CN104220635A - 大面积的光学性能合成多晶金刚石窗口 - Google Patents

Abstract

一种多晶化学气相沉积(CVD)金刚石晶片包括：等于或大于125mm的最大线性尺寸；等于或大于200μm的厚度；以及在室温下(标称298K)在多晶CVD金刚石晶片的至少中心区域上测量的以下特性中的一个或两个，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶片的中心点为中心，并且所述中心区域的直径是多晶CVD金刚石晶片的最大线性尺寸的至少70％：在10.6μm处，吸收系数≤0.2cm^-1；以及在145GHz时介电损耗系数为tanδ≤2×10^-4。

Description

大面积的光学性能合成多晶金刚石窗口

技术领域

本发明涉及利用化学气相沉积(CVD)技术制造光学性能合成多晶金刚石窗口。

背景技术

现在本领域众所周知用于合成金刚石材料的化学气相沉积(CVD)过程。关于金刚石材料的化学气相沉积的有用背景信息可在Journal of Physics的专题：Condensed Matter,Vol.21,No.36(2009)中找到，其专门讲述金刚石相关技术。例如R.S Balmer等人的综述文章给出了CVD金刚石材料、技术和应用的全面概述(见“Chemicalvapour deposition synthetic diamond:materials,technology andapplications”J.Phys.:Condensed Matter,Vol.21,No.36(2009)364221)。

在金刚石相比石墨处于亚稳定状态的范围内，在CVD条件下的金刚石合成由表面动力学而非容积热力学驱动。通常利用在过量的分子氢中的少量碳(通常＜50％)执行经由CVD的金刚石合成，碳通常是甲烷形式，但可采用其它含碳气体。如果分子氢被加热到超过2000K的温度，则分子氢大量分解。当存在合适的基底材料时，可沉积合成金刚石材料。

原子氢对于过程是重要的，因为它从基底选择性地蚀刻掉非金刚石碳，从而可以生长金刚石。许多方法都可用于加热含碳气体和分子氢，以便产生CVD金刚石生长所需的可反应的含碳自由基和原子氢，包括电弧喷射、热灯丝、直流电弧、氧乙炔火焰和微波等离子体。

涉及电极的方法，诸如直流电弧等离子体，可能由于电极侵蚀和将材料掺入到金刚石中而具有缺点。燃烧方法避免了电极侵蚀问题，但依赖于必须提纯至与高品质的金刚石生长相一致的水平的相对昂贵的供给气体。此外，火焰的温度，即使在燃烧氧乙炔混合体时，也不足以实现气体流中的大部分原子氢并且该方法依赖于将气体流量集中在局部区域以达到合适的生长速率。也许，燃烧未广泛用于大块金刚石生长的主要原因是可提取的以kWh为单位的能量的成本。与电相比，高纯度的乙炔和氧气是一种昂贵的产生热量的方式。热灯丝反应器尽管表面上显得简单，但具有受限于在较低的气体压力下使用的缺点，该气体压力用于确保它们的有限量的原子氢被相对有效地传输到生长表面。

根据以上，鉴于功率效率、生长速率、生长面积和可获得的产品纯度，已经发现微波等离子体是驱动CVD金刚石沉积的最有效方法。

微波等离子体激活式CVD金刚石合成系统通常包括联接到源气体供应装置和微波功率源两者的等离子体反应器容器。等离子体反应器容器被配置为形成支持驻波微波的共振腔。包括碳源和分子氢的源气体被供给到等离子体反应器容器中，并可被驻波微波激活，以在高场区中形成等离子体。如果在紧邻等离子体处提供合适的基底，则反应性含碳自由基可从等离子体扩散到基底并沉积在其上。原子氢也从等离子体扩散到基底并从基底上选择性地蚀刻掉非金刚石碳，从而可生长金刚石。

在本领域已知利用CVD过程生长合成金刚石薄膜的可用的微波等离子体反应器的范围。这类反应器具有各种不同的设计。共有特征包括：等离子体室；位于等离子体室中的基底保持件；用于形成等离子体的微波发生器；用于将微波从微波发生器供给到等离子体室中的耦合结构；用于将生产气体供给到等离子体室并从其中移除它们的气体流动系统；以及用于控制基底保持件上的基底的温度的温度控制系统。

在上述Journal of Physics(见“Microwave engineering ofplasma-assisted CVD reactors for diamond deposition”J.Phys.:Condens.Matter,Vol.21,No.36(2009)364202)中给出了Silva等人的有用的综述性文章，总结了各种可行的反应器设计。关于专利文献，US6645343(Fraunhofer)公开了被配置为用于经由化学气相沉积过程生长金刚石薄膜的微波等离子体反应器的例子。在此描述的反应器包括具有安装在其底部上的基底保持件的圆柱形等离子体室。在基底保持件下方设置冷却装置，以便控制基底保持件上的基底的温度。此外，在等离子体室的底部中设置气体入口和气体出口，以便供应和移除生产气体。微波发生器经由高频共轴线联接到等离子体腔，高频共轴线的传送端在等离子体室的上方被划分并且在等离子体室的周缘指向大体环形的微波窗口，微波窗口是被安装在等离子体室的侧壁中的石英环。

利用微波等离子体反应器，诸如现有技术中公开的那些，可以通过化学气相沉积在合适的基底上(诸如硅晶片或碳化物形成的难熔金属盘)生长多晶金刚石晶片。这种多晶CVD金刚石晶片在它们的生长形式下通常是不透明的，但是可通过抛光晶片的相反表面使其透明，以生产用于光学应用的透明多晶金刚石窗口。

金刚石材料可用作光学部件，因为它具有从紫外到红外的宽的光学透明度。金刚石材料相比其它可用的窗口材料的额外优点是它机械强度高、化学惰性并且生物可相容。例如，金刚石材料的惰性使得它成为在其它光学窗口不适用的反应化学环境中使用的极佳选择。此外，金刚石材料具有很高的热导率和低热膨胀系数。这样，金刚石材料可在部件倾向于被加热的高能量束应用中用作光学部件。金刚石材料可快速地传导走热量，以冷却升温区域，从而防止热量在特定点(例如，高能量束穿过材料的位置)处积累。就材料被加热来说，金刚石材料的低热膨胀系数确保部件不会过度变形，过度变形可导致使用中的光学和/或机械问题。

制造多晶CVD金刚石光学部件的一个问题是在CVD生长过程中诸如氮、硅和非金刚石碳化物的杂质被掺入金刚石材料中，如下所述。

大气氮通常作为源生产气体中的杂质出现，并且还可以作为CVD反应器部件内的剩余杂质出现，这是由于例如不完美的真空密封和/或被吸收到CVD反应器的内部表面上的剩余杂质(在使用期间可释放)。此外，在合成金刚石生长过程中，氮气通常被故意地引入CVD合成气氛中，因为已知氮可提高合成金刚石材料的生长速率。尽管氮有利于达到商业有益的生长速率，但是将氮掺入合成金刚石材料中会不利地影响材料的光学和热学性能。因此，可在CVD合成气氛内提供足够的氮以达到可接受的生长速率和限制掺入生长的固态CVD金刚石材料中的氮量之间取得平衡。设备和过程条件可影响在CVD合成气氛内氮被掺入生长的固态CVD金刚石材料中的速率。

硅杂质可来自CVD反应器内基于硅的部件。例如，石英出口或钟形玻璃容器通常用于将微波耦合到等离子体室中和/或限制基底生长表面附近的等离子体和生产气体，以实现CVD金刚石生长。这种含硅石英部件在使用时暴露于等离子体的极高温度并且这会导致来自这些部件的硅掺入合成金刚石材料。设备和过程条件可影响随掺入正在生长的固态CVD金刚石材料中的速率。

在CVD金刚石生长过程中，非金刚石碳(例如，sp2混合石墨碳)不可避免地沉积在基底的生长表面上。如上所述，原子氢是CVD金刚石生长过程必不可少的，因为它从基底选择性地蚀刻掉非金刚石碳，从而可以生长金刚石。但是，这种选择性蚀刻过程不总是去除所有沉积的非金刚石碳，因此这种材料掺入CVD金刚石材料中。设备和过程条件可影响非金刚石碳掺入正在生长的固态CVD金刚石材料的速率。

根据以上，显然必须谨慎地选择和控制设备配置和过程条件，以确保对于高性能光学部件，在CVD生长期间掺入合成金刚石材料的杂质水平极小。

除了控制绝对杂质水平之外，确保杂质摄入的均匀性受到控制也是至关重要的，从而获得性能一致的产品。均匀性问题在空间上是横跨生长表面摄入杂质的比率变化，在时间上是生长期间摄入杂质的速率变化。例如，在生长表面上物理和/或化学过程参数的不均匀分布可导致横跨合成多晶金刚石晶片摄入的杂质的比率的空间变化。此外，当合成多晶金刚石晶片生长时，合成多晶金刚石晶片内的晶粒边界的大小增加。在合成多晶金刚石晶片生长时的晶粒边界大小增加会导致摄入变大的晶粒边界内的杂质比率增加，这会致使贯穿合成多晶金刚石晶片的厚度的杂质浓度增加。

除上述问题之外，横跨合成多晶金刚石晶片的生长速率变化可导致杂质摄入变化。例如，当生长速率增加时，可用于从生长表面(在其未被封入合成多晶金刚石晶片内之前)蚀刻掉非金刚石碳的时间减少。此外，生长速率变化还导致厚度变化，这会致使在CVD生长过程完成之后进行冷却时拉紧合成多晶金刚石晶片并使其破裂。生长速率的变化可以是由横跨生长表面的等离子体不均匀和在其上生长合成多晶金刚石晶片的基底的温度不均匀导致的。

即使存在以上问题，目前已经可以制造直径高达约100mm的高光学性能的多晶金刚石晶片。但是，难以生产更大的高光学性能多晶金刚石晶片。尽管已经可以制造更大的多晶金刚石晶片，但这些晶片具有较低的光学性能，尤其是朝向晶片的周缘。这类晶片不满足某些商业应用的要求，这些应用需要相对厚、直径相对大的极高光学性能的合成多晶金刚石窗口。例如，某些功率非常高的激光束应用需要直径＞120mm的通光孔径，能够处理所涉及的极高功率密度的光学等级多晶金刚石激光窗口。可获得较小尺寸的具有相关光学性质的多晶金刚石激光窗口。但是这些尺寸对于某些应用不够大。这类多晶金刚石窗口也被要求用作防辐射窗口。

本发明的某些实施例的目的是提供合适的微波等离子体反应器配置和合适的CVD过程条件，以便制造横跨基本整个窗口面积(例如，至少80％)具有极高光学性能的大(例如，直径至少120mm)合成多晶金刚石窗口。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种多晶化学气相沉积(CVD)金刚石晶片，包括：

等于或大于125mm的最大线性尺寸；

等于或大于200μm的厚度；以及

在室温下(标称298K)在多晶CVD金刚石晶片的至少中心区域上测量的以下特性中的一个或两个，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶片的中心点为中心，并且所述中心区域的直径是多晶CVD金刚石晶片的最大线性尺寸的至少70％：

(1)在10.6μm处，吸收系数≤0.2cm^-1；以及

(2)在145GHz时介电损耗系数为tanδ≤2×10^-4。

优选地，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

(3)受拉力的多晶CVD金刚石晶片的成核面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥760MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥700MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥650MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥600MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥550MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥500MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥450MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥400MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2；

(4)受拉力的多晶CVD金刚石晶片的生长面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥330MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥300MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥275MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥250MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥225MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥200MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥175MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥150MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2；

(5)表面平坦度≤5μm、≤4μm、≤3μm、≤2μm、≤1μm、≤0.5μm、≤0.2μm或≤0.1μm。

优选地，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

(6)平均黑点密度不大于1mm^-2、0.5mm^-2或0.1mm^-2；

(7)黑点分布为使得在任何3mm²面积内不多于4、3、2或1个黑点；

(8)当用在2760cm^-1至3030cm^-1范围内的修正线性背景下(background)测量时，单位厚度的积分吸光度不大于0.20cm^-2、0.15cm^-2、0.10cm^-2或0.05cm^-2；

(9)热导率不小于1900Wm^-1K^-1、2000Wm^-1K^-1、2100Wm^-1K^-1或2200Wm^-1K^-1；

(10)对于前表面和后表面被抛光为均方根粗糙度小于15nm的0.7mm的样品厚度，在10.6μm处，在前半球中的全积分散射不多于1％、0.5％或0.1％；以及

(11)通过二次离子质谱法测量的硅浓度不大于10¹⁷cm^-3、5×10¹⁶cm^-3、10¹⁶cm^-3、5×10¹⁵cm^-3或10¹⁵cm^-3。

实施例可包括上述优选特征的任何组合。但是，在以上给出的11个所述特征中，多晶CVD金刚石晶片优选包括2、3、4、5、6、7、8、9、10个，或更优选地包括所有11个所述特征。

根据本发明的第二方面，提供一种用于制造如上所述的多晶CVD金刚石晶片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，其包括底部、顶板和从所述底部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波共振模式的共振腔，其中，共振腔具有从底部延伸到顶板的中心旋转对称轴线；

微波耦合结构，其包括环形电介质窗口，以用于经由环形电介质窗口通过顶板沿朝向等离子体室的底部的方向将微波感应耦合到等离子体室中；

气体流动系统，用于经由一个或多个气体入口喷嘴通过顶板沿朝向等离子体室的底部的方向将生产气体供给到等离子体室中；

基底保持件，其位于等离子体室的底部中并且包括用于支撑基底的支撑表面，在使用时多晶CVD金刚石晶片能够生长在基底上；以及

基底温度控制系统，其包括用于向基底保持件供应液体和/或气体冷却剂的冷却剂传送系统，以在使用时控制基底保持件的支撑表面上的温度曲线图，

其中，至少环形电介质窗口是旋转对称的，具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.2mm内的旋转对称轴线。

根据本发明的第三方面，提供一种用于利用如上限定的微波等离子体反应器制造多晶CVD金刚石晶片的方法，所述方法包括：

将基底放置在基底保持件上，基底是旋转对称的并且当位于基底保持件上时具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm内的旋转对称轴线；

以15至40kW范围内的功率通过环形电介质窗口将微波供给到等离子体室中；

通过一个或多个气体入口喷嘴将生产气体供给到等离子体室中，生产气体包括原子浓度在98至99％范围内的氢、原子浓度在0.3至1.1％范围内的碳和原子浓度在30至270ppm范围内的氮，其中，生产气体的总流量处于2000至15000sccm范围内并且等离子体室内的压力处于140至235托范围内；

以在775至950℃范围内的基底温度使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长；

从微波等离子体反应器移出多晶CVD金刚石晶片；以及

抛光多晶CVD金刚石晶片。

通过以下方式实现本发明的某些实施例：(i)研制特定的微波等离子体反应器配置；(ii)将微波等离子体反应器的配置进一步修改至极度精确的设计容差；以及(iii)研制用于操作微波等离子体反应器配置的合适的方法条件，以实现制造具有极高光学性能的大的合成多晶金刚石窗口。

关于要点(i)，微波等离子体反应器被配置为经由一个或多个气体入口喷嘴耦合生产气体并经由环形电介质窗口耦合微波，生产气体和微波通过等离子体室的顶板，朝向被安装在等离子体室的底部中的温度被合适地控制的基底，从而使得生产气体和微波都以旋转对称的方式被耦合到等离子体室中并朝向基底的生长表面。已经发现，这种配置对于允许高气体流速、高过程压力和高微波功率过程条件方面有用，这些过程条件用于在合适地控制氮浓度的情况下实现以高生长速率生长良好品质的合成金刚石。此外，当与诸如使用钟形玻璃容器、横跨等离子体室的中心部分使用窗口或位于等离子体室的侧壁中的环形电介质窗口的替代方案相比较时(这些替代方案都增加了电介质窗口材料对室内的等离子体区域的暴露)，在等离子体室的顶板的周围区域附近设置环形电介质窗口可减少在生长期间传递到合成金刚石材料中的硅。

关于要点(ii)，已经发现，即使采用这种配置，也不能制造具有极高光学性能且不破裂的大面积的(直径≥120mm)、厚的(≥200μm)合成多晶金刚石窗口。此问题已经追溯到微波耦合结构、气体传送系统和基底安装和温度控制系统相对于等离子体室的中心旋转对称轴线的很微小的不对齐。尽管未证明微小的不对齐会显著降低生长了较小面积(例如，直径≤100mm)的合成金刚石材料的品质，但是已经发现，当制造大面积(直径≥120mm)的合成金刚石材料时，即使部件之间的很微小的不对齐也会不利地影响材料的品质，尤其是合成多晶金刚石晶片的周围区域附近的品质。这样，已经发现，部件，尤其是环形电介质窗口，应该旋转对称，并且每个部件的旋转对称轴线位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.2mm内。优选地，其它部件，诸如基底保持件和一个或多个气体入口喷嘴，也应该被精确地配置和对齐。这种精确对齐连同沿轴向方向朝向基底生长表面将生产气体和微波两者耦合到等离子体室中的上述配置，允许在高度旋转对称的情况下实现高气流速率和高微波功率条件，已经发现高度旋转对称对于实现制造具有极高光学性能的大面积的、厚的合成多晶金刚石窗口是至关重要的。

关于要点(iii)，已经发现即使采用上述精确对齐的微波等离子体反应器配置，多晶金刚石晶片的周围区域附近的多晶金刚石材料的品质也不能满足极高的光学性能要求。具体地，已经发现在较大面积的晶片的周围区域处诸如非金刚石碳的杂质的水平会增加。当还生长至较大厚度时，这问题加重，因为当合成多晶CVD金刚石晶片生长时，晶粒边界的尺寸增大并且这导致晶粒边界内的杂质比率增加。已经发现可通过增加氢气流速来缓解此问题。从基底选择性地蚀刻掉非金刚石碳所需的原子氢浓度被认为在相当大的直径处较低，并且因此降低非金刚石碳的蚀刻效率。相信增加喷向生长表面的氢气流速会向多晶金刚石晶片的周围区域推动更多的原子氢，由此增加从生长表面蚀刻掉非金刚石碳的速率并提高生长晶片的周围区域中的材料品质。替代性的或额外的方案是提供具有多个气体入口喷嘴的气体入口喷嘴阵列，多个气体入口喷嘴朝向基底的生长表面并且位于足够大的区域上，足以确保在生长期间在多晶金刚石晶片的周围区域中提供浓度足够高的原子氢。另一替代性的或额外的方案是降低多晶CVD金刚石晶片的生长速率，以允许使用更多时间来从生长表面上蚀刻掉非金刚石碳。例如，通过例如降低使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长期间的碳的原子浓度和/或氮的原子浓度，生长速率可随多晶CVD金刚石晶片的增加而降低。

通过结合对发生器设计、工程容差控制和过程设计的研究，已经可以实现制造具有极高光学性能的大的合成多晶金刚石窗口。

附图说明

为了更好地理解本发明以及示出如何实现本发明，现在将参照附图仅以举例方式描述本发明的实施例，其中：

图1图示被配置为用以制造大面积光学性能的多晶CVD金刚石晶片的微波等离子体反应器；

图2(a)、2(b)和3图示用于将微波耦合到等离子体室中的微波耦合结构的部件；

图4(a)至4(c)示出微波等离子体反应器中对于不同基底高度的电场分布图；

图5(a)至5(c)示出如何相对于围绕基底的表面的平均高度计算基底的生长表面的高度；

图6(a)和6(b)图示大面积的光学性能的多晶CVD金刚石晶片；以及

图7图示根据本发明的实施例的从直径140mm的母晶片上提取的用于激光量热的四个直径20mm的测试样本。

具体实施方式

图1所示的微波等离子体反应器包括以下部件：等离子体室2；基底保持件4；基底5；微波发生器6；等离子体8，其被产生用于生长具有成核面9’和生长面9”的多晶CVD金刚石晶片9；微波耦合结构10；电介质窗口12；源气体容器系统14；一个或多个气体入口16；一个或多个气体出口18；用于限定基底保持件4的支撑表面和基底5的后表面之间的气隙22的间隔线或间隔垫；以及基底温度控制装置，其包括经由供应管26联接到气隙22的气体供应系统24和用于冷却基底保持件的冷却液供应系统28。

微波等离子体反应器可被认为包括三个子系统：(A)气体和微波传送系统，其被配置为通过等离子体室的顶板将生产气体和微波传送到等离子体室；(B)等离子体室，包括底部、顶板和侧壁，侧壁从底部延伸到顶板，限定用于支持微波共振模式的共振腔，共振腔包括从底部延伸到顶板的对称的中心旋转轴线S；以及(C)基底安装结构，其包括基底保持件和基底温度控制系统，基底保持件位于等离子体室的底部上，提供用于支撑基底的支撑表面，在使用时可使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长，基底温度控制系统包括用于向基底保持件供应液体和/或气体冷却剂的冷却剂传送系统，以在使用时控制基底保持件的支撑表面上的温度曲线图。

下面将更详细地描述每个子系统。

(A)气体和微波传送系统

微波耦合结构10包括共轴波导，共轴波导被配置为将微波从矩形波导供给到环形电介质窗口12。共轴波导包括内导体和外导体。环形电介质窗由在等离子体室的顶部中形成真空密封窗口的微波可穿透材料(诸如石英)制成。微波发生器6和微波耦合结构10被配置为产生合适波长的微波并将微波感应耦合到等离子体室中，以在等离子体室内形成在使用时具有位于基底5正上方的高能波腹的驻波。

微波耦合结构10还包括波导板13。图2(a)、2(b)和3更详细地图示了波导板13及其安装结构。波导板13包括放置为环形配置的多个缺口32，每个缺口形成用于通过环形电介质窗口12将微波从共轴波导耦合到等离子体室的波导。波导板还可包括在缺口之间延伸的适于将冷却剂和/或生产气体从外周区域供应到内轴线区域的多个通道34。

已经发现此配置是有利的，因为它允许微波功率经由环形电介质窗口耦合到等离子体室中，同时还允许将冷却剂和/或生产气体提供到被波导结构封闭的等离子体室区域。

除上述之外，波导板可被配置为支撑共轴波导的中心导体。因此，尽管图1所示的中心导体是接地柱，但在一个替代性布置中，中心导体可形成为电浮动柱，其不需要相对于微波发生器将矩形波导的上壁接地。在波导中电浮动的内导体在许多方面是将功率从矩形波导传递到共轴波导的更简单更方便的方法。这具有失去接地点的缺点，在该点处可通过如图1所示的中心导体引入诸如冷却水和生产气体的服务物质。但是，本发明的某些实施例提供经由波导板中的通道供应这类服务物质的替代性路径。

此外，波导板可被配置为将等离子体室的上部和下部联接在一起并避免在使用时大的压应力作用在环形电介质窗口上，而不使用通过共轴波导的中心导体的机械锚定点。此外，环形电介质窗口可包括两个相对的表面，微波通过它们被耦合到等离子体室中并且可在所述两个相对的表面上设置密封件。这允许在等离子体室的上部和下部之间以及电介质窗口处形成可靠的密封。

图3示出微波等离子体反应器的一部分的剖视图，图示了环形电介质窗口12和波导板13如何被安装在反应器中的例子。在所示布置中，波导板13的外周部分位于共轴波导38的外导体36和等离子体室的侧壁40之间。环形电介质窗口12的外周部分位于波导板13和等离子体室的侧壁40之间。环形电介质窗口12的内部被承托在波导板13的内部和另一板42之间。波导板中的缺口32与环形电介质窗口12及通道34对齐，以便穿过缺口之间将冷却剂和/或生产气体供应到波导板13的内部。环形电介质窗口12可利用弹性体O形环44被安装到波导板。在此布置中，另一板42可附接到波导板13，其中，电介质窗口12的一部分经由弹性体O形环44被放置和承托在其间。

如上所述的波导板实现若干有利功能：

(i)它允许喷射冷却剂和/或生产气体；

(ii)它支撑中心共轴导体；

(iii)它在等离子体室的上部和下部之间形成联接；

(iv)它朝向基底沿轴向方向将微波从共轴波导供给到等离子体室；并且

(v)它支撑环形电介质窗口。

在所示实施例中，波导板中的多个缺口被配置为沿与等离子体室的中心轴线平行的方向将微波耦合到等离子体室中。在此布置中，波导板位于与等离子体室的中心轴线垂直的平面内并且形成等离子体室中的上壁的一部分。已经发现，沿与室的轴线平行的方向将微波耦合到等离子体室中更有效并且不需要更复杂的共轴供给配置。这样，即使在波导板中不提供用于冷却剂和/或生产气体的通道，和/或不提供浮动柱，根据本发明的波导板也有利于以简单有效的方式将微波耦合到等离子体室中。

多个缺口优选被配置为具有周期性旋转对称。例如，如果设置n个缺口，则缺口围绕圆对称地配置，以具有n次折叠旋转对称。优选对称布置，以避免由于缺口不对称而形成的等离子体室内的电场不对称。

如上所述的环形电介质窗口由单个完整的电介质材料环形成。但是，在替代性布置中，环形电介质窗口可由多个分开的弧形区段形成，每个区段横跨波导板的相应缺口被密封。本发明的实施例的重要特征是环形电介质窗口旋转对称并且具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.2mm、0.15mm、0.10mm或0.05mm内的旋转对称轴线。

在一个配置中，在波导板中的缺口之间延伸的一个或多个通道包括被配置为将生产气体供应到一个或多个喷射口的至少一个通道，一个或多个喷射口与基底保持件相对布置，以便朝向基底保持件喷射生产气体。此配置允许轴向气体流动装置与微波耦合结构一样位于室的同一端处。

波导板的中心部分可支撑与基底保持件相对放置的传导表面46。传导表面可由波导板形成或者可由连接到波导板的中心部分的单独的金属主体形成。一个或多个气体入口喷嘴16可位于传导表面中，用于朝向基底保持件喷射生产气体。在一个配置中，传导表面是弯曲的并朝向等离子体室的中心区域延伸。例如，传导表面可形成锥形主体。这种传导表面是有用的，因为它可帮助防止等离子体形成在等离子体室的上部区域中。实际上，在使用时传导表面可屏蔽高电场区域。就是说，传导表面可放置为封闭高电场波腹区域，该区域可存在于不包括朝向等离子体室的中心区域延伸的传导表面的相应室中。

波导板可包括2、3、4、5、6、7或更多个缺口。已经发现，改变缺口的数量可影响微波耦合到等离子体室中的效率。根据某些布置，波导板包括奇数个缺口，更优选地包括质数个缺口。例如，波导板可包括3、5或7个缺口。

每个缺口实际上相当于矩形波导。三向缺口可帮助最大化缺口的长度。四或六向替代方案都被发现在模式稳定性方面存在缺陷。尽管存在若干缺口，但在TM_0mn模式下功率可主要被耦合到腔中。缺口的对称性具有影响，在产生更高阶模式，即TM_1mn(其中1不等于零)，的形式中可见。因此，其中全部三个缺口都同相地被激发的三向缺口将耦合到TM_3mn系列模式，而四和六向缺口预期可与更高阶的TM_8mn和TM_12mn模式耦合。然而，实际上，四和六向缺口倾向于寄生模式。因此，四或六向缺口可产生等离子体中的不对称，这会导致等离子体移开中心或向两个方向分开。三向缺口给出比伴随其它配置产生的更重要的单向和双向分散模式更可取的稳定的三向牵引效应(pullingeffect)。可利用模式消除块处理不稳定，模式消除块基本上是金属主体，其向局部电场产生意在消除缺口产生的三向模式的扰动。可凭借经验确立这些金属块的位置。通过将金属块放置在高壁电流的区域中(即，H场高之处)，块可用于中断不希望的模式。这样，在一个布置中，多个模式消除块被放置在等离子体室的内壁上，例如，室的侧壁上或底部上，模式消除块被配置为补偿由多个缺口导致的电磁扰动。模式消除块分隔开，从而与缺口结构对称地相关。例如，模式消除块的数量可等于设置在波导板中的缺口的数量，模式消除块被放置为具有与缺口布置相对应的对称性。例如，如果三个缺口被设置在波导板中，则可围绕等离子体室壁在等离子体室的下部中安装和对称地布置三个模式消除块，从而消除由缺口导致的电场中的扰动。替代性地，模式消除块的数量可以是缺口数量的整数倍，同时仍被布置为与缺口结构对称地相关。模式消除块可粘附到等离子体室的内壁或者可以由等离子体室的壁一体形成。三向缺口的另一个可行的替代方案是使用五或七向缺口。由于这些是质数，因此它们不会与较低阶的双向模式等模式重叠(over-moding)。在此情形中，可不需要模式消除块。

更有利的是经由具有特定的径向宽度的缺口将微波能量供应到等离子体室。由波导板中的缺口提供的环形间隙(沿径向方向)与等离子体室的直径之比可在1/10至1/50、1/20至1/40、1/25至1/35的范围内，或可选地约为1/30。可通过以下方式设置此环形间隙，即，邻近等离子体室的侧壁放置缺口，其中共轴波导的外导体的直径与等离子体的共振腔的直径接近，并且内导体仅稍小于外导体，以实现与环形间隙的以上指定比率相同的比率。通过改变着两个导体的直径之比，可找到实现与室匹配的最佳点。在替代性布置中，缺口可远离等离子体室的侧壁放置，例如，放置在顶板的中心和边缘之间的中间位置处。有利地，室和微波耦合组件的部件应该高精确度地被配置，例如，使得部件的尺寸和定位在规定规格的0.1％以内。

气体供应系统包括源气体容器系统14、一个或多个气体入口16和一个或多个气体出口18。在图1中图示了在等离子体室的顶板(其也形成上述波导板13)的中心中的一个轴向放置的气体入口。可选地，气体入口可被修改为横跨等离子体室的顶板的一区域提供一阵列气体入口喷嘴。

气体入口位于等离子体室的上部、基底保持件的正上方，并且被配置为朝向基底直接高速供给气体。生产气体在等离子体室的底部中或附近的一个或多个出口处被移除。可选地，利用泵可将生产气体再次循环到入口。这种系统的优点是朝向基底喷出的高速气体流通过对流将激活的气体从等离子体传输到基底。这与依赖于将激活气体从等离子体扩散到基底的系统相比有助于增加生长速率。此外，如上所述，通过利用这种布置增加氢气流速，可以向多晶金刚石晶片的周围区域推动更多的原子氢，由此增加从生长表面蚀刻掉非金刚石碳的速率并提高生长的晶片的周围区域中材料的品质。

替代的方案或额外的方案是提供具有多个气体入口喷嘴的气体入口喷嘴阵列，多个气体入口喷嘴指向基底的生长表面并且位于足够大的区域上，以确保足够大浓度的原子氢在生长期间被提供到多晶金刚石晶片的周围区域中。对此，数量相对多的喷嘴可密集地间隔开，以确保相对均匀的气体流。已经发现，在阵列中提供数量密度相对高的喷嘴在使用时会提高朝向基底的气流的均匀性并允许相对于基底均匀地平整和塑形等离子体，以实现在相对大的区域上高速形成均匀的金刚石薄膜。还发现有用的是，提供相对小面积的喷嘴，从而使得喷嘴阵列的面积主要由喷嘴之间的间隔而非喷嘴出口自身的面积组成。这样，虽然已经发现相对于喷嘴入口阵列的面积提供数量密度相对大的喷嘴是有利的，但是同样已经发现，喷嘴入口的面积除以喷嘴阵列的整体面积的比率小是有利的。已经发现，小的喷嘴对于提供高速喷出的气体流是有利的。但是，还期望在相对大的面积上具有相对均匀的气体流，以便在相对大的面积上均匀地沉积金刚石薄膜。因此，相对小的入口喷嘴尺寸和这类喷嘴的相对高的数量密度的结合被发现有利于实现高速喷出的气体流和在相对大的面积上的气体流的均匀性之间的平衡。

根据以上，修改的气体流系统可包括气体入口喷嘴阵列，该阵列包括与基底保持件相对放置的用于朝向基底保持件喷出生产气体的多个气体入口喷嘴，气体入口喷嘴阵列包括：相对于等离子体室的中心轴线沿基本平行或发散方向放置的至少六个气体入口喷嘴(基本平行指的是至少在完全平行布置的10°、5°、2°、1°内)；等于或大于0.1个喷嘴/cm²(但对于某些应用优选更高)的气体入口喷嘴的数量密度，其中，通过将喷嘴投影到法线与等离子体室的中心轴线平行的平面上并在所述平面上测量气体入口的数量密度，来测量气体入口喷嘴的数量密度；以及等于或大于10(但对于某些应用优选更高)的喷嘴面积比，其中，通过将喷嘴投影到法线与等离子体室的中心轴线平行的平面上、在所述平面上测量气体入口喷嘴面积的总面积、用总面积除以喷嘴的总数量以给出与每个喷嘴相关的面积、用与每个喷嘴相关的面积除以每个喷嘴的实际面积，来测量喷嘴的面积比。

根据本发明的某些实施例，一个或多个气体入口喷嘴具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm、0.10mm或0.05mm内的旋转对称轴线。

(B)等离子体室

等离子体室被配置为在使用时形成支持驻波的共振腔。根据一个配置，等离子体室被配置为在使用时支持TM_01n微波驻波，例如，TM₀₁₁模式。操作频率可在400至500MHz或800至1000MHz的范围内。

同样已经发现有利的是，提供被配置为具有满足以下条件的直径的圆柱形共振腔，即，共振腔的高度/共振腔的直径之比在0.3至1.0、0.4至0.9或0.5至0.8的范围内。这样的比率构成与现有技术的布置相比直径相对小的腔。尽管看起来违背常理，但是已经发现有利的是使用具有相对小的直径的等离子体反应器室来形成均匀、稳定的大面积等离子体，以便实现在大的面积上的均匀CVD金刚石生长。直径相对小的腔可提供以下有益技术效果：

(i)提高室内的共振模式纯度并在CVD金刚石合成所需的长时间尺度内避免操作期间各种模式之间的复杂相互作用。例如，小直径的室可减少CVD金刚石生长表面中的轻微温度不稳定的问题，该轻微温度不稳定会刺激不受欢迎的较高阶模式。

(ii)在特定的相对小的直径范围内形成的腔被认为允许在基底处形成局部较高阶轴对称模式，使得横跨基底的E场更加均匀，而不会在基底的顶部角落处形成很强的径向E场。

(iii)具有相对低的品质因数的小直径腔更易于开始和调谐，并且对微波源频率的改变不那么敏感。

这种直径相对小的腔还有助于缓解在室内形成的导致等离子体不稳定的相互作用的复杂的气体对流问题。就是说，本发明的发明人认为直径小的腔可更简单更容易地控制系统的等离子体室内的气流和微波功率，从而可以形成和保持更均匀、稳定的大面积等离子体以实现大面积的均匀CVD金刚石生长。同时，腔的直径不应该太小，以致横跨基底的等离子体变得压缩和不均匀。

例如，从等离子体室的底部到顶板测量的共振腔高度可在300mm至600mm、300mm至500mm或400mm至500mm的范围内，微波频率f在400MHz至500MHz的范围内；或在150mm至300mm、150mm至250mm或200mm至250mm的范围内，微波频率f在800MHz至1000MHz的范围内。共振腔直径可在400mm至1000mm、500mm至900mm或600mm至800mm的范围内，微波频率f在400MHz至500MHz的范围内；或在200mm至500mm、250mm至450mm或300mm至400mm的范围内，微波频率f在800MHz至1000MHz的范围内。共振腔的体积可在0.018m³至0.530m³、0.062m³至0.350m³、0.089m³至0.270m³或0.133m³至0.221m³的范围内，微波频率f在400MHz至500MHz的范围内；或在0.002m³至0.06m³、0.007m³至0.04m³、0.01m³至0.03m³或0.015m³至0.025m³的范围内，微波频率f在800MHz至1000MHz的范围内。

使用如上所述的小腔布置时的一个潜在问题是室的壁部件的过热。但是，已经发现有利的是，提供在使用时共振腔的壁暴露于等离子体的布置，即，等离子体不容纳在钟形玻璃容器内，以避免硅污染。等离子体反应器容器通常由焊接的不锈钢制造，因为这是超高真空(UHV)室可接收的材料选择。但是，已经发现，这会产生界面处的电弧作用、热表面上的烟灰形成和总体差的热传递的问题。此外，建造这些室花费大量金钱。已经发现铝是较好的热材料并且易于加工。因此，虽然不锈钢是用于真空室的良好材料，但是其非常差的热性能使得它不很适合用于高功率密度的区域。虽然传统上不认为诸如铝的材料适用于高真空，但是实际上诸如铝的材料很适合在相当高的真空下使用，此时可使用常规的弹性体密封件。

根据以上，共振腔可包括被配置为在使用时暴露出共振腔内形成的等离子体的内壁，内壁包括形成共振腔内的内壁的总表面积的至少75％、80％、85％、90％或95％的金属表面。金属表面可由铝或包括至少80％、90％、95％或98％重量百分比的铝的铝合金制成。此外，内壁的由环形电介质窗口形成的部分优选不多于共振腔内的内壁的总表面积的25％、20％、15％、10％或5％。

虽然图1图示了基本圆柱形的室配置，但是可提供额外的可选特征。例如，在某些例子中可提供从室壁突起的突起。这些突起可被提供用以修改基底附近形成的电场、引入竖直不对称，这种不对称相对于等离子体室的相对端处(在此处不需要形成等离子体)的电场增大基底上方的电场。此外，这类突起可用作模式过滤器，有助于驱动等离子体的电场的稳定和/或纯度。这类突起还可被提供用以改变等离子体的热性能，这有助于提高CVD金刚石生长的均匀性，用作限定使用中的等离子体并防止等离子体偏离基底上方的轴向中心位置的物理边界，和/或阻断沿等离子体室的侧壁向上流动的气体，由此减少气体夹带和否则会使入口气流和/或等离子体不稳定的室内的不希望的对流。在这类情形中，应该确保设置在等离子体室内的任何额外的结构都具有高度旋转对称性并且与等离子体室的旋转对称轴线对齐，以实现大直径的良好光学性能的材料。

(C)基底安装结构

已经发现，当将基底引入共振腔中时电场分布明显被扰乱，如通过模拟或经验磁测量可示出的。对此，图4(a)至4(c)图示电场分布图，示出了电场如何随着等离子体反应器的共振腔内的基底的不同高度而变化。分布图示出了对应于横跨基底上方的共振腔的直径的横向X位置，Y轴上的电场E_Z的大小。

图4(a)图示了当基底S的生长表面位于共振腔C的底部B的正上方时的电场分布。电场分布被空的室的分布控制，其是用于TM_01n的零阶贝塞尔函数。基底的上缘对电场大小的贡献很小，形成建立在基底和室壁之间的共轴模式。在此布置中，电场在基底的中心区域上方很高并且朝向基底的边缘显著降低。这样，此电场分布导致在基底生长表面的周围区域的CVD金刚石生长不良。

图4(b)图示了当基底S的生长表面位于共振腔C的底部B上方高处时的电场分布。现在电场分布被建立在基底和室壁之间的共轴模式控制，其向室的中心区域中(into？)短暂地衰减。在此布置中，电场在基底周围区域高，并且朝向基底的中心区域降低。这样，此电场分布导致在基底生长表面的中心区域的CVD金刚石生长不良。

图4(c)图示了当基底S的生长表面位于共振腔C内的周围表面上方正确高度处时的电场分布。孔室的电场分布与被建立在基底和室壁之间的共轴模式平衡，以在大部分基底上形成基本均匀的电场，并且一圈较高的电场位于基底边缘周围。电场的中心区域基本均匀，但是在位于基底边缘周围的一圈较高电场的刚好内侧处具有稍低的电场区域。此较低电场区域可能被认为将导致在生长表面的此区域处的不良的CVD金刚石生长。但是，实际上已经发现，刚好在较低电场区域外侧的较高电场圈有助于向外牵引等离子体，补偿中心区域的轻微不均匀并在大部分基底上产生大、平坦、均匀的等离子体，确保大面积的均匀的CVD金刚石生长。实际上，已经发现当基底直径/基底生长表面的高度之比在10至14、11至13.5或11.0至12.5的范围内时，可实现确保大面积的均匀CVD金刚石生长的在大部分基底上的大、平坦、均匀的等离子体，其中，基底生长表面的高度是相对于围绕基底的表面的平均高度。

根据本发明的某些实施例，基底保持件具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm、0.10mm或0.05mm内的旋转对称轴线。此外，在使用时，基底可被放置和对齐在基底保持件上，从而使得当位于基底保持件上时基底的旋转对称轴线位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm、0.5mm或0.2mm内。

对于基底保持件的直径与基底的直径相同的布置，基底保持件将完全位于基底下并且围绕基底的表面可由等离子体室的底部形成。这样，在此情形中，围绕基底的表面的平均高度将等于等离子体室C的底部B的高度，并且基底的生长表面的高度H_gs将从围绕基底S和基底保持件SH的等离子体室的底部测量，如图5(a)所示。替代性地，对于基底保持件远大于基底，因此形成围绕基底的大的平坦表面的布置，围绕基底的表面的平均高度将等于基底保持件的顶表面。这样，在此情形中，基底的生长表面的高度H_gs将从围绕基底S的基底保持件SH的顶表面测量，如图5(b)所示。对于基底保持件从基底向外延伸，并且具有围绕基底的倾斜、弯曲或台阶状顶表面的布置，则局部围绕表面H_lss的平均高度可由在Rs处的基底边缘和距基底边缘约二倍基底厚度的距离2×Ts之间的沿径向方向X截取的剖面的平均高度H_local限定：

$H_{\mathrm{lss}}=\frac{1}{2\mathrm{Rs}}\underset{\mathrm{Rs}}{\overset{\mathrm{Rs}+2\mathrm{Ts}}{\∫}}{H}_{\mathrm{local}}\mathrm{dX}$

这种布置在图5(c)中示出，用于有斜坡的基底保持件。例如，对于顶表面以45°角度沿径向方向远离基底倾斜至距离2×Ts的基底保持件，围绕基底的表面的平均高度将等于基底保持件SH的高度的一半。这样，在此情形中，基底的生长表面的高度H_gs经从基底保持件SH的高度的一半处测量。

关于以上，已经发现在基底生长表面和局部围绕表面之间设置特定高度的台阶会按以下方式扰乱等离子体室的电场分布，即，空室的电场分布与建立在基底和室壁之间的共轴模式平衡，以在大部分基底上形成基本均匀的电场区域，并且一圈较高的电场位于基底边缘周围，如上所述。

建立在基底和室壁之间的共轴模式的大小也可受共振腔直径/基底直径之比影响。因此，在某些布置中，可优选提供以下配置，其中，共振腔直径/基底直径之比在1.5至5、2.0至4.5或2.5至4.0的范围内，其中，共振腔直径在小于共振腔的高度的50％、40％、30％或20％的高度处测量。在一个尤其优选的布置中，当在基底生长表面的高度处测量共振腔直径时，上述比率有效。

因此，提供合适的基底尺寸并将基底正确地放置在等离子体室内可有助于在较大的面积上提供更均匀的等离子体。此外，这种配置实现的均匀等离子体也朝向基底提供相对均匀的热流，这被发现有助于缓解当在生长之后冷却CVD金刚石时的CVD金刚石破裂问题。对此，CVD金刚石晶片中的应力平衡主要由金刚石晶片上的生长温度变化决定。在生长期间较热的区域，在冷却期间收缩更多，并因此承受拉力；冷却区域收缩较少，并因此保持压缩。冷却期间CVD金刚石晶片内的应力变化可导致破裂。这样，不期望基底温度发生大的变化。

这就是说，利用上述布置的一个潜在问题是位于基底边缘周围的高电场圈可导致基底边缘处较高的基底温度，并且这可能导致基底在生长之后冷却CVD金刚石材料时破裂。实际上，本发明的发明人认为事实上合适的是确保基底生长表面的边缘温度低于基底生长表面的中心区域的温度，而不是如直觉上期望的那样，横跨基底生长表面具有完全均匀的温度。这种布置的原因是通过确保CVD金刚石材料内的压缩区域靠近可产生裂缝的位置，即靠近CVD金刚石晶片的边缘，可最小化裂缝扩展。因此，在生长期间保持基底生长表面的边缘稍冷于中心区域被认为有利于靠近所得CVD金刚石晶片的边缘形成压缩区域。如果裂缝在冷却期间出现于CVD金刚石晶片的边缘处，则靠近CVD金刚石晶片边缘的压缩区域防止裂缝朝向CVD金刚石晶片的中心扩展。这样，出现的任何裂缝都倾向于保持短且位于CVD金刚石晶片的外缘处，其随后可被加工以去除任何微小边缘损伤。对此，有利的是提供基底温度控制系统，其例子在图1的反应器配置中示出。

基底5通过间隔线或间隔垫20与基底保持件4分隔开，以限定在基底保持件4的支撑表面和基底5的后表面之间的气隙22。此外，气体供应系统24经由供应管26联接到气隙22，该供应管26从气体供应系统24延伸通过基底保持件4并且被配置为通过基底保持件的支撑表面中的一个或多个出口将气体供应到气隙22中。还提供冷却液供应系统28，以便冷却基底保持件24。

冷却液供应系统28向基底保持件提供粗略的基础冷却。但是，已经发现此系统对于基底的精细温度控制不够精确，本发明的发明人认为需要对基底进行精细的温度控制，以便获得大面积的高品质的均匀CVD金刚石沉积。因此，提供气体供应系统24、26，以便允许更精确地控制基底温度。气体供应系统可被配置为将具有不同热导率的至少两种气体喷射到基底下方的气隙中，并且改变至少两种气体的比率，以便控制基底保持件上的基底的温度。例如，气体供应系统可采用诸如氢气的轻气体和诸如热导率较低的氩气的重气体的混合物。有利地，用于控制基底温度的气体是也用于主过程化学中的气体，从而不需要额外的气体源。如果基底的边缘温度相对于基底的中心区域过高，则可增加重气体相对于轻气体的比例以减少基底的中心区域下面的气体的热导率，由此致使基底的中心区域相对于基底的边缘升温。相反，如果基底的边缘温度相对于基底的中心区域过低，则可增加轻气体相对于重气体的比例以增加基底的中心区域下面的气体的热导率，由此致使基底的中心区域相对于基底的边缘降温。也可通过改变基底下方气隙内的气流和气体成分来控制基底的绝对温度以及基底不同区域的相对温度。

间隔线16可被配置为限定基底下方的中心气隙腔，从而使得气体积聚在中心气隙腔中。例如，间隔线16可各自为弧形形状并被配置为其间具有间隙的环，气体可流过该间隙。间隔元件可以是导电的和/或可利用诸如Silver DAG^TM的导电粘合剂被固定就位，已经发现导电粘合剂在确保间隔元件和基底保持件之间的良好电接触方面有用。这有助于防止基底下方的电弧作用问题，电弧作用可不利地影响温度控制。还注意到，间隔线的环部段之间的间隙的位置可导致金刚石晶片厚度改变。必要时，可调节数量和位置，以补偿给定反应器生产的金刚石晶片所固有的其它不均匀。

微波等离子体反应器还包括一个或多个温度测量装置，其被配置为进行至少两次温度测量，包括在基底生长表面的中心区域中的一次或多次测量以及在基底生长表面的周围区域的一次或两次测量，如上所述。温度测量可同时进行或彼此在短的时间间隔内进行，并且基底温度控制系统可用于确保温度梯度不会移动到前述范围之外。温度测量装置可包括如图1所示的高温计30。可设置两个高温计，一个测量中心温度，一个测量周围温度。

微波等离子体反应器可还包括特征，诸如位于基底周围的金属温度修改环。这种温度修改环起两个作用：它移动高电场圈使其远离基底边缘；并且作为单独加热(通过等离子体)和冷却(通过室底部)的物品，它直接修改基底边缘的温度。这样，环可用于冷却基底的边缘，减小任何张应力的大小、降低CVD金刚石破裂的可能性。此外，调节位于基底周围的温度修改环还可修改沿基底边缘向下的CVD金刚石的过度生长，由此有助于从基底释放CVD金刚石材料。与上述结构相同，如果在等离子体室中设置任何这种环结构，则应该确保它相对于等离子体室的旋转轴线旋转对称并精确对齐，以防止在生长大面积的光学性能合成金刚石窗口时产生有害的不对称。

基底温度控制系统可被配置为在CVD金刚石在基底上生长期间控制基底生长表面的温度，以满足条件：5℃<T_c-T_e<120℃；10℃<T_c-T_e<100℃；10℃<T_c-T_e<80℃；20℃<T_c-T_e<80℃或20℃<T_c-T_e<60℃，其中，T_c是生长表面的中心区域的温度，T_e是生长表面的周围区域的温度。如果变T_c-T_e得过大，则在冷却期间会在CVD金刚石晶片的中心区域中产生过多的拉力，这导致在CVD金刚石晶片的中心区域中产生裂缝。如果变T_c-T_e变得过小，则不会在CVD金刚石晶片的边缘附近形成压缩区域，并且在晶片边缘处出现的裂缝更可能扩展穿过CVD金刚石晶片，导致很长的裂缝，包括彻底的晶片断裂。

即使在采用诸如上述那些的布置时，也仍存在许多问题，但是上述布置可显著缓解这些问题。例如，在一些例子中，仍存在以下问题，横跨基底的不均匀的CVD金刚石生长、金刚石晶片在CVD金刚石生长期间从基底脱落以及在生长CVD金刚石晶片之后的冷却期间出现裂缝和/或裂缝伸展，尤其是在使用较大的基底来生长大面积的多晶金刚石盘(例如，80mm直径或更大)或当在粘附到支撑基底的相对大面积(例如，80mm直径或更大)的多个单晶金刚石基底上一次生长多个单晶金刚石时。这在持续需要增加在其上可生长高品质、均匀的CVD金刚石的面积时尤其成问题。此外，当在随后的生长过程中再次使用基底时，这些问题倾向于加重。这对于昂贵且在经济竞争性的工业过程中期望再次使用的难熔金属基底尤其成问题。

本发明的发明人考虑过的一个可行方案是生长表面的品质在某种程度上影响在生长时候进行冷却的CVD金刚石晶片的释放，由此导致破裂。但是，发现处理生长表面使其具有更精确限定的平坦度和粗糙度未在本质上解决问题。在做了关于解决这些问题的许多研究之后，本发明的发明人已经惊喜地发现他们观察到的问题是横跨基底生长表面的温度变化的结果，该温度变化由基底下方气隙高度的非常小的变化导致。具体地，本发明的发明人发现，基底供应商提供圆柱形难熔金属基底名义上具有平坦的前表面和后表面，但这些表面不够平坦。基底后表面中微小的平坦度变化会导致气隙高度的微小变化，并且已经发现这会导致横跨基底的冷却存在差异。由气隙高度变化导致的温度变化会在CVD金刚石生长之后进行冷却时导致CVD金刚石中的应力变化，这会导致金刚石晶片在至少部分生长周期内破裂，从而降低产量。

虽然上述布置可控制周向对称的温度变化，但是它更难以控制非周向对称的温度变化，诸如由气隙高度的变化导致的那些温度变化。例如，难熔金属基底在使用期间倾向于下垂和弯曲(尽管远离它们的熔点)。均匀的下垂明显修改可如上所述地控制的Tc-Te。但是，弯曲引起晶片边缘周围的温度不均匀，该不均匀是不对称的。因此，不容易保持整个边缘压缩。通常的弯曲大小可大于20微米(峰至谷)。对于约200微米的气隙，这对应于10％的厚度变化，和相应的温度变化。这可导致晶片边缘周围高达60℃的温度变化。

为了解决此问题，有利的是确保气隙的高度h的变化不多于200μm、150μm、100μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm或5μm。这可以例如通过进一步处理供应商提供的基底的后表面来实现，以具有非常精确地限定的型面，其与基底保持件的支撑表面的型面互补。例如，如果基底保持件的支撑表面是平坦的，则基底的后表面应该被处理为确保它非常精确地平坦。

因此，已经发现通过机械工具(优选均匀、无方向性的处理，例如研磨而非磨削)控制后表面基底形状是有利的。此外，基底保持件的支撑表面也可被处理，以具有与基底的后表面互补的精确限定的平面。

除以上之外，还发现供应商提供的一些圆柱形难熔金属基底不会产生均匀的高品质CVD金刚石晶片，即使如上所述地处理前表面和后表面。可购得的难熔金属通常含有少量石墨，其形成诸如铁或镍的杂质。已经发现，即使很小比例的这种杂质也会影响在这种基底的生长表面上的CVD金刚石生长。因此，除了如上所述地对基底的前表面和后表面进行精确处理之外，有利的是利用碳化物形成的难熔金属基底，其具有很高的化学纯度，并且在基底生长表面处的石墨形成杂质的重量百分比少于0.5％、0.1％、0.075％、0.05％、0.025％、0.01％、0.005％或0.001％。

可选地，生长表面的粗糙度R_a在1nm至1μm的范围内。已经发现，生长表面的粗糙度可影响其上生长的CVD金刚石的晶体结构和CVD金刚石与基底的粘附强度。已经发现，在1nm至1μm的范围内的粗糙度R_a对于在生长期间向CVD金刚石提供足够的粘附力尤其有用，以防止在生长期间提前脱落，同时提供足够的低粘附力，从而可以在CVD生长之后进行冷却时从基底释放金刚石材料，而不会引起材料破裂。表面粗糙度的优选范围是1nm至500nm、10nm至500nm、10nm至200nm。通常，首先在铸铁轮上利用悬浮在研磨流体中的金刚石磨粒研磨难熔金属盘。一般来说，研磨过程用于去除疏松材料并且也实现用于给定过程的所需平坦度。有一些过程使用这样研磨的表面。研磨完成表面的R_a值为100nm至500nm。但是，通常，之后利用例如磨削/抛光机器并利用更精细的磨粒进一步处理研磨表面，以获得更低的表面粗糙度值。在CVD金刚石生长之前，可清洁难熔金属基底，以确保已经移除和/或去掉了来自研磨过程的所有污染物，以有助于成核，以便在其上生长金刚石。

过程调节

利用上述设备，已经研发出制造大面积的高光学性能的CVD金刚石材料的方法。所述方法包括：

将基底放置在基底保持件上，基底是旋转对称的并且当位于基底保持件上时具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm内的旋转对称轴线；

以15至40kW、20至35kW、25至30kW范围内的功率通过环形电介质窗口将微波供给到等离子体室中；

通过一个或多个气体入口喷嘴将生产气体供给到等离子体室中，生产气体包括原子浓度在98至99％范围内的氢、原子浓度在0.3至1.1％范围内的碳和原子浓度在30至270ppm范围内的氮，其中，生产气体的总流量处于2000至15000sccm范围内并且等离子体室内的压力处于140至235托、160至215或180至205托范围内；

以在775至950℃、800至900℃或825至875℃范围内的基底温度使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长；

从微波等离子体反应器移出多晶CVD金刚石晶片；以及

抛光多晶CVD金刚石晶片。

高压、高功率、高气体流速调节已经被发现有利于合成大面积的高光学性能的材料。但是，难以以一致的方式控制这类条件。如上所述的微波等离子体反应器和基底配置能够以稳定且一致的方式保持这类条件，以便实现本发明。

但是，已经发现即使采用上述精确对齐的微波等离子体反应器配置，多晶金刚石晶片的周围区域附近的多晶金刚石材料的品质也不能满足极高的光学性能要求。具体地，已经发现在较大面积的晶片的周围区域处诸如非金刚石碳的杂质的水平会增加。当还生长至较大厚度时，这问题加重，因为当合成多晶CVD金刚石晶片生长时，晶粒边界的尺寸增大并且这导致晶粒边界内的杂质比率增加。已经发现可通过增加氢气流速来缓解此问题。从基底选择性地蚀刻掉非金刚石碳所需的原子氢浓度被认为在相当大的直径处较低，并且因此降低非金刚石碳的蚀刻效率。相信增加喷向生长表面的氢气流速会向多晶金刚石晶片的周围区域推动更多的原子氢，由此增加从生长表面蚀刻掉非金刚石碳的速率并提高生长晶片的周围区域中的材料品质。替代性的或额外的方案是提供具有多个气体入口喷嘴的气体入口喷嘴阵列，多个气体入口喷嘴朝向基底的生长表面并且位于足够大的区域上，足以确保在生长期间在多晶金刚石晶片的周围区域中提供浓度足够高的原子氢。另一替代性的或额外的方案是降低多晶CVD金刚石晶片的生长速率，以允许使用更多时间来从生长表面上蚀刻掉非金刚石碳。例如，通过例如降低使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长期间的碳的原子浓度和/或氮的原子浓度，生长速率可随多晶CVD金刚石晶片的增加而降低。

通过结合发生器设计、工程容差控制和过程设计的发展，已经可以实现制造具有极高光学性能的大面积合成多晶金刚石窗口。

在抛光之后，可通过执行等离子体或化学处理来进一步处理多晶CVD金刚石晶片，以在多晶CVD金刚石晶片上产生氧终止表面。这是有用的，因为表面终止可影响光学特性。

产品

利用如上所述的设备和过程条件，可以制造如图6(a)和6(b)所示的多晶CVD金刚石晶片。多晶CVD金刚石晶片包括：

多晶化学气相沉积(CVD)金刚石晶片，包括：

等于或大于125mm的最大线性尺寸；

等于或大于200μm的厚度；以及

在室温下(标称298K)在多晶CVD金刚石晶片的至少中心区域上测量的以下特性中的一个或两个，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶片的中心点为中心，并且所述中心区域的直径是多晶CVD金刚石晶片的最大线性尺寸的至少70％：

(1)在10.6μm处，吸收系数≤0.2cm^-1、≤0.1cm^-1或≤0.05cm^-1；以及

(2)在145GHz时介电损耗系数为tanδ≤2×10^-4、≤10^-4、≤5×10^-5、≤10^-5、≤5×10^-6或≤10^-6。

优选地，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

(3)受拉力的多晶CVD金刚石晶片的成核面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥760MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥700MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥650MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥600MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥550MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥500MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥450MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥400MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2。

(4)受拉力的多晶CVD金刚石晶片的生长面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥330MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥300MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥275MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥250MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥225MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥200MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥175MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥150MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2。

(5)表面平坦度≤5μm、≤4μm、≤3μm、≤2μm、≤1μm、≤0.5μm、≤0.2μm、≤0.1μm。

优选地，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

(6)平均黑点密度不大于1mm^-2、0.5mm^-2或0.1mm^-2；

(7)黑点分布为使得在任何3mm²面积内不多于4、3、2或1个黑点；

(8)当用在2760cm^-1至3030cm^-1范围内的修正线性背景下测量时，单位厚度的积分吸光度不大于0.20cm^-2、0.15cm^-2、0.10cm^-2或0.05cm^-2；

(9)热导率不小于1900Wm^-1K^-1、2000Wm^-1K^-1、2100Wm^-1K^-1或2200Wm^-1K^-1；

(10)对于前表面和后表面被抛光为均方根粗糙度小于15nm的0.7mm的样品厚度，在10.6μm处，在前半球中的全积分散射不多于1％、0.5％或0.1％；以及

(11)通过二次离子质谱法测量的硅浓度不大于10¹⁷cm^-3、5×10¹⁶cm^-3、10¹⁶cm^-3、5×10¹⁵cm^-3或10¹⁵cm^-3。

实施例可包括上述优选特征的任何组合。但是，在上述11个特征中，多晶CVD金刚石晶片优选包括2、3、4、5、6、7、8、9、10个，或更优选地包括所有11个所述特征。

优选地，在其上满足以上限定的特征的中心区域的直径是所述最大线性尺寸的至少75％、80％、85％、90％、95％或99％。就是说，以上限定的特征优选在大部分或基本整个多晶CVD金刚石晶片上延伸。

多晶CVD金刚石晶片可具有至少一个线性尺寸，但优选具有至少两个正交的线性尺寸，等于或大于125mm、130mm、135mm、140mm、145mm、150mm。例如，多晶CVD金刚石晶片可以是具有与所述尺寸相对应的直径的基本圆盘形式。多晶CVD金刚石晶片的厚度可等于或大于250μm、350μm、450μm、500μm、750μm、1000μm、1500μm或2000μm。

多晶CVD金刚石晶片还可被处理为表面粗糙度不大于200nm、150nm、100nm、80nm、60nm或40nm。此外，抗反射结构可形成在多晶CVD金刚石晶片的表面中或表面上。

根据最后的应用，多晶CVD金刚石晶片可以以大面积形式使用或可被切割成较小的晶片。

测量技术

吸收系数

激光量热法是选择用于测量低损耗材料和光学部件的吸收率的方法。此测量的细节可在Test method for absorptance of optical lasercomponents ISO/FDIS 11551，国际标准组织，日内瓦(1995)和G.Turri等人的Optical absorption,depolarization,and scatter of epitaxialsingle-crystal chemical-vapor-deposited diamond at 1.064μm，OpticalEngineering 46(6)，064002(2007)中找到。激光量热法涉及测量暴露于已知功率的激光下一段固定的时间段的测试样本的温度的依赖时间的升高和下降。根据对测试样本的时间响应分析，可确定吸收率A，其中A被定义为样本吸收的入射激光功率的分数。当吸收系数α与样品厚度d之积远小于1时，α≈A/d。此近似法对于光学性能的多晶金刚石是合理的。此外，光学性能的多晶金刚石通常用于在10.6μm处的CO₂激光光学操作。因此，本发明尤其适合利用10.6μm的CO₂激光线执行激光量热测量。用于量热法的测试样本制备如下。第一，将晶片的生长面和成核面研磨和抛光至均匀的期望厚度。从成核面抛光掉至少20μm，以便去除在合成的成核阶段可能已经包括的任何污染物。第二，利用抛光晶片激光加工一系列量热测试样品。将这些样本的两侧进一步抛光至均方根(rms)粗糙度＜15nm。

介电损耗

利用开端式共振腔技术测量材料的介电损耗系数为tanδ。共振腔的特点是具有很高的无载品质因数，通常＞100000，并且在高度极化的TEM_00n模式下操作，其中，n表示两个反射器之间的半波导波长的数量。必须控制样品厚度，使得在测量频率处的厚度中理想地具有整数个半波长。在“Properties of bulk poly crystalline CVD diamond”，Sussmann等人，Diamond and related materials，3(1994)303-312中描述了这种技术。

抗拉强度

可利用不同技术执行材料的强度测试，所有这些技术都具有它们的优点和缺点。这些技术是本领域技术人员公知的。测试强度的一种方法时所谓的三点弯曲测试。在Philosophical Magazine Vol.83,No.36,4059-4070(2003),Strength of free-standing chemicallyvapour-deposited diamond measured by a range of techniques,A.R.Davies,J.E.Field,C.S.J.Pickles中详细描述了将这种技术应用于多晶金刚石样本。第一，将晶片的生长面和成核面研磨和抛光至均匀的期望厚度。从成核面抛光掉至少20μm，以便去除在合成的成核阶段可能已经包括的任何污染物。第二，利用抛光的晶片激光加工一系列40个横向尺寸为18mm×2mm的矩形强度测试样本。横跨整个晶片提取这些样本，以便一致地取样。在成核面受拉力的第一组20个样品和生长面受拉力的第二组20个样品上执行三点弯曲测试。通过计算每个样品组的算术平均值确定成核面和生长面的平均强度。

黑点

使用光学显微镜分析黑点。多晶金刚石样品的光学显微镜通常显示在合成期间形成于各个晶粒内的微小裂缝样特征(被称作“黑点”)的存在，黑点很可能是由晶粒内应力产生的。这些点具有各种形状，但通常具有约50-100微米的半径，并且已经被证明对薄膜的某些物理性质有负面影响。可在50倍显微镜下检查黑点。

积分吸收

利用FTIR光谱仪测量单位厚度样品的积分吸收。薄膜内与CH_X种类的伸展模式相关的吸收在2760cm^-1至3030cm^-1之间。在室温下利用在400cm^-1至4000cm^-1之间扫描的F TIR质谱仪中尺寸为5mm的缺口测量此吸收。在计算积分面积之前，从峰值减去线性基线。在“Thermal conductivity measurements on CVD diamond”，Twitchen等人，Diamond and related materials,10(2001)731-735中描述了此技术。

热导率

在厚金刚石晶片中利用已证明的热导率和FTIR吸收光谱中的CH_X组分之间的关系测量热导率。在“Thermal conductivitymeasurements on CVD diamond”，Twitchen等人，Diamond and relatedmaterials,10(2001)731-735中描述的此关系。在金刚石窗口的IR光谱的区域2760cm^-1至3030cm^-1中的CH_X组分的积分面积，一旦利用线性基线修正，就显示与金刚石的热导率数量上相关。

光学散射

利用所谓的Coblentz球测量向前方向上的总的整体散射，Coblentz球能够收集相对于入射光束成≥2.5°的角度的向前散射光线。在J.C.Stover,Optical Scattering:Measurement and Analysis,SPIEPress Monograph(1995)中描述了此技术。这些测量使用10.6μm的CO₂激光线。用于散射测量的测试样本制备如下。第一，将晶片的生长面和成核面研磨和抛光至均匀的期望厚度。从成核面抛光掉至少20μm，以便去除在合成的成核阶段可能已经包括的任何污染物。第二，利用抛光晶片激光加工一系列量热测试样本。将这些样本的两侧进一步抛光至均方根(rms)粗糙度＜15nm。

例子

利用标准研磨和抛光过程制备用于形成适于合成多晶CVD晶片的基底的140mm直径的难熔金属碳化物，以生产R_a为20-60nm的表面。

此基底被引入CVD反应器中，并且开始合成过程。反应气体以流入反应器，氢气/甲烷/氩气的流速分别为3500/43/43sccm。受控水平的氮气被引入，以提供150ppb的气相浓度，如通过光发射光谱学量化的。

室中的压力保持在185托，并且基底的平均温度被调节至830℃并在生长过程中保持此温度。从中心到边缘的基底温度差异保持在少于30℃。

在金刚石晶片沉积厚度达到至少1.0mm之后终止合成过程。从基底移出金刚石晶片。从成核面研磨掉20μm厚的层。研磨生长面以产生平均厚度为0.84mm的基本平坦的晶片。由此，激光切割四个直径为20mm的测试样品(根据图7提取的)，用于在10.6μm处的激光量热测量。

在最少地去除材料的情况下，将四个测试样品的两侧进一步研磨至rms粗糙度＜15nm。对于这四个测试样品中的每个，在10.6μm处的平均吸收系数α被确定为小于0.2cm^-1。已经根据上述测量技术进行了进一步的测量，并且所述测量落在如产品部分所限定的数值范围内。

尽管已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可对形式和细节进行各种改变。

Claims (25)

1.一种多晶化学气相沉积(CVD)金刚石晶片，包括：

等于或大于125mm的最大线性尺寸；

等于或大于200μm的厚度；以及

在室温下(标称298K)，在多晶CVD金刚石晶片的至少中心区域上测量的以下特性中的一个或两个，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶片的中心点为中心，并且所述中心区域的直径是多晶CVD金刚石晶片的最大线性尺寸的至少70％：

在10.6μm处，吸收系数≤0.2cm^-1；以及

在145GHz时介电损耗系数为tanδ≤2×10^-4。

2.根据权利要求1所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

受拉力的多晶CVD金刚石晶片的成核面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥760MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥700MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥650MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥600MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥550MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥500MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥450MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥400MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2；

受拉力的多晶CVD金刚石晶片的生长面的拉伸断裂强度：对于200至500μm的厚度，≥330MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥300MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥275MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥250MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥225MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥200MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥175MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥150MPa×n，其中，乘数n是1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2；

表面平坦度≤5μm、≤4μm、≤3μm、≤2μm、≤1μm、≤0.5μm、≤0.2μm或≤0.1μm。

3.根据权利要求1或2所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片在至少中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

平均黑点密度不大于1mm^-2、0.5mm^-2或0.1mm^-2；

黑点分布为使得在任何3mm²面积内不多于4、3、2或1个黑点；

当用在2760cm^-1至3030cm^-1范围内的修正线性背景下测量时，单位厚度的积分吸光度不大于0.20cm^-2、0.15cm^-2、0.10cm^-2或0.05cm^-2；

热导率不小于1900Wm^-1K^-1、2000Wm^-1K^-1、2100Wm^-1K^-1或2200Wm^-1K^-1；

对于前表面和后表面被抛光为均方根粗糙度小于15nm的0.7mm的样品厚度，在10.6μm处，在前半球中的全积分散射不多于1％、0.5％或0.1％；以及

通过二次离子质谱法测量的硅浓度不大于10¹⁷cm^-3、5×10¹⁶cm^-3、10¹⁶cm^-3、5×10¹⁵cm^-3或10¹⁵cm^-3。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片包括所述特征的2、3、4、5、6、7、8、9、10个，或所有11个。

5.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，最大线性尺寸等于或大于130mm、135mm、140mm、145mm或150mm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，中心区域的直径是所述最大线性尺寸的至少75％、80％、85％、90％、95％或99％。

7.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片包括等于或大于125mm、130mm、135mm、140mm、145mm、150mm或160mm的至少两个正交的线性尺寸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，厚度等于或大于250μm、350μm、450μm、500μm、750μm、1000μm、1500μm或2000μm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，在10.6μm处，在室温下测量的吸收系数≤0.1cm^-1或≤0.05cm^-1。

10.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，在145GHz时在室温下测量的介电损耗系数tanδ≤10^-4、≤5×10^-5、≤10^-5、≤5×10^-6或≤10^-6。

11.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片具有氧终止表面。

12.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，多晶CVD金刚石晶片的表面粗糙度不大于200nm、150nm、100nm、80nm、60nm或40nm。

13.根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片，其中，抗反射结构形成在多晶CVD金刚石晶片的表面中或多晶CVD金刚石晶片的表面上。

14.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片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，其包括底部、顶板和从所述底部延伸到所述顶板的侧壁，从而限定用于支持微波共振模式的共振腔，其中，共振腔具有从底部延伸到顶板的中心旋转对称轴线；

微波耦合结构，其包括环形电介质窗口，以用于经由环形电介质窗口通过顶板沿朝向等离子体室的底部的方向将微波感应耦合到等离子体室中；

气体流动系统，其用于经由一个或多个气体入口喷嘴通过顶板沿朝向等离子体室的底部的方向将生产气体供给到等离子体室中；

基底保持件，其位于等离子体室的底部中并且包括用于支撑基底的支撑表面，在使用时多晶CVD金刚石晶片能够生长在基底上；以及

基底温度控制系统，其包括用于向基底保持件供应液体和/或气体冷却剂的冷却剂传送系统，以在使用时控制基底保持件的支撑表面上的温度曲线图，

其中，至少环形电介质窗口是旋转对称的，具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.2mm内的旋转对称轴线。

15.根据权利要求14所述的微波等离子体反应器，其中，环形电介质窗口具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.15mm、0.10mm或0.05mm内的旋转对称轴线。

16.根据权利要求14或15所述的微波等离子体反应器，其中，基底保持件和一个或多个气体入口喷嘴中的至少一个具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm、0.10mm或0.05mm内的旋转对称轴线。

17.一种用于利用根据权利要求14至17中任一项所述的微波等离子体反应器制造根据权利要求1至13中任一项所述的多晶CVD金刚石晶片的方法，所述方法包括：

将基底放置在基底保持件上，基底是旋转对称的并且当位于基底保持件上时具有位于共振腔的中心旋转对称轴线的1.0mm内的旋转对称轴线；

以15至40kW范围内的功率通过环形电介质窗口将微波供给到等离子体室中；

通过一个或多个气体入口喷嘴将生产气体供给到等离子体室中，生产气体包括原子浓度在98至99％范围内的氢、原子浓度在0.3至1.1％范围内的碳和原子浓度在30至270ppm范围内的氮，其中，生产气体的总流量处于2000至15000sccm范围内并且等离子体室内的压力处于140至235托范围内；

以在775至950℃范围内的基底温度使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长；

从微波等离子体反应器移出多晶CVD金刚石晶片；以及

抛光多晶CVD金刚石晶片。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，当位于基底保持件上时基底的旋转对称轴线位于共振腔的中心旋转对称轴线的0.5mm或0.2mm内。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，以20至35kW或25至30kW范围内的功率通过环形电介质窗口将微波供给到等离子体室中。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，等离子体室内的压力处于160至215或180至205托的范围内。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，基底的温度处于800至900℃或825至875℃的范围内。

22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，多晶CVD金刚石晶片的生长速率随着多晶CVD金刚石晶片厚度的增加而降低。

23.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其中，通过使多晶CVD金刚石晶片在基底上生长期间降低碳的原子浓度和/或氮的原子浓度，多晶CVD金刚石晶片的生长速率随着多晶CVD金刚石晶片厚度的增加而降低。

24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，还包括在抛光之后的等离子体或化学处理，以在多晶CVD金刚石晶片上产生氧终止表面。

25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，还包括将多晶CVD金刚石晶片切割成较小的晶片，以便使用。