(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】P2024096483
(43)【公開日】2024-07-12
(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 16/50 20060101AFI20240705BHJP
C23C 16/26 20060101ALI20240705BHJP
H05H 1/46 20060101ALI20240705BHJP
【ＦＩ】
C23C16/50
C23C16/26
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 2024079884
(22)【出願日】2024-05-16
(71)【出願人】
【識別番号】303034908
【氏名又は名称】村田 正義
(72)【発明者】
【氏名】村田正義
(57)【要約】
【課題】
従来のマイクロ波プラズマ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以下であることから、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。前記問題を解決可能なマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供すること。
【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、プラズマ発生にダブルリッジ型導波管から成る反応室を用い、２つのマイクロ波を時間的に交互に発生し、それぞれを第１及び第２のアンテナで２つに分岐して前記反応室へ対向して供給し、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ことを特徴とする。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
従来のマイクロ波プラズマ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以下であることから、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。前記問題を解決可能なマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供すること。
【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、プラズマ発生にダブルリッジ型導波管から成る反応室を用い、２つのマイクロ波を時間的に交互に発生し、それぞれを第１及び第２のアンテナで２つに分岐して前記反応室へ対向して供給し、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ことを特徴とする。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とともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口と第２の電力供給口を備える反応室と、
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のアンテナを備えた第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のアンテナを備えた第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、
互いに対向して配置される第１の開口と第２の開口を有するとともに、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが配置されて前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する電力供給室と、
前記電力供給室の第１の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第１の電力供給口に連通して接続された第１の電力伝播室と、前記電力供給室の第２の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第２の電力供給口に連通して接続された第２の電力伝播室と、を備え、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され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とともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口と第２の電力供給口を備える反応室と、
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のアンテナを備えた第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のアンテナを備えた第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、
互いに対向して配置される第１の開口と第２の開口を有するとともに、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが配置されて前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する電力供給室と、
前記電力供給室の第１の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第１の電力供給口に連通して接続された第１の電力伝播室と、前記電力供給室の第２の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第２の電力供給口に連通して接続された第２の電力伝播室と、を備え、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定され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２のアンテナの間隔は、第１のマイクロ波の波長をλ、自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２を目安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】
前記電力供給室は、前記第１のアンテナが配置され、前記第１のマイクロ波を前記反応室へ供給する第１の電力供給室と、前記第１の電力供給室に隣接して配置されるとともに、前記第２のアンテナが配置され、前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する第２の電力供給室を備える２室構造の電力供給室であることを特徴とする請求項１または請求項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の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、方形導波管で形成され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の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、環状に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４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】
前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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】
前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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とともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口と第２の電力供給口を備える反応室と、
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のアンテナを備えた第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のアンテナを備えた第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、
互いに対向して配置される第１の開口と第２の開口を有するとともに、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが配置されて前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する電力供給室と、
前記電力供給室の第１の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第１の電力供給口に連通して接続された第１の電力伝播室と、前記電力供給室の第２の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第２の電力供給口に連通して接続された第２の電力伝播室と、を備え、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定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、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔は、第１のマイクロ波の波長をλ、自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２を目安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、前記電力供給室は、前記第１のアンテナが配置され、前記第１のマイクロ波を前記反応室へ供給する第１の電力供給室と、前記第１の電力供給室に隣接して配置されるとともに、前記第２のアンテナが配置され、前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する第２の電力供給室を備える２室構造の電力供給室であ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において、前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、方形導波管で形成されることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、環状に配置され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、前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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、前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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とともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口と第２の電力供給口を備える反応室と、
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のアンテナを備えた第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のアンテナを備えた第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、
互いに対向して配置される第１の開口と第２の開口を有するとともに、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが配置されて前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する電力供給室と、
前記電力供給室の第１の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第１の電力供給口に連通して接続された第１の電力伝播室と、前記電力供給室の第２の開口に連通して接続され、且つ前記反応室の前記第２の電力供給口に連通して接続された第２の電力伝播室と、を備え、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に設定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、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔は、第１のマイクロ波の波長をλ、自然数をｎと表す時、λ／４＋ｎλ／２を目安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、前記電力供給室は、前記第１のアンテナが配置され、前記第１のマイクロ波を前記反応室へ供給する第１の電力供給室と、前記第１の電力供給室に隣接して配置されるとともに、前記第２のアンテナが配置され、前記第２のマイクロ波を前記反応室へ供給する第２の電力供給室を備える２室構造の電力供給室であ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において、前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、方形導波管で形成されることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか一つにおいて、前記第１の電力伝播室及び前記第２の電力伝播室は、環状に配置され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、前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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、前記原料ガス導入手段から導入する前記原料ガスは、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、プラズマ発生にダブルリッジ型導波管から成る反応室を用い、２つのマイクロ波を時間的に交互に発生し、それぞれを第１及び第２のアンテナで２つに分岐して前記反応室へ対向して供給し、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ことにより、プラズマの一様化を図ることが可能となり、大面積で高品質な膜を均一に製膜することができる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。
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】
【図10】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装置の反応室において第１のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ１１とＷ１２及び第２のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ２１とＷ２２及を示す模式図である。
【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装置の構成部材である（ａ）第１の電力伝播室、（ｂ）反応室及び（ｃ）第２の電力伝播室の接続部を示す模式的断面斜視図である。図４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装置の反応室を構成するダブルリッジ導波管を示す模式図である。図６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装置の構成部材である電力供給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装置の構成部材である電力供給室の構造を示す模式的断面図である。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装置の反応室において第１のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ１１とＷ１２及び第２のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ２１とＷ２２及を示す模式図である。図１１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装置の反応室に形成される（ａ）第１の定在波及び（ｂ）第２の定在波のそれぞれの腹の位置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装置の構成部材である（ａ）第１の電力伝播室、（ｂ）反応室及び（ｃ）第２の電力伝播室の接続部を示す模式的断面斜視図である。図４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装置の反応室を構成するダブルリッジ導波管を示す模式図である。図６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装置の構成部材である電力供給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装置の構成部材である電力供給室の構造を示す模式的断面図である。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装置の反応室において第１のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ１１とＷ１２及び第２のマイクロ波の互いに対向する進行波Ｗ２１とＷ２２及を示す模式図である。図１１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装置の反応室に形成される（ａ）第１の定在波及び（ｂ）第２の定在波のそれぞれの腹の位置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１１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１３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と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段１０を有するとともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口１ａａと第２の電力供給口１ａｂを備える反応室１ａ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５ａａを備えた第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５ｂｂを備えた第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第１の電力供給タイミング制御装置４と、
互いに対向する第１の開口６ａａと第２の開口６ａｂを有するとともに、前記第１のアンテナ５ａａが配置され前記第１のマイクロ波を前記反応室１ａへ供給する第１の電力供給室６ａと前記第２のアンテナ５ｂｂが配置され前記第２のマイクロ波を前記反応室１ａへ供給する第２の電力供給室６ｂを備える２室構造の電力供給室６と、
前記電力供給室６の一方の端部（第１の開口６ａａ）に連通して接続され、且つ前記反応室の第１の電力供給口１ａａに連通して接続された第１の電力伝播室７ａと、前記電力供給室６の他方の端部（第２の開口６ｂｂ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの第２の電力供給口１ａｂに連通して接続された第２の電力伝播室７ｂと、を備える。
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装置において、前記第１のアンテナ５ａａから放射された前記第１のマイクロ波の前記第１の電力伝播室７ａから前記反応室１ａに伝播する第１の進行波Ｗ１１と、前記第１のアンテナ５ａａから放射された前記第１のマイクロ波の前記第２の電力伝播室７ｂから前記反応室１ａに伝播する第２の進行波Ｗ１２が前記反応室内１ａで干渉して第１の定在波Ｉ１（ｘ）を発生し、
前記第２のアンテナ５ｂｂから放射された前記第２のマイクロ波の前記第１の電力伝播室７ａから前記反応室１ａに伝播する第３の進行波Ｗ２１と、前記第２のアンテナ５ｂｂから放射された前記第２のマイクロ波の前記第２の電力伝播室７ｂから前記反応室１ａに伝播する第４の進行波Ｗ２２が前記反応室内で干渉して第２の定在波Ｉ２（ｘ）を発生する。
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装置において、前記第１のアンテナ５ａａと前記第２のアンテナ５ｂｂの間隔はマイクロ波の波長の１／４に設定される。これにより、前記第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と前記第２の定在波Ｉ２（ｘ）の腹の間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に制御され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１３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と前記基板の温度を調整する基板温度調整手段１０を有するとともに、互いに対向する位置関係にある第１の電力供給口１ａａと第２の電力供給口１ａｂを備える反応室１ａ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５ａａを備えた第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５ｂｂを備えた第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第１の電力供給タイミング制御装置４と、
互いに対向する第１の開口６ａａと第２の開口６ａｂを有するとともに、前記第１のアンテナ５ａａが配置され前記第１のマイクロ波を前記反応室１ａへ供給する第１の電力供給室６ａと前記第２のアンテナ５ｂｂが配置され前記第２のマイクロ波を前記反応室１ａへ供給する第２の電力供給室６ｂを備える２室構造の電力供給室６と、
前記電力供給室６の一方の端部（第１の開口６ａａ）に連通して接続され、且つ前記反応室の第１の電力供給口１ａａに連通して接続された第１の電力伝播室７ａと、前記電力供給室６の他方の端部（第２の開口６ｂｂ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの第２の電力供給口１ａｂに連通して接続された第２の電力伝播室７ｂと、を備える。
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装置において、前記第１のアンテナ５ａａから放射された前記第１のマイクロ波の前記第１の電力伝播室７ａから前記反応室１ａに伝播する第１の進行波Ｗ１１と、前記第１のアンテナ５ａａから放射された前記第１のマイクロ波の前記第２の電力伝播室７ｂから前記反応室１ａに伝播する第２の進行波Ｗ１２が前記反応室内１ａで干渉して第１の定在波Ｉ１（ｘ）を発生し、
前記第２のアンテナ５ｂｂから放射された前記第２のマイクロ波の前記第１の電力伝播室７ａから前記反応室１ａに伝播する第３の進行波Ｗ２１と、前記第２のアンテナ５ｂｂから放射された前記第２のマイクロ波の前記第２の電力伝播室７ｂから前記反応室１ａに伝播する第４の進行波Ｗ２２が前記反応室内で干渉して第２の定在波Ｉ２（ｘ）を発生する。
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装置において、前記第１のアンテナ５ａａと前記第２のアンテナ５ｂｂの間隔はマイクロ波の波長の１／４に設定される。これにより、前記第１の定在波Ｉ１（ｘ）の腹と前記第２の定在波Ｉ２（ｘ）の腹の間隔が前記第１のマイクロ波の波長の１／４に制御されることを特徴とする。
【0017】
反応室１ａは、図５に示されるダブルリッジ導波管１３の構造を有する。反応室１ａは、図２及び図３に示されるように、第１の電力供給口１ａａが第１の電力伝播室７ａに連通して接続され、第２の電力供給口１ａｂが第２の電力伝播室７ｂに連通して接続される。
なお、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、第１の電力伝播室７ａは方形導波管の構造を有し、反応室１ａはダブルリッジ導波管１３の構造を有し、第２の電力伝播室７ｂは方形導波管の構造を有する。
ダブルリッジ導波管１３は、図５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５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。
反応室１ａにマイクロ波が供給された際、第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間に発生する電界分布は、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）において一様になる特性があることが、知られている。なお、図６（ａ）は電気力線を示す模式図、図６（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。
なお、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、第１の電力伝播室７ａは方形導波管の構造を有し、反応室１ａはダブルリッジ導波管１３の構造を有し、第２の電力伝播室７ｂは方形導波管の構造を有する。
ダブルリッジ導波管１３は、図５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５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。
反応室１ａにマイクロ波が供給された際、第１のリッジ電極１２ａと第２のリッジ電極１２ｂの間に発生する電界分布は、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように、リッジ部の幅方向（ｙ方向）において一様になる特性があることが、知られている。なお、図６（ａ）は電気力線を示す模式図、図６（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４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に密接して設けられた基板温度調整手段１０と、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４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のマイクロ波を供給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５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）は任意に決められる。
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４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のマイクロ波を供給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５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）は任意に決められる。
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４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、反応室１ａ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４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、反応室１ａ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】
電力供給系について説明する。電力供給系は、第１のマイクロ波を発生し供給する第１の電源系統と、第２のマイクロ波を発生し供給する第２の電源系統を備えている。
第１の電源系統は、図２及び図７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、第１の同軸線路５ａに接続された第１のアンテナ５ａａ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９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、後述の第１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取る。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、図２、図７及び図８に示されるように、後述の第１の電力供給室６ａの仕切り板６ｃ及び底板６ｆ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５ａａとなる。
第１の電源系統は、図２及び図７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、第１の同軸線路５ａに接続された第１のアンテナ５ａａ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９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、後述の第１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取る。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、図２、図７及び図８に示されるように、後述の第１の電力供給室６ａの仕切り板６ｃ及び底板６ｆ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５ａａとなる。
【0021】
第２の電源系統は、図２及び図７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、第２の同軸線路５ｂに接続された第２のアンテナ５ｂｂ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９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、後述の第１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取る。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、図２、図７及び図８に示されるように、それぞれ、後述の第２の電力供給室６ｂの仕切り板６ｃ及び天面６ｇ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５ｂｂ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９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、後述の第１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取る。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、図２、図７及び図８に示されるように、それぞれ、後述の第２の電力供給室６ｂの仕切り板６ｃ及び天面６ｇ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５ｂｂとなる。
【0022】
第１の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９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を制御する。
例えば、図９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を制御する。
【0023】
電力供給室６は、図７及び図８に示されるように、第１の電力供給室６ａと第２の電力供給室の２室を備える。電力供給室６の一方の端部６ａａ（第１の開口６ａａと呼ぶ）は、後述の第１の電力伝播室７ａに連通して接続される。給電室６の他方の端部６ｂｂ（第２の開口６ｂｂと呼ぶ）は、後述の第２の電力伝播室７ｂに連通して接続される。
第１の電力供給室６ａは、図７及び図８に示されるように、底板６ｆと仕切り板６ｃと第１の側板６ｄと第２の側板６ｅからなる方形導波管である。底板６ｆの中央点に第１の同軸線路５ａの外部導体が接続され、仕切り板６ｃの中央点に第１の同軸線路５ａの内部導体が接続される。
第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体５ａａ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５ａａと呼ぶ。
即ち、第１の電力供給室６ａは、第１のアンテナ５ａａと連携して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、第１の電力伝播室７ａ及び第２の電力伝播室７ｂを介して反応室１ａに供給する。
第２の電力供給室６ｂは、図７及び図８に示されるように、天板６ｇと仕切り板６ｃと第１の側板６ｄと第２の側板６ｅからなる方形導波管である。天板６ｇの中央点から導波管（長辺ｘ短辺ｘ長さ）の長さ方向で第１のマイクロ波の波長の１／４離れた位置に第２の同軸線路５ｂの外部導体が接続され、仕切り板６ｃの中央点から導波管（長辺ｘ短辺ｘ長さ）の長さ方向で第１のマイクロ波の波長の１／４離れた位置に第２の同軸線路５ｂの内部導体が接続される。
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５ｂｂと呼ぶ。
即ち、第２の電力供給室６ｂは、第２のアンテナ５ｂｂと連携して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、第１の電力伝播室７ａ及び第２の電力伝播室７ｂを介して反応室１ａに供給する。
第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂとの電力供給室６の長さ方向での間隔は、上述したように、第１のマイクロ波の波長の１／４に設定される。
また、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間隔は、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２
ただし、ｎは自然数である。
第１の電力供給室６ａは、図７及び図８に示されるように、底板６ｆと仕切り板６ｃと第１の側板６ｄと第２の側板６ｅからなる方形導波管である。底板６ｆの中央点に第１の同軸線路５ａの外部導体が接続され、仕切り板６ｃの中央点に第１の同軸線路５ａの内部導体が接続される。
第１の同軸線路５ａの端部のむき出しにされた内部導体５ａａ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５ａａと呼ぶ。
即ち、第１の電力供給室６ａは、第１のアンテナ５ａａと連携して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、第１の電力伝播室７ａ及び第２の電力伝播室７ｂを介して反応室１ａに供給する。
第２の電力供給室６ｂは、図７及び図８に示されるように、天板６ｇと仕切り板６ｃと第１の側板６ｄと第２の側板６ｅからなる方形導波管である。天板６ｇの中央点から導波管（長辺ｘ短辺ｘ長さ）の長さ方向で第１のマイクロ波の波長の１／４離れた位置に第２の同軸線路５ｂの外部導体が接続され、仕切り板６ｃの中央点から導波管（長辺ｘ短辺ｘ長さ）の長さ方向で第１のマイクロ波の波長の１／４離れた位置に第２の同軸線路５ｂの内部導体が接続される。
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５ｂｂと呼ぶ。
即ち、第２の電力供給室６ｂは、第２のアンテナ５ｂｂと連携して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、第１の電力伝播室７ａ及び第２の電力伝播室７ｂを介して反応室１ａに供給する。
第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂとの電力供給室６の長さ方向での間隔は、上述したように、第１のマイクロ波の波長の１／４に設定される。
また、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間隔は、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２
ただし、ｎは自然数である。
【0024】
第１の電力伝播室７ａは、図１及び図２に示されるように、電力供給室６から供給された第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波を反応室１ａへ伝播させる導波管で形成される。即ち、第１の電力伝播室７ａの長さ方向の一方の端部は電力供給室６の一方の端部６ａａ（第１の開口６ａａ）と連通して接続され、且つ第１の電力伝播室７ａの長さ方向の他方の端部は反応室１ａの第１の電力供給口１ａａに連通して接続される。
第２の電力伝播室７ｂは、図１及び図２に示されるように、電力供給室６から供給された第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波を反応室１ａへ伝播させる導波管で形成される。即ち、第２の電力伝播室７ｂの長さ方向の一方の端部は電力供給室６の他方の端部６ｂｂ（第２の開口６ｂｂ）と連通して接続され、且つ第２の電力伝播室７ｂの長さ方向の他方の端部は反応室１ａの第２の電力供給口１ａｂに連通して接続される。
第２の電力伝播室７ｂは、図１及び図２に示されるように、電力供給室６から供給された第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波を反応室１ａへ伝播させる導波管で形成される。即ち、第２の電力伝播室７ｂの長さ方向の一方の端部は電力供給室６の他方の端部６ｂｂ（第２の開口６ｂｂ）と連通して接続され、且つ第２の電力伝播室７ｂの長さ方向の他方の端部は反応室１ａの第２の電力供給口１ａｂに連通して接続される。
【0025】
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装置において、第１の電力供給タイミング制御装置４に制御された第１の時間帯に、第１のマイクロ波電源２ａから第１のマイクロ波を発生させると、第１のマイクロ波は、図２及び図１０に示される第１及び第２の進行波Ｗ１１、Ｗ１２のように、２つの進行波となり、反応室１ａに互いに対向した方向から供給される。
第１及び第２の進行波Ｗ１１、Ｗ１２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（２）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ１は初期位相である。初期位相θ１は第１のアンテナ５ａａの位置に依存し、時間的に一定である。
式（２）で表される定在波の腹の一つは、第１及び第２の進行波Ｗ１１とＷ１２の伝播路の長さが等しい地点Ａにおいて、腹を持つ。また、地点Ａから半波長の自然数倍離れた位置に腹を持つ。
即ち、式（２）で表される定在波は、第１のマイクロ波が、第１の進行波Ｗ１１となって第１のアンテナ５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第１の電力伝播室７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ１と、第２の進行波Ｗ１２となって第１のアンテナ５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第２の電力伝播室７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ２が等しい地点Ａに発生する。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、Ａ地点からｎλ／２の間隔で腹が現れる。
第１及び第２の進行波Ｗ１１、Ｗ１２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ１（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（２）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ１は初期位相である。初期位相θ１は第１のアンテナ５ａａの位置に依存し、時間的に一定である。
式（２）で表される定在波の腹の一つは、第１及び第２の進行波Ｗ１１とＷ１２の伝播路の長さが等しい地点Ａにおいて、腹を持つ。また、地点Ａから半波長の自然数倍離れた位置に腹を持つ。
即ち、式（２）で表される定在波は、第１のマイクロ波が、第１の進行波Ｗ１１となって第１のアンテナ５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第１の電力伝播室７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ１と、第２の進行波Ｗ１２となって第１のアンテナ５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第２の電力伝播室７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ２が等しい地点Ａに発生する。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、Ａ地点からｎλ／２の間隔で腹が現れる。
【0026】
第１の電力供給タイミング制御装置４に制御された第２の時間帯に、第２のマイクロ波電源２ｂから第２のマイクロ波を発生させると、第２のマイクロ波は、図２及び図１０に示される第３及び第４の進行波Ｗ２１、Ｗ２２のように、２つの進行波となり、反応室１ａに互いに対向した方向から供給される。
第３及び第４の進行波Ｗ２１、Ｗ２２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ２（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２） ・・・（３）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ２は初期位相である。
式（３）で表される定在波は、第３及び第４の進行波Ｗ２１とＷ２２の伝播路の長さが等しい地点Ｂに腹をもつ。
式（３）で表される定在波の腹の位置は、第２のマイクロ波が、第３の進行波Ｗ２１となって第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第１の電力伝播室７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ３と、第４の電力波Ｗ２２となって第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第２の電力伝播室７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ４とが等しい地点Ｂである。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、地点Ｂからｎλ／２の間隔で腹が現れる。
地点Ａと地点Ｂは、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間の距離ΔＬに依存する。図２において、第２のアンテナ５ｂｂは、第１のアンテナ５ａａの左側に位置しているので、地点Ｂは地点Ａの右側に位置する。
改めて、図１０及び図１１に、地点Ａと地点Ｂを示す。地点Ａと地点Ｂは、２つの定在波の式（２）と式（３）で見ると、位相θ１及びθ２に反映されている。Ａ地点とＢ地点の間隔は、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間隔に依存する。
Ａ地点とＢ地点の距離をΔＬとすると、初期位相差（θ２―θ１）は次のようになる。
θ２―θ１＝（ΔＬ）ｘ（２πｘ／λ）・・・・・（４）
ΔＬをλ／４とすると、式（４）は次のようになる。
θ２―θ１＝π／２ ・・・・・（５）
即ち、θ２＝π／２＋θ１ 、となる。
式（３）を書き換えると、次のようになる。
Ｉ２（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２）
＝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１＋π／２）
＝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（６）
第３及び第４の進行波Ｗ２１、Ｗ２２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ２（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２） ・・・（３）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ２は初期位相である。
式（３）で表される定在波は、第３及び第４の進行波Ｗ２１とＷ２２の伝播路の長さが等しい地点Ｂに腹をもつ。
式（３）で表される定在波の腹の位置は、第２のマイクロ波が、第３の進行波Ｗ２１となって第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第１の電力伝播室７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ３と、第４の電力波Ｗ２２となって第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第２の電力伝播室７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ４とが等しい地点Ｂである。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、地点Ｂからｎλ／２の間隔で腹が現れる。
地点Ａと地点Ｂは、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間の距離ΔＬに依存する。図２において、第２のアンテナ５ｂｂは、第１のアンテナ５ａａの左側に位置しているので、地点Ｂは地点Ａの右側に位置する。
改めて、図１０及び図１１に、地点Ａと地点Ｂを示す。地点Ａと地点Ｂは、２つの定在波の式（２）と式（３）で見ると、位相θ１及びθ２に反映されている。Ａ地点とＢ地点の間隔は、第１のアンテナ５ａａと第２のアンテナ５ｂｂの間隔に依存する。
Ａ地点とＢ地点の距離をΔＬとすると、初期位相差（θ２―θ１）は次のようになる。
θ２―θ１＝（ΔＬ）ｘ（２πｘ／λ）・・・・・（４）
ΔＬをλ／４とすると、式（４）は次のようになる。
θ２―θ１＝π／２ ・・・・・（５）
即ち、θ２＝π／２＋θ１ 、となる。
式（３）を書き換えると、次のようになる。
Ｉ２（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２）
＝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１＋π／２）
＝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（６）
【0027】
上記式（２）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）と、上記式（６）で表される第２の定在波Ｉ２（ｘ）は、第１の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、反応室１ａ内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（７）で表されるように、反応室１ａ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＋θ１）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）
＝１ ・・・（７）
なお、ダブルリッジ電極の特性（図６に図示）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。
なお、Ａ地点とＢ地点の距離ΔＬは、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（８）
ただし、ｎは自然数である。
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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。
なお、上記式（２）及び式（３）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）、第２の定在波Ｉ２（ｘ）、及び上記式（７）で表されるプラズマの発生状況は、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。
その結果、反応室１ａ内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（７）で表されるように、反応室１ａ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＋θ１）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）
＝１ ・・・（７）
なお、ダブルリッジ電極の特性（図６に図示）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。
なお、Ａ地点とＢ地点の距離ΔＬは、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（８）
ただし、ｎは自然数である。
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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。
なお、上記式（２）及び式（３）で表される第１の定在波Ｉ１（ｘ）、第２の定在波Ｉ２（ｘ）、及び上記式（７）で表されるプラズマの発生状況は、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。
【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１２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１２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のマイクロ波電力の最適値）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決められる。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。
図１２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のマイクロ波電力の最適値）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決められる。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。
【0029】
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、第１のアンテナ５ａａを用いて、第１のマイクロ波を第１の電力供給室６ａへ供給する。そうすると、第１の電力供給室６ａに供給された第１のマイクロ波は、第１の進行波Ｗ１１として第１の電力伝播室７ａを通り、第１の電力供給口１ａａから反応室１ａに供給されるとともに、第２の進行波Ｗ１２として第２の電力伝播室７ｂを通り、第２の電力供給口１ａｂから反応室１ａに供給される。その結果、反応室１ａ内部に第１の定在波Ｉ１（ｘ）：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）が発生する。
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（２）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＋θ１） ・・・（２）
ただし、θ１は初期位相である。
式（２）で表されるプラズマ発光の最大箇所は腹であり、反応室１ａの中央近傍に現れる。
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Ｓ１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のマイクロ波電源２ａを一旦ゼロに戻す。
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、第１のアンテナ５ａａを用いて、第１のマイクロ波を第１の電力供給室６ａへ供給する。そうすると、第１の電力供給室６ａに供給された第１のマイクロ波は、第１の進行波Ｗ１１として第１の電力伝播室７ａを通り、第１の電力供給口１ａａから反応室１ａに供給されるとともに、第２の進行波Ｗ１２として第２の電力伝播室７ｂを通り、第２の電力供給口１ａｂから反応室１ａに供給される。その結果、反応室１ａ内部に第１の定在波Ｉ１（ｘ）：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）が発生する。
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（２）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＋θ１） ・・・（２）
ただし、θ１は初期位相である。
式（２）で表されるプラズマ発光の最大箇所は腹であり、反応室１ａの中央近傍に現れる。
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Ｓ１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のマイクロ波電源２ａを一旦ゼロに戻す。
【0030】
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５ｂｂを用いて、第２のマイクロ波を第２の電力供給室６ｂへ供給する。
そうすると、第２の電力供給室６ｂに供給された第２のマイクロ波は、第３の進行波Ｗ２１として第１の電力伝播室７ａを通り、第１の電力供給口１ａａから反応室１ａに供給されるとともに、第４の進行波Ｗ２２として第２の電力伝播室７ｂを通り、第２の電力供給口１ａｂから反応室１ａに供給される。その結果、反応室１ａ内部に第２の定在波Ｉ２（ｘ）：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）が発生する。
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、次式（６）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＋θ１） ・・・（６）
ただし、θ１は初期位相である。
次に、式（６）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Ｓ１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にあることを確認する。
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）の腹の位置の間隔がマイクロ波の波長の１／４であることを確認すること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、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。
そうすると、第２の電力供給室６ｂに供給された第２のマイクロ波は、第３の進行波Ｗ２１として第１の電力伝播室７ａを通り、第１の電力供給口１ａａから反応室１ａに供給されるとともに、第４の進行波Ｗ２２として第２の電力伝播室７ｂを通り、第２の電力供給口１ａｂから反応室１ａに供給される。その結果、反応室１ａ内部に第２の定在波Ｉ２（ｘ）：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）が発生する。
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、次式（６）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＋θ１） ・・・（６）
ただし、θ１は初期位相である。
次に、式（６）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Ｓ１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にあることを確認する。
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）の腹の位置の間隔がマイクロ波の波長の１／４であることを確認すること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、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。
【0031】
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。
【0032】
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、第１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５ａａ及び第２のアンテナ５ｂｂに供給する。そうすると、前記式（２）と式（６）で表される第１の定在波：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）と、第２の定在波：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）が時間的に交互に発生するので、時間的に平均化され、一様なプラズマが発生する。。
反応室１ａ内部のプラズマの状況が、観測窓１７から確認される。観測窓１７から観測されるプラズマ発光の分布が一様であることを確認する。
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、例えば、１，０００℃であることを確認する。
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１２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が、観測窓１７から確認される。観測窓１７から観測されるプラズマ発光の分布が一様であることを確認する。
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、例えば、１，０００℃であることを確認する。
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１２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。
【0033】
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、反応室１ａ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、反応室１ａ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。
【0034】
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、第１の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５ａａと第１の電力供給室６ａと第１及び第２の電力伝播室７ａ、７ｂを用いて反応室１ａに第１の定在波：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）を発生させ、前記第１の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５ｂｂと第２の電力供給室６ｂと第１及び第２の電力伝播室７ａ、７ｂ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：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）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、上記第１の定在波：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）と、上記第２の定在波：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）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（７）で表されるように、反応室１ａ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 ・・・（７）
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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、上記第１の定在波：ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１）と、上記第２の定在波：ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）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（７）で表されるように、反応室１ａ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 ・・・（７）
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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。
【0035】
（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１３及び図１４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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である電力供給室の構成を示す断面図である。
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装置は、図１３及び図１４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１３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、
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１の電力供給室６ａ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２５ａａ、を備える第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１の電力供給室６ｂ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２５ｂｂ、を備える第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、を備える。
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。第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂにマグネトロンを用いると、ソリッドステート型マイクロ波電源を用いる場合に比べて装置コストを低減できるというメリットがある。
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１３及び図１４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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の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マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成部材である電力供給室の構成を示す断面図である。
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装置は、図１３及び図１４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１３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、
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１の電力供給室６ａ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２５ａａ、を備える第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１の電力供給室６ｂ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２５ｂｂ、を備える第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、を備える。
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。第３及び第４のマイクロ波電源２２ａ、２２ｂにマグネトロンを用いると、ソリッドステート型マイクロ波電源を用いる場合に比べて装置コストを低減できるというメリットがある。
【0036】
第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間隔は、電力供給室６の長さ方向において、第３のマイクロ波の波長の１／４に設定される。
なお、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間隔は、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（８）
ただし、ｎは自然数である。
なお、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間隔は、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（８）
ただし、ｎは自然数である。
【0037】
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、上記本発明の第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の電力伝播室７ａに代えて第３の電力伝播室２７ａを、第２の電力伝播室７ｂに代えて第４の電力伝播室２７ｂを用いる。
第３の電力伝播室２７ａは、環状の矩形導波管で形成される。第３の電力伝播室２７ａは、電力供給室６の一方の端部（第１の開口６ａａ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの長さ方向の一方の端部１ａａに連通して接続される。
第３の電力伝播室２７ａは、第３のアンテナ２５ａａが放射する第３のマイクロ波の一部分を第５の進行波Ｗ３１として、前記反応室１ａへ送電する。また、第３の電力伝播室２７ａは、第４のアンテナ２５ｂｂが放射する第４のマイクロ波の一部分を第７の進行波Ｗ４１として、前記反応室１ａへ送電する。
第４の電力伝播室２７ｂは、環状の矩形導波管で形成される。第４の電力伝播室２７ｂは、電力供給室６の他方の端部（第２の開口６ｂｂ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの長さ方向の他方の端部１ａｂに連通して接続される。
第４の電力伝播室２７ｂは、第３のアンテナ２５ａａが放射する第３のマイクロ波の一部分を第６の進行波Ｗ３２として、前記反応室１ａへ送電する。また、第４の電力伝播室２７ｂは、第４のアンテナ２５ｂｂが放射する第４のマイクロ波の一部分を第８の進行波Ｗ４２として、前記反応室１ａへ送電する。
第３及び第４の電力伝播室２７ａ、２７ｂは、半円形状の矩形導波管で形成されることから、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曲面形状の無い矩形導波管を複数個組み合わせて用いる場合に比べて、装置製造コストが安いというメリットがある。
第３の電力伝播室２７ａは、環状の矩形導波管で形成される。第３の電力伝播室２７ａは、電力供給室６の一方の端部（第１の開口６ａａ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの長さ方向の一方の端部１ａａに連通して接続される。
第３の電力伝播室２７ａは、第３のアンテナ２５ａａが放射する第３のマイクロ波の一部分を第５の進行波Ｗ３１として、前記反応室１ａへ送電する。また、第３の電力伝播室２７ａは、第４のアンテナ２５ｂｂが放射する第４のマイクロ波の一部分を第７の進行波Ｗ４１として、前記反応室１ａへ送電する。
第４の電力伝播室２７ｂは、環状の矩形導波管で形成される。第４の電力伝播室２７ｂは、電力供給室６の他方の端部（第２の開口６ｂｂ）に連通して接続され、且つ前記反応室１ａの長さ方向の他方の端部１ａｂに連通して接続される。
第４の電力伝播室２７ｂは、第３のアンテナ２５ａａが放射する第３のマイクロ波の一部分を第６の進行波Ｗ３２として、前記反応室１ａへ送電する。また、第４の電力伝播室２７ｂは、第４のアンテナ２５ｂｂが放射する第４のマイクロ波の一部分を第８の進行波Ｗ４２として、前記反応室１ａへ送電する。
第３及び第４の電力伝播室２７ａ、２７ｂは、半円形状の矩形導波管で形成されることから、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曲面形状の無い矩形導波管を複数個組み合わせて用いる場合に比べて、装置製造コストが安いというメリットがある。
【0038】
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装置において、第２の電力供給タイミング制御装置２４に制御された第３の時間帯に、第３のマイクロ波電源２２ａから第３のマイクロ波を発生させると、第３のマイクロ波は、図１３に示されるＷ３１、Ｗ３２のように、２つの進行波となり、反応室１ａに互いに対向した方向から供給される。
２つの進行波Ｗ３１、Ｗ３２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（９）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λは第３のマイクロ波の波長、θ１は初期位相である。初期位相θ１は、第３のアンテナ５ａａの位置に依存し、時間的に一定である。
式（９）で表される定在波の腹の一つは、２つの進行波Ｗ３１とＷ３２の伝播路の長さが等しい地点Ｃに現れる。また、地点Ａから半波長の自然数倍離れた位置に腹を持つ。
即ち、式（２）で表される定在波の腹の位置は、第３のマイクロ波が、第５の進行波Ｗ３１となって第３のアンテナ２５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第３の電力伝播室２７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ５と、第６の波Ｗ３２となって第３のアンテナ２５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第４の電力伝播室２７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ６が等しい地点Ｃである、例えば、図１３に示される地点Ｃである。
なお、式（９）で表される定在波の腹は、波長をλ、ｎを自然数とすると、地点Ｃからｎλ／２の間隔で現れる。
２つの進行波Ｗ３１、Ｗ３２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ３（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（９）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λは第３のマイクロ波の波長、θ１は初期位相である。初期位相θ１は、第３のアンテナ５ａａの位置に依存し、時間的に一定である。
式（９）で表される定在波の腹の一つは、２つの進行波Ｗ３１とＷ３２の伝播路の長さが等しい地点Ｃに現れる。また、地点Ａから半波長の自然数倍離れた位置に腹を持つ。
即ち、式（２）で表される定在波の腹の位置は、第３のマイクロ波が、第５の進行波Ｗ３１となって第３のアンテナ２５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第３の電力伝播室２７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ５と、第６の波Ｗ３２となって第３のアンテナ２５ａａ、第１の電力供給室６ａ及び第４の電力伝播室２７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ６が等しい地点Ｃである、例えば、図１３に示される地点Ｃである。
なお、式（９）で表される定在波の腹は、波長をλ、ｎを自然数とすると、地点Ｃからｎλ／２の間隔で現れる。
【0039】
第２の電力供給タイミング制御装置２４に制御された第４の時間帯に、第４のマイクロ波電源２２ｂから第４のマイクロ波を発生させると、第４のマイクロ波は、図１３に示されるＷ４１、Ｗ４２のように、２つの進行波となり、反応室１ａに互いに対向した方向から供給される。
２つの進行波Ｗ４１、Ｗ４２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ４（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２） ・・・（１０）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ２は初期位相である。
式（１０）で表される定在波は、２つの進行波Ｗ４１とＷ４２の伝播路の長さが等しい地点Ｄに腹をもつ。
式（１０）で表される定在波の腹の位置は、第４のマイクロ波が、第７の進行波Ｗ４１として第４のアンテナ２５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第３の電力伝播室２７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ７と、第８の進行波Ｗ４２として第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第２の電力伝播室２７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ８とが等しい地点Ｄに、例えば、図１３に示される地点Ｄである。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、Ｄ地点からｎλ／２の間隔で腹が現れる。
地点Ｃと地点Ｄは、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間の距離ΔＬに依存する。図１３において、第４のアンテナ２５ｂｂは、第３のアンテナ２５ａａの左側に位置しているので、地点Ｄは地点Ｃの右側に位置する。
ところで、上記のとおり、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間の距離ΔＬは、第３のマイクロ波の波長の１／４に設定されている。
したがって、式（１０）は次のように表される。
Ｃ地点とＤ地点の距離をΔＬとすると、初期位相差（θ２―θ１）は次のようになる。
θ２―θ１＝（ΔＬ）ｘ（２πｘ／λ）・・・・・（１１）
ΔＬをλ／４とすると、式（１０）は次のようになる。
θ２―θ１＝π／２ ・・・・・（１２）
即ち、θ２＝π／２＋θ１ 、となる。
式（１０）を書き換えると、次のようになる。
Ｉ４（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２）
＝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１＋π／２）
＝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（１３）
２つの進行波Ｗ４１、Ｗ４２が反応室１ａ内部に供給されると干渉現象により、定在波が発生する。該定在波は、次式で表される。
Ｉ４（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２） ・・・（１０）
ただし、ｘは反応室１ａの長さ方向（図５図示のｘ方向）の距離、λはマイクロ波の波長、θ２は初期位相である。
式（１０）で表される定在波は、２つの進行波Ｗ４１とＷ４２の伝播路の長さが等しい地点Ｄに腹をもつ。
式（１０）で表される定在波の腹の位置は、第４のマイクロ波が、第７の進行波Ｗ４１として第４のアンテナ２５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第３の電力伝播室２７ａをこの順に通って反応室１ａへ伝播した道の長さＬ７と、第８の進行波Ｗ４２として第２のアンテナ５ｂｂ、第２の電力供給室６ｂ及び第２の電力伝播室２７ｂをこの順に通って反応室１ａへ伝播する道の長さＬ８とが等しい地点Ｄに、例えば、図１３に示される地点Ｄである。また、波長をλ、ｎを自然数とすると、Ｄ地点からｎλ／２の間隔で腹が現れる。
地点Ｃと地点Ｄは、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間の距離ΔＬに依存する。図１３において、第４のアンテナ２５ｂｂは、第３のアンテナ２５ａａの左側に位置しているので、地点Ｄは地点Ｃの右側に位置する。
ところで、上記のとおり、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂの間の距離ΔＬは、第３のマイクロ波の波長の１／４に設定されている。
したがって、式（１０）は次のように表される。
Ｃ地点とＤ地点の距離をΔＬとすると、初期位相差（θ２―θ１）は次のようになる。
θ２―θ１＝（ΔＬ）ｘ（２πｘ／λ）・・・・・（１１）
ΔＬをλ／４とすると、式（１０）は次のようになる。
θ２―θ１＝π／２ ・・・・・（１２）
即ち、θ２＝π／２＋θ１ 、となる。
式（１０）を書き換えると、次のようになる。
Ｉ４（ｘ）∝ ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ２）
＝ｃｏｓ２(２πｘ／λ＋θ１＋π／２）
＝ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１） ・・・（１３）
【0040】
上記式（１０）で表される第３の定在波Ｉ３（ｘ）と、上記式（１３）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、反応室１ａ内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（１４）で表されるように、反応室１ａ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＋θ１）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）
＝１ ・・・（１４）
なお、ダブルリッジ電極の特性（図６に図示）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。
なお、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂとの距離ΔＬは、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（１５）
ただし、ｎは自然数である。
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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。
なお、第３の定在波Ｉ３（ｘ）、第４の定在波Ｉ４（ｘ）及び式（１４）で表されるプラズマの発生状況は、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。
その結果、反応室１ａ内部に発生するプラズマＰ（ｘ）は、次式（１４）で表されるように、反応室１ａ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＋θ１）＋ｓｉｎ２(２πｘ／λ＋θ１）
＝１ ・・・（１４）
なお、ダブルリッジ電極の特性（図６に図示）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。
なお、第３のアンテナ２５ａａと第４のアンテナ２５ｂｂとの距離ΔＬは、λ／４に限定されず、次式のようにしてもよい。
ΔＬ＝λ／４＋ｎλ／２ ・・・（１５）
ただし、ｎは自然数である。
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、反応室１ａ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（反応室１ａ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。
なお、第３の定在波Ｉ３（ｘ）、第４の定在波Ｉ４（ｘ）及び式（１４）で表されるプラズマの発生状況は、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。
【0041】
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装置の操作手順は、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、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２５ａａ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２０ａと第４の同軸線路２５ｂと第４のアンテナ２５ｂｂ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させる。
その結果、第３の定在波と第４の定在波が重畳され、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。
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、反応室１ａ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。
その結果、第３の定在波と第４の定在波が重畳され、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。
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、反応室１ａ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。
【符号の説明】
【0042】
１ａ・・・反応室、
１ａａ・・・第１の電力供給口、
１ａｂ・・・第２の電力供給口、
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・・・第１の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、
５ａａ・・・第１のアンテナ、
５ｂｂ・・・第１第２のアンテナ、
６・・・電力供給室、
６ａ、６ｂ・・・第１及び第２の電力供給室、
７ａ、７ｂ・・・第１及び第２の電力伝播室、
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、
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、
２４・・・第２の電力供給タミング制御装置、
２５ａ、２５ｂ・・・第３及び第４の同軸線路、
２５ａａ、２５ｂｂ・・・第３及び第４のアンテナ、
２７ａ、２７ｂ・・・第１及び第２の環状の矩形導波管。
１ａａ・・・第１の電力供給口、
１ａｂ・・・第２の電力供給口、
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・・・第１の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、
５ａａ・・・第１のアンテナ、
５ｂｂ・・・第１第２のアンテナ、
６・・・電力供給室、
６ａ、６ｂ・・・第１及び第２の電力供給室、
７ａ、７ｂ・・・第１及び第２の電力伝播室、
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、
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、
２４・・・第２の電力供給タミング制御装置、
２５ａ、２５ｂ・・・第３及び第４の同軸線路、
２５ａａ、２５ｂｂ・・・第３及び第４のアンテナ、
２７ａ、２７ｂ・・・第１及び第２の環状の矩形導波管。
【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】