CN103415647A - 用于等离子体反应器的微波功率传输系统 - Google Patents

用于等离子体反应器的微波功率传输系统 Download PDF

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Abstract

一种用于将微波功率供应给多个微波等离子体反应器的微波功率传输系统（8），所述微波功率传输系统包括：调谐器（14），所述调谐器（14）配置为联接到微波源（4）上并且配置为使所述多个微波等离子体反应器的阻抗与所述微波源的阻抗相匹配；以及波导管接头（18），所述波导管接头（18）联接到所述调谐器上并且配置为将微波引导到所述多个微波等离子体反应器上和将微波从所述多个微波等离子体反应器中导出；其中，所述波导管接头包括四个波导管端口，所述四个波导管端口包括联接到所述调谐器上的第一端口、配置为联接到相应微波等离子体反应器上的第二端口和第三端口、和联接到微波接收器（20）上的第四端口；其中，所述波导管接头配置为通过所述第一端口将来自所述调谐器的微波功率输入均匀地在所述第二端口和第三端口之间分配以用于将微波功率提供给相应的微波等离子体反应器；其中，所述波导管接头配置为取消所述第二端口和第三端口的联接，从而防止来自所述微波等离子体反应器中的一个的任何反射微波经过所述波导管接头直接进给到另一微波等离子体反应器内而导致不平衡；其中，所述波导管接头还配置为将通过所述第二端口和第三端口接收回的、就振幅和相位而言为平衡的反射微波进给到所述调谐器中，使得它们能够由所述调谐器反射和再使用；以及其中，所述波导管接头还配置为通过所述第四端口将不平衡的过多的反射功率进给到所述微波接收器内。

Description

用于等离子体反应器的微波功率传输系统
技术领域
本发明的某些实施例涉及用于将微波功率供应给等离子体反应器的微波功率传输系统。具体实施例涉及用于微波等离子体激活的化学气相沉积材料例如合成金刚石材料的系统，所述材料需要高的功率密度、相对长的合成时间，并且所述材料在用于合成所需的时间段上对微波功率的变化相对敏感。
背景技术
用于制造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。在其中金刚石与石墨相比为亚稳的区域中，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的合成金刚石制造通常使用一小部分的碳（通常<5％)执行，其通常呈甲烷的形式，尽管在过多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。在存在合适的基底材料的情况下，金刚石可被沉积。
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腐蚀非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。不同的方法可以获得以用于加热含碳气体物品和分子氢以产生对CVD金刚石生长所必须的含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，但是依赖于必须被净化到与高品质金刚石生长相一致水平的较昂贵的进给气体。另外，火焰的温度即使在燃烧氧-乙炔的混合物时也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在局部区域中浓缩以实现合理的生长速率。燃烧未广泛用于体积金刚石生长的主要原因可能是可提取的以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，较低的气体压力被需要以确保其有限量的原子氢朝向生长表面的较高效传输。
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金刚石沉积的最高效方法。
微波等离子体致动的CVD金刚石合成系统通常包括联接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。如果合适的基底紧靠该等离子体设置，则含自由基的反应碳能够从等离子体扩散到基底上且沉积在其上。原子氢也能够从等离子体扩散到基底上且从所述基底中选择性地腐蚀非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。
这种系统的主要成本之一是微波功率源。此外，操作这种系统的主要成本之一是运行微波功率源所需的电力成本。因此，理想的是将系统配置为尝试和最大限度地减小这些硬件和操作成本。本发明的某些实施例的目的是提供用于将微波功率供给到等离子体反应器的微波功率传输系统，传输微波功率传输系统就硬件使用和功率效率而言是成本高效的，而同时也容许CVD合成高品质的、可重复的CVD薄膜，特别是用于在CVD金刚石合成中使用。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了用于将微波功率供应给多个微波等离子体反应器的微波功率传输系统，所述微波功率传输系统包括：
调谐器，所述调谐器配置为联接到微波源上并且配置为使所述多个微波等离子体反应器的阻抗与所述微波源的阻抗相匹配；以及
波导管接头，所述波导管接头联接到所述调谐器上并且配置为将微波引导到所述多个微波等离子体反应器上和将微波从所述多个微波等离子体反应器中导出；
其中，所述波导管接头包括四个波导管端口，所述四个波导管端口包括联接到所述调谐器上的第一端口、配置为联接到相应微波等离子体反应器上的第二端口和第三端口、和联接到微波接收器上的第四端口；
其中，所述波导管接头配置为通过所述第一端口将来自所述调谐器的微波功率输入均匀地在所述第二端口和第三端口之间分配以用于将微波功率提供给相应的微波等离子体反应器；
其中，所述波导管接头配置为取消所述第二端口和第三端口的联接，从而防止来自所述微波等离子体反应器中的一个的任何反射微波经过所述波导管接头直接进给到另一微波等离子体反应器内而导致不平衡；
其中，所述波导管接头还配置为将通过所述第二端口和第三端口接收回的、就振幅和相位而言为平衡的反射微波进给到所述调谐器中，使得它们能够由所述调谐器反射和再使用；以及
其中，所述波导管接头还配置为通过所述第四端口将不平衡的过多的反射功率进给到所述微波接收器内。
根据本发明的另一实施例，提供了一种微波等离子反应器系统，所述系统包括：
微波源；
如上所述的联接到所述微波源上的微波功率传输系统；以及
联接到所述微波功率传输系统上的多个微波等离子体反应器。
根据本发明的另一实施例，提供了使用化学气相沉积工艺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系统；以及
使用所述微波等离子体反应器系统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说明本发明可以如何实施，现在将参照附图仅仅作为示例描述本发明的某些实施例，其中：
图1图示了并非根据本发明的微波等离子体反应器系统，其包括经由隔离器联接到单个微波发生器上的单个微波等离子体反应器；
图2图示了并非根据本发明的微波等离子体反应器系统，其包括经由隔离器和调谐器联接到单个微波发生器上的单个微波等离子体反应器；
图3图示了并非根据本发明的微波等离子体反应器系统，其包括经由隔离器、调谐器和波导管接头例如矩形波导管三通接头联接到单个微波发生器上的两个微波等离子体反应器；
图4图示了并非根据本发明的微波等离子体反应器系统，其包括经由隔离器、调谐器和波导管接头例如矩形波导管三通接头联接到单个微波发生器上的两个微波等离子体反应器，其中另外的隔离器设置在将波导管接头连接到两个微波等离子体反应器上的每个端口处；
图5图示了根据本发明的实施例的微波等离子体反应器系统，其包括经由隔离器、调谐器和具有朝向微波等离子体反应器的输出的波导管接头联接到单个微波发生器上的两个微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器彼此有效地消耦，使得从一个反应器反射回的微波功率被防止通过波导管接头直接传送到另一反应器内；
图6更详细图示了在图5中图示的结构的下部部分；
图7图示了用于在本发明的实施例中使用的波导管接头，其包括输入端口A、两个输出端口B和C、以及可联接到接收器上的端口D，其中端口B和C消耦和匹配；
图8图示了用于在本发明的实施例中使用的波导管接头的另一示例，其包括输入端口A、两个输出端口B和C、以及可联接到接收器上的端口D，其中端口B和C消耦和匹配；以及
图9图示了本发明的另一实施例，其包括三个导波接头以便将四个等离子体反应器联接到单个微波源上。
具体实施方式
图1示出了微波等离子激活的CVD金刚石合成系统2的示意图。系统2包括联接到等离子体反应器腔室8上的微波发生器4和源气体6。微波发生器4通常经由隔离器10联接到等离子体反应器腔室8上，隔离器10用来将微波发生器与反射回功率微波发生器的任何微波功率隔离开。隔离器在本领域中是已知的。隔离器是仅仅沿一个方向传递微波功率的装置。其用来屏蔽在其输入侧上的设备免受在其输出侧上的条件的影响例如防止微波源由不匹配的负载解调。隔离器的示例为循环器。反射回微波发生器的反射微波功率由接收器12例如可以为水负载偏转。
本发明人已经意识到，如上所述的隔离器的使用导致显著量的功率损耗。由此，在图1中图示的系统就功率使用的角度而言并非特别有效。一个可能的提高是设置如图2中图示的介于等离子体反应器腔8与隔离器10之间的调谐器14。调谐器在本领域中是已知的并且可以以短截线调谐器（stub tuner）(例如多个短截线调谐器例如三或四短截线调谐器)的形式便利地设置。调谐器配置为使微波等离子体反应器腔8的阻抗与微波发生器/源4的阻抗相匹配。调谐器14确保从等离子体反应器腔8往回进给的微波功率能够被减小到最小值从而提高功率效率。调谐器有效地作为反射计，其将微波功率从微波等离子体反应器腔8反射回微波等离子体反应器8。通过调谐器14泄露回微波发生器4的任何功率能够使用单个隔离器10与发生器隔离。这种结构将提高功率效率。
本发明人已经注意到，使用前述系统的功率效率仍然不是特别高，即使使用如图2中图示的隔离器和调谐器的组合。对于此的理由是由标准L波段工业微波发生器（例如大约60-75kW）可得的功率可以至少为微波等离子体激活的CVD金刚石反应器（例如至少10kW）的常见功率需求的两倍。因此，如果单个微波等离子体激活的CVD金刚石反应器由单个标准微波发生器运行，则从微波发生器可得的潜在功率的很大部分未被利用。这并非资源的高效使用，特别是由于微波发生器是微波等离子体激活的CVD金刚石反应器系统的总成本的很大部分的原因。一个可能性将为使用较低的功率微波发生器以便更佳地匹配微波等离子体激活的CVD金刚石反应器的功率需求。但是，这由于L波段源并非与源功率成比例而非为特别成本有效的。类似的评论就功率效率而言也可以应用到S波段微波源，尽管从成本的角度而言，由于S波段微波源的成本随功率的减小而减小，因此益处并非如此明确。
鉴于以上，理想的是将多于一个的微波等离子体激活的CVD金刚石反应器联接到单个微波发生器上。但是，这在实践中远非那么简单。图3中图示了一个这种可能的结构。图3中图示的结构与图2中图示的结构相似之处在于其包括微波发生器4、联接到接收器12上的隔离器10、和调谐器14。随后，该结构还包括微波分离器16，例如矩形微波三通接头，其将微波功率分离并且将微波进给给两个微波等离子体反应器8，每个微波等离子体反应器8联接到反应气体源6上。由于通常的工业微波发生器能够提供由微波等离子体反应器所需功率至少两倍的功率，因此构想的是这种结构将提供对可得功率的更高效使用，并且当与图1和图2中图示的那些结构进行比较时导致成本更有效的结构。但是，本发明人已经发现，诸如图3中图示之类的系统导致较差的合成金刚石薄膜形成和在两个等离子体反应器之间以及在合成运行之间的较差的薄膜形成的重复性。
本发明人已经将前述问题追因到传输给联接到单个微波功率源上的等离子体反应器中的每一个上的微波功率的不平衡。本发明人已经发现，如果使用例如矩形导波三通接头仅仅将微波功率分配在两个微波等离子体激活的CVD金刚石反应器之间，则功率通常由于不佳的匹配而从反应器反射回。由于从每个等离子体反应器反射的功率的量将不会在CVD金刚石制造工艺期间最佳地匹配，因此可能导致微波功率的不平衡。该问题由以下事实加重：在联接到相应等离子体反应器上的两个端口之间的隔离是不理想的并且从一个端口反射的功率随后能够高效地传播到另一端口，从而导致在等离子体反应器之间的功率不平衡和串扰。这是等离子体反应器最具体地是用于CVD金刚石合成的高功率等离子体反应器的具体问题，这是由于等离子体反应器的响应为非线性的并且用于执行CVD金刚石合成所需的时间是长的。由此，如果仅仅较简单的微波功率分离器用来将微波功率等同地分配在多个等离子体反应器之间，则存在如下显著风险：导致在联接到分离器上的任何两个微波等离子体CVD金刚石反应器之间的功率不平衡，即使反应器名义上以相同的操作参数运行也如此。这将导致每个等离子体反应器的操作参数偏离于期望的操作条件，从而导致由等离子体反应器中的每一个所获得的CVD产物的变化和在合成运行之间的变化。
前述问题的一个解决方案是向每个等离子体反应器设置其本身的微波功率源，使得该系统完全消耦。但是，如前述，该解决方案是昂贵的和低效的。
由此，问题变为如何使用单个微波发生器用于多个（两个或更多个）微波等离子体CVD金刚石反应器，而同时不管在由每个等离子体反应器反射的功率之间的变化仍然确保朝向每个等离子体反应器的微波功率输入保持平衡。
一个可能的解决方案为设置位于联接到等离子体反应器上的每个端口处的隔离器。该布置由图4图示。图示结构包括如先前在图3中图示的微波发生器4、联接到接收器12上的隔离器10、调谐器14和微波分离器16。但是，在图4中所示的结构中，具有关联接收器12的另外的隔离器10设置在每个反应器端口处以防止所反射的微波功率导致系统中的不平衡。即，在联接到等离子体反应器上的每个端口处设置隔离器将防止微波功率往回朝向微波发生器的任何反射并且由此防止在微波传输系统中的功率波动。由此，波导三通管理论上能够提供相等的功率分配而没有串扰的风险。
与前述解决方案相关的一个问题在于其是很昂贵的方法。隔离器本身是很昂贵的并且在前述结构中隔离器将在联接到等离子体反应器上的每个端口处被需要。此外，隔离器能够仅仅在某些设计公差内制造并且由此隔离器将不必以完全相同的方式作用。输入反射的差异、相邻端口之间的隔离、和嵌入损耗全都能够导致在微波供应系统内的固有不平衡。此外，隔离器将所有或基本所有反射的微波功率转移到接收器例如水负载内，使得功率被损耗并且不能被再使用。克服此是有问题的，这是由于每个等离子体源将需要其本身的独立匹配网络和独立于其他负载测量反射功率的装置。
鉴于上述，需要可选的解决方案，其就硬件的角度和功率使用效率的角度而言均是成本有效的，而同时仍然确保朝向每个等离子体反应器的微波功率输入保持平衡而不管功率使用中的波动和反射回微波供应系统内的功率的波动。
本发明的某些实施例的目的是至少部分地解决上述问题中的一个或多个。
前述问题已经根据本发明的某些实施例通过提供用于将微波功率供应给多个微波等离子体反应器的微波功率传输系统而解决，所述微波功率传输系统包括：
调谐器，所述调谐器配置为联接到微波源上并且配置为使所述多个微波等离子体反应器的阻抗与所述微波源的阻抗相匹配；以及
波导管接头，所述波导管接头联接到所述调谐器上并且配置为将微波引导到所述多个微波等离子体反应器上和将微波从所述多个微波等离子体反应器中导出；
其中，所述波导管接头包括四个波导管端口，所述四个波导管端口包括联接到所述调谐器上的第一端口、配置为联接到相应微波等离子体反应器上的第二端口和第三端口、和联接到微波接收器上的第四端口；
其中，所述波导管接头配置为通过所述第一端口将来自所述调谐器的微波功率输入均匀地在所述第二端口和第三端口之间分配以用于将微波功率提供给相应的微波等离子体反应器；
其中，所述波导管接头配置为取消所述第二端口和第三端口的联接，从而防止来自所述微波等离子体反应器中的一个的任何反射微波经过所述波导管接头直接进给到另一微波等离子体反应器内而导致不平衡；以及
其中，所述接头还配置为将通过所述第二端口和第三端口接收回的、就振幅和相位而言为平衡的反射微波进给到所述调谐器中，使得它们能够被反射和再使用；以及其中，所述波导管接头还配置为通过所述第四端口将不平衡的过多的反射功率进给到所述微波接收器内。
调谐器配置为使微波等离子体反应器的阻抗与源的阻抗相匹配。该部件确保从等离子体反应器给送回的微波功率能够被减小，从而提高功率效率。调谐器将来自微波等离子体反应器腔的微波功率高效地反射回微波等离子体反应器。通过调谐器朝向微波发生器泄露的任何功率能够使用单个隔离器与源隔离。
合适调谐器的示例为多短截线调谐器。这种调谐器包括附接到主导管上的可调节短截线。调谐器有效地生成为不匹配负载的阻抗的共轭的阻抗。如果设计得当，短截线能够长度调节并且组合上等于电抗（电容或电感），相对于给定的参考平面，该电抗在实施时能够补偿任何相位的反射直到在高功率下在存在过热或波导管电弧的风险之前位于通常为0.3的区域内的反射系数的大小。简单地说，短截线调谐器能够配置为使微波源（微波发生器的隔离器的输出端口）的阻抗与等离子体负载（等离子体反应器的输入端口）的阻抗相匹配。在已经发现为有用的一个结构中，短截线由四分之一导波波长隔开。
合适的波导管接头的示例包括混合三通管接头、混合环接头、和两孔定向耦合器。所述接头配置为执行三个主要功能：（i）将来自调谐器的微波功率平均地分配在联接到所述接头上的多个等离子体反应器中的每一个之间；（ii）确保进给到等离子体反应器中的每一个的功率保持平均地平衡，即使当功率从等离子体反应器中的每一个反射回接头内时也如此，所述反射功率在振幅和相位上可变；（ⅲ）确保从多个等离子体反应器反射回的大部分功率被再利用以获得良好的功率效率。
为了满足如上文所述的功能需求，所述接头必须具有非常精确的几何构形以便均匀地分配来自调谐器的微波功率输入而同时解耦朝向等离子体反应器中的每一个的输出，从而防止任何反射功率直接进给到另一等离子体反应器内而由于串扰导致不平衡。同时，接头几何形状应当为使得平衡的反射功率应当进给回调谐器，使得其能被再利用。最后，接头几何形状应当为使得仅仅就振幅和相位而言为不平衡的过多的反射功率被转移到接收器（例如水负载）内。
存在能够实现这些功能需求的若干可能的波导管接头，包括混合三通管接头、混合环接头、和两孔定向耦合器。这些波导管接头在微波波导管的领域中是已知的。对于其功能性的更详细讨论，参见例如教科书“Microwave Devices & Circuits”by Samuel Y.Liao,3rd Edition,published by Prentice-Hall Inc.,New Jersey。最相关的部分包括描述混合三通管的结构和功能的章节页146至147、描述混合环的章节页147和148、以及描述两孔定向耦合器的章节页151。这些波导管接头中的任一个理论上可以配置为以上述方式作用。混合三通管被认为是用于将微波功率联接到根据本发明的实施例的多个微波等离子体反应器的最佳选项，这是由于其简单性并且由于其能够以所述的方式在波长范围上操作。尽管操作范围在频带宽上为相对较窄的，但是已经意外发现，操作带宽足够用于所述应用。作为对比，混合环结构能够仅仅在很窄的带宽上维持所述功能性并且由此是不太优选的解决方案，这是由于更难以维持在本申请中的功能特征。尽管两孔定向耦合器也被视为也能够配置用于本申请，但是该解决方案被视为更复杂的结构，其更难以在实践中实施。
第一、第二、第三和第四端口由矩形波导管形成。如果波导管接头为混合三通管接头，则第一端口、第二端口和第三端口能够配置为位于一平面中而所述第一端口相对于设置在一条直线中的第二端口和第三端口成90°角设置，并且其中，第四端口联接在第一端口、第二端口和第三端口之间的接头处并且位于与第一端口、第二端口和第三端口垂直的平面中。波导管接头的第二端口和第三端口能够通过相应的共轴波导管联接到相应的等离子体反应器上。该联接可以为直接的或者经由链接波导管。
波导管接头的确切尺寸将取决于等离子体反应器的所需操作频率。仅仅有限量的操作频率由立法规定，包括例如433MHz、896MHz（在UK——欧洲大陆，美洲和亚洲该标准为915MHz）、以及2450MHz。波导管接头可以配置为具有合适的尺寸以在以这些容许频率中的一个进行操作时解耦第二端口和第三端口。在微波波导管设计领域的技术人员将能够配置波导管接头以满足本说明书的教导和它们的公知常识所给出的这些指标。例如，波导管接头可以配置为当在范围为从400MHz至500MHz、800MHz至1000MHz、或2300MHz至2600MHz的频带宽内操作时解耦第二端口和第三端口。
应当注意的是，尽管前述部件在功率分配、阻抗匹配和隔离的领域中是独立已知的，但是确信的是这些部件的组合和它们在联接到多个等离子体反应器上的微波供应系统中的使用在CVD金刚石合成的领域中是未知的。此外，意外的结果是如所述的波导管接头由于它们较窄的操作带宽而能够在用于配置为合成CVD金刚石的微波等离子体反应器的功率传输系统中使用。
如上所述的微波功率输送系统从硬件的角度而言成本较低，并且从功率利用的角度而言是有效的；同时也保证对每个等离子反应器的微波功率输入保持平衡，无论功率使用和反射进入微波供给系统的功率具有什么样的波动。
图5图示了根据本发明的实施例的微波等离子体反应器系统，其包括经由联接到接收器12上的隔离器10联接到单个微波发生器4上的两个微波等离子反应器8、调谐器14、和波导管接头18，所述波导管接头18配置为使朝向微波等离子体反应器8的输出彼此有效地解耦，使得从一个反应器反射回微波功率被防止经过波导管接头18传送到用于另一反应器的输出部内。波导管接头18必须具有很精确的几何构形以便均匀地分配来自调谐器14的微波功率输入而同时解耦朝向等离子体反应器中的每一个的输出，从而防止任何的反射功率直接进给到另一等离子体反应器内而由于串扰导致不平衡。同时，接头几何形状应当为使得平衡的反射功率应当进给回调谐器14，使得其能够被再使用。最后，接头几何形状应当配置为使得仅仅不平衡的过多的反射功率被转移到接收器20例如水负载内。
图6更详细示出了图5的微波等离子体反应器系统的下部部分。波导管接头18示出为经由矩形波导管27连接到接收器20和两个CVD金刚石微波等离子体反应器8上。矩形波导管27长度相等并且经由共轴波导管22联接到相应的等离子体反应器上。
每个共轴波导管包括内部导体24和外部导体26。在图示结构中，内部导体24为悬浮柱导体，具有终结于波导管内的端部而非接地于从波导管接头18延伸的矩形波导管27的顶表面上。内部导体能够被支承在等离子体反应器8的顶板28上。使共轴波导管的内部导体在波导管中电悬浮已经发现为提供从矩形波导管27朝向共轴波导管22传递功率的更便利的方法而非使用接地柱结构（尽管能够使用接地柱结构）。
共轴波导管22通过环形介电窗口30将微波引导到等离子体腔8内。每个等离子体腔8包括一个或多个气体入口32和一个或多个气体出口34。基底保持器36被支承在腔室的基部上，而基底38在使用时设置在基底保持器36上以用于在其上沉积CVD金刚石。
图7图示了用于在本发明的实施例中使用的接头的示例，包括输入端口A、两个输出端口B和C、以及可联接到接收器上的端口D，其中，端口B和C解耦和匹配。在这种结构中，端口A和D也解耦和匹配。合适接头的示例为也称为“魔术三通管”（magic-tee）接头的混合三通管接头。术语“魔术三通管”为将由微波分离器的领域的技术人员理解的技术术语。魔术三通管接头包括如图7中图示的四个端口A至D。端口A和D通过它们的对称性而完全解耦。由此，它们能够例如使用调谐器而独立匹配。理论告诉我们，端口B和C随后也将解耦和匹配。但是，应当注意，尽管端口A和D通过对称性解耦，并且在所有频率下如此解耦，但是端口B和C将仅仅在特定频率下解耦和匹配。近似匹配和解耦将对于靠近该特定频率的小频带保持，但是匹配魔术三通管接头为固有的窄带装置。
考虑到这种接头为固有的无源窄带装置，技术人员可能认为它们适于与配置为执行高动态过程例如CVD合成金刚石制造的等离子体反应器一起使用。意外的是在这种工艺中的波动（导致从每个腔室反射的功率的相位的变化）能够在两个或更多个腔室之间足够良好地相关，使得无源元件例如魔术三通管能够将功率平均地且由此高效地传输给所有负载。
图8图示了用于在本发明的实施例中使用的接头的另一示例，包括输入端口A、两个输出端口B和C、和可联接到接收器上的端口D，其中端口B和C解耦和匹配。该接头被称为混合环。尽管这种结构能够以与前述混合三通管接头相似的方式作用，但是混合环接头往往在比混合三通管接头窄的频带操作。因此，混合三通管接头被视为是更好的解决方案以便在使用时提供用于调谐到CVD金刚石反应器的更大范围。
有利地，联接到微波传输系统上的每个等离子体反应器设计为在使用时提供较低Q因子的谐振腔（即，具有设置在等离子体腔中的等离子体）。即，谐振腔为弱谐振和高阻尼，具有高的能量损失率。Q因子为存储的能量/每个周期消耗的能量的比率。Q因子可以通过修改腔室的体积和等离子体的体积和导电率而修改。在较大腔体中的较小的、较弱的导电等离子体可能预期为具有比在较小腔体中的较大体积等离子体高的Q因子。因此，具有较大等离子体体积的较小腔体由于该另外的原因而被视为优选的。该条件能够通过设置较小的等离子体腔而最容易地实现。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。由此，这些腔室能够形成较低Q值谐振腔，例如在使用时不超过1000、500、200、100、80、50、30、或20。这些维度对于范围从800MHz至1000MHz的微波频率的操作是特别优选的。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的操作频率，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。
这种腔体具有它们谐振且由此以较大频带操作的较大范围的频率。这由于等离子体反应器将在具有等离子体存在的情况下具有比在没有等离子体存在的情况下的不同的谐振特征。根据本发明的某些实施例的系统能够在没有再调谐的情况下起动，这是由于谐振腔的较低的Q因子而能够在具有或不具有等离子体存在的情况下在反应器腔体中实现。如前所述，本文所述的结构的调谐不能过度地改变，这是由于波导管接头仅仅在窄带宽上以期望的方式作用。因此，理想的是等离子体反应器能够仅仅在与接头的操作带宽相对应的窄带宽上操作。此外，较高的Q腔体将显示反射的相位和振幅随频率的较大变化。这意味着它们将不太能够容忍制造公差等的任何小的差异并且对于单个匹配短截线调谐器更难以同时校正从两个等离子体负载反射的功率，从而导致不可避免的功率不平衡。
波导管接头由此可以精确地几何形状配置为将来自一个端口的微波功率平均地分配在至少两个端口之间，这两个端口联接到相应的等离子体反应器上。接头也配置为将与所述两个端口相匹配的反射功率传递回所述一个端口上，并且将任何不匹配的功率转移到第四端口内。换言之，如果两个等离子体负载具有如在位于端口二和端口三上的等同参考平面处测量的相同的阻抗，则所有反射功率将出现在端口一处。联接到等离子体反应器上的两个端口优选地为精确相等的长度或者具有为1/2λg的倍数的不同长度，其中λg为操作导波波长，例如对于在矩形波导管中最常使用的ET10模式。这确保这两个端口将匹配和解耦。需要很小的设计公差以用于维持接头端口的解耦和匹配（例如，在10mm、5mm、3mm、1mm、0.5mm、或0.1mm内和/或在靶标端口长度的4%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%或0.06%内）。
由此，接头例如魔术三通管接头提供了其中联接到等离子体反应器上的端口解耦同时容许简单和便利的匹配方法的结构。近似匹配和解耦将仅仅对较小的频带保持。例如，魔术三通管接头提供了在相对较窄的频带上的最佳性能。但是，已经意外发现，在等离子体反应器中的谐振能够在相对较窄的频带内在具有或不具有等离子体存在的情况下实现，特别是如果微波等离子体反应器配置为具有较低的Q因子。应当注意，调谐器和接头都应当配置为在等离子体反应器的操作频率下作用。短截线调谐器理论上能够在很宽的频率范围上工作。但是，操作频率和带宽在设计之间改变。本发明人已经发现，优选的是其中至少三个短截线由四分之一导波波长隔开的短截线调谐器。
微波功率传输系统还可以包括配置为测量反射回微波源的功率的振幅的功率测量装置。功率测量装置能够用来监控功率使用并且从微波源的功率输入能够相应地修改。
根据本发明的一个实施例，微波等离子体激活的CVD反应器系统将包括：微波发生器；联接到发生器上的隔离器；联接到魔术三通管接头上的具有四个端口的三短截线调谐器，所述端口中的一个联接到三短截线调谐器上，所述端口中的一个联接到功率接收器例如水负载上，而所述端口中的两个联接到等离子体反应器上，其中，魔术三通管配置为使得所述两个端口在等离子体反应器的操作频率下匹配和解耦，并且其中，三短截线调谐器配置为将来自发生器的微波调谐到所述操作频率并且将所述操作频率的微波从魔术三通管中反射。
另外的实施例可以包括多于一个的接头。例如，前述两个端口可以各自联接到具有所述功能性的另外的波导管接头上，另外的波导管接头中的每一个联接到两个等离子体反应器上，使得四个等离子体反应器经由三波导管接头、单个三短截线调谐器、和隔离器联接到单个微波发生器上。图9图示了本发明的另外的实施例，其包括三波导管接头18以便将四个等离子体反应器8联接到单个微波源4上。在图9中，如在前图中所用的相同附图标记已经用于相似的部件。更大的网络也能够被构想。
原则上，从微波发生器可得的功率应当基本等于联接到微波发生器上的等离子体反应器的操作功率之和。实践中，从微波发生器可得的功率应当略大于联接到微波发生器上的等离子体反应器的操作功率之和以确保足够的功率总是可得并且是功率波动的原因。例如，可选地，从微波发生器可得的功率可以比联接到微波发生器上的等离子体反应器的操作功率之和大不超过50%、40%、30%、20%、10%或5%。
本发明的实施例避免由于微波功率传输系统的无源设计特征而导致的在连接到单个微波源上的多个微波等离子体反应器之间的串扰。本发明的某些实施例能够将功率在传送到每个等离子体反应器的平均功率的±25％、±20％、±15％、±10％、或±5％的范围内平均地传送到多个等离子体反应器。此外，根据本发明的实施例的微波功率传输系统能够在用于CVD金刚石合成所需的较长时间段上将较恒定的功率传输给多个微波等离子体反应器中的每一个上。例如，传输给锁个微波等离子体反应器中的每一个上的功率可以在例如CVD金刚石合成工艺中在等于或大于1小时、2小时、5小时、10小时、15小时、24小时、48小时、7天、14天、21天、28天或以上的时间段内稳定在传输给每个等离子体反应器的平均功率的±10％、±8％、±6％、±4％、或±2％内。来自多个微波等离子体反应器的不匹配的反射功率（振幅和相位）被进给到微波接收器例如连接到在微波功率传输系统内的波导管接头上的水负载内。微波功率传输系统可以配置为尽可能多地使用反射功率以提高功率效率。根据本发明的实施例的微波功率传输系统可以通常在连接到波导管接头上的微波接收器中吸收等于或小于5kW、3kW、1kW、或0.5kW。由此，反射功率的大部分能够被再使用。
根据本发明的某些实施例的功率传输系统由此就硬件的角度和功率使用效率的角度而言为成本有效的，而且同时确保朝向每个等离子体反应器的微波功率输入维持平衡而不管功率使用的波动和反射会微波传输系统内的功率的波动。本文所述的结构能够减小每个CVD金刚石等离子体反应器的资金成本。此外，所述结构能够提高每个微波发生器的产物产量并且确保来自不同等离子体反应器的产物在品质上是一致的。
尽管已经参照某些实施例具体示出和描述了本发明，但是应当由本领域的技术人员理解的是，形式和细节上的不同变化可以进行而不偏离于由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (28)

1.一种用于将微波功率供应给多个微波等离子体反应器的微波功率传输系统，所述微波功率传输系统包括：
调谐器，所述调谐器配置为联接到微波源上并且配置为使所述多个微波等离子体反应器的阻抗与所述微波源的阻抗相匹配；以及
波导管接头，所述波导管接头联接到所述调谐器上并且配置为将微波引导到所述多个微波等离子体反应器上和将微波从所述多个微波等离子体反应器中导出；
其中，所述波导管接头包括四个波导管端口，所述四个波导管端口包括联接到所述调谐器上的第一端口、配置为联接到相应微波等离子体反应器上的第二端口和第三端口、和联接到微波接收器上的第四端口；
其中，所述波导管接头配置为通过所述第一端口将来自所述调谐器的微波功率输入均匀地在所述第二端口和第三端口之间分配以用于将微波功率提供给相应的微波等离子体反应器；
其中，所述波导管接头配置为取消所述第二端口和第三端口的联接，从而防止来自所述微波等离子体反应器中的一个的任何反射微波经过所述波导管接头直接进给到另一微波等离子体反应器内而导致不平衡；
其中，所述波导管接头还配置为将通过所述第二端口和第三端口接收回的、就振幅和相位而言为平衡的反射微波进给到所述调谐器中，使得它们能够由所述调谐器反射和再使用；以及
其中，所述波导管接头还配置为通过所述第四端口将不平衡的过多的反射功率进给到所述微波接收器内。
2.根据权利要求1所述的微波功率传输系统，还包括用于将所述调谐器联接到所述微波源上的微波隔离器。
3.根据权利要求1或2所述的微波功率传输系统，其中，所述调谐器为短截线调谐器。
4.根据权利要求3所述的微波功率传输系统，其中，所述短截线调谐器包括多个短截线。
5.根据权利要求4所述的微波功率传输系统，其中，所述多个短截线由四分之一导波波长隔开。
6.根据权利要求4或5所述的微波功率传输系统，其中，所述短截线调谐器为三短截线调谐器。
7.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述波导管接头为混合三通管接头、混合环接头、和两孔定向耦合器中的一种。
8.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述第一、第二、第三和第四端口由矩形波导管形成。
9.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述波导管接头为混合三通管接头，其中所述第一端口、第二端口和第三端口位于一个平面中而所述第一端口相对于设置在一根直线中的所述第二端口和第三端口成90°角设置，并且其中，所述第四端口联接到介于所述第一端口、第二端口和第三端口之间的接头处并且位于与所述第一端口、第二端口和第三端口垂直的平面中。
10.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述波导管接头配置为当以范围为从400MHz至500MHz、800MHz至1000MHz、或2300MHz至2600MHz的频带宽内操作时取消所述第二端口和第三端口的联接。
11.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述第二端口和第三端口长度相等或者具有为1/2λg的倍数的不同长度，其中λg为用于波导管接头的操作导波波长。
12.根据权利要求11所述的微波功率传输系统，其中，所述第二端口和第三端口的长度配置为使其设计公差在10mm、5mm、3mm、1mm、0.5mm、或0.1mm内和/或在靶标端口长度的4%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%或0.06%内。
13.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，还包括配置为测量反射回所述微波源的功率的大小的功率测量装置。
14.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述系统包括多个所述波导管接头。
15.根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统，其中，所述第二端口和第三端口联接到相应的共轴波导管上以用于向相应的微波等离子体反应器提供微波功率。
16.根据权利要求15所述的微波功率传输系统，其中，每个共轴波导管包括浮动柱中央导体。
17.一种微波等离子体反应器系统，包括：
微波源；
联接到所述微波源上的根据任一前述权利要求所述的微波功率传输系统；以及
联接到所述微波功率传输系统上的多个微波等离子体反应器。
18.根据权利要求17所述的微波等离子体反应器系统，其中，所述微波源配置为产生等于或大于联接到所述微波源上的所述多个微波等离子体反应器的操作功率之和的功率。
19.根据权利要求18所述的微波等离子体反应器系统，其中，从所述微波源可得的功率比联接到所述微波源上的所述多个微波等离子体反应器的操作功率之和超出不大于50%、40%、30%、20%、10%或5%。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的微波等离子体反应器系统，其中，所述微波源配置为产生范围为从400至500MHz、800至1000MHz、或2300至2600MHz的频率的微波。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的微波等离子体反应器系统，其中，每个微波等离子体反应器包括具有以下范围的体积的谐振腔：对于400至500MHz的操作频率为0.018m3至0.530m3、0.062m3至0.350m3、0.089m3至0.270m3、或0.133m3至0.221m3；对于范围从800MHz至1000MHz的操作频率为0.002m3至0.06m3、0.007m3至0.04m3、0.01m3至0.03m3、或0.015m3至0.025m3；或者对于2300至2600MHz的操作频率为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。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的微波等离子体反应器系统，其中，联接到所述微波传输系统上的每个微波等离子体反应器在使用时具有等于或小于1000、500、200、100、80、50、30、或20的Q因子的谐振腔。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的微波等离子体反应器系统，其中，每个微波等离子体反应器经由共轴波导管联接到所述微波功率传输系统的所述波导接头上。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的微波等离子体反应器系统，其中，两个或四个微波等离子体反应器联接到所述微波功率传输系统上。
25.一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：
设置根据权利要求17至24中任一项所述的微波等离子体反应器系统；以及
使用所述微波等离子体反应器系统形成合成金刚石材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，功率以传输给每个微波等离子体反应器的平均功率的±25％、±20％、±15％、±10％、或±5%的范围内平均地传输给所述多个微波等离子体反应器中的每一个。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中，传输给所述多个微波等离子体反应器中的每一个的功率在等于或大于1小时、2小时、5小时、10小时、15小时、24小时、48小时、7天、14天、21天、或28天的时间段上稳定在传输给每个微波等离子体反应器的平均功率的±10％、±8％、±6％、±4％、或±2％内。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，由连接到所述波导接头上的微波接收器所吸收的功率等于或小于5kW、3kW、1kW、或0.5kW。
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