CN112088419A - 大面积微波等离子体cvd设备和用于提供这种沉积的对应方法 - Google Patents

大面积微波等离子体cvd设备和用于提供这种沉积的对应方法 Download PDF

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Abstract

一种大面积微波等离子体化学气相沉积LA MPCVD反应器设备和用于大面积微波化学气相沉积的方法，包括反应器室和CRLH波导部段，该反应器室适于通过第一频率的电磁能在反应器室的内部中提供等离子体区域，该CRLH波导部段适于在无限波长下以第一频率工作并在壁中具有耦合器装置，该耦合器装置布置成将电磁能从CRLH波导部段的内部耦合至反应器室的内部。

Description

大面积微波等离子体CVD设备和用于提供这种沉积的对应 方法
技术领域
本发明涉及用于微波等离子体化学气相沉积MPCVD的反应器设备和方法。
背景技术
已知的微波等离子体化学气相沉积MPCVD反应器采用微波能源，该微波能源将微波能耦合并传递至MPCVD反应器室的内部。形成用于接收的微波能的谐振腔体的MPCVD反应器室设计成在室内利用基板附近的场强来定形电磁能的电场，该场强足够高从而形成高温等离子体，该高温等离子体对形成将会沉积在附近位置的基板上的材料蒸气的反应起促进作用。
在用于金刚石材料沉积的已知的MPCVD反应器布置中，通过微波能源产生的微波通常通过布置在微波辐射能量源与反应器室之间的传统波导进入反应器室，从而将来自微波辐射能量源的输出经由传统波导耦合器耦合穿过反应器室的壁中的开口。已经进入反应器空间的波通过室的设计和形状被反应器室的壁偏转，并且从室的内壁通过反射进一步传播，从而被聚集以在反应器室的大气的相对小的容积中，在合适的位于反应器室内的基板保持器的紧上方形成等离子体。然后，大气的成分的反应在相对小的等离子体区域内发生，在该区域，室内的微波能的强的局部电场使工作气体电离以形成金刚石材料，并且金刚石材料的沉积发生在被支承在基板保持器上的合适的基板上。基板保持器通常布置成在室内竖向地移动，从而也允许谐振腔体的谐振特性得到调节。这对于倾向于反射入射辐射的一部分的更高密度等离子体会是有益的，这反过来又会影响腔体的谐振特性。
具有与微波能和MPCVD反应器相关的教导的一些文献是：
-A.Kromka等，Linear antenna microwave plasma CVD deposition of diamondfilms over large areas(大面积上的金刚石薄膜的线性天线微波等离子体CVD沉积)，2012年1月27日，第6期，第86卷，第776-779页；
-S.Liao等，Synthesis,Simulation and Experiment of Unequally SpacedResonant Slotted-Waveguide Antenna Arrays Based on the Infinite WavelengthPropagation Property of Composite Right/Left-Handed Waveguide(基于复合右/左手波导的无限波长传播特性的不等距谐振缝隙波导天线阵列的合成、仿真和实验)，IEEETransactions on Antennas and Propagation(IEEE天线与传播学报)(2012年7月，第7期，第60卷)；
-J.Kim等，Large-area surface wave plasmas using microwave multi-slotantennas for nanocrystalline diamond film deposition使用微波多缝隙天线进行纳米晶金刚石薄膜沉积的大面积表面波等离子体)，Plasma Sources Science andTechnology(等离子体源科学与技术)，第1期，第19卷；
-Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamonddeposition(用于金刚石沉积的等离子体辅助CVD反应器的微波工程)，Journal ofPhysics Condensed Matter(物理凝聚态杂志)(影响因子：2.35)，2009年9月；21(36)：364202，DOI：10.1088/0953-8984/21/36/364202；
-J.-H.Hur等，US2005/0160986A1，2005年7月28日；
-L.XiaoJing等，IC3ME 2015(第2170-2176页)；
-J.E.Pinneo，US5230740A，1993年7月27日；
-A.H.Gicquel等，US2006/0153994A1，2006年7月13日；
-CN 103526187A，武汉工程大学，2014年1月22日。
-Y.A.Lebedev，Microwave discharges at low pressures and peculiaritiesof the processes in strongly non-uniform plasma(低压下的微波放电和强烈不均匀的等离子体中的过程特点)，Plasma Sources Sci.Technol.(等离子源科学技术)，24053001，2015，基于自1950年至今的科学出版物，回顾了在从10-2近似地至30kPa的压力下使用厘米-毫米波长微波的微波等离子体产生的方法。
-US 2005/000446 A1涉及等离子体处理设备，该等离子体处理设备包括：用于产生电磁波的至少一个电磁波源；用于分布从该电磁波源产生的电磁波的电磁波分布波导部分；多个波导，每个波导与电磁波分布波导部分耦合，波导被设置在相同平面上；设置在波导中的每一个波导中的多个缝隙；设置成面向每个缝隙的至少一个电磁波辐射窗；以及真空容器，在该真空容器中，等离子体通过从电磁波辐射窗辐射的电磁波产生。
-EP 0702393 A2公开了等离子体处理设备，该等离子体处理设备包括：具有窄窗的等离子体室；以及用于与等离子体室耦合的矩形波导，该矩形波导具有长的缝隙，该长的缝隙设置在该矩形波导的E平面中，以与等离子体室的窄窗相对并沿着矩形波导的波导轴线方向延伸。还设置有设置在至少一个矩形波导中的至少两个长的缝隙。
-KR 20170101452 A涉及表面波等离子体装置，该表面波等离子体装置包括：第一波导，该第一波导包括在一个端部上连接至第一微波能源的多个缝隙天线；第二波导，该第二波导包括多个缝隙天线，第二波导设置成与第一波导平行，第二波导具有第二微波能源，第二微波能源连接至第一波导的相反端部；介电板，该介电板将从缝隙天线辐射的微波引入室中，以产生表面波等离子体；以及气体供应部分，该气体供应部分将气体供应到室中。
以上的MPCVD反应器具有有限的沉积面积，并且因此需要大面积、节能的等离子体化学气相沉积反应器设备。
发明内容
根据本发明，提出了一种新的大面积微波等离子体化学气相沉积LA MPCVD反应器设备设计。
本发明提供了根据独立权利要求1的包括复合右/左手CLRH波导部段的LA MPCVD反应器设备。
本发明还是根据独立权利要求16的用于在反应器室中提供大面积等离子体化学气相沉积的方法。
本发明的LAMPCVD和方法允许在不同基板上的大面积上的均匀薄膜沉积。
根据本发明的反应器的应用的示例使得可以按比例改变反应器腔体的大小，以增加所产生的等离子体的区域的尺寸，从而允许例如标准尺寸的晶片被金刚石涂覆。
附图说明
为了例示本发明的原理、操作和优点，现在将参照以下附图进一步详细描述本发明的实施方式。请注意，为了更好地说明微波特性，附图中的若干幅图示出了腔体，即元件的内部空间，而不是物理元件本身。这使得更容易将腔体本身和腔体内的电场分布形象化。
图1示出了根据本发明的实施方式的复合右/左手CRLH波导的腔体的立体图。
图2示出了图1的腔体的顶部表面上的电流密度。
图3是示出根据本发明的LA MPCVD反应器设备的第二示例的典型构型和均相电流密度分布的腔体和原理的另一耦合器俯视图，其中，该LA MPCVD反应器设备采用具有缝隙的多个并排设置的端部短路的CRLH波导，缝隙用于耦合来自波导的微波能。应该注意的是，仅示出了CRLH波导的腔体，而没有示出物理装置。
图4A以3D CAD模型示出了根据本发明的实施方式的谐振腔体，该谐振腔体连接至如图3所示的一组CRLH波导。这里仅示出腔体。
图4B示出了图4A中所示的谐振腔体的yz-平面和xz-平面中的电场分布。可以看出，电场在谐振腔体的整个容积内均是高的。
图5示出了在yz方向上的磁场分布。这里的箭头表示方向和场强两者。较大且较粗的箭头比较小且较细的箭头表示更大的场强。
图6示出了用于图4A中的实施方式的反应器的横截面和在xy-平面、xz-平面和yz-平面中的电场分布。红实线表示沉积室的壁，点线黑色轮廓代表石英窗，而虚线黑色轮廓表示沉积区域。
图7A示出了根据本发明的谐振腔体的3D CAD模型，该谐振腔体连接至如图3中所示的一组CRLH波导。请注意，这里仅示出了腔体。这里，反应器腔体被分成两个主要容积，第一子室和第二子室，在该示例中，第一子室和第二子室分别对应于下部容积和上部容积。
图7B是提供根据图7A中所示的本发明的实施方式的LAMPCVD反应器设备内部的电场的三维说明的剖切描绘的立体图。
图8示出了图7A中的谐振腔体的实施方式的在yz方向上的磁场分布。这里箭头表示方向和场强两者，较大且较粗的箭头比较小且较细的箭头表示更大场强。
图9以横截面图的方式示出了图7A中的实施方式的在yz-平面中的电场分布。点线黑色轮廓代表石英窗的可能位置。
图10A是示出根据图7中所示的实施方式的LAMPCVD反应器设备的腔体中在给定时刻的电场的立体图，该LAMPCVD反应器设备包括四个并排设置的端部短路的CRLH波导装置以及布置成将微波能从公共微波能源供给至所有CRLH波导装置的波导线与分流器的布置，比如T形结。还示出了水平布置的石英窗。
图10B是示出了图10A中的实施方式的物理实现方案的立体图。这里，LAMPCVD反应器包括在真空室下方的四个并排设置的端部短路的CRLH波导装置以及布置成将微波能从公共微波能源供给至所有CRLH波导装置的波导线与分流器的布置，比如T形结，这四个CRLH波导装置将连接至附图底部处的矩形输入端口。可以在能量源与输入端口之间使用阻抗匹配单元，比如3-短线调谐器。
图11以横截面的方式示出了xz平面中的电场分布。虚线轮廓表示等离子体区域。该分布可以代表图4A中所示的实施方式的分布，或图7A的实施方式、第二子室、反应器室的上部容积的分布。
图12A是根据图7A中所示的实施方式的反应器的细节的横截面示意图。
图12B是示出图10B中所示的反应器真空室的上半部分的物理实现方案的立体图。在该图中，前面板已经被移除以示出以上图12A中所示的反应器的细节。
图13A是CRLH波导的单位单元腔体的立体图。
图13B是表示在2.45GHz频率下的每单位单元的相位移的散布图。
图13C以mm示出了当频率为2.45GHz时根据本发明的实施方式的单位单元腔体的尺寸。
图13D示出了根据本发明的实施方式的CRLH波导的缝隙的尺寸和布置。在该实施方式中，缝隙相对于波导的z方向和x方向成45度布置，并且具有40mm的长度和8mm的宽度。
图14A示出了可以如何使用短线来调节单位单元的尺寸。请记住，图示的单位单元是腔体，而短线则代表物理元件。
图14B以具有切掉的顶部的横截面图示出了可以如何将短线插入腔体中以改变单位单元的尺寸。这里，示出了根据本发明的CRLH波导的物理实现方案。腔体是布置在波导内部的连续布置的单位单元。
图14C示出了图14B的细节。
图15以框图示出了用于使反应器适配于不同工作频率的方法的实施方式，其中，工作频率偏离反应器所设计用于的标称频率。
在附图中，x方向和y-方向被限定为垂直于CLRH波导，而z方向在波导的纵向方向上。另外，y方向是从波导至反应器的方向。大多数图中均表示了方向。方向的限定仅用于说明，并且也可以使用其他限定代替。
申请的附图以彩色提交。这改善了反应器及其元件中的电流分布的说明，比如例如CLRH波导部段中的电流分布。红色表示最高电流密度，而蓝色是最低电流密度。在红色和蓝色之间是具有减小的电流密度的橙色、黄色和绿色区域。例如，在沿着图2和图3的CLRH部段的中央，在图7B和图9B中的顶部室的中央，以及在图11的中央，可以看到红色，并且因此可以看到最高的电流密度。
本发明的详细描述
在下文中，本发明被称为大面积微波等离子体化学气相沉积反应器，并且在本文中通过首字母缩略词LA MPCVD来识别。总体上，本发明的LA MPCVD在第一方面提供了微波能在大面积沉积室中的新耦合。如图3中所示，微波能耦合器是基于复合右/左手CRLH波导的无限波长特性的至少一部段。CRLH波导装置可以是CRLH波导的短路部段，由波导单位单元的链构成。链中的每个单位单元设计成为左手LH和右手RH提供相移，为与微波能的工作频率匹配的频率提供具有零色散的通频带。通常，在实际实施方式中，微波能发生器可以在2.45GHz的频率下工作。在CRLH波导的在其“无限波长传播频率”下工作的这种特性的应用中，波导的壁的不同部分中的电流在任何距离处恰好都呈现出均匀或“相干”，而在波导中在通过由“z”标记的轴线指示的纵向方向上，沿着微波传播的方向没有明显变化，并在本发明的CRLH波导装置中所包括的CRLH波导的短路部段的基本上整个长度上延伸。
为了使明显均匀或“无限波长”、“相干”的电磁微波能从波导中耦合出来并耦合到LAMPCVD反应器室中，本发明的CRLH波导装置在CRLH波导的壁中设置有一个或更多个被适当地定尺寸和定向的缝隙，所述缝隙承载着均匀分布的、由在波导中传播的微波能建立的“相干”电流。这样，沿着短路的CRLH波导壁的所有缝隙元件均可以被激发以输出在时间上同相或反相的微波能。
为了在与本发明的单个CRLH波导装置的CRLH波导中的微波能传播方向不同的方向上，比如例如在由“y”标记的轴线指示的方向上，也扩展均匀电场的面积，可以以并排构型定位若干个CRLH波导装置，并且这些CRLH波导装置同时工作以在反应室内建立大面积均匀微波能电场，从而建立大面积均匀等离子体区域。
因此，在第一实施方式中，本发明是LAMPCVD反应器设备(1)。反应器设备(1)包括反应器室(2)，该反应器室(2)适于通过第一频率的电磁能在反应器室的内部中提供等离子体区域。反应器设备(1)还包括CRLH波导部段(3)，该CRLH波导部段(3)适于在无限波长下以第一频率工作，并且该CRLH波导部段(3)在壁中具有耦合装置(4)，该耦合装置布置成使电磁能从CRLH波导部段(3)的内部耦合至反应器室(2)的内部。在图4A和图7A中通过反应器设备的内部腔体间接示出了两个不同的反应器设备。图10B示出了具有图7A的内部腔体的反应器设备(1)。在图1中示出了可以用于说明根据本实施方式的CRLH波导腔体的CRLH波导部段。
在相关的实施方式中，耦合器装置包括相对于彼此间隔开的多个电磁能耦合器。该耦合器装置在CRLH波导部段的壁中可以包括缝隙。
在相关的实施方式中，CRLH波导部段中的一个或更多个CRLH波导具有短路的第二端部。
上面的LAMPCVD反应器设备可以包括具有能量输出的电磁能量源，并且其中，CRLH波导部段中的一个或更多个CRLH波导具有耦合至电磁能量源的能量输出的第一能量输入端部。
调谐装置可以连接在能量输出与能量输入之间。
如图3中所示，CRLH波导部段中的一个或更多个CRLH波导可以具有短路的第二端部。这里的短路端部与第一能量输入端部相反。
在例如图7A中所示的第二实施方式中，反应器室包括第一子室和第二子室，其中，第一子室包括耦合器装置，并且第二子室适于包括等离子体区域。电磁能从CRLH波导部段经由第一子室提供至第二子室。除反应器室之外的其他元件可以与第一实施方式中的相同。
第一子室和第二子室可以具有相同的横截面面积。
第二子室可以包括布置成将等离子体区域与大气压分离的石英窗。
第一子室和第二子室可以布置在彼此的顶部上，并且如图7A中所示，可以在每个端部中相互连接。
电磁能可以是处于第一频率的微波能，其中，在相关实施方式中，第一频率可以是2.45GHz。
LAMPCVD反应器设备可以包括一个或更多个CRLH波导。
在可以与以上实施方式中的任意实施方式结合的第三实施方式中，CRLH波导部段包括如图3中所示的并排布置的多个CRLH波导部段。
在可以与以上实施方式中的任意实施方式结合的第四实施方式中，以上权利要求的任一项所述的LAMPCVD反应器设备，其中，CRLH波导部段包括周期性级联的单位单元。
在相关的实施方式中，频率与相移之间的单位单元关系可以是可配置的。
为了配置单位单元，单位单元在相关的实施方式中包括配置成改变单位单元的内部尺寸的调谐元件。调谐元件可以是如图14A、图14B和图14C中所示的布置成插入每个单位单元的一对短线。
在一种实施方式中，本发明是用于在反应器室中提供大面积等离子体化学气相沉积的方法，其中，反应器室布置成通过处于第一频率的电磁能在反应器室的内部提供等离子体区域。该方法包括使电磁能从CRLH波导部段的内部经由CRLH部段的壁耦合器装置耦合至反应器室的内部，其中，CRLH波导部段布置成在无限波长下以第一频率工作。壁耦合器装置在这里可以是如例如图3中所示的缝隙。
在一种实施方式中，CRLH波导部段包括周期性级联的单位单元。
在相关的实施方式中，单位单元可以包括配置成改变单位单元的内部尺寸的调谐元件，其中，该方法包括调整调谐元件。
在相关的实施方式中，具有能量输出的电磁能量源被连接至CRLH波导部段的输入，其中，该方法包括通过迭代地调整调谐元件并使该电磁能量源与CRLH波导部段进行阻抗匹配来使测量的反射功率最小化。
调谐元件可以是例如如图14A、图14B和图14C中所示的短线。
此外，该方法的反应器室和CRLH波导部段可以包括来自用于以上LAMPCVD反应器的实施方式中的任一实施方式的特征。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。总体上，该实施方式描述了一种LAMPCVD反应器，该LAMPCVD反应器包括定位成彼此相邻的多个CRLH波导，例如，如图3中所示为四个波导。图3中所示的全部四个波导以磁电流矢量指向相同方向的方式放置。可以使用由彼此相邻定位的任意数目的CRLH波导构成的其他构型。
谐振腔体放置在CRLH波导的顶部上。图4a示出了四个CRLH波导的顶部上的对应的谐振腔体的3D CAD模型。谐振腔体的尺寸由被辐射缝隙占据的面积决定。室的高度h被选择成耦合到腔体中的微波辐射的波长的大约一半。重要的是要注意，可以通过简单地改变CRLH波导的长度和数目来按比例改变LA MPCVD反应器谐振腔体的尺寸，即改变被辐射缝隙占据的面积。
微波辐射被磁性地耦合到谐振腔体中。在图5中示出了图4a中所描绘的谐振腔体的在yz平面中的横截面图，其中，箭头表示由辐射缝隙元件感应出的磁场的方向和强度。
交变磁场在与穿过谐振腔体的大面积的磁场的垂直方向上产生均匀的电场，如图4b中所示。xy-平面、xz-平面和yz-平面中的电场分布的横截面如图6中所示。
均匀的电场使工作气体电离，并在大面积上产生均匀的等离子体，参见图6中的虚线轮廓。反应器的沉积室必须与大气压分离。这是通过在辐射元件上方放置石英窗来实现的。然而，将石英窗靠近等离子体区域放置存在一些限制。首先，大面积腔体需要大的石英窗。为了承受大气压，窗的厚度随着面积的增加而增加。结果，通过增加腔体面积，窗的表面变得更接近等离子体区域。其次，热等离子体会在窗上产生高的热负荷，并可能损坏窗。窗上的热损坏可以通过将室内的工作压力降低至亚毫巴范围来避免，从而限制化学气相沉积过程的沉积温度。
为了克服这个问题，提出了谐振腔体的另一种设计。新腔体由相互连接的底部容积和顶部容积或者第一子室和第二子室构成，如图7a中所示。每个容积具有高度h，并且可以占据与图4a中所示的腔体相似的面积。两个容积之间的距离可以从130mm至170mm变化。选择不同的容积间距离在顶部部分和底部部分中产生不同的电场分布。
图7a示出了谐振腔体的3D CAD模型。yz-平面和xz-平面中的电场分布的横截面如图7b中所示。
如图8中所示，以与先前的谐振腔体设计中类似的方式，微波辐射被磁性地耦合到底部容积或第一子室中。电磁波通过连接波导进一步向上传播至顶部容积或第二子室，从而产生如图5中所示的相似的磁场强度图案。
在以上实施方式中，已经示出了布置在CRLH波导部段上方的谐振腔体。然而，谐振腔体也可以布置在例如CRLH波导的下方或CRLH波导的侧部处。
谐振腔体和相应的第一子室和第二子室的高度、宽度和长度的相应尺寸，以及第一室与第二室之间的相对尺寸，以及第一室与第二室之间的距离也可以变化，只要它们以第一频率工作即可。
CRLH波导或者CRLH波导部段中的波导也可以具有不同的构型。为此，可以使用具有以上指定类型的单位单元的例如弯曲的任何波导设计。除了短路，波导可以例如以串联方式相互连接。
耦合器装置例如CRLH波导中的一个或更多个缝隙可以布置在任何壁上，即CRLH波导的侧壁、顶壁或底壁上。优选地，为了有助于谐振腔体中的扩大的等离子体区域，场密度分布是纵向的。
由底部容积和顶部容积构成的谐振腔体设计克服了大石英窗的问题。现在石英窗可以放置在远离热等离子体的若干位置中，如图9中所示。虚线轮廓示出了石英窗的竖向位置和水平位置。有意在电场最小的地方选择位置。具有水平定位的石英窗的LA MPCVD反应器的完整构型如图10中所示。四个CRLH波导使用一组T形结连接，并使用一个波导端口来激发。
现在将说明CRLH波导的实施方式。该实施方式可以与上述实施方式中的任意实施方式结合。
LA MPCVD反应器的谐振腔体内部的微波辐射的耦合可以使用一组带缝隙的复合右/左手(CRLH)波导来实现，每个波导具有无限波长传播特性。这允许在腔体内的大面积上产生均匀的高强度电场。关于CRLH传输线的理论可以在例如以下文献中找到：
-A.Lai等，Composite right/left-handed transmission line metamaterials(复合右手/左手传输线超材料)，IEEE Microwave Magazine(IEEE微波杂志)，(2004年9月，第3期，第5卷)。
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-T.Ueda等，Dielectric-Resonator-Based Composite Right/Left-HandedTransmission Lines and Their Application to Leaky Wave Antenna(基于介电谐振器的复合右/左手传输线及其在漏波天线中的应用)，IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques(IEEE微波理论与技术学报)，(2008年10月，第10期，第56卷)。
-L.Shaowei等，Left-Handed Transmission Line Based on Resonant-SlotCoupled Cavity Chain(基于谐振缝隙耦合腔链的左手传输线)，IEEE Microwave andWireless Components Letters(IEEE微波和无线组件信函)，2007年4月，第4期，第17卷)。
-Y.Chen等，Unequally Spaced and Excited Resonant Slotted-WaveguideAntenna Array Based on an Improved Resonant-Slot Coupled Cavity ChainComposite Right/Left-Handed Waveguide(基于改进的谐振-缝隙耦合腔体链复合右/左手波导的非等距和激励谐振缝隙-波导天线阵列)，Progress In ElectromagneticsResearch(电磁学研究进展)，2010年，110卷：421-435。
CRLH波导由周期性级联的单位单元链组成。每个单位单元具有支承左手(LH)和右手(RH)波传播的独特特性，可以使用如以上由Ueda等人描述的等效回路模型表示。在平衡的情况下，单位单元不具有阻频带，并且在分散图中从LH至RH频带无缝过渡。由于提出的发明使用CRLH波导的无限波长传播特性，因此必须平衡波导中的每个单位单元。该标准可以通过单位单元的不同设计来满足，例如，使用如以上Elden和Esrah、Uead等人、Shaowei和Chen等人在文献中提出的设计。
CRLH波导的当前实施方式采用与如由Chen等人所描述的单位单元相似的设计。图13A所示的单位单元以这样的方式设计：使得图13B所示的分散图具有从LH至RH频带的无缝过渡，并且因此该单元被平衡了。从图10B可以看出，无限波长传播频率为2.45GHz，并且与能量源或微波发生器的工作频率匹配。
单位单元可以以各种几何形状实现并且支持除2.45GHz之外的无限波长传播频率。
CRLH波导由周期性级联的单位单元阵列组成，并终止于金属壁，如图3所示。向CRLH波导的微波辐射通过过渡波导供给。由于CRLH波导的无限波长传播特性，沿着波导(z方向)的表面电流不受干扰地流动，如图2和图3所示。因此，与相邻的缝隙被分开波导波长(λg)的一半的常规波导相比，用于将微波辐射耦合到腔体中的辐射缝隙元件可以被放置在几乎任何位置，并且彼此靠近。因此，利用本发明可以实现在大面积上的均匀的电磁场分布。
缝隙的辐射机理与常规波导中的相同，并且每个缝隙辐射的量由截获的电流决定。结果，缝隙的辐射功率取决于相对于CRLH波导的对应中心线的倾斜角度。这里，所有的缝隙均旋转45度以使辐射功率最大化。
本发明的效果是反应器腔体可以被按比例改变尺寸。这可以通过如上所述的延伸CRLH波导或添加更多的波导来完成。这将有效地增加所产生的等离子体的区域的尺寸。
另一个效果是，根据本发明的实施方式的LAMPCVD可以在高于亚毫巴压力范围处工作，而其他的LAMPCVD反应器的例如使用标准波导的其他实现方案仅能在较低压力下工作。
这由于通过CRLH波导使新型耦合技术成为可能而实现，与现有技术相比，该技术可以在整个沉积区域内产生相当均匀且较浅形状的等离子体。等离子体的高度在2.45GHz处小于波长的一半，这意味着等离子体可以有效地吸收输入微波辐射。这产生了允许在更高压力下工作的高吸收功率密度。
单位单元可以以这样的方式来设计：对于2.45GHz的工作频率，每单位单元的相移为零。
在可以与以上实施方式中的任意实施方式结合的实施方式中，对于除了2.45GHz的其他频率或任何其他工作频率，为零的每单位单元的相移可以通过改变单位单元的尺寸来实现。这对于工作频率没有锁定并且是输出功率的函数的微波发生器尤其重要。通常，工业磁控管的频率随着功率的增加而增加，并且会偏离标称频率±1％的量级。因此，随着发生器的输出功率的变化，单位单元的形状可以主动地适配工作频率的变化。
在相关的实施方式中，单位单元形状的改变以这样的方式实现：每单位单元的相移对于任何频率均为零。一个或多个CRLH波导中的所有单元可以被同时适配。图15中示出了说明单位单元的适配控制的方法的框图。
该方法从设定微波发生器的输出功率和测量对应的工作频率开始。接下来，通过调整单元的某些尺寸或插入比如短线的调谐元件并保持单元平衡来改变所有单位单元的形状。每个单位单元的形状必须使用来自仿真或经验数据的输入以相同的方式改变。调整后的单元的频率必须与先前步骤中测量的工作频率匹配。在调整单元之后，通过发生器观察到的阻抗可以与比如布置在能量源与CRLH波导之间的3-短线调谐器的阻抗匹配单元匹配。在这个步骤中测量的反射功率Pref被保留供以后使用。由于用于单元调整的输入具有误差，因此在下一步骤中，与第三步骤中的调整相比，应该对单元格进行少量改变。接下来，再次匹配阻抗，并测量对应的反射功率P'ref。最后，比较Pref与P'ref。如果P'ref<Pref，则在阻抗匹配步骤和新的反射功率测量之后再次对单元进行改变。迭代地重复这些步骤，直到反射功率最小。如果发生器的输出功率改变，则再次重复该程序。
如图14中所示，单位单元的适配控制例如可以通过在单元的底部部分中同时插入两个(截断的)短线来实现。单位单元可以使用等效电路模型通过将单元分解为具有对应的并联电感、串联电容以及串联电感和并联电容的一组波纹、短线和矩形波导来描述。因此，将(截断的)短线插入单元中有效地改变了单元元件的电感和电容。结果，与为零的每单位单元的相移对应的频率改变了。这允许在一个或多个CRLH波导中适配地控制每个单位单元。短线插入的深度应该选择成匹配发生器的工作频率，使得波导的表面电流密度保持均匀且不变。在此过程期间，单位单元应该保持平衡。
金刚石材料的化学气相沉积CVD可以通过以下方式实现。图7B和图9中所示的均匀电场使工作气体电离，并在大面积上产生均匀的等离子体，如图11中所示。
用于金刚石CVD过程的典型工作气体是氢气和甲烷。甲烷用作碳源，并且通过等离子体从分子气体中解离出的原子氢在过程中对于选择性地蚀刻石墨含量是必需的。比如氮气、氧气或氩气的其他气体可以被引入室中，以改变CVD工艺参数，比如生长速率和基板温度。LA MPCVD反应器的实施方式的示意性表示在图12中示出。重要的是要注意，所提供的室腔体即第二子室的顶面和底面均可以用于沉积过程。这里，仅呈现了底面上的沉积过程。
工作气体从第二子室的顶部引入。使用定位于基板上方的管将气体输送到基板。每个管包括用于在整个沉积区域上的均匀气体分布的一组孔。
在图12A的中央，等离子体区域由红色椭圆形图表示。它覆盖了由洋红色矩形表示的基板台。金刚石材料沉积在放置在台顶部上的基板上。基板通过等离子体加热，但如有必要，台也可以通过RF感应或其他方式加热。
工艺气体可以利用真空泵排出室。泵出速度可以在CVD过程期间被主动调节以保持压力稳定。

Claims (18)

1.一种大面积微波等离子体化学气相沉积LA MPCVD反应器设备，所述反应器设备包括：
反应器室，所述反应器室适于通过第一频率的电磁能在所述反应器室的内部中提供等离子体区域；以及
复合右/左手CRLH波导部段，所述CRLH波导部段适于在无限波长下以所述第一频率工作，并且所述CRLH波导部段在壁中具有耦合器装置，所述耦合器装置布置成将电磁能从所述CRLH波导部段的内部耦合至所述反应器室的内部。
2.根据权利要求1所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述耦合器装置包括相对于彼此间隔开的多个电磁能耦合器。
3.根据权利要求1或2所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述耦合器装置包括所述CRLH波导部段的所述壁中的缝隙。
4.根据权利要求1、2或3所述的LA MPCVD反应器设备，包括：
具有能量输出的电磁能量源，并且其中，所述CRLH波导部段中的一个或更多个CRLH波导具有耦合至所述能量输出的第一能量输入端部。
5.根据权利要求4所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述CRLH波导部段中的一个或更多个CRLH波导具有短路的第二端部。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述反应器室包括第一子室和第二子室，其中，所述第一子室包括所述耦合器装置，并且所述第二子室适于包括所述等离子体区域，并且其中，所述电磁能从所述CRLH波导部段经由所述第一子室提供至所述第二子室。
7.根据权利要求6所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述第一子室和所述第二子室具有相同的横截面面积。
8.根据权利要求6或7所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述第二子室包括布置成将所述等离子体区域与大气压分离的石英窗。
9.根据前述权利要求6至8中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述第一子室和所述第二子室布置在彼此的顶部上并且在每个端部中相互连接。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述电磁能是处于所述第一频率的微波能。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述第一频率是2.45GHz。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述CRLH波导部段包括并排布置的多个CRLH波导。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述CRLH波导部段包括周期性级联的单位单元，其中，频率与相移之间的所述单位单元关系是能够配置的。
14.根据权利要求13所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述单位单元包括配置成改变所述单位单元的内部尺寸的调谐元件。
15.根据权利要求14所述的LA MPCVD反应器设备，其中，所述调谐元件包括布置成插入所述单位单元中的一对短线。
16.一种用于在反应器室中提供大面积等离子体化学气相沉积的方法，其中，所述反应器室布置成通过第一频率的电磁能在所述反应器室的内部中提供等离子体区域，其中，所述方法包括：
将电磁能从复合右/左手CRLH波导部段的内部经由所述CRLH部段的壁耦合器装置耦合至所述反应器室的内部，其中，所述CRLH波导部段布置成在无限波长下以所述第一频率工作。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述CRLH波导部段包括周期性级联的单位单元，所述单位单元包括配置成改变所述单位单元的内部尺寸的调谐元件，其中，所述方法包括：
调整所述调谐元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，具有能量输出的电磁能量源连接至所述CRLH波导部段的输入，其中，所述方法包括：
通过迭代地调整所述调谐元件并且使所述电磁能量源与所述CRLH波导部段阻抗匹配来使测量的反射功率最小。
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