JPH11228290A - マイクロ波を利用したダイヤモンド成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可能なるかぎりダイヤモンドの成長速度を早
め、また、ダイヤモンドの結晶を一様にすることができ
るダイヤモンド成長装置を提供すること。 【解決手段】 マイクロ波を伝送する同軸線路２１を備
えたマイクロ波プラズマ発生装置を利用したダイヤモン
ド成長装置において、同軸線路２１の内部導体２１ｂ内
にダイヤモンドの要素ガスを供給するガス供給管５１を
設け、同軸線路２１の先端部に発生するマイクロ波プラ
ズマ２５内に要素ガスを直に供給し、供給される全ての
要素ガスを化学反応させて物体２８の上面にダイヤモン
ドを成長させる構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスやメタン
ガス等の特定のガスをマイクロ波プラズマによって加熱
し、化学反応によって物体上にダイヤモンドを化学気相
成長させる装置に関し、特に、ガスをマイクロ波プラズ
マ内に直に供給することによって、ダイヤモンドの成長
速度を高め、また、ダイヤモンドの結晶を一様にするこ
とができるダイヤモンド成長装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】図５は空胴共振器形のプラズマ発生装置
を用いてダイヤモンドを成長させる第１の従来例を示す
概略構成図である。プラズマ発生装置は、矩形導波管１
１によりマイクロ波ＭＷを伝送して共振室１２内にプラ
ズマ１３を発生させる構成となっている。

【０００３】なお、導波管１１は一端側が共振室１２に
連結され、その他端側がインピ−ダンス整合器を介して
マイクロ波発振器に連結されている。また、この導波管
１１と共振室１２との間には、石英ガラスなどの誘電体
材料からなる隔壁１４を設け、共振室１２を気密構造に
するようになっている。

【０００４】さらに、上記共振室１２は真空ポンプ１５
によって空気排出されて真空室となっており、また、こ
の共振室１２には、水素（Ｈ₂）ガス、メタン（ＣＨ₄）
ガスなどがダイヤモンドの要素ガスとしてガス供給管１
６より供給される。そして、ダイヤモンドを成長させる
物体１７（例えば、シリコンウェハ−等）は、共振室１
２内に発生するマイクロ波プラズマ１３の発光部内に保
持されている。

【０００５】このようなダイヤモンド成長装置は、導波
管１１よりマイクロ波ＭＷが伝送されると、マイクロ波
の電界強度が強くなる共振室１２内の部所にプラズマ１
３が発生する。このプラズマ１３の発生によって水素ガ
スやメタンガス等の要素ガスが加熱され、化学反応によ
って物体１７の面上にダイヤモンドを成長させる。

【０００６】図６は同軸線路形のプラズマ発生装置を用
いてダイヤモンドを成長させる第２の従来例を示す概略
構成図、図７は図６上のＡ−Ａ線断面図である。プラズ
マ発生装置は、外部導体２１ａとこの外部導体２１ａの
内部中央を通る棒状の内部導体２１ｂとからなる同軸線
路２１によってマイクロ波ＭＷを伝送する構成となって
いる。つまり、この同軸線路２１がインピ−ダンス整合
器２２を介してマイクロ波発振器に連結されている。

【０００７】また、この同軸線路２１の一端側が真空室
２３に連結されている。この真空室２３は気密構成とす
るため、真空室２３と同軸線路２１とを仕切部材２４に
よって仕切ってある。なお、この仕切部材２４は、マイ
クロ波を透過させ、マイクロ波電力を吸収しない石英ガ
ラスなどの誘電体材で形成されている。

【０００８】上記した同軸線路２１の内部導体２１ｂ
は、その先端部２１ｃが仕切部材２４を通って真空室２
３内に突入している。そして、真空室２３内に突入させ
た上記先端部２１ｃは、マイクロ波電界がその先端で強
くなるように、マイクロ波の波長λに対して、（λ／
４）＋ｎ・（λ／２）の長さに定めらている。（ｎ＝
０，１，２，３・・・・・・・・） また、上記した先端部２１ｃの先端は、マイクロ波電界
を集中させ、プラズマ２５を発生し易くするため鋭利の
形状となっている。

【０００９】上記した真空室２３は、約１Ｔｏｒｒ〜数
百Ｔｏｒｒ程度の真空度に調整するための真空ポンプ２
６を備え、また、水素（Ｈ₂）ガスやメタン（ＣＨ₄）ガ
スなどのダイヤモンド要素ガスを真空室２３に供給する
ガス供給管２７を備えている。

【００１０】一方、真空室２３には、ダイヤモンドを成
長させる物体（例えば、シリコンウェハ−等）２８と、
この物体２８を取付けるようにして物体２８を加熱する
ヒ−タ２９とが配設されている。そして、物体２８につ
いては、プラズマ２５の発光部の外方、つまり、ダイヤ
モンドを成長させることができるプラズマ２５の発光部
外に配設する構成となっている。なお、３０はヒ−タ２
９の給電線である。

【００１１】この従来例のダイヤモンド成長装置は、同
軸線路２１によってマイクロ波ＭＷが伝送されると、内
部導体２１ｂの先端部２１ｃの先端でマイクロ波電界が
強くなりプラズマ２５が発生する。これより、ダイヤモ
ンドの要素ガスがプラズマ２５によって加熱し、励起さ
れたガスが物体２８上に降り注ぎダイヤモンドが化学気
相成長される。なお、ダイヤモンドを成長させる上記し
た物体１７、２８は、ダイヤモンド粉を混合させたアル
コ−ル液の容器に入れ、この容器に超音波をかける前工
程処理が行なわれる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来例として示
したダイヤモンド成長装置は、水素ガスやメタンガスな
どの要素ガスが共振室１２に供給され、プラズマ１３に
より加熱され化学反応した要素ガスのみがダイヤモンド
として物体１７の面上に成長する。

【００１３】こくのため、プラズマ１３に自然に入る要
素ガスのみによりダイヤモンドが生成し、プラズマ１３
に侵入しないその他の要素ガスは真空ポンプ１５によっ
て吸い出されることになり、ダイヤモンドの成長速度が
遅くなると言う問題がある。

【００１４】第２の従来例として示したダイヤモンド成
長装置は、水素ガスやメタンガスなどの要素ガスを真空
室２３に供給するため、第１の従来例と同様にダイヤモ
ンドの成長速度が遅いと言う問題の他に、一様の結晶の
ダイヤモンドが生成し難いと言う問題がある。

【００１５】すなわち、このダイヤモンド成長装置の場
合には、プラズマ２５で加熱された要素ガスが物体２８
の面上に降り注いでダイヤモンドを成長するが、このよ
うにプラズマ２５に入った後に物体２８に降り注ぐガス
の他に、プラズマ２５には全く触れないで物体２８に降
り注ぐ要素ガスがある。この結果、ダイヤモンドの結晶
がこの影響を受け、いろいろの形の結晶となってダイヤ
モンドが成長する。

【００１６】本発明は上記した実情にかんがみ、可能な
る限りダイヤモンドの成長速度を早め、また、ダイヤモ
ンドの結晶を一様にすることができるこの種のダイヤモ
ンド成長装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明では、真空室内に供給したガスをマイクロ
波プラズマにより加熱し、化学反応によって物体上にダ
イヤモンドを成長させるダイヤモンド成長装置におい
て、上記ガスをマイクロ波プラズマ内に導くガス供給手
段を備えて構成したことを特徴とするダイヤモンド成長
装置を提案する。

【００１８】

【作用】上記したダイヤモンド成長装置は、真空室内に
供給される全てのガスがマイクロ波プラズマ内に導かれ
る。この結果、プラズマに触れないで排出されるガスが
存在しないし、全てのガスがプラズマによって加熱され
ダイヤモンドの成長に寄与することから、ダイヤモンド
の成長速度が早い。

【００１９】また、プラズマによって加熱されたガスの
他にプラズマに触れないガスが物体に降り注ぐことがな
いから、一様な結晶のダイヤモンドを生成することがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面に沿って説明する。図１は空胴共振器形のプラズマ
発生装置を利用した本発明の第１実施形態を示す概略構
成図である。

【００２１】この第１実施形態のダイヤモンド成長装置
は、カズ供給口部４１ａをマイクロ波プラズマ１３の中
心に配設させたガス供給管４１を備えた構成となってい
る。なお、その他は図５に示す第１の従来例と同構成で
あるので、同一の部材及び部所については同じ参照符号
を付してその説明を省略する。

【００２２】このように構成したダイヤモンド成長装置
は、共振室１２に供給される水素ガスやメタンガスなど
の要素ガスがガス供給管４１によって全てプラズマ１３
の中心部に送り込まれる。この結果、供給される全ての
要素ガスがプラズマ１３内に入り、プラズマ１３によっ
て加熱され、その要素ガスによって物体（例えば、シリ
コンウェハ−、ダイヤモンド基板など）１７の面上にダ
イヤモンドが化学気相成長する。

【００２３】このことから、ダイヤモンドの成長速度が
早く、ダイヤモンド生成効率の高いダイヤモンド成長装
置となる。なお、上記したガス供給管４１は、石英ガラ
ス、カ−ボン、高融点金属などの材料で構成する。

【００２４】図２は同軸線路形のプラズマ発生装置を利
用した本発明の第２実施形態を示す概略構成図、図３は
図２上のＢ−Ｂ線断面図である。この第２実施形態のダ
イヤモンド成長装置は、同軸線路２１の内部導体２１ｂ
内にガス供給管５１を設けた構成となっている。なお、
その他は図６及び図７に示す第２の従来例と同構成であ
るので、同一の部材及び部所については同じ参照符号を
付してその説明を省略する。

【００２５】上記したガス供給管５１は、石英ガラス、
カ−ボン、高融点金属などの材料で構成し、その先端の
カズ供給口部が内部導体２１ｂの先端部２１ｃの先端に
位置するようになっている。このように構成したダイヤ
モンド成長装置は、真空室２３に供給される水素ガスや
メタンガスなどの要素ガスがガス供給管５１によって全
てプラズマ２５の中に送り込まれる。

【００２６】この結果、供給された全ての要素ガスがプ
ラズマ２５内に入り、プラズマ２５によって加熱され、
その要素ガスが物体２８に降り注ぎ、物体（シリコンウ
ェハ−、ダイヤモンド基板など）２８の面上にダイヤモ
ンドが化学気相成長する。このことから、ダイヤモンド
の成長速度が早く、また、ダイヤモンドがプラズマ２５
によって加熱された要素ガスのみによって成長すること
から、均一化された結晶のダイヤモンドが生成する。

【００２７】図４はガス供給口部６１ａをプラズマ２５
の発光部外周近くに配設したガス供給管６１を備えた第
３実施形態を示す概略構成図であり、その他は上記した
第２の従来例と同一構成となっている。このように構成
しても供給された要素ガスがほとんどプラズマ２５内に
入るので、第２実施形態のダイヤモンド成長装置とほぼ
同様の効果を得ることができる。

【００２８】なお、図１の第１実施形態に備えたガス供
給管４１についても、そのガス供給口部４１ａをプラズ
マ１３の発光部外周近くに配設することによってほぼ同
様の効果を得ることができる。また、空胴共振器形のプ
ラズマ発生装置を利用するこの第１実施形態において
も、物体１７をヒ−タに取付けて加熱するようにすれ
ば、第２実施形態と同様にプラズマ１３の発光部外に物
体１７を配設してダイヤモンドを成長させることができ
る。

【００２９】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明によって生成されるダイヤモンドは、硬度、
絶縁性に優れており、半導体のヒ−トシング、回路基板
材料に適する他、広い波長範囲の透光性があることから
光学材料として使用することができる。

【００３０】また、このように生成されたダイヤモンド
は、ハンドギャップが５．４５（ｅＶ）と広くキャリア
移動度の高い半導体となることから、高温トランジスタ
等の高性能デバイスとして適するものとなる。

【００３１】マイクロ波プラズマ中の粒子のエネルギ−
は直流プラズマや数十メガヘルツ以下の高周波プラズマ
よりも比較的にエネルギ−が小さいから、本発明によれ
ば、ＣＶＤ（化学気相成長）される基板等の表面が傷付
きにくく、多種類の材料へのＣＶＤ処理が可能になる。

【００３２】なお、本発明を第２、第３実施形態のよう
に実施する場合は、内部導体２１ｂの先端部２１ｃにつ
いては、カ−ボンその他、タングステン、モリブデン、
タンタルなどの高融点金属材からなる導電性材料によっ
て構成することが望ましい。

【００３３】

【発明の効果】上記した通り、本発明に係るダイヤモン
ド成長装置は、供給される要素ガスの全てがマイクロ波
プラズマ内に導かれるため、ダイヤモンドの成長速度を
早めることができ、さらに、結晶を均一化させたダイヤ
モンドを生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空胴共振器形のプラズマ発生装置を利用した本
発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。

【図２】同軸線路形のプラズマ発生装置を利用した本発
明の第２実施形態を示す概略構成図である。

【図３】図２上のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】同軸線路形のプラズマ発生装置を利用した本発
明の第３実施形態を示す概略構成図である。

【図５】空胴共振器形のプラズマ発生装置を用いた第１
の従来例を示す概略構成図である。

【図６】同軸線路形のプラズマ発生装置を用いた第２の
従来例を示す概略構成図である。

【図７】図６上のＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１１ 導波管 １２ 共振室 １３ プラズマ １４ 隔壁 １５ 真空ポンプ １７ 物体 ２１ 同軸線路 ２１ａ 外部導体 ２１ｂ 内部導体 ２３ 真空室 ２４ 仕切部材 ２５ プラズマ ２８ 物体 ２９ ヒ−タ ４１、５１、６１ ガス供給管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空室内に供給したガスをマイクロ波プ
   ラズマにより加熱し、化学反応によって物体上にダイヤ
   モンドを成長させるダイヤモンド成長装置において、上
   記ガスをマイクロ波プラズマ内に導くガス供給手段を備
   えて構成したことを特徴とするダイヤモンド成長装置。