JP2014507554A - 合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
(i)上側ハウジング区分は、反応器チャンバ内で生成される高温プラズマに起因して使用中、過熱を生じやすいと言える。米国特許第6,645,343号明細書に記載された構成は、無駄なエネルギーを上側ハウジング区分から取り出す問題に取り組んでいない。そのうちこの壁は、非常に高温状態にある場合があり、それにより、最終的には、環状窓シール及び環状窓それ自体の破損が起こる場合がある。漏斗形同軸ラインがチャンバの上方部分を完全に包囲しており、したがって、上述の構成において冷却剤をどのようにすればチャンバの上方部分に供給できるかを計画することは困難である。
(ii)米国特許第6,645,343号明細書は、プロセスガスを供給する連結部が基板ホルダに向くことができ、そしてかかる連結部を基板ホルダに向かってほぼ中心に差し向けることができる可能性に言及している。しかしながら、米国特許第6,645,343号明細書は、この構成を実現する手段については何ら記載していない。上述したように、漏斗形同軸ラインがチャンバの上方部分を完全に包囲しており、したがって、プロセスガスをどのようにすればチャンバの上方部分の中央に供給して基板ホルダの方へ差し向けることができるかを計画することは困難である。唯一の可能性は、プロセスガスを同軸供給部の中央内側導体を通って下方に送ることであるように思われる。米国特許第6,645,343号明細書に記載された構成では、同軸供給部の内側中央導体は、マイクロ波発生器からの方形導波管の上壁から漏斗形移行領域まで延びている。サービス、例えばプロセスガス及び/又は冷却剤をプラズマチャンバの上側ハウジングに提供すべき場合、これらは、相当な距離にわたって内側中央導体内の比較的狭い通路内に収容されなければならない。
(iii)米国特許第6,645,343号明細書に記載された構成では、同軸供給部の内側中央導体は、マイクロ波発生器からの方形導波管の上壁から延び、かくして電気的に接地された箇所が提供される。したがって、導波管移行部は、内側導体が接地された状態で動作するよう設計されなければならない。この設計の潜在的な欠点のうちの1つは、接地状態の内側導体と方形導波管の短絡回路との間の距離を半導波長であるようにしなければならないということである。正確に構成されなければ、これは、チャンバ中への電力結合に悪影響を及ぼす場合がある。同軸導波管の内側導体を導波管内で電気的に浮動させることは、多くの点において、電力を方形導波管から同軸導波管に伝送する簡単且つ好都合な方法であるが、例えば水及びガスのようなサービスを導入することができる接地箇所を失うという欠点が生じる。
(iv)米国特許第6,645,343号明細書では、リング形マイクロ波窓が上側ハウジング区分と下側ハウジング区分との間で反応器チャンバの側壁の一部分を形成する。したがって、リング形マイクロ波窓は、上に位置する上側ハウジング区分によって圧縮状態で配置される場合があり、それによりマイクロ波窓の損傷が生じることがある。さらに、上側ハウジング区分と下側ハウジング区分との間でリング形マイクロ波窓のところに真空シールを容易且つ確実に形成することが困難な場合がある。この問題を解決するため、米国特許6,645,343号明細書に記載された構成を改造して接地状態の内側導体が機械的アンカー箇所を提供する追加の機能を有し、この機械的アンカー箇所を介して張力を加えて空胴の外側の圧力と比較して空胴の内側の減少圧力によって生じる対抗する圧力に抵抗することができるようにすることができる場合がある。効果的なシールを達成するのを助けるため、環状窓及びそのシールに加わる一貫した力を維持する引っ張りばね装置を用いることが可能である。しかしながら、この構成により、複雑さが追加される。さらに、浮動内側導体を用いることが望ましい場合、機械的リンクの実現が不可能であり、別法を模索する必要がある。
(v)米国特許第6,645,343号明細書には、マイクロ波をプラズマチャンバの側壁の一部分を形成するリング形マイクロ波窓まで誘導する複雑な漏斗形同軸ラインが記載されている。多数の移行部を備えたかかる複雑な導波管構造は、最適電力取り扱い及びプラズマチャンバ中へのマイクロ波の効果的な結合にとって望ましいとは考えられない。
プラズマチャンバと、
プラズマチャンバ内に設けられていて使用中に合成ダイヤモンド材料を析出させるべき基板を支持する基板ホルダと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込み、そしてプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムとを含み、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体は、
1つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓と、
中央内側導体及び外側導体を有していて、マイクロ波を環状誘電体窓に送る同軸導波管と、
環状形態で設けられた複数個の孔を有する導波管プレートとを含み、複数本のアームが孔相互間に延び、各孔は、マイクロ波をプラズマチャンバに向かって結合する導波管を形成していることを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器が提供される。
上述のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップと、
基板を基板ホルダ上に配置するステップと、
マイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むステップと、
プラズマガスをプラズマチャンバ中に送り込むステップと、
合成ダイヤモンド材料の層を基板上に形成するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。
(i)導波管プレートは、冷却剤及び/又はプロセスガスの噴射を可能にする。
(ii)導波管プレートは、浮動中央同軸導体を支持する。
(iii)導波管プレートは、プラズマチャンバの上側部品と下側部品との間の結合部を形成する。
(iv)導波管プレートは、同軸導波管からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む。
(v)導波管プレートは、環状誘電体窓を支持する。
一形態では、導波管プレートの孔相互間に延びる1本又は2本以上のチャネルは、基板ホルダと対向して配置されていて、プロセスガスを基板ホルダに向かって噴射する1つ又は2つ以上の噴射ポートにプロセスガスを供給するよう構成された少なくとも1本のチャネルを含む。この構成により、軸方向ガス流構造体をマイクロ波結合構造体と同一のチャンバの端のところに設けることができる。変形例として、マイクロ波結合構造体は、基板ホルダと同一のプラズマチャンバの端のところに設けても良い。
Claims (25)
- 化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、前記マイクロ波プラズマ反応器は、
プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバ内に設けられていて使用中に前記合成ダイヤモンド材料を析出させるべき基板を支持する基板ホルダと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込み、そして前記プロセスガスを前記プラズマチャンバから除去するガス流システムとを含み、
前記マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込む前記マイクロ波結合構造体は、
1つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓と、
中央内側導体及び外側導体を有していて、マイクロ波を前記環状誘電体窓に送る同軸導波管と、
環状形態で設けられた複数個の孔を有する導波管プレートとを含み、複数本のアームが前記孔相互間に延び、各孔は、マイクロ波を前記プラズマチャンバに向かって結合する導波管を形成している、マイクロ波プラズマ反応器。 - 前記導波管プレートは、奇数個の孔を有する、請求項1記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、素数個の孔を有する、請求項2記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、3個、5個又は7個の孔を有する、請求項3記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、前記環状誘電体窓に隣接して位置決めされている、請求項1〜4のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、前記同軸導波管と前記環状誘電体窓との間に位置決めされている、請求項1〜5のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記環状誘電体窓は、前記同軸導波管と前記導波管プレートとの間に位置決めされている、請求項1〜6のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記環状誘電体窓は、2つの互いに反対側の表面を有し、マイクロ波は、該互いに反対側の表面を通って前記プラズマチャンバ中に結合され、シールが前記2つの互いに反対側の表面に設けられている、請求項1〜7のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記複数本のアームは、冷却剤及び/又はプロセスガスを供給する1本又は2本以上のチャネルを構成している、請求項1〜8のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記1本又は2本以上のチャネルは、プロセスガスを前記基板ホルダに向かって噴射するために前記基板ホルダと対向して配置された1つ又は2つ以上の噴射ポートにプロセスガスを供給するよう構成された少なくとも1本のチャネルを含む、請求項9記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記複数個の孔は、マイクロ波を前記プラズマチャンバの中心軸線に平行な方向で前記プラズマチャンバに向かって結合するよう構成されている、請求項1〜10のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記複数個の孔は、周期的回転対称性を有するよう構成されている、請求項1〜11のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、前記同軸導波管の前記外側導体と前記プラズマチャンバの外壁との間に設けられた外側周辺部分を有する、請求項1〜12のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートは、前記プラズマチャンバを横切って延びると共に前記孔相互間に延びている前記複数本のアームによって支持された中央部分を有する、請求項1〜13のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートの前記中央部分は、前記基板ホルダが設けられた端と反対側の端のところで前記プラズマチャンバを横切って延びている、請求項14記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記内側導体は、前記導波管プレートの前記中央部分によって支持された浮動導体を形成している、請求項14又は15記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートの前記中央部分は、前記基板ホルダと対向して設けられた導電性表面を支持している、請求項14〜16のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導電性表面は、前記導電性表面を備えていない対応のプラズマチャンバ内に存在する高電場最大振幅領域にわたって前記プラズマチャンバ内に配置されている、請求項17記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導電性表面は、円錐形である、請求項17又は18記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記円錐形導電性表面は、丸形先端部を有する、請求項19記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記円錐形導電性表面は、前記プラズマチャンバ内に環状凹部を形成し、前記環状誘電体窓は、前記凹部内に設けられている、請求項19又は20記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 複数個のモード解除ブロックが前記プラズマチャンバの内壁上に設けられ、前記モード解除ブロックは、前記孔形態に対して対称に関連付けられるよう互いに間隔を置いて配置されている、請求項1〜21のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記導波管プレートの前記孔により提供される環状隙間と前記プラズマチャンバの直径の比は、1/10〜1/50、1/20〜1/40、1/25〜1/35であり或いはほぼ1/30である、請求項1〜22のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 化学気相成長プロセスを用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、前記方法は、
請求項1〜23のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップと、
基板を前記基板ホルダ上に配置するステップと、
マイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込むステップと、
プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込むステップと、
合成ダイヤモンド材料の層を前記基板上に形成するステップとを含む、方法。 - 前記マイクロ波プラズマ反応器は、逆さまにされ、それにより、前記基板を支持している前記プラズマチャンバの底部は、地面に対して前記プラズマチャンバの上方壁を形成する、請求項24記載の方法。
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