波電源２２ｂを一旦ゼロに戻す。そして、水素ガスの供給を停止する。
【0042】
次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして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＝１００／１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に制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス導入管９ａに供給する。原料ガスを供給された原料ガス導入管９ａは、ガス分散空洞９ｂを介して、ガス噴出孔９ｃから噴出させる。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された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、２ｋＰａに設定し、維持する。
次に、排気口１５ａ、１５ｂに付属された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、２ｋＰａに設定し、維持する。
【0043】
次に、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂの出力を、例えば、４００Ｗ～１ｋＷの範囲から、例えば、５００Ｗを設定する。そして、電力供給タミング制御装置２４により第３のマイクロ波電源２２ａと第４のマイクロ波電源２２ｂを制御して、時間的に分離させ交互に発生させる。例えば、周期Ｔ０＝１ｍ秒、パルス幅Ｔｗ＝４８０μ秒のパルス変調された第３のマイクロ波と第４のマイクロ波を、それぞれ第３のアンテナ２６ａ及び第４のアンテナ２６ｂに供給する。そうすると、前記式（８）と式（１０）で表される第３の定在波と、第４の定在波が発生する。
反応室１ａ内部のプラズマの状況は、観測窓１７から確認される。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、第１のリッジ電極１２ａからの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。
観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間に一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成される。一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成されると、原料ガスを均一に効果的に分解できる。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高濃度の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１１の表面に到達する。
即ち、図１０に示されるように、プラズマ生成領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１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。
反応室１ａ内部のプラズマの状況は、観測窓１７から確認される。
基板１１は、マイクロ波電力により基板１１自身が加熱されることに加え、第１のリッジ電極１２ａからの熱輻射及び熱伝導により加熱される。基板１１の温度は、約７００～約１，２００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。
観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃であることを確認する。
そうすると、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間に一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成される。一様な強さの高密度マイクロ波プラズマが生成されると、原料ガスを均一に効果的に分解できる。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高濃度の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１１の表面に到達する。
即ち、図１０に示されるように、プラズマ生成領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等は拡散現象により、基板１１の表面に移動する。その一部分は、基板１１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。
【0044】
次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマの生成持続時間に比例するので、第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂ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。ダイヤモンド合成時間は、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、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器２１の寸法、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波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の合成が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器２１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口１６ａ及び基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。
そして、搬出された基板１１に、均一なダイヤモンドが合成されていることを確認する。
なお、ダイヤモンド合成の時間は、ダイヤモンド合成速度に関し、反応容器２１の寸法、第１のリッジ電極と第２のリッジ電極の間隔ｄ、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、マイクロ波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の合成が終了後、上記メタンガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器２１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。
その後、基板搬入搬出通路口１６ａ及び基板搬入搬出バルブ１６を介して、基板１１を搬出する。基板１１を搬出した後、新たな基板１１を搬入する。そして、上述と同様な手順で、ダイヤモンドを形成する。
そして、搬出された基板１１に、均一なダイヤモンドが合成されていることを確認する。
【0045】
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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置によれば、第２の電力供給タミング制御装置２４で制御された第３の時間帯に、第３のマイクロ波電源２２ａと第３の整合器２３ａと第１の同軸導波管変換器２０ａと第３の同軸線路２５ａと第３のアンテナ２６ａを用いて反応室１ａに第３の定在波を発生させ、前記電力供給タミング制御装置２４で制御された前記第３の時間帯と異なる第４の時間帯に、第４のマイクロ波電源２２ｂと第４の整合器２３ｂと第２の同軸導波管変換器２０ｂと第４の同軸線路２５ｂと第４のアンテナ２６ｂを用いて、前記第３の定在波の腹の位置から波長の１／４離れた位置に腹を持つ第４の定在波を発生させ、前記第３及び第４の定在波を時間的に交互に繰り返し発生することにより、前記反応室１ａの内部の電界の強さの分布を均一化することが可能となり、マイクロ波プラズマＣＶＤによる大面積均一の製膜が可能という効果を奏する。
即ち、上記式（８）で表される第３の定在波Ｉ３（ｘ）と、上記式（１０）で表される第４の定在波Ｉ４（ｘ）は、第２の電力供給タイミング制御装置２４により、時間的に交互に発生される。その結果、反応容器２１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（１１）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（１１）
ｙ方向に関しては、ダブルリッジ電極の特性により、第３のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器２１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器２１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。その結果、基板面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において、均一なダイヤモンドを形成することが可能である。
即ち、上記式（８）で表される第３の定在波Ｉ３（ｘ）と、上記式（１０）で表される第４の定在波Ｉ４（ｘ）は、第２の電力供給タイミング制御装置２４により、時間的に交互に発生される。その結果、反応容器２１内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（１１）で表されるように、反応容器１内部のｘ方向において一様なプラズマを形成することが可能である。
Ｐ（ｘ）∝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ）
＝１ ・・・（１１）
ｙ方向に関しては、ダブルリッジ電極の特性により、第３のマイクロ波の波長の１／２の距離に亘って一様であるプラズマが発生する。
即ち、本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反応容器２１の中央領域に、面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器２１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において一様なプラズマを発生することが可能である。その結果、基板面積が（ｙ方向に第３のマイクロ波の波長の１／２の距離）ｘ（反応容器１のｘ方向に第３のマイクロ波の波長の１～２倍の距離）において、均一なダイヤモンドを形成することが可能である。
【0046】
（第３の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、次のように変更してもよい。
図２に示される本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の側室７ａ、７ｂ（ダブルリッジ型導波管）を、図１２（ａ）（ｃ）に示される本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３及び第４の側室２７ａ、２７ｂ（方形導波管）に代えた構成にする。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、次のように変更してもよい。
図２に示される本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の側室７ａ、７ｂ（ダブルリッジ型導波管）を、図１２（ａ）（ｃ）に示される本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３及び第４の側室２７ａ、２７ｂ（方形導波管）に代えた構成にする。
【0047】
（第４の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、次のように変更してもよい。
図２に示される本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の電源系（ソリッドステート型マイクロ波電源）を、図１３に示される本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３及び第４の電源系（マグネトロン電源）に代えた構成にする。
本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成について、次のように変更してもよい。
図２に示される本発明の第１の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１及び第２の電源系（ソリッドステート型マイクロ波電源）を、図１３に示される本発明の第２の実施形態に係わるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３及び第４の電源系（マグネトロン電源）に代えた構成にする。
【符号の説明】
【0048】
１・・・反応容器、
１ａ・・・反応室、
２ａ・・・第１のマイクロ波電源、
２ｂ・・・第２のマイクロ波電源、
３ａ・・・第１の整合器、
３ｂ・・・第２の整合器、
４・・・電力供給タミング制御装置、
５ａ・・・第１の同軸線路、
５ｂ・・・第２の同軸線路、
６ａ・・・第１のアンテナ、
６ｂ・・・第２のアンテナ、
７ａ・・・第１の側室、
７ｂ・・・第２の側室、
９・・・原料ガス導入手段、
１０・・・基板温度調整手段、
１１・・・基板、
１２ａ・・・第１のリッジ電極、
１２ａａ・・・基板接触領域、
１２ｂ・・・第２のリッジ電極、
１３ｃ・・・原料ガス噴出孔、
１５ａ、１５ｂ・・・排気口、
１６・・・基板搬入搬出バルブ、
１７・・・観測窓、
２０ａ、２０ｂ・・・第１及び第２の同軸導波管変換器、
２１・・・反応容器、
２２ａ、２２ｂ・・・第３及び第４のマイクロ波電源、
２３ａ、２３ｂ・・・第３及び第４の整合器、
２５ａ、２５ｂ・・・第３及び第４の同軸線路、
２６ａ、２６ｂ・・・第３及び第４のアンテナ、
２７ａ、２７ｂ・・・第３の側室。
１ａ・・・反応室、
２ａ・・・第１のマイクロ波電源、
２ｂ・・・第２のマイクロ波電源、
３ａ・・・第１の整合器、
３ｂ・・・第２の整合器、
４・・・電力供給タミング制御装置、
５ａ・・・第１の同軸線路、
５ｂ・・・第２の同軸線路、
６ａ・・・第１のアンテナ、
６ｂ・・・第２のアンテナ、
７ａ・・・第１の側室、
７ｂ・・・第２の側室、
９・・・原料ガス導入手段、
１０・・・基板温度調整手段、
１１・・・基板、
１２ａ・・・第１のリッジ電極、
１２ａａ・・・基板接触領域、
１２ｂ・・・第２のリッジ電極、
１３ｃ・・・原料ガス噴出孔、
１５ａ、１５ｂ・・・排気口、
１６・・・基板搬入搬出バルブ、
１７・・・観測窓、
２０ａ、２０ｂ・・・第１及び第２の同軸導波管変換器、
２１・・・反応容器、
２２ａ、２２ｂ・・・第３及び第４のマイクロ波電源、
２３ａ、２３ｂ・・・第３及び第４の整合器、
２５ａ、２５ｂ・・・第３及び第４の同軸線路、
２６ａ、２６ｂ・・・第３及び第４のアンテナ、
２７ａ、２７ｂ・・・第３の側室。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】