JP6585284B2 - 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
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Description
(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)
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (14)
- 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、を含み、前記故障検出システムは、管アーク発生故障、及びπ−1振動モード故障の少なくとも一方を検出するように構成され、さらに、
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を含む、マイクロ波発生器システム。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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1〜6のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
- 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。
- 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。 - 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1〜9のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。
- 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1〜10のうちいずれか一に記載のマイクロ波発生器システム。 - 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1〜11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。 - 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12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。
- 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12または13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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