KR101854069B1 - 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기 - Google Patents

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기 Download PDF

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이안 프리엘
마이클 앤드류 쿠퍼
지오프리 앨런 스카스브룩
벤 류린 그린
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Abstract

화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기로서,
상기 극초단파 플라즈마 반응기는
제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강(cavity)을 한정하는 플라즈마 챔버;
총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한, 상기 플라즈마 챔버에 연결된 복수개의 극초단파 공급원;
공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이 기체를 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템; 및
사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재를 지지하기 위한 지지 표면을 포함하고 상기 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더
를 포함하고, 이 때
상기 복수개의 극초단파 공급원이 상기 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상을 상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 상기 플라즈마 챔버에 연결하도록 구성되고,
상기 복수개의 극초단파 공급원중 적어도 일부가 고상(solid state) 극초단파 공급원인, 극초단파 플라즈마 반응기.

Description

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기{A MICROWAVE PLASMA REACTOR FOR MANUFACTURING SYNTHETIC DIAMOND MATERIAL}
본 발명은 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
다이아몬드 물질을 합성하기 위한 화학적 증착(CVD) 방법은 현재 당 업계에 널리 알려져 있다. 다이아몬드 물질의 화학적 증착에 관한 유용한 배경 정보는 다이아몬드 관련 기술에만 관련된 간행물[Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009)]의 특별 주제에서 발견할 수 있다. 예를 들어, 발머(R.S. Balmer) 등의 리뷰 논문은 CVD 다이아몬드 물질, 기술 및 용도의 종합적인 개관을 제공한다["Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications" J. Phys.: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364221 참조].
다이아몬드가 흑연에 비해 준안정적인 영역에 있기 때문에, CVD 조건 하에서의 다이아몬드의 합성은 벌크 열역학에 의해서가 아니라 표면 동역학에 의해 이루어진다. CVD에 의한 다이아몬드 합성은 통상, 분자 수소를 초과하는 적은 분율(전형적으로는 5% 미만)의 탄소를, 다른 탄소 함유 기체를 사용할 수 있다 하더라도 전형적으로는 메탄의 형태로 사용하여 수행된다. 분자 수소를 2000K보다 높은 온도로 가열하면, 원자 수소로의 상당한 해리가 이루어진다. 적합한 기재 물질의 존재하에서, 합성 다이아몬드 물질이 침착될 수 있다.
원자 수소는 다이아몬드 성장이 이루어질 수 있도록 비-다이아몬드 탄소를 기재로부터 선택적으로 에칭해내기 때문에 이 공정에 필수적이다. CVD 다이아몬드 성장에 필요한 반응성 탄소 함유 라디칼 및 원자 수소를 발생시키기 위하여 탄소 함유 기체 물질 및 분자 수소를 가열하는데, 아크-제트(arc-jet), 고온 필라멘트, DC 아크, 옥시-아세틸렌 화염 및 극초단파 플라즈마를 비롯한 다양한 방법을 이용할 수 있다.
DC 아크 플라즈마 같은 전극을 포함하는 방법은 전극 부식 및 물질의 다이아몬드로의 혼입 때문에 단점을 가질 수 있다. 연소 방법은 전극 부식 문제를 피하지만, 고품질 다이아몬드 성장에 일치하는 수준까지 정제되어야 하는 비교적 고가의 공급 기체에 의존한다. 또한, 옥시-아세틸렌 혼합물을 연소시킬 때에도 화염의 온도가 기체 스트림중 상당한 분율의 원자 수소를 획득하는데 불충분하고, 방법은 적절한 성장 속도를 달성하기 위하여 편재화된 구역에서의 기체 플럭스의 집중에 의존한다. 아마도 벌크 다이아몬드 성장에 연소가 폭넓게 이용되지 않는 주요 이유는 추출될 수 있는 에너지의 kWh 면에서의 비용이다. 전기에 비해, 고순도 아세틸렌 및 산소는 열을 발생시키는 값비싼 방법이다. 표면적으로는 간단해 보이지만 고온 필라멘트 반응기는 한정된 양의 원자 수소를 성장 표면으로 비교적 효과적으로 수송하는데 필요한 더욱 낮은 기체 압력에서의 이용으로 한정되는 단점을 갖는다.
상기 내용에 비추어, 극초단파 플라즈마는 동력 효율, 성장 속도, 성장 면적 및 수득될 수 있는 생성물의 순도의 조합 면에서 CVD 다이아몬드 침착을 실행시키는 가장 효과적인 방법인 것으로 밝혀졌다.
극초단파 플라즈마 활성화되는 CVD 다이아몬드 합성 시스템은 전형적으로 공급 기체의 공급 및 극초단파 동력원에 연결되는 플라즈마 반응기 용기를 포함한다. 플라즈마 반응기 용기는 지속적인 극초단파 장을 뒷받침하는 공명 강을 형성시키도록 구성된다. 탄소 공급원 및 분자 수소를 포함하는 공급 기체가 플라즈마 반응기 용기로 공급되고, 지속적인 극초단파 장에 의해 활성화되어 고자장 영역에서 플라즈마를 형성할 수 있다. 적합한 기재가 플라즈마에 근접하게 제공되면, 반응성 탄소 함유 라디칼이 플라즈마로부터 기재로 확산되고 그 위에 침착될 수 있다. 원자 수소도 플라즈마로부터 기재로 확산될 수 있고, 다이아몬드 성장이 이루어질 수 있도록 비-다이아몬드 탄소를 기재로부터 선택적으로 에칭시킬 수 있다.
CVD 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 필름을 성장시키는데 가능한 광범위한 극초단파 플라즈마 반응기가 당 업계에 공지되어 있다. 이러한 반응기는 다양하고 상이한 디자인을 갖는다. 공통적인 특징부는 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 배치된 기재 홀더, 플라즈마를 형성시키기 위한 극초단파 발생기, 극초단파를 극초단파 발생기로부터 플라즈마 챔버로 공급하기 위한 연결부 배치, 공정 기체를 플라즈마 챔버에 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템, 및 기재 홀더 상에서 기재의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템을 포함한다.
다양한 가능한 반응기 디자인을 요약하는 실바(Silva) 등의 유용한 개관 논문이 앞서 언급된 간행물[Journal of Physics]에 기재되어 있다["Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition" J. Phys.,: Condens. Matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364202 참조]. 이 논문은 순수하게 전자기적인 관점에서 하기 세 가지 주요 디자인 기준이 있음을 밝힌다: (i) 공명 모드의 선택; (ii) 연결 구조(전기 또는 자기)의 선택; 및 (iii) 유전성 윈도우(dielectric window)(형상 및 위치)의 선택.
관점 (i)과 관련하여, 실바 등은 원형 횡자기장(TM; transverse magnetic) 모드, 특히 TM0mn 모드가 가장 적합함을 밝힌다. 이 표기법에서, 첫 번째 지수 숫자(여기에서는 0)는 전기장 구조가 축대칭성임을 나타낸다(이는 원형 플라즈마를 생성시킴). 지수 m 및 n은 각각 방사상 방향 및 축방향에서 전기장의 파절의 수를나타낸다. 실바 등은 TM011, TM012, TM013, TM020, TM022, TM023 및 TM031을 비롯한 다수의 상이한 모드가 종래 기술의 반응기에 사용되었음을 나타낸다.
관점 (ii)와 관련하여, 실바 등은 안테나를 사용한 전기장(용량성) 연결이 가장 널리 이용되고 자기장(유도성) 연결이 연결될 수 있는 제한된 동력 때문에 희귀하게 이용됨을 밝힌다. 즉, 시판중인 IPLAS 반응기는 TM012 모드를 뒷받침하기 위하여 자기 연결을 이용하는 것으로 개시되어 있다.
관점 (iii)과 관련하여, 실바 등은, 전기 및 자기 연결 체계와 관련하여 필수적인 요소가, 반응 기체가 공급되어 전자기장에 의해 여기될 때 플라즈마를 형성하는 강 내부에서 감압 대역의 범위를 정하고 통상 석영으로 제조되는 유전성 윈도우라고 기재한다. 석영 윈도우를 사용하면, 사용자가, 플라즈마가 이 영역에서만 점화될 수 있고 챔버 내의 다른 전기장 최대치에서의 기생 플라즈마의 형성을 피할 수 있도록 (최대 전기장의) 단일 전기장 파복(anti-node) 영역을 선택할 수 있는 것으로 기재되어 있다. 석영 윈도우는 통상적으로 침착이 이루어지는 기재 위 및 기재에 인접하게 위치하는 전기장 파복 둘레에 위치하는 종모양 용기의 형태이다. 다른 유전성 윈도우 구성도 또한 개시되어 있다. 예를 들어, 강 중간 평면 근처에서 반응기 챔버를 가로질러 위치하는 판 형태의 유전성 윈도우를 포함하는 ASTEX 반응기가 기재되어 있는 한편, 2세대 ASTEX 반응기는 반응기에 더욱 우수한 동력 취급능을 제공하기 위하여 플라즈마에 직접 노출되지 않는 석영 관 형태의 유전성 윈도우를 갖는 것으로 기재되어 있다.
또한, 이 논문은 TM012 모드를 뒷받침하도록 디자인된 MSU 반응기, TM013 모드를 뒷받침하도록 디자인된 ASTEX 반응기, 또는 TM023 모드 또는 TM022 모드를 뒷받침하는 LIMHP 반응기 같은 원통형 챔버; AIXTRON 반응기 같은 타원체형 챔버; 및 챔버가 전체로서 다중 모드를 뒷받침하도록, 기재 홀더와 챔버의 상부 사이에서 TM011 모드를 뒷받침하기 위한 중심 원통형 구성요소 및 TM021 모드를 뒷받침하는 측방향으로 연장되는 측부 돌출부를 갖는 2세대 ASTEX 반응기 같은 다른 비-원통형 챔버를 포함하는 종래 기술의 반응기 챔버의 다양한 기하학적 형태를 개시한다. 2세대 ASTEX 반응기는 TM011 모드의 경우에 그러하듯이 챔버의 중심 구역의 상부에 Ez-장 최대치 하나만을 갖고 TM021 모드에 대해 예측되는 바와 같이 하부 절반에 2개의 Ez 최대치를 갖는다.
특허 문헌과 관련하여, US 6645343 호[프라운호퍼(Fraunhofer)]는 화학적 증착 공정을 통한 다이아몬드 필름 성장을 위해 구성된 극초단파 플라즈마 반응기의 일례를 개시한다. 이에 기재된 반응기는 그의 기부 상에 장착된 기재 홀더를 갖는 원통형 플라즈마 챔버를 포함한다. 기재 홀더 상의 기재의 온도를 제어하기 위하여 기재 홀더 아래에 냉각 장치가 제공된다. 또한, 공정 기체를 공급 및 제거하기 위하여 플라즈마 챔버의 기부에 기체 유입구 및 기체 유출구가 제공된다. 플라즈마 챔버 위의 전달 말단에서 나뉘어지고 플라즈마 챔버의 주변부에서 본질적으로 고리 형상의 극초단파 윈도우(석영 고리 형태)로 유도되는 고-주파수 동축 라인을 통해 극초단파 발생기가 플라즈마 챔버에 연결된다. US 6645343 호에 기재된 발명은 고리-형상의 극초단파 윈도우에 초점을 맞추고 있고, 반응기 챔버에서의 극초단파의 연결부가 극초단파 윈도우의 전체 고리 표면 위에서 원형 대칭 방식으로 분포됨을 개시한다. 연결부가 큰 표면에 걸쳐 분포되기 때문에, 극초단파 윈도우에서 발생되는 높은 전기장 강도 없이 높은 극초단파 동력 수준이 연결되어 윈도우 방전의 위험을 감소시킨다.
이로써, US 6645343 호는 앞서 논의된 간행물(Journal of Physics) 논문에서 실바 등에 의해 기재된 세 가지 디자인 기준중 두 가지, 즉 연결 구조(자기)의 선택 및 유전성 윈도우(원통형 반응기 챔버의 측벽 둘레에 위치하는 고리-형상의 유전성 윈도우)의 선택을 다룬다. US 6645343 호는 챔버가 뒷받침하기 위해 디자인되어야 하는 공명 모드가 무엇인지, 또한 큰 면적에 걸쳐 균일한 CVD 다이아몬드 성장을 달성하기 위하여 대면적 기재/홀더의 표면을 가로질러 균일하고 안정한 대면적 플라즈마를 획득하도록 목적하는 공명 모드를 가장 잘 뒷받침하기 위해 어떤 디자인 기준을 챔버에 적용하는지에 대해 함구한다.
상기 논의 및 그에 언급된 종래 기술에 비추어, 큰 면적에 걸쳐 균일한 CVD 다이아몬드 성장을 달성하기 위하여 대면적 기재/홀더의 표면을 가로질러 균일하고 안정한 대면적 플라즈마를 형성하는 것이 CVD 다이아몬드 합성 분야에서 널리 공지되어 있는 목표이고, 또한 이 목적을 달성하기 위하여 당 업계에서 다수의 상이한 플라즈마 챔버 디자인 및 동력 연결 구성이 제안되었음이 명백해질 것이다. 그러나, 더 큰 CVD 성장 면적, 더 우수한 균일성, 더 높은 성장 속도, 더 우수한 재현성, 더 우수한 동력 효율 및/또는 더 낮은 생산 비용을 제공하기 위하여 종래 기술의 배치에 대해 개선해야 할 필요가 지속되고 있다.
전술한 배경 정보에 따라, 본 출원인은 비교적 큰 면적에 걸쳐 비교적 높은 성장 속도로 단결정 및 다결정질 CVD 다이아몬드 물질의 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드 성장을 달성하기 위한 극초단파 플라즈마 활성화되는 CVD 반응기 하드웨어 및 CVD 다이아몬드 합성 방법에 관한 다수의 특허원을 이미 출원하였다. 이들 특허원은 하기를 기재하는 특허원을 포함한다:
(i) 극초단파 플라즈마 챔버의 구조 및 기하학적 형태의 특정 양태(예를 들어, TM011 공명 모드 플라즈마 챔버 구성의 사용을 기재하는 WO 2012/084661 호, 및 플라즈마 챔버의 측벽으로부터 돌출된 플라즈마 안정화 환의 제공을 기재하는 WO 2012/084657 호);
(ii) 극초단파 동력 연결 구성의 특정 양태(예컨대, 복수개의 극초단파 플라즈마 반응기에 극초단파 동력을 공급하기 위한 극초단파 동력 전달 시스템을 기재하는 WO 2012/084658 호, 및 환형 유전성 윈도우, 동축 도파관, 및 극초단파를 플라즈마 챔버 쪽으로 연결시키기 위해 환형 구성으로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파판을 포함하는 극초단파 연결 구성을 기재하는 WO 2012/084659 호);
(iii) 기재 제조, 기하학적 형태 및 극초단파 챔버 내에서의 온도 제어 구성의 특정 양태(예컨대, 목적하는 전기장 및 온도 프로파일을 달성하기 위하여 극초단파 플라즈마 반응기 내에서 기재 매개변수를 제조, 위치 및 제어하는 방법을 기재하는 WO 2012/084655 호); 및
(iv) 극초단파 플라즈마 챔버 내에서의 기체 유동 구성 및 기체 유동 매개변수의 특정 양태(예를 들어, 큰 면적에 걸쳐 균일한 다이아몬드 성장을 달성하기 위한 바람직한 기하학적 구성을 갖는 다중-노즐 기체 유입구 어레이를 갖는 극초단파 플라즈마 반응기를 기재하는 WO 2012/084661 호 및 큰 면적에 걸쳐 합성 다이아몬드 물질의 균일한 도핑을 달성하기 위하여 높은 기체 유동 속도의 이용 및 목적하는 레이놀즈수(Reynolds number)를 갖는 공정 기체의 주입을 기재하는 WO 2012/084656 호).
상기 밝힌 특허원에 기재된 특징부를 혼입하는 극초단파 플라즈마 반응기를 제공함으로써, 본 출원인은 비교적 큰 면적에 걸쳐 비교적 높은 성장 속도로 단결정 및 다결정질 CVD 다이아몬드 물질의 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드 성장을 달성하였다.
즉, 더 큰 CVD 성장 면적, 더욱 우수한 균일성, 더 높은 성장 속도, 더 우수한 재현성, 더 우수한 동력 효율 및/또는 더 낮은 생산 비용을 제공하기 위하여 종래 기술의 배치에 대해 추가적으로 개선할 필요가 여전히 계속되고 있다. 다이아몬드 합성을 위한 차세대 CVD 극초단파 반응기를 개발함에 있어서, 본 출원인은 기존 CVD 극초단파 반응기에서 가능한 하기 다수의 문제를 확인하였다:
(a) 제한된 침착 면적;
(b) 침착 면적에 걸친 불량한 침착 균일성;
(c) 한 번에 코팅될 수 있는 별도의 구성요소의 수를 제한하는, 다수개의 별도의 구성요소 상에서의 불량한 침착 균일성;
(d) 높은 총 전력 요구량; 및
(e) 비용(전기/동력 비용이 성장 비용의 상당 부분을 차지함).
본 발명의 특정 실시양태의 목적은 이들 문제점중 하나 이상을 해결하고 다이아몬드 합성을 위한 차세대 CVD 극초단파 반응기용 플랫폼을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따라, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기가 제공되는데, 이 때 상기 극초단파 플라즈마 반응기는, 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강을 한정하는 플라즈마 챔버; 총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고, 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한, 상기 플라즈마 챔버에 연결된 복수개의 극초단파 공급원; 공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이 기체를 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템; 및 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재를 지지하기 위한 지지 표면을 포함하고 상기 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더를 포함하며, 상기 복수개의 극초단파 공급원은 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상을 상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 상기 플라즈마 챔버 내로 연결하도록 구성되고, 상기 복수개의 극초단파 공급원중 적어도 일부는 고상 극초단파 공급원이다.
이러한 극초단파 플라즈마 반응기의 세 가지 주요 형태가 고안된다:
(i) 극초단파 동력중 모두 또는 적어도 다량(majority)이 플라즈마 챔버에 직접 연결된 고상 극초단파 공급원에 의해 제공되는 구성;
(ii) 극초단파 동력중 모두 또는 적어도 다량이 고상 극초단파 공급원에 의해 제공되고, 고상 극초단파 공급원중 적어도 일부가 플라즈마 챔버에 연결되는 별도의 예비-조합 챔버를 통해 플라즈마 챔버에 간접적으로 연결되는 구성;
(iii) 플라즈마 챔버로 연결되는 총 극초단파 동력(PT)중 다량이 마그네트론 같은 종래의 극초단파 공급원에 의해 제공되고, 추가적인 고상 극초단파 공급원을 제공하여 전기장을 조정 또는 조율하고/하거나 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 분포를 변경시키는 구성.
본 발명의 제 2 양태에 따라, 상기 정의된 극초단파 플라즈마 반응기를 제공하고; 기재 홀더 상에 기재를 위치시키고; 플라즈마 챔버에 극초단파를 공급하며; 공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고; 기재 상에 합성 다이아몬드 물질을 형성시킴을 포함하는, 화학적 증착 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명을 더욱 잘 이해하고 이를 실행할 수 있는 방법을 보여주기 위하여, 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서 본 발명의 실시양태를 기재한다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따라 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 침착시키도록 구성된 극초단파 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따라 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 침착시키도록 구성된 극초단파 플라즈마 반응기의 단면도이다.
본 출원인은 전술한 문제에 대한 한 가지 주된 요인이 플라즈마 챔버에 연결된 고정된 단일 주파수 극초단파 공급원의 사용임을 깨달았다. 이와 관련하여, 물질 합성 및 가공에 사용되는 기존 극초단파 공급원(예컨대, 마그네트론)은 단일 주파수인 동시에 고정 주파수임에 주목해야 한다. 또한, 단일 플라즈마 챔버에 연결된 둘 이상의 종래의 극초단파 공급원을 사용하면 단리 문제가 야기되기 때문에, 전형적으로 플라즈마 챔버 1개당 이러한 극초단파 공급원을 하나만 사용한다.
고정된 단일 주파수 극초단파 공급원은 전형적으로 허용된 대역에서만 이용가능하다(규칙 때문에). 이는 다이아몬드 합성 같은 높은 동력의 용도에 이용가능한 주파수를 제한한다. 예를 들어, UK에는 사용되는 극초단파 발생기의 두 표준 주파수, 즉 2450MHz 및 896MHz가 있다(중부 유럽, 미국 및 아시아에서는, 낮은 주파수의 기준이 915MHz이고, 호주에서는 922MHz이다). 주파수를 2450MHz에서 896MHz까지 2.7의 인수로 감소시키면, 소정 모드 구조에서 CVD 침착 직경이 2.7의 차수로 커지게 된다. 따라서, 보다 큰 면적의 침착에는 더 낮은 표준 주파수가 바람직하다. 다른 허용된 대역, 예컨대 433MHz의 선택도 가능하다. 몇몇 관점에서, 예컨대 433MHz의 더 낮은 주파수는 더더욱 큰 면적의 CVD 다이아몬드 침착을 달성하는데 유리하다. 그러므로, 2.07의 인자로 896MHz에서 433MHz로 주파수를 감소시키면, CVD 침착 직경이 2.07의 차수로 커지게 된다. 그러나, 433MHz 같은 낮은 주파수에서는 고품질 다이아몬드 합성에 요구되는 바와 같은 균일한 높은 동력 밀도의 플라즈마를 유지하기가 어려울 수 있다. 실제로, 896MHz 내지 433MHz의 극초단파 주파수를 이용하여, 896MHz에서의 현재 가능한 작동에서와 같이 고품질 다이아몬드 합성에 적합한 균일한 높은 동력 밀도의 플라즈마를 발생시키는 능력을 유지하면서 침착 면적을 증가시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.
상기에 덧붙여, 단일 고정 주파수 극초단파 공급원을 사용하면, 플라즈마 챔버 내에서 전기장 조건을 조율하는, 예를 들어 다중-기재 공정에서 개별 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 달성하거나 단일 대면적 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 달성하는 능력을 제한하게 된다. 현재, 단일 고정 주파수 극초단파 공급원을 사용하여 플라즈마 챔버 내에서 특정 전기장 프로파일을 달성하기 위해서는 플라즈마 챔버 내에 배치되는 구성요소의 위치 및 형상, 예를 들어 내부 챔버 벽 구성요소 및 기재 크기, 위치 및 형상의 조심스러운 디자인 및 제어가 필요하다. 그러나, 플라즈마 챔버의 내부 기하학적 형태를 이용하여 프로파일을 발생시키기 보다는 특정 전기장 프로파일을 직접 구동시킬 수 있는 것이 바람직한데, 이렇게 하는 것이 내부 챔버 벽 구성요소 및 기재 크기, 위치 및 형상의 중요성을 감소시키고 합성 공정 동안 CVD 공정을 더욱 강건하고 조정가능하게 만들기 때문이다.
상기로부터 이어, 펄스식 극초단파 시스템의 사용은 조율 균일성 면에서 일부 이점을 제공할 수 있다. 또한, 펄스식 극초단파 시스템의 사용은 또한 물질을 성장 표면으로 보내고 성장 속도를 증가시키고/시키거나 물질 품질을 개선할 수 있는 구동 기체 동역학(급속하게 변동하는 온도에 의해 발생되는 압력 펄스)에 도움을 줄 수 있다. 또한, 전기장 분포가 플라즈마 형상 제어에 중요하지만, 연속 플라즈마의 경우 플라즈마의 가장자리에서의 에너지 손실 공정이 또한 플라즈마를 전기장 분포만으로부터 예측되는 것보다 어느 정도까지 "혼란스럽게" 하는 실질적인 효과를 갖는다. 펄스식 극초단파 모드에서의 작동은 전체 동력 요구량을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 이유 때문에, 펄스식 극초단파 시스템을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 펄스식 극초단파 시스템이 시도되긴 했지만, 이들은 비싸고, 종래의 마그네트론 극초단파 공급원을 사용하여 구성될 때 통상 펄스 속도 및 "오프" 수준 면에서 제한된 성능을 갖는다(예를 들면, "오프"로 스위칭되지 않고 단지 더 낮은 "온" 값으로 스위칭됨).
현행 단일 고정 주파수 극초단파 시스템의 추가적인 문제는 극초단파 공급원이 고장나는 경우 전체 합성 공정이 상실되고 단일 고정 주파수 극초단파 공급원의 교체가 값비싸다는 것이다. 또한, 마그네트론 같은 기존 단일 고정 주파수 극초단파 공급원은 고장나기 쉬울 수 있다. 이로써, 더 높은 합성 실행 신뢰성 및 더 낮은 선제(pre-emptive) 교체 비용을 제공하는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 종래의 극초단파 발생기, 마그네트론 헤드 및 도파관 시스템은 기존 CVD 극초단파 반응기가 차지하는 공간(footprint)의 상당 부분을 형성한다. 이들 구성요소의 제거는 CVD 극초단파 반응기가 차지하는 공간을 실질적으로 감소시키고, 따라서 간접 비용을 절감한다.
본 발명의 실시양태의 목적은 단일 모드 챔버 디자인의 이점중 다수를 보유하면서 이들 제한점을 모두 해결하는 것이다. 이는, 총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위하여 플라즈마 챔버로 연결된 복수개의 극초단파 공급원을 사용하고, 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상이 플라즈마 챔버의 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 플라즈마 챔버 내로 연결되도록 복수개의 극초단파 공급원을 구성함으로써 달성되며, 이 때 복수개의 극초단파 공급원중 적어도 일부는 고상 극초단파 공급원이다. 이로써, 과제의 해결 수단 부분에서 정의된 바와 같이, 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강을 한정하는 플라즈마 챔버(기부, 상판, 및 상기 기부에서 상기 상판까지 연장되는 측벽); 총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고, 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한, 상기 플라즈마 챔버에 연결된 복수개의 극초단파 공급원; 공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이 기체를 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템; 및 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재를 지지하기 위한 지지 표면을 포함하고 상기 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더를 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기가 제공되며, 이 때 상기 복수개의 극초단파 공급원은 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상을 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 플라즈마 챔버 내로 연결하도록 구성되고, 상기 복수개의 극초단파 공급원중 적어도 일부는 고상 극초단파 공급원이다.
높은 동력의 고상 극초단파 증폭기 형태의 고상 극초단파 공급원이 당 업계에 공지되어 있다. 다수개의 장치를 동력 모듈로 조합할 수 있고, 이 모듈은 다시 조합되어 요구되는 동력을 발생시킬 수 있다. 이러한 고상 극초단파 공급원은 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)가 평균 주파수 값의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 1% 이하, 0.5% 이하, 0.3% 이하 또는 0.2% 이하의 대역 폭을 갖도록 조정될 수 있다. 이로써, 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)가 공명 강의 치수로부터 계산된 공명 모드의 이론적인 값에 정확히 상응하는 단일 값이어야 할 필요는 없고, 그보다는 이론적인 값으로부터 약간 벗어나는 주파수일 수 있고 좁은 주파수 대역을 포함할 수 있음을 알게 될 것이다. 뿐만 아니라, 본 발명과 관련하여 제 1 공명 모드는 동력의 가장 큰 부분이 연결되는 모드이고, 이 모드가 공명 강의 최저 주파수 모드일 필요는 없음을 알게 될 것이다.
상기와 관련하여, 개별적인 고상 극초단파 공급원의 낮은 동력은 이러한 공급원을 높은 동력의 고품질 CVD 다이아몬드 합성 용도에 사용하는데 대한 방해 요인으로서 간주되어 왔음을 알 수 있다. 예를 들어, 문헌["Microwave Synthesis: A Physical Concept, 삭세나(V.K. Saxena) 및 찬드라(Usha Chandra), University of Rajasthan, Jaipur, India]은 다양한 극초단파 공급원 및 극초단파 공급원의 다양한 용도를 개시한다. 4페이지에는, 마그네트론, 클리스트론, 기로트론 및 진행파관(TWT)을 이용하여 극초단파 동력을 발생시키고, 낮은 동력의 극초단파가 필요한 경우마다 고상 장치를 또한 이용함이 개시되어 있다. CVD 다이아몬드 합성은 논문의 19페이지에 극초단파의 용도로서 개시되어 있다. 그러나, 고상 극초단파 공급원을 CVD 다이아몬드 합성에 사용해야 함을 제안하지는 않는다. 실제로, 이 문헌은 CVD 다이아몬드 합성이 높은 동력의 용도인데 반해 낮은 동력의 극초단파가 필요할 때마다 고상 공급원을 이용한다는 개시내용 때문에 CVD 다이아몬드 합성에 고상 극초단파 공급원을 사용한다는 것과는 거리가 멀게 교시하고 있다.
특정 종래 기술의 개시내용은 극초단파 플라즈마 합성 및 가공 용도에 고상 극초단파 공급원을 이용함을 제안하였다. 그러나, 종래 기술에서 다수개의 공급원/가변 주파수 고상 극초단파 공급원이 제안되는 경우, 이들은 극초단파 동력중 다량을 공명 강 내에서 단일 저위 모드로 연결시키기보다는, 극초단파 반응기 구성이 다중 파절 또는 근 자유 공간 시스템으로서 작동하여 위상차 어레이 스티어링 같은 기술을 가능케 하도록, 고상 공급원의 작동 파장보다 훨씬 더 큰 챔버에 부착된다.
예를 들어, EP 0459177 호는 물질/플라즈마 공정의 여기 공급원으로서 사용되는 고상 극초단파 동력 공급 위상차 안테나 어레이를 기재한다. 이 위상차 안테나 어레이는 극초단파 동력중 다량이 높은 동력의 다이아몬드 합성 용도를 위해 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강으로 연결되지 않는다. 오히려, 위상차 어레이는 고상 극초단파 공급원의 작동 파장보다 훨씬 더 큰 챔버로 연결되고, 위상차 어레이를 이용하여 챔버 내에서 동력 파절의 위치를 제어한다.
유사하게, US 6158384 호는 가공 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키기 위한 복수개의 유도 안테나의 용도를 기재한다. 다시, 안테나 어레이는 극초단파 동력중 다량이 높은 동력의 다이아몬드 합성 용도를 위해 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강에 연결되지 않는다.
US 5907221 호는 또한 이번에는 기재 에칭 또는 CVD를 위해 균일한 이온 밀도를 형성시키기 위한 복수개의 유도 안테나의 용도를 개시한다. 다시, 안테나 어레이는 극초단파 동력중 다량이 높은 동력의 다이아몬드 합성 용도를 위해 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강에 연결되지 않는다.
US 5558800 호는 극초단파 가열/오븐 용도에서의 복수개의 고상 극초단파 공급원의 용도를 개시한다. 이는 플라즈마 공정이 아니고, 극초단파 공급원은 정상파를 피하기 위하여 작동된다. 이는, 복수개의 고상 극초단파 공급원이, 극초단파 동력중 다량이 높은 동력의 극초단파 플라즈마 다이아몬드 합성 용도를 위해 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강으로 연결되는 본 발명과는 대조된다.
EP 0801879 호는 챔버 내의 공명 파절의 수에 상응하는 주파수 범위 전체에 걸쳐 단일 극초단파 공급원(고상보다는 진공계)을 사용하는 극초단파 강 공명기의 여기를 기재한다. 이는 실질적으로 균일한 시간-평균 동력 밀도를 생성시키기 위하여 수행된다. 다시, 이는, 복수개의 고상 극초단파 공급원이, 극초단파 동력중 다량이 높은 동력의 극초단파 플라즈마 다이아몬드 합성 용도를 위해 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드에 연결되는 공명 강에 연결되는 본 발명과는 대조된다.
US 7574974 호는 챔버 벽에 매립된 다수개의 동축 어플리케이터(applicator)를 사용하는 균일한 시트 플라즈마의 여기를 기재한다. 이는 주로 CVD 다이아몬드 침착에 관련되지만, 극초단파 동력중 다량이 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강에 극초단파 공급원이 연결되지 않는다는 점에서 본원에 기재되는 구성과는 상당히 상이하다. 사실상, US 7574974 호에 기재된 구성은 실제로 극초단파 강 공명기를 이용하는 다른 방법(이의 단점은 종래 기술 분야에 나열됨)으로서 제공된다.
그러므로, 상기 기재된 종래 기술은 극초단파 동력중 다량(또는 30% 이상)이 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되는 공명 강에 복수개의 고상 극초단파 공급원이 연결되는 본원에 특허청구되는 극초단파 플라즈마 반응기 구성과는 거리가 멀게 교시하고 있다. 뿐만 아니라, 본 출원인들은 본원에 기재되는 극초단파 플라즈마 반응기 구성이 이러한 종래 기술의 시스템에 비해, 특히 아래에 논의되는 바와 같이 높은 동력의 고품질 극초단파 플라즈마 다이아몬드 합성 같은 매우 높은 동력의 용도에 대해 몇 가지 이점을 갖는다고 생각한다.
본원에 기재되는 극초단파 플라즈마 반응기 구성은 단일 고정 주파수 마그네트론 극초단파 공급원을 사용하는 현행 공명 강 시스템과 유사한 방식으로, 예를 들어 896MHz의 허용된 주파수에서 작동되도록 구성될 수 있으나, 복수개의 고상 극초단파 공급원으로부터의 극초단파 동력중 다량은 단일 고정 주파수 마그네트론 극초단파 공급원보다는 낮은 주파수에서 제 1 극초단파 공명 모드로 연결된다. 예를 들어, 본원에 기재되는 시스템은 896MHz보다 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상 또는 50% 이상 더 낮은 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 작동되도록 구성될 수 있다. 따라서, 공명 강 및 성장 구역은 1/f에 따라 크기 면에서 확대된다. 작동 주파수는 CVD 화학 문제 또는 특정 기체 혼합물용 플라즈마의 주파수 의존 행태, 압력 및 특정 성장 공정에 최적화된 동력 매개변수 조합을 실질적으로 유해하게 변화시키지 않으면서 성장 면적 및 수반되는 생성물 크기에서의 증가를 수득하도록 선택될 수 있다.
상기에 덧붙여, 복수개의 고상 극초단파 공급원의 사용은 플라즈마 챔버 내에서 전기장 조건을 조율하는 능력, 예를 들어 다중 기재 공정에서 개별적인 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 획득하는 능력 또는 단일 대면적 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 달성하는 능력을 가능케 한다. 이미 기재된 바와 같이, 현재 단일 고정 주파수 극초단파 공급원을 이용하여 플라즈마 챔버 내에서 특정 전기장 프로파일을 달성하기 위해서는 플라즈마 챔버 내에 배치된 구성요소의 위치 및 형상, 예를 들어 내부 챔버 벽 구성요소 및 기재 크기, 위치 및 형상의 조심스러운 디자인 및 제어를 필요로 한다. 대조적으로, 본 발명의 실시양태는 플라즈마 챔버의 내부 기하학적 형태를 이용하여 프로파일을 생성시키기보다는 특정 전기장 프로파일을 직접 구동시키도록 구성될 수 있다. 이는 내부 챔버 벽 구성요소 및 기재 크기, 위치 및 형상의 중요성을 감소시키고, 합성 공정 동안 CVD 공정을 더욱 강건하고 조정가능하게 만든다. 즉, 복수개의 고상 극초단파 공급원은 극초단파 동력중 다량이 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되고 극초단파 동력중 소량이 제 1 극초단파 공명 모드의 주파수와는 상이한 하나 이상의 주파수에서 플라즈마 챔버 내로 연결되어 목적하는 전기장 프로파일을 발생시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 고상 극초단파 공급원은 극초단파 동력중 다량이 공명 강의 제 1 극초단파 공명 모드로 연결되고, 총 극초단파 동력(PT)의 50% 미만, 40% 미만 또는 30% 미만, 그러나 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 10% 이상 또는 20% 이상이 제 1 극초단파 공명 모드의 주파수와는 상이한 하나 이상의 주파수로 플라즈마 챔버에 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 소량 모드를 이용하여, 다중 기재 공정에서 개별적인 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 달성하기 위하여 또는 단일 대면적 기재 상에서 더욱 우수한 균일성을 달성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 전기장 및 플라즈마 분포를 조정할 수 있다.
예를 들어, WO 2012/084655 호는 목적하는 전기장 프로파일을 달성하기 위하여 극초단파 플라즈마 반응기 내에서 기재 매개변수를 준비, 위치 및 제어하는 방법을 기재한다. 본 발명은, 기재의 가장자리에서 고조파를 발생시킴으로써가 아니라, 우세한 동력 주파수보다 더 낮은 동력에서 추가적인 주파수를 챔버 내로 의도적으로 도입하여 유사한 효과를 직접 실행시킴으로써, 목적하는 전기장 프로파일의 적어도 일부를 발생시키도록 한다.
한 구성에 따라, 고상 극초단파 공급원중 하나 이상이 기재 홀더를 통해 플라즈마 챔버에 연결되도록 구성될 수 있다. 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 복수개의 기제를 지지하기 위하여 복수개의 기재 홀더가 제공될 수 있고, 고상 극초단파 공급원은 복수개의 기재 홀더를 통해 플라즈마 챔버에 연결되도록 구성될 수 있다.
전술한 기술의 이러한 한 가지 용도는 WO 2013/178535 호에 기재되어 있는 스피커 돔 공정 같은 다중 금속 맨드릴을 사용하는 공정에서이다. 플라즈마 챔버 내에서의 전기장 및 플라즈마 분포를 조정하기 위해 소량 모드를 제공하여, 이러한 다중 기재 공정에서 개별 기판 상에서의 더욱 우수한 균일성을 달성할 수 있다. 하나의 구성에서는, 극초단파 동력의 적어도 일부가 돔 자체를 통해 플라즈마 챔버 내로 도입되도록, 개별적인 돔/맨드릴을 안테나로서 사용할 수 있다. 이는 돔 주위에서 플라즈마를 조율하는 능력을 증가시키는 효과, 예를 들어 더 작은 반경(더 높은 파괴 주파수)의 돔으로 가는 능력을 추가로 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 모든 극초단파 동력을 개별 기재를 통해 플라즈마 챔버 내로 도입하기보다는, 극초단파 동력중 다량을 챔버의 제 1 공명 모드 내로 도입할 수 있고, 전체 플라즈마 동조에 대한 추가적인 제어를 제공하고 하나의 개별 기재의 성장 속도를 개별적으로 조율하여 복수개의 기재를 가로질러 균일성을 개선하기에 충분하도록 개별적인 기재를 구동시킬 수 있다. 이 후자의 구성에서, 동력중 다량은 우세한 동력 주파수일 수 있고, 각 돔으로 공급되는 동력은 우세한 동력 주파수에 대해 상이한 주파수일 수 있다. 각각의 개별적인 돔에 대해 동력 및 주파수를 조율하여 균일성에 대한 가장 큰 제어를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시양태의 다른 이점은, 다중 극초단파 공급원을 사용함으로써, 극초단파 공급원이 작동 동안 고장나는 경우, 합성 실행 전체를 희생시키기보다는 작은 생산량의 손실만 이루어질 수 있다는 것이다. 이와 관련하여, 각각의 개별적인 고상 공급원은 단일 극초단파 공급원의 상실이 재앙적인 동력 상실 또는 불균일성으로 이어지지 않도록 총 극초단파 동력(PT)의 작은 분율만 제공할 수 있다. 예를 들어, 복수개의 고상 극초단파 공급원중 적어도 수 개는 각각 상기 총 극초단파 동력(PT)의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하 또는 2% 이하를 발생시키도록 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 고상 극초단파 공급원에 의해 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상, 50% 이상, 70% 이상 또는 100%가 제공될 수 있다. 극초단파 플라즈마 반응기는 플라즈마 챔버로 연결되는 5개 이상, 10개 이상, 20개 이상, 30개 이상 또는 50개 이상의 개별적인 고상 극초단파 공급원을 포함할 수 있고, 이들 각각은 전체 동력의 상응하게 작은 분율을 제공한다. 또한, 각 고상 극초단파 공급원은 주파수, 상 및/또는 진폭 면에서 독립적으로 제어될 수 있다.
대조적으로, 현재 마그네트론 고장은 전체 합성 실행의 상실을 야기한다. 또한, 공정은 전력 공급에서의 노이즈 및 중단에 대해 더욱 안정해질 수 있고, 마그네트론과 관련된 문제이고 실행 중단을 야기할 수 있는 마그네트론 애노드 오류를 갖지 않는다. 본 발명의 실시양태의 전술한 특징은 더 높은 실행 신뢰도 및 더 낮은 선제 교체 비용을 제공하여, 복수개의 고상 공급원을 사용하는 비용 효율을 실질적으로 배가시킨다. 고상 공급원은 어느 경우에나 매우 신뢰성 있는 단위장치인 반면, 마그네트론은 매우 한정적인 수명 사이클을 갖는다.
또한, 마그네트론의 효율은 실행이 최고 동력에 근접할 때 높지만, 다수의 상황에서 시스템은 가장 효율적인 조건하에서 실행되지 않는다. 다중 고상 극초단파 공급원을 사용하면, 효율이 산출물의 함수 미만일 뿐만 아니라, 더 낮은 동력의 공정은 단순히 더 적은 극초단파 공급원을 사용할 수 있으며, 임의의 추가적인 극초단파 공급원은 끌 수 있다. 또한, 고상 극초단파 공급원이 현재 마그네트론 공급원보다 더 싸지는 않지만, 이들의 가격은 감소되는 경향이 있는 반면 마그네트론 공급원의 가격은 증가하고 있음을 알 수 있다.
또한, 종래의 극초단파 발생기, 마그네트론 헤드, 및 도파관 시스템은 기존 CVD 극초단파 반응기가 차지하는 공간의 상당 부분을 형성한다. 이들 구성요소의 제거는 CVD 극초단파 반응기가 차지하는 공간을 상당히 감소시켜 시스템을 더욱 소형으로 만들고, 따라서 간접 비용을 절감한다.
또한, 복수개의 고상 극초단파 공급원을 사용하면 극초단파 동력이 오프 상태와 온 상태 사이에서 용이하게 펄싱(pulsed)되게 할 수 있다. 이미 나타낸 바와 같이, 펄스식 극초단파 시스템이 이전에 시도되었으나, 이들은 값이 비싸고 통상 펄스 속도 및 "오프" 수준 면에서 한정된 성능을 갖는다(예를 들어, "오프"로 스위칭되지 않고 단순히 보다 낮은 "온" 값으로 스위칭됨). 고상 공급원은 진정으로 "오프"로 스위칭될 수 있다(이는 전형적인 산업용 마그네트론 공급원으로는 매우 어려운 일이다). 이들은 또한 별도의 패턴으로 펄싱될 수 있거나(예를 들어, 극초단파 공급원이 기재에 직접 적용되거나 상이한 주파수에서 작동됨), 또는 공급원의 축방향 세트 또는 원주 세트를 따라 펄싱에 위상차가 있어서 교반 형태를 제공할 수 있다. 그러므로, 고상 극초단파 공급원의 펄싱은 하기 몇 가지 가능한 이점을 제공할 수 있다:
(i) 전기 절연 파괴 및 플라즈마에서의 아크 방전을 피하면서 더 높은 동력으로의 접근;
(ii) 위상차 공급원에 의해 구동되는 교반 효과;
(iii) 기체 교반을 발생시키는 기압 펄싱;
(iv) 플라즈마 형상을 전기장 분포에 더욱 밀접하게 순응하도록 변경시켜, 예컨대 WO 2012/084655 호에 기재되어 있는 전기장 프로파일에 대한 필요를 감소시키고/시키거나 플라즈마 챔버의 내부 기하학적 형태에 대한 전기장 프로파일의 의존성을 감소시킴; 및
(v) 예를 들어 동력이 기재 캐리어를 통해 연결되는 효율을 개선하고 플라즈마로부터 플라즈마 챔버의 내벽으로의 동력 손실을 감소시킴으로써, 전체 공정 동력을 감소시켜, 비용을 절감하고 또한 반응기의 가동 수요를 감소시킴.
그러므로, 복수개의 극초단파 공급원을 펄싱시키면 균일성 조율, 성장 속도 증가, 물질 품질 개선 및 전체 동력 요구량 감소에 도움을 줄 수 있다. 펄싱 모드에서의 작동은 WO 2012/084661 호 및 WO 2012/084656 호에 기재되어 있는 기체 동역학을 구동시키기 위한 높은 기체 유동에 대한 대안으로서 또는 그에 덧붙여 이용될 수 있다. 복수개의 고상 극초단파 공급원은 10Hz 내지 1MHz, 100Hz 내지 1MHz, 또는 1kHz 내지 100kHz의 펄스 주파수에서 상기 플라즈마 챔버로 연결되는 극초단파 동력을 펄싱시키도록 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 펄싱은 존재하는 상이한 주파수에 대해 상이할 수 있다.
바람직하게는, 고상 극초단파 공급원중 하나, 그 이상 또는 모두가 플라즈마 챔버에 직접 연결될 수 있다. 전기 연결도 고려되지만, 고상 극초단파 공급원은 바람직하게는 플라즈마 챔버에 자기 연결된다. 직접적인 자기 연결의 일례는 루프 안테나에서 끝나는 단순 동축 유형의 N 피드-스루(feed-through)를 이용한다. 디자인에 의해, 고상 극초단파 공급원은 플라즈마 챔버 및/또는 다른 극초단파 공급원으로부터의 반사된 동력에 의해 유해하게 영향을 받지 않는다. 이로써, 시스템은 상에서 고정된 동일한 주파수에서 모든 동력과 함께 작동될 수 있거나, 또는 이상에서 다중 극초단파 공급원을 사용하여 의도적으로 또는 상을 무작위적으로 만들기 위해 약간 상이한 주파수에서 실행되어, 더 낮은 피크의 장에서 효율적인 동력 전달을 가능케할 수 있다. 이와 관련하여, 각각이 극초단파 동력을 공명 강 플라즈마 챔버 내로 공급하는 복수개의 고상 극초단파 공급원을 사용하기 때문에, 이들 고상 공급원의 동력을 플라즈마 챔버 내에서 효율적으로 합치기 위하여, 이들 공급원의 출력 위상을 서로에 대해 제어할 수 있는 것이 중요함에 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 침착시키도록 구성된 극초단파 플라즈마 반응기의 단면도이다.
극초단파 플라즈마 반응기는 기부(4), 상판(6) 및 상기 기부에서 상기 상판까지 연장되어 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강(10)을 한정하는 측벽(8)을 포함하는 플라즈마 챔버(2)를 포함한다. 이와 관련하여, 플라즈마 챔버(2)는 WO 2012/084661 호에 기재된 디자인 특징부를 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버의 공명 강은 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)에서 TM011 공명 모드를 뒷받침하도록 구성될 수 있다.
극초단파 플라즈마 반응기는 또한 공정 기체를 유입구 또는 유입구들(12)을 통해 플라즈마 챔버 내로 공급하고 유출구(14)를 통해 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함한다. 측벽 기체 유입구(12)가 도 1에 도시되어 있으나, WO 2012/084661 호 및 WO 2012/084656 호에 기재되어 있는 축방향으로 배향된 고속 기체 유동 시스템이 제공될 수 있다. 진공을 챔버(2)의 비-진공 영역으로부터 분리하기 위하여 유전성 장벽(23)이 제공된다.
기재 홀더(16)가 플라즈마 챔버에 배치되고, 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재(18)를 지지하기 위한 지지 표면을 포함한다.
마지막으로, 또한 본 발명의 실시양태에 따라, 복수개의 고상 극초단파 공급원(20)이 총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고 플라즈마 챔버(2) 내로 공급하기 위하여 플라즈마 챔버(2)에 연결되는데, 이 때 복수개의 고상 극초단파 공급원(20)은 총 극초단파 동력(PT)의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상이 플라즈마 챔버(2)의 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)에서 플라즈마 챔버 내로 연결되도록 구성된다. 예시적인 실시양태에서는, 루프 안테나(22)에서 끝나는 단순 동축 유형의 N 피드-스루를 이용하여 각 고상 극초단파 공급원(20)이 플라즈마 챔버 내로 자기 연결되는 직접 연결을 이용한다.
예시된 실시양태에서, 복수개의 고상 극초단파 공급원은 챔버의 측벽의 상부를 통해 플라즈마 챔버에 연결된다. 복수개의 고상 극초단파 공급원은 플라즈마 챔버의 측벽 주변부 둘레의 고리에 제공된다. 그러나, 다른 구성도 고려된다. 예를 들면, 복수개의 고상 극초단파 공급원은 챔버의 상판 또는 기부를 통해 플라즈마 챔버에 연결될 수 있다. 일부 양태에서, 상판의 주변부 영역 둘레의 고리에 제공되는 상판 연결부는 어느 점에서는 WO 2012/084659 호에 기재되어 있는 환형 극초단파 유입구와 유사한 극초단파 연결을 제공할 수 있다.
상기와는 대조적으로, 고상 극초단파 공급원을 플라즈마 챔버에 직접 연결하기보다는, 고상 극초단파 공급원중 하나, 그 이상 또는 모두는 별도의 챔버 또는 도파관을 통해 플라즈마 챔버에 간접적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 이 때 고상 극초단파 공급원중 하나 이상은 플라즈마 챔버에 연결되는 별도의 챔버 또는 도파관에서 미리 합쳐질 수 있다.
도 2는 이러한 간접 연결 배열에 따라 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 침착시키도록 구성되는 극초단파 플라즈마 반응기의 단면도를 도시한다. 극초단파 플라즈마 반응기는 기부(4), 상판(6) 및 상기 기부에서 상기 상판까지 연장되어 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강(10)을 한정하는 측벽(8)을 포함하는 플라즈마 챔버(2)를 포함한다. 극초단파 플라즈마 반응기는 또한 공정 기체를 유입구 또는 유입구들(12)을 통해 플라즈마 챔버 내로 공급하고 유출구(14)를 통해 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함한다. 기재 홀더(16)가 플라즈마 챔버(2)에 배치되고, 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재(18)를 지지하기 위한 지지 표면을 포함한다. 이와 관련하여, 극초단파 플라즈마 반응기는 도 1에 도시되고 앞서 기재된 것과 유사하다. 여기에서 차이점은 극초단파를 플라즈마 챔버(2)의 공명 강(10)에 공급하기 전에 복수개의 고상 극초단파 공급원(20)으로부터의 극초단파를 조합하기 위해 별도의 챔버(30)가 제공된다는 것이다. 고상 극초단파 공급원(20)은 각각 예컨대 루프 안테나(22)에서 끝나는 단순 동축 유형의 N 피드-스루에 의해 이 별도의 챔버(30)로 연결된다. 이어, 극초단파를 플라즈마 챔버(2) 내로 공급하기 위하여 챔버(30)와 플라즈마 챔버(2)의 공명 강(10) 사이에 연결부(32)가 제공된다. 진공을 챔버의 비-진공 영역으로부터 분리하기 위하여 유전성 장벽(23)이 제공된다.
챔버(30)와 공명 강(10) 사이에 제공되는 연결부(32)는, 전기 연결부도 고려되지만, 바람직하게는 자기 연결부이다. 하나의 구성에서, 챔버(30)와 공명 강(10) 사이에 제공되는 연결부(32)는 WO 2012/084659 호에 기재되어 있는 환형 극초단파 유입구와 유사한 방식으로 배열될 수 있다. 즉, 극초단파를 챔버(30)로부터 공명 강(10)으로 공급하기 위한 극초단파 연결부 구성은 하나 또는 수 개의 구역에서 형성된 환형 유전성 윈도우; 중심 내부 도체 및 극초단파를 환형 유전성 윈도우에 공급하기 위한 외부 도체를 갖는 동축 도파관; 및 환형 구성으로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파관 판을 포함할 수 있으며, 이 때 구멍 사이에는 복수개의 암(arm)이 연장되고 각 구멍은 극초단파를 플라즈마 챔버 쪽으로 연결시키기 위한 도파관을 형성하며, 복수개의 암은 냉각제 및/또는 공정 기체를 공급하기 위한 하나 이상의 채널을 한정하고, 하나 이상의 채널은 공정 기체를 기재 홀더 쪽으로 주입하기 위하여 기재 홀더 반대쪽에 배열된 하나 이상의 주입 포트로 공정 기체를 공급하도록 구성되며, 도파관 판은 플라즈마 챔버를 가로질러 연장되는 중심부를 포함하고 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암에 의해 지지되며, 동축 도파관의 중심 내부 도체는 도파관 판의 중심부에 의해 지지되는 부유 도체를 형성한다.
직접 또는 간접 연결부 구성으로 고상 극초단파 공급원을 이용하는 상기 기재된 배열에 덧붙여, 고상 극초단파 공급원과 마그네트론 같은 종래의 극초단파 공급원의 혼합물을 이용할 수도 있다. 예를 들면, 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)에서 플라즈마 챔버로 연결된 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상이, 예컨대 WO 2012/084659 호에 기재된 연결부 구성을 이용하여 마그네트론 극초단파 공급원에 의해 제공될 수 있다. 추가적인 고상 극초단파 공급원을 제공하여 플라즈마 챔버 내에서 전기장 및/또는 플라즈마 분포를 조정 또는 조율할 수 있다.
또 다른 구성에서는, 종래의 극초단파 공급원이 복수개의 고상 극초단파 공급원으로 대체되지만, 다른 관점에서는 극초단파 플라즈마 반응기 디자인은 종래의 디자인과 유사하다. 이러한 배열에서, 고상 공급원은 예를 들어 WO 2012/084659 호에 기재되어 있는 연결부 구성을 이용하여 플라즈마 챔버로 연결되는 도파관으로 연결될 수 있다. 이러한 배열에서, 복수개의 고상 공급원으로부터의 극초단파는 동축 도파관을 이용하여 합쳐질 수 있다.
전술한 모든 구성에서는, 고상 극초단파 공급원과 기재 홀더 사이의 위치에 유전성 윈도우(23)가 제공된다. 정확한 위치는 특정 반응기 구성에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 환형 유전성 윈도우가 WO 2012/084659 호에 기재된 것과 유사한 방식으로 제공될 수 있다. 다르게는, 유전성 판이 공명 강을 가로질러 제공될 수 있다. 다르게는, 또한, 개별적인 유전성 윈도우가 각각의 고상 극초단파 공급원에 제공될 수 있다. 또 다른 대안은 기재 홀더 위에 종모양 용기 형태의 유전성 윈도우를 제공하는 것이지만, 사용시 플라즈마가 유전체를 에칭하는 것을 방지하기 위하여 유전성 윈도우 또는 윈도우들을 기재 홀더로부터 멀리 위치시키는 것이 바람직하다.
본원에 기재된 극초단파 플라즈마 반응기 시스템은 높은 동력의 극초단파 플라즈마 용도를 위한 합성/가공 플랫폼을 제공할 수 있다. 예를 들어, 화학적 증착 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법이 제공될 수 있는데, 이 방법은 본원에 기재된 극초단파 플라즈마 반응기를 제공하고; 기재 홀더 상에 기재를 위치시키고; 극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하고; 공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하며; 기재 상에서 합성 다이아몬드 물질을 형성시킴을 포함한다.
용도
다이아몬드 스피커 돔
다중 금속 맨드릴을 사용하여 다이아몬드 스피커 돔을 제조하는 방법이 WO 2013/178535 호에 기재되어 있다. 단일 성장 실행으로 제조될 수 있는 스피커 돔의 수는 플라즈마 챔버의 전체 성장 직경에 의해 한정된다. 뿐만 아니라, 각 돔의 곡률 반경은 성장시 상당한 불균일성을 도입하지 않고서는 파괴 주파수의 증가로 이어지는 특정 한도 아래로 감소될 수 없다.
약 720 내지 750MHz의 극초단파 주파수(플라즈마의 화학적 사안 또는 주파수의존 행태를 실질적으로 변화시키지 않으면서 크기 이점을 수득하기 위해 마그네트론 시스템의 표준 896MHz 작동 주파수로부터 20% 감소시켜 수득됨)에서 작동하도록 고상 공급원을 이용하는 다른 공정을 구성하여 하기 중 하나 또는 둘 다를 가능케 할 수 있다:
(i) 돔 1개당 제조 비용을 감소시키는, 증가된 돔 로딩; 및
(ii) 오디오 성능 및 파괴 주파수에서의 증가를 가능케 하는, 돔의 곡률 반경에서의 감소.
개별적인 돔 기재를 안테나로서 사용하여 돔 기재 자체를 통해 극초단파 동력을 챔버 내로 도입할 수 있다. 이는 돔 주위에서 플라즈마를 조율하는 능력을 증가시키는 효과, 예를 들어 더 작은 반경(더 큰 파괴 주파수)의 돔으로 가는 능력을 추가로 증가시키는 효과를 가질 수 있다.
개별적인 기재를 통해 모든 극초단파 동력을 플라즈마 챔버 내로 도입하기보다는, 극초단파 동력중 다량을 챔버의 제 1 공명 모드로 도입하고, 전체 플라즈마 순응성에 대한 추가적인 제어를 제공하고 각각의 기재의 성장 속도를 개별적으로 조율하여 복수개의 기재를 가로질러 균일성을 개선하기에 충분하도록 개별적인 기재를 구동시킬 수 있다. 이러한 후자의 구성에서, 동력중 다량은 우세한 동력 주파수일 수 있고, 각 돔에 공급되는 동력은 우세한 동력 주파수와는 상이한 주파수일 수 있다. 이어, 각각의 개별적인 돔에 대해 동력 및 주파수를 조율하여 균일성에 대한 최고의 제어를 제공할 수 있다.
종래의 평면 기재 공정
금속 기재 상에서의 다결정질 CVD 다이아몬드 합성 공정, 또는 단결정 다이아몬드 기재를 금속 기재 상에 장착하는 단결정 CVD 다이아몬드 합성 공정에서는, 기재의 기하학적 형태의 적합한 디자인 및 플라즈마 챔버에서의 위치 선정에 의해, WO 2012/084655 호에 기재된 전기장 프로파일을 유리하게 제공할 수 있다. 이 해결책은 불균일성의 하나의 형태를 효과적으로 이용하여 플라즈마 챔버 내의 불균일성의 다른 형태를 제거한다. 문제는 정상 상태에 있는 플라즈마의 가장자리 부근에서 에너지 손실 메카니즘(활성화된 영역으로부터의 에너지성 물질의 확산)이 플라즈마 가장자리를 안쪽으로 수축시킨다는 것이다. 전기장 프로파일의 더 높은 가장자리 장은 이 효과를 시도하고 계산하도록 이들 영역을 과잉 가동시킨다. 대조적으로, 다중 고상 극초단파 공급원을 사용하여 플라즈마를 펄싱시키면 플라즈마 밀도 프로파일이 전기장 분포에 더욱 밀접하게 따르게 되고, 다중 주파수 및 변화된 펄싱 프로파일의 사용은 플라즈마를 구동시키는 정밀한 전기장 분포에 대해 매우 높은 수준의 제어를 제공한다. 이는 더 큰 면적에 걸쳐 금속 기재의 디자인에 더 큰 융통성을 가지면서 더욱 균일한 성장 프로파일을 제공한다.
다이아몬드상의 GaN 공정
다이아몬드상의 GaN 생성물을 제조하는 공정은 US 7595507 호, US 8283672 호, US 8283189 호 및 WO 2013/087706 호에 기재되어 있다. 공정은 GaN 에피층 구조 같은 반도체를 포함하는 기재 상에서의 CVD 다이아몬드 층의 성장을 포함한다. GaN에 밀접하게 열 접촉하는 CVD 다이아몬드 층을 제공하면, 높은 동력 및/또는 고 주파수 장치의 더욱 우수한 열 관리를 가능케 한다. 그러나, 다이아몬드 성장 속도를 증가시킴으로써 현행 4인치(10.16cm) 웨이퍼 공정의 비용을 감소시키고 이러한 비용 감소 공정을 6인치(15.24cm) 웨이퍼 공정으로 바꾸는 것이 바람직하다.
고상 공급원은 전술한 목적을 둘 다 달성하는데 도움을 줄 수 있다. 4인치(10.16cm) 웨이퍼의 경우, 핵심은 기재를 통한 동력, 기재를 가로지르는 불균일성, 및 추가적인 열 응력(예컨대, <100Hz)을 발생시킬 수 있는 축척상의 압력 균일성의 임의의 일시적인 변화를 최소화하면서, 전형적으로 비교적 높은 동력 및 압력을 요구하면서 높은 성장 속도로 고품질 다이아몬드를 획득하는 것이다. 고상 공급원을 이용하면, 기재를 통한 동력을 최소화하고 웨이퍼 상에서의 압력 변동의 영향(예를 들어, 웨이퍼가 응답할 수 없도록 하기에 충분히 높은 펄스 주파수로 작동시키거나, 또는 동력을 오프로 스위칭하지 않고 단지 더 낮은 세팅으로 스위칭함) 을 조심스럽게 조율하면서 고 주파수 펄싱을 허용하여 성장 속도 및 품질을 최대화하는 동시에 4인치(10.16cm) 웨이퍼의 균일성을 개선하는 더 낮은 작동 주파수(예컨대, 700MHz)를 허용할 수 있다.
896MHz의 표준 주파수에서 작동하는 CVD 반응기를 이용하는 현행 4인치(10.16cm) 웨이퍼 공정은 플라즈마 균일성을 제어하는 지깅(jigging) 공간을 제공하면서 평면 기재 상에서 약 140mm까지 균일하게 성장시킬 수 있다. 이러한 시스템은 현재 요구되는 성장 속도의 증가를 달성하는데 필요한 균일성의 수준을 제공하고자 분투하고 있다. 이에 기초하여, 6인치(15.24cm) 웨이퍼의 경우 성공적인 성장은 평면 기재 상에서 210mm까지 성장시킬 수 있는 챔버를 필요로 할 수 있다. 보다 낮은 주파수에서 고상 극초단파 공급원을 사용하면, 균일성을 개선하기 위하여 펄싱 또는 혼합된 주파수를 사용하는 추가적인 선택사양을 가지면서 현행 챔버의 규모를 늘릴 수 있다(예컨대, 66% 주파수 또는 600MHz에서, 두 시스템은 극초단파 관점에서 유사하게 가공될 수 있음).
실시양태를 참조하여 본 발명을 구체적으로 도시 및 기재하였으나, 당 업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항 면에서 다양하게 변화시킬 수 있음을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기로서,
    상기 극초단파 플라즈마 반응기는
    제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)를 갖는 제 1 극초단파 공명 모드를 뒷받침하기 위한 공명 강(cavity)을 한정하는 플라즈마 챔버;
    총 극초단파 동력(PT)을 갖는 극초단파를 발생시키고 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한, 상기 플라즈마 챔버에 연결된 복수개의 극초단파 공급원;
    공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이 기체를 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템; 및
    사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 기재를 지지하기 위한 지지 표면을 포함하고 상기 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더
    를 포함하고, 이 때
    상기 복수개의 극초단파 공급원이 상기 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상을 상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 상기 플라즈마 챔버에 연결하도록 구성되고,
    상기 복수개의 극초단파 공급원중 적어도 일부가 고상(solid state) 극초단파 공급원인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 극초단파 공급원이 상기 총 극초단파 동력(PT)의 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상을 상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)로 상기 플라즈마 챔버에 연결하도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)가 평균 주파수 값의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하, 1% 이하, 0.5% 이하, 0.3% 이하 또는 0.2% 이하의 대역 폭을 갖는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)가 896MHz보다 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상 또는 50% 이상 더 낮은, 극초단파 플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이 상기 제 1 극초단파 공명 모드의 주파수와는 상이한 하나 이상의 주파수에서 상기 플라즈마 챔버 내로 상기 총 극초단파 동력(PT)의 50% 미만, 40% 미만 또는 30% 미만, 그러나 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 10% 이상 또는 20% 이상을 연결하도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고상 극초단파 공급원중 적어도 몇 개가 각각 상기 총 극초단파 동력(PT)의 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하 또는 2% 이하를 발생시키도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 총 극초단파 동력(PT)의 30% 이상, 50% 이상, 70% 이상 또는 100%가 상기 고상 극초단파 공급원에 의해 제공되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)에서 상기 플라즈마 챔버 내로 연결되는 상기 총 극초단파 동력(PT)의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상이 마그네트론 극초단파 공급원에 의해 제공되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    개별적인 고상 극초단파 공급원 5개 이상, 10개 이상, 20개 이상, 30개 이상 또는 50개 이상이 상기 플라즈마 챔버로 연결되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이 독립적으로 제어될 수 있는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이, 상기 플라즈마 챔버로 연결되는 극초단파 동력을 펄스(pulse)시키도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이, 10Hz 내지 1MHz, 100Hz 내지 1MHz, 또는 1kHz 내지 100kHz의 펄스 주파수에서 상기 플라즈마 챔버로 연결되는 극초단파 동력을 펄스시키도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원중 하나 이상이 상기 플라즈마 챔버에 직접 연결되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이 플라즈마 챔버에 자기(magnetically) 연결되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원이, 루프 안테나에서 끝나는 동축 피드 스루(feed through)를 이용하여 상기 플라즈마 챔버에 연결되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원중 하나 이상이, 별도의 챔버를 통해 상기 플라즈마 챔버에 간접적으로 연결되도록 구성되고, 이 때 상기 고상 극초단파 공급원중 하나 이상이, 상기 플라즈마 챔버에 연결되는 상기 별도의 챔버에서 미리 합쳐지는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버의 공명 강이 제 1 극초단파 공명 모드 주파수(f)에서 TM011 공명 모드를 뒷받침하도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 극초단파 공급원중 하나 이상이 상기 기재 홀더를 통해 상기 플라즈마 챔버로 연결되도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    합성 다이아몬드 물질이 침착되어야 하는 복수개의 기재를 지지하기 위해 복수개의 기재 홀더가 제공되고, 상기 고상 극초단파 공급원이 상기 복수개의 기재 홀더를 통해 상기 플라즈마 챔버에 연결되도록 구성되는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 따른 극초단파 플라즈마 반응기를 제공하고;
    기재를 기재 홀더 위에 위치시키고;
    극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하며;
    공정 기체를 상기 플라즈마 챔버 내로 공급하고;
    상기 기재 상에서 합성 다이아몬드 물질을 형성시킴
    을 포함하는, 화학적 증착 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법.
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