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

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 Download PDF

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Description

本発明は、化学気相成長技術を利用して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、即ち、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、技術及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。但し、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（人造ダイヤモンド又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及び水素原子を発生させるためにガス種を含む炭素及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、酸素アセチレン炎及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、電極腐食及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、高純度アセチレン及び酸素の使用は、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、成長面積及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胴共振器を形成するよう構成される。炭素源及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。水素原子も又、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及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。
種々の考えられる反応器設計例をまとめて記載したシルヴァ等（Silva et al.）による有益な概要的論文が上述のジャーナル・オブ・フィジックスに記載されている（これについては、「マイクロウェーブ・エンジニアリング・オブ・プラズマ‐アシステッドＣＶＤリアクターズ・フォア・ダイヤモンド・デポジション（Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condens. Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２０２を参照されたい）。この論文の記載から分かることとして、純粋に電磁学的観点からは、３つの主要な設計上の基準、即ち、（ｉ）共振モードの選択、（ｉｉ）結合構造体の選択（電気又は磁気）及び（ｉｉｉ）誘電体窓の選択（形状及び配置場所）がある。
基準ポイント（ｉ）に関し、シルヴァ等により、横磁場（ＴＭ）モード及び特に円筒形ＴＭ0mnモードが最も適していることが突き止められている。この表示では、最初の添え字（この場合、０）は、電場構造が非対称であり、それにより、円形プラズマが生じることを示している。添え字ｍ，ｎは、それぞれ、半径方向及び軸方向における電場中の最小振幅の数を表している。シルヴァ等は、先行技術の反応器では多種多様なモードが用いられていることを示しており、かかるモードとしては、ＴＭ011、ＴＭ012、ＴＭ013、ＴＭ020、ＴＭ022、ＴＭ023及びＴＭ031が挙げられる。
基準ポイント（ｉｉ）に関し、シルヴァ等の記載によれば、アンテナを用いた電場（容量）結合が最も広く用いられており、磁気（誘導）結合が用いられるのは結合できる電力が制限されるので稀であることが分かる。とは言うものの、ＴＭ012モードを支えるために磁気結合を利用するものとして市販のＩＰＬＡＳ反応器が開示されている。
基準ポイント（ｉｉｉ）に関し、シルヴァ等は、電気結合方式と磁気結合方式の両方と関連した必要不可欠な要素が、全体として石英で作られていて電磁場による励起時にプラズマを生成するよう反応ガスが送り込まれる空胴共振器内に減圧ゾーンを画定する誘電体窓であることを記載している。石英窓の使用により、ユーザが単一の電場最大振幅領域（最大電場の）を選択してこの領域内でのみプラズマを点火することができ、プラズマチャンバ内の他の最大電場のところの寄生プラズマの生成を回避することができるということが記載されている。石英窓は、従来通り析出が生じる基板上及び基板に隣接して配置された電場最大振幅周りに配置されたベルジャー（bell-jar）の形態をしている。他の誘電体窓構成例も又開示されている。例えば、ほぼ空胴共振器中間平面のところで反応器チャンバを横切って配置されたプレートの形態をした誘電体窓を含むＡＳＴＥＸ反応器が記載され、他方、第２世代のＡＳＴＥＸ反応器が反応器に良好な電力取り扱い性能を与えるようプラズマに直接さらされない石英管の形態をした誘電体窓を有するものとして記載されている。
加うるに、この論文は、先行技術の反応器チャンバの種々の幾何学的形状を開示しており、かかる幾何学的形状としては、ＴＭ012モードを支えるよう設計された円筒形チャンバ、例えばＭＳＵ反応器、ＴＭ013モードを支えるよう設計されたＡＳＴＥＸ反応器又はＴＭ023モード若しくはＴＭ022モードを支えるＬＩＭＨＰ反応器設計例、楕円形チャンバ、例えばＡＩＸＴＲＯＮ反応器及び他の非円筒形チャンバ、例えば基板ホルダとチャンバの頂部との間でＴＭ011モードを支えるものとされている中央円筒形コンポーネント及びＴＭ021モードを支える側方に延びる側部ローブを有する第２世代ＡＳＴＥＸ反応器が挙げられる。第２世代ＡＳＴＥＸ反応器は、ＴＭ011モードの場合であるチャンバの中央区分の上方部分に最大ＥZ場を１つしか備えていないが、ＴＭ021モードの場合に予測される２つの最大ＥZをその下半分に有する。
特許文献に関し、米国特許第６，６４５，３４３号明細書（発明者：フラウンホッファー（Fraunhofer））は、化学気相成長法によるダイヤモンド膜成長を可能にするよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の一例を開示している。この米国特許明細書に記載された反応器は、円筒形プラズマチャンバを有し、このプラズマチャンバの底部には基板ホルダが取り付けられている。基板ホルダ上の基板の温度を制御する冷却装置が基板ホルダの下に設けられている。さらに、ガス入口及びガス出口がそれぞれプロセスガスを供給したり除去したりするためにプラズマチャンバの底部に設けられている。マイクロ波発生器が高周波同軸ラインによりプラズマチャンバに結合されており、このマイクロ波発生器は、プラズマチャンバの上方に位置するその送り出し端部のところが細分され、プラズマチャンバの周囲のところが石英リングの形態をした本質的にリング形のマイクロ波窓に差し向けられている。米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された発明は、リング形マイクロ波窓に焦点を当てており、かかる米国特許明細書は、反応器チャンバ内におけるマイクロ波の結合がマイクロ波窓のリング形表面全体にわたって回転対称の仕方で分布されることを開示している。結合が広い表面全体にわたって分布されるので、高い電場強度がマイクロ波窓のところに生じることなく高いマイクロ波電力レベルを結合することができ、かくして窓放電の危険が減少することが教示されている。
したがって、米国特許第６，６４５，３４３号明細書は、上述のシルヴァ等のジャーナル・オブ・フィジックス論文に記載された３つの設計上の基準のうちの２つ、即ち、結合構造体（磁気）の選択及び誘電体窓（円筒形反応器チャンバの側壁に沿ってぐるりと設けられたリング形誘電体窓）の選択について触れている。米国特許第６，６４５，３４３号明細書は、どの共振モードについて、チャンバが支えるよう設計されるべきであるか及び広い面積にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために大面積基板／ホルダの表面を横切って一様で安定性のある大面積プラズマを達成するよう所望の共振モードを最適に支えるためにどの設計基準がチャンバに適用されるべきであるかについて記載していない。
米国特許第６，６４５，３４３号明細書
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 シルヴァ等（Silva et al.），「マイクロウェーブ・エンジニアリング・オブ・プラズマ‐アシステッドＣＶＤリアクターズ・フォア・ダイヤモンド・デポジション（Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condens. Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２０２
上述の説明及び本明細書において言及した先行技術に照らして、ＣＶＤダイヤモンド合成分野において、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために大面積基板／ホルダの表面を横切って一様且つ安定性のある大面積プラズマを生じさせることがＣＶＤダイヤモンド合成分野において周知の目的であり、この目的を達成しようとする多種多様なプラズマチャンバ設計例及び電力結合構造体が当該技術分野において提案されていることは明らかであろう。しかしながら、大きなＣＶＤ成長面積、良好な一様性、高い成長速度、良好な再現性、良好な電力効率及び／又は低製造費を提供するために先行技術の構成を改良することが目下の要望である。本発明の或る特定の実施形態の目的は、この目下の要望に応えることにある。
本発明の第１の実施形態によれば、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、マイクロ波プラズマ反応器は、
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。
本発明の第２の実施形態によれば、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、マイクロ波プラズマ反応器は、
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。
本発明の第３の実施形態によれば、化学気相成長法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、
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。
本発明の良好な理解を得るため且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。
本発明の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析出させるよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 本発明の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析出させるよう構成された別のマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 本発明の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析出させるよう構成された更に別のマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。
本発明者は、次の有利な技術的作用効果、即ち、大面積ＣＶＤダイヤモンド成長、成長領域全体にわたる良好なＣＶＤダイヤモンド一様性、高い成長速度、良好な再現性、良好な電力効率及び／又は低生産費のうちの１つ又は２つ以上の実現を試みてかかる技術的作用効果を達成するために多数の反応器設計基準を検討した。設計基準としては、（１）共振モード及びチャンバ幾何学的形状、（２）マイクロ波結合構造体、誘電体窓形状及び配置場所及び（３）反応器チャンバ内に生成されるプラズマを安定化する構成が挙げられる。以下において、これら設計基準について説明する。
共振モード及びチャンバ幾何学的形状
本発明の或る特定の実施形態は、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために一様で安定性のある大面積プラズマを生成するために比較的小さな直径を有するプラズマ反応器チャンバを用いるのが有利であるという見た目の直感に反する知見に基づいている。
本発明者は、大径チャンバが幾つかの共振モード、又は確かに多くの共振モードを支えることができるということに注目した。さらに、これらモードは互いに相互作用することができるということに注目した。本発明者は、弱い相互作用であっても、これが問題であると考えている。寄生モードが主共振モードの数パーセントであってもこれについて存在する場合、プラズマの一様性を乱すのに十分である場合がある。本発明者は、プラズマチャンバの直径が大きすぎる場合、これによりプラズマの安定性が貧弱になる場合があり、プラズマが「ジャンプ」する傾向があるということを見出した。しかしながら、他方、チャンバ直径が小さすぎるようになった場合、プラズマは、圧縮状態になって基板を横切って非一様になる。
さらに、本発明者は、特定の比較的小径範囲内に形成された空胴共振器（以下、単に「空胴」という場合がある）により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ている。注目されるべきこととして、これら局所高次非対称モードは、チャンバを横切って全体として支えられると共に望ましくないことに空胴共振器の一次マイクロ波モードを阻害する上述の破壊的寄生モードとは異なっている。
さらに又、本発明者は、比較的低いＱファクタを有する空胴共振器を提供することが有利であると考えている。空胴共振器のＱファクタは、１サイクル当たりのエネルギー貯蔵／エネルギー散逸比である。本発明者は、ＣＶＤダイヤモンド合成に関し、使用中における（即ち、プラズマがプラズマチャンバ内に存在している状態で）プラズマチャンバのＱファクタが比較的に低くあるべきである（例えば、１０００未満、５００未満、２００未満、１００未満、８０未満、５０未満、３０未満又は２０未満）と考えている。すなわち、空胴共振器は、共振性が弱く且つ減衰度が高く、エネルギー損失度が高い。かかる空胴共振器は、これらが共振する周波数範囲が広く、かくして広い帯域幅で動作する。チャンバの容積並びにプラズマの体積及び導電性を変更することによりＱファクタを変更するのが良い。大きな空胴中の小さく且つ弱い導電性プラズマは、小さな空胴内の大容積プラズマよりも高いＱファクタを有すると見込まれる。したがって、プラズマ体積の大きい小さい空胴は、この追加の理由で好ましいと考えられる。この条件は、比較的小さな直径のプラズマチャンバを提供することによって最も容易に達成できる（というのは、定常マイクロ波を支えるのに空胴の高さを選択しなければならないからである）。
マイクロ波空胴のＱファクタは、幾つかの理由で重要であると言える。第１に、マイクロ波源は、周波数スペクトルにわたって電力を生じさせ、源ごとで異なる。反応器が整合ネットワークに対してなんら他の調整を行わないでその周波数範囲全体にわたって動作することができるようにするためには低Ｑファクタが有利な場合があることが明らかである。第２に、プラズマそれ自体は、共振周波数及びチャンバのその無負荷状態からの整合に影響を及ぼす。というのは、弱電離状態のプラズマであってもかかるプラズマの複素誘電率が非電離ガスの複素誘電率とは異なっているからである。最適には、整合ネットワークに対して調整を行う必要なく、プラズマを空洞内で励起させることができる妥協策を見出す必要がある。というのは、整合ネットワークは、通常動作中に設定されるからである。第３に、高Ｑ空胴（及び整合ネットワーク）は、周波数につれて反射相及び反射の大きさに大幅な変化を示すことになる。このことは、源周波数がどれほど大きな電力がプラズマ中に結合されるかを決定する上で重要になることを意味している。源の周波数の変化は、様々な理由で起こる場合があり、高Ｑ空胴は、製造公差の僅かな違いについても許容度が小さい。
上述のことを念頭に置いて、本発明者は、以下の有利な技術的作用効果を提供するためには比較的小さい直径の空胴を用いることが有利であると考えている。
（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。
かかる比較的小径の空胴は又、プラズマ不安定性をもたらすチャンバ内で生じる複雑且つ相互作用ガス対流の問題を緩和するのに役立つ。すなわち、本発明者は、小径空胴がプラズマチャンバ内でプラズマチャンバ内のガス流とマイクロ波電力の両方の面で制御システムに簡単さと容易さを提供し、その結果、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために一様で安定した大面積プラズマを生成して維持することができると考えている。それと同時に、空胴の直径は、プラズマが圧縮状態になると共に基板を横切って非一様になるほど小さくあるべきではない。
したがって、上述の要件を満たすためにチャンバが実際に備えなければならない形状及び寸法がどのようなものかについての疑問が残る。
上述の説明に関し、チャンバの形状及び寸法は、（ｉ）マイクロ波の周波数、（ｉｉ）所望の定常波モード及び（ｉｉｉ）チャンバについての所望のＱファクタで決まるであろう。
マイクロ波周波数に関し、英国で用いられている発電機の標準周波数が２つ存在し、即ち、２４５０ＭＨｚ及び８９６ＭＨｚである（ヨーロッパ大陸、アメリカ大陸及びアジア大陸では、低周波数標準は、９１５ＭＨｚであり、オーストラリアでは、低周波数標準は、９２２ＭＨｚである）。周波数２４５０ＭＨｚから８９６ＭＨｚに２．７分の１にすることにより、モード構造が所与の場合、ＣＶＤ析出直径について次数２．７のスケールアップが可能である。したがって、低標準周波数は、大面積析出にとって好ましい。他の許容帯域の選択、例えば４３３ＭＨｚも又可能である。幾つかの点において、例えば４３３ＭＨｚの低周波数が大面積ＣＶＤダイヤモンド析出を達成する上で有利である。かくして、周波数を８９６ＭＨｚから４３３ＭＨｚに２．０７分の１にすることにより、ＣＶＤ析出直径について２．０７の次数のスケールアップが可能である。
所望のモードに関し、基板のところ又はすぐ上のところに電場のＥZ成分の集中箇所（最大振幅箇所）を作ってこの領域にプラズマを活性化することが望ましいので、横電場モードではなく横磁場モードを用いることが好ましいと考えられる。というのは、横電場モードは、伝搬方向に対して横方向に差し向けられた導電性表面のところに高電場を軸対称に発生させることができないからである。
ＴＭ011モードを用いることが有利であることが判明した。というのは、かかるＴＭ011モードは、ダイヤモンドＣＶＤプラズマ反応器内に実現可能に使用できる最もコンパクトな（小さい）モードであることが判明したからである。ＴＭ011定常波は、ノードがチャンバの中央に位置し、最大振幅が基板上のチャンバの底部のところに位置すると共に最大振幅がチャンバの頂部のところに位置した状態で半波長であるよう形成できる。この低次モードは、高次モードの周波数分離と比較して、他のモードへの広い周波数分離を行うことができ、かくして互いに異なるモード相互間のホッピングの恐れを減少させることができるという追加の利点を有する。したがって、ＴＭ011モードは、この理由でモード純度及び安定性の点においても有利であることが判明した。
ＴＭ011モードに関し、上述の説明を考慮に入れると、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は、
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。
かかる設計は、ＣＶＤダイヤモンド合成のための他の構成よりも大きく且つ一様なプラズマを生成する上で有用であることが判明した。上述した反応器を用いると、直径１５０ｍｍオーダの基板を一様なプラズマで覆い、それにより早い成長速度で領域全体にわたって極めて高品質で一様なＣＶＤダイヤモンド材料を形成することができるということが判明した。驚くべきこととして、多種多様で且つ大抵の場合複雑な反応器設計と比較して、本明細書において説明した外観上コンパクトで且つ単純な設計は、ＣＶＤダイヤモンド合成にとって有利であることが判明した。さらに、本発明は、広い領域にわたって高品質且つ一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成する目的を達成しようとして複雑な幾何学的形状を有する大きなプラズマチャンバの使用に関心が向いていたこの分野における当業者によって採用される全体的方向とは完全に逆である。例えば、シルヴァ等に記載されている先行技術の反応器だけがＴＭ011モードの使用、即ち第２世代のＡＳＴＥＸ反応器を開示している。本発明の設計による反応器は、２つの重要な特徴、即ち、（ｉ）ＴＭ011モードが空胴共振器の底部と頂板との間で（第２世代のＡＳＴＥＸ設計例の場合のように基板テーブルと頂板との間ではなく）支えられるものと定義されていること及び（ｉｉ）空胴共振器の少なくとも下方部分の空胴共振器直径が、空胴共振器高さと空胴共振器直径の比が０．３〜１．０であるような条件を満たすこと（これにより、空胴共振器の直径がＴＭ021モードを支えるよう設計された側方に延びる部分を有する非常に幅の広いチャンバを有するＡＳＴＥＸ設計とは対照的に比較的幅が狭いことが必要である）によって第２世代のＡＳＴＥＸ反応器とは区別される。したがって、ＡＳＴＥＸ設計は、ＴＭ011モードがプラズマチャンバの底部と頂板との間で支えられる幅の狭いコンパクトな空胴共振器を形成する本発明の実施形態の技術的思想とは完全に異なっている。
本発明の或る特定の実施形態では、次の有利な特徴、即ち、（ｉ）プラズマチャンバ内の共振モード純度が向上し、それにより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で制御できない相互作用が制限されること、（ｉｉ）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場を一様にする基板のところの局所的な高次非対称モードの生成に関する制御が向上すること、（ｉｉｉ）ガス流制御が向上すること（例えば、小さい簡単な設計のチャンバは、非一様なＣＶＤダイヤモンド成長をもたらすチャンバ内の好ましくない対流を減少させることができる）及び（ｉｖ）始動及び調整能力が向上すること（例えば、低Ｑファクタ空胴共振器を提供することによって）を提供することが判明した。最初の３つのポイントは、広い領域にわたって高品質の一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成する上で重要であると考えられ、最後のポイントは、堅牢な工業プロセスを提供する上で重要である。
オプションとして、空胴共振器高さと空胴共振器直径の比は、０．４〜０．９又は０．５〜０．８である。例えば、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定した空胴共振器高さは、１５０ｍｍ〜３００ｍｍ、１５０ｍｍ〜２５０ｍｍ又は２００ｍｍ〜２５０ｍｍであるのが良い。さらに、オプションとして、空胴共振器直径は、２００ｍｍ〜５００ｍｍ、２５０ｍｍ〜４５０ｍｍ又は３００ｍｍ〜４００ｍｍであるのが良い。これら寸法は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作のために特に好ましい。しかしながら、空胴共振器高さと空胴共振器直径の比が上述の制限の範囲内にあるようにするための上述の要件は、別の動作周波数、例えば４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの動作周波数についても当てはまる。したがって、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、底部と頂板との間のほぼ円筒形のＴＭ011共振モードをマイクロ波発生器の周波数ｆの±５０ＭＨｚ内の周波数で支える高さを有するよう構成されるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの動作周波数の場合、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定した空胴共振器高さは、５０ｍｍ〜１１０ｍｍ、５０ｍｍ〜９０ｍｍ又は７０ｍｍ〜９０ｍｍであるのが良い。この動作周波数における空胴共振器直径は、７０ｍｍ〜１８０ｍｍ、９０ｍｍ〜１６０ｍｍ又は１１０ｍｍ〜１５０ｍｍであるのが良い。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの動作周波数に関し、プラズマチャンバの底部から頂板まで測定した空胴共振器高さは、３００ｍｍ〜６００ｍｍ、３００ｍｍ〜５００ｍｍ又は４００ｍｍ〜５００ｍｍであるのが良い。この動作周波数における空胴共振器直径は、４００ｍｍ〜１０００ｍｍ、５００ｍｍ〜９００ｍｍ又は６００ｍｍ〜８００ｍｍであるのが良い。
一構成例では、空胴共振器は、円筒形である。すなわち、空胴共振器の側壁は、底部から頂板までのその高さの大部分にわたって（例えば、５０％を超え、６０％を超え、７０％を超え、８０％を超え、９０％を超え又は９５％を超える）実質的に一様な直径を有する。これは、基板ホルダが設けられるプラズマチャンバの下方部分内の複雑なマルチモード相互作用の恐れを生じさせる大きく漸変する直径を有するＡＳＴＥＸ構成とはかなり異なる。
変形例として、プラズマチャンバの側壁は、使用中における空胴共振器の上方部分内の高電場最大振幅の強度を減少させるために空胴共振器の高さの５０％を超える高さのところで空胴共振器の少なくとも上方部分内の空胴共振器の頂板に向かって外方にテーパしていても良い。この場合も又、これは、プラズマチャンバの下方部分に大きな直径を有すると共にプラズマチャンバの上方部分内に小さい直径を有するＡＳＴＥＸ形態とはかなり異なっている。本発明の変形構成例では、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未満であるのが良く、下方直径は、底部から測定して空胴共振器の高さの５０％未満の高さのところで測定され、上方直径は、底部から測定した空胴共振器の高さの５０％を超える高さのところで測定される。オプションとして、比は、０．５〜０．９、０．６〜０．９又は０．７〜０．８であるのが良い。例えば、下方直径は、２００ｍｍ〜４５０ｍｍ、２５０ｍｍ〜４５０ｍｍ、３００ｍｍ〜４００ｍｍ又は３３０ｍｍ〜４００ｍｍであるのが良く、上方直径は、３００ｍｍ〜５００ｍｍ、３５０ｍｍ〜５００ｍｍ、３５０ｍｍ〜４５０ｍｍ又は４００ｍｍ〜４５０ｍｍであるのが良い。これら寸法は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作に特に好ましい。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、下方直径は、４００ｍｍ〜９００ｍｍ、５００ｍｍ〜９００ｍｍ、６００ｍｍ〜８００ｍｍ又は６５０ｍｍ〜８００ｍｍであり、上方直径は、６００ｍｍ〜１０００ｍｍ、７００ｍｍ〜１０００ｍｍ、７００ｍｍ〜９００ｍｍ又は８００ｍｍ〜９００ｍｍであるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、下方直径は、７０ｍｍ〜１６０ｍｍ、９０ｍｍ〜１６０ｍｍ、１００ｍｍ〜１５０ｍｍ又は１２０ｍｍ〜１５０ｍｍであり、上方直径は、１００ｍｍ〜２００ｍｍ、１２０ｍｍ〜２００ｍｍ、１３０ｍｍ〜１７０ｍｍ又は１５０ｍｍ〜１７０ｍｍであるのが良い。
上述の小直径空胴共振器の使用の結果として、使用中においてプラズマ体積とチャンバ容積の比較的大きい比が得られる。空胴共振器の容積は、０．００２ｍ3〜０．０６０ｍ3、０．００７ｍ3〜０．０４０ｍ3、０．０１０ｍ3〜０．０３０ｍ3又は０．０１５ｍ3〜０．０２５ｍ3であるのが良い。したがって、これらパラメータは、低Ｑファクタ空胴共振器を形成することができ、例えば、使用中において１０００以下、５００以下、２００以下、１００以下、８０以下又は５０以下であるのが良い。これら寸法は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作に特に好ましい。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、空胴共振器の容積は、０．０１８ｍ3〜０．５３０ｍ3、０．０６２ｍ3〜０．３５ｍ3、０．０８９ｍ3〜０．２７０ｍ3若しくは０．１３３ｍ3〜０．２２１ｍ3であるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、空胴共振器の容積は、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であるのが良い。
例えば「頂部（又は頂）」、「底部（又は底）」、「上方」及び「下方」のような用語は、本明細書において、プラズマ反応器を説明する際に用いられるが、反応器を逆さまにすることが可能であることに注目されるべきである。したがって、これら用語は、反応器コンポーネントの互いに対する配置場所に関しており、必ずしも地面に対するこれらの配置場所を示しているわけではない。例えば、標準的な使用において、基板は、地面に対してチャンバの下方壁を形成するチャンバの底部によって支持されることになる。しかしながら、反応器を逆さまにして基板を支持しているチャンバの底部が地面に対するチャンバの上方壁を形成することが可能である。逆さまの向きでは、基板に向かうガス流は、熱的に駆動される主要な対流に平行であるのが良い（かかる対流は、逆さまの構成では基板の下方に位置するプラズマ中に生じる熱の量が多いので上向きの方向である）。この逆さま構成は、或る特定の用途に関して幾つかの利点を有する場合がある。
上述の基本的なチャンバ寸法に加えて、空胴共振器内の基板及び／又は基板ホルダの幾何学的形状が使用中に生成されるプラズマの一様性に影響を及ぼす場合のあることが判明した。特に、プラズマの一様性は、空胴共振器内の基板及び／又は基板ホルダが、空胴共振器直径と基板（及び／又は基板ホルダ）直径の比が１．５〜５．０、２．０〜４．５又は２．５〜４．０である条件を満たすよう構成されるようにすることによって更に向上させることができるということが判明しており、この場合、空胴共振器直径は、空胴共振器の高さの５０％未満、４０％未満、３０％未満又は２０％未満の高さのところで測定され、例えば、基板ホルダの支持面の高さのところで又は基板の成長面のところで測定される。例えば、基板（又は基板ホルダ）直径は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ又は２４０ｍｍ〜３３０ｍｍであののが良く、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ又は１１５ｍｍ〜１６０ｍｍであるのが良く、２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ又は４２ｍｍ〜５８ｍｍであるのが良い。
上述の条件は、基板ホルダが使用中において基板と同等のサイズのものであるということを前提としている。実際には、基板ホルダは、ＣＶＤダイヤモンドプロセスで用いられるべき基板よりも大きな直径を備えた状態で作られるのが良い。この場合、基板の成長面上におけるプラズマの一様性は、主として、基板の幾何学的形状の影響を受け、かくして、上述の直径は、基板ホルダではなく基板のみに当てはまると言える。
また、基板ホルダは、プラズマチャンバの底部によって形成できることが注目されるべきである。「基板ホルダ」という用語の使用は、かかる変形例を含むことを意図している。さらに、基板ホルダは、基板と同一直径（図示のように）又はこれよりも大きい直径の平坦な支持面を有するのが良い。例えば、基板ホルダは、チャンバ底部又はチャンバ底部上に設けられた別個のコンポーネントにより形成される広い平坦な表面を形成するのが良く、基板は、平坦支持面の中央領域上に注意深く位置決めされるのが良い。一構成例では、基板ホルダの支持面は、基板を位置合わせし、オプションとしてこれを保持する別の要素、例えば突出部又は溝を有するのが良い。変形例として、かかる追加の要素が設けられなくても良く、その結果、支持ホルダは、基板が載せられる平坦な支持面を提供するに過ぎない。
本発明者が上述した小型空胴構成例を用いた場合に見出した潜在的な一問題は、チャンバの壁コンポーネントの過熱という問題である。以下に詳細に説明するように、空胴共振器の壁が使用中においてプラズマにさらされ、即ち、プラズマがベルジャー内に閉じ込められることがない構成例の提供が有利であることが判明した。真空技術者の推奨するところによれば、プラズマ反応器容器は溶接ステンレス鋼で作られるべきである。というのは、これは、超真空（ＵＨＶ）チャンバに関して容認された選択材料だからである。しかしながら、これにより、インターフェースのところでのアーク発生、高温表面上におけるスート（すす状物質）の生成及び全体として貧弱な熱伝達という問題が生じることが判明した。アルミニウムは、熱的に良好な材料であることが判明しており、機械加工も又容易である。かくして、ステンレス鋼が真空チャンバにとって良好な材料であるが、ステンレス鋼は、その極めて貧弱な熱的性能により、高電力密度が生じる領域での使用には好適ではない。例えばアルミニウムのような材料は、伝統的には高真空に適しているものとみなされていないが、実際には、従来型エラストマーシールを用いることができるかなり高い真空での使用にとって極めて良好である。したがって、空胴共振器は、好ましくは、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る。
マイクロ波結合構造体、誘電体窓の形状及び配置場所
プラズマの不安定性によりプラズマが「ジャンプ」して基板の真上の所望の場所から離れた高電場の他の領域でプロセスガスを点火する場合がある。この問題の一解決手段は、ベルジャーを用いてプロセスガスを基板の近くに封じ込めることである。プロセスガスは、ベルジャーの外側のガスと比較して著しく減少した圧力状態にあるので、破壊電圧が減少してプラズマがベルジャー内でのみ存在することができるようになる。また、ベルジャー内のガスの組成は、低電場において絶縁破壊を助けるよう選択されるのが良い。しかしながら、ベルジャーを用いると、それ自体の問題が生じる。例えば、石英ベルジャーからのシリコン不純物がかかる構成を用いて成長したＣＶＤダイヤモンド中に混入状態になる場合があり、それにより生成物純度が劣化する。さらに又、ベルジャーは、大電力で過熱する傾向があり、それにより全体的寿命が短縮し又は極端な場合、破滅的な損傷が生じる。これは、少なくとも或る程度は、プラズマの近接性に起因している。プラズマから一層離れて配置された大型ベルジャーは、この問題を部分的に解決することができるが、かかる構成は、対流の影響を受けやすく、従ってプラズマ安定性を失いやすい。確かに、本発明者は、プラズマ安定性の低下を招くチャンバ内での対流の問題（チャンバ内における少なくとも比較的複雑であり且つ制御されない対流）も又、ベルジャーを用いていない大容積チャンバ内でも生じると考えている。この問題は、上述した小型且つ小径のＴＭ011空胴構成を用いることによって解決される。
ベルジャーを備えていないかかる小型且つ小径ＴＭ011空洞内に大電力マイクロ波を送り込むことにより、それ自体幾つかの問題が生じる場合がある。しかしながら、これらの問題は、必要に応じて、どれほどのマイクロ波電力がチャンバ内に結合されるかという観点及びどれほどの電場及び磁場がチャンバ内で操作されるかという観点でチャンバを更に改造することによって解決できる。これらの更なる改造について以下において説明する。
一問題は、基板の真上の所望の場所から離れた電磁場中における最大振幅のところにおけるプラズマ生成及び絶縁破壊をどのように回避するかということである。この問題は、部分的ではあるが、上述した比較的小型且つ小径のＴＭ011空洞を提供して比較的僅かな電磁最大振幅がチャンバ内に存在するようにすることによって解決される。しかしながら、このＴＭ011空胴設計を使用した場合であっても、チャンバの上方部分内には、事実上、空胴の基板側端部のところに存在する電場の鏡像である第２の最大振幅が依然として存在する。
上側最大振幅のところでのプラズマ生成及び絶縁破壊の問題を軽減する幾つかの方法が考えられる。例えば、マイクロ波電力がチャンバ内に容量結合されるのではなく誘導結合される場合に上側最大振幅のところでのプラズマ生成の恐れが小さいことが判明した。
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。
マイクロ波をチャンバ内にどのように誘導結合すべきかということに関する疑問が残る。一オプションは、プレート型誘電体窓を介して大電力マイクロ波を背景技術の項において説明したＡＳＴＥＸ及びＬＩＭＨＰ反応器と同様な仕方でチャンバの上方部分内に誘導結合することである。しかしながら、かかる誘電体プレートは、使用中におけるチャンバの上方中央部分内の高い電場領域によって損傷を受け、それにより、誘電体材料がかかる構成を用いて成長したＣＶＤダイヤモンドを汚染する場合があるということが判明した。この問題を軽減するには、空胴の端のところ又はその近くに設けられた環状誘電体窓を通してマイクロ波電力を送り込むのが良い。環状窓の位置決めのために幾つかのオプションが採用可能である。環状窓は、チャンバの端壁又は側壁に設けられるのが良い。両方の場合において、高磁場の同様な領域が誘導により励起される。しかしながら、米国特許第６，６４５，３４３号明細書に開示された環状誘電体窓とは対照的に、本発明者は、環状窓をチャンバの端壁に設けてマイクロ波がチャンバの中心回転軸線に平行な方向でチャンバ内に結合されるようにすることが好ましいことを見出した。
使用中におけるプラズマにさらされる誘電体材料の面積を制限することが有利であると考えられる。例えば、空胴共振器は、使用中において空胴共振器内に生成されるプラズマにさらされるよう構成された内壁を有するのが良く、内壁は、空胴キャビティ内の内壁の全表面積の少なくとも７５％、８０％、８５％、９０％又は９５％を占める金属製表面を有する。上述したように、金属製表面は、好ましくは、アルミニウムで作られる。特に有利な構成例では、空胴共振器は、小さい容積を有し、使用中にプラズマにさらされる内壁の大部分は、金属製表面によって形成される。空胴共振器の容積は、０．００２ｍ3〜０．０６ｍ3、０．００７ｍ3〜０．０４ｍ3、０．０１ｍ3〜０．０３ｍ3又は０．０１５ｍ3〜０．０２５ｍ3であるのが良い。これら寸法は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作に特に好ましい。この場合も又、これら寸法は、動作周波数に従ってスケール変更可能である。例えば、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作に関し、上述の値は、２．０７3倍のスケール変更が可能であり、２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数での動作に関し、上述の値は、０．３６６3倍のスケール変更が可能である。したがって、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆでは、空胴共振器は、０．０１８ｍ3〜０．５３０ｍ3、０．０６２ｍ3〜０．３５０ｍ3、０．０８９ｍ3〜０．２７０ｍ3又は０．１３３ｍ3〜０．２２１ｍ3の容積を有するのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆでは、空胴共振器は、９．８×１０-5ｍ3〜２．９×１０3ｍ3、３．４×１０-4ｍ3〜１．９６×１０3ｍ3、４．９×１０-4ｍ3〜１．４７×１０3ｍ3又は７．３５×１０-4ｍ3〜１．２３×１０3ｍ3の容積を有するのが良い。
マイクロ波を空胴共振器内に誘導結合するために内壁の比較的僅かな部分を誘電体材料で形成するのが良い。特に有利な構成例は、１つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓を含み、環状誘電体窓は、空胴共振器内の内壁の全表面積の２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下又は５％以下を占める。
反応器チャンバ内に生成されるプラズマを安定化する構造体
誘導結合が用いられる場合であっても、チャンバの上方部分内にプラズマ生成の恐れが依然として存在する。この問題を更に軽減する一手法は、チャンバの下方部分内の高電場領域にそれほど影響を及ぼさないで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なくす構成例を提供することである。これを達成する一手法は、チャンバ内に且つ上側最大振幅の上方に延びる導電性表面を提供することである。この導電性表面は、一様な曲率のボウル、先の尖った円錐又は任意の中間円錐形構造体を形成することができる。丸形先端部を備えた円錐形表面が好ましい。好ましい一構成例では、円錐形表面は、空胴共振器の共振モードの電場ベクトルにほぼ直交するよう構成され、それにより空胴共振器内の円錐形表面の導入の結果として電場の摂動を最小限に抑える。すなわち、電場にほぼ直交した導電性金属表面を上方高電場最大振幅の付近に配置して上方高電場領域を効果的になくすことによってチャンバの下方部分内の基本的なＴＭ011電場プロフィールに影響を及ぼさないで最大振幅をなくすことが可能である。チャンバの共振周波数は、甚だしくは変更されるべきではないが、Ｑファクタは、１サイクル当たりに散逸されるエネルギーが同一のままの状態で、キャビティ内の貯蔵エネルギーの減少に起因して減少することになる。
導電性表面は、四分の一誘導波長まで延びると共にプラズマチャンバの被動又は非被動端から延びるのが良い。「被動端」という用語は、マイクロ波がチャンバ内に結合される端を意味している。別の手段は、導電性表面を非被動端のところに配置することであり、その結果、マイクロ波窓が基板の周りに位置決めされた構成が得られる。ただし、この構成により誘電体窓の損傷が生じる場合がある。
上述のことに照らして、一構成例は、円錐形導電性部材が設けられていない同等の空胴共振器と比較して、使用中において空胴共振器内の高電場最大振幅を少なくとも部分的になくすよう空胴共振器内に延びる円錐形導電性部材を有する。円錐形導電性部材は、プラズマチャンバの底部又は頂板によって支持されるのが良く、かかる円錐形導電性部材は、その先端部が空胴共振器の中心対称回転軸線上に位置するよう差し向けられる。例えば、基板ホルダは、プラズマチャンバの底部によって支持されるのが良く、円錐形導電性部材は、プラズマチャンバの頂板によって支持されるのが良い。特に有用な一構成例では、円錐形導電性部材は、空胴共振器内に環状凹部を形成し、上述の環状誘電体窓は、この環状凹部内に設けられるのが良い。この構成例は、使用中における誘電体窓の損傷を阻止するのに有用である。
上述の導電性表面は、効果的に一主電場最大振幅を有するに過ぎないプラズマチャンバを提供する上で有用である。すなわち、使用中において基板の成長面に隣接して配置された主電場最大振幅を除き、他の全ての主電場最大振幅を隠してモード純度を向上させると共に基板の成長面のところの関心のある領域から離れたところでのプラズマ生成の問題を軽減するようチャンバ内に延びる導電性表面が提供されるのが良い。かかる単一最大振幅チャンバは、広い領域にわたって高品質合成ダイヤモンド材料を製造する上で有利であると考えられる。この点に関し、注目されるべきこととして、チャンバは、チャンバ内への基板の存在の結果として局所モードを依然として有するのが良い。しかしながら、空胴共振器は、たった１つの主電場最大振幅がチャンバの壁によって支持されるよう設計されるのが良い。
チャンバの上方部分内の高電場領域をなくすための円錐形導電性表面の使用の別法は、空胴共振器の上方部分が空胴共振器の下方部分よりも大きな直径を有するプラズマチャンバを提供することであり、空胴共振器の上方部分は、使用中において空胴共振器の上方部分内の高電場最大振幅を減少させるよう構成される。例えば、チャンバの側壁は、ＴＭ011モードの上側最大振幅を減少させるようチャンバの上方部分内で外方にテーパしているのが良い。電場のＥZ成分の減少は、この領域内で生じる絶縁破壊を阻止するのに十分である。かかるテーパ部は、チャンバの底部から延びるのが良く又はチャンバの下方部分が円筒形のままの状態でチャンバ壁に沿って上方の途中のところで始まるのが良い。変形例として更に、幅の広い上方部分を提供するようチャンバの側壁に段部が設けられても良い。これら構成例は又、チャンバの上方部分内の電力密度を減少させるという利点を有し、それによりチャンバの上方部分内におけるプラズマ生成の問題を軽減する。したがって、幅の広い上方部分をプラズマチャンバに提供することにより、チャンバの上方部分内の電場を減少させるという作用効果が得られる。
上述のことの変形例として又はこれに加えて、プロセスガスを頂板から基板の成長面に向かって噴射するよう差し向けられたガス入口の使用は、プラズマを基板に向かって押し下げると共にチャンバの上方領域内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。
上述のことに照らして、所望のチャンバ設計は、以下の設計パラメータを満足させることができると考えられる。
（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。
有用な一構成例では、リング形マイクロ波窓の特徴と中央に設けられる円錐の特徴を組み合わせる。別の有用な組み合わせは、リング形マイクロ波窓と軸方向に設けられたガス入口の組み合わせである。さらに別の有用な組み合わせは、上述の特徴の３つ全ての提供、即ち、リング形マイクロ波窓と中央に設けられた円錐と軸方向に設けられたガス入口の組み合わせである。
本発明の実施形態は、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために一様且つ安定した大面積プラズマを形成することができるプラズマ反応器チャンバを提供する。
実施例
図１は、本明細書において説明するマイクロ波プラズマ反応器の一例を示している。図１を参照して理解できるように、マイクロ波プラズマ反応器は、次の基本的コンポーネント、即ち、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５を支持する基板ホルダ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プラズマチャンバ２中に送り込むマイクロ波結合構造体１０及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ガス入口１２及びガス出口１４を備えたガス流システムを含む。
マイクロ波結合構造体１０は、内側導体１６及び外側導体１８を含む同軸ラインを有する。同軸ラインは、マイクロ波発生器６からのマイクロ波を環状誘電体窓２０まで伝送するよう構成されている。誘電体窓２０は、マイクロ波透過性材料、例えば石英で作られている。誘電体窓は、プラズマチャンバ２の頂部内に空密環状窓を形成する。マイクロ波発生器６及びマイクロ波結合構造体１０は、適当な波長のマイクロ波を発生させてかかるマイクロ波をプラズマチャンバ２内に誘導結合し、それにより使用中、基板５のちょうど上に位置する高エネルギーノードを備えたプラズマチャンバ内に定常波を形成するよう構成されている。頂板２２が同軸ラインからマイクロ波を誘電体窓２０を通して伝送する１つ又は２つ以上の導波路から成る。
プラズマチャンバ２の寸法、マイクロ波の波長及び頂板２２の位置は、プラズマチャンバ２の底部と頂板２２との間でプラズマチャンバ内にＴＭ011定常波を発生させるよう選択されている。底部２４と頂板２２との間の高さｈ及びチャンバの直径ｄは、上述した比を有するよう選択されている。
プラズマチャンバは、無垢の金属、好ましくはアルミニウムの壁と気密マイクロ波空胴を形成し、かかる壁は、使用中、プラズマにさらされる。プラズマチャンバの壁は、大電力動作を可能にするよう流体冷却式又はガス冷却式（例えば、水冷式）であるのが良い。これは、ベルジャーが反応性種を封じ込める要件をなくすのを助け、それにより大電力の採用を可能にすると共に金属純度を向上させる。
図２は、図１に示されたプラズマ反応器の改造型バージョンを示している。この改造型構成例では、導電性円錐形部材３４が頂板２２に取り付けられており、かかる導電性円錐形部材は、プラズマチャンバ内に延びている。導電性円錐形部材３４は、プラズマチャンバの下方部分内のＴＭ011モードの高電場最大振幅にそれほど影響を及ぼさないでプラズマチャンバの上方部分内のＴＭ011モードの高電場最大振幅を効果的に隠すよう構成されている。
図３は、更に別の変形例を示している。図示の構成例では、プラズマチャンバの上方部分は、プラズマチャンバの下方部分の直径ｄ1よりも大きな直径ｄ2を有している。比ｄ1／ｄ2は、上述の設計上の基準を満たすよう選択される。上方直径ｄ2は、プラズマチャンバの上方部分内のＴＭ011モードの高電場最大振幅を少なくとも部分的に打ち消す二次マイクロ波モードを支えるよう選択されるのが良い。
本発明の実施形態は、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスの一様性を向上させる。一様性の向上を次のパラメータ、即ち、ＣＶＤダイヤモンド膜の厚さの一様性（析出領域を横切る）、ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の品質パラメータの一様性（例えば、色、光学的性質、電子的性質、窒素取り込み、ホウ素取り込み及び／又はホウ素活性化レベル）、多結晶ダイヤモンド材料におけるテキスチャの一様性、表面形態学的特徴、結晶粒度等又は成長が基板キャリヤ上の単結晶ダイヤモンド基板のアレイ上で起こる単結晶ダイヤモンド材料中における各単結晶相互間の厚さの一様性、形態学的特徴、エッジ双晶形成、側方成長等のうちの１つ又は２つ以上によって測定可能である。一様性を評価するために選択される主要なパラメータは、合成プロセス、合成生成物から最終生成物を作製する場合の経済的側面及び最終生成物それ自体の要件で決まる。
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及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。

Claims (17)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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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