JP2018532878A - マイクロ波発生器および合成ダイヤモンド材料の製造 - Google Patents

Abstract

マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長（ＭＰＥＣＶＤ）システム用のマイクロ波発生器システムであって、マイクロ波発生器システムは、化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するのに適した動作電力出力でマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器ユニットと、結果として動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらすマイクロ波発生器ユニットの故障を検出する故障検出システムと、検出中の故障に応答してマイクロ波発生器ユニットを再始動して動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらしたマイクロ波発生器ユニットの故障後１０秒未満内の期間で動作電力出力または周波数を回復させるよう構成された再始動システムとを含むことを特徴とするマイクロ波発生器システム。

Description

本発明は、ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の堅牢かつ信頼性のある製作に適合した実施形態に特に焦点を当ててマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長（ＭＰＥＣＶＤ）システム用のマイクロ波発生器に関する。

当該技術分野においてはダイヤモンド材料の合成のための化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）法が今や周知である。ダイヤモンド材料の化学気相成長に関する有用な背景技術情報がジャーナル・オブ・フィジックス（Journal of Physics）の特集号、すなわち、ダイヤモンド関連技術を特集したコンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号（２００９）に見受けられる。例えば、アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al. ）による書評記事は、ＣＶＤダイヤモンド材料、技術および用途に関する包括的な概要を与えている（これについては、「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１を参照されたい）。

ダイヤモンドが黒鉛と比較して準安定状態にある領域内にある状態で、ＣＶＤ条件下におけるダイヤモンドの合成は、内部熱力学ではなく、表面反応速度論によって規定される。ＣＶＤによるダイヤモンド合成は、通常、典型的にはメタンの形態の僅かなフラクション（典型的には、５％未満）の炭素を用いて実施される。ただし、過剰水素分子中において他の炭素含有ガスを利用することができる。水素分子を２０００Ｋを超える温度まで加熱した場合、水素原子への相当な解離が生じる。適当な基板材料の存在下において、合成ダイヤモンド（人造ダイヤモンドまたは人工ダイヤモンドとも称される）材料を析出させることができる。

水素原子は、これが基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにするのでプロセスにとって必要不可欠である。ＣＶＤダイヤモンド成長に必要なラジカルを含む反応性炭素および水素原子を発生させるためにガス種を含む炭素および水素分子を加熱する種々の方法が利用可能であり、かかる方法としては、アークジェット、ホットフィラメント、ＤＣアーク、酸素アセチレン炎およびマイクロ波プラズマが挙げられる。

電極を必要とする方法、例えばＤＣアークプラズマは、電極腐食およびダイヤモンド中への物質の混入に起因した欠点を呈する場合がある。燃焼方法には電極腐食に関する問題はないが、燃焼方法は、高品質ダイヤモンド成長と一致したレベルまで精製しなければならない比較的高価な供給ガスを利用する。また、酸素アセチレン混合物を燃焼させた場合であっても、火炎の温度は、ガス流中の相当なフラクションの水素原子を達成するには不十分であり、かかる方法は、程々の成長速度を達成するための局所領域内におけるガスのフラックスの濃縮を利用する。恐らくは、燃焼がバルクダイヤモンド成長のために普及していない主要な理由は、ｋＷｈで表される抽出可能なエネルギーコストである。電気と比較して、高純度アセチレンおよび酸素の使用は、熱を発生させる上で費用のかかるやり方である。ホットフィラメント型反応器は、一見すると簡単なように見えるが、制限された量の水素原子を成長面まで比較的効果的に運ぶようにするために必要な低ガス圧力での使用に制限されるという欠点を有する。

上述のことに照らして、マイクロ波プラズマは、電力効率、成長速度、成長面積および得ることができる生成物の純度の面でＣＶＤダイヤモンド析出を実施する最も効果的な方法であることが判明した。

マイクロ波プラズマ活性化型ＣＶＤダイヤモンド合成システムは、典型的には、原料ガス供給源とマイクロ波電力源の両方に結合されたプラズマ反応器容器を含む。プラズマ反応器容器は、定常マイクロ波を支える空洞共振器を形成するよう構成される。炭素源および水素分子を含む原料ガスがプラズマ反応器容器内に送り込まれ、かかる原料ガスを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域内にプラズマを生じさせることができる。適当な基板をプラズマに近接して設けると、ラジカルを含む反応性炭素は、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板上に析出可能である。水素原子もまた、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにする。

ＣＶＤ法による合成ダイヤモンド膜成長のための考えられるマイクロ波プラズマ反応器群が当該技術分野において知られている。かかる反応器は、多種多様な設計のものである。共通の特徴は、プラズマチャンバ、プラズマチャンバ内に設けられた基板ホルダ、プラズマを生じさせるマイクロ波発生器、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結合構造体、プロセスガスをプラズマチャンバ内に送り込んで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および基板ホルダ上の基板の温度を制御する温度制御システムを含む。

本出願人は、先に、比較的広い面積にわたりかつ比較的高い成長速度での単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料と多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の両方の高品質の厚手のＣＶＤダイヤモンド成長を達成するマイクロプラズマ活性化ＣＶＤ反応器ハードウェアおよびＣＶＤダイヤモンド合成方法に関する多くの特許出願を出願した。これら特許出願は、以下の内容を記載した特許出願を含む。
（ｉ） マイクロ波プラズマチャンバの構造および幾何学的形状のある特定の観点（例えば、コンパクトなＴＭ₀₁₁共振モードプラズマチャンバ形態の使用を記載した国際公開第２０１２／０８４６６１号パンフレットおよびプラズマチャンバの側壁から突き出たプラズマ安定化アニュラス部を設けることを記載した国際公開第２０１２／０８４６５７号パンフレット）、
（ｉｉ） マイクロ波電力結合形態のある特定の観点（例えば、マイクロ波電力を複数のマイクロ波プラズマ反応器に供給するマイクロ波電力送出システムを記載した国際公開第２０１２／０８４６５８号パンフレットおよび環状誘電体窓、同軸導波路、およびマイクロ波をプラズマチャンバに向かって結合する環状形態に配置された複数のアパーチュアを有する導波路プレートを有するマイクロ波結合形態を記載した国際公開第２０１２／０８４６５９号パンフレット）、
（ｉｉｉ） マイクロ波プラズマチャンバ内の基板調製、幾何学的形状、および温度制御形態のある特定の観点（例えば、所望の電界および温度プロフィールを達成するためのマイクロ波プラズマ反応器内における基板の調製の仕方、基板の配置の仕方、および基板パラメータの制御を説明した国際公開第２０１２／０８４６５５号パンフレット）、および、
（ｉｖ） マイクロ波プラズマチャンバ内におけるガス流の形態およびガス流パラメータのある特定の観点（例えば、広い面積にわたる一様なダイヤモンド成長を達成するための所望の幾何学的形態を備えた多ノズルガス入口アレイを有するマイクロ波プラズマ反応器を記載した国際公開第２０１２／０８４６６１号パンフレットおよび広い面積にわたる合成ダイヤモンド材料の一様なドープを達成するための高いガス流量の使用および所望のレイノルズ数でのプロセスガスの注入を記載した国際公開第２０１２／０８４６５６号パンフレット）

上述の特許出願明細書に記載されている特徴を備えたマイクロ波プラズマ反応器を提供することによって、本出願人は、比較的広い面積にわたりかつ比較的高い成長速度での単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料と多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の両方の高品質で厚手のＣＶＤダイヤモンド成長を達成した。

国際公開第２０１２／０８４６６１号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６５７号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６５８号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６５９号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６５５号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６６１号パンフレット 国際公開第２０１２／０８４６５６号パンフレット

アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.），「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１

とは言うものの、合成ダイヤモンド製品について堅牢で効率的であり、しかも高い歩留まりの合成プラットフォームを提供するために従来構成を更に改良する要望が今もなお存在している。この点に関し、本発明の実施形態の目的は、堅牢性、効率、および歩留まりを向上させたシステムを提供することにある。

マイクロ波プラズマ活性化ＣＶＤダイヤモンド合成は、大抵の他の化学気相成長プロセスと比較して幾分独特である。例えば、マイクロ波プラズマ活性化ＣＶＤダイヤモンド合成プロセスは、以下の特徴の組み合わせを有する。
（ｉ） 極めて高い電力のマイクロ波が必要であること、
（ｉｉ） ＣＶＤダイヤモンド材料の高品質の厚手の層を作製するために極めて長い合成時間が必要であるとともに安定した高電力マイクロ波が維持されること、および
（ｉｉｉ） ＣＶＤダイヤモンド合成プロセスが合成プロセスにおける不安定性および／または中断に対して極めて敏感であること。

かかる高マイクロ波電力、長い合成時間を要するプロセスに関する一問題は、マイクロ波源が定期的に故障を生じる場合があり、この故障により合成プロセスの中断が生じることにある。かかる故障は、マイクロ波発生器を極めて高い電力動作状態で作動させることによって悪化する。これは、合成プロセスを続行するよう再始動可能な多くの旧式のプロセスにとっては問題ではないが、例えば１０秒オーダーの比較的短いと言って良いほどの期間のマイクロ波源の中断により以下の多くの理由で合成ダイヤモンドプロセスの非可逆的なロスが生じる場合のあることが判明した。
迅速な冷却およびダイヤモンド材料と下に位置する支持基板との熱膨張率の不一致の結果としてダイヤモンドが析出される支持基板からのダイヤモンドの離層、
動作圧力での再始動の困難をもたらすとともに潜在的に材料の割れをもたらす非制御状態の冷却、および
合成プロセスの再始動後に不安定性をもたらす大きな圧力スイング。

ある特定のダイヤモンド合成プロセスに関し、ダイヤモンド合成プロセスの非可逆的なロスをもたらすかかるマイクロ波発生器故障が極めて一般的であり、場合によっては１回の成長ランで数回起こり、その結果、歩留まりの著しい減少が生じる場合がある。

本発明者は、マイクロ波発生器故障がマイクロ波プラズマ活性化ＣＶＤダイヤモンド合成プロセスを中断させた後、この合成プロセスを極めて短期間のうちに、代表的には１０秒未満で、より好ましくは１秒オーダーで再始動させることができれば、例えばダイヤモンド離層、ダイヤモンドの割れのような問題および所要の動作圧力での再始動と関連した問題を回避することができる。

ダイヤモンド合成プロセスのかかる迅速な再始動は、取るに足りないという訳ではない。事実、かかる迅速な仕方で再始動するようマイクロ波発生器システムを構成することは、遅い始動プロトコルを実施するよう特別に構成されている従来型マイクロ波発生器始動システムとは対照的である。従来型マイクロ波発生器システムは、迅速な再始動がマイクロ波発生器を損傷させる場合があり、しかも主としてマイクロ波発生器フィラメントの劣化および最終的な故障に起因してマイクロ波発生器の全体的寿命を短くする場合があるので、迅速な再始動を回避するよう構成されている。

したがって、マイクロ波発生器システムは、迅速な再始動を可能にするよう特別に再構成されなければならない。この機能が望ましいことは、主として、電力、合成時間、ならびに合成プロセスにおける変動および中断に対する感度の面においてＣＶＤダイヤモンド合成プロセスの独特な特性の結果であるように思われる。

本発明者の知見によれば、故障が起きたときに迅速に再始動されるよう適切に再構成されたマイクロ波発生器は、高電力ダイヤモンド合成プロセスが合成プロセスの非可逆的なロスなしに続行することができる。さらにまた、マイクロ波発生器の寿命の短縮が望ましくはないが、迅速な再始動方法論を実行することによって引き起こされるマイクロ波発生器寿命の潜在的な短縮に起因して生じる何らかのコスト面での影響が迅速な再始動方法論を用いて達成される高価値合成ダイヤモンド製品の歩留まりの増大分だけ相殺分よりも多いことが判明した。さらに、迅速な再始動方法論の注意深い構成および制御によってマイクロ波発生器に対する損傷を最小限に抑えて迅速な再始動プロトコルを利用するよう再構成されたときにマイクロ波発生器の寿命を甚だしくは短縮しないようにすることが可能である。

上記に照らして、本発明の第１の観点によれば、マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長（ＭＰＥＣＶＤ）システム用のマイクロ波発生器システムであって、マイクロ波発生器システムは、
化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するのに適した動作電力出力でマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器ユニットと、
結果として動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらすマイクロ波発生器ユニットの故障を検出する故障検出システムと、
検出中の故障に応答してマイクロ波発生器ユニットを再始動して動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらしたマイクロ波発生器ユニットの故障後１０秒未満内の期間で動作電力出力または周波数を回復させるよう構成された再始動システムとを含むことを特徴とするマイクロ波発生器システムが提供される。

本発明の第２の観点によれば、化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムであって、マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムは、
本発明の第１の観点によるマイクロ波発生器システムと、
空洞共振器を構成するプラズマチャンバと、
マイクロ波発生器システムからのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流れシステムと、
プラズマチャンバ内に設けられていて合成ダイヤモンド材料を成長させるべき基板を支持する基板マウントとを含むことを特徴とするマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムが提供される。

本発明の第３の観点によれば、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、この方法は、
本発明の第２の観点によるマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムを用意するステップと、
基板を基板マウント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、
プロセス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。

本発明の良好な理解を得るためかつ本発明をどのように具体化するかを示すために、今、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、かかる実施形態は例示に過ぎない。

マイクロ波発生器の一部分の略図である。 マイクロ波発生器の所望の動作モードを示す略図（ａ）、マイクロ波発生器の望ましくない動作モードを示す略図（ｂ）である。 本発明の一実施形態によるマイクロ波発生器システムの基本コンポーネントの略図である。 マイクロ波発生器での管アーク発生故障から１．２秒以内に動作条件に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。 マイクロ波発生器でのモード故障から１．６秒以内に動作条件に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。 管アーク発生故障およびモード故障の両方を順番に生じた後に動作状態に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。 本発明の一実施形態に従って化学気相成長技術を用いて合成ダイヤモンド材料を蒸着させるよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器システムの断面図である。 ２つのプラズマチャンバを含むマイクロ波プラズマ反応器システムの略図である。 本発明の一実施形態に従って化学気相成長技術を用いた合成ダイヤモンド材料の蒸着に必要なステップを示す流れ図である。

マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長（ＭＰＥＣＶＤ）によるダイヤモンドの合成は、過去２０年間にわたって成熟し、今や、日常的に、約１〜１００μｍｈｒ^-1の成長速度でダイヤモンドを合成させることができている。１μｍｈｒ^-1の低い成長速度では、１ｍｍ厚さの部品を合成するのに１０００時間要する。これよりも高い成長速度であっても、ＣＶＤダイヤモンド材料、特にＣＶＤダイヤモンド材料の高品質の厚手の層のための合成時間は、極めて長い。その結果、関与する機器は、信頼性が極めて高くしかも故障なしで長時間にわたって作動することができなければならない。

発明の概要の項で説明したように、例えば１０秒以上のオーダーのマイクロ波源の長時間にわたる中断により、以下の多くの理由で合成プロセスの非可逆的なロスが生じる場合がある。
迅速な冷却およびダイヤモンド材料と下に位置する支持基板との熱膨張率の不一致の結果としてダイヤモンドが析出される支持基板からのダイヤモンドの離層、
動作圧力での再始動の困難をもたらすとともに潜在的に材料の割れをもたらす非制御状態の冷却、および
合成プロセスの再始動後に不安定性をもたらす大きな圧力スイング。

高周波数・高電力マイクロ波装置は、代表的には、真空管設計に基づいており、マグネトロンが当該技術分野において最も一般的に用いられている。マグネトロンの一部分の略図が図１に示されている。マグネトロンは、中央カソードフィラメントＣＦおよび電子的に隔離されたアノードブロックＡを有し、この装置全体は、静的磁石または電磁石によって提供される磁界中に設けられる。

標準動作中、フィラメントは、熱電子放出を刺激するよう加熱され、適当に高い電圧がフィラメントとアノードとの間に印加され、それによりフィラメントとアノードとの間に電流が生じる。電子の経路が磁石に起因して得られる外部磁界によって曲げられるので、電子は、アノードキャビティの各々内で振動を引き起こし、マグネトロン出力周波数は、キャビティの寸法形状によって定められる。この動作モード（πモード）における電界が図２（ａ）に示されている。クリストロンなどのようなマグネトロンは、電子バンチングを用いて電子走行時間に対して不敏感性であるＲＦ出力を達成する。しかしながら、電流がカソードからアノードに流れる前であっても（ハル（Hull）しきい値）、フィラメントに近接して位置する電子の分布が存在するであろう。電流の流れを達成するのに必要な電圧は、電子の正確なバンチングで決まる。

マグネトロンには、作動中に多種多様な故障が生じる場合があり、かかる故障としては以下が挙げられるが以下には限定されない。
モーディング（望ましくないモードでの振動‐図２（ｂ）参照）、
マグネトロン内における残留ガスと関連したカソードとアノードとの間のアーク発生（これは、大きなアノード電流スパイクを生じさせる）、
フィラメントの内部のアーク（誘導加熱器のコイル相互間）、および
マグネトロンの寿命の終わり、例えば熱クリープ／疲労に起因した約１０，０００時間後におけるフィラメントの破損。

これら故障のうちの任意のものの結果として、マイクロ波出力電力がゼロとなり、それ故ダイヤモンド合成プロセスの中断が生じる。マグネトロン／磁石系の注意深い選択およびセットアップによってこれら故障の頻度を減少させることが可能である。例えば、故障を減少させるには、最適実務真空コンディショニングおよびシーリング、最適導波路マッチング（安定性を得るためであって必ずしも効率のためではない）、および最適化された磁石電流およびフィラメント温度を用いるのが良く、ただし、アーク抵抗およびπ‐１モード抵抗がある程度相互に両立しがたいという議論がなされる可能性がある。しかしながら、かかる全ての予防措置の採用にもかかわらず、実際問題として、動的高電力真空装置の故障を完全になくすことは不可能である。

故障を完全にはなくすことができないので、ダイヤモンド合成プロセスのための最大堅牢性を得るよう設計されたマイクロ波システムは、ダイヤモンド合成プロセスを非可逆的に中断させることのない時間フレーム内で、すなわち、１０秒未満で、理想的には１秒未満でこれら故障から回復することができるという恩恵を受ける。この問題に取り組むことは、効率、信頼性、およびラン‐トゥ‐コンプリーション・メトリックス（run-to-completion metrics）を高める上で重要である。

図３は、本発明の一実施形態によるマイクロ波発生器システムの基本コンポーネントの略図である。マイクロ波発生器システムは、
化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するのに適した動作電力出力でマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器ユニットと、
結果として動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらすマイクロ波発生器ユニットの故障を検出する故障検出システムと、
検出中の故障に応答してマイクロ波発生器ユニットを再始動して動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらしたマイクロ波発生器ユニットの故障後１０秒未満、８秒未満、６秒未満、４秒未満、２秒未満、１秒未満内の期間で動作電力出力または周波数を回復させるよう構成された再始動システムとを含む。

マイクロ波発生器ユニットは、少なくとも１ｋＷ、少なくとも２ｋＷ、少なくとも３ｋＷ、または少なくとも４ｋＷ、かつ／あるいは１００ｋＷ未満、８０ｋＷ未満、６０ｋＷ未満、または４０ｋＷ未満および／またはこれら上の値と下の値の任意の組み合わせの動作電力出力を生じさせるよう構成されているのが良い。正確な電力範囲は、１つには、動作周波数で決まり、すなわち、２．４５ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの動作周波数に関し、電力は、好ましくは、少なくとも１ｋＷ、少なくとも２ｋＷ、または少なくとも３ｋＷかつ２０ｋＷ未満、１５ｋＷ未満、１０ｋＷ未満、または８ｋＷ未満の範囲にあり、これに対し、８９６ＭＨｚ±３０ＭＨｚの動作周波数に関し、電力は、好ましくは、少なくとも１０ｋＷ、少なくとも１５ｋＷ、少なくとも２０ｋＷ、または少なくとも２５ｋＷかつ１００ｋＷ未満、８０ｋＷ未満、７０ｋＷ未満、または６０ｋＷ未満の範囲にある。かかるマイクロ波発生器ユニットは、代表的には、マグネトロンから成る。さらに、マイクロ波発生器ユニットは、直流スイッチング方式電源ユニットまたはリニア電源ユニットから成るのが良い。

マイクロ波発生器ユニット故障の２つの種類がダイヤモンド合成プロセスに関して重要であることが判明し、かかる２つの種類は次の通りである。
様々な起源の一般的な管アーク発生故障、および
自然に起こる場合があり（まれである）または発生器の始動または再始動中に起こる場合がある（通例である）π‐１振動モード故障。

したがって、本発明の実施形態による故障検出システムは、これら種類の故障のうちの少なくとも一方、好ましくは両方を検出するよう構成されているのが良い。

管アーク発生故障は、アノード電流スパイクによって検出できる。先行技術のマイクロ波発生器は、ある種のアノード過剰電流保護方法、換言すると、アークを検出する手法を有するが、これらマイクロ波発生器は、一般に、少なくとも短時間フレームでは再設定可能ではない。先行技術のマイクロ波発生器の中には、高電圧ヒューズを用いるものがあり、高電圧源をアースに接続する手動で再設定可能な過剰電流リレーまたは継電器を有するものもある。アノード電流スパイクは、ＳＭＰＳＵ（スイッチング方式電源ユニット）マイクロ波発生器を用いてもそのマイクロセカンドオーダーである極めて迅速な動作停止時間に起因して視認するのが容易ではない。これを視認するためにはかなり高いサンプリングレートが必要であり、典型的な１ｋＨｚサンプリングレートは、過渡的アノード電流スパイクを見逃す傾向がある。この問題を回避するためには、故障検出システムは、アノード電流スパイクを検出するようにするために１ｋＨｚを超えるサンプリングレートを提供するよう再構成されるのが良い。

π‐１振動モード故障は、
π‐１振動モードの周波数に同調させたアンテナ、
基本πモードの周波数に同調させたアンテナ、
カソード電圧しきい値を超えるカソード電圧の上昇の検出、
アノード電圧しきい値を下回るアノード電圧の減少の検出、および
しきい値を下回るカソード電圧とアノード電流の比の増大の検出
のうちの少なくとも１つによって検出されるのが良い。

例えば、π‐１振動モード故障は、カソード電圧がカソード電圧しきい値を上回って上昇するとともにアノード電圧がアノード電圧しきい値を下回って下降した結果としてカソード電圧とアノード電流の比の増大を検出することによって検出されるのが良い。

再始動システムは、次のステップ、すなわち、
マイクロ波発生器ユニット中のフィラメント電流を標準動作フィラメント電流値を超えて増大させてマイクロ波発生器ユニットのフィラメントを昇温させるステップ、
アノード‐カソード高電圧を標準動作レベルに向かって一定比率で増減させるステップ、および次に、
フィラメント電流を標準動作フィラメント電流値まで減少させ、それにより上述の期間内で標準動作条件に戻すステップを順番に実施することによって管アーク発生故障に応答するよう構成されるのが良い。

さらに、再始動システムは、次のステップ、すなわち、
あらかじめ設定された時間の間、カソード電圧がしきい値を上回るとともに／あるいはアノード電流がしきい値を下回っている動作条件を維持するステップ、および次に、
管アーク発生故障があるかどうかについて上述のステップの順番を実施するステップを順番に実施することによってπ‐１振動モード故障に応答するよう構成されるのが良い。

管アーク発生故障およびモード故障ならびにマイクロ波発生器および関連のダイヤモンド合成プロセスの迅速な再始動を提供するためにこれら故障をどのように取り扱うかについて以下に詳細に説明する。

一般的な管アーク発生故障

一般的な管アーク発生故障後であってアノードとカソードとの間に加わる高い電圧がゼロに降下した後、マグネトロンフィラメントは、加えられたフィラメント電流によって予熱されなければならず、その後アノードとカソードとの間に高い電圧を再び印加する。適当な「待機」電流でフィラメントを予熱するのが失敗すると、その結果として、望ましくない振動モードまたは完全な振動失敗が起こる。温度は、２，０００ケルビンオーダーのものであり、フィラメントの温度を数十度以内に制御することが重要である。フィラメントの加熱は、本発明に従って迅速な再始動を達成するよう迅速な仕方で実施されなければならない。これは、１５０〜２００秒のオーダーのものである製造業者により推奨されるフィラメント予熱時間とは対照的であり、標準型マイクロ波発生器は、一般に、フィラメント再熱ステップがこれよりも実質的に短い時間で達成されないよう構成されている。

高い電圧がいったん再び印加され、装置が動作中にあるとき、加えられたフィラメント電流を、一定温度を維持するよう減少させなければならない。これは、追加の加熱が放出された電子の自己衝撃により提供されるからである。管が動作中に故障した場合、自己衝撃は、加えられたフィラメント電流が最適待機電流を下回った時点で終わる。フィラメントからの高い放射性熱損失と代表値として５０Ｈｚの待機電流への時間のかかる回復の組み合わせの結果として、フィラメントは、最適動作温度を下回る場合がある。フィラメント温度が低すぎる場合（公称値よりも約２０〜４０度低い）、管が再始動時に（π‐１）モードに合わせて始まる蓋然性が高い。温度が高いと、マグネトロンの効率および寿命が実質的に減少する場合があり（主として、フィラメントの破損によって）、マグネトロンがアーク発生を生じやすくなる。

検査中、フィラメント温度は、管故障後に迅速な再始動を達成する上で極めて重要であることが判明した。電源の時定数は、待機フィラメント電流の迅速な戻り、高電圧の増加、および最終的な印加されたフィラメント電流の減少に合わせて最適化されている。かかる手順は、図４に示されており、図４は、マイクロ波発生器での管アーク発生故障から１．２秒以内に動作条件に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。トレースは、上から下へ、フィラメント電流（ＦＣ）、アノード‐カソード高電圧（ＨＴ）、アノード電流（Ａ）、電磁電流（Ｍ）である。０秒時点での故障後、フィラメント電流は、待機レベルまで増大し、高電圧は、故障後約０．３秒一定比率で増減する。次に、フィラメント電流を減少させ、待機動作条件に達する。

π‐１振動モード故障

上述したように、図２（ａ）は、マイクロ波発生器の所望のπ‐動作モードを示す略図であり、これに対して、図２（ｂ）は、マイクロ波発生器の望ましくないπ‐１動作モードを示す略図である。

π‐１モード故障は、アノード電流の減少、カソード電圧の即時増大、およびこれに続く開回路に量的にほぼ同じ電圧のゆっくりとした減少によって外見的に特徴付けられる。π‐１モード故障を幾つかの方法で、すなわち、
π‐１モードの周波数に同調させたアンテナを用いて、
基本（π）モードの周波数に同調させたアンテナを用いて、かつ／あるいは
カソード電圧とアノード電流の比をモニタすることによって検出できる。

πモードかπ‐１モードかのいずれかに同調させたアンテナを用いた最初の２つの方法は、πモードおよびπ‐１モードの周波数の潜在的な類似性に起因して実施が困難な場合がある。これらモードの周波数分離は、マグネトロンの内部寸法および構成に依存しており、かかる周波数分離は、製造業者によって様々であろう。その結果、カソード電圧とアノード電流の比をモニタする第３の方法がπ‐１故障を検出する最も堅実な仕方であると言えることが判明した。

検査中、π‐１モードが短い期間にわたって（代表的には０．１〜０．５秒）続くことができ、その後再始動すると相当な恩恵が得られる。π‐１モードは、フィラメントの電子自己衝撃度を増大させ、それ故、フィラメントを極めて迅速に加熱する作用効果を有し、この効果は、迅速な再始動を達成するのに有利な場合がある。

π‐１故障に続くイベントの順序は、次の通りであり、すなわち、
カソード電圧がしきい値を上回っていること（例えば、＞−１５ｋＶ）、
アノード電流がしきい値未満であること（例えば、小なり１．５Ａ）、
状態があらかじめ設定された時間にわたって維持されること（例えば、＞０．１〜０．５ｓ）、
高い電圧がターンオフされること（故意にまたは過剰電圧限度に達することによって自動的にトリガされるかのいずれか）、
一般的な管故障再始動が高い電圧を再印加することによって開始されること。

しきい値およびタイミングの調整が効果的な作動を可能にする上で重要であり、すなわち、カソード電圧のリップルまたはアノード電流の短時間の減少は、再始動トリガするべきではない。

図５は、上述の方法論を利用してマイクロ波発生器でのπ−１モード故障から１．６秒以内に動作条件に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。トレースは、上から下へ、フィラメント電流（ＦＣ）、アノード‐カソード高電圧（ＨＴ）、アノード電流（Ａ）、電磁電流（Ｍ）である。

一般的な管アーク発生故障およびπ‐１振動モード故障を取り扱う方法を上述したが、好ましい一手法は、これら方法論を組み合わせてマイクロ波システムが両方の種類の故障に対して堅牢であるようにすることである。上述の２つの方式の組み合わせにより、ＣＶＤダイヤモンド合成プロセスの際におけるマグネトロン作動中に遭遇する一般的な故障のための堅牢であってかつ信頼性のある解決策が得られる。この方法論は、多数の順次故障を回復することができる。例えば、図６は、管アーク発生故障およびモード故障の両方を順番に生じた後に動作状態に首尾良く戻されたマイクロ波発生器に関するパラメータトレースを示す図である。トレースは、上から下へ、フィラメント電流（ＦＣ）、アノード‐カソード高電圧（ＨＴ）、アノード電流（Ａ）、電磁電流（Ｍ）である。トレースでは、一般的な管アーク発生故障に続き迅速な再始動が行われる。しかしながら、再始動直後において、マグネトロンは、π‐１モードで振動し始める。このモード故障が検出され、第２の迅速な再始動が高い電圧の除去によって開始され、その後、標準動作条件が高い電圧を再び印加することによって再開される。

極端な場合、迅速スイッチング素子と関連して安定抵抗器を含むステップがとられる場合、アノード故障を数ミリ秒のオーダーに抑制することができる。

上述したようなマイクロ波発生器システムは、化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するのに適したマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システム用の堅牢な電源を提供する。マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムは、
上述のマイクロ波発生器システムと、
空洞共振器を構成するプラズマチャンバと、
マイクロ波発生器システムからのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流れシステムと、
プラズマチャンバ内に設けられていて合成ダイヤモンド材料を成長させるべき基板を支持する基板マウントとを含む。

図７は、マイクロ波プラズマ反応器システムの一例を示している。マイクロ波プラズマ反応器システムは、以下の基本的なコンポーネント、すなわち、プラズマチャンバ２、プラズマチャンバ内に設けられていて、基板３を支持した基板ホルダ４、プラズマチャンバ２内にプラズマ８を生成するマイクロ波発生器６、マイクロ波発生器６からのマイクロ波を誘電体窓１１を通ってプラズマチャンバ２内に送り込むマイクロ波結合構造体１０およびプロセスガスをプラズマチャンバ２中に送り込んだりプロセスガスをプラズマチャンバ２から取り出したりする１つまたは２つ以上のガス入口１２および１つまたは２つ以上のガス出口１４を備えたガス流システムを含む。

基板３は、基板ホルダ４の支持面２０と基板３の支持面２２との間にガス隙間１８を形成するようスペーサワイヤまたはスペーサパッド１６によって基板ホルダ４から間隔を置いて配置されている。さらに、ガス供給システム２４が供給パイプ２６を介してガス隙間１８に結合されており、この供給パイプは、ガス供給システム２４から基板ホルダ４を通って延び、そして基板ホルダ支持面に設けられた１つまたは２つ以上の出口を通ってガスをガス隙間１８中に供給するよう構成されている。基板ホルダ４を冷却するために冷却液供給システム２８もまた設けられている。図７に示されているような形態は、単一のプラズマチャンバがマイクロ波発生器に結合される形態を示しているが、好ましい一形態は、多数のプラズマチャンバを単一のマイクロ波発生器に結合することである。これにより、マイクロ波発生器の発電機能を十分に利用することができる。しかしながら、マイクロ波発生器がその最大電力容量でまたはそれに近い状態で駆動されると、これにより、発生器の故障の恐れが高まる。したがって、現在説明している迅速再始動能力は、かかる形態に特に有用である。

図８は、マイクロ波プラズマ反応器システムを示しており、このマイクロ波プラズマ反応器システムは、シンク８６に結合されたアイソレータ８４を介して単一のマイクロ波発生器８２に結合された２つのマイクロ波プラズマ反応器８０、同調器８８および導波管接合部９０を含み、導波管接合部９０は、マイクロ波プラズマ反応器８０への出力が互いに効果的に結合解除されて１つの反応器から反射して戻されたマイクロ波電力が導波管接合部９０を通って他方の反応器の出力に入るのが阻止されるようにするよう構成されている。導波管接合部９０は、同調器８８から入力されたマイクロ波電力を均等に分割する一方で、出力をプラズマ反応器の各々に対して結合解除し、それにより反射電力が別のプラズマ反応器を横切ってこれに直接入ってクロストークに起因したアンバランスを生じさせるのを阻止するよう極めて正確な幾何学的形態を有している。それと同時に、接合部の幾何学的形状は、バランスの取れた反射電力を同調器８８に送り戻してこれを再使用することができるようなものであることが必要である。最後に、接合部の幾何学的形状は、バランスの取られていない過剰反射電力だけがシンク９２、例えば水負荷中に捨てられるように定められるべきである。かかる形態は、国際公開第２０１２／０８４６５８号パンフレットに詳細に記載されている。

図９は、上述したようなマイクロ波プラズマ反応器システムを用いて合成ダイヤモンド材料の蒸着に関与するステップを示す流れ図である。この方法は、
基板を基板マウント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、
プロセス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を基板上に形成するステップとを含む。

プラズマ合成プロセスと関連して、負荷インピーダンスに対するマグネトロンの動的応答は、問題である場合のあることに注目できる。負荷に対するマグネトロンの応答を考慮した場合、２つの事柄、すなわち、電力プリング（pulling）と周波数プリングが見受けられる。リーケ（Rieke）図は、この関係で互いに異なる負荷に対するマグネトロンの挙動を示している。高品質アイソレータ（サーキュレータ）を用いた場合でも、反射係数の大きさ（０．１オーダーのものである）は、相当な「負荷プリング」を引き起こすのに依然として十分である。導波路の長い区分と組み合わせて、マグネトロンは、反射電力の位相が源周波数の比較的僅かな変化であっても相当に変化する「ロングライン」効果を受ける場合がある。これは、高いＱアプリケータと結合されると、極めて不安定な源／負荷組み合わせをもたらす場合がある。プラズマ負荷は、工業用マイクロ波加熱源用のより従来型の負荷と比較して極めて迅速な応答性を有する。反射電力の「間違った」絶対位相であっても、周波数プリングと電力プリングとの組み合わせは、高い貯蔵エネルギーと結合されると、マイクロ波発生器内にアノード故障の極めて高い出現率を結果としてもたらす場合がある。二重アイソレータ、すなわち、タンデムに配置された２つのサーキュレータの使用は、ある特定のマイクロ波発生器ではアノード故障の出現率を減少させるのに必要である。しかしながら、ある特定のマイクロ波発生器を用いると、１つのサーキュレータで十分な場合がある。理由は、極めて明らかであるとは言えないが、磁石電流回路に対する閉ループ制御に関連づけられる場合がある。直流スイッチング方式電源ユニット（ＤＣ ＳＭＰＳＵ）は、フィルタリング（貯蔵エネルギー）を利用することなく低リップル出力を達成するよう管理することによってこれらの問題のうちの多くを解決する。リニア電源ユニットは、数百ジュールの貯蔵エネルギーを有する場合があるが（大抵の場合、インダクタ内で）、ＤＣ ＳＭＰＳＵは、そのエネルギーをおそらくは１０ジュールに制限することができる。また、電流制限源として動作することによって、潜在的に不安定な電磁電流制御ループで働く際に問題はない。

直線電源により、貯蔵エネルギーは、アークの形態をしたマグネトロン中の消散により「クレータ（crater）」の形成によるフィラメントの相当な損傷を生じる場合があるので、別の問題となる。経時的に、これらクレータは、高温スポットとして働く傾向があり、別のアークイベントを開始させ、最終的にはマグネトロンの時期尚早な損壊をもたらす。貯蔵エネルギーをそらしてこれを負荷中に捨てる「クロウバー（crow-bar）」回路を用いてこれを軽減しようとすることは、部分的にしか効果的ではなく、ただし、再始動をこのように１秒以下で達成できることが実証された。したがって、本発明の実施形態は、リニア電源ユニットか直流スイッチング方式電源ユニットかのいずれかを用いて具体化できるが、直流スイッチング方式電源ユニットが好ましいと考えられる。

上述の説明に照らして、電源ユニット用の最適貯蔵エネルギーが重要な観点であることが明らかである。リニア電源では、リニア電源のインダクタ、キャパシタなどに貯蔵されたエネルギー量は、極めて大きい場合がある（１００ジュールオーダーのもの）。管がアーク発生によって故障すると、貯蔵エネルギーは、アークにより極めて迅速に放出され、フィラメント上の高温スポットを蒸発させるとともに発生する極めて多量の熱に起因して、ガス放出を生じさせ、これら両方は、首尾良い再始動の蓋然性を低下させる場合があり、と言うのは、例えば、吸収されたガスがアーク発生の恐れを増大させ、しかもフィラメントの損傷が深刻でありかつ損傷とともに吸収ガスの放出が次の再始動の可能性を低くするので、最適レベルを十分に上回る。スイッチング方式電源ユニットは、低い貯蔵エネルギー（１０ジュールオーダーのもの）を有し、少量のエネルギーがフィラメント上の高温スポットなどを除くのを当初助けることができるので、最適レベルに近い。例えば、マイクロ波発生器ユニットは、１００ジュール未満、８０ジュール未満、６０ジュール未満、４０ジュール未満、または２０ジュール未満のエネルギーおよび／または２ジュール超、４ジュール超、６ジュール超、または８ジュール超のエネルギーおよび／またはこれら上限と下限の任意の組み合わせを貯蔵した電源ユニットを有するのが良い。

安定抵抗器もまた有利であると言える。抵抗器の値を選択して代表的には短絡（アーク）の場合に電源ユニットから電圧の例えば１０％を降下させることによって、エネルギーの大部分が抵抗器内に堆積される。「クロウバー」回路（例えば、イグナイトロン）もまた、エネルギーをそらすために使用できる。イグナイトロンは、大きな電流／電圧を迅速に切り替えることができる水銀を利用した真空管装置である。イグナイトロンは、マグネトロンと並列状態で構成でき、アークが発生した場合、イグナイトロンをオンに切り替え、エネルギーの大部分を、フィラメントを介してではなくイグナイトロンを介して大地に捨てる。トライオード／テトロードもまたリニア発生器内の高電圧スイッチとして使用できる。これらは、ＳＭＰＳＵよりもかなり迅速に動作し、安定抵抗器と組み合わせると、数ミリ秒オーダーのアーク回復時間を示した。したがって、マイクロ波発生器ユニットは、故障が検出されると、貯蔵エネルギーをそらすかかる回路を含むのが良い。とは言うものの、スイッチング方式電源では、貯蔵エネルギーの量は、任意の時点において、リニア電源の場合よりも極めて小さく、したがって、エネルギーの向きを変えるのにスイッチは必要ではない。事実、少量のエネルギーがフィラメントの永続的な損傷を生じさせないで小さな高温スポットを減少させるのを助けるので、少量のエネルギーが有益であることが判明した。

本発明を好ましい実施形態に関して具体的に図示すると共に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく形態および細部における種々の変更を実施できることは当業者には理解されよう。例えば、ＣＶＤダイヤモンド合成との関連で本発明を説明したが、マイクロ波発生器システムは、高電力マイクロ波、長いプロセス時間を必要とするとともにＣＶＤプロセスにおける不安定性および／または中断に敏感な他のＣＶＤプロセスにおいても使用できることが想定される。

Claims (19)

1. マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長（ＭＰＥＣＶＤ）システム用のマイクロ波発生器システムであって、前記マイクロ波発生器システムは、
   化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するのに適した動作電力出力でマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器ユニットと、
   結果として動作電力出力の減少または周波数の変化をもたらす前記マイクロ波発生器ユニットの故障を検出する故障検出システムと、
   検出中の故障に応答して前記マイクロ波発生器ユニットを再始動して前記動作電力出力の減少または前記周波数の変化をもたらした前記マイクロ波発生器ユニットの前記故障後１０秒未満内の期間で前記動作電力出力または前記周波数を回復させるよう構成された再始動システムとを含む、マイクロ波発生器システム。
2. 前記マイクロ波発生器ユニットは、少なくとも１ｋＷ、少なくとも２ｋＷ、少なくとも３ｋＷ、または少なくとも４ｋＷ、かつ１００ｋＷ未満、８０ｋＷ未満、６０ｋＷ未満、または４０ｋＷ未満、の動作電力出力を生じさせるよう構成されている、請求項１記載のマイクロ波発生器システム。
3. 前記マイクロ波発生ユニットは、マグネトロンを含む、請求項１または２記載のマイクロ波発生器システム。
4. 前記マイクロ波発生器ユニットは、直流スイッチング方式電源ユニットを含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
5. 前記マイクロ波発生器ユニットは、１００ジュール未満、８０ジュール未満、６０ジュール未満、４０ジュール未満、または２０ジュール未満のエネルギーを貯蔵する電源ユニットを含む、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
6. 前記電源ユニットは、２ジュール超、４ジュール超、６ジュール超、または８ジュール超のエネルギーを貯蔵する、請求項５記載のマイクロ波発生器システム。
7. 前記マイクロ波発生器ユニットは、リニア電源ユニットを含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
8. 前記マイクロ波発生器ユニットは、故障が検出されると貯蔵エネルギーをそらす回路を含む、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
9. 前記故障検出システムは、
   管アーク発生故障、および
   π‐１振動モード故障
   のうちの少なくとも一方を検出するよう構成されている、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
10. 前記故障検出システムは、前記管アーク発生故障と前記π‐１振動モード故障の両方を検出するよう構成されている、請求項９記載のマイクロ波発生器システム。
11. 前記管アーク発生故障は、アノード電流スパイクによって検出される、請求項９または１０記載のマイクロ波発生器システム。
12. 前記π‐１振動モード故障は、
    前記π‐１振動モードの周波数に同調させたアンテナ、
    基本πモードの周波数に同調させたアンテナ、
    カソード電圧しきい値を超えるカソード電圧の上昇の検出、
    アノード電圧しきい値を下回るアノード電圧の減少の検出、および
    しきい値を下回るカソード電圧とアノード電流の比の増大の検出
    のうちの少なくとも１つによって検出される、請求項９〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
13. 前記π‐１振動モード故障は、前記カソード電圧が前記カソード電圧しきい値を上回って上昇するとともに前記アノード電圧が前記アノード電圧しきい値を下回って下降した結果としてカソード電圧とアノード電流の比の前記増大を検出することによって検出される、請求項１２記載のマイクロ波発生器システム。
14. 前記再始動システムが検出中の前記故障に応答して前記マイクロ波発生器ユニットを再始動して前記動作電力出力を回復させるのに要する期間は、８秒未満、６秒未満、４秒未満、２秒未満、または１秒未満である、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
15. 前記再始動システムは、次のステップ、すなわち、
    前記マイクロ波発生器ユニット中のフィラメント電流を標準動作フィラメント電流値を超えて増大させて前記マイクロ波発生器ユニットの前記フィラメントを昇温させるステップ、
    アノード‐カソード電圧を標準動作レベルに向かって一定比率で増減させるステップ、および次に、
    前記フィラメント電流を前記標準動作フィラメント電流値まで減少させ、それにより上述の前記期間内で標準動作条件に戻すステップを順番に実施することによって管アーク発生故障に応答するよう構成されている、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
16. 前記再始動システムは、次のステップ、すなわち、
    あらかじめ設定された時間の間、カソード電圧がしきい値を上回るとともに／あるいはアノード電流がしきい値を下回っている動作条件を維持するステップ、および次に、
    請求項１５記載のステップの前記順番を実施するステップを順番に実施することによってπ‐１振動モード故障に応答するよう構成されている、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
17. 化学気相成長プロセスにより合成ダイヤモンド材料を作製するマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムであって、前記マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムは、
    請求項１〜１６のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システムと、
    空洞共振器を構成するプラズマチャンバと、
    前記マイクロ波発生器システム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んで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、
    前記プラズマチャンバ内に設けられていて合成ダイヤモンド材料を成長させるべき基板を支持する基板マウントとを含む、マイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システム。
18. 前記マイクロ波発生器システムは、少なくとも２つのプラズマチャンバに結合されている、請求項１７記載のマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システム。
19. 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１７または１８記載のマイクロ波プラズマ強化型化学気相成長システムを用意するステップと、
    基板を前記基板マウント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を前記基板上に形成するステップとを含む、方法。

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