マイクロ波同軸変換方式による高効率反応性熱プラズマの発生法及び特性評価

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新しいマイクロ波プラズマ発生装置として、矩形導波管モードから同軸モードに変換する立体回路素子とプラズマ発生用電極とからなり、誘導的にプラズマを発生・維持するマイクロ波プラズマジェットトーチを開発した。本プラズマの発生及び安定性は、トーチの形状や発生ガスの組成に強く影響されるため、トーチの電極部及びガス導入部の形状を検討し、半径方向・接線方向にガスを独立に導入し、ガスの流量及び組成を制御することにより、プラズマを安定に発生することを可能とした。また、このプラズマの評価として、紫外可視領域のプラズマ発光分光分析により、また、基板上の気相種を二段階の差動排気により四重極質量分析装置に導き質量分析を、ダイヤモンドの堆積中にin-situに行った。発光分光の結果、Ar及びHの発光は殆ど観測されず、このプラズマではH_2分子の解離が少ないと推測される。また、C_2、CHの発光強度はプラズマ中でほぼ一定で、基板近傍で急激に弱くなった。即ち、基板近傍約10mmの範囲に境界層が存在する。また、C_2の振動温度はほぼ平衡状態にあり、およそ5000Kであった。プラズマが局所的熱平衡にあれば、5000KではH_2の解離が充分に起こりH原子の発光が検出されるはずである。従って、このプラズマ全体は熱平衡状態にはないと考えられる。マイクロ波入力により、Ar強度で規格化された質量スペクトルには殆ど変化がなく、基板上に入射する気相種は入力に依存しないことが判明した。また、原料の約40%がC_2H_2に変換し、原料にCH_4及びC_2H_2のいずれを用いた場合にも、ダイヤモンドが堆積し、3%以上のC/H_2比では堆積物は晶癖を示さなくなり、C系気相種の質量スペクトルの総和は原料に対して不足する。堆積量より過大な、この不足分は、排気ガスと伴に失われたアモルファス炭素に相当すると思われる。