(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、前記マイクロ波プラズマ反応器は、
プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバ内に設けられていて使用中に前記合成ダイヤモンド材料を析出させるべき基板を支持する基板ホルダと、
マイクロ波発生器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マイクロ波結合構造体と、
プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込み、そして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を含み、
前記マイクロ波発生器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前記マイクロ波結合構造体は、
１つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓と、
中央内側導体及び外側導体を有していて、マイクロ波を前記環状誘電体窓に送る同軸導波管と、
環状形態で設けられた複数個の孔を有する導波管プレートとを含み、複数本のアームが前記孔相互間に延び、各孔は、マイクロ波を前記プラズマチャンバに向かって結合する導波管を形成し、
前記複数本のアームは、冷却剤及び／又はプロセスガスを供給する１本又は２本以上のチャネルを構成し、
前記１本又は２本以上のチャネルは、プロセスガスを前記基板ホルダに向かって噴射するために前記基板ホルダと対向して配置された１つ又は２つ以上の噴射ポートにプロセスガスを供給するよう構成された少なくとも１本のチャネルを含み、
前記導波管プレートは、前記プラズマチャンバを横切って延びると共に前記孔相互間に延びている前記複数本のアームによって支持された中央部分を有し、
前記同軸導波管の前記中央内側導体は、前記導波管プレートの前記中央部分によって支持された浮動導体を形成している、マイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２】
前記導波管プレートは、奇数個の孔を有する、請求項１記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３】
前記導波管プレートは、素数個の孔を有する、請求項２記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項４】
前記導波管プレートは、３個、５個又は７個の孔を有する、請求項３記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項５】
前記導波管プレートは、前記環状誘電体窓に隣接して位置決めされている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項６】
前記導波管プレートは、前記同軸導波管と前記環状誘電体窓との間に位置決めされている、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項７】
前記環状誘電体窓は、前記同軸導波管と前記導波管プレートとの間に位置決めされている、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項８】
前記環状誘電体窓は、２つの互いに反対側の表面を有し、マイクロ波は、該互いに反対側の表面を通って前記プラズマチャンバ中に結合され、シールが前記２つの互いに反対側の表面に設けられている、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項９】
前記１本又は２本以上のチャネルは、冷却剤を供給するよう構成された少なくとも１本のチャネルから成る、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１０】
前記複数個の孔は、マイクロ波を前記プラズマチャンバの中心軸線に平行な方向で前記プラズマチャンバに向かって結合するよう構成されている、請求項１〜９のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１１】
各孔の形状は、弧状である、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１２】
前記導波管プレートの前記中央部分は、前記基板ホルダと対向して設けられた導電性表面を支持し、前記導電性表面は、円錐形である、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１３】
複数個のモード解除ブロックが前記プラズマチャンバの内壁上に設けられ、前記モード解除ブロックは、前記孔形態に対して対称に関連付けられるよう互いに間隔を置いて配置されている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１４】
前記導波管プレートの前記孔により提供される環状隙間と前記プラズマチャンバの直径の比は、１／１０〜１／５０、１／２０〜１／４０、１／２５〜１／３５であり、又はほぼ１／３０である、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１５】
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１〜１４のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップと、
基板を前記基板ホルダ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の層を前記基板上に形成するステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学気相成長技術を利用して合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術分野においてはダイヤモンド材料の合成のための化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）法が今や周知である。ダイヤモンド材料の化学気相成長に関する有用な背景技術情報がジャーナル・オブ・フィジックス（Journal of Physics）の特集号、即ち、ダイヤモンド関連技術を特集したコンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号（２００９）に見受けられる。例えば、アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.）による書評記事は、ＣＶＤダイヤモンド材料、技術及び用途に関する包括的な概要を与えている（これについては、「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１を参照されたい）。
【０００３】
ダイヤモンドが黒鉛と比較して準安定状態にある領域内にある状態で、ＣＶＤ条件下におけるダイヤモンドの合成は、内部熱力学ではなく、表面反応速度論によって規定される。ＣＶＤによるダイヤモンド合成は、通常、典型的にはメタンの形態の僅かなフラクション（典型的には、５％未満）の炭素を用いて実施される。但し、過剰水素分子中において他の炭素含有ガスを利用することができる。水素分子を２０００Ｋを超える温度まで加熱した場合、水素原子への相当な解離が生じる。適当な基板材料の存在下において、ダイヤモンドを析出させることができる。
【０００４】
水素原子は、これが基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにするのでプロセスにとって必要不可欠である。ＣＶＤダイヤモンド成長に必要なラジカルを含む反応性炭素及び水素原子を発生させるためにガス種を含む炭素及び水素分子を加熱する種々の方法が利用可能であり、かかる方法としては、アークジェット、ホットフィラメント、ＤＣアーク、酸素アセチレン炎及びマイクロ波プラズマが挙げられる。
【０００５】
電極を必要とする方法、例えばＤＣアークプラズマは、電極腐食及びダイヤモンド中への物質の混入に起因した欠点を呈する場合がある。燃焼方法には電極腐食に関する問題はないが、燃焼方法は、高品質ダイヤモンド成長と一致したレベルまで精製しなければならない比較的高価な供給ガスを利用する。また、酸素アセチレン混合物を燃焼させた場合であっても、火炎の温度は、ガス流中の相当なフラクションの水素原子を達成するには不十分であり、かかる方法は、程々の成長速度を達成するための局所領域内におけるガスのフラックスの濃縮を利用する。恐らくは、燃焼がバルクダイヤモンド成長のために普及していない主要な理由は、ｋＷｈで表される抽出可能なエネルギーコストである。電気と比較して、高純度アセチレン及び酸素の使用は、熱を発生させる上で費用のかかるやり方である。ホットフィラメント型反応器は、一見すると簡単なように見えるが、活性種を形成するための解離が制限されるという欠点及び制限された量の水素原子を成長面まで比較的効率的に運ぶようにするために必要な低ガス圧力での使用に制限されるという欠点を有する。
【０００６】
上述のことに照らして、マイクロ波プラズマは、電力効率、成長速度、成長面積及び得ることができる生成物の純度の面でＣＶＤダイヤモンド析出を実施する最も効果的な方法であることが判明した。
【０００７】
マイクロ波プラズマ活性化型ＣＶＤダイヤモンド合成システムは、典型的には、原料ガス供給源とマイクロ波電力源の両方に結合されたプラズマ反応器容器を含む。プラズマ反応器容器は、定常マイクロ波を支える空胴共振器を形成するよう構成される。炭素源及び水素分子を含む原料ガスがプラズマ反応器容器内に送り込まれ、かかる原料ガスを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域内にプラズマを生じさせることができる。適当な基板をプラズマに近接して設けると、ラジカルを含む反応性炭素は、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板上に析出可能である。水素原子も又、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにする。
【０００８】
化学気相成長（ＣＶＤ）法によるダイヤモンド膜成長のための考えられるマイクロ波プラズマ反応器群が当該技術分野において知られている。かかる反応器は、多種多様な設計のものである。共通の特徴は、プラズマチャンバ、プラズマチャンバ内に設けられた基板ホルダ、プラズマを生じさせるマイクロ波発生器、マイクロ波発生器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、プロセスガスをプラズマチャンバ内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システム及び基板ホルダ上の基板の温度を制御する温度制御システムを含む。
【０００９】
米国特許第６，６４５，３４３号明細書（発明者：フラウンホッファー（Fraunhofer））は、化学気相成長法によるダイヤモンド膜成長を可能にするよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の一例を開示している。この米国特許明細書に記載された反応器は、円筒形プラズマチャンバを有し、このプラズマチャンバの底部には基板ホルダが取り付けられている。ガス入口及びガス出口がそれぞれプロセスガスを供給したり除去したりするためにプラズマチャンバの底部に設けられている。マイクロ波発生器が高周波同軸ラインによりプラズマチャンバに結合されており、このマイクロ波発生器は、プラズマチャンバの上方に位置するその送り出し端部のところが細分され、プラズマチャンバの周囲のところが石英リングの形態をした本質的にリング形のマイクロ波窓に差し向けられている。米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された発明は、リング形マイクロ波窓に焦点を当てており、かかる米国特許明細書は、反応器チャンバ内におけるマイクロ波の結合がマイクロ波窓のリング形表面全体にわたって回転対称の仕方で分布されることを開示している。結合が広い表面全体にわたって分布されるので、高い電場強度がマイクロ波窓のところに生じることなく高いマイクロ波電力レベルを結合することができ、かくして窓放電の危険が減少することが教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，６４５，３４３号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.），「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者は、マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むための米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された結合構造体に関して幾つかの潜在的な問題を突き止めた。
（ｉ）上側ハウジング区分は、反応器チャンバ内で生成される高温プラズマに起因して使用中、過熱を生じやすいと言える。米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された構成は、無駄なエネルギーを上側ハウジング区分から取り出す問題に取り組んでいない。そのうちこの壁は、非常に高温状態にある場合があり、それにより、最終的には、環状窓シール及び環状窓それ自体の破損が起こる場合がある。漏斗形同軸ラインがチャンバの上方部分を完全に包囲しており、したがって、上述の構成において冷却剤をどのようにすればチャンバの上方部分に供給できるかを計画することは困難である。
（ｉｉ）米国特許第６，６４５，３４３号明細書は、プロセスガスを供給する連結部が基板ホルダに向くことができ、そしてかかる連結部を基板ホルダに向かってほぼ中心に差し向けることができる可能性に言及している。しかしながら、米国特許第６，６４５，３４３号明細書は、この構成を実現する手段については何ら記載していない。上述したように、漏斗形同軸ラインがチャンバの上方部分を完全に包囲しており、したがって、プロセスガスをどのようにすればチャンバの上方部分の中央に供給して基板ホルダの方へ差し向けることができるかを計画することは困難である。唯一の可能性は、プロセスガスを同軸供給部の中央内側導体を通って下方に送ることであるように思われる。米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された構成では、同軸供給部の内側中央導体は、マイクロ波発生器からの方形導波管の上壁から漏斗形移行領域まで延びている。サービス、例えばプロセスガス及び／又は冷却剤をプラズマチャンバの上側ハウジングに提供すべき場合、これらは、相当な距離にわたって内側中央導体内の比較的狭い通路内に収容されなければならない。
（ｉｉｉ）米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された構成では、同軸供給部の内側中央導体は、マイクロ波発生器からの方形導波管の上壁から延び、かくして電気的に接地された箇所が提供される。したがって、導波管移行部は、内側導体が接地された状態で動作するよう設計されなければならない。この設計の潜在的な欠点のうちの１つは、接地状態の内側導体と方形導波管の短絡回路との間の距離を半導波長であるようにしなければならないということである。正確に構成されなければ、これは、チャンバ中への電力結合に悪影響を及ぼす場合がある。同軸導波管の内側導体を導波管内で電気的に浮動させることは、多くの点において、電力を方形導波管から同軸導波管に伝送する簡単且つ好都合な方法であるが、例えば水及びガスのようなサービスを導入することができる接地箇所を失うという欠点が生じる。
（ｉｖ）米国特許第６，６４５，３４３号明細書では、リング形マイクロ波窓が上側ハウジング区分と下側ハウジング区分との間で反応器チャンバの側壁の一部分を形成する。したがって、リング形マイクロ波窓は、上に位置する上側ハウジング区分によって圧縮状態で配置される場合があり、それによりマイクロ波窓の損傷が生じることがある。さらに、上側ハウジング区分と下側ハウジング区分との間でリング形マイクロ波窓のところに真空シールを容易且つ確実に形成することが困難な場合がある。この問題を解決するため、米国特許６，６４５，３４３号明細書に記載された構成を改造して接地状態の内側導体が機械的アンカー箇所を提供する追加の機能を有し、この機械的アンカー箇所を介して張力を加えて空胴の外側の圧力と比較して空胴の内側の減少圧力によって生じる対抗する圧力に抵抗することができるようにすることができる場合がある。効果的なシールを達成するのを助けるため、環状窓及びそのシールに加わる一貫した力を維持する引っ張りばね装置を用いることが可能である。しかしながら、この構成により、複雑さが追加される。さらに、浮動内側導体を用いることが望ましい場合、機械的リンクの実現が不可能であり、別法を模索する必要がある。
（ｖ）米国特許第６，６４５，３４３号明細書には、マイクロ波をプラズマチャンバの側壁の一部分を形成するリング形マイクロ波窓まで誘導する複雑な漏斗形同軸ラインが記載されている。多数の移行部を備えたかかる複雑な導波管構造は、最適電力取り扱い及びプラズマチャンバ中へのマイクロ波の効果的な結合にとって望ましいとは考えられない。
【００１３】
本発明の或る特定の実施形態の目的は、これら問題のうちの１つ又は２つ以上に取り組むことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の或る特定の実施形態によれば、化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、マイクロ波プラズマ反応器は、
プラズマチャンバと、
プラズマチャンバ内に設けられていて使用中に合成ダイヤモンド材料を析出させるべき基板を支持する基板ホルダと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込み、そしてプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムとを含み、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体は、
１つ又は数個の区分の状態で形成された環状誘電体窓と、
中央内側導体及び外側導体を有していて、マイクロ波を環状誘電体窓に送る同軸導波管と、
環状形態で設けられた複数個の孔を有する導波管プレートとを含み、複数本のアームが孔相互間に延び、各孔は、マイクロ波をプラズマチャンバに向かって結合する導波管を形成していることを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器が提供される。
【００１５】
本発明の別の実施形態によれば、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、方法は、
上述のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップと、
基板を基板ホルダ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、
プラズマ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の層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。
【００１６】
本発明の良好な理解を得るため且つ本発明をどのように具体化するかを示すために、今、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、かかる実施形態は例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】化学気相成長技術を利用して合成ダイヤモンド材料を析出させるよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。
【図２】図１のマイクロ波プラズマ反応器に用いられる導波管プレートの平面図である。
【図３】導波管プレートの斜視図である。
【図４】導波管プレート及び環状誘電体窓をマイクロ波プラズマ反応器中に挿入可能にどのように構成すれば良いかの一例を示す図である。
【図５】導波管プレート及び環状誘電体窓を反応器内にどのように設けることができるかの一例を示すマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者は、環状誘電体窓を介するＣＶＤダイヤモンド成長のためにマイクロ波電力をプラズマチャンバ中に結合することが有利な場合があるという先行技術の教示と同一の見解を有する。しかしながら、背景技術のセクションで説明したように、かかる構成を提供した場合の一問題は、環状誘電体窓を介してマイクロ波を結合するのに必要な同軸導波管構造がプラズマチャンバの壁部分を包囲し、それにより冷却剤及び／又はプロセスガスをこの壁部分に提供すると共に／或いは機械的支持作用を同軸導波管の中央内側導体に提供することが困難であるということにある。
【００１９】
この問題を解決するため、本発明者は、マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む新規なマイクロ波結合構造体を設計した。この新規なマイクロ波結合構造体は、環状形態で設けられた複数個の孔を有する導波管プレートを含み、各孔は、同軸導波管からのマイクロ波をプラズマチャンバに向かって結合する導波管を形成している。導波管プレートは、孔相互間に延びる複数本のアームを有する。複数本のアームは、冷却剤及び／又はプロセスガスを供給する１本又は２本以上のチャネルを構成するのが良い。代替的に又は追加的に、複数本のアームは、軸方向中央領域内に設けられたコンポーネントに機械的支持作用を提供することができる。
【００２０】
この構成は、これによりマイクロ波電力を環状誘電体窓経由でプラズマチャンバ中に結合することができ、他方導波管構造によって包囲されたプラズマチャンバの領域への冷却剤及び／又はプロセスガスの提供を可能にするので有利であることが判明した。したがって、この構成は、背景技術のセクションで説明した問題（ｉ）及び（ｉｉ）を解決する。
【００２１】
上述のことに加えて、導波管プレートは、同軸導波管の中央導体を支持するよう構成されるのが良い。したがって、中央導体は、マイクロ波発生器からの方形導波管の上壁上に接地されることを必要とされない電気的に浮動するポストとして形成されるのが良い。背景技術のセクションで説明したように、導波管内で電気的に浮動する内側導体は、多くの点において、電力を方形導波管から同軸導波管に伝送する簡単且つ好都合な方法であることが判明している。先行技術の構成では、これには、例えば冷却剤としての水及びガスのようなサービスを導入することができる接地箇所を失うという欠点があるが、本発明の或る特定の実施形態は、導波管プレートのチャネルを介してかかるサービスを供給する別法としての且つ非常に好都合な手段を提供する。したがって、この構成は、背景技術のセクション説明した（ｉｉｉ）を解決する。
【００２２】
さらに、導波管プレートは、プラズマチャンバの上方部分と下方部分を互いに結合して使用中において環状誘電体窓に加わる大きな圧縮応力を回避するよう構成されるのが良く、この場合、同軸導波管の中央導体を介する機械的アンカー箇所の使用が行われない。さらに、環状誘電体窓は、２つの互いに反対側の表面を有するのが良く、マイクロ波は、これら互いに反対側の表面を通ってプラズマチャンバ中に結合され、シールが２つの互いに反対側の表面に設けられるのが良い。これにより、信頼性のあるシールをプラズマチャンバの上方区分と下方区分との間で且つ誘電体窓のところに形成することができる。したがって、この構成は、背景技術のセクションで説明した問題（ｉｖ）を解決する。
【００２３】
最後に、複数個の孔は、マイクロ波をプラズマチャンバの中心軸線に平行な方向でプラズマチャンバに向かって結合するよう構成されるのが良い。これにより、米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された構成と比較した場合により簡単な同軸導波管構造の実現が可能である。したがって、この構成は、背景技術のセクションで説明した問題（ｖ）を解決する。
【００２４】
図１は、本発明のマイクロ波プラズマ反応器の一実施形態を示している。マイクロ波プラズマ反応器は、次の基本的コンポーネント、即ち、プラズマチャンバ２、プラズマチャンバ内に設けられていて、基板６を保持する基板ホルダ４、プラズマチャンバ２内にプラズマ１０を生じさせるマイクロ波発生器８、マイクロ波発生器８からのマイクロ波をプラズマチャンバ２中に送り込むマイクロ波結合構造体１２及びプロセスガスをプラズマチャンバ２中に送り込んだりプロセスガスをプラズマチャンバ２から取り出したりするガス入口１３及びガス出口１６を備えたガス流システムを含む。
【００２５】
また、図１に示されているマイクロ波プラズマ反応器は、プラズマチャンバ内に設けられた別個の基板ホルダを有するが、基板ホルダは、プラズマチャンバの底部によって形成されても良いことが注目されるべきである。「基板ホルダ」という用語の使用は、かかる変形例を含むことを意図している。さらに、基板ホルダは、基板と同一直径（図示のように）又はこれよりも大きい直径の平坦な支持面を有するのが良い。例えば、基板ホルダは、チャンバ底部又はチャンバ底部上に設けられた別個のコンポーネントにより形成される広い平坦な表面を形成するのが良く、基板は、平坦支持面の中央領域上に注意深く位置決めされるのが良い。一構成例では、基板ホルダの支持面は、基板を位置合わせし、オプションとしてこれを保持する別の要素、例えば突出部又は溝を有するのが良い。変形例として、かかる追加の要素が設けられなくても良く、その結果、支持ホルダは、基板が載せられる平坦な支持面を提供するに過ぎない。
【００２６】
マイクロ波結合構造体１２は、方形導波管１６からのマイクロ波を環状誘電体窓１８に送るよう構成された同軸導波管１４を含む。同軸導波管１４は、内側導体２０及び外側導体２２を有している。内側導体２０は、図示の実施形態では浮動ポストであり、この浮動ポストは、方形導波管１６の上壁には取り付けられず、これとは異なり、方形導波管１６と同軸導波管１４との間の移行領域のところで導波管内で終端する。
【００２７】
環状誘電体窓１８は、マイクロ波透過性材料、例えば石英で作られている。この環状誘電体窓は、プラズマチャンバ２の頂部に真空密環状窓を形成する。マイクロ波発生器８及びマイクロ波結合構造体１２は、適当な波長のマイクロ波を発生させてかかるマイクロ波をプラズマチャンバ２中に誘導結合し、それにより使用中において基板６のすぐ上に位置した高エネルギー最大振幅を有するプラズマチャンバ２内に定在波を形成するよう構成されている。
【００２８】
マイクロ波結合構造体１２は、導波管プレート２４及び冷却剤及び／又はプロセスガスを供給する供給チャネル２６を更に含む。導波管プレートは、図２及び図３に詳細に示されている。導波管プレートは、環状形態に設けられた複数個の孔２８を有し、各孔２８は、同軸導波管からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に結合する導波管を形成する。導波管プレートは、孔を相互間に延びていて、冷却剤及び／又はプロセスガスを外側円周方向領域から内側軸方向領域に供給するのに適した複数本のチャネル２６を更に有する。導波管プレートは、金属材料の単一片を機械加工することによって形成されるのが良い。変形例として、導波管プレートは、互いに連結可能な多数のコンポーネントから作られても良い。例えば、導波管プレートの中央部分は、複数個の孔が設けられた外側部分に連結される別個のコンポーネントで形成されても良い。
【００２９】
導波管プレートは、その中央領域に孔を全く備えていないことに注目するのが良い。マイクロ波をプラズマチャンバの上方コーナー部の近くでプラズマチャンバの周辺領域内でプラズマチャンバ中に誘導結合することが有利であることが判明している。さらに、導波管プレートの中央部分にマイクロ波導波管孔がないままの状態である場合、使用中、プロセスガスを基板に向かって噴射するために１つ又は２つ以上のガス入口ノズルを基板と対向して中央部分内に提供するために広い空間が役に立つ。孔の環状形態にとって好ましい内径は、反応器の動作周波数で決まるであろう。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、環状形態の孔の内径は、５００ｍｍ、６００ｍｍ又は７００ｍｍ以上であるのが良い。８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、環状形態の孔の内径は、２５０ｍｍ、３００ｍｍ又は４００ｍｍ以上であるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、環状形態の孔の内径は、９０ｍｍ、１１０ｍｍ又は１３０ｍｍ以上であるのが良い。
【００３０】
また、環状形態の周囲の大部分が孔相互間に設けられたアームではなく孔によって形成されるのが有利である。アームは、有利には、導波管プレートの中央部分に支持作用を提供すると共にプロセスガス及び／又は冷却剤チャネルが孔相互間に延びることができるようにするほど十分大きいものであるに過ぎない。例えば、孔は、環状孔形態の３６０°周囲の２５０°を超え、２９０°を超え、３１０°を超え又は３３０°を超える割合を占めるのが良い。３５０°の上限が適用されるのが良く或いはもしそうでなければアームは、支持作用を提供すると共にプロセスガス及び／又は冷却剤チャネルが孔相互間で延びることができるようにするには細すぎる。
【００３１】
図４は、導波管プレート及び環状誘電体窓をマイクロ波プラズマ反応器中に挿入可能にどのように構成すれば良いかの一例を示している。環状誘電体窓１８は、導波管プレートの孔２８が環状誘電体窓１８と整列するよう導波管プレート２４に隣接して設けられている。
【００３２】
図５は、導波管プレート及び環状誘電体窓をマイクロ波プラズマ反応器内にどのようにすれば設けることができるかの一例を示すマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。図１で用いたのと同一の参照符号は、図５の対応の部品に用いられている。反応器のコンポーネントのうちの幾つかは、分かりやすくするという理由で図５には示されていない。と言うのは、図５は、導波管プレート及び環状誘電体窓に適当な取り付け構造に焦点を合わせるようになっているからである。
【００３３】
図示の構成では、導波管プレートの外側周辺部分３４が同軸導波管１４の外側導体２２とプラズマチャンバの側壁との間に設けられている。環状誘電体窓１８の外側周辺部分が導波管プレートとプラズマチャンバの側壁との間に設けられている。環状誘電体窓１８の内側部分が導波管プレートの内側部分３６と別のプレート３８との間に保持されている。導波管プレートの孔２８は、環状誘電体窓１８及び冷却剤及び／又はプロセスガスのパスをこれら孔相互間で導波管プレートの内側部分３６中に供給するチャネルと整列している。環状誘電体窓１８は、エラストマーＯリング３２を用いて導波管プレートに取り付けられるのが良い。この構成では、別のプレート３８を誘電体窓１８の一部分がエラストマーＯリング３２を介して別のプレート３８と導波管プレート２４との間に設けられると共に保持された状態で導波管プレート２４に取り付けるのが良い。
【００３４】
図１〜図５に示されている導波管プレートは、次の幾つかの有利な機能を実行する。
（ｉ）導波管プレートは、冷却剤及び／又はプロセスガスの噴射を可能にする。
（ｉｉ）導波管プレートは、浮動中央同軸導体を支持する。
（ｉｉｉ）導波管プレートは、プラズマチャンバの上側部品と下側部品との間の結合部を形成する。
（ｉｖ）導波管プレートは、同軸導波管からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む。
（ｖ）導波管プレートは、環状誘電体窓を支持する。
【００３５】
これら有利な特徴のうちの１つ又は２つ以上を実現する他の別の構成を想定することができる。例えば、上述の構成では、導波管プレートは、環状誘電体窓に隣接して位置決めされる。さらに、導波管プレートは、同軸導波管と環状誘電体窓との間に位置決めされる。しかしながら、別の構成では、環状誘電体窓は、同軸導波管と導波管プレートの間に設けられても良い。さらに別の考えられる手段としては、誘電体窓をセグメント化し、各セグメントは、導波管プレートの対応の孔内に設けられる。さらに変形例として、２枚の導波管プレートがこれらの間に環状誘電体窓がサンドイッチされた状態で設けられても良い。さらに別の考えられる手段は、導波管プレートが環状誘電体窓から間隔を置いて位置するよう導波管プレートを同軸導波管に沿って更に上方に配置することである。かかる構成では、導波管プレートは、同軸ラインに設けられた複数個の孔を有するリングを形成しても良い。
【００３６】
図示の実施形態では、導波管プレートの複数個の孔は、マイクロ波をプラズマチャンバの中心軸線に平行な方向でプラズマチャンバ中に結合するよう構成されている。この構成では、導波管プレートは、プラズマチャンバの中心軸線に垂直な平面内に設けられていて、プラズマチャンバ内に上壁の一部分を形成している。しかしながら、導波管プレートは、米国特許第６，６４５，３４３号明細書に開示された構成の改造バージョンにおいてマイクロ波をプラズマチャンバの側壁中に結合する同軸導波管内に配置されても良い。とは言うものの、かかる変形例は、質の劣る解決手段であると考えられる。と言うのは、マイクロ波をプラズマチャンバの軸線に平行な方向でプラズマチャンバ中に結合することは、効率が高く、しかも複雑な同軸供給形態の必要性を回避するからである。したがって、冷却剤及び／又はプロセスガスのためのチャネルが導波管プレートに設けられておらず且つ／或いは浮動ポストが設けられていない場合であっても、本発明の導波管プレートは、マイクロ波をプラズマチャンバ中に効率的且つ簡単な仕方で結合する上で依然として有利である。
【００３７】
複数個の孔は、好ましくは、周期的回転対称性を有するよう構成される。例えば、ｎ個の孔が設けられる場合、孔は、ｎ倍の回転対称性を有するよう円に沿って対称に構成される。対称構造は、孔の非対称性の結果としてプラズマチャンバ内に生じる電場の非対称性を回避する上で好ましい。とは言うものの、基板の成長面の上方のプラズマ形成領域内における電場の一様性に過度に影響を及ぼさないで僅かな非対称性を孔形態に導入し又はこれとは違ってやり方で例えば本明細書において後で説明するモード解除ブロックを用いて孔の非一様性を補償することが可能である場合があることも又想定される。
【００３８】
上述の環状誘電体窓は、誘電体材料の単一の完全なリングで形成される。しかしながら、別の構成では、環状誘電体窓は、複数個の別々の弧状セグメントで形成されても良く、各セグメントは、導波管プレートの対応の孔を横切って封止される。
【００３９】
上述の構成では、導波管プレートは、同軸導波管の外側導体とプラズマチャンバの外壁との間に設けられた外側周辺部分を有する。さらに、導波管プレートは、プラズマチャンバを横切って延びる中央部分を有する。導波管プレートの中央部分は、基板ホルダが設けられている端と反対側の端のところでプラズマチャンバを横切って延び、内側導体は、導波管プレートの中央部分によって支持された浮動状態を形成する。しかしながら、導波管プレートは、依然として冷却剤及び／又はプロセスガスを中央同軸導体に沿って下方に供給する要件を回避しながら接地状態の内側導体にも使用できることが想定される。
一形態では、導波管プレートの孔相互間に延びる１本又は２本以上のチャネルは、基板ホルダと対向して配置されていて、プロセスガスを基板ホルダに向かって噴射する１つ又は２つ以上の噴射ポートにプロセスガスを供給するよう構成された少なくとも１本のチャネルを含む。この構成により、軸方向ガス流構造体をマイクロ波結合構造体と同一のチャンバの端のところに設けることができる。変形例として、マイクロ波結合構造体は、基板ホルダと同一のプラズマチャンバの端のところに設けても良い。
【００４０】
導波管プレートの中央部分は、基板ホルダと対向して配置された導電性表面を支持するのが良い。導電性表面は、導波管プレートにより形成されても良く又は導波管プレートの中央部分に連結された別個の金属製本体により形成されても良い。プロセスガスを基板ホルダに向かって噴射する１つ又は２つ以上のガス入口ノズルが導電性表面に設けられるのが良い。一形態では、導電性表面は、湾曲しており、かかる導電性表面は、プラズマチャンバの中央領域に向かって延びる。例えば、導電性表面は、円錐形の本体を形成するのが良い。かかる導電性表面は、これがプラズマチャンバの上方領域内のプラズマ生成を阻止するのを助けることができるので有用である。事実上、導電性表面は、使用中において高電場領域を隠すことができる。即ち、導電性表面は、プラズマチャンバの中央領域に向かって延びる導電性表面を備えていない対応のチャンバ内に存在する高電場最大振幅領域を包囲するよう配置されるのが良い。
【００４１】
導電性表面は、一様な曲率のボウル、尖った円錐形又は任意の中間円錐形構造体を形成するのが良い。好ましい一構成では、導電性表面は、円錐形の表面である。円錐形表面は、最も好ましくは、丸形先端部を有する。円錐形表面は、空胴共振器の共振モードの電場ベクトルとほぼ直交するよう構成されるのが良く、それにより共振空胴中への円錐形本体の導入の結果としての電場の摂動が最小限に抑えられる。電場と直交した導電性金属表面を上方高電場最大振幅領域に配置して上方高電場領域を効果的になくすことによってプラズマチャンバの下方部分内の基本的電場プロフィールに過度に影響を及ぼさないで高電場最大振幅をなくすことが可能である。プラズマチャンバの共振周波数を過度に変更すべきではないが、チャンバのＱファクタは、空胴内の貯蔵エネルギーの減少に起因して減少することになり、他方、１サイクル当たりに散逸されるエネルギーは、同一のままであり又は表面積の増加につれて僅かに増大する。
【００４２】
円錐形導電性表面は、プラズマチャンバの四分の一波長まで延びるのが良い。円錐形導電性表面をマイクロ波がプラズマチャンバ内に結合されるプラズマチャンバの駆動端のところに配置することにより、反射波の位相が導電性表面に対して適正であるようになる。本発明の実施形態としての導波管プレートにより、円錐形導電性部材をチャンバの駆動端のところで中央領域内に好都合に支持することができ、マイクロ波は、導波管プレートの孔を介して円錐形導電性部材の周辺領域の周りでプラズマチャンバ内に結合される。別の考えられる手段は、円錐形導電性表面を非駆動端のところに（即ち、マイクロ波プラズマチャンバ中に結合されないチャンバの端のところに）配置することであり、その結果、環状誘電体窓が基板の周りに位置決めされる構成が得られる。ただし、この構成は、誘電体窓の損傷を招く場合がある。円錐形導電性表面及び環状誘電体窓をプラズマチャンバの同一の端のところに配置した場合の一利点は、円錐形導電性表面がプラズマチャンバに環状凹部を形成することができ、環状誘電体窓をこの凹部内に配置することができるということである。この構成は、使用中において環状誘電体窓を保護するのを助ける。  導波管プレートは、２個、３個、４個、５個、６個、７個又は８個以上の孔を有するのが良い。孔の個数を変化させることが、プラズマチャンバ中へのマイクロ波結合効率に影響を及ぼすことができるということが判明した。或る特定の構成によれば、導波管プレートは、奇数個の孔、最も好ましくは素数個の孔を有する。例えば、導波管プレートは、３個、５個又は７個の孔を有するのが良い。
【００４３】
各孔は、事実上、方形導波管と等価である。三方孔（three way aperture）は、孔の長さを最大するのに役立ち得る。代替手段としての四方孔（four way aperture ）と六方孔（six way aperture）の両方は、モード安定性の観点からは欠陥があると判明した。幾つかの孔の存在にもかかわらず、電力を主としてＴＭ0mnモードで空胴中に結合することができる。高次モード、即ちＴＭ1mn（「１は、０に等しくない」の発生の形態で目に見える孔の対称性に起因した作用効果がある。かくして、３つ全ての孔が同相で励振される三方孔がモードのＴＭ3mnシリーズに結合し、他方、四方孔及び六方孔は、これよりも極めて高次のＴＭ8mn及びＴＭ12mnモードに結合することが予想される。しかしながら、実際には、四方孔及び六方孔は、寄生モードの影響を受けやすい。かくして、四方又は六方孔は、ＴＭ2mnモードに結合するのが良い。全体として、作用効果は、四方及び六方孔がプラズマに非対称性を生じさせることができ、かかる非対称性の結果として、プラズマがオフセンタ状態で動き又は二方に分かれる。三方孔は、他の形態で生じるより深刻な一方又は二方分解モードよりも望ましさの低い安定した三方引き効果（three way pulling effect）を与える。孔に生じる三方モードの作用効果を打ち消すようになった摂動を局所電場に対して生じさせる基本的に金属本体であるモード解除ブロックを用いて非安定性を取り扱うのが良い。これら金属ブロックの位置を実験的に定めることができる。これら金属ブロックを高壁電流の領域（即ち、Ｈ場が高いところ）に配置することによって、ブロックを用いて望ましくないモードを途絶させることができる。したがって、一構成では、複数個のモード解除ブロックがプラズマチャンバの内壁上、例えばプラズマチャンバの側壁又は底部上に設けられ、モード解除ブロックは、複数個の孔により生じる電磁摂動を補償するよう構成されている。モード解除ブロックは、孔形態に対称に関連付けられるよう互いに間隔を置いて配置される。例えば、モード解除ブロックの個数は、導波管プレートに設けられた孔の個数に等しいのが良く、モード解除ブロックは、孔形態に対応した対称性を有するよう位置決めされる。例えば、３つの孔が導波管プレートに設けられる場合、３つのモード解除ブロックがプラズマチャンバの下方部分内でプラズマチャンバの周りに取り付けられると共に孔により生じる電場の摂動を打ち消すよう対称に配置されるのが良い。変形例として、モード解除ブロックの個数は、孔の個数の整数倍であるのが良く、他方、依然として孔形態に対称に関連付けられるよう配置される。モード解除ブロックは、プラズマチャンバの内壁にくっつけられるのが良く或いはプラズマチャンバの壁によって一体に形成されても良い。三方孔の別の考えられる代替手段は、五方又は七方孔を用いることである。これらは素数なので、これらは、提示二方モード等とのオーバーモーディングに抵抗する。この場合、モード解除ブロックは不要である場合がある。
【００４４】
マイクロ波エネルギーを特定の半径方向幅を備えた孔によりプラズマチャンバに供給することが更に有利である。導波管プレートの孔により提供される環状隙間（半径方向の環状隙間）とプラズマチャンバの直径の比は、１／１０〜１／５０、１／２０〜１／４０、１／２５〜１／３５であり又はほぼ１／３０である。この環状隙間は、孔をプラズマチャンバの側壁に隣接して配置することにより提供されるのが良く、同軸導波管の外側導体の直径は、プラズマチャンバの空胴共振器の直径と同等であり、内側導体は、環状隙間について上述した比を達成するために外側導体よりも僅かに小径であるに過ぎない。これら２つの導体の直径の比を変えることによって、チャンバへの適合が達成される最適箇所を見出すことが可能である。別の構成では、孔は、プラズマチャンバの側壁から離れて、例えば、頂部プレートの中央と縁との間の中間位置のところに配置されても良い。
【００４５】
例えば「頂部（又は頂）」、「底部（又は底）」、「上方」及び「下方」のような用語は、本明細書において、プラズマ反応器を説明する際に用いられるが、反応器を逆さまにすることが可能であることに注目されるべきである。したがって、これら用語は、反応器コンポーネントの互いに対する配置場所に関しており、必ずしも地面に対するこれらの配置場所を示しているわけではない。例えば、標準的な使用において、基板は、地面に対してチャンバの下方壁を形成するチャンバの底部によって支持されることになる。しかしながら、反応器を逆さまにして基板を支持しているチャンバの底部が地面に対するチャンバの上方壁を形成することが可能である。逆さまの向きでは、基板に向かうガス流は、熱的に駆動される主要な対流に平行であるのが良い（かかる対流は、逆さまの構成では基板の下方に位置するプラズマ中に生じる熱の量が多いので上向きの方向である）。この逆さま構成は、或る特定の用途に関して幾つかの利点を有する場合がある。
【００４６】
本発明の実施形態は、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスの一様性を向上させる。一様性の向上を次のパラメータ、即ち、ＣＶＤダイヤモンド膜の厚さの一様性（析出領域を横切る）、ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の品質パラメータの一様性（例えば、色、光学的性質、電子的性質、窒素取り込み、ホウ素取り込み及び／又はホウ素活性化レベル）、多結晶ダイヤモンド材料におけるテキスチャの一様性、表面形態学的特徴、結晶粒度等又は成長が基板キャリヤ上の単結晶ダイヤモンド基板のアレイ上で起こる単結晶ダイヤモンド材料中における各単結晶相互間の厚さの一様性、形態学的特徴、エッジ双晶形成、側方成長等のうちの１つ又は２つ以上によって測定可能である。一様性を評価するために選択される主要なパラメータは、合成プロセス、合成生成物から最終生成物を作製する場合の経済的側面及び最終生成物それ自体の要件で決まる。
【００４７】
本発明を好ましい実施形態に関して具体的に図示すると共に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく形態及び細部における種々の変更を実施できることは当業者には理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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