CN103392217B - 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，微波等离子体反应器包括：等离子体室（2）；布置于等离子体室中用于支承基底的基底保持器（4），在使用时合成金刚石材料待沉积于所述基底上；用于将微波从微波产生器（8）给送至等离子体室内的微波耦合构造（12）；以及用于将处理气体给送至等离子体室内并且从其移除处理气体的气体流动系统（13、16），其中用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造包括：形成于一个或若干个段中的环形介电窗口（18）；用于将微波给送至环形介电窗口的具有中心内导体（20）和外导体（22）的共轴波导管（14）；以及波导管板（24），所述波导管板（24）包括布置于环形构造中的多个孔（28），且多个臂（26）在孔之间延伸，每一个孔形成用于将微波朝向等离子体室耦合的波导管。

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
本发明涉及一种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体反应器。
背景技术
当前已知使用化学气相沉积（CVD）技术来合成金刚石材料。可以在JournalofPhysics（物理期刊）的特刊CondensedMatter（凝聚物质）,Vol.21,No.36(2009)（其专注于金刚石有关的技术）中找到有关金刚石材料的化学气相沉积的有用背景技术。例如，R.SBalmer等人发表的评论文章给出对CVD金刚石材料、技术和应用场合的综合性综述（参见“Chemicalvapourdepositionsyntheticdiamond:materials,technologyandapplications”J.Phys:CondensedMatter,Vol.21,No.36(2009)364221（物理期刊的凝聚物质特刊2009年出版36号21卷364221中的“化学气相沉积合成金刚石：材料，技术和应用场合”））。
在与石墨相比金刚石为亚稳定的区域中，在CVD条件下合成金刚石由表面动力学驱动，而非批量热力学（bulkthermodynamics）。一般使用较小百分比的碳（通常<5%）（通常为甲烷形式）来执行通过CVD的金刚石合成，但是也可以在过量氢分子的情况下采用其他含碳气体。假如氢分子被加热至超过2000K的温度，那么存在显著的氢原子分解。在存在适合的基底材料时，能够沉积金刚石。
氢原子对于处理来说是必需的，原因在于其从基底有选择地蚀掉非金刚石碳，以使得金刚石生长。可获得各种方法以用于加热含碳气体物质和氢分子，以产生用于CVD金刚石生长所需的活性含碳自由基和氢原子，包括电弧-喷流、热丝、DC电弧、氧乙炔焰、以及微波等离子体。
诸如DC电弧等离子体的涉及电极的方法能够具有由电极腐蚀和材料混入金刚石内引起的缺陷。燃烧方法避免了电极腐蚀的问题，但是依赖于相对昂贵的给送气体，所述给送气体必须被提纯至保持高质量金刚石生长所需的水平。还有，火焰的温度（甚至当燃烧氧乙炔混合物时）不足以达成在气体流中的大量氢原子裂解，并且所述方法依赖于将气体通量集中于局部区域以达成合理的生长速率。也许，燃烧未被广泛用于批量金刚石生长的主要原因在于能够被提取的能量成本（kWh）。与电相比，高纯度乙炔和氧气为用于产生热量的昂贵方法。热丝反应器虽然表面上简单，但是具有以下缺陷：有限分解来形成活性物质、以及在较低气体压力下使用的局限性，需要所述较低气体压力以确保将其有限数量的氢原子被相对有效地传送至生长表面。
根据上述内容，已经发现的是，微波等离子体为在功率效率、生长速率、生长面积、以及可获得的产品纯度的组合方面用于驱动CVD金刚石沉积的最有效方法。
微波等离子体激活的CVD金刚石合成系统通常包括联接至源气体供给部和微波功率源的等离子体反应器容器。等离子体反应器容器构造成形成支承驻波的共振腔。包括碳源和氢分子的源气体被给送至等离子体反应器容器内，并且能够由驻波激活以形成高场区域中的等离子体。假如适合的基底被设置为紧靠等离子体，那么活性含碳自由基能够从等离子体扩散至基底并且沉积于基底上。氢原子也能够从等离子体扩散至基底，并且从基底有选择地蚀掉非金刚石碳，以使得能够生长金刚石。
在本领域中已知一系列可能的用于通过化学气相沉积（CVD）过程进行金刚石薄膜生长的微波等离子体反应器。这些反应器具有各种不同的设计。共同的特征包括：等离子体室；布置于等离子体室中的基底保持器；用于形成等离子体的微波产生器；用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的耦合构造；用于将处理气体给送至等离子体室内以及从等离子体室移除处理气体的气体流动系统；以及用于控制在基底保持器上的基底的温度的温度控制系统。
US6645343（Fraunhofer）公开了构造成通过化学气相沉积过程进行金刚石薄膜生长的微波等离子体反应器的示例。其中描述的反应器包括圆柱形等离子体室，且基底保持器安装于等离子体室的底部上。气体入口和出口设置于等离子体室的底部中以用于供给和移除处理气体。微波产生器通过高频共轴线联接至等离子体室，所述高频共轴线在其等离子体室上方的输送端部处被细分，并且围绕等离子体室的上周边区域被指引向采取石英环形式的基本上环形的微波窗口。US6645343中描述的发明关注于环形的微波窗口，并且公开了反应器室中的微波耦合以圆形对称方式分布于微波窗口的整个环表面上方。已经教示的是：因为耦合分布于大的表面上，所以耦合高微波功率水平而无需在微波窗口处产生高电场强度，由此降低窗口放电的危险性。
本发明人已经认识到US6645343中描述的用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的耦合构造的若干潜在问题：
（i）由于在反应器室中形成的高温等离子体，在使用时上壳体段可能倾向于过度加热。US6645343中描述的布置未解决从上壳体段提取废弃能量的问题。一定时间内壁可能变得非常热，从而导致环形窗口密封以及环形窗口本身的最终失效。漏斗形的共轴线完全包围室的上部分，并且因此难以设想在前述布置中如何能够将任何冷却剂供给至室的上部分。
（ii）US6645343提到如下可能性：用于供给处理气体的连接件能够面对基底保持器，并且能够被近似中心地指引朝向基底保持器。然而，US6645343未描述实现这个布置的任何装置。如上所述，漏斗形的共轴线完全包围室的上部分，并且因此难以设想如何能够将任何处理气体中心地供给至室的上部分，并且被指引朝向基底保持器。仅有的可能性似乎涉及将处理气体向下给送穿过共轴给送器的中心内导体。在US6645343描述的布置中，共轴给送器的内中心导体从来自微波产生器的矩形波导管的上壁延伸至漏斗形的过渡面积。假如向等离子体室的上壳体提供诸如处理气体和/或冷却剂的保养剂的话，那么保养剂必须在相当大的距离上容纳于内中心导体内的相对受限的通路中。
（iii）在US6645343中描述的布置中，共轴给送器的内中心导体从来自微波产生器的矩形波导管的上壁延伸，因此提供带电接地点。因此，波导管过渡部必须被设计用于与接地内导体一同操作。这个设计的潜在缺陷之一为需要使得接地内导体和矩形波导管的短接电路之间的距离为半个引导波长。假如未被精确地构造，那么这能够不利地影响与室的功率耦合。使共轴波导管的内导体在波导管中电浮动在很多方面是将功率从矩形波导管转移至共轴波导管的更简单更方便的方法，但是具有失去保养剂（诸如水和气体）所能够引入的接地点的缺陷。
（iv）在US6645343中，环形微波窗口形成在上壳体段和下壳体段之间的反应器室侧壁的一部分。因此，环形的微波窗口被上方的上壳体段以压缩状态进行安放，这可能导致对微波窗口的破坏。此外，可能难以在环形微波窗口处容易可靠地形成上壳体段和下壳体段之间的真空密封。为了解决这个问题，可以修改在US6645343中描述的布置，以使得接地内导体具有提供机械锚定点的额外功能，能够通过所述机械锚定点施加张力以抵抗由与腔外相比减小的腔内压力所引起的相对的压力。为了帮助实现有效的密封，可以使用拉紧弹簧布置，所述拉紧弹簧布置维持环形窗口及其密封物上的恒定力。然而，这个布置增加了复杂性。此外，如果期望的是使用浮动的内导体，那么不可以有机械联结，必须寻找替代方案。
（v）在US6645343中，复杂的漏斗形共轴线被描述为用于将微波引导至形成等离子体室侧壁一部分的环形微波窗口。具有多过渡部的这种复杂的波导管结构并不认为是理想地用于优化功率操控以及将微波有效率地耦合至等离子体室内。
本发明的某些实施例的目的为解决这些问题中的一个或多个。
发明内容
根据本发明的某些实施例，提供一种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：
等离子体室；
布置于等离子体室中用于支承基底的基底保持器，在使用时合成金刚石材料待沉积于所述基底上；
用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造；以及
用于将处理气体给送至等离子体室内以及从等离子体室移除处理气体的气体流动系统，
其中，用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造包括：
形成于一个或多个段中的环形介电窗口；
用于将微波给送至环形介电窗口的共轴波导管，所述共轴波导管具有中心内导体和外导体；以及
波导管板，所述波导管板包括布置于环形构造中的多个孔，且多个臂在所述孔之间延伸，每一个孔形成用于将微波朝向等离子体室耦合的波导管。
根据本发明的进一步的实施例，提供一种使用化学气相沉积过程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；
将基底定位于基底保持器上方；
将微波给送至等离子体室内；
将处理气体给送至等离子体室内，以及
形成在基底上的合成金刚石材料层。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出可以如何将本发明付诸实际，当前将仅通过示例参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出构造成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剖视图；
图2示出用于在图1的微波等离子体反应器中使用的波导管板的平视图；
图3示出波导管板的立体图；
图4示出能够如何布置波导管板和环形介电窗口以用于插入至微波等离子体反应器内的示例；以及
图5示出微波等离子体反应器的剖视图，从而说明能够如何将波导管板和环形介电窗口安装于反应器上的示例。
具体实施方式
本发明的发明人同意先前技术的教导，即有利的是通过环形介电窗口将微波功率耦合至用于CVD金刚石生长的等离子体室内。然而，如在背景技术部分描述的，设置这种布置的一个问题为：通过环形介电窗口耦合微波所需的共轴波导管结构包封了等离子体室的壁部分，从而使得难以向该壁部分提供冷却剂和/或处理气体，和/或难以向共轴波导管的中心内导体提供机械支承。
为了解决这个问题，本发明的发明人已经设计出用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的新的微波耦合构造。新的微波耦合构造包括波导管板，所述波导管板包括布置于环形构造中的多个孔，每一个孔形成用于将微波从共轴波导管朝向等离子体室耦合的波导管。波导管板还包括在孔之间延伸的多个臂。多个臂可以限定用于供给冷却剂和/或处理气体的一个或多个通道。替代地或额外地，多个臂可以向布置于轴向中心区域中的部件提供机械支承。
已经发现这个构造是有利的，原因在于该构造容许通过环形介电窗口将微波功率耦合至等离子体室内，同时还容许向被波导管结构包封的等离子体室区域提供冷却剂和/或处理气体。因此，该布置解决在背景技术部分中描述的问题（i）和（ii）。
除了上述以外，波导管板还能够构造成支承共轴波导管的中心导体。因此，中心导体能够形成为电浮动柱，所述电浮动柱不需要从微波产生器接地到矩形波导管的上壁上。如在背景技术部分中所描述的，已经发现的是：在波导管中电浮动的内导体在许多方面中是一种将功率从矩形波导管转移至共轴波导管的更简单更方便的方法。虽然在先前技术的布置中，这具有失去接地点（诸如冷却剂水和处理气体的保养剂能够在所述接地点处被引入）的缺陷，但是本发明的某些实施例提供了用于通过波导管板中的通道供给这些保养剂的替代且更方便的路径。因此，这个布置解决在背景技术部分中描述的问题（iii）。
此外，在无须使用穿过共轴波导管的中心导体的机械锚定点的情况下，波导管板能够构造成将等离子体室的上部分和下部分联接在一起，并且避免在使用时在环形介电窗口上形成较大压缩应力。此外，环形介电窗口可以包括两个相对的表面并且密封物可以设置于所述两个相对的表面上，微波通过所述两个相对的表面耦合至等离子体室内。这容许在等离子体室的上部分和下部分之间以及在介电窗口处形成可靠的密封。因此，这个布置解决在背景技术部分中描述的问题（iv）。
最后，多个孔能够构造成在平行于等离子体室的中心轴线的方向上将微波耦合至等离子体室内。与在US6645343中描述的布置相比，这容许更简单的共轴波导管结构。因此，这个布置解决在背景技术部分中描述的问题（v）。
图1示出根据本发明的实施例的微波等离子体反应器的一个实施例。微波等离子体反应器包括以下基础部件：等离子体室2；布置于等离子体室中用于保持基底6的基底保持器4；用于在等离子体室2内形成等离子体10的微波产生器8；用于将微波从微波产生器8给送至等离子体室2内的微波耦合构造12；以及用于将处理气体给送至等离子体室2内以及从等离子体室移除处理气体的气体流动系统，所述气体流动系统包括气体入口13和气体出口16。
还应当强调的是：虽然图1中说明的微波等离子体反应器具有布置于等离子体室中的分离的基底保持器，但是基底保持器可以由等离子体室的底部形成。术语“基底保持器”的用法意欲覆盖这些变化。此外，基底保持器可以包括平坦支承表面，所述平坦支承表面的直径与基底相同（如所说明的）或者大于基底。例如，由室底部形成或布置于室底部上方的分离部件形成的基底保持器可以形成大的平坦表面，并且基底可以被小心地定位于平坦支承表面的中心区域上。在一个布置中，平坦支承表面可以具有其他的元件（例如突出部或沟槽），以对齐以及可选地保持基底。替代地，可以不设置这些额外的元件，以使得基底保持器仅仅提供其上布置有基底的平坦支承表面。
微波耦合构造12包括构造成将微波从矩形波导管16给送至环形介电窗口18的共轴波导管14。共轴波导管14包括内导体20和外导体22。已说明的实施例中内导体20为浮动柱，所述浮动柱未附接至矩形波导管16的上壁，而是在矩形波导管16和共轴波导管14之间的过渡区域处终止于波导管内。
环形介电窗口18由诸如石英的微波可穿透的材料制成。环形介电窗口形成在等离子体室2的顶部部分中的真空密封的环形窗口。微波产生器8和微波耦合构造12构造成产生适合波长的微波并且将微波电感耦合至等离子体室2内，以在等离子体室2内形成驻波，在使用时所述驻波具有刚好定位于基底6上方的高能量波腹。
微波耦合构造12还包括波导管板24和用于供给冷却剂和/或处理气体的供给通道26。在图2和3中更加详细地说明波导管板。波导管板包括布置于环形构造中的多个孔28，每一个孔28形成用于将微波从共轴波导管耦合至等离子体室内的波导管。波导管板还包括在孔之间延伸的适合用于将冷却剂和/处理气体从外周区域供给至内轴向区域的多个通道26。可以通过加工的单片金属材料来形成波导管板。替代地，波导管板可以由能够连接在一起的多个部件形成。例如，波导管板的中心部分能够由分开的部件形成，所述分开的部件连接至其中布置有多个孔的外部分。
可以强调的是：波导管板在其中心区域中不包括任何孔。已经发现，有利的是将微波在靠近等离子体室上边角的等离子体室的周边区域中电感耦合至等离子体室内。此外，假如波导管板的中心区域没有微波波导管孔的话，则更多的空间可用于在与基底相对的中心部分中设置一个或多个气体入口喷嘴，以用于在使用时朝向基底注射处理气体。孔的环形构造的优选内直径将取决于反应器的操作频率。对于400兆赫至500兆赫之间的微波频率f来说，孔的环形构造可以具有不小于500毫米、600毫米、或700毫米的内直径。对于800兆赫至1000兆赫之间的微波频率f来说，孔的环形构造可以具有不小于250毫米、300毫米、或400毫米的内直径。对于2300兆赫至2600兆赫之间的微波频率f来说，孔的环形构造可以具有不小于90毫米、110毫米、或130毫米的内直径。
还有利的是，环形构造的大部分圆周由孔形成，而非布置于孔之间的臂。有利地，臂仅大到足以为波导管板的中心部分提供支承并且容许处理气体和/或冷却剂通道穿过孔之间。例如，孔可以占到环形孔构造的360°圆周的超过250°、290°、310°或330°以上。上限可以应用为350°，否则臂变得太窄以致不能提供机械支承并容许处理气体和/或冷却剂通道穿过孔之间。
图4示出如何能够布置波导管板和环形介电窗口以用于插入至微波等离子体反应器内的示例。环形介电窗口18布置于邻近波导管板24，以使得波导管板中的孔28与环形介电窗口18对齐。
图5示出微波等离子体反应器的剖视图，从而说明如何能够在反应器上安装波导管板和环形介电窗口的示例。在图1中使用的相同的附图标记被用于图5中相对应的部件。为了清晰起见，未在图5中示出反应器的一些部件，原因在于图5意欲关注于用于波导管板和环形介电窗口的合适安装布置。
在已说明的布置中，波导管板的外周边部分34布置于共轴波导管14的外导体22和等离子体室的侧壁之间。环形介电窗口18的外周边部分布置于波导管板和等离子体室的侧壁之间。环形介电窗口18的内部分保持于波导管板的内部分36和另一个板38之间。波导管板中的孔28与环形介电窗口18对齐，并且用于供给冷却剂和/或处理气体的通道穿过孔之间进入波导管板的内部分36内。可以使用弹性体O形环32将环形介电窗口18安装至波导管板。在这个布置中，另一个板38能够被附接至波导管板24，且介电窗口18的一部分通过弹性体O形环32布置并保持于其之间。
在图1至5中说明的波导管板完成若干有利的功能：
（i）波导管板容许注射冷却剂和/或处理气体；
（ii）波导管板支承浮动中心共轴导体；
（iii）波导管板形成等离子体室的上部件和下部件之间的联接；
（iv）波导管板将微波从共轴波导管给送至等离子体室内；以及
（v）波导管板支承环形介电窗口。
可以设想有完成这些有利特征中的一个或多个的其他替代布置。例如，在前述布置中，波导管板定位为邻近环形介电窗口。此外，波导管板定位于共轴波导管和环形介电窗口之间。然而，在替代的布置中，环形介电窗口可以安装于共轴波导管和波导管板之间。另一个可能性为介电窗口被分段，且每一段安装于在波导管板内的相对应的孔中。替代地，两个波导管板可以设置有夹在其之间的环形介电窗口。另一个可能性为将波导管板定位于沿共轴波导管更向上的位置，以使得波导管板与环形窗口间隔开。在这种布置中，波导管板可以形成环，所述环包括布置于共轴线内的多个孔。
在已说明的实施例中，波导管板中的多个孔构造成在平行于等离子体室的中心轴线的方向上将微波耦合至等离子体室内。在这个布置中，波导管板布置在垂直于等离子体室的中心轴线的平面中，并且形成等离子体室中的上壁的一部分。然而，波导管板能够定位于共轴波导管内，在US6645343中公开的布置的修改版本中，所述共轴波导管将微波耦合至等离子体室的侧壁内。即，这种替代方案被认为是较差的解决方案，原因在于已经发现在平行于等离子体室的轴线的方向上将微波耦合至等离子体室内，这更有效率并且避免需要更复杂的共轴给送构造。因此，即使用于冷却剂和/或处理气体的通道未设置于波导管板中，和/或未设置浮动柱，根据本发明的波导管板仍然有利于以有效率且简单的方式将微波耦合至等离子体室内。
多个孔优选地构造为具有周期性的旋转对称性。假如设置有n个孔，那么所述孔围绕圆周对称地构造以具有n个折叠旋转对称性。对称的布置是优选的，以避免由于孔的不对称性引起的等离子体室内的电场的不对称性。即，也可以设想的是：可以引入孔构造的较小不对称性而不过度地影响在基底生长表面上方的等离子体形成区域中的电场均一性，或者使用例如本说明书稍后讨论的模式抵消块来补偿孔的非均一性。
如前所述的环形介电窗口由单个完整的介质材料环形成。然而，在替代的布置中，环形介电窗口可以由多个分开的弓形段形成，每一个段密封波导管板的相对应的孔。
在前述布置中，波导管板包括布置于共轴波导管的外导体和等离子体室的外壁之间的外周边部分。此外，波导管板包括延伸跨过等离子体室的中心部分。波导管板的中心部分在与布置有基底保持器的端部相对的端部处延伸跨过等离子体室，并且内导体形成由波导管板的中心部分支承的浮动导体。然而，可以设想的是：波导管板也可以与接地内导体一同使用，同时还避免需要沿中心共轴导体向下供给冷却剂和/或处理气体。
在一个构造中，在波导管板中的孔之间延伸的一个或多个通道包括如下的至少一个通道：所述通道构造成供给处理气体至布置为与基底保持器相对的一个或多个注射端口，以用于朝向基底保持器注射处理气体。这个构造容许轴向气体流动布置件被布置于与微波耦合构造相同的室端部处。替代地，微波耦合构造可以布置于与基底保持器相同的等离子体室端部处。
波导管板的中心部分能够支承布置为与基底保持器相对的导电表面。导电表面可以由波导管板形成，或者由连接至波导管板的中心部分的分开的金属主体形成。一个或多个气体入口喷嘴可以布置于导电表面中，以用于朝向基底保持器注射处理气体。在一个构造中，导电表面为弯曲的，并且朝向等离子体室的中心区域延伸。例如，导电表面可以形成锥形主体。这种导电表面是有用的，原因在于其能够帮助防止等离子体形成于等离子体室的上部区域中。有效地，在使用时导电表面能够屏蔽高电场区域。即，导电表面能够被定位成包封高电场波腹区域，所述高电场波腹区域将存在于不包括朝向等离子体室的中心区域延伸的导电表面的对应等离子体室中。
导电表面可以形成曲率均一的碗形物、尖锥形、或者任何中间锥形结构。在一个优选的布置中，导电表面为锥形表面。锥形表面最优选地具有圆顶端。锥形表面可以构造为近似垂直于腔的共振模式的电场矢量，因此最小化由于将锥形主体引入共振腔内而引起的电场中的扰动。通过将导电金属表面安放为垂直于上部高电场波腹区域中的电场，可以去除高电场波腹而不会过度地影响等离子体室的下部分中的基本电场轮廓，以有效地去除上部高电场区域。虽然等离子体室的共振频率不应当被过度地改变，但是等离子体室的Q因子将由于腔中储存的能量的减少而减小，同时在每个周期消散的能量保持相同或随着表面面积增加稍微增加。
锥形导电表面能够延伸达等离子体室的四分之一波长。将锥形导电表面安放于等离子体室的受驱端部处（在所述受驱端部处微波耦合至室内），这确保反射波的相位相对于导电表面是正确的。根据本发明实施例的波导管板容许锥形导电构件在等离子体室的受驱端部处被方便地支承于中心区域中，且微波通过波导管板中的孔环绕锥形导电构件的周边区域被耦合至室内。一种替代的可能性为：将锥形导电表面安放于非受驱端部处（即在等离子体室的微波未耦合至室内的端部处），从而产生环形介电窗口定位成环绕基底的布置，但是这个布置可能导致介电窗口的损坏。将锥形导电表面和环形介电窗口定位于等离子体室的相同端部处的一个优势为：锥形形导电表面能够形成等离子体室中的环形凹部，并且环形介电窗口能够布置于所述凹部中。在使用时，这个布置帮助保护环形介电窗口。
波导管板可以包括2、3、4、5、6、7或更多个孔。已经发现的是：改变孔的数量能够影响微波耦合至等离子体室的效率。根据某些布置，波导管板包括奇数个孔、最优选地包括质数个孔。例如，波导管板可以包括3、5、或7个孔。
每一个孔效果上等同于矩形波导管。三向孔能够帮助最大化孔的长度。已经发现的是：从模式稳定性的角度来说，四向和六向的替代方案均是不足的。虽然存在若干孔，但是功率能够以TM0mn的模式主导地耦合至腔内。采取产生高位模式（即TM1mn（在所述情况下1不等于0））的形式能够见到来自孔的对称性的效果。因此，三向孔（在所述三向孔中全部三个孔被同相地激发）将耦合至TM3mn模式系列，同时，预期四向和六向孔可以被耦合至更高位的TM8mn和TM12mn模式。然而实际上，四向和六向孔倾向于寄生（parasitic）模式。因此四向或六向孔能够耦合至TM2mn模式。总而言之，效果为四向和六向孔能够产生等离子体的不对称性，所述等离子体的不对称性导致等离子体移动偏离中心、或者分为两向。三向孔产生了稳定的三向牵拉效果，与通过其他构造产生的更专注的一向和两向裂解模式相比，所述三向牵拉效果更加理想。能够通过使用模式抵消块来解决不稳定性，所述模式抵消块为对局部电场产生扰动的基本上金属的主体，所述扰动旨在抵消由孔产生的三向模式的电场。能够凭经验建立这些金属块的位置。通过将金属块安放于高壁电流区域中（即H场高的区域），金属块能用于中断不想要的模式。因此，在一个布置中，多个模式抵消块布置于等离子体室的内壁上，例如在等离子体室的侧壁或底部上，模式抵消块构造成补偿由多个孔引起的电磁扰动。模式抵消块被间隔开，以便于相对于孔构造对称。例如，模式抵消块的数量可以等于设置于波导管板中的孔的数量，模式抵消块被定位为具有与孔布置相对应的对称性。例如，假如三个孔被设置于波导管板中，那么三个模式抵消块可以环绕等离子体室壁安装于等离子体室的下部分中并且对称地布置，以便于抵消由孔引起的电场中的扰动。替代地，模式抵消块的数量可以为孔数量的整数倍，同时仍然布置为与孔构造对称。模式抵消块能够附着至等离子体室的内壁，或者可以由等离子体室壁一体成型。三向孔的另一个可能的替代方案为使用五向或七向孔。因为五向或七向孔是质数，因此其能够抵抗与低位二向模式等包覆模制。在这种情况下，可以不需要模式抵消块。
更有利的是通过具有特定径向宽度的孔将微波能量供给至等离子体室。由波导管板中的孔设置的环形间隙（在径向方向上）与等离子体室的直径的比值可以在如下范围内：1/10至1/50、1/20至1/40、1/25至1/35、或可选地近似1/30。可以通过如下方法设置这个环形间隙：将孔定位成邻近等离子体室的侧壁，且共轴波导管的外导体的直径与等离子体室的共振腔的直径相当，并且内导体仅稍小于外导体，以实现如之前关于环形间隙所述的比值。通过改变这两个导体的直径的比值，可以发现实现与室匹配的最优点。在替代的布置中，孔可以被安放为远离等离子体室的侧壁，例如在顶部板的中心和边缘之间的中间位置处。
应当强调的是：虽然术语“顶部”、“底部”、“上部”和“下部”被用于本说明书中描述等离子体反应器，但是可以反转反应器。因此，这些术语指代反应器部件相对于彼此的位置，并不一定指代其相对于地面的位置。例如，在标准的用法中，基底将由室的底部支承，所述室的底部将形成相对于地面的室下壁。然而，可以反转反应器，以使得支承基底的室的底部形成相对于地面的室上壁。在反转的方向上，朝向基底的气体流动可以平行于主要热驱动对流（由于在反转布置中基底下方的等离子体中产生大量热量，所述主要热驱动对流在向上的方向上）。该反转的布置对于某些应用可能具有一些益处。
本发明的实施例改进了在CVD金刚石生长过程中的均一性。能够通过以下参数中的一个或多个测量均一性的改进：CVD金刚石薄膜的厚度均一性（整个沉积面积上）；金刚石材料的一个或多个质量参数的均一性（例如颜色、光学特性、电学特性、氮吸收、硼吸收、和/或硼激活水平）；在多晶金刚石材料中，纹理均一性、表面形态、粒度大小等；或者在其中在基底载体上生长单晶金刚石基底阵列的单晶金刚石材料中，在每一个单晶体之间的厚度的均一性、形态、边缘孪晶、侧向生长等。选择用于评价均一性的关键参数取决于合成过程、从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。
虽然已经参考优选的实施例具体地示出且描述了本发明，但是将要被本领域的技术人员理解的是，可以在形式和细节上做出各种改变而不脱离由附属权利要求限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种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：
等离子体室；
布置于等离子体室中用于支承基底的基底保持器，在使用时合成金刚石材料待沉积于所述基底上；
用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造；以及
用于将处理气体给送至等离子体室内以及从等离子体室移除处理气体的气体流动系统，
其中，用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造包括：
形成于一个或多个段中的环形介电窗口；
用于将微波给送至环形介电窗口的共轴波导管，所述共轴波导管具有中心内导体和外导体；以及
波导管板，所述波导管板包括布置于环形构造中的多个孔，且多个臂在所述孔之间延伸，每一个孔形成用于将微波朝向等离子体室耦合的波导管，
其中，多个臂限定用于供给冷却剂和/或处理气体的一个或多个通道，
其中，一个或多个通道包括构造成供给处理气体至一个或多个注射端口的至少一个通道，所述一个或多个注射端口布置为与基底保持器相对，以用于朝向基底保持器注射处理气体，
其中，波导管板包括延伸跨过等离子体室并且由在孔之间延伸的多个臂支承的中心部分，以及
其中，共轴波导管的中心内导体形成由波导管板的中心部分支承的浮动导体。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板包括奇数个孔。
3.根据权利要求2所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板包括质数个孔。
4.根据权利要求3所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板包括3、5或7个孔。
5.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板定位为邻近环形介电窗口。
6.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板定位于共轴波导管和环形介电窗口之间。
7.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，环形介电窗口定位于共轴波导管和波导管板之间。
8.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，环形介电窗口包括两个相对的表面，并且密封物设置于所述两个相对的表面上，微波通过所述两个相对的表面耦合至等离子体室内。
9.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，一个或多个通道包括构造用于供给冷却剂的至少一个通道。
10.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，多个孔构造成在平行于等离子体室的中心轴线的方向上将微波朝向等离子体室耦合。
11.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，每个孔在形状上是弓形的。
12.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，波导管板的中心部分支承布置为与基底保持器相对的导电表面，其中，导电表面是锥形的。
13.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，多个模式抵消块布置于等离子体室的内壁上，模式抵消块被间隔开以便于关于孔的构造对称。
14.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，由波导管板中的孔提供的环形间隙与等离子体室的直径的比值在1/10至1/50的范围内。
15.一种使用化学气相沉积过程制造合成金刚石材料的方法，所述方法包括：
设置根据前述任一权利要求所述的微波等离子体反应器；
将基底定位于基底保持器上方；
将微波给送至等离子体室内；
将处理气体给送至等离子体室内，以及
形成在基底上的合成金刚石材料层。
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