CN103339707B - 用于制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器 - Google Patents

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Abstract

用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：微波发生器，所述微波发生器配置为产生频率为f的微波；等离子体腔，所述等离子体腔包括基部、顶板、和从所述基部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波谐振模式的谐振腔，其中，所述谐振腔具有从所述基部延伸到所述顶板的中央对称旋转轴，并且其中，所述顶板横过所述中央对称旋转轴安装；微波耦合结构，所述微波耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；以及基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中并且包括用于支承基底的支承表面，在使用时所述合成金刚石材料沉积在所述支承表面上；其中，所述谐振腔配置为具有从所述等离子体腔的所述基部到所述顶板测量的高度，所述高度支持在所述频率f下在所述基部与所述顶板之间的TM011谐振模式；以及其中，所述谐振腔还配置为具有在比从所述基部测量的所述谐振腔的所述高度的50%小的高度处测量的直径，所述直径满足所述谐振腔高度/所述谐振腔直径的比率范围为从0.3至1.0的条件。

Description

用于制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器
技术领域
本发明涉及用于使用化学气相沉积技术制造合成金刚石材料的微波等离子反应器。
背景技术
用于合成金刚石材料的化学气相沉积（CVD）工艺现在在本领域中是公知的。与金刚石材料的化学气相沉积相关的有用的背景信息可以在theJournalofPhysics的专刊：CondensedMatter,Vol.21,No.36(2009)中发现，该专刊专用于金刚石相关的技术。例如，R.S.Balmeretal.的评论文章提供了对CVD金刚石材料、技术和应用的全面阐述（参见“Chemicalvapordepositionsyntheticdiamond:materials,technologyandapplications”J.Phys.:CondensedMatter,Vol.21,No.36(2009)364221)。
在金刚石与石墨相比为亚稳定的区域中，金刚石在CVD条件下的合成由表面动力学而非体积热力学驱动。通过CVD的金刚石合成通常使用较小成分的碳（通常<5％）典型地为甲烷的形式执行，尽管在过量的分子氢的情况下可以利用其他含碳气体。如果分子氢被加热到超过2000K的温度，则存在朝向原子氢的显著分解。在设有合适基底材料的情况下，合成金刚石材料能够被沉积。
原子氢对于该过程是必不可少的，这是由于其从基底中选择性地刻蚀非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。不同的方法可得以用于加热含碳气体物品和分子氢以产生对于CVD金刚石生长所必须的含有自由基和原子氢的反应碳，包括电弧喷射、热灯丝、DC电弧、氧炔焰、和微波等离子体。
涉及电极的方法例如DC电弧等离子体可能由于材料的电极腐蚀和掺入到金刚石内而具有缺点。燃烧方法避免了电极腐蚀问题，但依赖于较昂贵的原料气，该原料气必须被净化到与高品质金刚石生长均匀的水平。另外，火焰的温度即使当燃烧氧-乙炔的混合物时不足以达到原子氢在气体流中的足够分数并且该方法依赖于将气体流浓缩到局部区域中以实现合理的生长速率。可能地，燃烧为何没有广泛用于体积金刚石生长的主要理由是在于能够被提取的以kWh的能量而言的成本。当与电力进行比较时，高纯度的乙炔和氧气是用于产生热量的昂贵方式。热灯丝反应器尽管表面上显现为很简单但是具有受限于在较低气体压力下使用的缺点，这被需要以确保它们朝向生长表面的有限量原子氢的相对有效的传输。
鉴于上述情况，已经发现的是，就功率效率、生长速率、生长区域和可得到的产品的纯度的组合而言，微波等离子为用于驱动CVD金刚石沉积的最有效的方法。
微波等离子体致动的CVD金刚石合成系统通常包括耦合到源气体供应源和微波功率源上的等离子体反应器容器。等离子体反应器容器配置为形成支承微波驻波的谐振腔。包括碳源和分子氢的源气体被进给到等离子体反应器容器内并且可以由微波驻波致动以形成在高场区域中的等离子体。如果合适的基底设置为紧靠该等离子体，则含有自由基的反应碳能够从等离子体扩散到基底并且沉积在其上。原子氢也能够从等离子体扩散到基底上并且从所述基底中选择性地蚀刻非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。
用于使用CVD工艺合成金刚石薄膜生长的可能的微波等离子体反应器的范围在本领域中是已知的。这种反应器具有多种不同的设计。常见的结构包括：等离子体腔；基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中；微波发生器，所述微波发生器用于形成等离子体；耦合结构，所述耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将它们从中去除；以及温度控制系统，所述温度控制系统用于控制在所述基底保持器上的基底的温度。
Silvaetal.的总结不同可能的反应器设计的有用的总结文章在前述JournalofPhysics(参见“Microwaveengineeringofplasma-assistedCVDreactorfordiamonddeposition”J.Phys.:Condens.Matter,Vol.21,No.36(2009)364202)中给出。该文献确定，从纯粹电磁角度而言，存在三种主要的设计标准：（i）谐振模式的选取；（ii）耦合结构（电场或磁场）的选取；以及（iii）电介质窗口（形状和位置）的选取。
考虑到（i）点，Silvaetal.确定，圆形横向磁场（TM）模式并且特别是TM0mn模式是最合适的。在这种表示法中，第一标号（此处为0）表示电场结构为轴对称，这将产生圆形等离子体。标号m和n表示在电场中分别沿径向和轴向方向的节点的数量。Silvaetal表明已经在现有技术的反应器中使用多种不同的模式，包括：TM011；TM012；TM013；TM020；TM022；TM023；和TM031。
考虑到（ii）点，Silvaetal.确定，使用天线的电场（电容）耦合被最广泛地使用而该磁场（电感）耦合由于比能够被耦合的功率有限的功率而很少使用。即，商业可得的IPLAS反应器公开为使用磁场耦合以支持TM012模式。
考虑到（iii）点，Silvaetal.描述了与电场和磁场耦合方案相关联的主要元件为电介质窗口，该电介质窗口通常由石英制成并且限界在腔体内的减小的压力区，在该压力区中反应气体被进给以在由电磁场致动时形成等离子体。所述的是石英窗口的使用使使用者能够选定单电场反节点区域（最大电场），使得等离子体能够仅在该区域中被点燃，并且能够避免在腔室内的其他电场最大值处的寄生等离子体的形成。石英窗口常规地呈布置在基底上的钟罩的形式，沉积在该基底上发生并且围绕与基底相邻设置的电场反节点。还公开了其他介电窗口结构。例如，ASTEX反应器描述为包括呈大约在腔体中平面处穿过反应器腔室布置的板的形式的介电窗口，而第二发生ASTEX反应器描述为具有呈石英管形式的介电窗口，该介电窗口未直接暴露给等离子体以便向反应器提供更好的功率处理能力。
另外，该文献公开了现有技术的反应器腔室的不同几何形状，所述腔室包括：圆筒形腔室，例如设计为支持TM012模式的MSU反应器、设计为支持TM013模式的ASTEX反应器、或者支持TM023模式或TM022模式的LIMHP反应器设计；椭圆形腔室，例如AIXTRON反应器；和其他非圆筒形腔室，例如第二发生ASTEX反应器，其具有旨在支持在基底保持器与腔室的顶部部分之间的TM011模式的中央圆筒形部件和支持TM021模式的横向延伸的侧部叶片，使得所述腔室作为整体支持多种模式。第二发生ASTEX反应器仅仅具有在腔室的中央部段的顶部部分中的一个Ez场最大值（这是对于TM011模式的情况），但是具有在其下部半部中的两个Ez最大值（如对于TM021模式所期望的）。
考虑到专利文献，US6645343（Fraunhofer）公开了微波等离子体反应器的示例，其配置用于经由化学气相沉积工艺的金刚石薄膜生长。本文所述的反应器包括圆筒形形等离子体腔室，其具有安装在其基底上的基底保持器。冷却装置设置在基底保持器的下面以用于控制在所述基底保持器上的基底的温度。此外，气体入口和气体出口设置在等离子体腔室的基底中以用于供给和移除工艺气体。微波发生器经由高频共轴路耦合到所述等离子体腔室上，所述高频共轴路在等离子体腔室上方在其输送端部处分开，并且在等离子体腔室的周缘处引导到呈石英环形式的大致环形微波窗口上。如在US6645343中所述的发明集中在环形微波窗口上并且公开了在反应器腔室中的微波耦合以圆形对称方式分布在微波窗口的整个环表面上。教导的是由于耦合分布在较大的表面上，因此高微波功率水平能够被耦合而没有在微波窗口处产生的较高的电场强度，由此减小窗口放电的风险。
因此，US6645343解决了由Silvaetal.在他们前面讨论的JournalofPhysics文章中描述的三个设计标准中的两个，即耦合结构（磁场）的选取和介电窗口（围绕圆筒形反应器腔室的侧壁设置的环形电介质窗口）的选取。US6645343没有涉及对于所述腔室应当设计为支持何种谐振模式和何种设计标准应当被施加到所述腔室上以最佳地支持所期望的谐振模式以实现在大面积基底/保持器的表面上的均匀的、稳定的、大面积的等离子体以用于实现在大面积上的均匀的CVD金刚石生长。
鉴于上面的讨论和在本文所提及的现有技术，将明显的是，在CVD金刚石合成的领域中众所周知的是形成在大面积基底/保持器的表面上的均匀的、稳定的、大面积的等离子体以用于获得在大面积上的均匀的CVD金刚石生长并且在本领域中已经提出了很多不同的等离子体腔室设计和功率耦合结构以用于尽力实现该目的。但是，存在持续的需求以改进现有技术的布置以提供更大的CVD生长面积、更大的均匀性、更高的生长速率、更好的可重复性、更好的功率效率和/或更低的生产成本。本发明的某些实施例的目的是解决该持续的需求。
发明内容
根据本发明的第一实施例，提供了用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：
微波发生器，所述微波发生器配置为产生频率为f的微波；
等离子体腔，所述等离子体腔包括基部、顶板、和从所述基部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波谐振模式的谐振腔，其中，所述谐振腔具有从所述基部延伸到所述顶板的中央对称旋转轴，并且其中，所述顶板横过所述中央对称旋转轴安装；
微波耦合结构，所述微波耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；
气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；以及
基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中并且包括用于支承基底的支承表面，在使用时所述合成金刚石材料沉积在所述支承表面上；
其中，所述谐振腔配置为具有从所述等离子体腔的所述基部到所述顶板测量的高度，所述高度支持在所述频率f下在所述基部与所述顶板之间的TM011谐振模式；以及
其中，所述谐振腔还配置为具有在比从所述基部测量的所述谐振腔的所述高度的50%小的高度处测量的直径，所述直径满足所述谐振腔高度/所述谐振腔直径的比率范围为从0.3至1.0的条件。
根据本发明的第二实施例，提供了用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：
等离子体腔，所述等离子体腔包括基部、顶板、和从所述基部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波谐振模式的谐振腔，其中，所述谐振腔具有从所述基部延伸到所述顶板的中央对称旋转轴，并且其中，所述顶板横过所述中央对称旋转轴安装；
微波耦合结构，所述微波耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；
气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；以及
基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中并且包括用于支承基底的支承表面，在使用时所述合成金刚石材料沉积在所述支承表面上；
其中，所述谐振腔配置为具有从所述等离子体腔的所述基部到所述顶板测量的高度，所述高度支持在范围为从400至500MHz、800至1000MHz或2300至2600MHz的频率下在所述基部与所述顶板之间的TM011谐振模式；以及
其中，所述谐振腔还配置为具有在比从所述基部测量的所述谐振腔的所述高度的50%小的高度处测量的直径，所述直径满足所述谐振腔高度/所述谐振腔直径的比率范围为从0.3至1.0的条件。
根据本发明的第三实施例，提供了一种使用化学气相沉积工艺制造合成金刚石材料的方法，所述方法包括：
设置如上所述的微波等离子体反应器；
将基底设置在所述基底保持器上；
将微波进给到所述等离子体腔室内；
将工艺气体进给到所述等离子体腔室内；以及
在所述基底上形成合成金刚石材料。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出本发明如何被有效地执行，现在将参照附图仅仅作为示例描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的配置为使用化学气相沉积技术沉积合成金刚石材料的微波等离子体反应器的截面图；
图2示出了根据本发明的实施例的配置为使用化学气相沉积技术沉积合成金刚石材料的另一微波等离子体反应器的截面图；以及
图3示出了根据本发明的实施例的配置为使用化学气相沉积技术沉积合成金刚石材料的又一微波等离子体反应器的截面图。
具体实施方式
本发明人已经考虑了多种反应器设计标准以尝试且实现以下有利技术效果中的一个或多个：较大面积CVD金刚石生长；在整个生长面积上的较好的CVD金刚石均匀性；较高的生长速率；较好的可重复性；较好的功率效率；和/或较低的生产成本。所述设计标准包括：（1）谐振模式和腔室几何形状；（2）微波耦合结构、电介质窗口的形状和位置；以及（3）用于稳定在所述反应器腔室内所形成的等离子体的结构。这些设计标准在下面依次讨论。
共振模式和腔室几何形状
本发明的某些实施例基于似乎违反直觉的发现：有利的是使用具有较小直径的等离子体反应器腔室形成均匀的、稳定的、大面积的等离子体以用于在大面积上实现均匀的CVD金刚石生长。
本发明人已经注意到，大直径腔室能够支持若干种、或者实际上很多种共振模式。还已经注意到，这些模式可能相互作用。本发明人认为，即使是弱的相互作用也是问题。如果寄生模式即使在百分之几的主谐振模式下存在，则其可能足以扰乱等离子体的均匀性。本发明人已经发现，如果等离子体腔的直径过大，则这可能导致较差的等离子体稳定性而具有等离子体“跳跃”的倾向。但是，另一种方法是腔室的直径变得过小，等离子体变为在整个基底上被压缩和不均匀。
此外，本发明人认为，在特定的、较小的直径范围内形成的腔室容许在基底处形成局部高阶的轴对称模式，从而使电场（E-field）在整个基底上形成为更均匀而不会在基底的顶角处形成很强的径向电场。应当注意到，这些局部高阶的轴对称模式与前面讨论的中断寄生模式不同，该模式在整个腔室上作为整体被支持并且其非期望地干扰谐振腔室的主微波模式。
此外，本发明人还认为，有利的是提供具有较低Q因子的谐振腔。谐振腔的Q因子为所存储的能量/每个周期所消耗的能量的比率。本发明人认为，对于CVD金刚石合成而言，等离子体腔在使用时（即，在等离子体腔室中具有等离子体）的Q因子应当较低（例如，小于1000、500、200、100、80、50、30或20）。即，谐振腔为弱谐振并且为高阻尼，具有高的能量损失率。这种腔体具有其发生谐振的较大范围的频率并且由此以较大的带宽操作。Q因子可以通过修改等离子体的腔室的体积和导电性而修改。在大的腔体中的小的、弱导电性的等离子体可以预期为具有比在小的腔体中的大体积等离子体高的Q因子。因此，具有大的等离子体体积的小的腔室由于该另外的原因而被认为是优选的。该条件能够通过设置具有较小直径的等离子体腔（由于腔室的高度必须选取为支持驻波微波）而最容易地实现。
微波腔的Q因子由于若干原因而可能是重要的。首先，微波源产生频率频谱上的功率并且在不同的源之间为不同。对于能够在频率范围上进行操作而没有任何朝向匹配网络的任意其他调节的反应器而言，明显的是低的Q因子可能为有利的。其次，等离子体本身影响谐振频率并且使腔室与其空载条件相匹配，这是由于即使弱离子化的等离子体的复介电常数也与非离子化的气体的复介电常数不同。最佳地，必须达成妥协，其中等离子体能够在腔室中被激发而不必进行朝向匹配网络的调整，这是由于其在正常操作期间的设置。再次，高Q腔体（和匹配网络）将显示出反射的相位和振幅随频率的大的变化。这意味着源频率变为在确定多少功率耦合到等离子体内时为关键的。源的频率的变化可能由于不同的原因而发生，并且高的Q腔室将不太能容忍制造公差的任意小的差异。
考虑到上述情况，本发明人认为，有利的是使用较小直径的腔体以提供以下有益的技术效果：
（i）提高在腔室内的谐振模式纯度并且避免在对于CVD金刚石合成所需的长时间尺度上的操作期间在多种模式之间的复杂的相互作用。例如，较小直径的腔室能够减小以下问题：在CVD金刚石生长表面上的轻微的温度的不稳定性，从而激发不受欢迎的高阶模式。
（ⅱ）在特定的、较小的直径范围内所形成的腔体被视为容许在基底处形成局部高阶轴对称模式，从而在整个基底上形成更均匀的电场而不在基底的顶角处形成很强的径向电场。
（ⅲ）具有较低Q因子的小直径腔体更易于起动和调谐，并且对微波源频率的变化更不敏感。
这种较小直径的腔室也有助于缓解复杂的、在腔室内形成的相互作用的气体对流的问题，该气体对流导致等离子体的不稳定性。即，本发明人认为，小直径腔体提供了就在等离子体腔室内的气体流动和微波功率而言的更简单和更易于控制的系统，使得更均匀的、稳定的、大面积的等离子体能够被形成和维持以实现在大面积上的均匀的CVD金刚石生长。同时，腔体的直径不应当为小，使得等离子体在整个基底上变为被压缩和不均匀。
所以，所遗留的问题是所述腔室应当实际上为何种形状和尺寸以实现上述要求。
鉴于上述讨论，该腔室的形状和尺寸将取决于：（i）微波的频率；（ii）所需的驻波模式；以及（iii）用于该腔室的所需Q因子。
鉴于微波频率，存在在UK使用的发生器的两种标准频率：2450MHz和896MHz（在欧洲大陆、美洲和亚洲，较低的频率标准为915MHz，在澳大利亚其为922MHz）。将频率从2450MHz降低2.7倍到896MHz将容许对于给定的模式结构的CVD沉积直径的增大2.7倍。因此，较低的标准频率对于较大面积的沉积为优选的。其他容许的频段例如433MHz的选取也是可能的。在一些方面，较低频率例如433MHz对于实现甚至更大面积的CVD金刚石沉积是有利的。由此，将频率从896MHz降低2.07倍至433MHz将容许倍数为2.07的CVD沉积直径的增大。
鉴于所需的模式，由于理想的是在基底处或在基底的紧上方生成电场的Ez分量（防结点）的集中以在该区域中激发等离子体，因此被认为优选的是使用横向磁场而非横向电场模式，这是由于后者不能在导电表面（定向为横向于传播方向）处生成轴对称的高电场。
已经发现的是，由于TM011模式已经发现为是最紧凑的（小）模式，因而使用TM011模式是有利的，该模式在实际中能够在金刚石CVD等离子体反应器中使用。TM011驻波可以形成为半波长而具有在基底上在腔室的中心处的节点和在腔室的基部处的反节点以及在腔室的顶部处的反节点。当与高阶模式的频率分离相比时，该低阶模式具有比其他模式大的频率分离的另外的优点，由此减小在不同模式之间跳变的可能性。由此，TM011也已经发现为由于该原因而就模式纯度和稳定性而言是有利的。
对于TM011模式并且考虑到前面的讨论，用于制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器可以包括：
微波发生器，所述微波发生器配置为产生频率为f的微波；
等离子体腔，所述等离子体腔包括基部、顶板、和从所述基部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波谐振模式的谐振腔，其中，所述谐振腔具有从所述基部延伸到所述顶板的中央对称旋转轴，并且其中，所述顶板横过所述中央对称旋转轴安装；
微波耦合结构，所述微波耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；
气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；以及
基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中并且包括用于支承基底的支承表面，在使用时所述合成金刚石材料将沉积到所述支承表面上；
其中，所述谐振腔还配置为具有在比从所述基部测量的所述谐振腔的高度的50％、40％、30％、20％或10％小的高度处测量的直径，所述直径满足谐振腔高度/谐振腔直径的比率范围为0.3至1.0的条件。
这种设计已经发现为生成比用于CVD金刚石合成的其他结构大、更均匀的等离子体而言是有用的。已经发现的是，使用如上文所限定的反应器使直径为150mm量级的基底能够被均匀的等离子体覆盖以便以快的生长速率在整个区域上形成很高品质的、均匀的CVD金刚石材料。意外地，当与很多不同的、并且在大多数情况下更复杂的反应器设计进行比较时，本文所述的似乎更紧凑和简单的设计已经发现为对于CVD金刚石合成而言是有利的。此外，本发明与本领域的实施者所采用的整体方向完全相反，这些实施者已经转移到使用更大的等离子体腔室，具有更复杂的几何形状以试图满足在更大区域上获得高品质的、均匀的CVD金刚石生长的目的。例如，由Silvaetal.所述的仅仅一个现有技术的反应器公开了使用TM011模式、第二发生ASTEX反应器。本反应器设计与第二发生ASTEX反应器在两个关键特征上不同：（i）TM011模式限定为被支持在谐振腔的基部与顶板之间（而非在如在第二发生ASTEX设计的基底台面与顶板之间）；以及（ii）谐振腔在谐振腔的至少下部部分处的直径满足谐振腔高度/谐振腔直径的比率范围为从0.3至1.0的条件（这需要腔体的直径在与ASTEX设计相比时较窄，ASTEX设计具有很宽的腔室，从而具有设计为支持TM021模式的横向延伸部分）。由此，ASTEX设计完全抵抗本发明的实施例的发明性概念，本发明将形成窄的、紧凑的谐振腔而具有支持在等离子体腔室的基部与顶板之间的TM011。
本发明的某些实施例已经发现为具有以下有利的特点：（i）在等离子体腔室内的改进的谐振模式纯度，从而限制了在对于CVD金刚石合成所需的长时间尺度的操作期间在多种模式之间的复杂的、不可控的相互作用；（ii）在基底处的局部高阶轴对称模式的改进控制，从而在基底上形成更均匀的电场而不会在基底的顶角处形成很强的径向电场；（iii）改进的气体流动控制（例如，小的、简单的腔室设计能够减小在腔室内的不利的对流，该对流导致不均匀的CVD金刚石生长）；和（iv）改进的起动和调谐能力（例如，通过设置低的Q因子谐振腔）。前面三点确信为对于在大面积上获得高品质的、均匀的CVD金刚石生长而言是重要的，其中最后一点对于提供强大的工业过程而言是重要的。
可选地，谐振腔高度/谐振腔直径的比率范围为从0.4至0.9或者0.5至0.8。例如，从等离子体腔的基部到顶板测量的谐振腔高度可以范围为从150mm至300mm、150mm至250mm、或200mm至250mm。此外，可选地，谐振腔直径可以范围为从200mm至500mm、250mm至450mm、或300mm至400mm。这些尺寸对于在范围为从800MHz至1000MHz的微波频率的操作而言是特别优选的。但是，对于前面讨论的谐振腔高度与谐振腔直径比率在所述限制内的需求对于可选的操作频率例如范围为从400MHz至500MHz或者2300MHz至2600MHz中的那些被保持。因此，谐振腔可以配置为具有从等离子体腔的基部到顶板测量的高度，该高度支持在微波发生器的频率的±50MHz内的频率下在基部与顶板之间的大致圆筒形TM011谐振模式。对于范围为从2300MHz至2600MHz的操作频率而言，从等离子体腔的基部至顶板测量的谐振腔高度可以范围为从50mm至110mm、50mm至90mm、或70mm至90mm。在该操作频率下的谐振腔直径可以范围为从70mm至180mm、90mm至160mm、或110mm至150mm。对于范围为从400MHz至500MHz的操作频率而言，从等离子体腔的基部到顶板测量的谐振腔高度可以范围为从300mm至600mm、300mm至500mm、或400mm至500mm。在该操作频率下的谐振腔直径可以范围为从400mm至1000mm、500mm至900mm、或600mm至800mm。
根据一种结构，谐振腔为圆筒形的。即，谐振腔的侧壁在其从基部到顶板的高度的大部分（例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或95％）上具有基本均匀的直径。这与具有广泛不同直径的ASTEX结构明显不同，从而导致在其中基底保持器所设置的腔室的下部部分中的复杂多种模式相互作用的可能性。
可选地，等离子体腔的侧壁可以在谐振腔的至少上部部分中在比谐振腔的高度的50%大的高度处朝向谐振腔的顶板向外渐缩，以在使用时减小在谐振腔的上部部分中的高电场反节点的强度。再次，这与具有在等离子体腔的下部部分中的较大直径和在腔室的上部部分中的较窄直径的ASTEX结构明显不同。在本发明的可选结构中，谐振腔的的下部直径/上部直径的比率可以大于0.4且小于1，其中，下部直径在比从基部测量的谐振腔的高度的50%小的高度处测量，而上部直径在比谐振腔的高度的50%大的高度处测量。可选地，该比率可以范围为从0.5至0.9、0.6至0.9、或0.7至0.8。例如，下部直径可以范围为从200mm至450mm、250mm至450mm、300mm至400mm、或330mm至400mm，而上部直径可以范围为从300mm至500mm、350mm至500mm、350mm至450mm、或400mm到450mm。这些尺寸对于范围为从800MHz至1000MHz的微波频率下的操作是特别优选的。对于400至500MHz的操作频率，下部直径可以范围为从400mm至900mm、500mm至900mm、600mm至800mm、或650mm至800mm，而上部直径可以范围为从600mm至1000mm、700mm至1000mm、700mm至900mm、或800mm至900mm。对于2300至2600MHz的工作频率，下部直径可以范围为从70mm至160mm、90mm至160mm、100mm至150mm、或120mm至150mm，而上部直径可以范围为从100mm至200mm、120mm至200mm、130mm至170mm、或150mm至170mm。
上述的低直径谐振腔在使用时将导致等离子体体积与腔室体积的较大比率。谐振腔的体积可以范围为从0.002m3至0.060m3、0.007m3至0.040m3、0.010m3至0.030m3、或0.015m3至0.025m3。因此，这些腔室能够形成低Q因子的谐振腔，例如在使用时不超过1000、500、200、100、80或50。这些尺寸对于范围为从800MHz至1000MHz的微波频率下操作时是特别优选的。对于400至500MHz的操作频率，谐振腔的体积可以范围为从0.018m3至0.530m3、0.062m3至0.350m3、0.089m3至0.270m3、或0.133m3至0.221m3。对于2300至2600MHz的工作频率，谐振腔的体积可以范围为从9.8×10-5m3至2.9×10-3m3、3.4×10-4m3至1.96×10-3m3、4.9×10-4m3至1.47×10-3m3、或7.35×10-4m3至1.23×10-3m3。
应当注意，尽管在本说明书中当描述等离子体反应器时使用术语例如“顶部”、“基部”、“上部”和“下部”，但是可能的是使反应器反转。因此，这些术语指的是反应器部件相对于彼此的位置并且并非必然是它们相对于地面的位置。例如，在标准使用情况下，基底将由腔室的基部支承，所述基部将形成所述腔室相对于地面的下壁。但是，可能的是使反应器反转，使得所述腔室的支承所述基底的所述基部将形成所述腔室相对于地面的上壁。在反转定向中，朝向基底的气体流可以平行于基本热学驱动的对流（其由于在等离子体中所产生的大量热量而沿向上的方向，所述等离子体在反转结构中位于基底的下方）。该反转结构可以具有对于某些应用的一些益处。
除了上面所讨论的基本腔室尺寸以外，已经发现的是在谐振腔内的基底和/或基底保持器的几何形状能够在使用时影响所形成的等离子体的均匀性。具体地，已经发现的是，等离子体的均匀性能够通过确保基底和/或基底保持器和谐振腔配置为满足谐振腔直径/基底（和/或基底保持器）直径的比率范围为从1.5至5、2.0至4.5或2.5至4.0的条件而被进一步提高，其中，谐振腔直径在比谐振腔的高度的50%、40%、30%或20%小的高度处测量或者在基底的生长表面处测量。例如，基底（或基底保持器）直径可以范围为：对于范围为从400至500MHz的微波频率f为从165mm至415mm、185mm至375mm、205mm至375mm、205mm至330mm或240mm至330mm；对于范围为从800至1000MHz的微波频率f为从80mm至200mm、90mm至180mm、100mm至180mm、100mm至160mm、或115mm至160mm；或者对于范围为从2300至2600MHz的微波频率f为30mm至75mm、33mm至65mm、37mm至65mm、37mm至58mm或42mm至58mm。
前述条件假定基底保持器在使用时将为与基底可比的尺寸。实践中，基底保持器能够形成为比将在CVD金刚石工艺中所使用的基底大的直径。在该情况下，等离子体在基底的生长表面上的均匀性将主要受基底的几何形状的影响并且由此前述直径范围可以仅仅应用到基底上而非基底保持器上。
还应该注意，基底保持器可以由等离子体腔的基部形成。术语“基底保持器”的使用旨在包含这种变化。此外，基底保持器可以包括为与基底相同直径（如图示）或比基底更大直径的平坦支承表面。例如，基底保持器可以形成大的平坦表面（由腔室基部或者设置在腔室基部上的单独部件形成），而基底可以仔细地设置在平坦支承表面的中央区域上。在一种结构中，基底保持器的支承表面可以具有另外的元件例如突出部或沟槽以使基底对准并且可选地保持基底。可选地，没有这种另外的元件可以被设置，使得基底保持器仅仅提供基底设置于其上的平坦支承表面。
本发明人已经发现在使用如上所述的小的腔体结构时的一个潜在问题为腔室的壁部件中的过热的问题。如将在下文更详细讨论的，已经发现为有利的是设置其中谐振腔的壁在使用时暴露给等离子体的结构，即等离子体未被容纳在钟形罩内。真空工程师已经建议，等离子体反应器容器应当由焊接不锈钢制成，这是由于其为用于超高真空（UHV）腔的可接受的选取材料。但是，已经发现，这生成在界面处的电弧、在热的表面上形成烟灰、以及通常为差的热传递的问题。此外，这些腔室导致构建所费的大量金钱。由此，尽管不锈钢为用于真空腔的良好材料，但是其差的热性能使其特别适于在其中经历高功率密度的区域中使用。材料例如铝尽管在传统上未被视为适于高真空，但是实际上对于其中能够使用常规的弹性体密封件的合理的高真空使用是特别好的。由此，谐振腔优选地由铝或其包括至少80%、90%、95%、或98%的重量的铝的合金形成。
微波耦合结构、电介质窗口的形状和位置
等离子体的不稳定性能够导致等离子体“跳跃”并且在高电场的远离于紧邻基底的期望位置处的其他区域中点燃工艺气体。对于该问题的一个解决方案是使用钟形罩以将工艺气体限定在基底的附近。由于工艺气体当与在钟形罐外侧的气体进行比较时为显著减小的压力，因此击穿电压减小，使得等离子体能够仅仅存在于钟形罐内。在钟形罐中的气体的成分也能够选取为辅助在较低电场下的击穿。但是，使用钟形罐存在其自身的问题。例如，来自石英钟形罐的硅杂质能够变为结合到使用这种结构生长的CVD金刚石内，从而导致产品纯度的退化。此外，钟形罐旨在高功率下的过热，从而导致减小的总服务寿命或者在极端情况下为灾难性的破坏。这至少部分地是由于等离子体的接近。从等离子体中更多移除的较大钟形罐可以部分地解决该问题，但是这种结构更易受对流的影响并且由此损失等离子体的稳定性。实际上，本发明人考虑到，导致等离子体稳定性损失的在腔室内的对流的问题（在腔室内的至少较复杂和不受控制的对流）在不使用钟形罐的大体积腔室内也是显然的。该问题通过使用如前所述的小的、窄直径的TM011腔体结构解决。
将高功率微波进给到这种不具有钟形罐的小的、窄直径的TM011腔体能够本身生成若干问题。但是，这些问题能够通过就微波功率如何耦合到腔室内以及电场和磁场如何在腔室内被操纵而言的腔室的另外的修改的必要性而被克服。下文讨论这些另外的修改。
一个问题是如何避免在远离于紧邻基底上方的期望位置处形成等离子体和在反节点处的电击穿。该问题通过设置如前所述的较小的、窄直径的TM011而部分地解决，使得较少的磁场反节点存在于腔室内。但是，即使使用这种TM011腔体设计，仍然存在位于腔室的上部部分中的第二反节点，其实际上为存在于腔体的基底端部处的电场的镜像。
存在减轻等离子体形成和在上部反节点的电击穿的问题的若干可能的方法。例如，已经发现的是，如果微波功率为电感耦合而非电容耦合到腔室内，则存在在上部反节点处形成等离子体的较小风险。
换言之，Silvaetal.确定，使用天线的电场（电容）耦合为最广泛使用的，而磁场（电感）耦合由于比能够耦合的受限功率而很少使用。本发明人感兴趣的是以高功率操作以获得用于商业有用的工业过程的高的CVD金刚石生长速率。因此，在Silvaetal的公开之后，技术人员将被教导使用电容耦合。与该教导相反，本发明人已经认识到，如果利用较小的、窄的腔室设计，则即使当使用电感耦合时也能够实现高的功率密度。此外，通过使用电感耦合，能够减轻与电容耦合相关联的前述问题。由此，电感耦合和小的、窄的等离子体腔的组合已经发现为就实现高功率密度以及由此高的CVD金刚石生长速率而言是有利的，而同时减轻在谐振腔中的上部反节点处形成等离子体的问题。
问题保持为微波应当如何电感耦合到腔室内。一个选项是以与在背景技术中所讨论的ASTEX和LIMHP反应器相似的方式经由位于腔室的上部部分中的板状电介质窗口电感耦合高功率微波。但是，已经发现，这种介质板在使用时由位于腔室的上部中央部分中的高电场区域破坏，并且能够导致介电材料污染使用这种结构的CVD金刚石生长。该问题能够通过将微波功率通过设置在腔体的端部处或附近的环形电介质窗口进给而减轻。对于环形窗口的设置的若干选项是可能的。环形窗口能够设置在腔室的端壁上或者侧壁上。在两种情况下，高磁场的类似区域被电感激发。但是，与在US6645343中所公开的环形电介质窗口相比较，本发明人已经发现，优选的是将环形窗口设置在腔室的端壁上，使得微波沿与腔室的中央旋转轴平行的方向耦合到腔室内。
被视为有利的是限制在使用时暴露给等离子体的介质材料的面积。例如，谐振腔可以包括配置为在使用时暴露给在谐振腔内形成的等离子体的内壁，所述内壁包括形成为谐振腔内的内壁的总表面面积的至少75%、80％、85％、90％或95％的金属表面。如前述，金属表面优选地由铝制成。在特别有利的结构中，谐振腔具有小的体积，而在使用时暴露给等离子体的内壁的大部分由金属表面形成。谐振腔的体积可以范围为从0.002m3至0.06m3、0.007m3至0.04m3、0.01m3至0.03m3、或0.015m3至0.025m3。这些尺寸对于范围为从800MHz至1000MHz的微波频率下的操作是特别优选的。再次，这些尺寸可以根据操作频率改变。例如，对于范围为从400MHz至500MHz的微波频率操作，该值可以增大2.073的倍数，而对范围为2300MHz至2600MHz的微波频率操作，该值可以增大0.3663的倍数。由此，在范围为400至500MHz的微波频率下，谐振腔可以具有范围为从0.018m3至0.530m3、0.062m3至0.350m3、0.089m3至0.270m3、或0.133m3至0.221m3的体积。在范围为从2300至2600MHz的微波频率下，谐振腔可以具有范围为从9.8×10-5m3至2.9×10-3m3、3.4×10-4m3至1.96×10-3m3、4.9×10-4m3至1.47×10-3m3、或7.35×10-4m3至1.23×10-3m3的体积。
较小部分的内壁可以由介电材料形成以用于将微波耦合到谐振腔内。特别有利的结构包括以一个或多个部段形成的环形电介质窗口，环形电介质窗口形成为不大于在谐振腔内的内壁的总表面面积的25%、20％、15％、10％、或5％。
用于稳定在反应器腔室内形成的等离子体的结构
即使当使用电感耦合时，仍然存在在腔室的上部部分中形成等离子体的风险。进一步减轻该问题的一种方法是设置至少部分地消除在腔室的上部部分中的高电场反节点而不会过度影响在腔室的下部部分中的高电场区域的结构。实现此的一种方法是设置延伸到腔室内且在上部反节点上延伸的导电表面。导电表面可以形成均匀曲率的碗、尖形锥、或者任意居中的锥形结构。具有圆尖的锥形表面是优选的。在一个优选的结构中，锥形表面配置为基本正交于腔体的谐振模式的电场矢量，由此最大限度地减小由于锥形表面被引入到谐振腔内而导致的电场中的扰动。即，可能的是通过将导电金属表面布置为基本正交于在上部高电场反节点的区域中的电场以有效地消除上部高电场区域而消除反节点而不影响在腔室的下部部分中的基本TM011电场轮廓。尽管腔室的谐振频率不应当被过度改变，但是Q因子将由于在腔体中的存储能量的减小而每次循环所消散的能量保持相同而减小。
导电表面能够扩展到四分之一的波导波长，并且可以从等离子体腔室的驱动端部或非驱动端部延伸。通过“驱动端部”，我们意为微波耦合到腔室内的端部。可选的可能性是将导电表面布置在非驱动端部处，从而导致其中微波窗口绕基底设置的结构，尽管该结构能够导致介电窗口的破坏。
鉴于上述情况，一种结构包括锥形导电构件，所述锥形导电构件延伸到谐振腔内以在使用时当与等同的谐振腔相比时至少部分地消除在谐振腔中的高电场反节点而不存在锥形导电构件。锥形导电构件可以由等离子体腔的基部或顶板支承，并且定向为使得锥形导电构件的前端位于谐振腔的中央对称旋转轴上。例如，基底保持器可以由等离子体腔的基部支承，而锥形导电构件能够由等离子体腔的顶板支承。在一个特别有用的布置中，锥形导电构件形成在谐振腔内的环形凹部，并且前述环形电介质窗口可以设置在环形凹部内。该结构对于在使用时防止介电窗口的破坏是有用的。
如上所述的导电表面对于设置有效地仅仅具有一个主要电场反节点的等离子体腔是有用的。即，能够设置导电表面，其延伸到腔室内以在使用时遮蔽除了靠近基底的生长表面设置的一个以外的所有主电场反节点以提高模式纯度并且减轻在远离于基底的生长表面处的感兴趣区域形成等离子体的问题。这种单反节点腔室被视为对于在较大表面上制造高品质合成金刚石材料是有利的。就此而言，应当注意的是，腔室可能由于基底在腔室内的存在而仍然包括局部模式。但是，谐振腔能够设计为使得仅仅一个主电场反节点由腔室的壁支承。
使用锥形导电表面以消除在腔室的上部部分中的高电场区域的替代是设置其中谐振腔的上部部分具有比谐振腔的下部部分大的直径的等离子体腔，谐振腔的上部部分配置为在使用时减小在谐振腔的上部部分中的高电场反节点。例如，腔室的侧壁可以在腔室的上部部分中向外渐缩以便减小TM011模式的上部反节点。电场的Ez分量的减小足以防止在该区域中发生的击穿。这种锥形可以从腔室的基部延伸或者可以开始部分地从腔室壁向上而腔室的下部部分保持为圆筒形。仍然可选地，可以在腔室的侧壁中设置台阶以提供更宽广的上部部分。这些布置也具有减小在腔室的上部部分中的功率密度的益处，这减轻在腔室的上部部分中的等离子体形成的问题。因此，向等离子体腔室设置更宽的上部部分具有减小在腔室的上部部分中的电场的效果。
作为替代方案，或者除了上述以外，使用定向为将工艺气体从顶板朝向基底的生长表面注入的气体入口能够辅助将等离子体向下朝向基底推动并且防止等离子体跳跃到腔室的上部区域内。
鉴于上述情况，其被视为期望的腔室设计可以完成以下设计参数：
（i）设计为支持在腔室的基部与顶板之间的TM011谐振模式的小的、窄的腔室是有利的。
（ii）微波功率可以经由环形电介质窗口电感耦合到腔室内。优选地，环形电介质窗口设置在等离子体腔的端壁上，使得微波沿与等离子体腔室的轴基本平行的方向耦合到等离子体腔内。
（iii）所述腔室可以配置为至少部分地抵消在腔室的上部部分中的大的电场反节点。这可以使用导电锥形表面或者可选地通过扩大腔室的上部部分的直径以支持在腔室的上部部分中的抵消模式而实现。轴向设置的气体入口也能够辅助防止等离子体跳跃到上部反模式。由此，如果利用轴向定向的气体流，则锥形或或锥度不是必不可少的。
一个有用的布置是组合环形微波窗口和中央设置锥的特征。另一种有用的组合是环形微波窗口和轴向设置的气体入口。而且另外有用的组合是设置所有三个前述特征，即环形微波窗口、中央设置锥、和轴向设置气体入口。
本发明的实施例提供了能够形成均匀的、稳定的、大面积的等离子体以用于实现在大面积上的均匀的CVD金刚石生长的等离子体反应器腔。
示例
图1示出了如本文所述的微波等离子体反应器的示例。如能够通过参照图1可见的，微波等离子体反应器包括以下基本部件：等离子体腔室2；基底保持器4，所述基底保持器4设置在等离子体腔中以用于保持基底5；微波发生器6，所述微波发生器6用于在等离子体腔2内形成等离子体8；微波耦合结构10，所述微波耦合结构10用于将来自微波发生器6的微波进给到等离子体腔2内；和气体流动系统，所述其他流动系统包括气体入口12和气体出口14以用于将工艺气体进给到等离子体腔室2内并且将它们从中去除。
微波耦合配置10包括共轴路，所述共轴路包括内部导体16和外部导体18。共轴路配置为将微波从微波发生器6传递给环形电介质窗口20。电介质窗口20由微波可透材料例如石英制成。其形成在等离子体腔室2的顶部部分中的真空密封环形窗口。微波发生器6和微波耦合结构10配置为产生合适的微波波长并且将该微波电感耦合到等离子体腔室2内以形成在等离子体腔室2内的驻波，从而在使用时具有位于基底5的紧上方的高能节点。顶板22包括一个或多个波导以将微波从共轴路通过介电窗口20传递。
等离子体腔室2的尺寸、微波波长、和顶板22的位置选取为在等离子体腔室内在腔室的基部24与顶板22之间产生TM011驻波。在基部24与顶板22之间的高度d和腔室的直径d选取为具有如前限定的比率。
等离子体腔室形成具有实心金属壁（优选地为铝）的紧密微波腔体，所述壁在使用时暴露给等离子体。等离子体腔的壁可以为流体或气体冷却的（例如，水冷）以容许较高功率的操作。这辅助对于钟形罐的移除需求以容纳反应物品，从而容许更高的功率，同时也提高材料的纯度。
图2示出了图1中图示的等离子体反应器的修改版本。在该修改的结构中，导电锥形构件34安装到顶板22上并且延伸到等离子体腔室内。导电锥形构件34配置为有效地遮蔽位于等离子体腔室的上部部分中的TM011模式的高电场反节点而不会过度影响位于等离子体腔室的下部部分中的TM011模式的高电场反节点。
图3示出了又一替代。在图示的实施例中，等离子体腔的上部部分具有比等离子体腔的下部部分的直径d1大的直径d2。d1/d2的比率选取为满足如前所述的设计标准。上部半径d2能够选取为支持第二微波模式，该第二微波模式至少部分地抵消在等离子体腔室的上部部分中的TM011模式的高电场反节点。
本发明的实施例提高CVD金刚石生长工艺的均匀性。均匀性的改进能够通过以下参数中的一个或多个进行测量：厚度的均匀性或CVD金刚石薄膜（整个沉积区域）；金刚石材料的一个或多个品质参数的均匀性（例如，颜色、光学性质、电子性质、氮吸收、硼吸收、和/或硼的激活能级）；在多晶金刚石材料中，织构均匀性、表面形貌、晶粒尺寸、等；或在其中生长在位于基底载具上的单晶金刚石基底的阵列上发生的单晶金刚石材料中，在每种单晶之间的厚度的均匀性、形貌、边缘结对、横向生长等。用于评估均匀性选取的关键参数取决于合成工艺、由合成产品制造最终产品的经济性、以及最终产品本身的需求。
尽管已经具体参照优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解的是，可以进行形式和细节的不同变化而不偏离于由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (17)

1.用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：
等离子体腔，所述等离子体腔包括基部、顶板、和从所述基部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波谐振模式的谐振腔，其中，所述谐振腔具有从所述基部延伸到所述顶板的中央对称旋转轴，并且其中，所述顶板横过所述中央对称旋转轴安装；
微波耦合结构，所述微波耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；
气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；以及
基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中并且包括用于支承基底的支承表面，在使用时所述合成金刚石材料沉积在所述基底上；
其中，所述谐振腔配置为具有从所述等离子体腔的所述基部到所述顶板测量的高度，所述高度支持在范围为从400MHz至500MHz、800MHz至1000MHz、或2300MHz至2600MHz的微波频率下在所述基部与所述顶板之间的TM011谐振模式；以及
其中，所述谐振腔还配置为具有在比从所述基部测量的所述谐振腔的所述高度的50％小的高度处测量的直径，所述直径满足所述谐振腔高度/所述谐振腔直径的比率范围为从0.3至1.0的条件，
其中，所述谐振腔包括内壁，所述内壁配置为在使用时暴露给在所述谐振腔内形成的等离子体，所述内壁包括金属表面，所述金属表面形成在所述谐振腔内的所述内壁的总表面区域的至少75％，
其中，所述内壁的一部分由以一个或若干个部段形成的环形电介质窗口形成，所述环形电介质窗口形成在所述谐振腔内的所述内壁的所述总表面区域的不超过25％的区域。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔高度/所述谐振腔直径的比率范围为从0.4至0.9。
3.根据任一前述权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，从所述等离子体腔的所述基部到所述顶板测量的所述谐振腔高度范围为：
在范围为从400MHz至500MHz的微波频率f下从300mm至600mm；
在范围为从800MHz至1000MHz的微波频率f下从150mm至300mm；或
在范围为从2300MHz至2600MHz的微波频率f下从50mm至110mm。
4.根据前述权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔直径范围为：
在范围为从400MHz至500MHz的微波频率f下从400mm至1000mm；
在范围为从800MHz至1000MHz的微波频率f下从200mm至500mm；或
在范围为从2300MHz至2600MHz的微波频率f下从70mm至180mm。
5.根据前述权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔具有范围为以下的体积：
在范围为从400MHz至500MHz的微波频率f下从0.018m3至0.530m3；
在范围为从800MHz至1000MHz的微波频率f下从0.002m3至0.06m3；或
在范围为从2300MHz至2600MHz的微波频率f下从9.8×10-5m3至2.9×10-3m3。
6.根据前述权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔为圆筒形的。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔的上部部分具有比所述谐振腔的下部部分大的直径，所述谐振腔的所述上部部分配置为支持至少一种第二微波模式，所述至少一种第二微波模式在使用时至少部分地消除在所述谐振腔的所述上部部分中的高电场反节点。
8.根据权利要求7所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔的下部直径/上部直径的比率大于0.4且小于1，其中，所述下部直径在比从所述基部测量的所述谐振腔的高度的50％小的高度处测量，而所述上部直径在比从所述基部测量的所述谐振腔的高度的50％大的高度处测量。
9.根据权利要求8所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔的下部直径/上部直径的比率范围为从0.5至0.9。
10.根据权利要求8所述的微波等离子体反应器，其中：
在范围为从400MHz至500MHz的微波频率f下所述下部直径范围为从400mm至900mm，而所述上部直径范围为从600mm至1000mm；
在范围为从800MHz至1000MHz的微波频率f下所述下部直径范围为从200mm至450mm，而所述上部直径范围为从300mm至500mm；或
在范围为从2300MHz至2600MHz的微波频率f下所述下部直径范围为从70mm至160mm，而所述上部直径范围为从100mm至200mm。
11.根据前述权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述谐振腔的内壁的金属表面形成在所述谐振腔内的所述内壁的总表面区域的至少80％、85％、90％或95％。
12.根据权利要求11所述的微波等离子体反应器，其中，所述内壁的金属表面由铝或者由其包括至少80％、90％、95％或98％重量的铝的合金制成。
13.根据权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述环形电介质窗口形成在所述谐振腔内的所述内壁的所述总表面区域的不超过20％、15％、10％或5％的区域。
14.根据前述权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，所述微波等离子体反应器还包括位于高电场反节点区域上的在所述等离子体腔内的导电表面，所述高电场反节点存在于不包括所述导电表面的对应等离子体腔中。
15.根据权利要求14所述的微波等离子体反应器，其中，所述导电表面为锥形的。
16.根据权利要求15所述的微波等离子体反应器，其中，所述锥形导电表面包括圆尖。
17.根据权利要求15所述的微波等离子体反应器，其中，所述锥形导电表面在所述等离子体腔中形成环形凹部，而环形电介质窗口设置在所述凹部中。
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