KR20130102637A - 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기 - Google Patents

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

플라즈마 챔버; 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버에 배치되는 기재 홀더; 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부; 및 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기로서, 이 때 상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부가 하나 또는 수 개의 구역으로 형성되는 환상 유전 윈도우; 마이크로파를 환상 유전 윈도우에 공급하기 위한, 중심 내부 도관 및 외부 도관을 갖는 동축 도파관; 및 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암(arm)을 갖는, 환 형태로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파관 플레이트를 포함하고; 상기 구멍이 각각 마이크로파를 플라즈마 챔버를 향해 연결시키기 위한 도파관을 형성하는, 마이크로파 플라즈마 반응기.

Description

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기{A MICROWAVE PLASMA REACTOR FOR MANUFACTURING SYNTHETIC DIAMOND MATERIAL}
본 발명은 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
현재 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 화학적 증착(CVD) 공정은 당 업계에 널리 공지되어 있다. 다이아몬드 물질의 화학적 증착에 관한 유용한 배경 정보는 다이아몬드 관련 기술에 제공되는 문헌[Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009)]의 특별판에서 찾아볼 수 있다. 예를 들어 발머(R.S. Balmer) 등의 개관 논문은 CVD 다이아몬드 물질, 기법 및 용도에 대한 포괄적인 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 준안정성인 영역에서는, CVD 조건 하에서의 다이아몬드의 합성이 벌크 열역학에 의해서가 아니라 표면 동역학에 의해 이루어진다. CVD에 의한 다이아몬드 합성은 통상 과량의 분자 수소의 존재하에서 전형적으로 메테인 형태(다른 탄소 함유 기체를 사용할 수 있기는 함)의 탄소 소량(전형적으로는 5% 미만)을 사용하여 수행된다. 분자 수소가 2000K보다 높게 가열되면, 원자 수소로 상당히 해리된다. 적합한 기재 물질이 존재하면, 다이아몬드가 침착될 수 있다.
원자 수소는 다이아몬드 성장이 이루어질 수 있도록 기재로부터 비-다이아몬드 탄소를 선택적으로 에칭해내기 때문에 공정에 필수적이다. CVD 다이아몬드 성장에 필요한 반응성 탄소 함유 라디칼 및 원자 수소를 생성시키기 위하여 탄소 함유 기체 물질 및 분자 수소를 가열하는데 아크-제트(arc-jet), 고온 필라멘트, DC 아크, 옥시-아세틸렌 화염 및 마이크로파 플라즈마를 비롯한 다양한 방법을 이용할 수 있다.
DC 아크 플라즈마 같은 전극을 포함하는 방법은 전극 침식 및 물질의 다이아몬드로의 혼입 때문에 단점을 가질 수 있다. 연소 방법은 전극 침식 문제를 피하지만, 고품질 다이아몬드 성장에 일치되는 수준까지 정제되어야 하는 비교적 값비싼 공급 기체(feed gas)에 의존한다. 또한, 심지어 옥시-아세틸렌 혼합물을 연소시키는 경우에도 화염의 온도가 기체 스트림중 원자 수소의 상당한 분율을 달성하기에 불충분하고, 이 방법은 합당한 성장 속도를 달성하기 위하여 편재된 구역에서 기체 유동을 집중시키는데 의존한다. 연소가 벌크 다이아몬드 성장에 폭넓게 이용되지 못하는 주된 이유는 아마도 얻어질 수 있는 에너지의 kWh 면에서의 비용이다. 전기에 비해, 고순도 아세틸렌 및 산소는 열을 발생시키기 위한 값비싼 방법이다. 고온 필라멘트 반응기는 피상적으로 간단해 보이지만, 활성 물질을 형성하기 위한 해리가 한정되고 원자 수소의 한정된 양을 성장 표면으로 비교적 효과적으로 수송하는데 필요한 더 낮은 기압에서의 사용으로 제한된다는 단점을 갖는다.
상기에 비추어, 마이크로파 플라즈마가 동력 효율, 성장 속도, 성장 면적 및 수득될 수 있는 생성물의 순도의 조합 면에서 CVD 다이아몬드 침착을 수행하는 가장 효과적인 방법인 것으로 밝혀졌다.
마이크로파 플라즈마 활성화되는 CVD 다이아몬드 합성 시스템은 전형적으로 기제 기체(source gas)의 공급원 및 마이크로파 동력원 둘 다에 연결된 플라즈마 반응기 용기를 포함한다. 플라즈마 반응기 용기는 지속적인 마이크로파를 뒷받침하는 공명 강(resonance cavity)을 형성하도록 하는 형태를 갖는다. 탄소 공급원 및 분자 수소를 포함하는 기제 기체를 플라즈마 반응기 용기에 공급하고, 지속적인 마이크로파에 의해 활성화시켜 고전기장 영역에서 플라즈마를 형성시킬 수 있다. 플라즈마에 근접하게 적합한 기재를 제공하면, 반응성 탄소 함유 라디칼이 플라즈마로부터 기재로 확산되고 기재 위에 침착될 수 있다. 원자 수소도 또한 플라즈마로부터 기재로 확산되고 다이아몬드 성장이 이루어질 수 있도록 기재로부터 비-다이아몬드 탄소를 선택적으로 에칭해낼 수 있다.
화학적 증착(CVD) 공정을 통한 다이아몬드 필름 성장이 가능한 광범위한 마이크로파 플라즈마 반응기가 당 업계에 공지되어 있다. 이러한 반응기는 다수의 상이한 디자인을 갖는다. 공통적인 특징부는 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 배치되는 기재 홀더, 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파 발생기, 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버에 공급하기 위한 연결부(coupling configuration), 가공 기체(process gas)를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템, 및 기재 홀더 상의 기재의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템을 포함한다.
US 6645343 호[프라운호퍼(Fraunhofer)]는 화학적 증착 공정을 통한 다이아몬드 필름 성장을 위해 구성된 마이크로파 플라즈마 반응기의 예를 개시한다. 여기에 기재된 반응기는 플라즈마 챔버의 기부에 장착된 기재 홀더를 갖는 원통형 플라즈마 챔버를 포함한다. 가공 기체를 공급 및 제거하기 위하여 플라즈마 챔버의 기부에 기체 유입구 및 기체 유출구가 제공된다. 마이크로파 발생기는, 플라즈마 챔버 위의 전달 말단에서 분할되고 플라즈마 챔버의 상부 주변부 둘레에서 본질적으로 고리-형상인 마이크로파 윈도우(석영 고리의 형태)로 유도되는 고-주파수 동축 라인을 통해 플라즈마 챔버에 연결된다. US 6645343 호에 기재되어 있는 발명은 고리-형상의 마이크로파 윈도우에 초점을 맞추고 있으며, 반응기 챔버에서의 마이크로파의 연결이 마이크로파 윈도우의 전체 고리 표면에 걸쳐 회전 대칭 방식으로 분포되어 있다고 개시한다. 연결이 큰 표면에 걸쳐 분포되어 있기 때문에, 마이크로파 윈도우에서 높은 전기장 강도가 발생하지 않으면서, 따라서 윈도우 방전의 위험을 감소시키면서, 높은 마이크로파 동력 수준을 연결시킬 수 있다고 교시되어 있다.
본 발명자들은 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 US 6645343 호에 기재되어 있는 연결부에서 몇 가지 가능한 문제점을 발견하였다:
(i) 반응기 챔버에서 생성되는 고온 플라즈마로 인해 사용시 상부 하우징 구역이 과열되기 쉬울 수 있다. US 6645343 호에 기재된 설비는 상부 하우징 구역으로부터 폐 에너지를 추출해내는 문제를 해결하지 못한다. 조만간 이 벽은 매우 뜨거워져서 결국 환상 윈도우 밀봉부 및 환상 윈도우 자체를 망가지게 할 수 있다. 깔때기형 동축 라인이 챔버의 상부를 완전히 둘러싸서 기재된 설비의 챔버 상부에 어떻게 냉각제를 공급할 수 있을지 계획하기가 어렵다.
(ii) US 6645343 호는 가공 기체를 공급하기 위한 연결부가 기재 홀더를 마주볼 수 있고 기재 홀더를 향해 거의 중심으로 향할 수 있다는 가능성을 언급한다. 그러나, UR 6645343 호는 이 배열을 달성하는 어떠한 수단도 기재하지 않는다. 상기 기재된 바와 같이, 깔때기형 동축 라인이 챔버의 상부를 완전히 둘러싸고, 따라서 어떻게 가공 기체를 챔버의 상부에 중심쪽으로 공급하고 기재 홀더를 향하게 할 수 있는지를 구상하기가 어렵다. 유일한 가능성은 동축 공급장치의 중심 내부 도관을 통해 아래로 가공 기체를 공급함을 포함하는 것으로 보인다. US 6645343 호에 기재되어 있는 설비에서, 동축 공급장치의 내부 중심 도관은 마이크로파 발생기로부터의 직사각형 도파관의 상부 벽으로부터 깔때기형 전이 구역으로 연장된다. 가공 기체 및/또는 냉각제 같은 공급물이 플라즈마 챔버의 상부 하우징에 제공되어야 한다면, 이들은 상당한 거리에 걸쳐 내부 중심 도관 내의 비교적 제한된 통로에 함유되어야 한다.
(iii) US 6645343 호에 기재되어 있는 설비에서는, 동축 공급장치의 내부 중심 도관이 마이크로파 발생기로부터의 직사각형 도파관의 상부 벽으로부터 연장되어 전기적 접지점을 제공한다. 따라서, 도파관 전이는 접지된 내부 도관에 의해 작동되도록 디자인되어야 한다. 이 디자인에서 가능한 단점중 하나는 접지된 내부 도관과 직사각형 도파관의 단락 사이의 거리를 ½ 유도되는 파장으로 만들어야 한다는 조건이다. 정확하게 구성되지 않으면, 이는 챔버 내로의 동력 연결에 불리한 영향을 줄 수 있다. 동축 도파관의 내부 도관을 도파관 내에서 전기적으로 플로팅(floating)시키는 것은 많은 관점에서 직사각형 도파관으로부터 동축 도파관으로 동력을 전달하는 더 간단하고 더 편리한 방법이지만, 물 및 기체 같은 공급물이 도입될 수 있는 접지점을 상실하는 단점을 갖는다.
(iv) US 6645343 호에서는, 고리-형상의 마이크로파 윈도우가 상부 하우징 구역과 하부 하우징 구역 사이에서 반응기 챔버의 측벽의 일부를 형성한다. 이로써, 고리-형상의 마이크로파 윈도우가 위에 놓인 상부 하우징 구역에 의해 압축될 수 있고, 이는 마이크로파 윈도우에 손상을 초래할 수 있다. 뿐만 아니라, 고리-형상의 마이크로파 윈도우에서 상부 하우징 구역과 하부 하우징 구역 사이에서 용이하고 신뢰성있게 진공 밀봉부를 형성하기가 어려울 수 있다. 이 문제점을 해결하기 위하여, US 6645343 호에 기재되어 있는 설비를 변형시켜, 접지된 내부 도관이 기계적 고정점(이를 통해 장력을 가하여, 외부에 비해 강 내부의 감압에 의해 야기되는 대향 압력에 저항할 수 있음)을 제공하는 추가적인 기능을 갖도록 할 수 있다. 효과적인 밀봉부를 획득하는데 도움을 주기 위하여, 환상 윈도우 및 그의 밀봉부에 일관된 힘을 유지시키는 장력 발생 설비를 사용할 수 있다. 그러나 이 설비는 복잡함을 가중시킨다. 뿐만 아니라, 플로팅 내부 도관을 사용하고자 하는 경우에는 기계적인 연결이 불가능하여 대안을 찾아야 한다.
(v) US 6645343 호에서는, 플라즈마 챔버의 측벽의 일부를 형성하는 고리-형상의 마이크로파 윈도우로 마이크로파를 유도하기 위한 복잡한 깔때기-형 동축 라인을 기재한다. 다수의 전이부를 갖는 이러한 복잡한 도파관 구조는 최적의 동력 처리 및 마이크로파의 플라즈마 챔버로의 효율적인 연결에 바람직한 것으로 생각되지 않는다.
본 발명의 특정 실시양태의 목적은 이들 문제점중 하나 이상을 해결하는 것이다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라, 플라즈마 챔버; 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버에 배치되는 기재 홀더; 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부; 및 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기가 제공되는데, 이 때 상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부는 하나 또는 수 개의 구역으로 형성되는 환상 유전 윈도우; 마이크로파를 환상 유전 윈도우에 공급하기 위한, 중심 내부 도관 및 외부 도관을 갖는 동축 도파관; 및 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암(arm)을 갖는, 환 형태로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파관 플레이트를 포함하고; 상기 구멍은 각각 마이크로파를 플라즈마 챔버를 향해 연결시키기 위한 도파관을 형성한다.
본 발명의 다른 실시양태에 따라, 상기 기재된 마이크로파 플라즈마 반응기를 제공하고; 기재 홀더 상에 기재를 위치시키고; 마이크로파를 플라즈마 챔버에 공급한 다음; 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고; 기재 상에 합성 다이아몬드 물질 층을 형성시킴을 포함하는, 화학적 증착 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명을 더욱 잘 이해하고 본 발명을 효과적으로 수행할 수 있는 방법을 알려주기 위하여, 이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시양태를 예로서 기재한다.
도 1은 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 침착시키도록 구성된 마이크로파 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마 반응기에 사용하기 위한 도파관 플레이트의 평면도이다.
도 3은 도파관 플레이트의 사시도이다.
도 4는 마이크로파 플라즈마 반응기 내로 삽입하기 위하여 도파관 플레이트와 환상 유전 윈도우를 조립할 수 있는 방식의 예를 도시한다.
도 5는 도파관 플레이트와 환상 유전 윈도우를 반응기에 장착할 수 있는 방법의 예를 도시하는, 마이크로파 플라즈마 반응기의 단면도이다.
본 발명자들은 환상 유전 윈도를 통해 CVD 다이아몬드 성장을 위한 플라즈마 챔버 내로 마이크로파 동력을 연결시키는 것이 유리할 수 있다는 종래 기술의 교시내용에 동의한다. 그러나, 배경 기술 부분에서 기재한 바와 같이, 이러한 배열을 제공하는데 따른 한 가지 문제점은 환상 유전 윈도우를 통해 마이크로파를 연결하는데 필요한 동축 도파관 구조체가 플라즈마 챔버의 벽 부분을 둘러싸서 냉각제 및/또는 가공 기체를 이 벽 부분으로 제공하고/하거나 동축 도파관의 중심 내부 도관에 기계적 지지를 제공하기가 어려워진다는 것이다.
이 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 새로운 마이크로파 연결부를 디자인하였다. 신규 마이크로파 연결부는 환 형태로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파관 플레이트를 포함하고, 각각의 구멍은 동축 도파관으로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버를 향해 연결시키기 위한 도파관을 형성한다. 도파관 플레이트는 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암을 추가로 포함한다. 복수개의 암은 냉각제 및/또는 가공 기체를 공급하기 위한 하나 이상의 채널을 한정할 수 있다. 다르게는, 또는 추가적으로, 복수개의 암은 축방향 중심 영역에 배치된 구성요소에 기계적 지지를 제공할 수 있다.
이 구성은, 또한 도파관 구조체에 의해 둘러싸인 플라즈마 챔버의 영역에 냉각제 및/또는 가공 기체를 제공하도록 하면서, 마이크로파 동력이 환상 유전 윈도우를 통해 플라즈마 챔버 내로 연결되도록 하기 때문에, 유리한 것으로 밝혀졌다. 이로써, 이 설비는 배경 기술 부분에 기재된 문제(i) 및 (ii)를 해결한다.
상기에 덧붙여, 동축 도파관의 중심 도관을 지지하도록 도파관 플레이트를 구성할 수 있다. 따라서, 중심 도관은 마이크로파 발생기로부터의 직사각형 도파관의 상부 벽에 접지되어야 할 필요가 없는 전기적인 플로팅 기둥으로서 형성될 수 있다. 배경 기술 부분에 기재된 바와 같이, 도파관에서 전기적으로 플로팅인 내부 도관은 많은 관점에서 동력을 직사각형 도파관으로부터 동축 도파관으로 전달하는 더 간단하고 더 편리한 방법이다. 종래 기술의 설비에서, 이는 냉각제 물 및 가공 기체 같은 공급물을 도입할 수 있는 접지점을 상실하는 단점을 가지지만, 본 발명의 특정 실시양태는 도파관 플레이트 내의 채널을 통해 이러한 공급물을 공급하는 훨씬 더 편리한 다른 경로를 제공한다. 이로써, 이 설비는 배경 기술 부분에 기재된 문제(iii)을 해결한다.
뿐만 아니라, 도파관 플레이트는 플라즈마 챔버의 상부와 하부를 함께 연결하고 동축 도파관의 중심 도관을 통한 기계적 고정점을 사용하지 않고도 사용시 환상 유전 윈도우에 큰 압축 응력이 가해지는 것을 피하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 환상 유전 윈도우는 2개의 대향 표면(이를 통해 마이크로파가 플라즈마 챔버 내로 연결됨)을 포함할 수 있고, 상기 두 대향 표면 상에 밀봉부를 제공할 수 있다. 이는 플라즈마 챔버의 상부와 하부 사이에, 또한 유전 윈도우에, 신뢰할만한 밀봉부가 생성될 수 있도록 한다. 이로써, 이 설비는 배경 기술 부분에 기재된 문제(iv)를 해결한다.
마지막으로, 복수개의 구멍은 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행한 방향으로 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 연결하도록 구성될 수 있다. 이는 US 6645343 호에 기재된 설비와 비교할 때 더 간단한 동축 도파관 구조체를 가능케 한다. 이로써, 이 설비는 배경 기술 부분에 기재된 문제(v)를 해결한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 한 실시양태를 도시한다. 마이크로파 플라즈마 반응기는 하기 기본적인 구성요소를 포함한다: 플라즈마 챔버(2); 기재(6)를 유지시키기 위해 플라즈마 챔버 내에 배치된 기재 홀더(4); 플라즈마 챔버(2) 내에 플라즈마(10)를 생성시키기 위한 마이크로파 발생기(8); 마이크로파 발생기(8)로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버(2) 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부(12); 및 가공 기체를 플라즈마 챔버(2) 내로 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유입구(13) 및 기체 유출구(16)를 포함하는 기체 유동 시스템.
또한, 도 1에 도시된 마이크로파 플라즈마 반응기가 플라즈마 챔버 내에 배치된 별도의 기재 홀더를 갖지만, 기재 홀더가 플라즈마 챔버의 기부에 의해 형성될 수 있음에 주의해야 한다. 용어 "기재 홀더"의 사용은 이러한 변화를 포괄하고자 한다. 또한, 기재 홀더는 기재와 동일한 직경을 갖거나(도시된 바와 같이) 그보다 더 큰 편평한 지지 표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재 홀더는 챔버 기부 또는 챔버 기부 위에 배치된 별도의 구성요소에 의해 형성되는 큰 편평한 표면을 형성할 수 있고, 기재는 편평한 지지 표면의 중심 영역 위에 조심스럽게 위치될 수 있다. 하나의 배열에서, 편평한 지지 표면은 추가적인 요소, 예를 들어 돌출부 또는 홈을 가져서 기재를 정렬 및 임의적으로 유지시킬 수 있다. 다르게는, 기재 홀더가 단순히 기재가 배치되는 편평한 지지 표면을 제공하도록, 이러한 추가적인 요소를 제공하지 않을 수 있다.
마이크로파 연결부(12)는 직사각형 도파관(16)으로부터의 마이크로파를 환상 유전 윈도우(18)에 공급하도록 구성된 동축 도파관(14)을 포함한다. 동축 도파관(14)은 내부 도관(20) 및 외부 도관(22)을 포함한다. 내부 도관(20)은 도시된 실시양태에서 직사각형 도파관(16)의 상부 벽에 부착되기보다는 직사각형 도파관(16)과 동축 도파관(14) 사이의 전이 영역에서 도파관 내에서 종결되는 플로팅 기둥이다.
환상 유전 윈도우(18)는 석영 같은 마이크로파 투과성 물질로 제조된다. 이는 플라즈마 챔버(2)의 상부에서 진공-기밀 환상 윈도우를 형성한다. 마이크로파 발생기(8)와 마이크로파 연결부(12)는 적합한 파장의 마이크로파를 발생시키고 마이크로파를 플라즈마 챔버(2) 내로 유도 연결하여 사용시 기재(6) 바로 위에 위치하는 고에너지 배(anti-node)를 갖는 플라즈마 챔버(20) 내의 지속적인 파를 생성시키도록 구성된다.
마이크로파 연결부(12)는 도파관 플레이트(24) 및 냉각제 및/또는 가공 기체를 공급하기 위한 공급 채널(26)을 추가로 포함한다. 도파관 플레이트는 도 2 및 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 이는 환 형태로 배치된 복수개의 구멍(28)을 포함하고, 각각의 구멍(28)은 마이크로파를 동축 도파관으로부터 플라즈마 챔버 내로 연결하기 위한 도파관을 형성한다. 도파관 플레이트는 또한 냉각제 및/또는 가공 기체를 외부 주위 영역으로부터 내부 축 영역으로 공급하기 적합한, 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 채널(26)도 포함한다. 금속 물질의 덩어리 하나를 가공함으로써 도파관 플레이트를 제조할 수 있다. 다르게는, 함께 연결될 수 있는 다수개의 구성요소로부터 도파관 플레이트를 제조할 수 있다. 예를 들어, 복수개의 구멍이 배치되는 바깥쪽 부위에 연결될 수 있는 별도의 구성요소로 도파관 플레이트의 중심 부위를 제조할 수 있다.
도파관 플레이트가 그의 중심 부위에 구멍을 포함하지 않음을 알 수 있다. 챔버의 상부 구석 근처의 플라즈마 챔버의 주변 영역에서 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 유도 연결하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 또한, 도파관 플레이트의 중심 부위가 마이크로파 도파관 구멍을 갖지 않은 채로 유지되면 사용시 기재를 향해 가공 기체를 주입하기 위하여 기재에 대향하는 중심 부위에 하나 이상의 기체 유입 노즐을 제공하기에 더 많은 공간을 이용할 수 있다. 구멍의 환 형태의 바람직한 내경은 반응기의 작동 주파수에 따라 달라진다. 400MHz 내지 500MHz의 마이크로파 주파수(f)의 경우, 구멍의 환 형태는 500mm, 600mm 또는 700mm 이상의 내경을 가질 수 있다. 800MHz 내지 1000MHz의 마이크로파 주파수(f)의 경우, 구멍의 환 형태는 250mm, 300mm 또는 400mm 이상의 내경을 가질 수 있다. 2300MHz 내지 2600MHz의 마이크로파 주파수(f)의 경우, 구멍의 환 형태는 90mm, 110mm 또는 130mm 이상의 내경을 가질 수 있다.
또한, 환 형태의 원주중 대부분이 구멍 사이에 배치되는 암보다는 구멍에 의해 형성되는 것이 유리하다. 암은 유리하게는 도파관 플레이트의 중심 부위에 지지를 제공하고 가공 기체 및/또는 냉각제 채널이 구멍 사이로 통과하도록 할 정도로만 충분히 크다. 예를 들어, 구멍은 구멍의 환 형태의 360° 원주 중에서 250°, 290°, 310° 또는 330°를 차지할 수 있다. 350°의 상한이 적용될 수 있으나, 그렇지 않으면 암이 너무 좁아서 기계적 지지를 제공할 수 없고 가공 기체 및/또는 냉각제 채널이 구멍 사이로 통과하도록 하기에는 암이 너무 좁다.
도 4는 마이크로파 플라즈마 반응기 내로 삽입하기 위하여 도파관 플레이트와 환상 유전 윈도우를 조립하는 방식의 예를 도시한다. 도파관 플레이트의 구멍(28)이 환상 유전 윈도우(18)와 정렬되도록 환상 유전 윈도우(18)를 도파관 플레이트(24)에 인접하게 배치한다.
도 5는 도파관 플레이트와 환상 유전 윈도우를 반응기에 장착할 수 있는 방법의 예를 도시하는 마이크로파 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 5의 상응하는 부분에 대하여 도 1에 사용된 것과 동일한 인용 숫자를 사용하였다. 도 5는 도파관 플레이트와 환상 유전 윈도우에 적합한 장착 배치에 중점을 두고자 하기 때문에, 명료하게 하기 위하여 반응기의 구성요소중 일부가 도 5에 도시되지 않는다.
도시된 배열에서, 도파관 플레이트의 외부 주변부(34)는 동축 도파관(14)의 외부 도관(22)과 플라즈마 챔버의 측벽 사이에 배치된다. 환상 유전 윈도우(18)의 외부 주변부는 도파관 플레이트와 플라즈마 챔버의 측벽 사이에 배치된다. 환상 유전 윈도우(18)의 안쪽 부위는 도파관 플레이트의 안쪽 부위(36)와 추가적인 플레이트(38) 사이에 유지된다. 도파관 플레이트의 구멍(28)은 환상 유전 윈도우(18)와 정렬되고, 냉각제 및/또는 가공 기체를 공급하기 위한 채널은 구멍 사이에서 도파관 플레이트의 안쪽 부위(36) 내로 통과한다. 환상 유전 윈도우(18)는 탄성중합체 o-링(32)을 사용하여 도파관 플레이트에 장착될 수 있다. 이 배열에서, 추가적인 플레이트(38)는 유전 윈도우(18)의 일부가 배치된 도파관 플레이트(24)에 부착되고, 탄성중합체 o-링(32)을 통해 이들 사이에 유지될 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 도파관 플레이트는 몇 가지 유리한 기능을 충족시킨다:
(i) 이는 냉각제 및/또는 가공 기체의 주입을 허용한다;
(ii) 이는 플로팅 중심 동축 도관을 지지한다;
(iii) 이는 플라즈마 챔버의 상부와 하부 사이에서 연결을 형성한다;
(iv) 이는 동축 도파관으로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급한다;
(v) 이는 환상 유전 윈도우를 지지한다.
이들 유리한 특징중 하나 이상을 충족시키는 다른 배열을 계획할 수 있다. 예를 들면, 앞서 기재된 배열에서, 도파관 플레이트는 환상 유전 윈도우에 인접하게 위치한다. 또한, 도파관 플레이트는 동축 도파관과 환상 유전 윈도우 사이에 위치된다. 그러나, 다른 배열에서는, 환상 유전 윈도우가 동축 도파관과 도파관 플레이트 사이에 장착될 수 있다. 또 다른 가능성은 유전 윈도우의 구획을 나누고, 각 구획을 도파관 플레이트 내의 상응하는 구멍에 장착하는 것이다. 다르게는 또한, 2개의 도파관 플레이트를 제공하고 그 사이에 유전 윈도우를 끼울 수 있다. 또 다른 가능성은 도파관 플레이트를 추가로 동축 도파관 위에 위치시켜 환상 윈도우로부터 이격되도록 하는 것이다. 이러한 배열에서, 도파관 플레이트는 동축 라인 내에 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 고리를 형성할 수 있다.
도시된 실시양태에서, 도파관 플레이트의 복수개의 구멍은 마이크로파를 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행한 방향으로 플라즈마 챔버 내로 연결시키도록 구성된다. 이 배열에서, 도파관 플레이트는 플라즈마 챔버의 중심 축에 수직인 평면에 배치되고, 플라즈마 챔버의 상부 벽의 일부를 형성한다. 그러나, 도파관 플레이트는 US 6645343 호에 개시된 배열의 변형된 형태에서 마이크로파를 플라즈마 챔버의 측벽 내로 연결시키는 동축 도파관 내에 위치할 수 있다. 그렇기는 하지만, 마이크로파를 챔버의 축에 평행한 방향으로 플라즈마 챔버 내로 연결하는 것이 더욱 효율적이고 더 복잡한 동축 공급부를 필요로 하지 않기 때문에, 이러한 대안은 저급한 해결책인 것으로 생각된다. 이로써, 냉각제 및/또는 가공 기체용 채널이 도파관 플레이트에 제공되지 않고/않거나 플로팅 기둥이 제공되지 않는다 하더라도, 본 발명에 따른 도파관 플레이트는 마이크로파를 효율적이고 간단한 방식으로 플라즈마 챔버 내로 연결하는데 여전히 유리하다.
복수개의 구멍은 바람직하게는 주기적인 회전 대칭을 갖도록 구성된다. 예를 들어, n개의 구멍이 제공되는 경우, 구멍은 n배 회전 대칭을 갖는 원 주위에 대칭적으로 구성된다. 대칭 배열은 구멍의 비대칭의 결과로서 형성되는 플라즈마 챔버 내의 전기장의 비대칭을 피하는데 바람직하다. 그렇기는 하지만, 기재의 성장 표면 위의 플라즈마 형성 영역에서 전기장의 균일성에 과도하게 영향을 끼치지 않으면서 구멍 구성에 작은 비대칭을 도입할 수 있거나 또는 다르게는 예컨대 본원에서 이후 논의되는 모드 삭제 블록을 이용하여 구멍의 불균일성을 상쇄시킬 수 있는 것으로 생각된다.
앞서 기재된 환상 유전 윈도우는 유전성 물질의 하나의 완벽한 고리로 이루어진다. 그러나, 다른 배열에서는 복수개의 별도의 아치형 구역으로 환상 유전 윈도우를 형성할 수 있으며, 이들 각각의 구역은 도파관 플레이트의 상응하는 구멍을 가로질러 밀봉된다.
앞서 기재된 배열에서, 도파관 플레이트는 동축 도파관의 외부 도관과 플라즈마 챔버의 외벽 사이에 배치되는 바깥쪽 주변부를 포함한다. 또한, 도파관 플레이트는 플라즈마 챔버를 가로질러 연장되는 중심 부위를 포함한다. 도파관 플레이트의 중심 부위는 기재 홀더가 재치되는 말단에 대향하는 말단에서 플라즈마 챔버를 가로질러 연장되고, 내부 도관은 도파관 플레이트의 중심 부위에 의해 지지되는 플로팅 도관을 형성한다. 그러나, 여전히 냉각제 및/또는 가공 기체를 중심 동축 도관 아래로 공급해야 할 필요를 피하면서 접지된 내부 도관과 함께 도파관 플레이트를 사용할 수 있는 것으로 생각된다.
하나의 구성에서, 도파관 플레이트에서 구멍 사이에서 연장되는 하나 이상의 채널은 기재 홀더를 향해 가공 기체를 주입하기 위하여 기재 홀더에 대향하여 배열되는 하나 이상의 주입 포트에 가공 기체를 공급하도록 구성되는 하나 이상의 채널을 포함한다. 이 구성은 마이크로파 연결부와 동일한 챔버 말단에 축방향 기체 유동 설비가 배치되도록 한다. 다르게는, 마이크로파 연결부는 기재 홀더와 동일한 플라즈마 챔버 말단에 배치될 수 있다.
도파관 플레이트의 중심 부위는 기재 홀더에 대향하여 배치되는 전도성 표면을 지지할 수 있다. 전도성 표면은 도파관 플레이트에 의해 형성될 수 있거나, 또는 도파관 플레이트의 중심 부위에 연결된 별도의 금속 본체에 의해 형성될 수 있다. 가공 기체를 기재 홀더를 향해 주입하기 위하여 하나 이상의 기체 유입 노즐을 전도성 표면에 배치할 수 있다. 한 구성에서, 전도성 표면은 구부러지고 플라즈마 챔버의 중심 영역을 향해 연장된다. 예를 들어, 전도성 표면은 원뿔-형상의 본체를 형성할 수 있다. 이러한 전도성 표면은 플라즈마 챔버의 상부 영역에서 플라즈마가 형성되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있기 때문에 유용하다. 효과적으로, 전도성 표면은 사용시 고전기장 영역을 마스킹할 수 있다. 그렇기는 하지만, 전도성 표면은 플라즈마 챔버의 중심 영역을 향해 연장되는 전도성 표면을 포함하지 않는 상응하는 챔버에 존재하는 고전기장의 배 영역을 둘러싸도록 위치될 수 있다.
전도성 표면은 균일한 곡률의 뾰족한 원뿔 또는 임의의 중간 원뿔 구조의 용기를 형성할 수 있다. 하나의 바람직한 배열에서, 전도성 표면은 원뿔형 표면이다. 원뿔형 표면은 가장 바람직하게는 둥글려진 첨단(tip)을 가질 수 있다. 원뿔형 표면은 강의 공명 모드의 전기장 벡터에 대략 수직이도록 구성됨으로써 공명 강 내로의 원뿔형 본체의 도입의 결과로서 전기장에서의 혼란을 최소화시킬 수 있다. 상부의 고전기장 배의 영역에 전기장에 수직인 전도성 금속 표면을 위치시켜 상부의 고전기장 영역을 효과적으로 제거함으로써 챔버의 하부에서 기본 전기장 프고파일에 과도하게 영향을 끼치지 않으면서 고전기장 배를 제거할 수 있다. 챔버의 공명 주파수는 과도하게 변화되어서는 안되지만, 표면적이 증가함에 따라 사이클당 소실되는 에너지는 동일하게 유지되거나 약간 증가하면서 강에서의 저장된 에너지의 감소로 인해 챔버의 Q 계수가 감소된다.
원뿔형 전도성 표면은 플라즈마 챔버의 ¼ 파장까지 연장될 수 있다. 마이크로파가 챔버 내로 연결되는 챔버의 구동되는 말단에 원뿔형 전도성 표면을 위치시키면 반사된 파의 상이 전도성 표면에 대해 수정된다. 본 발명의 실시양태에 따른 도파관 플레이트는 원뿔형 전도성 부재가 챔버의 구동되는 말단에서 중심 영역에 편리하게 지지되도록 하며, 마이크로파는 도파관 플레이트의 구멍을 통해 원뿔형 전도성 부재의 주변 영역 둘레에서 챔버 내로 연결된다. 다른 가능성은 원뿔형 전도성 표면을 구동되지 않는 말단(즉, 마이크로파가 챔버 내로 연결되지 않는 챔버의 말단)에 위치시켜, 환상 유전 윈도우가 기재 둘레에 위치되는 배열을 생성시키는 것이다(이 배열이 유전 윈도우의 손상을 초래할 수 있기는 하지만). 원뿔형 전도성 표면 및 환상 유전 윈도우를 플라즈마 챔버의 동일한 말단에 위치시키는 이점중 하나는 원뿔형 전도성 표면이 플라즈마 챔버의 환상 오목부를 형성할 수 있고, 환상 유전 윈도우가 상기 오목부에 배치될 수 있다는 것이다. 이 배열은 사용시 환상 유전 윈도우를 보호하는데 도움을 준다.
도파관 플레이트는 2, 3, 4, 5, 6, 7개 이상의 구멍을 포함할 수 있다. 변화하는 수의 구멍은 마이크로파가 플라즈마 챔버 내로 연결되는 효율에 영향을 줄 수 있는 것으로 밝혀졌다. 특정 배열에 따라, 도파관 플레이트는 홀수개의 구멍, 더욱 바람직하게는 소수개의 구멍을 포함한다. 예를 들어, 도파관 플레이트는 3, 5, 또는 7개의 구멍을 포함할 수 있다.
각 구멍은 실제로 직사각형 도파관에 상응한다. 3-통로(three way) 구멍이 구멍의 길이를 최대화하는데 도움을 줄 수 있다. 4 또는 6-통로 대안은 둘 다 모드 안정성의 관점에서 부족한 것으로 밝혀졌다. 수 개의 구멍의 존재에도 불구하고, 동력은 주로 TM0mn 모드에서 강 내로 연결될 수 있다. 높은 차수의 모드, 즉 TMlmn(상기 식에서, l은 0이 아님)의 발생 형태에서 보여지는 구멍의 대칭으로부터의 효과가 있다. 따라서, 세 개의 구멍이 모두 상에서 여기되는 3-통로 구멍은 TM3mn 모드 씨리즈로 연결되는 반면, 4 및 6-통로 구멍은 훨씬 더 높은 차수의 TM8mn 및 TM12mn 모드로 연결될 것으로 예측된다. 그러나, 실제로, 4 및 6-통로 구멍은 와류 모드이기 쉽다. 그러므로, 4 또는 6-통로 구멍은 TM2mn 모드로 연결될 수 있다. 전체적인 효과는 4 및 6-통로 구멍이 플라즈마에서 비대칭을 생성시켜 플라즈마를 중심으로부터 이동시키거나 2개 통로로 분할할 수 있다. 3-통로 구멍은 안정한 3-통로 잡아당김 효과를 제공하는데, 이는 다른 구성에서 발생되는 더욱 격심한 1-통로 및 2-통로 분리 모드보다 더 바람직하다. 국부적인 전기장에 대한 혼란(이는 구멍에 의해 생성되는 3-통로 모드의 전기장을 상쇄시키고자 함)을 생성시키는 기본적인 금속 본체인 모드 상쇄 블록을 사용하여 불안정성을 처리할 수 있다. 이들 금속 블록의 위치는 실험적으로 확정할 수 있다. 이들을 높은 벽 전류 영역(즉, H 장이 높은 곳)에 위치시킴으로써, 블록을 사용하여 원치 않는 모드를 붕괴시킬 수 있다. 이로써, 한 설비에서는, 복수개의 모드 상쇄 블록을 플라즈마 챔버의 내벽, 예를 들어 챔버의 측벽 또는 기부에 배치시키고, 모드 상쇄 블록은 복수개의 구멍에 의해 야기되는 전자기적 혼란을 상쇄시키도록 구성된다. 모드 상쇄 블록은 구멍 형태에 대칭적으로 관련되도록 이격된다. 예를 들어, 모드 상쇄 블록의 수는 도파관 플레이트에 제공된 구멍의 수와 같을 수 있고, 모드 상쇄 블록은 구멍 배열에 상응하는 대칭성을 갖도록 위치된다. 예를 들어, 3개의 구멍이 도파관 플레이트에 제공되면, 3개의 모드 상쇄 블록이 플라즈마 챔버의 하부의 플라즈마 챔버 벽 둘레에 장착되고 대칭적으로 배열되어 구멍에 의해 야기되는 전기장의 혼란을 없앨 수 있다. 다르게는, 모드 상쇄 블록의 수는 구멍 형태에 대칭적으로 관련되도록 배열되면서 구멍 수의 정수 배수일 수 있다. 모드 상쇄 블록은 플라즈마 챔버의 내벽에 접착될 수 있거나, 또는 플라즈마 챔버의 벽에 의해 일체형으로 생성될 수 있다. 3-통로 구멍에 대한 다른 가능한 대안은 5 또는 7-통로 구멍을 사용하는 것이다. 이들은 소수이기 때문에, 더 낮은 차수의 2-통로 모드 등에 의한 오버-모딩에 대해 저항성이다. 이 경우, 모드 상쇄 블록은 요구되지 않는다.
특정 방사상 폭(radial width)을 갖는 구멍을 거쳐 플라즈마 챔버에 마이크로파 에너지를 공급하는 것이 추가적으로 유리하다. 플라즈마 챔버의 직경에 대한 도파관 플레이트의 구멍에 의해 제공되는 환상 간격(방사상 방향)의 비는 1/10 내지 1/50, 1/20 내지 1/40, 1/25 내지 1/35 또는 임의적으로는 약 1/30일 수 있다. 이 환상 갭은 구멍을 플라즈마 챔버의 측벽에 위치시킴으로써 제공되며, 동축 도파관의 외부 도관은 플라즈마 챔버의 공명 강의 직경에 필적할만한 직경을 갖고, 내부 도관은 외부 도관보다 약간만 더 작아서, 환상 갭에 대해 앞서 명시된 비를 획득할 수 있다. 이들 두 도관의 직경의 비를 변화시킴으로써, 챔버에 대한 매치가 달성되는 최적 지점을 발견할 수 있다. 다른 설비에서, 구멍은 플라즈마 챔버의 측벽으로부터 멀리, 예를 들어 상판의 중심과 가장자리 사이의 중간 위치에 존재할 수 있다.
플라즈마 반응기를 기재할 때 "상부", "기부", "위" 및 "아래" 같은 용어가 본원에 사용되지만, 반응기를 뒤집을 수도 있음을 알아야 한다. 이로써, 이들 용어는 반응기 구성요소의 서로에 대한 위치를 일컬으며, 반드시 지면에 대한 이들의 위치를 가리키는 것은 아니다. 예를 들어, 표준 사용시, 기재는 지면에 대해 챔버의 하부 벽을 형성하는 챔버의 기부에 의해 지지된다. 그러나, 기재를 지지하는 챔버의 기부가 지면에 대해 챔버의 상부 벽을 형성하도록 반응기를 뒤집을 수 있다. 뒤집힌 배향에서, 기체 유동은 원칙적으로 열에 의해 구동되는 대류 전류(이는 뒤집힌 배열에서 기재 아래에 있는 플라즈마에서 발생된 다량의 열로 인해 상향 방향임)에 평행할 수 있다. 이 뒤집힌 배열은 특정 용도에서 몇 가지 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 실시양태는 CVD 다이아몬드 성장 공정에서 균일성을 개선한다. 하기 매개변수중 하나 이상에 의해 균일성 개선을 측정할 수 있다: CVD 다이아몬드 필름의 두께 균일성(침착 면적 전체에서); 다이아몬드 물질의 하나 이상의 품질 매개변수(예컨대, 색상, 광학 특성, 전자 특성, 질소 흡수, 붕소 흡수 및/또는 붕소 활성화 수준)의 균일성; 다결정질 다이아몬드 물질에서, 텍스쳐, 표면 형태, 입자 크기 등의 균일성; 또는 기재 담체 상의 단결정 다이아몬드 기재의 어레이 상에서 성장이 이루어지는 단결정 다이아몬드 물질에서, 각 단결정 사이에서의 두께, 형태, 가장자리 쌍정 형성, 측방향 성장 등의 균일성. 균일성을 평가하기 위해 선택되는 핵심 매개변수는 합성 공정, 합성 생성물로부터 최종 생성물을 제조함에 있어서의 경제성 및 최종 생성물 자체의 요구조건에 따라 달라진다.
바람직한 실시양태를 참조하여 본 발명을 구체적으로 도시하고 기재하였으나, 당 업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항을 다양하게 변화시킬 수 있음을 알 것이다.

Claims (25)

  1. 플라즈마 챔버; 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버에 배치되는 기재 홀더; 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부; 및 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 이들을 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 마이크로파 플라즈마 반응기로서, 이 때 상기 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 마이크로파 연결부가 하나 또는 수 개의 구역으로 형성되는 환상 유전 윈도우; 마이크로파를 환상 유전 윈도우에 공급하기 위한, 중심 내부 도관 및 외부 도관을 갖는 동축 도파관; 및 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암(arm)을 갖는, 환 형태로 배치된 복수개의 구멍을 포함하는 도파관 플레이트를 포함하고; 상기 구멍이 각각 마이크로파를 플라즈마 챔버를 향해 연결시키기 위한 도파관을 형성하는, 마이크로파 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 홀수개의 구멍을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 소수개의 구멍을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 3, 5 또는 7개의 구멍을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 환상 유전 윈도우에 인접하여 위치되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 동축 도파관과 환상 유전 윈도우 사이에 위치되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환상 유전 윈도우가 동축 도파관과 도파관 플레이트 사이에 위치되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환상 유전 윈도우가 2개의 대향하는 표면을 포함하고, 이들 표면을 통해 마이크로파가 플라즈마 챔버 내로 연결되고, 상기 두 대향 표면 상에 밀봉부가 제공되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 암이 냉각제 및/또는 가공 기체를 공급하기 위한 하나 이상의 채널을 한정하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널이 기재 홀더를 향해 가공 기체를 주입하기 위하여 기재 홀더에 대향하여 배열된 하나 이상의 주입 포트에 가공 기체를 공급하도록 구성되는 하나 이상의 채널을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 구멍이 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행한 방향으로 플라즈마 챔버를 향해 마이크로파를 연결시키도록 구성되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 구멍이 주기적인 회전 대칭성을 갖도록 구성되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 동축 도파관의 외부 도관과 플라즈마 챔버의 외벽 사이에 배치되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트가 플라즈마 챔버를 가로질러 연장되는 중심 부위를 포함하고, 구멍 사이에서 연장되는 복수개의 암에 의해 지지되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트의 중심 부위가, 기재 홀더가 배치되는 말단에 대향하는 말단에서 플라즈마 챔버를 가로질러 연장되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 내부 도관이 도파관 플레이트의 중심 부위에 의해 지지되는 플로팅(floating) 도관을 형성하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 플레이트의 중심 부위가 기재 홀더에 대향하여 배치되는 전도성 표면을 지지하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전도성 표면이 전도성 표면을 포함하지 않는 상응하는 플라즈마 챔버에 존재하는 고전기장의 배(anti-node) 영역에 걸쳐 플라즈마 챔버 내에 위치하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 전도성 표면이 원뿔-형상인 마이크로파 플라즈마 반응기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 원뿔-형상의 전도성 표면이 둥글려진 첨단(tip)을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 원뿔-형상의 전도성 표면이 플라즈마 챔버에서 환상 오목부를 형성하고, 환상 유전 윈도우가 상기 오목부에 배치되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 모드 상쇄 블록이 플라즈마 챔버의 내벽에 배치되고, 상기 모드 상쇄 블록이 구멍 형태에 대칭적으로 관련되도록 이격되는 마이크로파 플라즈마 반응기.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버의 직경에 대한 도파관 플레이트의 구멍에 의해 제공되는 환상 갭의 비가 1/10 내지 1/50, 1/20 내지 1/40, 1/25 내지 1/35, 또는 약 1/30인 마이크로파 플라즈마 반응기.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기를 제공하고; 기재 홀더 상에 기재를 위치시키고; 마이크로파를 플라즈마 챔버에 공급한 다음; 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고; 기재 상에 합성 다이아몬드 물질 층을 형성시킴을 포함하는, 화학적 증착 공정을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 마이크로파 플라즈마 반응기를 뒤집어서, 기재를 지지하는 플라즈마 챔버의 기부가 지면에 대해 플라즈마 챔버의 상부 벽을 형성하는 방법.
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