微波等离子处理装置

技术领域

本发明涉及微波等离子处理装置。

背景技术

金刚石具有最高标准的几个物理特性。因此，近年来，在着眼于金刚石的高热导率而使用金刚石的领域中，要求以高速来对成膜范围超过3英寸的金刚石进行成膜。在以往的金刚石成膜用的微波等离子处理装置中，利用从微波振荡源向作为谐振器一部分的容器内输出微波以在设置于容器内的基板的附近产生等离子球的所谓CVD(化学气相沉积)法，来制造金刚石基板。产生的等离子球的尺寸，换言之，金刚石的成膜范围与输出的微波的频率具有相关关系。

在微波的频率为2.45GHz的微波等离子处理装置中，金刚石的成膜范围极限为1～2英寸左右，并且生成的等离子球的位置也被固定。另一方面，为了增加金刚石的成膜范围，有时使用例如915MHz的低频率的微波，但是，电力效率明显降低，而装置的规模也非常大。

为此，如专利文献1所述那样，提出了一种微波等离子处理装置，其通过使用多个相位控制电源来控制电场强的区域而控制产生的等离子球的位置等。根据专利文献1的微波等离子处理装置，在不使用低频率的微波的情况下，可以增加金刚石的成膜范围。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平4-230019号公报

发明内容

(发明要解决的课题)

在上述微波等离子处理装置中，由于在供给到反应容器内的微波的每个引入路都配置了移相器和放大器，因此结构复杂。另外，这样的问题不限于制造金刚石基板的情况，在制造其他基板的情况下也同样会出现。

本发明的目的是提供一种能够以简单构成来制造大面积基板的微波等离子处理装置。

(用于解决课题的手段)

本发明的第一观点涉及的微波等离子处理装置，具备：谐振器，其包括容器；单一的微波振荡源，其对所述谐振器输出基准微波；波导管，其连接所述微波振荡源和所述谐振器；以及相位控制机构，其通过控制分波后的一部分所述基准微波的相位，生成相位与所述基准微波不同的改变微波，所述谐振器包括将所述基准微波导入所述谐振器内的一个或多个第一种导入部、以及将所述改变微波导入所述谐振器内的一个或多个第二种导入部，在所述谐振器内构成为，通过对所述基准微波叠加所述改变微波，改变在所述容器内产生的等离子球的位置、大小以及形状中的至少一个。

本发明的第二观点涉及的微波等离子处理装置，具备：谐振器，其包括容器；单一的微波振荡源，其对所述谐振器输出基准微波；以及相位控制机构，其通过控制被导入所述谐振器内的一部分所述基准微波的相位，生成相位与所述基准微波不同的改变微波，在所述谐振器内构成为，通过对所述基准微波叠加所述改变微波，改变在所述容器内产生的等离子球的位置、大小以及形状中的至少一个。

本发明第三观点涉及的微波等离子处理装置，其中，所述谐振器具有与所述容器连接的端口，所述相位控制机构包括配置于所述端口的反射板、以及改变所述反射板在所述端口内的位置的驱动机构。

本发明的第四观点涉及的微波等离子处理装置是第一观点至第三观点中的任一个所涉及的微波等离子处理装置，其中，所述相位控制机构包括相位器、以及控制所述相位器的控制装置。

本发明的第五观点涉及的微波等离子处理装置是第一观点至第四观点中的任一个所涉及的微波等离子处理装置，其中，所述相位控制机构使所述等离子球在所述谐振器内动态地移动。

(发明效果)

根据与本发明相关的微波等离子处理装置，能够以简单构成来制造大面积基板。

附图说明

图1是第一实施方式的微波等离子处理装置的示意图。

图2是第二实施方式的微波等离子处理装置的示意图。

图3是第三实施方式的微波等离子处理装置的示意图。

图4是第一实施方式的变形例的微波等离子处理装置的示意图。

图5是第一实施方式的另一变形例的微波等离子处理装置的示意图。

具体实施方式

下面参照附图来对本发明的一个实施方式涉及的微波等离子处理装置进行说明。

(1.第一实施方式)

(1-1.微波等离子处理装置的整体构成)

图1是本实施方式涉及的微波等离子处理装置10的示意图。微波等离子处理装置10用于利用CVD法来制造例如直径至少100mm以上的大型的金刚石基板。微波等离子处理装置10包括单一的微波振荡源20、谐振器30、波导管60和相位控制机构70。

微波振荡源20输出被供给到谐振器30的容器30A内的微波。微波振荡源20是例如磁控管电源。微波振荡源20输出的微波的中心频率例如是2.45GHz、915MHz或10GHz以上。在下文中，有时将微波振荡源20输出的微波称为基准微波。

谐振器30包括容器30A、外周波导部30B、基板支承台40、原料气体供给路51、排气通路52和入射窗80。容器30A是真空容器。容器30A内的压力包括于例如50Torr到200Torr的范围。容器30A的形状可以任意选择。在本实施方式中，容器30A是圆筒形。在容器30A的周壁32安装与波导管60连接的外周波导部30B。外周波导部30B是沿容器30A的周壁32将容器30A包围的形状。基板支承台40被收容于容器30A的内部空间31。在基板支承台40装载用于制造金刚石基板的基材100。基板支承台40的形状可以任意选择。在本实施方式中，基板支承台40为圆板状。

构成基材100的材料只要能够将后述原料气体中的碳源在基材100上制膜以生长具有金刚石结晶构造的金刚石，则可以任意选择。构成基材100的材料例如是单晶金刚石、多晶金刚石、硅、3C碳化硅、氮化镓、氧化镓、铱、铂、镍、氧化镁、钇稳定氧化锆、或钼等高熔点金属等。

原料气体供给路51向容器30A的内部空间31供给用于形成金刚石基板的原料气体。原料气体供给路51例如在容器30A的高度方向上比外周波导部30B靠下方或上方之处与容器30A的周壁32连接。原料气体例如是含有碳、氢、氮和氧的混合气体。

排气通路52例如在容器30A的高度方向上比外周波导部30B靠下方或上方之处与容器30A的周壁32连接，以能够排出容器30A内的气体。排气通路52中的与容器30A相反侧的端部和真空泵(省略图示)连接。通过真空泵启动，而将容器30A内的气体通过排气通路52排出到容器30A的外部。

波导管60将微波振荡源20和外周波导部30B连接，以能够将微波振荡源20输出的基准微波和由相位控制机构70将基准微波的相位改变后的微波(以下有时称为“改变微波”)导入容器30A内。波导管60例如是圆形波导管或方形波导管。波导管60包括第一部分61和第二部分62。第一部分61和第二部分62通过分配器63而与微波振荡源20连接。从微波振荡源20输出的基准微波被分配器63分割为第一部分61和第二部分62。通过第一部分61而被导入到外周波导部30B的基准微波在外周波导部30B的一个周向和另一个周向上被分割。

在容器30A的周壁32形成孔32A。形成于容器30A的孔32A的数量可以任意选择。在本实施方式中，沿周向以预定的间隔在容器30A形成八个孔32A。形成于容器30A的孔32A的数量可以是1～7个，或9个以上。在孔32A安装入射窗80，该入射窗80使基准微波和改变微波混合的微波透射。构成入射窗80的材料例如是石英玻璃或氧化铝。

谐振器30具有第一种导入部91和第二种导入部92。第一种导入部91是将第一部分61和外周波导部30B连接的部分，并以不改变基准微波的相位和振幅的方式将基准微波导入到外周波导部30B。第二种导入部92是将第二部分62和外周波导部30B连接的部分，并将改变微波导入到外周波导部30B。通过第一种导入部91而导入到外周波导部30B的基准微波和通过第二种导入部92而导入到外周波导部30B的改变微波在外周波导部30B传播并被混合，并且通过多个孔32A和入射窗80而被导入到容器30A内。

相位控制机构70通过改变通过第二部分62的基准微波的相位来生成改变微波。相位控制机构70包括控制装置71和相位器72。

控制装置71是例如PC(个人计算机)或PLC(可编程逻辑控制器)，并通过对相位器72输出基于相位器控制程序的相位控制信号来控制相位器72。相位器72被配置于第二部分62的中间部分。

控制装置71控制相位器72，以通过改变通过相位器72的基准微波的相位来生成改变微波。通过第一种导入部91的基准微波和通过第二种导入部92的改变微波被导入到外周波导部30B内，从而基准微波和改变微波相互干扰。因此，在容器30A内形成局部电场强度大的区域。在局部电场强度大的区域，原料气体的分子分离成电子和化学活性种，从而生成等离子球。化学活性种包括离子和自由基。生成的等离子球的直径例如是50mm。控制装置71控制相位72，换言之，控制改变微波的相位，从而能够使电场强度分布变化，其结果，能够控制等离子球的位置、大小以及形状中的至少一个。等离子球的位置通常是等离子球在容器30A中的基材100上的位置。等离子球的大小是等离子球的直径。等离子球的形状是等离子球的外轮廓形状。等离子球的基本外轮廓形状是球，改变后的等离子球的外轮廓形状是例如使球扁平化的形状。等离子球所含的化学活性种在基材100的表面上反应，形成金刚石结晶，该金刚石结晶生长，从而制造金刚石基板。制造的金刚石基板包括基材100和在基材100上形成的金刚石结晶。

基准微波和改变微波的相位与基板100上的等离子球的位置、等离子球的大小和等离子球的形状之间的关系通过模拟来预先把握。该模拟结果可以与相位控制程序一同存储在控制装置71中。控制装置71在基材100上使等离子球例如振动。换言之，控制装置71在基材100上动态地移动等离子球。因此，能够成膜大面积的金刚石基板。

(1-2.微波等离子处理装置的作用和效果)

根据微波等离子处理装置10，从单一的微波振荡源20输出的基准微波的一部分通过第一部分61和第一种导入部91而被导入到外周波导部30B。另一方面，基准微波的另一部分被导入到第二部分62，并被相位器72改变相位，从而转化为改变微波。改变微波通过第二部分62和第二种导入部92而被导入到外周波导部30B内。相位控制机构70将通过第二种导入部92而被导入到外周波导部30B内的改变微波相对于通过第一种导入部91而被导入到外周波导部30B内的基准微波进行叠加，从而改变容器30A内的等离子球的位置、大小以及形状中的至少一个。根据微波等离子处理装置10，由于不会改变通过第一部分61的基准微波的相位等，因此能够以不在第一部分61配置相位器和放大器等的方式改变离子球的位置、大小以及形状。因此，能够简化构成。此外，由于不在第一部分61配置相位器和放大器等，因此能够降低制造成本。

(2.第二实施方式)

参照图2来说明第二实施方式的微波等离子处理装置210。在下文中，对与第一实施方式相同的构成标注相同的符号，并省略其说明，以与第一实施方式不同的部分为中心进行说明。

图2是本实施方式涉及的微波等离子处理装置210的示意图。微波等离子处理装置210将从微波振荡源20输出的基准微波导入到外周波导部30B内。导入到外周波导部30B内的基准微波的一部分被相位控制机构70转换为改变微波，并与基准微波叠加。微波等离子处理装置210具备端口270。

端口270与外周波导部30B连接。在外周波导部30B中，端口270所连接的位置可以任意选择。在本实施方式中，端口270连接于外周波导部30B中的隔着容器30A而与第一部分61对置的位置。连接于外周波导部30B的端口270的数量可以任意选择。在本实施方式中，连接于外周波导部30B的端口270的数量是一个。连接于外周波导部30B的端口270的数量也可以是两个以上。

从微波振荡源20输出的基准微波被导入到外周波导部30B，并在外周波导部30B传播。被导入到外周波导部30B内的基准微波中的一部分被导入到端口270。被导入到端口270的基准微波被端口270中的与容器30A相反侧的端部的壁271反射，并通过相位器72。通过相位器72的基准微波被改变相位，并转化为改变微波。改变微波被导入到外周波导部30B。基准微波和改变微波在外周波导部30B传播，并被混合，并且通过多个孔32A和入射窗80而被导入到容器30A内。

根据本实施方式涉及的微波等离子处理装置210，被导入到外周波导部30B内的基准微波的一部分被导入端口270并转化为改变微波。改变微波与外周波导部30B内的基准微波混合。由于改变微波在外周波导部30B中与基准微波叠加，因此可得到与第一实施方式涉及的微波等离子处理装置10类似的效果。

(3.第三实施方式)

在第三实施方式中，与第二实施方式相比，相位控制机构70的构成不同。其他构成基本上与第二实施方式相同。在下文中，对第二实施方式中的相同构成标注相同的符号，并省略其说明，并且以与第二实施方式不同的部分为中心进行说明。

图3是本实施方式涉及的微波等离子处理装置310的示意图。微波等离子处理装置310具备相位控制机构370。相位控制机构370包括配置于端口270内的反射板371和驱动机构372。

反射板371将导入到端口270的基准微波向外周波导部30B反射。驱动机构372改变反射板371在端口270的长度方向上的位置。驱动机构372可以使用任意构成。在本实施方式中，驱动机构372是例如滚珠螺杆机构，包括导轨、沿导轨移动反射板371的螺杆轴和使螺杆轴旋转的马达等。

控制装置71根据来自操作者的请求，而执行与驱动机构372的动作相关的驱动机构控制程序。反射板371在端口270内的位置与改变微波的相位之间的关系通过模拟来预先把握。该模拟结果与驱动机构控制程序一同存储于控制装置71。此外，与第一实施方式同样，基准微波和改变微波的相位与等离子球在基材100上的位置、等离子球的大小及等离子球的形状之间的关系通过模拟来预先把握。该模拟结果存储于控制装置71。根据本实施方式涉及的微波等离子处理装置310，可以获得与第二实施方式涉及的微波等离子处理装置210相同的效果。

(4.变形例)

上述各实施方式是与本发明相关的微波等离子处理装置可以采取的形式的例示，并不意在限定其形式。与本发明相关的微波等离子处理装置可以采取与各实施方式中说明的形式不同的形式。其一个例子是将各实施方式的构成的一部分替换、改变或省略的形式，或者是在各实施方式加入新构成的形式。下面表示各实施方式的变形例的几个例子。

(4-1)

在第一实施方式中，波导管60的具体构成可以任意改变。例如，如图4所示，波导管60可以被构成为包括多个第二部分62。在该变形例中，在多个第二部分62的每个配置相位器72。在该变形例中，谐振器30中的第一种导入部91的数量为一个，第二种导入部92的数量为两个。

(4-2)

在第一实施方式中，谐振器30的具体构成可以任意改变。图5是表示包括第一实施方式的谐振器30的变形例的谐振器530在内的微波等离子处理装置10的示意图。如图5所示，例如，可以将谐振器30替换为省略了外周波导部30B的谐振器530，并将第一部分61和第二部分62与容器30A连接。在该变形例中，将第一部分61和容器30A连接的部分构成第一种导入部91，将第二部分62和容器30A连接的部分构成第二种导入部92。在第一种导入部91和第二种导入部92设置入射窗80。此外，在该变形例中，容器30A的周壁32中的、与波导管60连接的部分以外的孔32A被关闭。另外，该变形例也能适用于图4所示的第一实施方式的变形例。

(4-3)

在第二实施方式和第三实施方式中，谐振器30的具体构成可以任意改变。例如，在第二实施方式和第三实施方式中，可以将谐振器30替换为省略了外周波导部30B的谐振器，并将第一部分61与容器30A连接，将端口270与容器30A连接，以将基准微波导入到容器30A内。在该变形例中，将第一部分61和容器30A连接的部分构成第一种导入部91，将端口270和容器30A连接的部分构成第二种导入部92。在第一种导入部91和第二种导入部92设置入射窗80。此外，在该变形例中，容器30A中的、与第一部分61连接的部分以及与端口270连接的部分以外的孔32A被关闭。另外，在该变形例中，也可以将一个或多个端口270容器30A连接。

(4-4)

在第一实施方式中，也可以省略容器30A的围壁32。在该变形例中，将第一部分61和外周波导部30B连接的部分构成第一种导入部91，将第二部分62和外周波导部30B连接的部分构成第二种导入部92。在第一种导入部91和第二种导入部92设置入射窗80。在该变形例中，外周波导部30B起到容器30A的周壁32的作用。另外，该变形例也可以适用于图4所示的第一实施方式的变形例。

(4-5)

在第二实施方式和第三实施方式中，可以省略容器30A的周壁32。在该变形例中，将第一部分61和外周波导部30B连接的部分构成第一种导入部91，将端口270和外周波导部30B连接的部分构成第二种导入部92。在第一种导入部91和第二种导入部92设置入射窗80。在该变形例中，外周波导部30B起到容器30A的周壁32的作用。

(4-6)

在第二实施方式和第三实施方式中，相位控制机构70、370的具体构成可以任意改变。例如，相位控制机构70、370可以是配置于容器30A内并改变被导入到容器30A内的基准微波的相位来进行反射的任意结构物。此外，相位控制机构70、370也可以采用使容器30A的周壁32的径向的形状变化的构成。总之，只要是能够通过控制导入到谐振器30内的一部分的基准微波的相位来生成相位与基准微波不同的改变微波的构成，则相位控制机构70、370可以使用任意的构成。

(4-7)

在第二实施方式和第三实施方式中，可以省略波导管60和外周波导部30B，并使容器30A的周壁32的形状成为与微波振荡源20连结的形状。

(4-8)

在第二实施方式和第三实施方式中，可以将相位控制机构70和相位控制机构370进行组合。例如，在设置多个端口270的情况下，在任意端口270配置相位器72，并在另外的任意端口270配置反射板371和驱动机构372。在该变形例中，可以利用一个控制装置71来控制相位器72和驱动机构372，也可以分为控制相位器72的控制装置和控制驱动机构372的控制装置。

(4-9)

虽然第一实施方式至第三实施方式的微波等离子处理装置10、210、310用于金刚石基板的制造，但是，通过改变原料气体和等离子转移周期等条件，也可以适用于其他基板的制造。

(标号说明)

10、210、310：微波等离子处理装置

20：微波震荡源

30：谐振器

30A：容器

60：波导管

70、370：相位控制机构

71：控制装置

72：相位器

91：第一种导入部

92：第二种导入部

270：端口

371：反射板

372：驱动机构。