JP5746367B2 - 合成ダイヤモンド材料を製造するためのマイクロ波プラズマ反応器 - Google Patents
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Description
周波数fの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を含み、
底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、マイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバを含み、空胴共振器は、底部から頂板まで延びる中心対称回転軸線を有し、頂板は、中心対称回転軸線を横切って設けられ、
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を含み、
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システムを含み、
プラズマチャンバ内に設けられると共に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支持面を備えた基板ホルダを含み、
空胴共振器は、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定して、底部を頂板との間で周波数fでTM011共振モードを支える高さを有するよう構成され、
空胴共振器は、更に、底部から測定して空胴共振器の高さの50%未満の高さ位置で測定して、空胴共振器の高さと空胴共振器の直径の比が0.3〜1.0である条件を満たす直径を有するよう構成され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。
底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、マイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成プラズマチャンバを含み、空胴共振器は、底部から頂板まで延びる中心対称回転軸線を有し、頂板は、中心対称回転軸線を横切って設けられ、
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を含み、
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システムを含み、
プラズマチャンバ内に設けられると共に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支持面を備えた基板ホルダを含み、
空胴共振器は、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定して、400MHz〜500MHz、800MHz〜1000MHz又は2300MHz〜2600MHzの周波数では、底部と頂板との間にTM011共振モードを支える高さを有するよう構成され、
空胴共振器は、更に、底部から測定して空胴共振器の高さの50%未満の高さ位置で測定して、空胴共振器の高さと空胴共振器の直径の比が0.3〜1.0である条件を満たす直径を有するよう構成され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。
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、
基板上に合成ダイヤモンド材料を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)チャンバ内の共振モード純度を向上させると共にCVDダイヤモンド合成に必要な長時間にわたる動作中、多くのモード相互間の複雑な相互作用を回避すること。例えば、小径チャンバは、好ましくない高次モードを刺激するCVDダイヤモンド成長面中の僅かな温度不安定性の問題を軽減することができる。
(ii)特定の比較的小径範囲内で形成される空胴は、基板のところに局所的な高次非対称モードの生成を可能にし、それにより基板の頂部コーナー部のところに極めて強力な半径方向E場を形成することなく、基板を横切るE場を一様にすることができると考えられる。
(iii)比較的低いQファクタを有する小径空胴は、開始及び調整が容易であり、マイクロ波源周波数の変動の影響をそれほど受けない。
周波数fの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を含むのが良く、
底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、マイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバを含むのが良く、空胴共振器は、底部から頂板まで延びる中心対称回転軸線を有し、頂板は、中心対称回転軸線を横切って設けられ、
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を含むのが良く、
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システムを含むのが良く、
プラズマチャンバ内に設けられると共に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支持面を備えた基板ホルダを含むのが良く、
空胴共振器は、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定して、底部を頂板との間で周波数fにおいてTM011共振モードを支える高さを有するよう構成され、
空胴共振器は、更に、底部から測定して空胴共振器の高さの50%未満、40%未満、30%未満、20%未満又は10%未満の高さ位置で測定して、空胴共振器の高さと空胴共振器の直径の比が0.3〜1.0である条件を満たす直径を有するよう構成されている。
とは言うものの、シルヴァ等は、アンテナを用いた電場(容量)結合が最も普及していること及び磁気(誘導)結合が結合できる電力の制限のために稀にしか用いられていないということを明らかにしている。本発明者は、商業的に有用な工業プロセスのために高いCVDダイヤモンド成長速度を達成するために大電力での動作に関心を持っている。したがって、シルヴァ等の開示に続き、当業者は、容量結合の使用を教示された。この教示とは対照的に、本発明者は、比較的小型で且つ幅の狭いチャンバ設計を利用した場合、誘導結合を用いた場合であっても大電力密度を達成することができるということを認識した。さらに、誘導結合を用いることによって、容量結合と関連した上述の問題を軽減することができる。したがって、誘導結合と小型で幅の狭いプラズマチャンバの組み合わせは、大電力密度及びかくして高CVDダイヤモンド成長速度を達成する一方で、空胴共振器内の上側最大振幅のところでのプラズマ生成の問題を軽減する上で有利であることが判明した。
(i)チャンバの底部と頂板との間でTM011共振モードを支えるよう設計された小型で且つ幅の狭いチャンバが有利である。
(ii)リング形誘電体窓を経てマイクロ波電力をチャンバ内に誘導結合するのが良い。好ましくは、リング形誘電体窓は、プラズマチャンバの端壁に設けられ、その結果、マイクロ波は、プラズマチャンバの軸線に実質的に平行な方向でプラズマチャンバ内に結合されるようになる。
(iii)チャンバは、チャンバの上方部分内の高電場最大振幅を少なくとも部分的に打ち消すよう構成されているのが良い。これは、導電性円錐形表面を用いることにより又は変形例としてチャンバの上方部分の直径を大きくしてチャンバの上方部分内の打ち消しモードを支えることによって達成できる。軸方向に設けられたガス入口も又、上方アンチモードへのプラズマジャンプを阻止するのを助けることができる。したがって、円錐又はテーパは、軸方向に差し向けられたガス流を利用する場合には必要不可欠であるという訳ではない場合がある。
Claims (17)
- 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、
底部、頂板及び前記底部から前記頂板まで延びる側壁を備えていて、マイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバを含み、前記空胴共振器は、前記底部から前記頂板まで延びる中心対称回転軸線を有し、前記頂板は、前記中心対称回転軸線を横切って設けられ、
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マイクロ波結合構造体を含み、
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を含み、
前記プラズマチャンバ内に設けられると共に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支持面を備えた基板ホルダを含み、
前記空胴共振器は、前記プラズマチャンバの前記底部から前記頂板まで測定して、前記底部を前記頂板との間で400MHz〜500MHz、800MHz〜1000MHz又は2300MHz〜2600MHzの周波数においてTM011共振モードを支える高さを有するよう構成され、
前記空胴共振器は、更に、前記底部から測定して前記空胴共振器の前記高さの50%未満の高さ位置で測定して、前記空胴共振器の高さと前記空胴共振器の直径の比が0.3〜1.0である条件を満たす直径を有するよう構成され、
前記空胴共振器は、使用中において前記空胴共振器内に生成されたプラズマにさらされるよう構成された内壁を有し、前記内壁は、前記空胴共振器内の前記内壁の全表面積の少なくとも75%を占める金属製の表面を有し、
前記内壁の一部分は、1つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓によって形成され、前記環状誘電体窓は、前記空胴共振器内の前記内壁の全表面積の25%以下を占める、マイクロ波プラズマ反応器。 - 前記空胴共振器の高さと直径の前記比は、0.4〜0.9又は0.5〜0.8である、請求項1記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記プラズマチャンバの前記底部から前記頂板まで測定した前記空胴共振器高さは、
400MHz〜500MHzのマイクロ波周波数fでは、300mm〜600mm、300mm〜500mm若しくは400mm〜500mm、
800MHz〜1000MHzのマイクロ波周波数fでは、150mm〜300mm、150mm〜250mm若しくは200mm〜250mm、又は
2300MHz〜2600MHzのマイクロ波周波数fでは、50mm〜110mm、50mm〜90mm若しくは70mm〜90mmである、請求項1又は2記載のマイクロ波プラズマ反応器。 - 前記空胴共振器直径は、
400MHz〜500MHzのマイクロ波周波数fでは、400mm〜1000mm、500mm〜900mm若しくは600mm〜800mm、
800MHz〜1000MHzのマイクロ波周波数fでは、200mm〜500mm、250mm〜450mm若しくは300mm〜400mm、又は
2300MHz〜2600MHzのマイクロ波周波数fでは、70mm〜180mm、90mm〜160mm若しくは110mm〜150mmである、請求項1〜3のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。 - 前記空胴共振器の容積は、
400MHz〜500MHzのマイクロ波周波数fでは、0.018m3〜0.530m3、0.062m3〜0.35m3、0.089m3〜0.270m3若しくは0.133m3〜0.221m3、
800MHz〜1000MHzのマイクロ波周波数fでは、0.002m3〜0.06m3、0.007m3〜0.04m3、0.01m3〜0.03m3若しくは0.015m3〜0.025m3、又は
2300MHz〜2600MHzのマイクロ波周波数fでは、9.8×10-5m3〜2.9×103m3、3.4×10-4m3〜1.96×103m3、4.9×10-4m3〜1.47×103m3若しくは7.35×10-4m3〜1.23×103m3である、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。 - 前記空胴共振器は、円筒形である、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。
- 前記空胴共振器の上方部分は、前記空胴共振器の下方部分よりも大きな直径を有し、前記空胴共振器の前記上方部分は、使用中における前記空胴共振器の前記上方部分内の高電場最大振幅を少なくとも部分的になくす少なくとも1つの二次マイクロ波モードを支えるよう構成されている、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。
- 前記空胴共振器の下方直径と上方直径の比は、0.4を超え且つ1未満であり、前記下方直径は、前記底部から測定して前記空胴共振器の前記高さの50%未満の高さのところで測定され、前記上方直径は、前記底部から測定した前記空胴共振器の前記高さの50%を超える高さのところで測定されている、請求項7記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記空胴共振器の下方直径と上方直径の前記比は、0.5〜0.9、0.6〜0.9又は0.7〜0.8である、請求項8記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 400MHz〜500MHzのマイクロ波周波数fでは、前記下方直径は、400mm〜900mm、500mm〜900mm、600mm〜800mm若しくは650mm〜800mmであり、前記上方直径は、600mm〜1000mm、700mm〜1000mm、700mm〜900mm若しくは800mm〜900mmであり、
800MHz〜1000MHzのマイクロ波周波数fでは、前記下方直径は、200mm〜450mm、250mm〜450mm、300mm〜400mm若しくは330mm〜400mmであり、前記上方直径は、300mm〜500mm、350mm〜500mm、350mm〜450mm若しくは400mm〜450mmであり、又は
2300MHz〜2600MHzのマイクロ波周波数fでは、前記下方直径は、70mm〜160mm、90mm〜160mm、100mm〜150mm若しくは120mm〜150mmであり、前記上方直径は、100mm〜200mm、120mm〜200mm、130mm〜170mm若しくは150mm〜170mmである、請求項8又は9記載のマイクロ波プラズマ反応器。 - 前記空胴共振器の前記内壁は、前記空胴共振器内の前記内壁の全表面積の少なくとも80%、85%、90%又は95%を占める金属製の表面を有する、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。
- 前記金属製表面は、アルミニウム又はアルミニウムの重量で少なくとも80%、90%、95%又は98%を含むアルミニウム合金で作られている、請求項11記載のマイクロ波プラズマ反応器。
- 前記環状誘電体窓は、前記空胴共振器内の前記内壁の全表面積の20%以下、15%以下、10%以下又は5%以下を占める、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。
- 前記マイクロ波プラズマ反応器は、導電性表面を更に有し、前記導電性表面は、前記導電性表面を備えていないとした場合の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上で前記プラズマチャンバ内に配置されている、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。
- 前記導電性表面は、円錐の形をしている、請求項14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15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15又は16記載のマイクロ波プラズマ反応器。
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