KR102000890B1 - 마이크로파 생성기 및 합성 다이아몬드 물질의 제조 - Google Patents

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Abstract

마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD) 시스템에서 사용할 마이크로파 생성기 시스템이 제공되며, 이 마이크로파 생성기 시스템은, 화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 동작 파워 출력으로 마이크로파를 생성하도록 구성된 마이크로파 생성기 유닛과, 동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발하는 마이크로파 생성기의 오류를 검출하도록 구성된 오류 검출 시스템과, 오류가 검출된 것에 응답해서 마이크로파 생성기 유닛을 재시작하고, 동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발한 마이크로파 생성기 유닛의 오류 이후에 10초 미만의 시간 이내에 동작 파워 출력 혹은 주파수를 복구하도록 구성된 재시작 시스템을 포함한다.

Description

마이크로파 생성기 및 합성 다이아몬드 물질의 제조
본 발명은, CVD 합성 다이아몬드 물질의 강건하고(robust) 신뢰가능한 제조에 적합한 실시예에 특히 초점을 맞춘, 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD) 시스템에 사용되는 마이크로파 생성기에 관한 것이다.
다이아몬드 물질의 합성을 위한 화학 기상 증착 처리가 현재 해당 기술 분야에 공지되어 있다. 다이아몬드 물질의 화학 기상 증착과 관련된 유용한 배경 정보는, 다이아몬드 관련 기술에 전용인, 물리학 저널: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009)의 특별호에서 찾을 수 있다. 예컨대, R.S Balmer 등의 리뷰 글에서는 CVD 다이아몬드 물질, 기술 및 응용예에 대한 포괄적인 분석을 제공한다("Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications" J. Phys.: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364221 참조).
다이아몬드가 흑연에 비해서 준안정 상태에 있는 영역에 있을 때, CVD 상태에서 다이아몬드의 합성은 벌크 열역학이 아닌 표면 역학에 의해서 이루어진다. CVD에 의한 다이아몬드 합성은 일반적으로 약간의 탄소(전형적으로 <5%)를 사용해서 전형적으로는 메탄의 형태로 수행되지만, 다른 탄소 함유 가스가 수소 분자가 과잉인 상태에서 사용될 수도 있다. 수소 분자가 2000K 이상의 온도로 가열되면, 수소 원자에 상당한 해리가 발생한다. 적절한 기판 물질의 존재하에서, 합성 다이아몬드 물질이 증착될 수 있다.
수소 원자가 기판으로부터 비-다이아몬드 탄소를 선택적으로 에칭해서 다이아몬드 성장이 일어날 수 있도록 하기 때문에, 처리에 수소 원자는 필수적이다. 아크 제트, 고온 필라멘트, DC 아크, 산소 아세틸렌 불꽃 및 마이크로파 플라즈마를 포함한 CVD 다이아몬드 성장에 필요한 반응 탄소 함유 라디컬 및 수소 원자를 생성하기 위해서, 탄소 함유 가스 종 및 수소 분자를 가열하는데 다양한 방법을 이용할 수 있다.
DC 아크 플라즈마와 같은 전극을 포함한 방법에는, 전극 부식 및 다이아몬드로의 물질 혼합에 기인한 문제가 있을 수 있다. 연소법(Combustion method)은 전극 부식 문제는 방지하지만, 고품질 다이아몬드 성장에 부합하는 레벨로 정제되어야 하는 비교적 고가인 공급 가스에 의존하고 있다. 불꽃의 온도는 산소-아세틸렌 혼합물을 연소하는 경우에도, 상당한 양의 수소 원자를 가스 흐름에 포함시키기에는 충분하지 않고, 이 방법은 적합한 성장율을 달성하기 위해서 가스의 플럭스를 국지적인 영역으로 집중하는 것에 의존한다. 벌크 다이아몬드 성장에 연소가 널리 사용되지 않는 이론적인 이유는 아마도, 추출될 수 있는 kWh의 에너지와 관련된 비용일 것이다. 고순도 아세틸렌 및 산소는 전기와 비교하면 열을 생성하는데 비용이 많이 드는 방식이다. 고온 필라멘트 반응기는 표면적으로는 간단해 보이지만, 한정된 양의 수소 원자를 성장 표면에 비교적 효율적으로 이송하기 위해서 요구되는 낮은 가스 압력에서 사용하는 것으로 제한된다는 단점이 있다.
이러한 견지에서, 마이크로파 플라즈마는, 파워 효율, 성장율, 성장 면적 및 획득 가능한 제품의 순도의 종합적인 측면에서, CVD 다이아몬드 증착을 행하는 가장 효율적인 방법이라는 것이 확인되었다.
마이크로파 플라즈마 활성화 CVD 다이아몬드 합성 시스템은 전형적으로, 소스 가스 공급부 및 마이크로파 전원 모두에 연결된 플라즈마 반응기 용기를 포함한다. 플라즈마 반응기 용기는 스탠딩 마이크로파 필드(standing microwave field)를 유지하는 공진 공동부를 형성하도록 구성된다. 탄소 소스 및 수소 원자를 포함하는 소스 가스는 플라즈마 반응기 용기로 공급되며, 스탠딩 마이크로파 필드에 의해 활성화되어서 높은 필드 영역 내에 플라즈마를 형성할 수 있다. 플라즈마에 매우 근접해서 적절한 기판이 제공되면, 반응성 탄소 함유 라디컬이 플라즈마로부터 기판으로 확산되어서 그 위에 증착될 수 있다. 수소 원자도 플라즈마로부터 기판으로 확산되고, 기판으로부터 비-다이아몬드 탄소를 선택 에칭해서 다이아몬드 성장이 일어나게 할 수 있다.
CVD 처리를 사용한 합성 다이아몬드 막 성장에 가능한 다양한 마이크로파 플라즈마 반응기가 해당 기술 분야에 알려져 있다. 이러한 반응기는 다양한 여러 설계를 갖고 있다. 공통의 특징은, 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 배치된 기판 홀더, 플라즈마 형성을 위한 마이크로파 생성기, 마이크로파 생성기로부터 플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 연결 구성, 처리 가스를 플라즈마 챔버로 공급하고 이로부터 플라즈마 챔버를 제거하는 가스 흐름 시스템, 및 기판 홀더 상의 기판의 온도를 제어하는 온도 제어 시스템을 포함한다.
본 출원인은 이전에, 단결정 및 다결정 CVD 다이아몬드 물질을 모두 비교적 넓은 영역에서 비교적 높은 성장율로, 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드를 성장시키는, 마이크로파 플라즈마 활성화 CVD 반응기 하드웨어 및 CVD 다이아몬드 합성 방법과 관련된 특허를 다수 출원했다.
이들 특허 출원은 다음에 대해서 개시하고 있는 특허 출원을 포함한다.
(i) 마이크로파 플라즈마 챔버의 구조 및 지오메트리의 특정한 측면(예컨대, 소형 TM011 공진 모드 플라즈마 챔버 구성의 사용을 개시하는 WO2012/084661 및 플라즈마 챔버의 측벽으로부터 돌출되는 플라즈마 안정화 고리를 마련하는 것에 대해서 개시하고 있는 WO2012/084657).
(ⅱ) 마이크로파 파워 연결 구성에 관한 특정한 측면(예컨대, 마이크로파 파워를 복수의 마이크로파 플라즈마 반응기에 공급하는 마이크로파 파워 전달 시스템을 나타내고 있는 WO2012/084658 및 환형 유전체 창, 동축 도파관 및 마이크로파를 플라즈마 챔버에 연결시키는 환형 구성에 배치된 복수의 개구부를 포함하는 도파관 플레이트를 포함하는 마이크로파 연결 구성을 개시하고 있는 WO2012/084659).
(ⅲ) 마이크로파 플라즈마 챔버 내의 기판 조제물, 지오메트리 및 온도 제어 구성의 특정한 측면(예컨대, 바람직한 전기장 및 온도 프로파일을 달성하도록 마이크로파 플라즈마 반응기 내에서 기판 파라미터를 준비하고, 위치시키며 제어하는 방법에 대해서 개시하고 있는 WO2012/084655).
(ⅳ) 마이크로파 플라즈마 챔버 내의 가스 흐름 구성 및 가스 흐름 파라미터의 특정한 측면(예컨대, 넓은 영역에서의 균일한 다이아몬드 성장을 달성하는 바람직한 지오메트리 구성을 가진 멀티-노즐 가스 주입구 어레이를 가진 마이크로파 플라즈마 반응기를 개시하고 있는 WO2012/084661 및 넓은 영역에서의 합성 다이아몬드 물질의 균일한 도핑을 달성하기 위한 바람직한 레이놀즈 수를 가진 처리 가스의 높은 가스 흐름 속도 및 주입을 사용하는 것을 개시하고 있는 WO2012/084656).
상술한 특허 출원에 개시된 특성을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기에 의해서, 본 출원인은 단결정 및 다결정 CVD 다이아몬드 물질을 모두 비교적 넓은 영역에서 비교적 높은 성장율로, 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드를 성장시키는 것을 달성했다.
즉, 합성 다이아몬드 제품의 강건하고, 효율적이며, 높은 수율을 갖는 합성 플랫폼을 제공하기 위해서 종래의 구성을 더욱 개선할 필요가 여전히 존재한다. 이와 관련해서, 본 발명의 실시예의 목적은 강건성, 효율성 및 수율을 개선한 시스템을 제공하는 것이다.
마이크로파 플라즈마 활성화 CVD 다이아몬드 합성은 대부분의 다른 화학 기상 증착 처리와 비교할 때 다소 일반적이지 않은 것이다. 예컨대, 마이크로파 플라즈마 활성화 CVD 다이아몬드 합성 처리는 이하와 같은 특성의 조합을 갖고 있다.
(i) 초고파워 마이크로파의 요구.
(ⅱ) 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드 물질의 층을 제조하기 위해서 안정된 높은 파워 마이크로파를 유지하는 매우 긴 합성 시간의 요구.
(ⅲ) CVD 다이아몬드 합성 처리가 합성 처리에서의 불안정성 및/또는 중단에 매우 민감함.
이러한 높은 플라즈마 파워, 긴 합성 시간 처리와 관련된 한 가지 문제는, 마이크로파 소스가 합성 처리의 중단을 야기하는 오류를 주기적으로 일으킬 수 있다는 점이다. 이러한 오류는 마이크로파 생성기를 초고파워 동작에서 실행하면 더 악화된다. 합성 처리를 지속시키도록 재시작될 수 있는 많은 타입의 처리에서는 문제를 발생시키지 않지만, 예컨대, 10초 정도의 비교적 짧은 시간 동안 마이크로파 소스를 중단하면, 다음과 같은 여러가지 이유로 다이아몬드 합성 처리의 불가역적인 손실이 발생할 수 있다.
고속 냉각 및 다이아몬드 물질과 하부의 지지 기판 사이의 열 팽창 불일치의 결과 다이아몬드가 배치된 지지 기판으로부터 다이아몬드가 분리됨.
무절제한 냉각이 동작 압력에서의 재시작을 어렵게 하고 잠재적으로는 물질의 균열을 유발함.
큰 압력 변동이 합성 처리를 재시작한 이후에 불안정을 유발함.
특정 다이아몬드 합성 처리의 경우에, 다이아몬드 합성 처리의 불가역적 손실을 유발하는 이러한 마이크로파 생성기 문제는 매우 일반적일 수 있고, 일례로, 단일 성장 실행에서 수회 나타나면 수율을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명자는, 마이크로파 생성기가 마이크로파 플라즈마 활성화 CVD 다이아몬드 합성 처리를 중단시킨 이후에, 합성 처리가 전형적으로 10초 미만 및 더 바람직하게는 수초 정도의 매우 짧은 시간 내에 재시작될 수 있다면, 다이아몬드 분리, 다이아몬드 균열 및 요구되는 동작 압력에서 재시작하는 것과 관련된 문제와 같은 문제들은 방지될 수 있다는 것을 알았다.
다이아몬드 합성 처리의 이러한 고속 재시작은 사소한 것이 아니다. 실제로, 마이크로파 생성기 시스템을 고속으로 재시작하도록 구성하는 것은, 특히 저속 프로토콜을 구현하도록 구성된 종래의 마이크로파 생성기 시동 시스템과 반대되는 것이다. 종래의 마이크로파 생성기 시스템은 고속 시동을 회피하도록 구성되고, 이는 주로 마이크로파 생성기 필라멘트의 노후화 및 궁극적인 장애로 인해서, 고속 시동이 마이크로파 생성기를 손상시킬 수 있고 마이크로파 생성기의 전체 수명을 감소시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 마이크로파 생성기 시스템은 고속 재시작이 가능하도록 특별히 다시 구성되어야 한다. 이러한 구성이 바람직한 것은 주로, 파워, 합성 시간, 그리고 합성 처리의 변경 및 중단에 대한 민감성의 측면에서 CVD 다이아몬드 합성 처리의 독특한 특성의 결과로 보여진다. 본 발명자는, 오류 발생시에 고속 재시작되도록 적절하게 다시 구성된 마이크로파 생성기가 고 파워 다이아몬드 합성 처리가 처리의 불가역적인 손실 없이도 계속될 수 있게 한다는 점을 알아냈다. 또한, 마이크로파 생성기 수명의 감소는 바람직하지 않으며, 고속 재시작 방법을 구현함으로써 야기되는 잠재적인 마이크로파 생성기 수명 감소로 인해 초래될 비용 문제는, 고속 재시작 방법을 사용해서 달성되는 합성 다이아몬드 제품의 높은 수율값의 증가에 의해서 훨씬 보상된다는 것을 알았다. 나아가, 고속 재시작 방법을 효율적으로 구성하고 제어함으로써, 고속 재시작 프로토콜을 사용하도록 다시 구성될 때 마이크로파 생성기의 수명이 크게 단축되지 않도록 마이크로파 생성기에 가해지는 손상을 최소화할 수 있다.
이러한 견지에서, 본 발명의 제 1 측면에 따라서, 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD) 시스템에서 사용할 마이크로파 생성기 시스템이 제공되며, 이 마이크로파 생성기 시스템은,
화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 동작 파워 출력으로 마이크로파를 생성하도록 구성된 마이크로파 생성기 유닛과,
동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발하는 마이크로파 생성기의 오류를 검출하도록 구성된 오류 검출 시스템과,
오류가 검출된 것에 응답해서 마이크로파 생성기 유닛을 재시작하고, 동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발한 마이크로파 생성기 유닛의 오류 이후에 10초 미만의 시간 이내에 동작 파워 출력 혹은 주파수를 복구하도록 구성된 재시작 시스템
을 포함한다.
본 발명의 제 2 측면에 따라서, 화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템이 제공되며, 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템은,
본 발명의 제 1 측면에 따른 마이크로파 생성기 시스템과,
공진 공동부를 정의하는 플라즈마 챔버와,
마이크로파 생성기 시스템으로부터 플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 연결 구성부와,
처리 가스를 플라즈마 챔버로 공급하고 플라즈마 챔버로부터 처리 가스를 제거하는 가스 흐름 시스템과,
플라즈마 챔버 내에 배치되어서 합성 다이아몬드 물질이 성장되는 기판을 지지하는 기판 장착부
를 포함한다.
본 발명의 제 3 측면에 따라서, 화학 기상 증착 처리를 사용해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법이 제공되고, 이 방법은,
본 발명의 제 2 측면에 따른 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템을 제공하는 단계와,
기판 장착부 상에 기판을 위치시키는 단계와,
플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 단계와,
플라즈마 챔버로 처리 가스를 공급하는 단계와,
기판 상에 합성 다이아몬드 물질을 형성하는 단계
를 포함한다.
본 발명을 더욱 이해해서 실시할 수 있도록, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조로 단지 예시로서 설명한다.
도 1은 마이크로파 생성부의 일부를 나타내는 개략도,
도 2a는 마이크로파 생성기 동작의 바람직한 모드를 나타내는 개략도,
도 2b는 마이크로파 생성기 동작의 바람직하지 않은 모드를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 생성기 기스템의 기초 컴포넌트를 나타내는 개략도,
도 4는 마이크로파 생성기에서의 1.2초의 튜브 아킹 오류 이내에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내는 도면,
도 5는 마이크로파 생성기에서의 1.6초의 모드 오류 이내에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내는 도면,
도 6은 튜브 아킹 오류 및 모드 오류를 순차적으로 겪은 이후에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 화학 기상 증착 기법을 이용해서 합성 다이아몬드 물질을 증착하도록 구성된 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 나타내는 단면도,
도 8은 2개의 플라즈마 챔버를 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 나타내는 개략도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 화학 기상 증착 기법을 이용해서 합성 다이아몬드 물질을 증착하는데 전개되는 단계를 나타내는 흐름도이다.
지난 20년 동안 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD)에 의해서 다이아몬드를 합성하는 것이 발달되었으며, 현재는 일반적으로 1~100㎛ hr-1의 성장율로 다이아몬드를 합성할 수 있다. 성장율이 1㎛ hr-1이면, 1mm 두께 부분을 합성하는데 1000 시간이 걸릴 것이다. 성장율이 더 높으면, CVD 다이아몬드 물질, 특히 고품질의 두꺼운 CVD 다이아몬드 물질의 층의 합성 시간은 상당히 길다. 그 결과, 전개되는 장비는 신뢰도가 높아야 하고 오류없이 실행을 연장시킬 수 있어야 한다.
과제의 해결 수단에 개시되어 있는 바와 같이, 마이크로파 소스의 중단을 예컨대, 10초 이상으로 연장시키면, 다음과 같은 여러가지 이유로 처리에서의 불가역적인 손실이 발생할 수 있다.
고속 냉각 및 다이아몬드 물질과 하부의 지지 기판 사이의 열 팽창 불일치의 결과 다이아몬드가 배치된 지지 기판으로부터 다이아몬드가 분리됨.
무절제한 냉각이 동작 압력에서 재시작을 어렵게 하고 잠재적으로는 물질의 균열을 유발함.
큰 압력 변동이 합성 처리를 재시작한 이후에 불안정을 유발함.
고효율의, 고파워 마이크로파 장치는 전형적으로 진공관 설계에 기초하고 있으며, 전자관(magnetron)은 당업계에서 가장 흔하게 사용되는 것이다. 전자관의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 전자관은 중앙의 음극 필라멘트(CF) 및 전자적으로 분리된 양극 블록(A)을 포함하고, 전체 장치는 고정의 혹은 전자석에 의해 제공되는 자기장 내에 배치된다.
표준 동작 동안에, 필라멘트는 가열되어서 열이온 방출을 자극하고, 필라멘트와 양극 사이에 적절하게 높은 전압이 인가되어서 필라멘트와 양극 사이에 전류를 생성한다. 전자 경로가 자석으로부터의 외부 자기장에 의해 구부러지기 때문에, 양극 공동부 각각에서 오실레이션을 유도하고, 여기서 전자관 출력 주파수는 공동부의 직경에 의해 정의된다. 이러한 동작 모드(π 모드)에서의 전기장이 도 2a에 도시되어 있다. 클라이스트론 등과 같은 전자관은 전자 번칭(electron bunching)을사용해서 전자 이동 시간에 둔감한 RF 출력을 달성한다. 그러나, 음극에서 양극으로 전류가 흐르기 전에도(헐 임계값(Hull threshold)), 필라멘트 부근에서는 전자의 분포가 존재할 것이다. 전류 흐름을 달성하는데 필요한 전압은 전자의 정확한 번칭에 따라 달리진다.
전자관은 동작시에 비한정의 예로서 다음과 같은 여러가지 오류에 기인한 문제가 있을 수 있다.
모딩(바람직하지 않은 모드에서의 오실레이션 - 도 2b 참조).
전자관 내의 잔류 가스와 관련된 음극과 양극 사이의 아킹(큰 양극 전류 스파이크를 유발함).
필라멘트 내부의 아크(인덕션 히터의 코일 사이에서).
열적 크리프/피로로 인한 10,000 시간 이후의 필라멘트 오류와 같은 전자관 수명 종료.
이들 오류 중 어느 것으로 인해서 마이크로파 출력 파워가 손실될 수 있으며, 이는 다이아몬드 합성 처리를 중단시킬 것이다. 전자관/자석 시스템을 주의깊에 선택하고 설정함으로써 이들 오류의 빈도를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 최상의 진공 상태와 밀봉, 최적의 도파관 매칭(안정성을 위한 것이지만 반드시 효율적인 것은 아닌) 및 최적화된 자석 전류와 필라멘트 온도를 사용함으로써, 오류가 감소될 수 있지만, 아크 저항과 π-1 모드 저항은 일정 정도 상호 양립될 수 없다고 주장할 수도 있다. 그러나, 이러한 예방책을 취하고 있음에도 불구하고, 동적인 고파워 진공 장치에서 오류를 완전히 제거하는 것은 실질적으로 불가능하다.
오류가 완전히 제거될 수 없기 때문에, 다이아몬드 합성 처리에서 최대의 강건성을 달성하도록 설계된 마이크로파 시스템은 다이아몬드 합성 처리를 불가역적으로 방해하지 않는 시간(10 미만, 이상적으로는 1초 미만) 내에 이들 오류로부터 복구할 수 있다는 이점이 있다. 이러한 문제를 해결하는 것은, 효율성, 신뢰성 및 완전 처리의 이점을 높이는데 중요하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 생성기 시스템의 기초 컴포넌트를 나타내는 개략도이다. 마이크로파 생성기 시스템은,
화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 동작 파워 출력으로 마이크로파를 생성하도록 구성된 마이크로파 생성기 유닛과,
동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발하는 마이크로파 생성기의 오류를 검출하도록 구성된 오류 검출 시스템과,
오류가 검출된 것에 응답해서 마이크로파 생성기 유닛을 재시작하고, 동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발한 마이크로파 생성기 유닛의 오류 이후에 10초, 8초, 6초, 4초, 2초 혹은 1초 미만의 시간 이내에 동작 파워 출력 혹은 주파수를 복구하도록 구성된 재시작 시스템
을 포함한다.
마이크로파 생성기 유닛은 1kW, 2kW, 3kW 혹은 4kW 이상 및/또는 100kW, 80kW, 60kW 혹은 40kW 미만의, 및/또는 이들 상한 값 및 하한 값의 임의의 조합으로 동작 파워 출력을 생성하도록 구성될 수 있다. 정확한 파워 범위는 부분적으로 동작 주파수에 따라 달라지며, 2.45 GHz±0.1 GHz의 동작 주파수의 경우에 파워는 바람직하게는 1kW, 2kW 혹은 3kW 이상 20kW, 15kW, 10kW 혹은 8kW 미만의 범위인 반면, 896MHz±30MHz의 동작 주파수의 경우에 파워는 바람직하게는 10kW, 15kW, 20kW 혹은 25kW 이상 100kW, 80kW, 70kW 혹은 60kW 미만의 범위이다. 이러한 마이크로파 생성기 유닛은 전형적으로 전자관을 포함한다. 나아가, 마이크로파 생성기 유닛은 직류 스위치-모드 파워 공급 유닛을 포함할 수도 있고 혹은 선형 파워 공급 유닛을 포함할 수도 있다.
다이아몬드 합성 처리와 관련해서 다음과 같은 플라즈마 생성기 오류의 2가지 분류가 발견되었다.
다양한 원인에 의한 일반적인 튜브 아킹 오류.
자발적으로(드물게) 혹은 생성기의 시동 혹은 재시작 동안에(통상적으로) 발생할 수도 있는 π-1 오실레이션 모드 오류.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 오류 검출 시스템은 이들 타입의 오류 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두를 검출하도록 구성될 수 있다.
튜브 아킹 오류는 양극 전류 스파이크에 의해 검출될 수 있다. 종래의 마이크로파 생성기는 어떤 종류의 양극 과전류 검출 방법(즉 아크를 검출하는 방식)을 구비하고 있지만, 이는 일반적으로 적어도 짧은 시간에 재설정이 불가능했다. 일부 종래의 마이크로파 생성기는 높은 전압의 퓨즈를 사용하고, 일부는 높은 전압 공급부를 접지시키는 상호 재설정 가능 과전류 릴레이를 구비했다. 양극 전류 스파이트는 셧다운 시간이 수마이크로초 정도로 매우 빠르기 때문에 SMPSU(switched-mode power supplyunit) 마이크로파 생성기에서 쉽게 볼 수 없다. 이를 보기 위해서는 매우 높은 샘플링 레이트가 요구되며, 전형적으로 1kHz의 샘플링 레이트에서는 순간적인 양극 전류 스파이크를 놓칠 것이다. 이러한 문제를 방지하기 위해서, 오류 검출 시스템은 1kHz 이상의 샘플링 레이트를 제공해서 양극 전류 스파이크가 확실히 검출되도록 다시 구성될 수 있다.
π-1 오실레이션 모드 오류는
π-1 오실레이션 모드의 주파수로 튜닝된 안테나,
기본(fundamental) π 모드의 주파수로 튜닝된 안테나,
음극 전압이 음극 전압 임계값 이상으로 상승한 것의 검출,
양극 전압이 양극 전압 임계값 미만으로 감소된 것의 검출, 및
양극 전류에 대한 음극 전압의 비율이 임계값 이상으로 상승한 것의 검출
중 적어도 하나에 의해 검출될 수 있다.
예컨대, π-1 오실레이션 모드 오류는, 음극 전압이 음극 전압 임계값 이상으로 상승하고 양극 전압이 양극 전압 임계값 미만으로 낮아져서 양극 전류에 대한 음극 전압의 비율의 상승한 것을 검출함으로써 검출될 수 있다.
재시작 시스템은,
마이크로파 생성기 유닛 내의 필라멘트 전류를 표준 동작 필라멘트 전류값 이상으로 증가시켜서 마이크로파 생성기 유닛의 필라멘트를 가열하는 단계와,
양극-음극 고전압(high tension)을 표준 동작 레벨로 램핑하는 단계와,
필라멘트 전류를 표준 동작 필라멘트 전류값으로 감소시켜서 상기 설명한 바와 같은 시간 이내에 표준 동작 상태로 복귀시키는 단계
와 같은 일련의 단계를 구현함으로써 튜브 아킹 오류에 응답하도록 구성될 수 있다.
나아가, 재시작 시스템은,
음극 전압이 임계값 이상인 및/또는 양극 전류가 임계값 미만인 동작 상태를 소정 시간 동안 유지하는 단계와,
튜브 아킹 오류에 대해서 사전에 정의된 일련의 단계를 구현하는 단계
와 같은 일련의 단계를 구현함으로써 π-1 오실레이션 모드 오류에 응답하도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 마이크로파 생성기의 고속 재시작 및 관련 다이아몬드 합성 처리를 제공하기 위해서 아킹 오류과 모드 오류 및 이들을 어떻게 다루는지에 대해서 상세하게 설명한다.
일반적인 튜브 아킹 오류
일반적인 튜브 아킹 오류가 발생하고 양극과 음극 사이의 고전압이 제로로 떨어진 이후에, 양극과 음극 사이에 고전압이 다시 인가되기 전에 전자관 필라멘트는 사전 가열되어야 한다. 적절한 '대기' 전류로 필라멘트를 사전 가열하는데 오류가 발생하면, 오실레이션 모드가 바람직하지 않게 되거나 오실레이션이 완전히 실패할 수 있다. 온도는 2000 켈빈 정도로, 필라멘트의 온도를 약 수 10도 정도 이내로 제어하는 것이 중요하다. 본 발명에 따라서 고속으로 재시작하기 위해서 필라멘트의 가열은 고속으로 수행되어야 한다. 이는, 제조업자가 추천하는 150 내지 200초 정도의 필라멘트 사전 가열 시간에 반하는 것으로, 표준 마이크로파 생성기는 일반적으로 필라멘트 재가열 단계는 이보다 훨씬 짧은 시간에 수행되지 않게 구성된다.
고전압이 인가되고 장치가 동작되면, 인가되는 필라멘트 전류는 항온을 유지하도록 감소될 수 있다. 이는, 추가 가열이 방출된 전자의 자가-충돌에 의해 제공되기 때문이다. 동작시에 튜브에 오류가 발생하면, 인가된 필라멘트 전류가 최적의 표준 전류 이하가 되는 시점에 자가-충돌은 중단된다. 필라멘트로부터의 높은 방사 열손실과 전형적으로 50Hz인 표준 전류로의 느린 회복이 조합되면, 사이리스터(SCR) 제어 공급 회로는 필라멘트를 최적의 동작 온도 이하로 할 수 있다. 필라멘트 온도가 너무 낮으면(노미널보다 ~20 내지 40도 낮음), 튜브가 재시작시에 (π-1) 모드로 되기 시작할 확률이 높다. 온도가 더 높으면 전자관의 효율 및 수명이 상당히 감소될 수 있고, 전자관에는 아킹이 발생할 가능성이 더 높다.
테스트를 통해서, 튜브 오류 이후 고속으로 재시작하는데 필라멘트 온도가 매우 중요하다는 것을 알았다. 파워 공급부 시상수는 대기 필라멘트 전류로의 고속 복귀, 고전압으로의 램프업, 그리고 마지막으로는 인가되는 필라멘트 전류의 램프 다운에 최적화되었다. 이러한 과정이 도 4에 도시되어 있으며, 이는 마이크로파 생성기에서의 1.2초의 튜브 아킹 오류 이내에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내는 것이다. 상하 트레이스는 필라멘트 전류(FC), 양극-음극 고전압(HT), 양극 전류(A), 전자석 전류(M)이다. 0초에서의 오류 이후에, 필라멘트 전류는 대기 레벨로 증가되고, 오류 이후에 약 0.3초 고전압이 램프된다. 필라멘트 전류는 실질적으로 감소되고, 대기 동작 상태에 도달된다.
π-1 오실레이션 모드 오류
상술한 바와 같이, 도 2a는 마이크로파 생성기 동작의 바람직한 π-모드를 나타내는 개략도인 반면, 도 2b는 마이크로파 생성기 동작의 바람직하지 않은 π-1 모드를 나타내는 개략도이다.
π-1 모드 오류는 외부적으로는 양극 전류의 강하, 음극 전압의 급증 및 후속하는 개방 회로와 질적으로 유사한 전압의 느린 감소에 특징이 있다. π-1 모드 오류는,
π-1 모드의 주파수로 튜닝된 안테나의 사용,
기초 π 모드의 주파수로 튜닝된 안테나의 사용, 및/또는
양극 전류에 대한 음극 전압의 비율의 모니터
와 같은 다양한 방식으로 검출될 수 있다.
π 혹은 π-1 모드로 튜닝된 안테나를 사용하는 앞의 2가지 방법은 π 혹은 π-1 모드의 주파수와 잠재적으로 유사하기 때문에 어려움이 있을 수 있다. 이들 모드의 주파수 분리는 전자관의 내부 치수 및 구조에 따라 달라지며, 제조업자에 따라 다를 것이다. 그 결과, 양극 전류에 대한 음극 전압의 비율을 모니터하는 세번째 방법은 π-1 오류를 검출하는 가장 강건한 방법이 될 수 있다는 것을 알아냈다.
테스트를 통해서, 재시작하기 전에 짧은 시간(전형적으로 0.1~0.5초) 동안 π-1 모드가 지속되게 한다는 중요한 이점이 있다는 것을 알아냈다. π-1 모드는 필라멘트의 전자 자가-충돌을 증가시키고, 따라서 필라멘트를 고속으로 가열하는 효과를 가지며, 이는 고속 재시작에 바람직할 수 있다. 이후, 상기 단락에서 설명한 튜브 아킹 오류의 경우의 재시작 과정이 구현될 수 있다.
이하의 π-1 오류에 따른 일련의 이벤트는 다음과 같다.
음극 전압이 임계값 이상이다(예컨대, >-15 kV).
약극 전류가 임계값 이하이다(예컨대, <1.5 A).
상태가 사전 설정된 시간 동안 유지된다(예컨대, >0.1~0.5초).
고전압이 턴오프된다(의도적으로 혹은 과전압 제한에 도달해서 자동으로 트리거되어서).
고전압을 다시 인가함으로써 일반적인 튜브 오류 재시작이 개시된다.
임계값 및 타이밍의 조정은 효율적인 동작을 위해서 중요하며, 음극 전압에서의 리플이나 혹은 양극 전류에서의 짧은 강하가 재시작을 트리거해서는 안된다.
도 5는 상술한 방법을 사용해서 마이크로파 생성기에서의 1.6초의 π-1 모드 오류 이내에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내고 있다. 상하 트레이스는 필라멘트 전류(FC), 양극-음극 고전압(HT), 양극 전류(A), 전자석 전류(M)이다.
지금까지 일반적인 튜브 아킹 오류 및 π-1 오실레이션 모드 오류를 다루는 방법에 대해서 설명했으며, 한 가지 바람직한 방법은 마이크로파 시스템이 모든 분류의 오류에 강건하도록 이들 방법을 조합하는 것이다. 2가지 상기 방법을 조합하면 CVD 다이아몬드 합성 처리시에 전자관이 동작하는 동안에 겪는 통상적인 오류에 대한 강건하고 신뢰가능한 해법이 나올 수 있다. 이 방법은 다수의 순차적인 오류로부터의 복구를 가능하게 한다. 예컨대, 도 6은 튜브 아킹 오류 및 모드 오류를 순차적으로 겪은 이후에 마이크로파 생성기가 동작 상태로 성공적으로 복귀한 파라미터 트레이스를 나타내고 있다. 상하 트레이스는 필라멘트 전류(FC), 양극-음극 고전압(HT), 양극 전류(A), 전자석 전류(M)이다. 이 트레이스에서, 일반적인 튜브 아킹 오류에 후속해서 고속 재시작된다. 그러나, 재시작 직후에 전자관은 π-1 모드로 오실레이션되기 시작한다. 이 모드 오류는 검출되고 고전압의 제거에 의해서 제 2 고속 재시작이 개시되며, 이후에 고전압을 다시 인가함으로써 표준 동작 상태가 재개된다.
극단적인 경우에, 고속 스위칭 장치와 관련된 밸러스트 저항을 포함하는 단계가 취해진다면 양극 오류는 수분 정도 억제될 수 있다.
상술한 마이크로파 생성기 시스템은 화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템에 강건한 파워 소스를 제공한다. 이러한 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템은
상술한 마이크로파 생성기 시스템과,
공진 공동부를 정의하는 플라즈마 챔버와,
마이크로파 생성기 시스템으로부터 플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 연결 구성부와,
처리 가스를 플라즈마 챔버로 공급하고 플라즈마 챔버로부터 처리 가스를 제거하는 가스 흐름 시스템과,
플라즈마 챔버 내에 배치되어서 합성 다이아몬드 물질이 성장되는 기판을 지지하는 기판 장착부
를 포함한다.
도 7은 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템의 예를 나타낸다. 이 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템은, 플라즈마 챔버(2)와, 기판(5)을 지지하기 위해서 플라즈마 챔버에 배치된 기판 홀더(4)와, 플라즈마 챔버(2) 내에 플라즈마(8)를 생성하는 마이크로파 생성기(6)와, 유전체 창(11)을 통해서 마이크로파 생성기(6)로부터 플라즈마 챔버(2)로 마이크로파를 공급하는 마이크로파 연결 구성부(10)와, 처리 가스를 플라즈마 챔버(2)에 공급하고 플라즈마 챔버(2)로부터 처리 가스를 제거하기 위한 하나 이상의 가스 주입구(12) 및 하나 이상의 가스 배출구(14)를 포함하는 가스 흐름 시스템과 같은 기본 컴포넌트를 포함한다.
기판(5)은 스페이서 와이어 혹은 스페이서 패드(16)에 의해서 기판 홀더(4)로부터 이격되어서, 기판 홀더(4)의 지지 표면(20)과 기판(5)의 지지 표면(22) 사이에 가스 갭(18)을 정의하고 있다. 나아가, 가스 공급 시스템(24)은 공급 파이프(26)를 통해서 가스 갭(18)으로 연결되고, 공급 파이프(26)는 기판 홀더(4)를 통해서 가스 공급 시스템(24)으로부터 연장되고, 기판 홀더의 지지 표면에 있는 하나 이상의 배출구를 통해서 가스를 가스 갭(18)으로 공급하도록 구성되어 있다. 기판 홀더(4)를 냉각하기 위해서 냉각수 공급 시스템(28)도 마련된다.
도 7에 도시된 구성이 마이크로파 생성기에 단일 플라즈마 챔버가 연결되어 있는 구성을 나타내고 있지만, 한 가지 바람직한 구성은 다수의 플라즈마 챔버를 단일 마이크로파 생성기에 연결하는 것이다. 이로써, 마이크로파 생성기의 파워 생성 성능이 완전하게 사용될 수 있다. 그러나, 마이크로파 생성기가 최대 파워 성능이나 혹은 그 부근에서 구동되기 때문에, 이는 생성기 오류의 확률을 높인다. 이와 같이, 현재 제공되는 고속 재시작 성능은 이러한 구성에서 특히 유용하다.
도 8은 싱크(sink)(86)에 연결되어 있는 아이솔레이터(84), 튜너(88), 및 도파관 접합부(90)를 거쳐서 하나의 마이크로파 생성기(82)에 연결된 2개의 마이크로파 플라즈마 반응기(80)를 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 나타내고 있으며, 여기서 도파관 접합부(90)는, 하나의 반응기에서 반사되어 온 마이크로파 파워가 도파관 접합부(90)를 통해서 다른 반응기의 출력으로 전달되는 것을 방지하도록, 마이크로파 플라즈마 반응기(80)로의 출력은 서로 효율적으로 분리되어 있다. 도파관 접합부(90)는, 플라즈마 반응기 각각으로의 출력을 분리해서 반사된 파워가 가로질러서 다른 플라즈마 반응기에 직접 공급되어서 크로스토크로 인한 불균형을 유발하는 것을 방지하도록, 튜너(88)로부터의 마이크로파 전력 입력을 균일하게 분할하는 매우 정확한 기하학적인 구성을 가져야 한다. 동시에, 접합부의 기하학적 구성은, 균형이 잡힌 반사되는 전력이 튜너(88)로 다시 공급되어야 다시 사용될 수 있게 되어야 한다. 마지막으로, 접합부의 기하학적 구성은, 균형이 잡히지 않은 과잉 반사 전력은 물부하(water load)와 같은 싱크(92)로 버려지도록 구성되어야 한다. 이러한 구성은 WO2012/084658에 상세하게 개시되어 있다.
도 9는 상술한 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 사용해서 합성 다이아몬드 물질을 증착할 때 전개되는 단계를 나타내는 흐름도이다. 이 방법은,
기판 장착부 상에 기판을 위치시키는 단계와,
플라즈마 챔버에 마이크로파를 공급하는 단계와,
플라즈마 챔버에 처리 가스를 공급하는 단계와,
기판 상에서 합성 다이아몬드 물질을 형성하는 단계
를 포함한다.
플라즈마 합성 처리와 관련해서, 부하 임피던스에 대한 전자관의 동적인 응답은 문제가 될 수 있다는 점에 주의할 수 있다. 부하에 대한 전자관의 응답을 고려하면, 파워 풀링 및 주파수 풀링의 2가지 사항을 알 수 있다. 이와 관련해서, 리케(Rieke) 다이어그램은 다양한 부하에 대한 전자관의 동작을 나타내고 있다. 고품질 아이솔레이터(순환기)를 사용하는 경우에도, 반사 계수의 크기(0.1 정도)는 상당한 '부하 풀링'을 유도하기에 충분하다. 도파관의 긴 섹션과 조합하면, 전자관은 반사된 파워의 위상은 소스 주파수의 비교적 작은 변화에도 크게 변화되는 '긴 라인' 효과를 경험할 수 있다. 이는, Q 도포기(applicator)와 연결되면, 매우 불안정한 소스/부하 조합을 유발할 수 있다. 플라즈마 부하는, 산업용 마이크로파 열원의 종래의 부하와 비교하면 매우 고속 응답을 갖는다. 반사 파워의 '잘못된' 절대 위상의 경우, 수 풀링과 파워 풀링의 조합이 높게 저장된 에너지와 연결되면, 마이크로파 생성기에서의 양극 오류의 빈도를 상당히 높일 수 있다. 이중 아이솔레이터, 나란한 2개의 순환기를 사용하는 것은, 특정한 마이크로파 생성기에서의 양극 오류의 발생을 감소시키는데 필수적이다. 그러나, 특정한 마이크로파 생성기를 사용할 때, 하나의 순환기면 충분할 수 있다. 이유는 명확한 것은 아니지만, 자석 전류 회로에 대한 폐루프 제어와 관련될 수 있다. DC SMPSU(Direct currentswitched-mode power supplyunits)는 필터링(저장된 에너지)에 의존하는 일 없이 저 리플 출력을 달성하도록 관리함으로써 많은 문제를 극복하고 있다. 선형 파워 공급 유닛이 수백 J의 저장 에너지를 가질 것이지만(주로 인덕터에), DC SMPSU는 에너지를 아마도 10 J로 제한할 수 있다. 또한, 전류 제한 소스로서 동작함으로써, 잠재적으로 불안정한 자석 전류 제어 루프로 기능할 때 문제가 없다.
선형 공급부의 경우에, 저장된 에너지는, 아크의 형태의 전자관에서의 소실이 '크레터(craters)'를 만들어서 필라멘트에 상당한 데미지를 유발할 수 있기 때문에 더 문제를 일으킨다. 시간이 경과함에 따라서, 이러한 크레터는 추가적인 아크 이벤트를 일으키고 궁극적으로는 전자관의 수명을 단축시키는 중요한 역할을 하는 경향이 있다. 저장된 에너지를 부하로 우회시켜서 폐기하는 '지렛대(crow-bar)' 회로를 사용해서 이를 완화시키고자 하는 시도는, 이렇게 재시작이 1초 이내에 수행될 수 있다는 것을 보여주었지만, 부분적으로만 효율적이다. 이와 같이, 본 발명의 실시예가 선형 파워 공급 유닛 혹은 직류 스위칭 모드 파워 공급 유닛을 사용해서 구현될 수 있지만, 직류 스위칭 모드 파워 공급 유닛이 바람직한 것으로 고려된다.
상기 설명의 견지에서, 파워 공급 유닛의 최적의 저장된 에너지는 중요성이 있다는 점은 명백하다. 선형 공급의 경우에, 공급부의 인덕터, 캐패시터 등에 저장된 에너지의 양은 매우 클 수 있다(수백 J 정도). 아킹에 의해서 튜브에 오류가 발생하면, 이 아크를 통해서 저장된 에너지가 매우 빠르게 방전되고, 필라멘트의 중요한 역할은 없어질 것이고, 상당한 열이 발생되어서 가스 방출을 유발하며, 이들은 모두, 예컨대, 흡수된 가스는 아킹의 확률을 높이고, 필라멘트에 대한 손상이 심각하고 흡수된 가스를 손상과 함께 배출하면 후속하는 재시작은 어려워진다는 점에서 적정값 이상이 되므로, 성공적인 재시작의 확률을 감소시킬 수 있다. 스위칭 모드 파워 공급 유닛은 낮은 저장 에너지(수십 J 정도)를 갖고 있고, 소량 에너지가 처음에 필라멘트의 중요한 역할을 제거하는데 도움을 줄 수 있다는 점에서 최적에 가깝다. 예컨대, 마이크로파 생성기 유닛은 100, 80, 60, 40 혹은 20 J 미만의 에너지 및/또는 2, 4, 6 혹은 8 J 이상의 에너지, 및/또는 이들 상한 및 하한의 조합을 저장하고 있는 파워 공급 유닛을 포함할 수 있다.
밸러스트 저항은 또한 바람직할 수도 있다. 저항 값을 적절하게 낮추도록, 즉 파워 공급 유닛으로부터의 전압의 10% 만큼 낮추도록 선택함으로써, 단락(아크)이 발생하는 경우에, 대부분의 에너지가 저항에 모인다. 에너지를 우회시키기 위해서 '지렛대' 회로(예컨대, 이그나이트론)가 사용될 수도 있다. 이그나이트론은 큰 전류/전압을 빠르게 스위칭할 수 있는 수은 기반 진공관 장치이다. 이그나이트론은 전자관과 병렬로 구성될 수 있고, 아크가 발생하면 이그나이트론은 스위칭 온되고 대부분의 에너지는 필라멘트를 지나지 않고 이를 통해서 접지로 폐기된다. 선형 발전기에서의 고전압 스위치에 3극관/4극관 등이 사용될 수 있다. 이는 SMPSU보다 더 빠르게 동작하고, 밸러스트 저항과 조합되면 수 마이크로초 정도의 아크 회복 시간을 나타낸다. 이와 같이, 마이크로파 생성기 유닛은 오류가 검출되었을 때 저장된 에너지를 우회시키는 이러한 회로를 포함할 수 있다. 즉, 스위칭 파워 공급부에서, 어느 지점에 저장된 에너지의 양은 선형 파워 공급부보다 훨씬 낮으며, 에너지의 방향을 바꿀 스위치가 필요없다. 실제로, 필라멘트에 대한 더 영구적인 데미지를 가하는 일 없이 중요한 역할을 작게 감소시키는데 도움을 주기 때문에 소량의 에너지는 바람직하다는 것을 알았다.
본 발명을 특정하게 도시했으며 실시예를 참조해서 설명했지만, 당업자라면 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 형태 및 세부 사항에 다양한 변경이 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명을 CVD 다이아몬드 합성과 관련해서 설명했지만, 마이크로파 생성기 시스템이 고 파워의 마이크로파, 긴 처리 시간을 요구하고, CVD 처리의 불안정성 및/또는 중단에 민감한 다른 CVD 처리에서도 사용되는 것이 상정될 수 있다.

Claims (19)

  1. 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD)시스템에서 사용하는 마이크로파 생성기 시스템으로서,
    화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 동작 파워 출력으로 마이크로파를 생성하도록 구성된 마이크로파 생성기 유닛과,
    상기 동작 파워 출력의 감소 혹은 주파수 변경을 유발하는 마이크로파 생성기의 오류를 검출하도록 구성된 오류 검출 시스템 - 상기 오류 검출 시스템은 튜브 아킹 오류와 π-1 오실레이션 모드 오류 중 적어도 하나를 검출하도록 구성됨 - 과,
    오류가 검출된 것에 응답해서 마이크로파 생성기 유닛을 재시작하고, 상기 동작 파워 출력의 감소 혹은 상기 주파수 변경을 유발한 상기 마이크로파 생성기 유닛의 상기 오류 이후에 10초 미만의 시간 이내에 상기 동작 파워 출력 혹은 상기 주파수를 복구하도록 구성된 재시작 시스템
    을 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 1kW, 2kW, 3kW 혹은 4kW 이상 및 100kW, 80kW, 60kW 혹은 40kW 미만의 동작 파워 출력을 생성하도록 구성되는
    마이크로파 생성기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 전자관을 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 직류 스위치-모드 파워 공급 유닛을 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 100, 80, 60, 40 혹은 20 J(Joules) 미만의 에너지를 저장하는 파워 공급 유닛을 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 선형 파워 공급 유닛을 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 유닛은 오류가 검출되었을 때 저장된 에너지를 우회시키는 회로를 포함하는
    마이크로파 생성기 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브 아킹 오류는 양극 전류 스파이크에 의해 검출되는
    마이크로파 생성기 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 π-1 오실레이션 모드 오류는,
    상기 π-1 오실레이션 모드의 주파수로 튜닝된 안테나,
    기본(fundamental) π 모드의 주파수로 튜닝된 안테나,
    음극 전압이 음극 전압 임계값 이상으로 상승한 것의 검출,
    양극 전압이 양극 전압 임계값 미만으로 감소된 것의 검출, 및
    양극 전류에 대한 음극 전압의 비율이 임계값 이상으로 상승한 것의 검출
    중 적어도 하나에 의해 검출되는
    마이크로파 생성기 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 재시작 시스템이 상기 오류가 검출된 것에 응답해서 상기 마이크로파 생성기 유닛을 재시작하고 상기 동작 파워 출력을 복구하는 상기 시간은 8초, 6초, 4초, 2초 혹은 1초 미만인
    마이크로파 생성기 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 재시작 시스템은,
    상기 마이크로파 생성기 유닛 내의 필라멘트 전류를 표준 동작 필라멘트 전류값 이상으로 증가시켜서 상기 마이크로파 생성기 유닛의 상기 필라멘트를 가열하는 단계와,
    양극-음극 전압을 표준 동작 레벨로 램핑하는 단계와,
    상기 필라멘트 전류를 표준 동작 필라멘트 전류값으로 감소시켜서 사전 정의된 시간 이내에 표준 동작 상태로 복귀시키는 단계
    를 차례로 구현함으로써 튜브 아킹 오류에 응답하도록 구성되는
    마이크로파 생성기 시스템.
  13. 화학 기상 증착 처리를 통해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하기에 적합한 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템으로서,
    청구항 1에 개시된 마이크로파 생성기 시스템과,
    공진 공동부를 정의하는 플라즈마 챔버와,
    상기 마이크로파 생성기 시스템으로부터 상기 플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 연결 구성부와,
    처리 가스를 상기 플라즈마 챔버로 공급하고 상기 플라즈마 챔버로부터 처리 가스를 제거하는 가스 흐름 시스템과,
    상기 플라즈마 챔버 내에 배치되어서 합성 다이아몬드 물질이 성장되는 기판을 지지하는 기판 장착부
    를 포함하는 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 마이크로파 생성기 시스템은 적어도 2개의 플라즈마 챔버에 연결되는
    마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템.
  15. 화학 기상 증착 처리를 사용해서 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법으로서,
    청구항 13에 개시된 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착 시스템을 제공하는 단계와,
    상기 기판 장착부 상에 기판을 위치시키는 단계와,
    상기 플라즈마 챔버로 마이크로파를 공급하는 단계와,
    상기 플라즈마 챔버로 처리 가스를 공급하는 단계와,
    상기 기판 상에 합성 다이아몬드 물질을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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