JP5871010B2 - プラズマ反応器用マイクロ波電力送電システム - Google Patents

プラズマ反応器用マイクロ波電力送電システム Download PDF

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Description

本発明の或る特定の実施形態は、マイクロ波電力をプラズマ反応器に供給するマイクロ波電力送電システムに関する。或る特定の実施形態は、材料、例えば高電力密度、比較的長い合成時間を必要とすると共に合成に必要な期間にわたってマイクロ波電力の変動に比較的に敏感な合成ダイヤモンド材料のマイクロ波プラズマ作動型化学気相成長のためのシステムに関する。
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）材料を製造する化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）法が当該技術分野において今や周知である。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、ダイヤモンド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作動型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。
かかるシステムの主要なコストの１つは、マイクロ波電力源である。さらに、かかるシステムを作動させる主要なコストのうちの１つは、マイクロ波電力源を動作させるのに必要な電気コストである。したがって、これらハードウェア及び経常費に取り組んでこれらを最小限に抑えるようシステムを構成することが望ましい。本発明の或る特定の実施形態の目的は、ハードウェア使用と電力効率の両面において費用効果が良く、他方、更に特にＣＶＤダイヤモンド合成に用いられる高品質の再現性のあるＣＶＤ膜のＣＶＤ合成を可能にするプラズマ反応器へのマイクロ波電力の供給のためのマイクロ波電力送電システムを提供することにある。
本発明の一実施形態によれば、マイクロ波電力を複数個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電システムであって、このマイクロ波電力送電システムは、
マイクロ波源に結合されるよう構成され且つ複数個のマイクロ波プラズマ反応器のインピーダンスをマイクロ波源のインピーダンスに整合させるよう構成された同調器と、
同調器に結合されていて且つマイクロ波を案内して該マイクロ波を複数個のマイクロ波プラズマ反応器に出し入れするよう構成された導波路接合部とを含み、
導波管接合部は、同調器に結合された第１のポート、マイクロ波プラズマ反応器にそれぞれ結合されるよう構成された第２及び第３のポート並びにマイクロ波シンクに結合された第４のポートを含む４つの導波管ポートを有し、
導波管接合部は、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するために同調器から入力されたマイクロ波電力を第１のポートを通って第２のポート及び第３のポートに均等に分割するよう構成され、
導波管接合部は、第２のポートと第３のポートを結合解除するよう構成され、それにより、マイクロ波プラズマ反応器のうちの１つからの反射マイクロ波が導波管接合部を横切って別のマイクロ波プラズマ反応器中に直接入ってアンバラスを生じさせるのを阻止し、
導波管接合部は、更に、振幅及び位相の面でバランスが取られた第２のポート及び第３のポートを通って戻って受け取られた反射マイクロ波を同調器に供給して反射マイクロ波を同調器によって反射して再使用することができるように構成され、
導波管接合部は、更に、バランスが取られていない過剰反射電力を第４のポートを通ってマイクロ波真空中に送り込むよう構成されていることを特徴とするマイクロ波電力送電システムが提供される。
本発明の別の実施形態によれば、マイクロ波プラズマ反応器システムであって、
マイクロ波源と、
マイクロ波源に結合された上述のマイクロ波電力送電システムと、
マイクロ波電力送電システムに結合された複数個のマイクロ波プラズマ反応器とを含むことを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器システムが提供される。
本発明の別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、この方法は、
上述のマイクロ波プラズマ反応器システムを用意するステップと、
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。
アイソレータを介して単一のマイクロ波発生器に結合された単一のマイクロ波プラズマ反応器から成る本発明ではないマイクロ波プラズマ反応器システムを示す図である。 アイソレータ及び同調器を介して単一マイクロ発生器に結合された単一のマイクロ波プラズマ反応器から成る本発明ではないマイクロ波プラズマ反応器システムを示す図である。 アイソレータ、同調器及び導波管接合部、例えば方形導波管Ｔを介して単一のマイクロ波発生器に結合された２つのマイクロ波プラズマ発生器から成る本発明ではないマイクロ波プラズマ反応器システムを示す図である。 アイソレータ、同調器及び導波管接合部、例えば方形導波管Ｔを介して単一のマイクロ波発生器に結合された２つのマイクロ波プラズマ反応器から成る本発明ではないマイクロ波プラズマ反応器システムを示す図であり、別のアイソレータが導波管接合部を２つのマイクロ波プラズマ反応器に連結する各ポートのところに設けられている状態を示す図である。 アイソレータ、同調器及び導波管接合部を介して単一のマイクロ波発生器に結合された２つのマイクロ波プラズマ反応器を含む本発明のマイクロ波プラズマ反応器システムを示す図であり、導波管接合部は、一方の反応器から反射して戻ったマイクロ波電力が導波管接合部を通って直接他方の反応器中に入るのが阻止されるよう互いに効果的に結合解除されるマイクロ波プラズマ反応器への出力を有する状態を示す図である。 図５に示されている構成の下側部分を詳細に示す図である。 入力ポートＡ、２つの出力ポートＢ，Ｃ及びシンクに結合可能なポートＤを有する本発明の実施形態に用いられる導波管接合部を示す図であり、ポートＢ，Ｃが互いに結合解除されたり結合されたりする状態を示す図である。 入力ポートＡ、２つの出力ポートＢ，Ｃ及びシンクに結合可能なポートＤを有する本発明の実施形態に用いられる導波管接合部の別の実施例を示す図であり、ポートＢ，Ｃが互いに結合解除されたり結合されたりする状態を示す図である。 ４つのプラズマ反応器を単一のマイクロ波源に結合するよう３つの導波管接合部を有する本発明の別の実施形態を示す図である。
図１は、マイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド合成システム２の略図である。システム２は、マイクロ波発生器４及びプラズマ反応器チャンバ８に結合された原料ガスを含む。マイクロ波発生器４は、代表的には、アイソレータ１０を介してプラズマ反応器チャンバ８に結合されており、アイソレータ１０は、マイクロ波発生器をマイクロ波発生器の方へ反射して戻るマイクロ波電力から隔離するよう機能する。アイソレータは、当該技術分野において知られている。アイソレータは、マイクロ波電力を一方向にのみ伝送するデバイスである。アイソレータは、例えばマイクロ波源が整合不良の負荷によって離調されるのを阻止するよう機器の入力側をその出力側の状態の作用から保護するために用いられる。アイソレータの一例は、サーキュレータである。マイクロ波発生器の方へ反射して戻される反射マイクロ波電力は、例えば水負荷であるのが良いシンク１２にそらされる。
本発明者は、上述したアイソレータの使用により、電力の相当な量の電力が失われることを認識した。したがって、図１に示されているシステムは、電力使用の観点からは特に効率的であるというわけではない。考えられる一改良は、図２に示されているようにプラズマ反応器チャンバ８とアイソレータ１０との間に同調器又はチューナ１４を設けることである。同調器は、当該技術分野において知られており、好都合には、スタブ型同調器、例えば多スタブ型同調器、例えば３又は４スタブ型同調器の形態で提供される。同調器は、マイクロ波プラズマ反応器チャンバ８のインピーダンスをマイクロ波発生器／源４のインピーダンスに整合させるよう構成されている。同調器１４は、プラズマ反応器チャンバ８から送り戻されたマイクロ波電力を最小量に減少させることができ、かくして電力効率を向上させるようにする。同調器は、効果的には、反射率計として働き、反射率計は、マイクロ波プラズマ反応器チャンバ８からのマイクロ波電力を反射してこれをマイクロ波プラズマ反応器８の方へ戻す。同調器１４を通って漏れてマイクロ波発生器４の方へ戻る電力を単一のアイソレータ１０の使用によりマイクロ波発生器から隔離するのが良い。かかる構成により、電力効率が向上する。
本発明者は、上述のシステムを用いた電力効率が図２に示されているようにアイソレータと同調器の組み合わせの使用によっても依然として特に高くはならないことに注目した。この理由としては、標準型Ｌバンド工業用マイクロ波発生器（例えば、約６０〜７５ｋＷ）から得られる電力がマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器（例えば、少なくとも１０ｋＷ）の典型的な電力要件の少なくとも２倍である場合があるということにある。したがって、単一のマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器を単一の標準型マイクロ波発生器から作動させる場合、マイクロ波発生器から得られる潜在的な電力の大部分は、利用されないままである。これは、特にマイクロ波発生器がマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器システムの全コストの大部分を占めるので、資源の有限利用ではない。考えられる一手段は、低電力マイクロ波発生器に用いてマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器の電力要件に良好に合致するようにすることである。しかしながら、これは、Ｌバンド源のコストが源の電力に従ってスケール変更するわけではないので特に費用効果が良いわけではない。同様な説明は、電力効率の面でＳバンドマイクロ波源にも当てはまる場合がある。ただし、コストの観点からは、利点は、Ｓバンドマイクロ波源のコストが電力の減少につれて減少するのでそれほど明解ではない。
上述のことに照らして、２つ以上のマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器を単一のマイクロ波発生器に結合することが望ましい場合がある。しかしながら、これは、実際問題としては、全く容易ではない。考えられるかかる一構成例が図３に示されている。図３に示されている構成例は、これがマイクロ波発生器４、シンク１２に結合されたアイソレータ１０及び同調器１４を有している点で図２に示されている構成例とほぼ同じである。次に、この構成例は、マイクロ波電力を分割し、電力を２つのマイクロ波プラズマ反応器８の方へ送るマイクロ波スプリッタ１６、例えば方形導波管Ｔを更に有し、各マイクロ波プラズマ反応器８は、反応ガス源６に結合されている。典型的な工業用マイクロ波発生器は、マイクロ波プラズマ発生器の必要とする電力の少なくとも２倍の電力を提供することができるので、かかる構成は、例えば図１及び図２に示されている構成例と比較すると、費用効果の良い構成であることが想定される。しかしながら、本発明者は、図３に示されているようなシステムの利用の結果として、合成ダイヤモンド膜形成具合が不良であると共に２つのプラズマ反応器相互間及び合成作業相互間における膜形成の再現性が不良であることを見出した。
本発明者は、上述の問題の原因を辿っていくと単一のマイクロ波電力源に結合されたプラズマ反応器の各々に送り出されるマイクロ波電力のアンバランスにあることが判明した。本発明者は、例えば方形導波管Ｔを用いてマイクロ波電力を２つのマイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤダイヤモンド反応器に単に分割した場合、電力を典型的には不完全な整合に起因して反応器から反射して戻ることを見出した。マイクロ波電力のアンバランスは、各プラズマ反応器からの反射電力の量のバランスがＣＶＤダイヤモンド製造プロセス中、完全には取られないので結果として生じる場合がある。この問題は、プラズマ反応器にそれぞれ結合された２つのポート相互間の隔離が理想的ではなく、しかも１つのポートからの反射電力が次に他方のポートに伝搬し、現に電力のアンバランスを引き起こすと共にプラズマ反応器相互間のクロストークを引き起こすことによって悪化する。これは、プラズマ反応器、特に最も特定的には、ＣＶＤダイヤモンド合成のための高電力プラズマ反応器について特に問題である。と言うのは、プラズマ反応器の応答は、非線形であり、ＣＶＤダイヤモンド合成を行うのに必要な時間が長いからである。したがって、比較的簡単なマイクロ波電力スプリッタだけを用いてマイクロ波電力を複数個のプラズマ反応器相互間で均等に分割する場合、反応器が見かけ上、同一の動作パラメータで作動されている場合であっても、電力ンバランスがスプリッタに結合された任意の２つのマイクロ波プラズマＣＶＤダイヤモンド反応器相互間で結果的に生じる恐れが相当ある。これにより、各プラズマ反応器の動作パラメータが所望の動作条件から逸脱し、それによりプラズマ反応器の各々から得られるＣＶＤ製品のばらつきが生じると共に合成作業相互間のばらつきが生じる。
上述の問題の一解決手段は、各プラズマ反応器にそれ自体のマイクロ波電力源を提供してシステムが完全に互いに結合解除されるようにすることである。しかしながら、上述したように、この解決手段は、高価であり且つ非効率的である。
したがって、問題は、多数（２つ又は３つ以上）のマイクロ波プラズマＣＶＤダイヤモンド反応器の各々へのマイクロ波電力入力が各プラズマ反応器からの反射電力相互間のばらつきにもかかわらずバランスが取られた状態のままであるようにしながらこれら多数のマイクロ波プラズマＣＶＤダイヤモンド反応器用の単一のマイクロ波発生器をどのように用いるかということになる。
考えられる一解決手段は、プラズマ反応器に結合された各ポートのところにアイソレータを設けることである。かかる構成例が図４に示されている。図示の構成例は、マイクロ波発生器４、シンク１２に結合されたアイソレータ１０、同調器１４及び先に図３に示されているようなマイクロ波スプリッタ１６を有する。しかしながら、図４に示されている構成例では、関連シンク１２を備えた別のアイソレータ１０が各反応器ポートのところに設けられ、システムのアンバランスを生じさせる反射マイクロ波電力の発生を阻止するようになっている。即ち、プラズマ反応器に結合された各ポートのところにアイソレータを設けることにより、マイクロ波発生器に向かって戻るマイクロ波電力の反射が阻止され、したがってマイクロ波送電システムの電力の変動が阻止される。このように、導波管Ｔは、原理的には、クロストークの恐れなく電力を等しく分割することができる。
上述の解決手段に関する一問題は、これが極めて高価なやり方であるということにある。アイソレータ自体が極めて高価であり、しかも上述の構成例では、アイソレータは、プラズマ反応器に結合された各ポートのところに必要である。さらに、アイソレータは、或る特定の設計上の許容誤差の範囲内で製造できるに過ぎず、かくして、アイソレータは、必ずしも完全に同一の仕方で機能するわけではない。入力反射率の差、隣り合うポート相互間の隔離及び損入損失の全ての結果として、マイクロ波供給システム内に固有のアンバランスが生じる場合がある。さらに又、アイソレータは、反射マイクロ波電力の全て又は実質的に全てを真空、例えば水ロード中に捨て、その結果、電力が失われると共にこれを再使用することができないようになる。これを克服することは、各プラズマ源がそれ自体の独立した整合ネットワーク及び反射電力を他の負荷と別個独立に測定する手段を必要とするので、問題である。したがって、これは、構成するのが本来的に高価であり且つ非効率的なシステムである。
上述のことに照らして、ハードウェアの観点から見て費用効果が良くしかも電力使用量の観点から見て効率的であり、他方更に、各プラズマ反応器へのマイクロ波電力入力が電力使用量の変動及びマイクロ波供給システム中に反射して戻る電力の変動にもかかわらず、バランスが取れた状態のままであるようにする別の解決手段が必要である。
本発明の特定の実施形態の目的は、上述の問題のうちの１つ又は２つ以上を少なくとも部分的に解決することにある。
上述の問題は、本発明の或る特定の実施形態によれば、マイクロ波電力を複数個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電システムであって、このマイクロ波電力送電システムは、
マイクロ波源に結合されるよう構成され且つ複数個のマイクロ波プラズマ反応器のインピーダンスをマイクロ波源のインピーダンスに整合させるよう構成された同調器と、
同調器に結合されていて且つマイクロ波を案内して該マイクロ波を複数個のマイクロ波プラズマ反応器に出し入れするよう構成された導波路接合部とを含み、
導波管接合部は、同調器に結合された第１のポート、マイクロ波プラズマ反応器にそれぞれ結合されるよう構成された第２及び第３のポート並びにマイクロ波シンクに結合された第４のポートを含む４つの導波管ポートを有し、
導波管接合部は、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するために同調器から入力されたマイクロ波電力を第１のポートを通って第２のポート及び第３のポートに均等に分割するよう構成され、
導波管接合部は、第２のポートと第３のポートを結合解除するよう構成され、それにより、マイクロ波プラズマ反応器のうちの１つからの反射マイクロ波が導波管接合部を横切って別のマイクロ波プラズマ反応器中に直接入ってアンバラスを生じさせるのを阻止し、
導波管接合部は、更に、振幅及び位相の面でバランスが取られた第２のポート及び第３のポートを通って戻って受け取られた反射マイクロ波を同調器に供給して反射マイクロ波を同調器によって反射して再使用することができるように構成され、導波管接合部は、更に、バランスが取られていない過剰反射電力を第４のポートを通ってマイクロ波真空中に送り込むよう構成されていることを特徴とするマイクロ波電力送電システムを提供することによって解決される。
同調器は、マイクロ波プラズマ反応器のインピーダンスを源のインピーダンスに整合させるよう構成されている。このコンポーネントは、プラズマ反応器から戻るマイクロ波電力を減少させることができ、かくして電力効率を向上させるようにする。同調器は、マイクロ波電力をマイクロ波プラズマ反応器チャンバから効果的に反射させてこれをマイクロ波プラズマ反応器の方へ戻す。同調器を通って漏れてマイクロ波発生器の方へ向かって戻る電力を単一のアイソレータの使用により源から隔離することができる。
適当な同調器の一例は、多スタブ型同調器、例えば３スタブ型同調器である。かかる同調器は、主導管に取り付けられた調節可能なスタブを有する。同調器は、事実上、整合不良状態の負荷のインピーダンスの共役複素数であるインピーダンスを生じさせる。良好に設計されていれば、スタブは、長さが調節可能であり、しかもスタブは、過熱又は導波管アーク発生の恐れが生じる前に所与の基準平面に対し代表的には高電力で０．３の反射係数の大きさまで位相の反射を事実上補償することができるリラクタンス（キャパシタンス又はインダクタンス）に匹敵する組み合わせ状態で調節可能である。簡単に言えば、スタブ型同調器は、マイクロ波源（マイクロ波発生器のアイソレータの出力ポート）のインピーダンスをプラズマ負荷（プラズマ反応器の入力ポート）のインピーダンスに整合させるよう構成されているのが良い。有用であることが判明した一形態では、スタブは、四分の一導波長により互いに分離される。
適当な導波管接合部の例としては、ハイブリッドＴ字形接合部、ハイブリッドリング形接合部及び２穴式方向性結合器が挙げられる。接合部は、３つの主要な機能を実行し、即ち、（ｉ）同調器からのマイクロ波電力を接合部に結合された複数個のプラズマ反応器の各々相互間に均等に分割し、（ｉｉ）プラズマ反応器の各々に送られた電力をプラズマ反応器の各々から反射して接合部中に戻したときであっても等しくバランスが取れた状態のままであるようにし（反射電力は、大きさ（振幅）及び位相が変化している）、（ｉｉｉ）複数個のプラズマ反応器から反射して戻された電力の大部分を再使用して良好な電力効率を達成するようにするよう構成されている。
上述の機能上の要件を満たすため、接合部は、同調器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、プラズマ反応器の各々への出力を結合解除し、それにより反射電力が別のプラズマ反応器を横切って直接この中に入ってクロストークに起因するアンバランスを生じさせるのを阻止する極めて正確な幾何学的形態を備えなければならない。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、大きさ及び位相の面でバランスの取られていない過剰反射電力だけがシンク、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。
ハイブリッドＴ字形接合部、ハイブリッドリング形接合部及び２穴式方向性結合器を含むこれらの機能上の要件を満たすことができる幾つかの考えられる導波管接合部が存在する。これら導波管接合部は、マイクロ波導波管の技術分野において知られている。これら機能に関する詳細な説明については、例えば、サミュエル・ワイ・リャオ（Samuel Y. Liao）著，「マイクロウェーブ・デバイシズ・アンド・サーキッツ（Microwave Devices & Circuits）」，ニュージャージ（New Jersey），第３版，プレンティス・ホール・インコーポレイテッド（Prentice-Hall Inc.）を参照されたい。本発明に最も関連したセクションは、ハイブリッドＴの構造及び機能について説明している１４６頁から１４７頁にわたるセクション、ハイブリッドリングについて説明している１４７頁から１４８頁にわたるセクション及び２穴式方向性結合器について説明している１４１頁からのセクションを含む。これら導波管接合部の任意の１つは、原理的には、上述した仕方で機能するよう構成されているのが良い。ハイブリッドＴは、これが簡単なので、しかもこれが所与の波長にわたって上述した仕方で動作することができるので、本発明の実施形態としての複数個のマイクロ波プラズマ反応器にマイクロ波電力を結合する最善のオプションであると考えられる。動作範囲は、帯域幅がかなり狭いが、驚くべきこととして、動作帯域幅は、上述の用途にとって十分であることが判明した。これとは対照的に、ハイブリッドリング形構造は、極めて狭い大気幅にわたってしか上述の機能を維持することができず、かくして、好ましさの小さい解決手段である。と言うのは、これは、本発明の用途において機能上の特性を維持することが困難だからである。また、２穴式方向性結合器も又、本発明の分野向きに構成することができると考えられるが、この解決手段は、実際には具体化するのがより困難な複雑な形態であると考えられる。
第１、第２、第３及び第４のポートは、方形導波管によって形成される。導波管接合部がハイブリッドＴ字形接合部である場合、第１、第２及び第３のポートは、平面内に位置するよう構成されるのが良く、第１のポートは、直線状に配置された第２及び第３のポートに対して９０°の角度をなして設けられ、第４のポートは、第１のポートと第２のポートと第３のポートとの間の接合部のところに結合された状態で第１、第２及び第３のポートに垂直な平面内に位置している。導波管接合部の第２及び第３のポートは、それぞれの同軸導波管によってそれぞれのプラズマ反応器に結合されるのが良い。結合は、直接的であっても良く、リンキング導波管を介してであっても良い。
導波管接合部の正確な寸法は、プラズマ反応器の所望の動作周波数で決まる。法律により限定された数の動作周波数しか認可されておらず、かかる動作周波数としては、例えば、４３３ＭＨｚ、８９６ＭＨｚ（英国において、但し、欧州本土、米国及びアジアでは、この規格は、９１５ＭＨｚである）及び２４５０ＭＨｚが挙げられる。導波管接合部は、これら認可周波数のうちの１つで動作する場合、第２のポートと第３のポートを結合解除するのに適した寸法を有するよう構成されるのが良い。マイクロ波導波管設計分野における当業者であれば、本明細書の仕様の教示及びかかる教示に関する共通の一般知識が与えられると、これら仕様を満たすよう導波管接合部を構成することができる。例えば、導波管接合分は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの周波数帯域幅内で動作する場合、第２のポートと第３のポートを結合解除するよう構成されるのが良い。
注目されるべきこととして、上述のコンポーネントは、電力分割、インピーダンス整合及び隔離の分野において別個独立に知られているが、複数個のプラズマ反応器に結合されたマイクロ波供給システムにおいてこれらコンポーネントの組み合わせ及びこれらの使用は、ＣＶＤダイヤモンド合成分野においては知られていないと考えられる。さらに、上述の導波管接合部をこれらの動作帯域幅が狭いので、ＣＶＤダイヤモンドを合成するよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器用の電力送電システムに使用できることは、驚くべき結果であった。
上述のマイクロ波電力送電システムは、ハードウェアの観点から見て費用効果が良く、しかも電力使用量の観点から見て効率が良く、他方、各プラズマ反応器に入力されるマイクロ波電力は、電力使用量及びマイクロ波供給システムに反射して戻される電力の変動にもかかわらず、バランスが取れた状態のままであるようにする。
図５は、本発明の実施形態としての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１２に結合されたアイソレータ１０を介して単一のマイクロ波発生器４に結合された２つのマイクロ波プラズマ反応器８、同調器１４及びマイクロ波プラズマ反応器８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１８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な構成の導波管接合部１８を含む。導波管接合部１８は、同調器１４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１４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２０、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。
図６は、図５のマイクロ波プラズマ反応器システムの下側部分を詳細に示している。導波管接合部１８は、シンク２０及び方形導波管２７を介して２つのＣＶＤダイヤモンドマイクロ波プラズマ反応器８に接続された状態で示されている。方形導波管２７は、長さが等しく、同軸導波管２２を介してそれぞれのプラズマ反応器に結合されている。
各同軸導波管は、内側導体２４及び外側導体２６を有している。図示の構成例では、内側導体２４は、導波管接合部１８から延びる方形導波管２７の頂面上に接地されているのではなく、導波管内で終端する端部を備えた浮動ポスト導体である。内側導体は、プラズマ反応器８の頂板２８上に支持されるのが良い。同軸導波管の内側導体を導波管内で電気的に浮動状態にすることは、接地ポスト構成（但し、接地ポスト構成を使用することは可能である）を用いるのではなく、方形導波管２７からの電力を同軸導波管２２に伝達する好都合な方法を提供することが判明した。
同軸導波管２２は、マイクロ波を環状誘電体窓３０を介してプラズマチャンバ８中に案内する。各プラズマチャンバ８は、１つ又は２つ以上のガス入口３２及び１つ又は２つ以上のガス出口３４を有している。適当なホルダ３６がチャンバのベース上に支持され、基板３８がＣＶＤダイヤモンドをこの上に析出させるために使用中、基板ホルダ３６上に設けられている。
図７は、本発明の実施形態に用いられる接合部の一例を示しており、この接合部は、入力ポートＡ、２つの出力ポートＢ，Ｃ及びシンクに結合可能なポートＤを有し、ポートＢ，Ｃは、互いに結合解除されたり整合又は結合されたりする。かかる構成例では、ポートＡ，Ｄも又結合解除されたり整合又は結合されたりする。適当な接合部の一例は、「マジックＴ」接合部とも呼ばれているハイブリッドＴ字形接合部である。「マジックＴ」という用語は、マイクロ波スプリッタの技術分野における当業者によって理解される技術用語である。マジックＴ形接合部は、図７に示されているように４つのポートＡ〜Ｄを有する。ポートＡ〜Ｄは、これらの対称性によって互いに完全に結合解除される。したがって、これらポートは、例えば同調器を用いて別個独立に整合可能である。しかしながら、注目されるべきこととして、ポートＡ，Ｄは、対称性によって結合解除され、したがって全ての周波数で互いに結合解除されるが、ポートＢ，Ｃは、特定の周波数でのみ結合解除されたり整合されたりする。近似整合及び結合解除は、この特定の周波数に近い周波数の狭い帯域に当てはまるが、整合マジックＴ形接合部は、本来的に帯域幅の狭いデバイスである。
かかる接合部が本来的に受動型の帯域幅の狭いデバイスであるとすれば、当業者であるならば、これらは、極めて動的なプロセス、例えばＣＶＤ合成ダイヤモンド製造を実施するよう構成されたプラズマ反応器に使用するには適していないと考えるであろう。驚くべきこととして、結果的に各チャンバからの反射電力の位相に変化をもたらすかかるプロセスにおける変動を２つ又は３つ以上のチャンバ相互間に十分良好に相関させることができ、受動型素子、例えばマジックＴは、電力を均等に、かくして全ての負荷に効率的に送り出すことができる。
図８は、本発明の実施形態に用いられる接合部の別の一例を示しており、この接合部は、入力ポートＡ、２つの出力ポートＢ，Ｃ及びシンクに結合可能なポートＤを有し、ポートＢ，Ｃは、互いに結合解除されたり結合されたりする。この構成は、ハイブリッドリングと呼ばれている。かかる構成は、上述のハイブリッドＴ字形接合部とほぼ同じ仕方で機能することができるが、ハイブリッドリング形接合部は、ハイブリッドＴ字形接合部よりも狭い周波数帯域幅で動作する傾向がある。したがって、ハイブリッドＴ字形接合部は、使用中、ＣＶＤダイヤモンド反応器への同調可能な範囲を提供する上で良好な解決手段であると考えられる。
有利には、マイクロ波送電システムに結合された各プラズマ反応器は、使用中、低Ｑ係数空胴共振器を提供するよう設計される（即ち、プラズマがプラズマチャンバ内に存在する）。即ち、空胴共振器は、共振性が弱く、しかも減衰度が高く、エネルギー損失の量が多い。Ｑ係数は、１サイクル当たりのエネルギー貯蔵量／１サイクル当たりのエネルギー散逸量の比である。Ｑ係数は、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って変更可能である。大きな空胴内における小さく導電性の弱いプラズマは、小さい空洞内の大きな体積のプラズマよりも高いＱ係数を有すると見込まれる。したがって、空胴が小さくてプラズマ体積が大きいことは、この追加の理由で好ましいと考えられる。この条件は、小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。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。したがって、これらチャンバは、使用にあたり、低Ｑ係数、例えば１０００以下、５００以下、２００以下、１００以下、８０以下、５０以下、３０以下又は２０以下の空胴共振器を形成することができる。これら寸法は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数で動作する上で特に好ましい。４００〜５００ＭＨｚの動作周波数に関し、空胴共振器の容積は、０．０１８ｍ3〜０．５３０ｍ3、０．０６２ｍ3〜０．３５０ｍ3、０．０８９ｍ3〜０．２７０ｍ3又は０．１３３ｍ3〜０．２２１ｍ3であるのが良い。２３００〜２６００ＭＨｚの動作周波数に関し、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又は７．３５×１０-4ｍ3〜１．２３×１０3ｍ3であるのが良い。
かかる空胴共振器は、これらが共振し、かくして広い帯域幅で動作する広い周波数範囲を有する。これは、重要なことであるが、その理由は、プラズマ反応器に関し、プラズマが存在する場合の共振特性は、プラズマが存在しない場合の共振特性とは異なるからである。本発明の或る特定の実施形態としてのシステムは、再同調なしで始動することができる。と言うのは、空胴共振器の低Ｑ係数に起因してプラズマの存在の有無を問わず共振を反応器空胴内で達成できるからである。上述したように、いま説明している構成の同調を過度に変化させることができない。と言うのは、導波管接合部は、狭い帯域幅でしか所望の仕方で機能しないからである。したがって、プラズマ反応器を接合部の動作帯域幅に対応した狭い帯域幅でのみ動作させることができるということが望ましい。さらに、高Ｑ係数空胴共振器は、周波数につれて反射の位相及び大きさの大幅な変化を示す。これが意味することは、かるプラズマ反応器は、製造許容度等の僅かな差についても裕度が小さく、単一整合用スタブ型同調器は、両方のプラズマ負荷から反射された電力を同時に是正することが困難であり、その結果電力のアンバランスが不可避であることである。
かくして、導波管接合部は、１つのポートからのマイクロ波電力をプラズマ反応器にそれぞれ結合された少なくとも２つのポート相互間に均等に分割するよう正確に幾何学的に形作られるのが良い。接合部は又、整合が取られた反射電力をこれら２つのポートから伝送して上述の１つのポートにバックアップし、整合不良状態の電力を第２のポート中に捨てるよう構成される。換言すると、２つのプラズマ負荷がポート２及びポート３上の等価基準平面で測定して同一のインピーダンスを有する場合、反射電力の全ては、ポート１のところに現れることになる。プラズマ反応器に結合された２つのポートは、好ましくは、正確に等しい長さのものであり又は長さの異なるものであり、この長さは、１／２λgの倍数であり、ここで、λgは、例えば方形導波管で最も一般的に用いられているＴＥ10モードに関する動作導波長である。これにより、これら２つのポートが整合されたり結合解除されたりするようになる。接合ポートの結合解除及び整合を保持するには極めて僅かな設計許容度（例えば、１０ｍｍ以内、５ｍｍ以内、３ｍｍ以内、１ｍｍ以内、０．５ｍｍ以内又は０．１ｍｍ以内且つ／或いは標的ポート長さの４％以内、２％以内、１％以内、０．５％以内、０．２％以内、０．１％以内又は０．０６％以内）が必要である。
したがって、例えばマジックＴ字形接合部のような接合部は、プラズマ反応器に結合されたポートが結合解除され、他方、簡単且つ便利な整合方法を実現可能にする構成を提供する。近似整合及び結合解除は、狭い周波数帯域についてのみ当てはまる。例えば、マジックＴ字形接合部は、比較的狭い周波数帯域に対して最善の性能を与える。しかしながら、驚くべきこととして、プラズマ反応器内における共振を特にマイクロ波プラズマ反応器が低Ｑ係数を有するよう構成されている場合、かかる比較的狭い周波数帯域内であってもプラズマの存在の有無とは関係なく達成することができるということが判明した。注目されるべきこととして、同調器と接合部の両方は、プラズマ反応器の動作周波数のところで機能するよう構成されるべきである。スタブ型同調器は、原理的には、極めて広い周波数範囲で働くことができる。しかしながら、動作周波数及び帯域幅は、設計によって様々である。本発明者は、少なくとも３つのスタブが四分の一導波長により分離されたスタブ型同調器が好ましいことを見出した。
マイクロ波電力送電システムは、マイクロ波源に向かって戻される反射電力の大きさを測定するよう構成された電力測定装置を更に含むのが良い。電力測定装置は、電力使用量をモニタするために利用でき、マイクロ波源からの入力される電力をそれに応じて変えることができる。
本発明の一実施形態によれば、マイクロ波プラズマ作動型ＣＶＤ反応器システムは、マイクロ波発生器、この発生器に結合されたアイソレータ及び４つのポートを備えたマジックＴ字形接合部に結合された３スタブ型同調器を含み、これらポートのうちの１つは、３スタブ型同調器に結合され、これらポートのうちの１つは、電力シンク、例えば水負荷に結合され、これらポートのうちの２つは、プラズマ反応器に結合され、マジックＴは、２つのポートをプラズマ反応器の動作周波数で整合させたり結合解除させたりするよう構成され、３スタブ型同調器は、発生器からのマイクロ波を上述の動作周波数に同調させ、かかる動作周波数のマイクロ波をマジックＴから反射させるよう構成されている。
別の実施形態は、２つ以上の接合部を有するのが良い。例えば、上述の２つのポートは、各々、上述の機能を有する別の導波管接合部に結合されるのが良く、別の導波管接合部の各々は、２つのプラズマ反応器に結合され、その結果、４つのプラズマ反応器は、３つの導波管接合部、単一の３スタブ型同調器及びアイソレータを介して単一のマイクロ波発生器に結合されるようになっている。図９は、４つのプラズマ反応器８を単一のマイクロ波源４に結合するよう３つの導波管接合部１８を有する本発明の別の実施形態を示している。図９では、先の図で用いられたのと同じ参照符号が同一の部分に用いられている。また、大規模ネットワークを想定することができる。
原理的には、マイクロ波発生器から利用できる電力は、マイクロ波発生器に結合されたプラズマ反応器の動作電力の合計にほぼ等しいはずである。実際には、マイクロ波発生器から利用できる電力は、十分な電力が常時利用できるようにすると共に電力変動を考慮に入れるためにマイクロ波発生器に結合されたプラズマ反応器の動作電力の合計よりも僅かに大きいことが必要である。例えば、オプションとして、マイクロ波発生器から利用できる電力は、マイクロ波発生器に結合されたプラズマ反応器の動作電力の合計よりも５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、１０％又は５％以下大きいのが良い。
本発明の実施形態は、マイクロ波電力送電システムの受動的設計特性に起因して単一マイクロ波源に接続された複数個のマイクロ波プラズマ反応器相互間で生じるクロストークを回避する。本発明の或る特定の実施形態は、電力を複数個のプラズマ反応器に各プラズマ反応器に送り出される平均電力の±２５％以内、±２０％以内、±１５％以内、±１０％以内又は±５％以内で均等に送ることができる。さらに、本発明の実施形態としてのマイクロ波電力送電システムは、ＣＶＤダイヤモンド合成に必要な長い期間にわたって複数個のマイクロ波プラズマ反応器の各々に比較的一定の電力を送ることができる。例えば、複数個のマイクロ波プラズマ反応器の各々に送られる電力は、例えばＣＶＤダイヤモンド合成プロセスにおいて１時間以上、２時間以上、５時間以上、１０時間以上、１５時間以上、２４時間以上、４８時間以上、７日以上、１４日以上、２１日以上、２８日以上の期間にわたって各プラズマ反応器に送られる平均電力の±１０％以内、±８％以内、±６％以内、±４％以内又は±２％以内で安定していることができる。複数個のマイクロ波プラズマ反応器からの非整合（振幅及び位相の面で）反射電力は、マイクロ波電力送電システム内の導波管接合部に連結されたマイクロ波シンク、例えば水負荷中に送られる。マイクロ波電力送電システムは、電力効率を向上させるためにできるだけ多くの反射電力を用いるよう構成されているのが良い。本発明の実施形態としてのマイクロ波電力送電システムは、代表的には、導波管接合部に連結されたマイクロ波シンク内に５キロワット以下、３キロワット以下、１キロワット又は０．５キロワット以下しか吸収しない。したがって、反射電力の大部分を再使用することができる。
本発明の或る特定の実施形態としてのマイクロ波送電システムは、かくして、ハードウェアの観点から費用効果が良く且つ電力使用量の観点から効率が良く、しかも、各プラズマ反応器に入力されるマイクロ波電力が電力使用量の変動及びマイクロ波送電システムに反射して戻される電力の変動にもかかわらず、バランスが取れた状態のままであるようにする。本明細書において説明した構成は、ＣＶＤダイヤモンドプラズマ反応器１つ当たりの資本費を減少させることができる。さらに、この構成は、マイクロ波発生器１つ当たりの製品の歩留まりを増大させることができ、しかも互いに異なるプラズマ反応器からの製品が品質的に一様であるようにすることができる。
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。
なお、好ましい実施態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１． マイクロ波電力を複数個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電システムであって、前記マイクロ波電力送電システムは、
マイクロ波源に結合されるよう構成され且つ前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器のインピーダンスを前記マイクロ波源のインピーダンスに整合させるよう構成された同調器と、
前記同調器に結合されていて且つマイクロ波を案内して該マイクロ波を前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器に出し入れするよう構成された導波路接合部とを含み、
前記導波管接合部は、前記同調器に結合された第１のポート、前記マイクロ波プラズマ反応器にそれぞれ結合されるよう構成された第２及び第３のポート並びにマイクロ波シンクに結合された第４のポートを含む４つの導波管ポートを有し、
前記導波管接合部は、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するために前記同調器から入力されたマイクロ波電力を前記第１のポートを通って前記第２のポート及び前記第３のポートに均等に分割するよう構成され、
前記導波管接合部は、前記第２のポートと前記第３のポートを結合解除するよう構成され、それにより、前記マイクロ波プラズマ反応器のうちの１つからの反射マイクロ波が前記導波管接合部を横切って別のマイクロ波プラズマ反応器中に直接入ってアンバラスを生じさせるのを阻止し、
前記導波管接合部は、更に、振幅及び位相の面でバランスが取られた前記第２のポート及び前記第３のポートを通って戻って受け取られた反射マイクロ波を前記同調器に供給して前記反射マイクロ波を前記同調器によって反射して再使用することができるように構成され、
前記導波管接合部は、バランスが取られていない過剰反射電力を前記第４のポートを通って前記マイクロ波シンク中に送り込むよう構成されている、マイクロ波電力送電システム。
２． 前記同調器を前記マイクロ波源に結合するマイクロ波アイソレータを更に含む、上記１記載のマイクロ波電力送電システム。
３． 前記同調器は、スタブ型同調器である、上記１又は２記載のマイクロ波電力送電システム。
４． 前記スタブ型同調器は、複数個のスタブを有する、上記３記載のマイクロ波電力送電システム。
５． 前記複数個のスタブは、四分の一導波長によって互いに分離されている、上記４記載のマイクロ波電力送電システム。
６． 前記スタブ型同調器は、３スタブ型同調器である、上記４又は５記載のマイクロ波電力送電システム。
７． 前記導波管接合部は、ハイブリッドＴ形接合部、ハイブリッドリング形接合部及び２穴式方向性結合器のうちの１つである、上記１〜６のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
８． 前記第１のポート、前記第２のポート、前記第３のポート及び前記第４のポートは、方形導波管によって形成されている、上記１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
９． 前記導波管接合部は、前記第１、前記第２及び前記第３のポートが平面内に位置し、前記第１のポートが直線状に配置された前記第２及び前記第３のポートに対して９０°の角度をなして設けられているハイブリッドＴ形接合部であり、前記第４のポートは、前記第１のポートと前記第２のポートと前記第３のポートとの間の接合部のところに結合された状態で前記第１、前記第２及び前記第３のポートに垂直な平面内に位置している、上記１〜８のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１０． 前記導波管接合部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの周波数帯域幅の範囲内で動作する場合、前記第２のポートと前記第３のポートを結合解除するよう構成されている、上記１〜９のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１１． 前記第２のポート及び前記第３のポートは、長さが等しく又は１／２λ g の倍数である長さの差を有し、λ g は、前記導波管接合部の動作導波長である、上記１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１２． 前記第２及び前記第３のポートの長さは、１０ｍｍ以内、５ｍｍ以内、３ｍｍ以内、１ｍｍ以内、０．５ｍｍ以内又は０．１ｍｍ以内且つ／或いは標的ポート長さの４％以内、２％以内、１％以内、０．５％以内、０．２％以内、０．１％以内又は０．０６％以内の設計許容度に合わせて設定されている、上記１１記載のマイクロ波電力送電システム。
１３． 前記マイクロ波源に戻される反射電力の大きさを測定するよう構成された電力測定装置を更に含む、上記１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１４． 前記システムは、複数個の前記導波管接合部を含む、上記１〜１３のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１５． 前記第２のポート及び前記第３のポートは、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するためにそれぞれの同軸導波管に結合されている、上記１〜１４のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
１６． 各同軸導波管は、浮動ポスト中央導体から成る、上記１５記載のマイクロ波電力送電システム。
１７． マイクロ波プラズマ反応器システムであって、
マイクロ波源と、
前記マイクロ波源に結合された上記１〜１６のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システムと、
前記マイクロ波電力送電システムに結合された複数個のマイクロ波プラズマ反応器とを含む、マイクロ波プラズマ反応器システム。
１８． 前記マイクロ波源は、前記マイクロ波源に結合された前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器の動作電力の合計以上の電力を発生させるよう構成されている、上記１７記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
１９． 前記マイクロ波源からの利用可能な電力は、前記マイクロ波源に結合された前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器の動作電力の合計よりも５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、１０％以下又は５％以下大きい、上記１８記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２０． 前記マイクロ波源は、４００〜５００ＭＨｚ、８００〜１０００ＭＨｚ又は２３００〜２６００ＭＨｚの周波数のマイクロ波を発生させるよう構成されている、上記１７〜１９のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２１． 各マイクロ波プラズマ反応器は、動作周波数が４００〜５００ＭＨｚの場合、０．０１８ｍ 3 〜０．５３０ｍ 3 、０．０６２ｍ 3 〜０．３５０ｍ 3 、０．０８９ｍ 3 〜０．２７０ｍ 3 若しくは０．１３３ｍ 3 〜０．２２１ｍ 3 の容積、動作周波数が８００〜１０００ＭＨｚの場合、０．００２ｍ 3 〜０．０６ｍ 3 、０．００７ｍ 3 〜０．０４ｍ 3 、０．０１ｍ 3 〜０．０３ｍ 3 若しくは０．０１５ｍ 3 〜０．０２５ｍ 3 の容積又は動作周波数が２３００〜２６００ＭＨｚの場合、９．８×１０ -5 ｍ 3 〜２．９×１０ 3 ｍ 3 、３．４×１０ -4 ｍ 3 〜１．９６×１０ 3 ｍ 3 、４．９×１０ -4 ｍ 3 〜１．４７×１０ 3 ｍ 3 若しくは７．３５×１０ -4 ｍ 3 〜１．２３×１０ 3 ｍ 3 の容積を有する空胴共振器を有する、上記１７〜２０のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２２． 前記マイクロ波電力送電システムに結合された各マイクロ波プラズマ反応器は、使用の際に１０００以下、５００以下、２００以下、１００以下、８０以下、５０以下、３０以下又は２０以下のＱファクタ空胴共振器を有する、上記１７〜２１のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２３． 各マイクロ波プラズマ反応器は、同軸導波管を関して前記マイクロ波電力送電システムの前記導波管接合部に結合されている、上記１７７〜２２のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２４． ２つ又は４つのマイクロ波プラズマ反応器が前記マイクロ波電力送電システムに結合されている、上記１７〜２３のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システム。
２５． 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、前記方法は、
上記１７〜２４のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器システムを用意するステップと、
前記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を形成するステップとを含む、方法。
２６． 電力が各マイクロ波プラズマ反応器に送り出される平均電力の±２５％以内、±２０％以内、±１５％以内、±１０％以内又は±５％以内で前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器の各々に均等に送り出される、上記２５記載の方法。
２７． 前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器の各々に送り出される電力は、１時間以上、２時間以上、５時間以上、１０時間以上、１５時間以上、２４時間以上、４８時間以上、７日以上、１４日以上、２１日以上又は２８日以上の期間にわたって各マイクロ波プラズマ反応器に送り出された平均電力の±１０％以内、±８％以内、±６％以内、±４％又は±２％以内で安定している、上記２５又は２６記載の方法。
２８． 前記導波管接合部に連結されている前記マイクロ波シンクにより吸収される電力は、５ｋＷ以下、３ｋＷ以下、１ｋＷ以下又は０．５ｋＷ以下である、上記２５〜２７のうちいずれか一に記載の方法。

Claims (14)

  1. マイクロ波電力を複数個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電システムであって、前記マイクロ波電力送電システムは、
    マイクロ波源に結合されるよう構成され且つ前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器のインピーダンスを前記マイクロ波源のインピーダンスに整合させるよう構成された同調器と、
    前記同調器に結合されていて且つマイクロ波を案内し、該マイクロ波が前記複数個のマイクロ波プラズマ反応器に入射および反射するよう構成された導波路接合部とを含み、
    前記導波管接合部は、前記同調器に結合された第１のポート、前記マイクロ波プラズマ反応器にそれぞれ結合されるよう構成された第２及び第３のポート並びにマイクロ波シンクに結合された第４のポートを含む４つの導波管ポートを有し、
    前記導波管接合部は、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するために前記同調器から入力されたマイクロ波電力を前記第１のポートを通って前記第２のポート及び前記第３のポートに均等に分割するよう構成され、
    前記導波管接合部は、前記第２のポートと前記第３のポートを分離させ、前記マイクロ波プラズマ反応器のうちの１つからの反射マイクロ波が前記導波管接合部を横切って別のマイクロ波プラズマ反応器中に直接入ってアンバラスを生じさせるのを阻止するように構成され、
    前記導波管接合部は、更に、振幅及び位相の面でバランスが取られた前記第２のポート及び前記第３のポートを通って戻って受け取られた反射マイクロ波を前記同調器に供給し、前記同調器によって反射された前記反射マイクロ波を再使用することができるように構成され、
    前記導波管接合部は、更に、バランスが取られていない過剰反射電力を前記第４のポートを通って前記マイクロ波シンク中に送り込むよう構成されている、マイクロ波電力送電システム。
  2. 前記同調器を前記マイクロ波源に結合するマイクロ波アイソレータを更に含む、請求項１記載のマイクロ波電力送電システム。
  3. 前記同調器は、スタブ型同調器である、請求項１又は２記載のマイクロ波電力送電システム。
  4. 前記スタブ型同調器は、複数個のスタブを有する、請求項３記載のマイクロ波電力送電システム。
  5. 前記複数個のスタブは、四分の一導波長によって互いに分離されている、請求項４記載のマイクロ波電力送電システム。
  6. 前記導波管接合部は、ハイブリッドＴ形接合部、ハイブリッドリング形接合部及び２穴式方向性結合器のうちの１つである、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  7. 前記第１のポート、前記第２のポート、前記第３のポート及び前記第４のポートは、方形導波管によって形成されている、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  8. 前記導波管接合部は、前記第１、前記第２及び前記第３のポートが平面内に位置し、前記第１のポートが直線状に配置された前記第２及び前記第３のポートに対して９０°の角度をなして設けられているハイブリッドＴ形接合部であり、前記第４のポートは、前記第１のポートと前記第２のポートと前記第３のポートとの間の接合部のところに結合された状態で前記第１、前記第２及び前記第３のポートに垂直な平面内に位置している、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム
  9. 前記導波管接合部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの周波数帯域幅の範囲内で動作する場合、前記第２のポートと前記第３のポートを分離させ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電力送電システム。
  10. 前記第２のポート及び前記第３のポートは、長さが等しく又は１／２λgの倍数である長さの差を有し、λgは、前記導波管接合部の動作導波長である、請求項１〜９のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  11. 前記マイクロ波源に戻される反射電力の大きさを測定するよう構成された電力測定装置を更に含む、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  12. 前記システムは、複数個の前記導波管接合部を含む、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  13. 前記第２のポート及び前記第３のポートは、マイクロ波電力をそれぞれのマイクロ波プラズマ反応器に提供するためにそれぞれの同軸導波管に結合されている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロ波電力送電システム。
  14. 各同軸導波管は、浮遊電位の棒状中央導体を有する、請求項１３記載のマイクロ波電力送電システム。
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