JP7250969B1

JP7250969B1 - 人工ダイヤモンドプラズマ生成機器

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Publication number: JP7250969B1
Application number: JP2022017933A
Authority: JP
Inventors: 曹明雄; ▲トン▼亘皓; 陳漢穎
Original assignee: 宏碩系統股▲フン▼有限公司
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-04-03
Anticipated expiration: 2042-02-08
Also published as: JP2023115614A

Abstract

【課題】マイクロ波供給源と反応チャンバの間にある導波管の内側でマイクロ波が多数回反射しないようにする人工ダイヤモンドプラズマ生成機器を提供すること。【解決手段】人工ダイヤモンドプラズマ生成機器は、反応チャンバ、マイクロ波放出モジュール、およびマイクロ波レンズを有する。マイクロ波放出モジュールは、反応チャンバの中に円偏光マイクロ波を放出する。マイクロ波放出モジュールは、マイクロ波移動経路に沿って直列接続された偏光管、誘導管、第１の導波管、および第１の直線偏光マイクロ波供給源を有する。マイクロ波放出モジュールは、第２の導波管および第１の整合負荷をさらに有する。偏光管は、マイクロ波の移動方向に応じて、直線偏光マイクロ波を円偏光マイクロ波に変換するように、または逆に変換するように構成される。誘導管は、異なる方向に対向する第１の開口部および第２の開口部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、人工ダイヤモンド生成機器に関し、特にマイクロ波プラズマ化学蒸着法を利用して人工ダイヤモンドを合成する人工ダイヤモンド生成機器に関する。

従来の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器は、反応チャンバおよびマイクロ波放出モジュールを有する。ダイヤモンド保持器は、反応チャンバ内に配置され、マイクロ波放出モジュールは、反応チャンバに向けて２．４５ＧＨｚのマイクロ波を放出して、ダイヤモンド保持器上で強い電界を有する局所定在波を形成する。

人工ダイヤモンドを作り出すために、ダイヤモンド保持器上にダイヤモンド種晶を置き、反応チャンバに高濃度メタンガスを充填する。マイクロ波放出モジュールにより放出されたマイクロ波のエネルギーは、ダイヤモンド種晶の周囲でメタンガスを極高温まで加熱し、メタンガスの炭素原子をダイヤモンド種晶に付着させるプラズマボールを形成する。その結果、ダイヤモンド種晶は徐々に成長して、より大きなサイズの人工ダイヤモンドになる。

人工ダイヤモンドを作り出す効率を改善するために、円偏光管および焦点合わせ機構を有する人工ダイヤモンド生成機器が台湾特許第１７３４４０５（Ｂ）号公報に開示されている。マイクロ波は、最初に円偏光マイクロ波に変換され、次いでダイヤモンド種晶の周囲にプラズマボールを安定して形成できるようにダイヤモンド種晶に焦点を合わせられ、それにより、人工ダイヤモンドを作り出す効率を改善する。

しかしながら、台湾特許第１７３４４０５（Ｂ）号公報による試作品の人工ダイヤモンド生成機器の試験結果は、円偏光マイクロ波はプラズマボールの安定性を改善するものの、マイクロ波はまた、インピーダンス不整合に起因して反応チャンバの内側で複数回反射する傾向があり、マイクロ波供給源と反応チャンバの間の導波管内で複雑な反射定在波を増大させることを示している。複雑な反射定在波は、ダイヤモンド種晶の周囲でプラズマボールの安定性を徐々に害するので、人工ダイヤモンド生成の効率は低下する。

要するに、台湾特許第１７３４４０５（Ｂ）号公報で開示された人工ダイヤモンド生成機器は、人工ダイヤモンド生成の効率を理論上改善するが、あまりにも多くの無用のマイクロ波エネルギーが反応チャンバ内に蓄積されるので、実際の機器が作動しなくなる。

台湾特許第１７３４４０５（Ｂ）号公報

本発明の主要な目的は、マイクロ波供給源と反応チャンバの間にある導波管の内側でマイクロ波が多数回反射しないようにする人工ダイヤモンドプラズマ生成機器を提供することである。

人工ダイヤモンドプラズマ生成機器は、反応チャンバ、マイクロ波放出モジュール、およびマイクロ波レンズを有する。反応チャンバは中空であり、マイクロ波窓およびダイヤモンド保持器を有する。マイクロ波窓は、外部のマイクロ波がマイクロ波窓を介して反応チャンバの中に移動できるように反応チャンバ上に配置される。ダイヤモンド保持器は反応チャンバ内に配置され、仮想上の焦点領域（ａｎｉｍａｇｉｎａｒｙｆｏｃｕｓｒｅｇｉｏｎ）がダイヤモンド保持器上に画成される。マイクロ波放出モジュールは、反応チャンバの外側に配置され、反応チャンバのマイクロ波窓に向けて円偏光マイクロ波を放出する。マイクロ波放出モジュールは、直列接続された偏光管、誘導管、第１の導波管、および第１の直線偏光マイクロ波供給源を有する。マイクロ波放出モジュールは、第２の導波管および第１の整合負荷をさらに有する。偏光管は、円偏光開口部および直線偏光開口部を有する。円偏光開口部は、偏光管の端部上に配置され、反応チャンバのマイクロ波窓に対向する。直線偏光開口部は、偏光管の別の端部上に配置される。外部の直線偏光マイクロ波は、直線偏光開口部を介して偏光管に入るとき、円偏光マイクロ波に変換され、円偏光開口部を介して出て、外部の円偏光マイクロ波は、円偏光開口部を介して偏光管に入るとき、直線偏光マイクロ波に変換され、直線偏光開口部を介して出る。誘導管は主開口部、第１の開口部、および第２の開口部を有する。主開口部は誘導管の端部上に配置され、偏光管の直線偏光開口部に接続される。第２の開口部は、誘導管の側壁上に配置される。第２の開口部が対向する開口部方向は、第１の開口部が対向する開口部方向に非平行である。第１の導波管の端部は、誘導管の第１の開口部に接続され、第１の導波管の別の端部は、第１の直線偏光マイクロ波供給源に接続される。第１の直線偏光マイクロ波供給源は、直線偏光マイクロ波を発生させる。該直線偏光マイクロ波は、偏光管により円偏光マイクロ波に変換され、偏光管の円偏光開口部を介して反応チャンバのマイクロ波窓に向けて放出される。第２の導波管の端部は、誘導管の第２の開口部に接続される。第１の整合負荷は、第２の導波管に搭載される。マイクロ波レンズは、マイクロ波放出モジュールの偏光管の円偏光開口部と反応チャンバのダイヤモンド保持器の間に配置される。マイクロ波レンズは、マイクロ波放出モジュールにより放出された円偏光マイクロ波をダイヤモンド保持器の焦点領域に集束させる。

本発明の有利な点は、マイクロ波放出モジュールがその中に偏光管、誘導管、および第１の整合負荷を有することである。円偏光マイクロ波がインピーダンス不整合などの理由に起因して多数回反射するとき、反射された円偏光マイクロ波は、変質させられて直線偏光マイクロ波に戻り、次いで誘導管の第２の開口部を介して第１の整合負荷に移動し、最終的に第１の整合負荷により熱に変質させられることが可能である。

その結果、本発明は、無用のマイクロ波エネルギーを反応チャンバの中から外に向けることにより、複雑な反射定在波が反応チャンバ内で形成できないようにし、それにより、ダイヤモンド種晶の周囲に安定したプラズマボールを維持し、人工ダイヤモンド生成の効率を改善する。

具体的に言えば、第１の直線偏光マイクロ波供給源により放出された直線偏光マイクロ波は、誘導管を通して移動し、偏光管により円偏光マイクロ波に変質させられ、反応チャンバに入ってダイヤモンドを形成する。

反射された円偏光マイクロ波は、偏光管により直線偏光マイクロ波に再度変質させられるが、該直線偏光マイクロ波の電界は、２回変質させられた後、第１の直線偏光マイクロ波供給源により最初に放出された直線偏光マイクロ波の電界に垂直である。その結果、反射されたマイクロ波は、もはや第１の開口部を介して誘導管を出ることができず、台湾特許第１７３４４０５（Ｂ）号公報の通りにあまりにも多くの無用のマイクロ波エネルギーが反応チャンバ内になぜ蓄積するかを説明する。

他方で、本発明での誘導管は、第１の開口部に非平行の第２の開口部を有し、これによって、反射されたマイクロ波エネルギーは、第２の開口部を介して誘導管を出ることが可能になる。その結果、無用のマイクロ波エネルギーは、反応チャンバの中から外に向けられる。

本発明による人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の透視図である。図１の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の分解斜視図である。図１の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の一部の断面透視図である。図１の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の拡大した長手方向断面図である。図１の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の拡大した横断面図である。本発明による人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の別の実施形態の透視図である。図６の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の分解斜視図である。図６の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の拡大した長手方向断面図である。図８で線９－９をわたり得られた人工ダイヤモンドプラズマ生成機器の拡大横断面図である。

図１、図２、および図４を参照する。本発明による人工ダイヤモンドプラズマ生成機器は、反応チャンバ１０、マイクロ波放出モジュール、およびマイクロ波レンズ１３を備える。

反応チャンバ１０は中空であり、マイクロ波窓１１およびダイヤモンド保持器１２を有する。マイクロ波窓１１は、マイクロ波透過性であり、外側のマイクロ波がマイクロ波窓１１を介して反応チャンバ１０の中に移動できるように反応チャンバ１０上に配置される。正確に言うと、マイクロ波窓１１は、反応チャンバ１０のケーシング上に配置される。ダイヤモンド保持器１２は、反応チャンバ１０内に配置される。仮想上の焦点領域１２１は、ダイヤモンド保持器１２の最上部表面上に画成される。

マイクロ波放出モジュールは、反応チャンバ１０の外側に配置され、反応チャンバ１０のマイクロ波窓１１に向けて円偏光マイクロ波を放出する。マイクロ波放出モジュールは、偏光管２１、誘導管２２、第１の導波管３１、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２、第２の導波管４１、および第１の整合負荷４３を有し、好ましい実施形態では、マイクロ波放出モジュールは、長方形－円管２３、接続スリーブ２４、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２、および第２の整合負荷３３をさらに有する。偏光管２１、誘導管２２、第１の導波管３１、および第１の直線偏光マイクロ波供給源３２は、マイクロ波移動経路に沿って直列に接続される。

好ましい実施形態では、マイクロ波放出モジュールは、重ね合わせ組立体２０、第１のマイクロ波組立体３０、および第２のマイクロ波組立体４０を有し、第１のマイクロ波組立体３０および第２のマイクロ波組立体４０は、重ね合わせ組立体２０に向けて直線偏光マイクロ波を放出し、次いで該２つのマイクロ波組立体からの直線偏光マイクロ波は、重ね合わせ組立体２０内で重ね合わされ、次いで一緒に反応チャンバ１０の中に移動する。

図２～図４を参照する。重ね合わせ組立体２０は、偏光管２１、誘導管２２、長方形－円管２３、および接続スリーブ２４を含む。第１のマイクロ波組立体３０は、第１の導波管３１、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２、および第２の整合負荷３３を含む。第２のマイクロ波組立体４０は、第２の導波管４１、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２、および第１の整合負荷４３を含む。

円偏光開口部２１１および直線偏光開口部２１２は、それぞれ偏光管２１の対応する端部上に配置される。好ましい実施形態では、円偏光開口部２１１は（図４を参照すると）偏光管２１の下端部上に配置され、反応チャンバ１０のマイクロ波レンズ１３およびマイクロ波窓１１に面し、一方では、直線偏光開口部２１２は、偏光管２１の上端部上に配置される。

偏光管２１は、マイクロ波の移動方向に応じて、直線偏光マイクロ波を円偏光マイクロ波に変換するように、または円偏光マイクロ波を直線偏光マイクロ波に変換するように構成される。

具体的に言えば、外部の直線偏光マイクロ波は、直線偏光開口部２１２から偏光管２１に入るとき、円偏光マイクロ波に変換され、円偏光開口部２１１を介して偏光管２１を出る。外部の円偏光マイクロ波が円偏光開口部２１１から偏光管２１に入るとき、該円偏光マイクロ波は、直線偏光マイクロ波に変換され、直線偏光開口部２１２を介して偏光管２１を出る。

図３～図５を参照する。誘導管２２は、主開口部２２１、第１の開口部２２２、および第２の開口部２２３を有する。好ましい実施形態では、第１の開口部２２２および主開口部２２１は、誘導管２２上で反対側に配置される。正確に言うと、主開口部２２１は、誘導管２２の下端部上に配置され、一方では、第１の開口部２２２は、誘導管２２の上端部上に配置される。主開口部２２１は、偏光管２１の直線偏光開口部２１２に接続され、第２の開口部２２３は、誘導管２２の側壁上に配置される。すなわち、第２の開口部２２３が対向する開口部方向は、第１の開口部２２２が対向する開口部方向に非平行である。

正確に言うと、第１の開口部２２２が対向する開口部方向は、第２の開口部２２３が対向する開口部方向に垂直である。誘導管２２は好ましくは、主開口部２２１および第１の開口部２２２が円形であるように横断面が円形である。

長方形－円管２３は、誘導管２２の上方に配置され、第１の開口部２２２に接続される。長方形－円管２３の内側表面の横断面は、長方形開口部２３１が長方形－円管２３の端部上に形成され、一方では、円形開口部２３２が長方形－円管２３の別の端部上に形成されるように、長方形から円形に徐々に変形する。

接続スリーブ２４は、誘導管２２の周囲に位置する。変換孔２４１は、接続スリーブ２４内に形成され、接続スリーブ２４の外側表面および内側表面を接続する。変換孔２４１は、好ましくは細長く、上方および下方に延在する。

接続スリーブ２４の内側表面内に形成された変換孔２４１の開口部は、誘導管２２の第２の開口部２２３に接続され、変換孔２４１の幅は、第２の開口部２２３に向けて徐々に低減する。好ましい実施形態では、変換孔により画成された２つの反対側の壁は、変換孔の幅が第２の開口部２２３に向けて徐々に低減するように階段状である。

好ましい実施形態では、接続スリーブ２４および誘導管２２は一体に形成され、別の好ましい実施形態では、接続スリーブ２４は、誘導管２２から分離された管であり、溶接などの手段により誘導管２２の周囲に搭載される。

図２～図４を参照する。第１の導波管３１は、好ましくは横断面が長方形である。第１の導波管３１の一方の端部は、第１の導波管３１が長方形－円管２３を介して誘導管２２に接続されるように、長方形－円管２３の長方形開口部２３１に接続される。第１の導波管３１の別の端部は、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に接続される。

第１の直線偏光マイクロ波供給源３２は、ＴＥ１０直線偏光マイクロ波８１を発生させる。ＴＥ１０直線偏光マイクロ波８１は、長方形－円管２３、誘導管２２、および偏光管２１を通して移動した後、偏光管２１によりＴＥ１１円偏光マイクロ波８３に変換される。ＴＥ１１円偏光マイクロ波８３は、円偏光開口部２１１を介して偏光管２１を出て、反応チャンバ１０のマイクロ波窓１１に向けて放出される。

第２の整合負荷３３は、第１の導波管３１に搭載される。正確に言えば、第１の導波管３１にサーキュレータ３４が搭載される。第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に向けて第１の導波管３１内で逆に移動するマイクロ波が存在するとき、サーキュレータ３４は、マイクロ波が熱に変換される第２の整合負荷３３に該逆に移動するマイクロ波を向け、これにより、逆に移動するマイクロ波から第１の直線偏光マイクロ波供給源３２を保護し、機器内の無用なマイクロ波を除去する。

第１の導波管３１内で逆に移動するマイクロ波は、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２により発生させられ、反応チャンバ１０により反射され、偏光管２１、誘導管２２、および長方形－円管２３を通して移動し、最終的に第１の導波管３１内で第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に向けて移動する、後述のマイクロ波である。

第２の導波管４１は、好ましくは横断面が長方形である。第２の導波管４１の一方の端部は、第２の導波管４１が接続スリーブ２４を介して誘導管２２の第２の開口部２２３に接続されるように、接続スリーブ２４の外側表面内に形成された変換孔２４１の開口部に接続される。第２の導波管４１の別の端部は、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に接続される。

第２の直線偏光マイクロ波供給源４２は、ＴＥ１０直線偏光マイクロ波９１を発生させる。ＴＥ１０直線偏光マイクロ波９１は、長方形－円管２３、誘導管２２、および偏光管２１を通して移動した後、偏光管２１によりＴＥ１１円偏光マイクロ波９３に変換される。ＴＥ１１円偏光マイクロ波９３は、円偏光開口部２１１を介して偏光管２１を出て、反応チャンバ１０のマイクロ波窓１１に向けて放出される。別の好ましい実施形態では、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２は省略される。

第１の整合負荷４３は、第２の導波管４１に搭載される。正確に言えば、第２の導波管４１にサーキュレータ４４が搭載される。第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に向けて第２の導波管４１内で逆に移動するマイクロ波が存在するとき、サーキュレータ４４は、マイクロ波が熱に変換される第１の整合負荷４３に該逆に移動するマイクロ波を向け、これにより、逆に移動するマイクロ波から第２の直線偏光マイクロ波供給源４２を保護し、機器内の無用なマイクロ波を除去する。

第２の導波管４１内で逆に移動するマイクロ波は、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２により発生させられ、反応チャンバ１０により反射され、偏光管２１、誘導管２２を通して移動し、最終的に第２の導波管４１を介して第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に向けて移動する、後述のマイクロ波である。
第１の直線偏光マイクロ波供給源３２により発生させられたマイクロ波は、その電界の方向に起因して反応チャンバ１０により反射された後、長方形－円管２３を通して逆に移動できず、むしろ第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に向けて逆に移動する。

マイクロ波レンズ１３は、マイクロ波放出モジュールの偏光管２１の円偏光開口部２１１と反応チャンバ１０のダイヤモンド保持器１２の間に配置される。マイクロ波レンズ１３は、マイクロ波放出モジュールにより放出された円偏光マイクロ波をダイヤモンド保持器１２の焦点領域１２１に集束させる。

好ましい実施形態では、マイクロ波レンズ１３は反応チャンバ１０の外側に配置され、円偏光開口部２１１と反応チャンバ１０のマイクロ波窓１１の間に配置される。マイクロ波レンズ１３は、好ましくは誘電体凸レンズである。別の好ましい実施形態では、人工ダイヤモンドプラズマ生成機器は、マイクロ波集束効率を改善する追加の凸レンズおよび／または凹レンズを有する。

本発明を使用するために、ダイヤモンド保持器１２の焦点領域１２１内にダイヤモンド種晶Ａを置く。第１の直線偏光マイクロ波供給源３２は、第１の導波管３１内にＴＥ１０直線偏光マイクロ波８１を発生させる。ＴＥ１０直線偏光マイクロ波８１は、長方形－円管２３を通して移動して誘導管２２の中に入った後、ＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２に変換される。

一方では、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２は、第２の導波管４１内にＴＥ１０直線偏光マイクロ波９１を発生させる。ＴＥ１０直線偏光マイクロ波９１は、接続スリーブ２４の変換孔２４１を通して移動して誘導管２２の中に入った後、ＴＥ１１直線偏光マイクロ波９２に変換される。

最後に、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に由来するＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２および第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に由来するＴＥ１１直線偏光マイクロ波９２は、両方とも偏光管２１を通して下方に移動し、偏光管２１に入る。
次いで、ＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２およびＴＥ１１直線偏光マイクロ波９２は、偏光管２１によりそれぞれＴＥ１１円偏光マイクロ波８３およびＴＥ１１円偏光マイクロ波９３に変換され、マイクロ波レンズ１３により集束し、マイクロ波窓１１を通して移動し、焦点領域１２１内で集束して人工ダイヤモンドを作り出す。

ＴＥ１１円偏光マイクロ波８３およびＴＥ１１円偏光マイクロ波９３が反応チャンバ１０内で反射されたとき、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に由来する反射されたマイクロ波は、第２の開口部２２３を介して第２の導波管４１に入り、結局は第１の整合負荷４３により熱に変換される。一方では、第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に由来する反射されたマイクロ波は、第１の開口部２２２を介して第１の導波管３１に入り、結局は第２の整合負荷３３により熱に変換される。詳細な過程について、以下に説明する。

第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に由来するＴＥ１１円偏光マイクロ波８３が反射されたとき、反射されたＴＥ１１円偏光マイクロ波８３は、偏光管２１を通して上方に移動し、誘導管２２内でＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２’に変換される。しかしながら、ＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２’は、その電界が偏光管２１により２回変換された後、ＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２の電界に垂直であるので、第１の開口部２２２を介して第１の導波管３１に入ることが不可能であり、むしろＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２’は、第２の開口部２２３を介して第２の導波管４１に入り、第１の整合負荷４３により熱に変換される。

ＴＥ１１円偏光マイクロ波８３に類似して、ＴＥ１１円偏光マイクロ波９３が反射されたとき、反射されたＴＥ１１円偏光マイクロ波９３は、偏光管２１を通して上方に移動し、誘導管２２内でＴＥ１１直線偏光マイクロ波９２’に変換される。ＴＥ１１直線偏光マイクロ波９２’は、第２の導波管４１に入ることが不可能であるが、第１の導波管３１に入って、第２の整合負荷３３により熱に変換されることが可能である。

本発明の別の有利な点は、直線偏光マイクロ波を円偏光マイクロ波に変換することにより、円偏光マイクロ波の電界分布が反応チャンバ１０内でより均一に分布することである。
本発明は、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２および第２の直線偏光マイクロ波供給源４２に由来する円偏光マイクロ波を重ね合わせて、マイクロ波電力を増大させ、それによりダイヤモンド保持器１２上の人工ダイヤモンドの成長速度を増大させることが可能である。

図６～図９を参照する。本発明の第２の実施形態は、上述の第１の実施形態と実質的に同じであるが、違いは、誘導管２２Ａの第１の開口部２２２Ａが誘導管２２Ａの側壁上に位置することである。さらに、接続スリーブ２４Ａは、第１の変換孔２４１Ａおよび第２の変換孔２４１Ａである２つの変換孔２４１Ａを有する。

第１の変換孔２４１Ａの２つの反対側の開口部の一方は、誘導管２２Ａの第１の開口部２２２Ａに接続され、第１の変換孔２４１Ａの２つの反対側の開口部の他方は、第１の導波管３１Ａに接続される。第１の変換孔２４１Ａの幅は、第１の開口部２２２Ａに向けて徐々に低減する。

第２の変換孔２４１Ａの２つの反対側の開口部の一方は、誘導管２２Ａの第２の開口部２２３Ａに接続され、第２の変換孔２４１Ａの２つの反対側の開口部の他方は、第２の導波管４１Ａに接続される。第２の変換孔２４１Ａの幅は、第２の開口部２２３Ａに向けて徐々に低減する。

要するに、偏光管２１、誘導管２２、および第１の整合負荷４３を有することにより、第１の直線偏光マイクロ波供給源３２に由来するＴＥ１１円偏光マイクロ波８３がインピーダンス不整合などの理由に起因して反応チャンバ１０内で反射されたとき、反射された円偏光マイクロ波は変換されてＴＥ１１直線偏光マイクロ波８２’に戻り、次いで誘導管２２の第２の開口部２２３を介して第１の整合負荷に移動し、最終的に第１の整合負荷４３により熱に変換されることが可能である。

その結果、本発明は、反応チャンバ１０の中から外に無用なマイクロ波エネルギーを向けることにより、複雑な反射定在波が反応チャンバ１０内で形成しないようにし、それによりダイヤモンド種晶Ａの周囲で安定したプラズマボールを維持し、人工ダイヤモンド生成の効率を改善する。

Claims

中空な反応チャンバであって、マイクロ波窓であって、外部のマイクロ波が前記マイクロ波窓を介して前記反応チャンバの中に移動できるように、前記反応チャンバ上に配置されたマイクロ波窓、前記反応チャンバ内に配置されたダイヤモンド保持器であって、仮想上の焦点領域が前記ダイヤモンド保持器上に画成されたダイヤモンド保持器、を有する反応チャンバと、
前記反応チャンバの外側に配置され、前記反応チャンバの前記マイクロ波窓に向けて円偏光マイクロ波を放出し、直列に接続された偏光管、誘導管、第１の導波管、および第１の直線偏光マイクロ波供給源を有し、第２の導波管および第１の整合負荷をさらに有するマイクロ波放出モジュールと、を備え、
前記偏光管は、前記偏光管の端部上に配置され、前記反応チャンバの前記マイクロ波窓に対向する円偏光開口部、および前記偏光管の別の端部上に配置された直線偏光開口部、を有し、
外部の直線偏光マイクロ波は、前記直線偏光開口部を介して前記偏光管に入るとき、円偏光マイクロ波に変換され、前記円偏光開口部を介して出て、外部の円偏光マイクロ波は、前記円偏光開口部を介して前記偏光管に入るとき、直線偏光マイクロ波に変換され、前記直線偏光開口部を介して出て、
前記誘導管は、前記誘導管の端部上に配置され、前記偏光管の前記直線偏光開口部に接続された主開口部、第１の開口部、および前記誘導管の側壁上に配置された第２の開口部であって、前記第２の開口部が対向する開口部方向は、前記第１の開口部が対向する開口部方向に非平行の第２の開口部、を有し、
前記第１の導波管の端部は、前記誘導管の前記第１の開口部に接続され、前記第１の導波管の別の端部は、前記第１の直線偏光マイクロ波供給源に接続され、
前記直線偏光マイクロ波供給源は、直線偏光マイクロ波を発生させ、前記直線偏光マイクロ波は、前記偏光管により円偏光マイクロ波に変換され、前記偏光管の前記円偏光開口部を介して前記反応チャンバの前記マイクロ波窓に向けて放出され、
前記第２の導波管の端部は、前記誘導管の前記第２の開口部に接続され、
前記第１の整合負荷は、前記第２の導波管に搭載され、
マイクロ波レンズは、前記マイクロ波放出モジュールの前記偏光管の前記円偏光開口部と前記反応チャンバの前記ダイヤモンド保持器の間に配置され、前記マイクロ波放出モジュールにより放出された前記円偏光マイクロ波を前記ダイヤモンド保持器の焦点モジュールに集束させることを特徴とする、
人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記マイクロ波放出モジュールは、前記第２の導波管の別の端部に搭載され、直線偏光マイクロ波を発生させる第２の直線偏光マイクロ波発生源であって、前記直線偏光マイクロ波は、前記偏光管により円偏光マイクロ波に変換され、前記偏光管の前記円偏光開口部を介して前記反応チャンバの前記マイクロ波窓に向けて放出される第２の直線偏光マイクロ波発生源と、前記第１の導波管に搭載された第２の整合負荷と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記マイクロ波放出モジュールの前記誘導管は、横断面が円形であり、前記マイクロ波放出モジュールの前記第１の導波管および前記第２の導波管は、横断面が長方形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記第１の開口部および前記主開口部は、前記誘導管上で反対側に配置され、前記マイクロ波放出モジュールは、前記第１の導波管と前記誘導管の前記第１の開口部の間に接続された長方形－円管を有し、前記長方形－円管の内側表面の横断面は、長方形から円形に徐々に変形することを特徴とする、請求項３に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記第１の開口部および前記主開口部は、前記誘導管上で反対側に配置され、前記マイクロ波放出モジュールは、前記誘導管の周囲に位置する接続スリーブを有し、前記第２の導波管は、前記接続スリーブの外側表面に接続され、前記接続スリーブは、前記接続スリーブの前記外側表面および内側表面を接続する細長い変換孔であって、前記変換孔の２つの反対側の開口部の一方は、前記誘導管の前記第２の開口部に接続され、前記変換孔の前記２つの反対側の開口部の他方は、前記第２の導波管に接続され、前記変換孔の幅は、前記第２の開口部に向けて徐々に低減する変換孔、を有することを特徴とする、請求項３に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記変換孔により画成された２つの反対側の壁は、前記変換孔の前記幅が前記第２の開口部に向けて徐々に低減するように階段状であることを特徴とする、請求項５に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記マイクロ波放出モジュールは、前記誘導管の周囲に位置する接続スリーブを有し、前記第２の導波管は、前記接続スリーブの外側表面に接続され、前記接続スリーブは、前記接続スリーブの前記外側表面および内側表面を接続する細長い変換孔であって、前記変換孔の２つの反対側の開口部の一方は、前記誘導管の前記第２の開口部に接続され、前記変換孔の前記２つの反対側の開口部の他方は、前記第２の導波管に接続され、前記変換孔の幅は、前記第２の開口部に向けて徐々に低減する変換孔、を有することを特徴とする、請求項４に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記変換孔により画成された２つの反対側の壁は、前記変換孔の前記幅が前記第２の開口部に向けて徐々に低減するように階段状であることを特徴とする、請求項７に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記誘導管の前記第１の開口部は、前記誘導管の前記側壁上に位置し、前記マイクロ波放出モジュールは、前記誘導管の周囲に位置する接続スリーブを有し、前記第２の導波管は、前記接続スリーブの外側表面に接続され、前記接続スリーブは、２つの変換孔であって、前記変換孔の各々は細長く、前記接続スリーブの前記外側表面および内側表面に接続し、前記２つの変換孔は、第１の変換孔であって、前記第１の変換孔の２つの反対側の開口部の一方は、前記誘導管の前記第１の開口部に接続され、前記第１の変換孔の前記２つの反対側の開口部の他方は、前記第１の導波管に接続され、前記第１の変換孔の幅は、前記第１の開口部に向けて徐々に低減する第１の変換孔、および第２の変換孔であって、前記第２の変換孔の２つの反対側の開口部の一方は、前記誘導管の前記第２の開口部に接続され、前記第２の変換孔の前記２つの反対側の開口部の他方は、前記第２の導波管に接続され、前記第２の変換孔の幅は、前記第２の開口部に向けて徐々に低減する第２の変換孔である２つの変換孔を有することを特徴とする、請求項３に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。
前記誘導管の前記第１の開口部が対向する前記開口部方向は、前記誘導管の前記第２の開口部が対向する開口部方向に垂直であることを特徴とする、請求項１または２に記載の人工ダイヤモンドプラズマ生成機器。