(57)【要約】【課題】当初マイクロ波により発生させられたマイクロ波プラズマの形状または密度を変更させることができるマイクロ波プラズマ発生方法および装置を提供する。【解決手段】本発明によるマイクロ波プラズマ発生方法は、真空容器１４内にプラズマ生成ガスを導入しマイクロ波によりプラズマボール６を発生させるマイクロ波プラズマ発生方法である。マイクロ波によりプラズマボール６を発生するステップと、前記プラズマボールを外周から囲むように配置された熱フィラメント５に通電して熱電子および熱を発生するステップと、および前記熱電子により前記プラズマボール６の周辺のガスの電離を促進するかまたは前記プラズマガスの熱解離を促進し、当初発生したプラズマの外周の拡大または外周密度を上昇させるステップから構成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内にプラズマ生成ガスを導入しマイクロ波によりプラズマボールを発生させるマイクロ波プラズマ発生方法において、
マイクロ波によりプラズマボールを発生するステップと、
前記プラズマボールを外周から囲むように配置された熱フィラメントに通電して熱電子および熱を発生するステップと、および
前記熱電子により前記プラズマボールの周辺のガスの電離を促進するかまたは前記真空容器内でプラズマガスの熱解離を促進し、当初発生したプラズマの外周の拡大または外周密度を上昇させるステップから構成したマイクロ波プラズマ発生方法。
【請求項２】
マイクロ波源と、
前記マイクロ波源に接続されているマイクロ波導波管と、
真空容器と、
前記真空容器内に前記導波管からマイクロ波を導入する手段と、
前記真空容器内で基板を支持する基板支持手段と、
前記真空容器内に原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板支持手段上に当初のプラズマボールを離れて囲むように配置されている熱電子発生手段と、および
前記熱電子発生手段に電流を供給する電源と、
から構成したマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記真空容器は円筒共振器構造を有するものであり、前記基板支持手段は前記真空容器で昇降可能である請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記熱電子発生手段は基板支持手段に支持されるループ状の熱フィラメントである請求項２または３項記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、当初マイクロ波により発生させられたマイクロ波プラズマの形状または密度を変更させることができるマイクロ波プラズマ発生法および前記方法を実施するためのプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド薄膜、カーボンナノチューブ、シリコン薄膜などの機能性薄膜作製、細線状、平板状などの特殊金属構造物のダイヤモンド被膜あるいはカーボンナノチューブ被膜装置にプラズマＣＶＤ装置が用いられ、プラズマＣＶＤ装置について多くの提案が行なわれている。
【０００３】
従来のダイヤモンド成膜用装置として用いられるプラズマＣＶＤ装置を例にして問題点を説明する。共振器タイプのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置では、生成したプラズマ自身による基板加熱のため、基板を外部から加熱する必要はない。しかし、プラズマ生成領域が共振器構造で決定される電界の強い領域に限られるため、プラズマ放電領域が容器中心部に限定され、プラズマサイズを大面積化できない問題点があった。従来の方式のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置でダイヤモンド成膜を大面積化するためには、極めて高価な大出力マイクロ波発振器が必要てあった。本件発明者は特許文献１に示すように真空容器内のマイクロ波ランチャの構造に改良を施してプラズマ生成領域を拡大する試みを提案している。
プラズマ生成領域はランチャの形状により規定される。
【特許文献１】特願２００２−３６９９８３
【０００４】
熱フィラメント法は、熱フィラメントの発生する熱により放電ガスを熱解離し、ラジカルの生成を行い成膜する方法である。成膜のために、基板を外部から加熱して基板温度を上げる必要がある。一般に線状熱フィラメントを用いるため均一かつ大面積のプラズマを発生することができないので大面積のダイヤモンド成膜を行なうことは困難である。
マイクロ波の代わりにＲＦ（高周波）電力を用いてプラズマを生成するＲＦプラズマ発生方法が提案されている。この方法では基板加熱が必要である。
またマイクロ波放電で行われるような高圧力下（低真空）での放電が容易ではないため、成膜速度が遅いという問題がある。
【０００５】
特許文献２記載の装置はプラズマの形状をある程度変更できるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提案している。この装置によればプラズマの真空容器の中心軸方向の厚さを変更できるが、プラズマ放電領域が容器中心部に限定されており、プラズマの径を変更することはできず、処理対象の大面積化には効果が見られない。
【特許文献２】特開２０００−５４１４２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の問題をマイクロ波の利用効率を一層高める補助的な熱電子発生手段の利用に着目した。
本発明の目的は、当初マイクロ波により発生させられたマイクロ波プラズマの形状または密度を変更させることができるマイクロ波プラズマ発生方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は前記マイクロ波プラズマ発生方法を実施するのに適したマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生方法は、
真空容器内にプラズマ生成ガスを導入しマイクロ波によりプラズマボールを発生させるマイクロ波プラズマ発生方法において、
マイクロ波によりプラズマボールを発生するステップと、
前記プラズマボールを外周から囲むように配置された熱フィラメントに通電して熱電子および熱を発生するステップと、および
前記熱電子により前記プラズマボールの周辺のガスの電離を促進するかまたは前記真空容器内でプラズマガスの熱解離を促進し、当初発生したプラズマの外周の拡大または外周密度を上昇させるステップから構成されている。
本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生方法を実施するための装置は、
マイクロ波源と、
前記マイクロ波源に接続されているマイクロ波導波管と、
真空容器と、
前記真空容器内に前記導波管からマイクロ波を導入する手段と、
前記真空容器内で基板を支持する基板支持手段と、
前記真空容器内に原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板支持手段上に当初のプラズマボールを離れて囲むように配置されている熱電子発生手段と、および
前記熱電子発生手段に電流を供給する電源と、
から構成されている請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
本発明による請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項２記載の装置において、
前記真空容器は円筒共振器構造を有するものであり、前記基板支持手段は前記真空容器で昇降可能に構成されている。
本発明による請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項２または３記載の装置において、
前記熱電子発生手段は基板支持手段に支持されるループ状の熱フィラメントであるものと構成されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による方法および装置の実施の形態を説明する。本発明方法は、真空容器内にプラズマ生成ガスを導入しマイクロ波によりプラズマボールを発生させるマイクロ波プラズマ発生方法である。
まず最小のステップで、真空容器に導入されたマイクロ波によりプラズマボールを発生する。
次に前記真空容器内に前記プラズマボールを外周から囲むように配置された熱フィラメントに通電して熱電子を発生する。
前記熱電子により前記プラズマボールの周辺のガスの電離を促進するかまたは前記プラズマガスの熱解離を促進し、当初発生したプラズマの外周の拡大または外周密度を上昇させるステップから構成されている。
【０００９】
図１は、本発明によるマイクロ波プラズマ発生方法を実施するためのプラズマ発生装置の実施例を示す図、図２は前記実施例装置の基板手段、基板および熱電子発生手段の位置関係を説明するための斜視図、図３は前記実施例装置の動作原理を説明するための略図である。
【００１０】
マイクロ波導波管は、図１に示すように矩形導波管１であって、短絡プランジャ３により終端され、他方端は図示しないマグネトロンよりなるマイクロ波源からの２．４５ＧＨｚのマイクロ波が接続されている。真空容器１４には前記導波管１に結合するマイクロ波を導入する手段からマイクロ波が接続される。
マイクロ波を導入する手段は、同軸導体２、同軸導体２下端に設けられている金属板１３、同軸外導体１２を含んでいる。金属板１３と真空容器１４の間には誘電体（石英）窓４が配置されている。同軸導体２は中空になっており、真空容器１４内に原料ガスを供給するガス供給手段を形成する管１５を支持している。排気管７は図示しない排気装置に接続されている。また、後述するプラズマボール６は窓８を介して観察される。また窓８を支持する管はプローブ等の挿入等にも利用できる。
【００１１】
真空容器１４内には処理対象の基板１０（図２，３参照）を支持する基板支持手段１１が真空容器１４内に昇降可能に支持されている。
基板支持手段１１上に熱電子発生手段の熱フィラメント５が配置されている。この熱フィラメント５は、当初のプラズマボール６から離れて囲むように配置されている。前記熱電子発生手段の熱フィラメント５には、図３に示す電源１６から加熱電流が供給される。熱電子供給源はバイアス手段１７により接地電位からバイアスされている。本装置をダイヤモンド成膜に利用する場合、このバイアスの印加により、核形成が促進される。フィラメント５（タングステン線）に近い周辺部の成膜速度を向上させることができる。なお真空容器１４は円筒共振器構造を有するものである。
【００１２】
次に具体的なデータを参照しながら、本発明方法および装置の動作をさらに説明する。真空容器１４は外径２００ｍｍ高さ１８０ｍｍの円筒形である。真空容器１４内部の上部に取り付けた石英板の誘電体窓４を介してマイクロ波を導入し、プラズマの生成が行われる。前記プラズマにより、基板１０（図２，３参照）が加熱が行われる。前述したように基板支持手段１１上に設置したループ状の熱フィラメント５に電流を流し、熱電子を発生させる。
【００１３】
プラズマ放電は真空容器内に取り付けた基板支持手段１１上の電界強度分布に対して当初のプラズマボール６が形成される。プラズマ自身により基板支持手段１１は６００℃以上に加熱される。基板支持手段１１上に取り付けられたタングステン線の熱フィラメント５を基板支持手段１１の上方５ｍｍから１０ｍｍの高さで基板支持手段１１を囲むように配置されている。プラズマ放電条件は、マイクロ波入射パワー１．４ｋＷ、反射パワーは２０Ｗ  以下、放電ガスとして水素ガスあるいは水素／メタン混合ガスを用いた。ガス圧は５０  Ｔｏｒｒ  、ガス流量は２００ｓｃｃｍである。マイクロ波は矩形導波管１より同軸変換し、真空容器上部の誘電体窓４を介して容器内に導入される。
【００１４】
基板支持手段１１上に図３のようにプラズマボール６が生成された後、
フィラメントに最大３０Ａの電流を流し、熱フィラメント５を２０００℃に加熱し、フィラメントより熱電子放出を生じさせる。
この熱電子が１次電子となって、プラズマ周辺部に分布するマイクロ波電界によって電離が起こり、プラズマ放電領域の拡大する。この現象を検証するために、図３のように真空容器１４の測定ポートから挿入したラングミュアプローブ１９を用い、水素プラズマ放電においてプラズマ密度分布の測定を行った。
【００１５】
図４は、マイクロ波パワー１ｋｗ水素ガス圧力約２０Ｔｏｒｒにおける水素プラズマ放電の場合の電子飽和電流の水平方向分布の測定結果を示している。
マイクロ波のみによるプラズマ放電ではプラズマボールの直径は半値幅で約３０ｍｍである。熱フィラメント５を併用した場合にはプラズマ径は半値幅で約７０ｍｍに拡大している。プラズマ密度も全体としてはるかに向上していることがわかる。
【００１６】
図５に、マイクロ波パワーのみでプラズマを生成した場合のプラズマ密度分布の測定結果を示す。マイクロ波のパワーを０．７ｋＷ，１．４ｋＷ，２．０ｋＷ，２．５ｋＷ，と増加させたときのプラズマ密度分布の変化を示している。
水素ガスの圧力は５０Ｔｏｒｒであり、流量は２００ｓｃｃｍである。
マイクロ波パワーを０．７ｋＷから２．５ｋＷまで増加させても、プラズマ密度の増加は観測されたが、プラズマサイズの半径の変化は殆どない。
【００１７】
この実験により、熱フィラメント５を併用すれば、マイクロ波プラズマの放電領域を拡大できるが、励起マイクロ波の電力を増加してもプラズマの放電領域を拡大することはできないことがわかる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明では、熱フィラメントにより放出される熱電子によりプラズマ放電領域を拡大することができる。
このため、マイクロ波エネルギーがさらに効率良く消費されることから、プラズマ生成の能率も向上する特長を有する。
その結果、プラズマ放電領域の拡大、および熱フィラメントによって周辺領域の熱解離によって生成されるラジカルの生成によりダイヤモンド合成の大面積化が可能となり、さらに堆積速度の向上も期待できる。
マイクロ波パワーの高出力化を図る場合にくらべ、より低コストな成膜装置を提供できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ発生方法を実施するためのプラズマ発生装置の実施例を示す略図である。
【図２】前記実施例装置の基板手段、基板および熱電子発生手段の位置関係を説明するための斜視図である。
【図３】前記実施例装置の動作原理を説明するための略図である。
【図４】熱フィラメントの効果を示すグラフである。
【図５】マイクロ波電力とプラズマ密度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  矩形導波管
２  同軸導体
３  短絡プランジャ
４  誘電体窓
５  熱フィラメント（ヒータ）
６  当初のプラズマボール
７  排気管
８  窓
９  電源接続線
１０  基板
１１  基板支持手段
１２  同軸外導体
１３  金属板
１４  真空容器
１５  管
１６  ヒータ電源
１７  バイアス手段
１９  プローブ
２０ａ〜２０ｅ  熱電子
２１  Ｙ方向を示す記号
【図１】
2004281194.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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