(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】P2024082282
(43)【公開日】2024-06-19
(54)【発明の名称】ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/27 20060101AFI20240612BHJP
C23C 16/511 20060101ALI20240612BHJP
C30B 29/04 20060101ALI20240612BHJP
C01B 32/26 20170101ALI20240612BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240612BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20240612BHJP
【ＦＩ】
C23C16/27
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
【公開請求】
(21)【出願番号】P 2024040069
(22)【出願日】2024-03-14
(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】従来のマイクロ波プラズマＣＶＤを用いたダイヤモンド合成装置は、空洞共振型と非空洞共振型に大別される。前者は高密度プラズマ生成が可能で、高速成膜が可能であるが、反応容器形状が球形又は特殊な扁平ドーム型であり、製造コストが高いので、製造コストの低減化が課題である。後者は成膜速度が遅いので、高速成膜化が課題である。この課題を解決可能なダイヤモンド合成装置を提供すること。
【解決手段】逆円錐台形状の反応容器７部材の内部に逆円錐形状のアンテナ電極９を収納し、該アンテナ電極の側面をマイクロ波電力の導入路とし、該アンテナ電極の主面をプラズマ生成領域とする構成を有する。これにより、空洞共振型に類似した定在波（ゼロ次のベッセル関数型）を発生させることが可能であり、高密度のプラズマを生成し、高速で大面積のダイヤモンド合成が可能である。反応容器の構造がシンプルであり、装置の製造コストを低減できる。
【選択図】図１
【解決手段】逆円錐台形状の反応容器７部材の内部に逆円錐形状のアンテナ電極９を収納し、該アンテナ電極の側面をマイクロ波電力の導入路とし、該アンテナ電極の主面をプラズマ生成領域とする構成を有する。これにより、空洞共振型に類似した定在波（ゼロ次のベッセル関数型）を発生させることが可能であり、高密度のプラズマを生成し、高速で大面積のダイヤモンド合成が可能である。反応容器の構造がシンプルであり、装置の製造コストを低減できる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と基板が載置される基板載置台とを備えた反応容器と、前記反応容器の中央部に配置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に中心導体と誘電体と外部導体から成る同軸型電力供給手段を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給装置と、を備え、前記マイクロ波電力供給装置から前記アンテナ電極へ供給されたマイクロ波電力により前記原料ガス導入手段から導入された前記原料ガスをプラズマ化して前記基板載置台に載置された前記基板の表面にダイヤモンドを形成するダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置において、
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、
前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とするダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、
前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とするダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項2】
前記反応容器は、形状が第１上面と第１側面と第１下面から成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面及び前記第１下面を開口とした構造を有する第１の反応容器部材と、形状が第２上面と第２側面と第２下面から成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面を開口とした構造を有する第２の反応容器部材と、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠の間に配置された上側開口と下側開口を有する中空の円筒型の第３の反応容器部材で構成され、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第３の反応容器部材の前記下側開口の枠が固着され、且つ前記第３の反応容器部材の前記上側開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠が固着されることにより形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項3】
前記基板載置台は、材質がモリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成され、円形の外周を有し、前記アンテナ電極の前記主面の中央に前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項4】
前記基板載置台は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を有する複数の溝又は穴又は突起物を備え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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項5】
前記基板載置台の前記複数の溝は、断面形状が矩形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項6】
前記基板載置台の前記複数の突起物は、断面形状が三角形又は正弦波形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項7】
前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁は、山と谷からなる突起物を備え、前記山又は前記谷の部分から前記原料ガスを噴出する原料ガス噴出孔を有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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【請求項8】
前記マイクロ波電力供給装置は、３００ＭＨｚ～３ＧＨＺの範囲から選ばれる周波数のマイクロ波電力を発生することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一つに記載のダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置に関する。特に、プラズマ発生電源の周波数がマイクロ波帯域であるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ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、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、上記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、上記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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【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
【0007】
【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】高橋秀俊、電磁気学（１９６３）、裳華房、３１９－３２２
【非特許文献4】R.P.Feynman, R.B.Leightion, M.L.Sands著（戸田盛和訳）、ファインマン物理学、四：電磁波と物性（１９７１）、岩波書店、２４－２８
【非特許文献5】吉川昇、金属のマイクロ波加熱の基礎と応用、まてりあ、Materia Japan、第４８巻、１－９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来のマイクロ波プラズマＣＶＤを用いたダイヤモンド合成用装置は、供給されたマイクロ波電力が反応容器内部で反射して空洞共振することによって、高密度のプラズマを生成する空洞共振型と、前記空洞共振が発生しない非空洞共振型に大別される。
特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、非空洞共振型でありプラズマ密度が低いという短所があるのみならず、供給されるマイクロ波電力を反応容器へ導入するマイクロ波導入伝播路において該マイクロ波電力の伝播方向が一箇所で直角に曲がることに起因すると考えられる電力損失が大きいという問題があることにより、高密度プラズマの生成が困難という問題を抱えている。その結果、ダイヤモンド合成速度の高速化が困難である。
特許文献３及び特許文献４に記載の装置は、空洞共振型であり、マイクロ波電力の導入伝播路での電力損出が抑制された同軸型アンテナ電極が採用され、該マイクロ波導入伝播路での損失が小さいことから、ダイヤモンド合成に好適な装置であると言える。
しかしながら、特許文献３に記載の装置は、球形チャンバーを用いることから、該プラズマ反応室の製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。特許文献４に記載の装置は、プラズマ反応室の形状が扁平なドーム形状を有する半球形であることから、製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。
即ち、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、プラズマ密度の向上という課題があり、特許文献３及び特許文献４に記載の装置は製造コストの低減という課題がある。
本発明は、上記従来装置が抱える課題を解決可能なマイクロ波帯域の電源周波数を用いたダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、非空洞共振型でありプラズマ密度が低いという短所があるのみならず、供給されるマイクロ波電力を反応容器へ導入するマイクロ波導入伝播路において該マイクロ波電力の伝播方向が一箇所で直角に曲がることに起因すると考えられる電力損失が大きいという問題があることにより、高密度プラズマの生成が困難という問題を抱えている。その結果、ダイヤモンド合成速度の高速化が困難である。
特許文献３及び特許文献４に記載の装置は、空洞共振型であり、マイクロ波電力の導入伝播路での電力損出が抑制された同軸型アンテナ電極が採用され、該マイクロ波導入伝播路での損失が小さいことから、ダイヤモンド合成に好適な装置であると言える。
しかしながら、特許文献３に記載の装置は、球形チャンバーを用いることから、該プラズマ反応室の製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。特許文献４に記載の装置は、プラズマ反応室の形状が扁平なドーム形状を有する半球形であることから、製造が困難で、且つ製造コストが高くなるという問題を抱えている。
即ち、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、プラズマ密度の向上という課題があり、特許文献３及び特許文献４に記載の装置は製造コストの低減という課題がある。
本発明は、上記従来装置が抱える課題を解決可能なマイクロ波帯域の電源周波数を用いたダイヤモンド合成用プラズマ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】
【0009】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、原料ガスを導入する原料ガス導入手段と排気手段と基板が載置される基板載置台とを備えた反応容器と、前記反応容器の中央部に配置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に中心導体と誘電体と外部導体から成る同軸型電力供給手段を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給装置と、を備え、前記マイクロ波電力供給装置から前記アンテナ電極へ供給されたマイクロ波電力により前記原料ガス導入手段から導入された前記原料ガスをプラズマ化して前記基板載置台に載置された前記基板の表面にダイヤモンドを形成するダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置において、
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記反応容器は、形状が第１上面と第１側面と第１下面から成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面及び前記第１下面を開口とした構造を有する第１の反応容器部材と、形状が第２上面と第２側面と第２下面から成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面を開口とした構造を有する第２の反応容器部材と、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠の間に配置された上側開口と下側開口を有する中空の円筒型の第３の反応容器部材で構成され、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第３の反応容器部材の前記下側開口の枠が固着され、且つ前記第３の反応容器部材の前記上側開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠が固着されることにより形成される、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、前記基板載置台は、材質がモリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成され、円形の外周を有し、前記アンテナ電極の前記主面の中央に前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
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の発明において、前記基板載置台は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を有する複数の溝又は穴又は突起物を備えることを特徴とする。
第５の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の溝は、断面形状が矩形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第６の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の突起物は、断面形状が三角形又は正弦波形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置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の発明において、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁は、山と谷からなる突起物を備え、前記山又は前記谷の部分から前記原料ガスを噴出する原料ガス噴出孔を有す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、前記マイクロ波電力供給装置は、３００ＭＨｚ～３ＧＨＺの範囲から選ばれる周波数のマイクロ波電力を発生することを特徴とする。
前記アンテナ電極は、前記反応容器の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面と側面と頂点部を有する逆円錐の形状を有し、前記主面は鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部と前記同軸型電力供給手段の前記中心導体が接続され、前記基板載置台は、前記アンテナ電極の前記主面の上に配置されること、を特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記反応容器は、形状が第１上面と第１側面と第１下面から成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面及び前記第１下面を開口とした構造を有する第１の反応容器部材と、形状が第２上面と第２側面と第２下面から成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面を開口とした構造を有する第２の反応容器部材と、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠の間に配置された上側開口と下側開口を有する中空の円筒型の第３の反応容器部材で構成され、前記第１の反応容器部材の前記第１上面の開口の枠と前記第３の反応容器部材の前記下側開口の枠が固着され、且つ前記第３の反応容器部材の前記上側開口の枠と前記第２の反応容器部材の前記第２下面の開口の枠が固着されることにより形成される、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、前記基板載置台は、材質がモリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成され、円形の外周を有し、前記アンテナ電極の前記主面の中央に前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
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の発明において、前記基板載置台は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を有する複数の溝又は穴又は突起物を備えることを特徴とする。
第５の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の溝は、断面形状が矩形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置されることを特徴とする。
第６の発明は、第４の発明において、前記基板載置台の前記複数の突起物は、断面形状が三角形又は正弦波形を有し、前記反応容器の中心軸線と同心に配置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の発明において、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁は、山と谷からなる突起物を備え、前記山又は前記谷の部分から前記原料ガスを噴出する原料ガス噴出孔を有す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、前記マイクロ波電力供給装置は、３００ＭＨｚ～３ＧＨＺの範囲から選ばれる周波数のマイクロ波電力を発生することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
上記のように構成された本発明のダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置は、反応容器の中心部に頂点部と側面と主面を備えた逆円錐形のアンテナ電極が配置され、該アンテナ電極の頂点部と同軸型電力供給手段の中心導体が接続され、該アンテナ電極の側面をマイクロ波電力導入路とすることから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制され、且つ前記アンテナ電極の主面の周辺部から前記主面の中央部へ、前記反応容器の中心軸線を向いて電力波が集中して流入し、該アンテナ電極の主面と接するプラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能となる。また、反応容器は、従来の空洞共振型に比べて単純な構造を有する。その結果、製造コストの低減化が可能であるとともに、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド合成が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
更に、基板載置台に、電界集中効果を有する溝又は穴又は突起物を備えることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。また、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁に、山と谷からなる突起物を備ええることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。
更に、基板載置台に、電界集中効果を有する溝又は穴又は突起物を備えることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。また、前記反応容器の前記アンテナ電極の前記主面に対向する内壁に、山と谷からなる突起物を備ええることが可能であり、高密度プラズマの生成が可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図10】図１０は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する定在波の電圧の空間分布を示すゼロ次のベッセル関数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１～図１１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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の反応容器部材の、（ａ）模式的外観図及び（ｂ）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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第２の反応容器部材の、（ａ）模式的外観図及び（ｂ）模式的断面図である。図４は本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３の反応容器部材の模式的外観図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である円錐形状のアンテナ電極の模式的外観図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である同軸型電力供給手段の模式的断面図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるマイクロ波電力供給装置からプラズマ発生領域へ供給されるマイクロ波の電力伝播の形態を示す模式図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺部におけるマイクロ波の電力伝播の形態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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する電界Ｅと磁界Ｂの概念図である。図１０は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する定在波の電圧の空間分布を示すゼロ次のベッセル関数のグラフである。図１１は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する定在波の電圧の空間分布を示す横軸ｒのグラフ（ゼロ次のベッセル関数）である。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成について、図１～図１１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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第１の反応容器部材の、（ａ）模式的外観図及び（ｂ）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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第２の反応容器部材の、（ａ）模式的外観図及び（ｂ）模式的断面図である。図４は本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である第３の反応容器部材の模式的外観図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である円錐形状のアンテナ電極の模式的外観図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である同軸型電力供給手段の模式的断面図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるマイクロ波電力供給装置からプラズマ発生領域へ供給されるマイクロ波の電力伝播の形態を示す模式図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺部におけるマイクロ波の電力伝播の形態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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する電界Ｅと磁界Ｂの概念図である。図１０は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する定在波の電圧の空間分布を示すゼロ次のベッセル関数のグラフである。図１１は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面の周辺に発生する定在波の電圧の空間分布を示す横軸ｒのグラフ（ゼロ次のベッセル関数）である。
【0014】
本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、図１に示されるように、マイクロ波電力供給装置１と、導波管３と、同軸導波管変換器２と、図示しないアイソレータと、パワーモニター（進行波、反射波）と、E・Hチューナーと、同軸型電力供給手段１０と、逆円錐形状のアンテナ電極９と、反応容器７と、原料ガス供給孔１３と、排気口１５と、基板載置台１２と、を備えている。マイクロ波電力供給装置１は、３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのマイクロ波帯域から選ばれる周波数の電力を発生可能である。
電源周波数を３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのＵＨＦ波帯域から選ぶ理由は、該周波数帯域では、高周波電力による誘電加熱、磁気加熱および誘導加熱の効果が大きいことにより、プラズマを発生する手段と基板加熱手段を兼用可能であるからである。また、３００ＭＨｚ～５００ＭＨｚの電源は水晶発信器と電力増幅器を組み合わせることで安価に製作できるメリットがあり、周波数９１５ＭＨｚ及び２，４５０ＭＨｚの電源はマグネトロン電源として市販品を利用できるというメリットがある。なお、誘電加熱はε・Ｅ２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱は、μ・H２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱は、σ・Ｅ２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。
ここでは、マイクロ波電力供給装置１として、例えば、９１５ＭＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン装置を用いる。
電源周波数を３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのＵＨＦ波帯域から選ぶ理由は、該周波数帯域では、高周波電力による誘電加熱、磁気加熱および誘導加熱の効果が大きいことにより、プラズマを発生する手段と基板加熱手段を兼用可能であるからである。また、３００ＭＨｚ～５００ＭＨｚの電源は水晶発信器と電力増幅器を組み合わせることで安価に製作できるメリットがあり、周波数９１５ＭＨｚ及び２，４５０ＭＨｚの電源はマグネトロン電源として市販品を利用できるというメリットがある。なお、誘電加熱はε・Ｅ２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱は、μ・H２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱は、σ・Ｅ２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。
ここでは、マイクロ波電力供給装置１として、例えば、９１５ＭＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン装置を用いる。
【0015】
即ち、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、図１～図６に示されるように、原料ガスを導入する原料ガス導入手段１３と排気手段１５と基板１１が載置される基板載置台１２とを備えた反応容器７と、前記反応容器７の中央部に配置されたアンテナ電極９と、前記アンテナ電極９に中心導体１０ａと誘電体１０ｂと外部導体１０ｃから成る同軸型電力供給手段１０を介してマイクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給装置１と、を備え、前記マイクロ波電力供給装置１から前記アンテナ電極９へ供給されたマイクロ波電力により前記原料ガス導入手段１３から導入された前記原料ガスをプラズマ化して前記基板載置台１２に載置された前記基板１１の表面にダイヤモンドを形成するダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置において、前記アンテナ電極９は、前記反応容器７の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に配置された主面９ａと側面９ｂと頂点部９ｃを有する逆円錐の形状を有し、前記主面９ａは鉛直線に対して直交する方向に配置され、前記頂点部９ｃと前記同軸型電力供給手段１０の前記中心導体１０ａが接続され、前記基板載置台１２は、前記アンテナ電極９の前記主面９ａの上に配置される、という構成を有することを特徴とする。
【0016】
前記反応容器７は、形状が第１上面５ａと第１側面５ｂと第１下面５ｃから成る中空の逆円錐台で、且つ前記第１上面５ａ及び前記第１下面５ｃを開口５ａａ、５ｃｃとした構造を有する第１の反応容器部材５と、形状が第２上面６ａと第２側面６ｂと第２下面６ｃから成る中空の円錐台で、且つ前記第２下面６ｃを開口６ｃｃとした構造を有する第２の反応容器部材６と、前記第１の反応容器部材５の前記開口５ａａの枠５ｄと前記第２の反応容器部材６の前記開口６ｃｃの枠６ｄの間に配置された上側開口４ａａと下側開口４ｃｃを有する中空の円筒型の第３の反応容器部材４で構成され、前記第１の反応容器部材５の前記第１上面の開口５ａａの枠５ｄと前記第３の反応容器部材４の前記下側開口４ｃｃの枠４ｄが固着され、且つ前記第３の反応容器部材４の前記上側開口４ａａの図示しない枠４ｄｄと前記第２の反応容器部材６の前記開口６ｃｃの図示しない枠６ｄが固着されることにより形成される。
前記第３の反応容器部材４の一部分に前記基板１１の搬入搬出口２６ａが配置される。基板搬入搬出通路口２６ａは、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７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２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
前記反応容器７の寸法は、対象とする基板１１のサイズにより対応して選定されるが、例えば、基板サイズ１１が直径５インチの場合、第１の反応容器部材５の第１上面５ａの直径及び第１下面５ｃの直径は、それぞれ、例えば、２６５ｍｍ及び８０ｍｍ、第１の反応容器部材５の高さは、例えば、１２０ｍｍである。第２の反応容器部材６の第２上面６ａの直径及び第２下面６ｃの直径は、それぞれ、例えば、１８０ｍｍ及び２６５ｍｍ、第２の反応容器部材６の高さは、例えば、４０ｍｍである。第３の反応容器部材４の直径及び高さは、それぞれ、例えば、２６５ｍｍ及び３０ｍｍである。
なお、前記反応容器７の寸法は、上記例に限定されず、後述のアンテナ電極９の主面９ａと第２の反応容器部材６の第２上面６ａの間の距離は、後述のプラズマ生成の条件に従って決められる。
第１の反応容器部材５の開口５ａａの枠５ｄと第３の反応容器部材４の開口４ｃｃの枠４ｄを固着する際、真空漏れが起きぬように、例えば、メタルシール部材を用いるのが好ましい。
なお、第１、第２及び第３の反応容器部材５、６、４から成る反応容器７の材料は、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＳＵＳが用いられる。また、前記反応容器７は、該反応容器７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。
反応容器７は、該反応容器内部の状態を観察可能で、且つ放射温度計による基板１１の表面温度を測定可能な観察窓１７を備えている。
原料ガス供給孔１３は、該原料ガス供給孔１３から噴出される原料ガスを、反応容器７の内部に一様に分散して供給する。なお、図１に示される原料ガス供給孔１３を、多数の孔を有する箱型の原料ガス供給手段に代えてもよい。
排気口１５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７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７の内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
なお、排気口１５の設置位置は、第１の反応容器部材５の側面５ｂに限定されず、例えば、同軸型電力供給手段１０の外部導体の周辺部に設けてもよい。
前記第３の反応容器部材４の一部分に前記基板１１の搬入搬出口２６ａが配置される。基板搬入搬出通路口２６ａは、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７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２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
前記反応容器７の寸法は、対象とする基板１１のサイズにより対応して選定されるが、例えば、基板サイズ１１が直径５インチの場合、第１の反応容器部材５の第１上面５ａの直径及び第１下面５ｃの直径は、それぞれ、例えば、２６５ｍｍ及び８０ｍｍ、第１の反応容器部材５の高さは、例えば、１２０ｍｍである。第２の反応容器部材６の第２上面６ａの直径及び第２下面６ｃの直径は、それぞれ、例えば、１８０ｍｍ及び２６５ｍｍ、第２の反応容器部材６の高さは、例えば、４０ｍｍである。第３の反応容器部材４の直径及び高さは、それぞれ、例えば、２６５ｍｍ及び３０ｍｍである。
なお、前記反応容器７の寸法は、上記例に限定されず、後述のアンテナ電極９の主面９ａと第２の反応容器部材６の第２上面６ａの間の距離は、後述のプラズマ生成の条件に従って決められる。
第１の反応容器部材５の開口５ａａの枠５ｄと第３の反応容器部材４の開口４ｃｃの枠４ｄを固着する際、真空漏れが起きぬように、例えば、メタルシール部材を用いるのが好ましい。
なお、第１、第２及び第３の反応容器部材５、６、４から成る反応容器７の材料は、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＳＵＳが用いられる。また、前記反応容器７は、該反応容器７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。
反応容器７は、該反応容器内部の状態を観察可能で、且つ放射温度計による基板１１の表面温度を測定可能な観察窓１７を備えている。
原料ガス供給孔１３は、該原料ガス供給孔１３から噴出される原料ガスを、反応容器７の内部に一様に分散して供給する。なお、図１に示される原料ガス供給孔１３を、多数の孔を有する箱型の原料ガス供給手段に代えてもよい。
排気口１５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７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７の内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
なお、排気口１５の設置位置は、第１の反応容器部材５の側面５ｂに限定されず、例えば、同軸型電力供給手段１０の外部導体の周辺部に設けてもよい。
【0017】
アンテナ電極９は、反応容器７の中心軸線に沿って前記中心軸線と同心に拡がった主面９ａと側面９ｂと頂点部９ｃを有する逆円錐の形状を有し、第１の反応容器部材５に収納される。円錐形状のアンテナ電極９の主面９ａは、鉛直線に対して直交する方向に、第１の反応容器部材５の第１側面５ｂの内壁との間隔を一定に保つように、配置される。
アンテナ電極９は、第１の反応容器部材５の第１側面５ｂの内壁と該アンテナ電極９の側面９ｂの間に誘電体製アンテナ支持材８が配置され、支持される。誘電体製アンテナ支持材８は、アンテナ電極を支持するとともに、反応容器７の真空を維持する。なお、誘電体製アンテナ支持材８の端部は、真空シールが講じられる。
円錐形状のアンテナ電極９の頂点部９ｃと同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａは接続され、電気的に導通している。アンテナ電極９は、後述の同軸型電力供給手段１０から供給された電力波１９を第２の反応容器部材６とアンテナ電極９の主面９ａに挟まれる空洞部７ａへ伝播させる。
円錐形状のアンテナ電極９はモリブデン（Ｍｏ）で形成される。その理由は、高融点で機械的強度に優れているからである。
アンテナ電極９は、同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａの内部に設けられた同軸型電力供給手段１０に内蔵の図示しない冷媒供給管を介して冷却してもよい。
円錐形状のアンテナ電極９の寸法は、主面９ａの直径及び高さが、それぞれ、例えば、１８０ｍｍ及び１００ｍｍである。頂点部９ｃと同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａとの接合部の直径は、例えば、３２ｍｍである。
なお、アンテナ電極９の主面９ａと前記主面９ａに対向する第２の反応容器６の第２上面６ａの内壁との距離は、プラズマ発生条件を決定する重要な要素であるので、予め実験により確認するのが好ましい。
アンテナ電極９は、第１の反応容器部材５の第１側面５ｂの内壁と該アンテナ電極９の側面９ｂの間に誘電体製アンテナ支持材８が配置され、支持される。誘電体製アンテナ支持材８は、アンテナ電極を支持するとともに、反応容器７の真空を維持する。なお、誘電体製アンテナ支持材８の端部は、真空シールが講じられる。
円錐形状のアンテナ電極９の頂点部９ｃと同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａは接続され、電気的に導通している。アンテナ電極９は、後述の同軸型電力供給手段１０から供給された電力波１９を第２の反応容器部材６とアンテナ電極９の主面９ａに挟まれる空洞部７ａへ伝播させる。
円錐形状のアンテナ電極９はモリブデン（Ｍｏ）で形成される。その理由は、高融点で機械的強度に優れているからである。
アンテナ電極９は、同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａの内部に設けられた同軸型電力供給手段１０に内蔵の図示しない冷媒供給管を介して冷却してもよい。
円錐形状のアンテナ電極９の寸法は、主面９ａの直径及び高さが、それぞれ、例えば、１８０ｍｍ及び１００ｍｍである。頂点部９ｃと同軸型電力供給手段１０の中心導体１０ａとの接合部の直径は、例えば、３２ｍｍである。
なお、アンテナ電極９の主面９ａと前記主面９ａに対向する第２の反応容器６の第２上面６ａの内壁との距離は、プラズマ発生条件を決定する重要な要素であるので、予め実験により確認するのが好ましい。
【0018】
同軸型電力供給手段１０は、中心導体１０ａと誘電体１０ｂと外部導体１０ｃとから構成される。同軸型電力供給手段１０は、同軸導波管変換器２から供給された電力波を、中心導体１０ａの軸芯（反応容器７の中心軸線２１）に沿ってアンテナ電極９へ伝播させる。同軸型電力供給手段１０は、図１及び図７に示されるように、電力波１９をマイクロ波電力供給装置１の電力を、アンテナ電極９へ伝播させる。なお、図７の符号１９ｃは電気力線を模式的に示す。
マイクロ波電力供給装置１から同軸型電力供給手段１０を介してアンテナ電極９へ供給される電力波１９の伝播路は、図７に示されるように、該電力波１９の伝播方向を１箇所で９０°曲げる壁がない形態を有する。即ち、図７に示される電力波１９の導入伝播路では、特許文献１及び特許文献２に記載の装置の場合と異なり、該電力波の伝播方向を１箇所で９０°曲げる壁がないので、電力波の反射に起因する電力損失が抑制される。
マイクロ波電力供給装置１から同軸型電力供給手段１０を介してアンテナ電極９へ供給される電力波１９の伝播路は、図７に示されるように、該電力波１９の伝播方向を１箇所で９０°曲げる壁がない形態を有する。即ち、図７に示される電力波１９の導入伝播路では、特許文献１及び特許文献２に記載の装置の場合と異なり、該電力波の伝播方向を１箇所で９０°曲げる壁がないので、電力波の反射に起因する電力損失が抑制される。
【0019】
ところで、電力波の電力Ｐは、電磁気学の知見によると、例えば、非特許文献１に記載されるように、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢ（joule／ｍ２・ｓ）で表され、波動として伝播する。ただし、Ｅは電界（ベクトル表示）、Ｂは磁界（ベクトル表示）である。図１に示される本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合、電力波の電力Ｐの伝播は、模式的に、図７～図９の符号１９で示される。
図７において、マイクロ波電力供給装置１で発生されたマイクロ波は、符号１９で示されるように、同軸導波管変換器２で伝播方向を９０°変換され、同軸型電力供給手段１０内部を直進し、アンテナ電極９の頂点部９ｃで鈍角に曲がり、第２の反応容器部材６とアンテナ電極９の主面９ａに挟まれる空洞部７ａの入り口で鈍角に曲げられ、符号１９ａ、１９ｂで示されるように、互いに対向する方向へ伝播する。空洞部７ａに進行する電力波１９の形態が、模式的に図８及び図９に示される。
空洞部７ａ（ここでは、プラズマ生成領域と呼ぶ）の電界Ｅは、図９に示されるように、アンテナ電極９の主面９ａの法線方向を向き、磁界Ｂは該アンテナ電極９の主面９ａの法線方向に直交する方向、即ち、反応容器７の中心軸２１を中心にした円２０の接線方向を向いている。なお、磁界Ｂは、アンペールの法則により、電界Ｅ方向に流れる変位電流の方向に対して右ネジを回転する方向に発生することにより、図９に、符号２０で表されるように、渦巻き状に発生する。
したがって、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢは、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から中心軸２１の方向を向いている。これは、マイクロ波電力供給装置１の出力であるマイクロ波電力Ｐが、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から中心軸２１へ集中するように、円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込む、ということを意味している。円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込むマイクロ波電力は、プラズマ生成領域（空洞部７ａ）で消費され、プラズマ２２を生成する。
プラズマ生成領域（空洞部）７ａの空間が、図７及び図８に示されるように、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から円筒波状の形態で電力が供給されるという構造を有する場合、プラズマ生成領域７ａの電界は、例えば、非特許文献４に記載されているように、ゼロ次のベッセル関数Ｊ０（２πｒ／λ）で表される。
即ち、マイクロ波の波長をλ、反応容器７の中心軸２１からの距離をｒで表すと、プラズマ生成領域７ａに発生する電界Ｅは、波長λと中心軸からの距離ｒに依存し、次式で表される。
Ｅ＝Ｅ０・Ｊ０（２πｒ／λ） ・・・（１）
ただし、Ｅ０は定数、Ｊ０（２πｒ／λ）はゼロ次のベッセル関数である。
ゼロ次のベッセル関数Ｊ０（２πｒ／λ）は、図１０に示されるように、２πｒ／λ＝２．４０５、５．５２０、８．６３４を満たす場合、Ｊ０（２πｒ／λ）＝０となる。図１０の横軸を２πｒ／λから中心軸からの距離ｒへ変数変換すると、図１１が得られる。上記中心軸からの距離ｒ＝０．３８３λ、０．８７５λにおいて、電界Ｅ＝０となる。
プラズマ生成領域７ａに発生する電界Ｅが、図１０及び図１１に示されるゼロ次のベッセル関数で表されることは、反応容器７の中心軸２１を中心にした直径略０．４λ～０．５λの範囲に一様なプラズマが生成されるとことを意味している。なお、プラズマの強さは電界Ｅの二乗に比例する。
プラズマ２２が、式（１）のゼロ次のベッセル関数に従って生成されるということは、マイクロ波電力供給装置１から供給されたマイクロ波電力の干渉現象により定在波が発生する、ことを意味する。即ち、この定在波の発生は、マイクロ波の空洞共振の一種であると言える。
また、図１１に示されるように、一様なプラズマが生成される領域は、反応容器７の中心軸２１を中心にした直径略０．４λ～０．５λの範囲であるので、例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、一様なプラズマの生成による均一なダイヤモンド合成が可能になる。
基板載置台１２は、アンテナ電極９の主面９ａの上に配置され、基板１１と接し、保持する。
基板支持台１２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
なお、マイクロ波による金属及び誘電体の加熱は、例えば、非特許文献５に記載されているように、誘電加熱はε・Ｅ２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱はμ・H２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱はσ・Ｅ２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。即ち、誘電率、透磁率及び導電率の高い物質は加熱効果が大きく、効果的に加熱される。この中で、融点が最も高いモリブデン（Ｍｏ）が好ましい。
基板載置台１２の断面形状は、基板形状と相似形とする。ここでは、円形とする。そのサイズは、基板１１のサイズより一回りおおきいサイズで、例えば、直径５インチの基板の場合、例えば、直径１３７ｍｍである。なお、基板載置台１２は、基板保持の安定性を確保するために、反応容器７の中心軸線２１と同心である直径が前記基板のサイズより略０．５ｍｍ大きいサイズの凹みを備えてもよい。
ここでは、基板１１を、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、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１１は、第３の反応容器部材４の一部分に配置された搬入搬出口２６ａから、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７を介して、搬入搬出される。なお、基板搬入搬出バルブ２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
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、 基板載置台１２からの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。なお、基板１１の温度は、観測窓１７を介して放射温度計１９を用いて測定される。
図７において、マイクロ波電力供給装置１で発生されたマイクロ波は、符号１９で示されるように、同軸導波管変換器２で伝播方向を９０°変換され、同軸型電力供給手段１０内部を直進し、アンテナ電極９の頂点部９ｃで鈍角に曲がり、第２の反応容器部材６とアンテナ電極９の主面９ａに挟まれる空洞部７ａの入り口で鈍角に曲げられ、符号１９ａ、１９ｂで示されるように、互いに対向する方向へ伝播する。空洞部７ａに進行する電力波１９の形態が、模式的に図８及び図９に示される。
空洞部７ａ（ここでは、プラズマ生成領域と呼ぶ）の電界Ｅは、図９に示されるように、アンテナ電極９の主面９ａの法線方向を向き、磁界Ｂは該アンテナ電極９の主面９ａの法線方向に直交する方向、即ち、反応容器７の中心軸２１を中心にした円２０の接線方向を向いている。なお、磁界Ｂは、アンペールの法則により、電界Ｅ方向に流れる変位電流の方向に対して右ネジを回転する方向に発生することにより、図９に、符号２０で表されるように、渦巻き状に発生する。
したがって、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢは、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から中心軸２１の方向を向いている。これは、マイクロ波電力供給装置１の出力であるマイクロ波電力Ｐが、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から中心軸２１へ集中するように、円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込む、ということを意味している。円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込むマイクロ波電力は、プラズマ生成領域（空洞部７ａ）で消費され、プラズマ２２を生成する。
プラズマ生成領域（空洞部）７ａの空間が、図７及び図８に示されるように、アンテナ電極９の主面９ａの周辺部から円筒波状の形態で電力が供給されるという構造を有する場合、プラズマ生成領域７ａの電界は、例えば、非特許文献４に記載されているように、ゼロ次のベッセル関数Ｊ０（２πｒ／λ）で表される。
即ち、マイクロ波の波長をλ、反応容器７の中心軸２１からの距離をｒで表すと、プラズマ生成領域７ａに発生する電界Ｅは、波長λと中心軸からの距離ｒに依存し、次式で表される。
Ｅ＝Ｅ０・Ｊ０（２πｒ／λ） ・・・（１）
ただし、Ｅ０は定数、Ｊ０（２πｒ／λ）はゼロ次のベッセル関数である。
ゼロ次のベッセル関数Ｊ０（２πｒ／λ）は、図１０に示されるように、２πｒ／λ＝２．４０５、５．５２０、８．６３４を満たす場合、Ｊ０（２πｒ／λ）＝０となる。図１０の横軸を２πｒ／λから中心軸からの距離ｒへ変数変換すると、図１１が得られる。上記中心軸からの距離ｒ＝０．３８３λ、０．８７５λにおいて、電界Ｅ＝０となる。
プラズマ生成領域７ａに発生する電界Ｅが、図１０及び図１１に示されるゼロ次のベッセル関数で表されることは、反応容器７の中心軸２１を中心にした直径略０．４λ～０．５λの範囲に一様なプラズマが生成されるとことを意味している。なお、プラズマの強さは電界Ｅの二乗に比例する。
プラズマ２２が、式（１）のゼロ次のベッセル関数に従って生成されるということは、マイクロ波電力供給装置１から供給されたマイクロ波電力の干渉現象により定在波が発生する、ことを意味する。即ち、この定在波の発生は、マイクロ波の空洞共振の一種であると言える。
また、図１１に示されるように、一様なプラズマが生成される領域は、反応容器７の中心軸２１を中心にした直径略０．４λ～０．５λの範囲であるので、例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、一様なプラズマの生成による均一なダイヤモンド合成が可能になる。
基板載置台１２は、アンテナ電極９の主面９ａの上に配置され、基板１１と接し、保持する。
基板支持台１２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
なお、マイクロ波による金属及び誘電体の加熱は、例えば、非特許文献５に記載されているように、誘電加熱はε・Ｅ２（ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）に比例し、磁気加熱はμ・H２（ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）に比例し、誘導加熱はσ・Ｅ２（ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）に比例する、ことが知られている。即ち、誘電率、透磁率及び導電率の高い物質は加熱効果が大きく、効果的に加熱される。この中で、融点が最も高いモリブデン（Ｍｏ）が好ましい。
基板載置台１２の断面形状は、基板形状と相似形とする。ここでは、円形とする。そのサイズは、基板１１のサイズより一回りおおきいサイズで、例えば、直径５インチの基板の場合、例えば、直径１３７ｍｍである。なお、基板載置台１２は、基板保持の安定性を確保するために、反応容器７の中心軸線２１と同心である直径が前記基板のサイズより略０．５ｍｍ大きいサイズの凹みを備えてもよい。
ここでは、基板１１を、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、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１１は、第３の反応容器部材４の一部分に配置された搬入搬出口２６ａから、基板搬入搬出通路２６と基板搬入搬出バルブ２７を介して、搬入搬出される。なお、基板搬入搬出バルブ２７は、例えば、図示しないロードロック室に接続されている。
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、 基板載置台１２からの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。なお、基板１１の温度は、観測窓１７を介して放射温度計１９を用いて測定される。
【0020】
次に、本発明の第１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１～図１２を参照して説明する。図１２は、本発明の第１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）のプラズマ化によるダイヤモンド形成を示す原理的模式図である。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５を介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、基板載置台１２に載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７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７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、マグネトロン装置１からアンテナ電極９へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦マイクロ波電力供給装置１の出力をゼロに落とす。なお、基板１１及び基板載置台１２はマイクロ波の磁気加熱効果（μ・H２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）、誘導加熱効果（σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）及び誘導加熱効果（σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
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、原料ガス供給孔１３から噴出させる。
次に、排気口１５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、ドーム型反応容器７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５を介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、基板載置台１２に載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７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７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、マグネトロン装置１からアンテナ電極９へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦マイクロ波電力供給装置１の出力をゼロに落とす。なお、基板１１及び基板載置台１２はマイクロ波の磁気加熱効果（μ・H２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）、誘導加熱効果（σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）及び誘導加熱効果（σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
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、原料ガス供給孔１３から噴出させる。
次に、排気口１５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、ドーム型反応容器７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。
【0021】
次に、マイクロ波電力供給装置１の出力を、例えば、５００Ｗ～２ＫＷ、ここでは、例えば、１ｋＷに設定する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。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、図１及び図７に示される空洞部（プラズマ生成領域）７ａに原料ガスのプラズマ２２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１１の表面に到達する。
即ち、図１２に示されるように、プラズマ生成領域７ａ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。
そうすると、図１及び図７に示される空洞部（プラズマ生成領域）７ａに原料ガスのプラズマ２２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１１の表面に到達する。
即ち、図１２に示されるように、プラズマ生成領域７ａ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。
【0022】
次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマ２２ａの生成持続時間に比例するので、マイクロ波電力供給装置１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の長さは、反応容器７の寸法、円錐形状のアンテナ電極９の寸法及び第２の反応容器部材６ａの内壁とアンテナ電極９の主面９ａの間隔、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７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２６ａから、基板搬入搬出通路２６及び基板搬入搬出バルブ２７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。
なお、ダイヤモンド合成の時間の長さは、反応容器７の寸法、円錐形状のアンテナ電極９の寸法及び第２の反応容器部材６ａの内壁とアンテナ電極９の主面９ａの間隔、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７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２６ａから、基板搬入搬出通路２６及び基板搬入搬出バルブ２７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。
【0023】
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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、外観が逆円錐形状アンテナ電極９と外観が逆円錐台形状で中空の第１の反応容器部材５を組み合わせて形成されたマイクロ波電力導入路を有することから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制されるとともに、プラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能である。本発明の装置ではゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生することから、マイクロ波の波長をλとすると、一様なプラズマの範囲を略０．４λ～０．５λにできる。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
したがって、基板の面積が大きい場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が小さい場合は供給電力の周波数を高く、例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚに設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純な形であり、該反応容器の製造が容易であり製造コストが低減化されるという効果を奏する。
【0024】
（第２の実施形態）
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装置の構成に
ついて、図１３～図１９を参照して、説明する。
図１３は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図１４は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が三角形の複数の突起物を有する基板載置台の模式的断面図である。図１５は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が三角形の複数の突起物を有する基板載置台の電界集中効果を示す模式的断面図である。図１６は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が正弦波形の複数の突起物を有する基板載置台の模式的断面図である。図１７は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が正弦波形の複数の突起物を有する基板載置台の電界集中効果を示す模式的断面図である。図１８は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が矩形の複数の溝を有する基板載置台の模式的断面図である。図１９は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が矩形の複数の溝を有する基板載置台の電界集中効果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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成に
ついて、図１３～図１９を参照して、説明する。
図１３は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図１４は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が三角形の複数の突起物を有する基板載置台の模式的断面図である。図１５は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が三角形の複数の突起物を有する基板載置台の電界集中効果を示す模式的断面図である。図１６は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が正弦波形の複数の突起物を有する基板載置台の模式的断面図である。図１７は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が正弦波形の複数の突起物を有する基板載置台の電界集中効果を示す模式的断面図である。図１８は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が矩形の複数の溝を有する基板載置台の模式的断面図である。図１９は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である断面形状が矩形の複数の溝を有する基板載置台の電界集中効果を示す模式的断面図である。
【0025】
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装置は、図１３に示されるように、基板載置台１２は、該基板載置台の前記基板と接する主面に電界集中効果を発生する電界集中発生部材１２ａｂｃを備える。電界集中発生部材１２ａｂｃは、複数の溝又は穴又は突起物１２ａｂｃを備える。電界集中発生部材１２ａｂｃは、例えば、断面形状が三角形、正弦波形又は矩形の形態に形成される。
基板載置台１２の断面形状が三角形の場合は、図１４に符号１２ａで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の円状の山１２ａａと谷１２ａｂと基板保持用枠１２ａｃを備える。断面形状が三角形の基板載置台１２ａは、図１５に電気力線１２ａｄで示されるように、突起物特有の電界集中１２ａｅを発生する。電界集中１２ａｅが発生すると、該電界集中１２ａｅ近傍の領域１２ａｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ａの上に基板１１が載置される際、該基板の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ａｄの形は図１５の場合と同様である。
基板載置台１２ａの寸法は、反応容器７の中心軸線と同心の円状の山１２ａａと谷１２ａｂの間隔を、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山１２ａａと谷１２ａｂの高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ａは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
基板載置台１２の断面形状が正弦波形の場合は、図１６に符号１２ｂで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の山１２ｂａと谷１２ｂｂと基板保持用枠１２ｂｃを備える。 断面形状が正弦波状の基板載置台１２ｂは、図１７に電気力線１２ｂｄで示されるように、突起物特有の電界集中１２ｂｅを発生する。電界集中１２ｂｅが発生すると、該電界集中１２ｂｅ近傍の領域１２ｂｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ｂの上に基板１１が載置される際、該基板の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ｂｄの形は図１７の場合と同様である。
正弦波状の突起物の寸法は、反応容器７の中心軸線と同心の円状の山１２ｂａと谷１２ｂｂの間隔を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山１２ｂａと谷１２ｂの高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ｂは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
基板載置台１２の断面形状が矩形の場合は、図１８に符号１２ｃで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の山１２ｃａと谷（溝）１２ｃｂと基板保持用枠１２ｃｃを備える。なお、前記谷１２ｃｂを溝１２ｃｂと呼ぶ。
断面形状が矩形の基板載置台１２ｃは、図１９に電気力線１２ｃｄで示されるように、エッジを有する溝特有の電界集中１２ｃｅを発生する。電界集中１２ｃｅが発生すると、該電界集中１２ｃｅ近傍の領域１２ｃｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ｃの上に基板１１が載置される際、該基板１１の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ｃｄの形は、図１９の場合と同様である。
矩形の突起物の寸法は、反応容器７の中心軸線２１と同心の溝（谷１２ｃｂ）の幅を、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記溝の深さを、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ｃは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
基板載置台１２の断面形状が三角形の場合は、図１４に符号１２ａで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の円状の山１２ａａと谷１２ａｂと基板保持用枠１２ａｃを備える。断面形状が三角形の基板載置台１２ａは、図１５に電気力線１２ａｄで示されるように、突起物特有の電界集中１２ａｅを発生する。電界集中１２ａｅが発生すると、該電界集中１２ａｅ近傍の領域１２ａｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ａの上に基板１１が載置される際、該基板の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ａｄの形は図１５の場合と同様である。
基板載置台１２ａの寸法は、反応容器７の中心軸線と同心の円状の山１２ａａと谷１２ａｂの間隔を、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山１２ａａと谷１２ａｂの高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ａは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
基板載置台１２の断面形状が正弦波形の場合は、図１６に符号１２ｂで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の山１２ｂａと谷１２ｂｂと基板保持用枠１２ｂｃを備える。 断面形状が正弦波状の基板載置台１２ｂは、図１７に電気力線１２ｂｄで示されるように、突起物特有の電界集中１２ｂｅを発生する。電界集中１２ｂｅが発生すると、該電界集中１２ｂｅ近傍の領域１２ｂｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ｂの上に基板１１が載置される際、該基板の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ｂｄの形は図１７の場合と同様である。
正弦波状の突起物の寸法は、反応容器７の中心軸線と同心の円状の山１２ｂａと谷１２ｂｂの間隔を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記山１２ｂａと谷１２ｂの高低差を、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ｂは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
基板載置台１２の断面形状が矩形の場合は、図１８に符号１２ｃで示されるように、反応容器７の中心軸線２１と同心の山１２ｃａと谷（溝）１２ｃｂと基板保持用枠１２ｃｃを備える。なお、前記谷１２ｃｂを溝１２ｃｂと呼ぶ。
断面形状が矩形の基板載置台１２ｃは、図１９に電気力線１２ｃｄで示されるように、エッジを有する溝特有の電界集中１２ｃｅを発生する。電界集中１２ｃｅが発生すると、該電界集中１２ｃｅ近傍の領域１２ｃｆに高密度プラズマが発生する。なお、基板載置台１２ｃの上に基板１１が載置される際、該基板１１の材質が誘電体、例えば、シリコンウエハー及びダイヤモンド基板であれば、電気力線１２ｃｄの形は、図１９の場合と同様である。
矩形の突起物の寸法は、反応容器７の中心軸線２１と同心の溝（谷１２ｃｂ）の幅を、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍ、前記溝の深さを、例えば０．５ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、５ｍｍとする。
なお、基板載置台１２ｃは、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）で形成される。その理由は、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）は常磁性と導電性があり、マイクロ波による加熱効果が高く、電磁波印加により高温に加熱されやすいことと、高融点で機械的強度に優れているからである。
【0026】
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１３を参照して説明する。なお、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装置は、基板載置台１２として、基板載置台１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの中から選ぶことが出来る。
ここでは、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装置の構成部材の基板載置台１２として断面形状が矩形である基板載置台１２ｃを用いた場合について説明する。なお、基板載置台１２ｃの場合、谷１２ｃｂを溝１２ｃｂと呼ぶ。
なお、断面形状が三角形又は正弦波形である基板載置台１２ａ、１２ｂを用いた場合でも操作手順は同様である。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５を介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、基板載置台１２ｃに載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７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７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、マイクロ波電力供給装置１からアンテナ電極９へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦マイクロ波電力供給装置１の出力をゼロに落とす。
なお、基板１１及び基板載置台１２ｃは、マイクロ波の誘電加熱効果（誘電加熱∝ε・Ｅ２、ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）、磁気加熱効果（磁気加熱∝μ・H２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）及び誘導加熱効果（誘導加熱比例σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
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を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給孔１３から噴出させる。
次に、排気口１５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７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。
ここでは、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装置の構成部材の基板載置台１２として断面形状が矩形である基板載置台１２ｃを用いた場合について説明する。なお、基板載置台１２ｃの場合、谷１２ｃｂを溝１２ｃｂと呼ぶ。
なお、断面形状が三角形又は正弦波形である基板載置台１２ａ、１２ｂを用いた場合でも操作手順は同様である。
先ず、図示しない真空ポンプにより、排気口１５を介して反応容器７の内部を所定の真空度にする。
次に、基板搬入搬出通路口２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７を介して、基板１１を搬入し、基板載置台１２ｃに載置する。なお、基板搬入搬出バルブ２７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７内部の圧力を例えば、例えば、５ｋＰａに設定する。そして、マイクロ波電力供給装置１からアンテナ電極９へ、例えば、１ｋＷを供給する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。観察窓１７から図示しない放射温度計を用いて基板１１の表面温度を測定し、それが、例えば、１，０００℃になったら、一旦マイクロ波電力供給装置１の出力をゼロに落とす。
なお、基板１１及び基板載置台１２ｃは、マイクロ波の誘電加熱効果（誘電加熱∝ε・Ｅ２、ただし、ε：誘電率、E:電場の強さ）、磁気加熱効果（磁気加熱∝μ・H２、ただし、μ：透磁率、H:磁場の強さ）及び誘導加熱効果（誘導加熱比例σ・Ｅ２、ただし、σ：導電率、E:電場の強さ）により、効果的に加熱される。
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を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給孔１３から噴出させる。
次に、排気口１５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７の内部圧力を、略１ｋＰａ～略１０ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、５ｋＰａに設定し、維持する。
【0027】
次に、マイクロ波電力供給装置１の出力を、例えば、５００Ｗ～２ＫＷ、ここでは、例えば１ｋＷに設定する。この際、導波管３の付属の図示しないアイソレータ、パワーモニター（進行波、反射波）及びE・Hチューナーによりマイクロ波伝播の整合条件を整える。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℃に維持する。
そうすると、図１３に示されるように、プラズマ生成領域７ａに原料ガスのプラズマ２２ａが生成される。プラズマ２２ａは、図１９に示された基板載置台１２ｃが有する電界集中効果により高密度プラズマとなる。高密度のプラズマ２２ａの生成により、原料ガスのメタン（ＣＨ４）及び水素（Ｈ２）から高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等が発生する。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１２に示されるように、プラズマ２２ａ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。
そうすると、図１３に示されるように、プラズマ生成領域７ａに原料ガスのプラズマ２２ａが生成される。プラズマ２２ａは、図１９に示された基板載置台１２ｃが有する電界集中効果により高密度プラズマとなる。高密度のプラズマ２２ａの生成により、原料ガスのメタン（ＣＨ４）及び水素（Ｈ２）から高濃度のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈ等が発生する。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１２に示されるように、プラズマ２２ａ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。
【0028】
次に、形成されるダイヤモンドの厚みはプラズマ２２ａの生成持続の時間に比例するので、マイクロ波電力供給装置１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、ダイヤモンド合成時間は、反応容器７の寸法、アンテナ電極９の寸法及び第２の反応容器部材６の第２上面６ａとアンテナ電極９の主面９ａの間隔、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７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２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７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。
なお、ダイヤモンド合成時間は、反応容器７の寸法、アンテナ電極９の寸法及び第２の反応容器部材６の第２上面６ａとアンテナ電極９の主面９ａの間隔、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７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２６ａから、基板搬入搬出通路口２６ａ及び基板搬入搬出バルブ２７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。
【0029】
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ダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、外観が逆円錐形状アンテナ電極９と外観が逆円錐台形状で中空の第１の反応容器部材５を組み合わせて形成されたマイクロ波電力導入路を有することから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制されるとともに、プラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能である。本発明の装置ではゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生することから、マイクロ波の波長をλとすると、略０．４λ～０．５λの範囲に一様なプラズマを形成可能である。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
更に、基板載置台１２ａｂｃ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が有する電界集中効果による高密度プラズマの生成が可能となり、ダイヤモンド合成速度の向上が可能となる。
したがって、基板の面積が広い場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が狭い場合は供給電力の周波数を高く、例えば、６００ＭＨｚ～３ＧＨｚの帯域に設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純形であり、該反応容器の製造が容易で製造コストが低減化されるという効果を奏する。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
更に、基板載置台１２ａｂｃ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が有する電界集中効果による高密度プラズマの生成が可能となり、ダイヤモンド合成速度の向上が可能となる。
したがって、基板の面積が広い場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が狭い場合は供給電力の周波数を高く、例えば、６００ＭＨｚ～３ＧＨｚの帯域に設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純形であり、該反応容器の製造が容易で製造コストが低減化されるという効果を奏する。
【0030】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成に
ついて、図２０及び図２１を参照して、説明する。
図２０は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図２１は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である突起物を備えた原料ガス噴出箱の模式的斜視図である。図２２は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面に対向する反応容器の内壁に配置された突起物の電界集中効果を示す模式的断面図である。
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成に
ついて、図２０及び図２１を参照して、説明する。
図２０は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図２１は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材である突起物を備えた原料ガス噴出箱の模式的斜視図である。図２２は本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の構成部材であるアンテナ電極の主面に対向する反応容器の内壁に配置された突起物の電界集中効果を示す模式的断面図である。
【0031】
図２０及び図２１において、符号１３ａは原料ガス噴出箱である。原料ガス噴出箱１３ａは、アンテナ電極９の主面９ａに対向して配置される。
原料ガス噴出箱１３ａは、ガス分散空洞１３ｂと、複数の原料ガス噴出孔１３ｃと、複数の突起物１３ｄから構成される。
複数の突起物１３ｄは、断面形状が三角形、正弦波状又は矩形であり、反応容器７の中心軸線２１と同心に配置される。
断面形状が三角形の複数の突起物１３ｄは、図２２に電気力線１３ｄｄで示されるように、突起物特有の電界集中１３ｄｅを発生する。電界集中１３ｄｅが発生すると、該電界集中１３ｄｅ近傍の領域１３ｄｆに高密度プラズマ２２ｃが発生する。
ガス分散空洞１３ｂは、原料ガス導入口１３から供給される原料ガスを分散して下流側の原料ガス噴出孔１３ｃへ供給する。原料ガス噴出孔１３ｃの孔径は、０．３～１．０ｍｍである。
原料ガス噴出箱１３ａは、ガス分散空洞１３ｂと、複数の原料ガス噴出孔１３ｃと、複数の突起物１３ｄから構成される。
複数の突起物１３ｄは、断面形状が三角形、正弦波状又は矩形であり、反応容器７の中心軸線２１と同心に配置される。
断面形状が三角形の複数の突起物１３ｄは、図２２に電気力線１３ｄｄで示されるように、突起物特有の電界集中１３ｄｅを発生する。電界集中１３ｄｅが発生すると、該電界集中１３ｄｅ近傍の領域１３ｄｆに高密度プラズマ２２ｃが発生する。
ガス分散空洞１３ｂは、原料ガス導入口１３から供給される原料ガスを分散して下流側の原料ガス噴出孔１３ｃへ供給する。原料ガス噴出孔１３ｃの孔径は、０．３～１．０ｍｍである。
【0032】
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の操作手順は、上述の本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置の場合と同様である
【0033】
以上の説明で示されたように、本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、アンテナ電極９の主面９ａに対向して配置される断面形状が三角形、正弦波形又は矩形の複数の突起物１３ｄが有する電界集中効果により、高密度のプラズマ２２ｃを生成することが可能である。その結果、ダイヤモンドを高速で合成することが可能となる。
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、外観が逆円錐形状アンテナ電極９と外観が逆円錐台形状で中空の第１の反応容器部材５を組み合わせて形成されたマイクロ波電力導入路を有することから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制されるとともに、プラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能である。本発明の装置ではゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生することから、マイクロ波の波長をλとすると、略０．４λ～０．５λの範囲に一様なプラズマを形成可能である。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短
縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
更に、アンテナ電極９の主面９ａに対向して配置される断面形状が三角形、正弦波形又は矩形の複数の突起物１３ｄが有する電界集中効果による高密度プラズマの生成が可能となり、ダイヤモンド合成速度の向上が可能となる。
したがって、基板の面積が広い場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が狭い場合は供給電力の周波数を高く、例えば、６００ＭＨｚ～３ＧＨｚの帯域に設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純形であり、該反応容器の製造が容易で製造コストが低減化されるという効果を奏する。
本発明の第３の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置は、本発明の第１及び第２の実施形態に係わるダイヤモンド合成用プラズマＣＶＤ装置と同様に、外観が逆円錐形状アンテナ電極９と外観が逆円錐台形状で中空の第１の反応容器部材５を組み合わせて形成されたマイクロ波電力導入路を有することから、該マイクロ波電力導入路での電力損失が抑制されるとともに、プラズマ生成領域においてゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生し、高密度プラズマの生成が可能である。本発明の装置ではゼロ次のベッセル関数型の定在波が発生することから、マイクロ波の波長をλとすると、略０．４λ～０．５λの範囲に一様なプラズマを形成可能である。
例えば、電源周波数が２．４５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短
縮率を０．７５、λ＝１２２ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝３６．６ｍｍ～４５．７５ｍｍである。
例えば、電源周波数が９１５ＧＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝３２６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．７５ｘ０．５λ＝９７．８ｍｍ～１２２ｍｍである。
例えば、電源周波数が３００ＭＨｚの場合、一様なプラズマは、プラズマ中の波長短縮率を０．７５、λ＝９９６ｍｍとして、０．７５ｘ０．４λ～０．５λ＝２９８ｍｍ～３７３ｍｍである。
更に、アンテナ電極９の主面９ａに対向して配置される断面形状が三角形、正弦波形又は矩形の複数の突起物１３ｄが有する電界集中効果による高密度プラズマの生成が可能となり、ダイヤモンド合成速度の向上が可能となる。
したがって、基板の面積が広い場合は供給電力の周波数を低く、例えば、３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚの帯域に設定し、該基板の面積が狭い場合は供給電力の周波数を高く、例えば、６００ＭＨｚ～３ＧＨｚの帯域に設定することにより、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る。また、反応容器の構造が単純形であり、該反応容器の製造が容易で製造コストが低減化されるという効果を奏する。
【符号の説明】
【0034】
１・・・マイクロ波電力供給装置、
２・・・同軸導波管変換器、
３・・・導波管、
４・・・第３の反応容器部材、
５・・・第１の反応容器部材、
６・・・第２の反応容器部材、
７・・・反応容器、
８・・・誘電体製アンテナ支持材、
９・・・逆円錐形状のアンテナ電極、
１０・・・同軸型電力供給手段、
１０ａ・・・中心導体、
１０ｂ・・・誘電体、
１０ｃ・・・外部導体、
１１・・・基板、
１２・・・基板載置台、
１２ａ・・・断面形状が三角形の基板載置台、
１２ｂ・・・ 断面形状が正弦波状の基板載置台、
１２ｃ・・・ 断面形状が矩形の基板載置台、
１３・・・原料ガス供給孔、
１３ａ・・・原料ガス噴出箱、
１３ｃ・・・原料ガス噴出孔１３ｃ、
１３ｄ・・・突起物、
１５・・・排気口、
１７・・・観察窓、
２２、２２ａ、２２ｃ・・・プラズマ、
２６ａ・・・基板搬入搬出口、
２７・・・基板搬入搬出バルブ。
２・・・同軸導波管変換器、
３・・・導波管、
４・・・第３の反応容器部材、
５・・・第１の反応容器部材、
６・・・第２の反応容器部材、
７・・・反応容器、
８・・・誘電体製アンテナ支持材、
９・・・逆円錐形状のアンテナ電極、
１０・・・同軸型電力供給手段、
１０ａ・・・中心導体、
１０ｂ・・・誘電体、
１０ｃ・・・外部導体、
１１・・・基板、
１２・・・基板載置台、
１２ａ・・・断面形状が三角形の基板載置台、
１２ｂ・・・ 断面形状が正弦波状の基板載置台、
１２ｃ・・・ 断面形状が矩形の基板載置台、
１３・・・原料ガス供給孔、
１３ａ・・・原料ガス噴出箱、
１３ｃ・・・原料ガス噴出孔１３ｃ、
１３ｄ・・・突起物、
１５・・・排気口、
１７・・・観察窓、
２２、２２ａ、２２ｃ・・・プラズマ、
２６ａ・・・基板搬入搬出口、
２７・・・基板搬入搬出バルブ。
【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】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】