(57)【要約】  本発明では、マイクロ波プラズマ活性化化学気相成長によって基板上に合成材料を生成するための方法が開示される。この方法は、トロイダル形状を有するプラズマを提供するように構成されたマイクロ波プラズマ反応器を提供するステップを含む。反応器は、共振空洞と、好ましくは環形状の基板または環状構成に配置された複数の基板を保持するように配置された基板ホルダとを備える。反応器が作動しているとき、これは、トロイダル形状を有し、基板に位置合わせされ近接したプラズマを形成し、その後、合成硬質材料のリングを基板の成長面上に成長させる。本発明はまた、ダイヤモンドなどの環形状の硬質材料で被覆される少なくとも１つの基板に面するトロイダル形状を有するプラズマを提供するように構成されたプラズマ反応器によっても達成される。
2019525001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波プラズマ活性化化学気相成長法によって基板上に合成材料を生成する方法であって、
１）中心軸（２００）を有する共振空洞（２１）を画定するプラズマエンクロージャ（２０）と、その中の基板ホルダ（３０）と、マイクロ波送出システム（７０）とを有するマイクロ波プラズマ反応器を提供するステップであって、
前記プラズマエンクロージャ（２０）は、前記上部プレート（２２）に適合されたプラズマチャンバカバー（４０）を有し、前記プラズマチャンバカバー（４０）は、前記ベースプレート（２４）の反対側の前記共振空洞（２１）の形状を画定するプラズマチャンバ天井（４２）を前記ベースプレート（２４）の反対側に有し、
前記基板ホルダ（３０）は、基板（１１０）または複数の基板を保持するように配置され、また前記基板ホルダ（３０）は前記プラズマチャンバ天井（４２）に面し、
前記マイクロ波送出システム（７０）は、周波数ｆのマイクロ波を発生させるように構成されたマイクロ波発生器（７０ａ）を有し、かつ前記マイクロ波発生器（７０ａ）を前記プラズマエンクロージャ（２０）の入口（２３）によって前記共振空洞（２１）に連結するマイクロ波結合システム（７２）を有している
マイクロ波プラズマ反応器を提供するステップと、
２）成長領域（１１０ａ）を有する基板（１１０）または複数の基板を、前記基板ホルダ（３０）上に置くステップと、
３）前記共振空洞（２１）内に、少なくとも前駆体ガスおよび／または反応性ガスを含むプロセスガスを導入するステップと、
４）マイクロ波を前記共振空洞（２１）内に発生させ、かつ前記プロセスガスを活性化して、前記基板（１１０）に位置合わせされかつ近接したトロイダル形状を有するプラズマを形成するステップであって、前記プラズマは、前記基板（１１０）に平行な環状断面を有し、それにより合成材料の少なくとも１つのリングが前記成長領域（１１０ａ）上で成長するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記基板（１１０）の形状が、リングである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板が、単一の基板または前記基板ホルダ（３０）上に環状配置に配置された複数の基板である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマチャンバ天井（４２）が、前記中心軸（２００）を含む全ての平面内かつ前記中心軸（２００）の各側に、多項式曲線によって定義される断面を有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記曲線が、放物線の一部分である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記曲線が、楕円形の一部分である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記プラズマチャンバ天井（４２）が、前記中心軸（２００）を含む全ての平面内かつ前記中心軸（２００）の各側に、少なくとも２つの異なる曲線によって定義される断面を有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記共振空洞（２１）が、前記周波数ｆでＴＭ共振モードを支持するように構成され、それにより前記共振モードが、トロイダル形状を有するプラズマを提供する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記共振モードが、ＴＭ０ｍｎ共振モードである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＴＭ０ｍｎモードが、ＴＭ０１１モードである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プロセスガスが、水素（Ｈ）および炭素（Ｃ）を含む、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記プロセスガスが、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ２、ＳｉＨ４、Ｈ２、Ｏ２、Ｂ２Ｈ６、ＣＨＦ３、ＳＦ６、ＴＭＢ、Ｎ２、Ａｒ、フッ素化誘導体、リン誘導体、塩素化誘導体、硫化物誘導体、ホウ素誘導体またはそれらの組み合わせの中から選択され得る、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の材料が、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、シリコン誘導体、ＣＢ、ＣＮ、Ｂ４Ｃ高融点金属およびそれらの誘導体、チタンおよびチタン系合金、超硬合金、セラミックス、溶融シリカまたはアルミナなどの酸化物、炭素誘導体、例えばダイヤモンド、グラファイト、ロンズデライト、フラーライト（Ｃ６０、Ｃ５４０、Ｃ７０）、無定形炭素、ならびに単層および多層カーボンナノチューブといった炭化物誘導炭素および全ての炭素同素体、カルビン、グラフェン、またはそれらの組み合わせの中から選択された別の材料の薄層で覆われた任意の材料で作られる、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
１時間当たりの堆積厚さとして定義される、前記堆積された合成材料の成長速度が、０．１μｍ／ｈより大きく、好ましくは１μｍ／ｈより大きい、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記反応器が、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動する、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
第２の基板ホルダ（３１）が前記基板ホルダ（３０）に面し、前記トロイダル形状プラズマ（１００）が前記第１の基板ホルダ（３０）と第２の基板ホルダ（３１）との間に形成され、前記第１および第２の基板ホルダ（３０、３１）はそれぞれ、前記プラズマ（１００）の両側に基板（１１０、１１１）を保持するように配置される、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記トロイダル形状のプラズマ（１００）に対する前記基板ホルダ（３０）の直線変位または回転変位のステップを含む、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
化学気相成長によって合成材料を製造するためのマイクロ波プラズマ反応器であって、
ベースプレート（２４）、上部プレート（２２）、および前記ベースプレート（２４）から前記上部プレート（２２）まで延びる側壁（２６）を有するプラズマエンクロージャ（２０）であって、ＴＭマイクロ波共振モードを支持するための、中心軸（２００）を有する共振空洞（２１）を画定する、プラズマエンクロージャ（２０）と、
周波数ｆのマイクロ波を発生させるように構成されたマイクロ波発生器（７０ａ）を有するマイクロ波送出システム（７０）と、
前記発生器（７０）からのマイクロ波を前記共振空洞（２１）内に結合するように配置されたマイクロ波結合システム（７２）と、
前記共振空洞（２１）内にプロセスガスを供給するための少なくとも１つのガス入口（２６）およびプロセスガスを除去するための少なくとも１つのガス出口（５２）を有するガスフローシステムと、
基板（１１０）を適合させるための領域（１１０ａ）を画定する基板ホルダ（３０）と、
少なくとも１つの誘電体素子（９０）と
を有するマイクロ波プラズマ反応器において、
前記プラズマエンクロージャ（２０）はプラズマチャンバカバー（４０）を有し、前記プラズマチャンバカバー（４０）は、前記ベースプレート（２４）の反対側の前記プラズマ共振空洞（２１）の形状を画定するプラズマチャンバ天井（４２）を前記ベースプレート（２４）の反対側に有し、それによって、作動中、トロイダル形状を有するプラズマ（１００）を閉じ込め、
前記マイクロ波結合システム（７０）は、前記マイクロ波発生器（７０ａ）を前記プラズマエンクロージャ（２０）の入口（２３）に連結する同軸ガイド（７０ｃ）を有し、
前記基板ホルダ（３０）は、リング、ディスク、プレート、単一の基板、または好ましくは環状配置に配置された複数の基板であり得る基板（１１０）を保持するように配置され、また前記基板ホルダ（３０）は、前記プラズマチャンバ天井（４２）に面している
マイクロ波プラズマ反応器。
【請求項１９】
前記プラズマチャンバ天井（４２）が、前記中心軸（２００）を含む全ての平面内かつ前記中心軸（２００）の各側に、多項式曲線によって定義される断面を有する、請求項１８に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２０】
前記曲線が、放物線の一部分である、請求項１９に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２１】
前記曲線が、楕円形の一部分である、請求項１９に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２２】
前記プラズマチャンバ天井（４２）が、前記中心軸（２００）を含む全ての平面内かつ前記中心軸（２００）の各側に、少なくとも２つの異なる曲線によって定義される断面を有する、請求項１８に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２３】
前記曲線の少なくとも１つが、直線の一部分である、請求項２２に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２４】
前記プラズマチャンバ天井（４２）が、前記中心軸（２００）と平行または一致する一次対称軸を有する、請求項１８から２３までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２５】
前記ガス入口（６２）が、前記中心軸（２００）と交差する対称中心を有するリング形状の開口部である、請求項１８から２４までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２６】
前記ガス入口（６２）が、対称軸として各前記中心軸（２００）を有する複数の同心のリング形状の開口部（６４）を含む、請求項１８から２５までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２７】
前記ガス入口（６２）が、前記中心軸（２００）と交差する対称中心を有する単一のガス入口または複数のガス入口である、請求項１８から２６までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２８】
前記プラズマチャンバカバー（４０）が、ガス入口（６２）の少なくとも２つの同心配列（６６）を有し、各同心配列（６６）は対象軸として前記中心軸（２００）を有する、請求項１８から２７までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項２９】
前記ガス入口（６２）の少なくとも１つが、前記成長領域（１１０ａ）に垂直な仮想軸と交差する、請求項１８から２８までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３０】
前記共振空洞（２１）が、前記周波数ｆにおいて、前記ベースプレート（２４）と前記プラズマカバー天井（４２）との間で少なくとも１つの共振ＴＭモードを支持するように構成され、それにより、前記共振モードは、前記反応器が作動しているときにトロイダル形状を有するプラズマを提供する、請求項１８から２９までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３１】
前記共振モードが、ＴＭ０ｍｎモードである、請求項３０に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３２】
前記ＴＭ０ｍｎモードが、ＴＭ０１１モードである、請求項３１に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３３】
前記プラズマ反応器が、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動するように構成される、請求項１８から３３までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３４】
前記基板ホルダ（３０）が、前記中心軸（２００）に対して平行な方向または角度を成す方向に直線運動を可能にするように構成される、請求項１８から３３までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【請求項３５】
前記基板ホルダ（３０）が、水平面および／または垂直面内で回転運動を可能にするように構成される、請求項１８から３４までのいずれか一項に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の環状硬質材料を製造する方法に関し、また合成ダイヤモンドや関連材料などの硬質材料の薄膜を製造するためのマイクロ波プラズマ発生器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドフィルムは、極度の硬さ、高い熱伝導率、および広帯域の光透過性を含む、多くの優れた物理的特性を有している。これはダイヤモンドを多くの用途にとって特に魅力的なものにする。
【０００３】
化学気相成長（ＣＶＤ）技術を用いたダイヤモンドなどの硬質材料の薄膜の合成がよく知られ、例えばＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  ｍａｔｔｅｒ、２１、３６（２００９）に記載されており、これはダイヤモンド関連技術の概説を提供している。ＣＶＤダイヤモンド堆積技術および材料の概説は、Ｊ．Ｅ．Ｂｕｔｌｅｒら、「Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ  ｔｈｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｉａｍｏｎｄ：ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ；Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ、Ｖｏｌ．２１、ｎｒ．３６、３６４２２、（２００９）に見出すことができる。
【０００４】
ＣＶＤ技術を用いて得られる多結晶ダイヤモンドの堆積は、水素と炭素前駆体とを含むガス混合物を分解する原理に基づいている。気相での活性化は、ホットフィラメント化学気相成長法（Ｈｏｔ  Ｆｉｌａｍｅｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＨＦＣＶＤ）によって、またはマイクロ波プラズマ（マイクロ波プラズマ化学気相成長法、ＭＰＣＶＤ）またはＤＣアークプラズマによって実施される。
【０００５】
マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）技術は、フィラメントからの汚染がないこと、十分に制御された微細構造を得ることを可能にする高原子状水素濃度、および高品質の堆積されたダイヤモンド膜などのいくつかの利点を有する。
【０００６】
過去２０年間に、石英管、石英ベルジャーをベースとし、反応器の円筒形、楕円形または非円筒形の形状の空洞を有するものなど、いくつかのタイプのＭＰＣＶＤ反応器が提案されてきた。
【０００７】
全てのＭＰＣＶＤ反応器は、少なくとも共振モード、結合システム、誘電体素子および空洞の寸法を選択することによって設計されている。先行技術の反応器は全て、ディスク形状の表面を被覆するように設計されている。例えば、文献：米国特許出願公開第２０１４０２３０７２９号明細書には、合成ダイヤモンドを製造するためのマイクロ波プラズマ反応器が説明されている。米国特許出願公開第２０１４０２３０７２９号明細書に説明されている反応器は、ＴＭ０１１共振モードを使用し、ディスクの全表面を薄膜ダイヤモンド層でコーティングすることを可能にする球形状プラズマを提供する。米国特許出願公開第２０１４０２３０７２９号明細書に記載されている反応器内のプラズマは球形状を有するので、ディスク様形状の堆積以外の他の形状を堆積することはできない。
【０００８】
他方で、ＨＦＣＶＤ技術は、様々な大型基板上に堆積することを可能にするが、堆積されるべきダイヤモンドの必要な厚さは、ほとんどの用途に対して２０〜１００μｍである。ＨＦＣＶＤ技術の成長速度は、約０．１５〜０．５μｍ／ｈであり、これは、数十ミクロンの厚さを有するダイヤモンド薄膜の大容量生産には絶対的に許容できない。単一の反応器では、２０〜１００μｍのダイヤモンド厚を有するいくつかのウエハを実現するのに１週間以上かかる。
【０００９】
環形状を有し、外径が３００〜４００ｍｍの炭化ケイ素などの表面上に２０〜１００μｍの厚さのダイヤモンド膜を実現することを可能にするプロセスおよび反応器に対する需要が高まっている。１つの用途は、例えば産業用機械の循環ポンプ用のロータリーシール向けである。別の用途は、半導体エッチング機におけるフォーカスリングである。そのような機械の反応性が高い環境により、既存のリングは反応性ガスによって急速に損傷を受ける。
【００１０】
利用可能な反応器または方法のいずれも、３００ｍｍを超える外径を有する環形状の基板上に約２０〜１００μｍの厚さを有するダイヤモンドの膜を高いコスト効果で実現することはできない。既存のＭＰＣＶＤ反応器は約１５０ｍｍの直径に限定されており、ＨＦＣＶＤ反応器による堆積は遅すぎる。先行技術の方法または装置のいずれも、高いコスト効果の工業的方法で環形状の合成ダイヤモンド膜を実現することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４０２３０７２９号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  ｍａｔｔｅｒ、２１、３６（２００９）
【非特許文献２】Ｊ．Ｅ．Ｂｕｔｌｅｒら、「Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ  ｔｈｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｉａｍｏｎｄ：ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ；  Ｊ．Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ、Ｖｏｌ．２１、ｎｒ．３６、３６４２２、（２００９）
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、トロイダルプラズマを生成して基板上に材料の環形状の堆積を実現する方法を提供することである。本発明はまた、トロイダル形状のプラズマを生成するように構成された新しいマイクロ波プラズマ反応器にも関する。
【００１４】
より正確には、本発明は、マイクロ波プラズマ活性化化学気相成長法によって基板上に合成材料を生成するための方法であって、
−  中心軸を有する共振空洞（空洞共振器）を画定するプラズマエンクロージャと、その中の基板ホルダと、マイクロ波送出システムとを備えるマイクロ波プラズマ反応器を提供するステップであって、
前記プラズマエンクロージャは、前記上部プレートに適合されたプラズマチャンバカバーであって、前記ベースプレートの反対側に、前記ベースプレートの反対側の前記共振空洞の形状を画定するプラズマチャンバ天井を備える、プラズマチャンバカバーを備え、
前記基板ホルダは、１つの基板または複数の基板を保持するように配置され、前記基板ホルダは前記プラズマチャンバ天井に面し、
前記マイクロ波送出システムは、周波数ｆのマイクロ波を発生させるように構成されたマイクロ波発生器を備え、前記マイクロ波発生器を前記プラズマエンクロージャの入口によって前記共振空洞に連結するマイクロ波結合システムを備えている
マイクロ波プラズマ反応器を提供するステップと、
−  成長領域を有する基板、または複数の基板を前記基板ホルダ上に置くステップと、
−  前記共振空洞内に、少なくとも前駆体ガスおよび／または反応性ガスを含むプロセスガスを導入するステップと、
−  マイクロ波を共振空洞内に発生させ、プロセスガスを活性化して、前記基板に位置合わせされ近接したトロイダル形状を有するプラズマを形成するステップであって、前記プラズマは前記基板に平行な環状断面を有しており、その後合成材料の少なくとも１つのリングを前記成長領域上で成長させる、ステップと
を含む方法によって達成される。
【００１５】
一実施形態では、方法は、トロイダル形状のプラズマに対する基板ホルダの線形または回転変位のステップを含む。
【００１６】
一実施形態では、基板は、単一の基板または前記基板ホルダ上に環状配置に配置された複数の基板である。
【００１７】
一実施形態では、プラズマチャンバ天井は、前記中心軸を含む全ての平面内かつ前記中心軸の各側に、多項式曲線によって画定される断面を有する。
【００１８】
一実施形態では、前記曲線は、放物線の一部分である。
【００１９】
一実施形態では、前記曲線は、楕円形の一部分である。
【００２０】
一実施形態では、プラズマチャンバ天井は、前記中心軸を含む全ての平面内かつ前記中心軸の各側に、少なくとも２つの異なる曲線によって画定される断面を有する。
【００２１】
一実施形態では、共振空洞は、前記共振モードがトロイダル形状を有するプラズマを提供するように、前記周波数ｆでＴＭ共振モードを支持するように構成される。
【００２２】
一実施形態では、前記共振モードは、ＴＭ０ｍｎ共振モードである。
【００２３】
一実施形態では、前記ＴＭ０ｍｎモードは、ＴＭ０１１モードである。
【００２４】
一実施形態では、プロセスガスは、水素（Ｈ）および炭素（Ｃ）源を含む。
【００２５】
一実施形態では、プロセスガスは、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ２、ＳｉＨ４、Ｈ２、Ｏ２、Ｂ２Ｈ６、ＣＨＦ３、ＳＦ６、ホウ酸トリメチル（Ｃ３Ｈ９ＢＯ３）、Ｎ２、Ａｒ、フッ素化誘導体、リン誘導体、塩素化誘導体、硫化物誘導体、ホウ素誘導体またはそれらの組み合わせの中から選択されてよい。
【００２６】
一実施形態では、基板の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、シリコン誘導体、ＣＢ、ＣＮ、Ｂ４Ｃ高融点金属およびそれらの誘導体、チタンおよびチタン系合金、超硬合金、セラミックス、溶融シリカまたはアルミナなどの酸化物、炭素誘導体、炭化物誘導炭素および炭素同素体、例えばダイヤモンド、グラファイト、ロンズデライト、フラーライト（Ｃ６０、Ｃ５４０、Ｃ７０）、無定形炭素、ならびに単層および多層カーボンナノチューブ、カルビン、グラフェン、またはそれらの組み合わせなどの中から選択された別の材料の薄層で覆われた任意の材料で作られる。
【００２７】
一実施形態では、１時間当たりの堆積厚さとして定義される、堆積された合成材料の成長速度は、０．１μｍ／ｈより大きく、好ましくは１μｍ／ｈより大きい。
【００２８】
一実施形態では、反応器は、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動する。
【００２９】
一実施形態では、第２の基板ホルダが前記基板ホルダに面し、トロイダル形状のプラズマは前記第１と第２の基板ホルダの間に形成され、前記第１および第２の基板ホルダはそれぞれ、前記プラズマの両側で基板を保持するように配置される。
【００３０】
本発明はまた、化学気相成長法によって合成材料を製造するためのマイクロ波プラズマ反応器であって、
−  ベースプレート、上部プレート、および前記ベースプレートから前記上部プレートまで延びる側壁を備え、中心軸を有する、ＴＭマイクロ波共振モードを支持するための共振空洞を画定する、プラズマエンクロージャと、
−  周波数ｆのマイクロ波を発生させるように構成されたマイクロ波発生器を備えるマイクロ波送出システムと、
−  前記発生器からのマイクロ波を共振空洞内に結合するように配置されたマイクロ波結合システムと、
−  共振空洞内にプロセスガスを供給するための少なくとも１つのガス入口と、そこからプロセスガスを除去するための少なくとも１つのガス出口とを備えるガスフローシステムと、
−  基板を適応させるための領域を画定する基板ホルダと、
−  少なくとも１つの誘電体素子と
を有し、
前記プラズマエンクロージャは、プラズマチャンバカバーであって、前記ベースプレートの反対側に、前記ベースプレートの反対側のプラズマ共振空洞の形状を画定するプラズマチャンバ天井を備え、それによって、作動中、トロイダル形状を有するプラズマを閉じ込める、プラズマチャンバカバーを備え、
前記マイクロ波結合システムは、前記マイクロ波発生器を前記プラズマエンクロージャの入口に連結する同軸ガイドを備え、
前記基板ホルダは、リング、ディスク、プレートであることができる基板、または好ましくは環状配置で配置された複数の基板を保持するように配置され、前記基板ホルダは前記プラズマチャンバ天井に面している
マイクロ波プラズマ反応器によって達成される。
【００３１】
一実施形態では、プラズマチャンバ天井は、前記中心軸を含む全ての平面内かつ前記中心軸の各側に、多項式曲線によって画定される断面を有する。
【００３２】
一実施形態では、前記曲線は、放物線の一部分である。
【００３３】
一実施形態では、前記曲線は、楕円形の一部分である。
【００３４】
一実施形態では、プラズマチャンバ天井は、前記中心軸を含む全ての平面内かつ前記中心軸の各側に、少なくとも２つの異なる曲線によって画定される断面を有する。
【００３５】
一実施形態では、前記曲線の少なくとも１つは、直線の一部分である。
【００３６】
一実施形態では、前記プラズマチャンバ天井は、前記中心軸と平行または一致する一次対称軸を有する。
【００３７】
一実施形態では、前記ガス入口は、前記中心軸と交差する対称中心を有するリング形状の開口部である。
【００３８】
一実施形態では、前記ガス入口は、対称軸として各前記中心軸を有する複数の同心リング形状の開口部を含む。
【００３９】
一実施形態では、前記ガス入口は、前記中心軸と交差する対称中心を有する単一のガス入口または複数のガス入口である。
【００４０】
一実施形態では、前記プラズマチャンバカバーは、ガス入口の少なくとも２つの同心配列を含み、各同心配列は、対称軸として前記中心軸を有する。
【００４１】
一実施形態では、前記ガス入口の少なくとも１つは、前記成長領域に対して垂直な仮想軸と交差する。
【００４２】
一実施形態では、前記共振空洞は、前記周波数ｆにおいて、ベースプレートと前記プラズマカバー天井との間で少なくとも１つの共振ＴＭモードを支持するように構成され、それにより前記共振モードは、反応器が作動中にトロイダル形状を有するプラズマを提供する。
【００４３】
一実施形態では、前記共振モードは、ＴＭ０ｍｎモードである。
【００４４】
一実施形態では、前記ＴＭ０ｍｎモードは、ＴＭ０１１モードである。
【００４５】
一実施形態では、プラズマ反応器は、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動するように構成される。
【００４６】
一実施形態では、前記基板ホルダは、前記中心軸に対して平行な方向または角度を成す方向に直線運動を可能にするように構成される。
【００４７】
一実施形態では、前記基板ホルダは、水平面および／または垂直面内で回転運動を可能にするように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】作動中の、化学気相成長技術を使用して環形状の合成硬質材料を堆積するように構成されたマイクロ波プラズマ反応器の垂直断面図である。
【図２】反応器の基板ホルダに平行なプラズマのトーラス面内の、作動中のマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、化学気相成長技術を使用して、トロイダル形状を有するプラズマの側面の前に各々が配置された２つの基板上に、硬質材料の環形状の薄膜を堆積するように構成されたさらに別のマイクロ波プラズマ反応器の垂直断面図である。
【図４】プラズマエンクロージャおよび共振空洞の一実施形態を示す図である。
【図５】プラズマエンクロージャおよび共振空洞の異なる実施形態を示す図である。
【図６】プラズマエンクロージャおよび共振空洞のさらに異なる実施形態を示す図である。
【図７】プラズマエンクロージャおよび共振空洞のさらに異なる実施形態を示す図である。
【図８】プラズマエンクロージャの上面図である。
【図９】プラズマエンクロージャおよび同軸ガイドの側面図である。
【図１０】複数のリング形状のガス入口を示す図である。
【図１１】ガス入口の同心配置を示す図である。
【図１２】回転軸によって連結された２つの部分を備えるプラズマ反応器の構成を示す図である。
【図１３】回転軸によって連結された２つの部分を備えるプラズマ反応器の異なる構成を示す図である。
【図１４】回転軸によって連結された２つの部分を備えるプラズマ反応器のさらに異なる構成を示す図である。
【図１５】共通の垂直回転軸を有する２つの部分の回転によって開くことができる２つの部分を備えるプラズマ反応器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明の一実施形態による、プラズマ反応器または反応器としても定義されるマイクロ波プラズマ反応器を示す。
【００５０】
図１を参照すると分かるように、マイクロ波プラズマ反応器は以下の要素を含む：
（１）プラズマチャンバとしても画定される、共振空洞（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｃａｖｉｔｙ）２１を画定するプラズマエンクロージャ２０であって、少なくとも以下の（１から６）を備える、プラズマエンクロージャ。
１．上部プレート中心２２ａを有する上部プレート２２。
２．ベースプレート中心２５ａを有する反応器底面２５を有する、ベースプレート２４として画定される底部プレート。
前記中心２２ａおよび２５ａを含む仮想線は、反応器の中心軸２００を画定し、プラズマ反応器内の垂直ｚ軸を画定する。前記中心軸２００に垂直に、基板ホルダ３０と平行な水平面が画定される。水平面は、前記ｚ軸に直交する直交ｘ軸およびｙ軸によって画定される。
３．前記ベースプレート２４の側に、プラズマチャンバ天井４２として画定される下面を有するプラズマチャンバカバー４０。さらに詳細に説明するように、前記天井４２は平坦または湾曲していてもよい。さらに説明するように、プラズマチャンバ天井４２は、反応器によって生成されるトロイダルプラズマの所定のサイズおよび形状に応じて異なる形状を有することができる。
４．図５に示す厚さｔを有し、図５および図６に示す内面２６ａを含む側壁２６。前記厚さｔは必ずしも均一である必要はなく、図６および図７の実施形態に示すように変化してもよいことが理解される。
５．共振空洞２１の側に配向され、マイクロ波を共振空洞２１に送信するように配置された少なくとも１つの内面９０ａを有する少なくとも１つの誘電体素子９０。
６．成長面１１０ａを有する基板１１０を保持するための、共振空洞２１内に配設された基板ホルダ３０。
（２）マイクロ波送出システム７０であって、反応器の作動中に、トロイダル形状を有するプラズマ１００をプラズマチャンバ２０内に形成するためのエネルギー源である、マイクロ波供給源または供給源としても規定される、マイクロ波発生器７０ａを備え、マイクロ波発生器７０ａは、図１に示すように、通常は３つの部分：マイクロ波ガイド７０ｂ、マイクロ波を共振空洞２１に供給するための同軸ケーブル７０ｃ、およびマイクロ波ガイド７０ａと前記同軸ケーブル７０ｃとの間に配置されたアンテナ７０ｄを備えるマイクロ波結合システム７２を備えるマイクロ波伝送手段によって共振空洞２１に連結される、マイクロ波送出システム。この構成は、当業者には周知であり、ここではこれ以上説明しない。これについては、次の刊行物を参照する：Ｓｉｌｖａら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ  ２１（２００９）３６４２０２。
（３）共振空洞２１内にプロセスガスを供給するためのガス入口６２を備えるガス流分配システム６０に連結されたガス貯蔵器６５。
（４）前記共振空洞２１からプロセスガスを除去するためのポンプおよびガス出口５２を備えるガス出口システム。
【００５１】
プラズマエンクロージャ２０は、反応器が作動しているときにプラズマ１００が形成される共振空洞２１を画定する全ての機械的要素を備えることが理解される。プラズマエンクロージャ２０はまた、マイクロ波が共振空洞にそれによって結合される少なくとも１つの入口２３を備える。様々な構成がさらに説明され、図１から図１１に示されている。図５〜図７は、前記中心軸２００の一方側の断面のみを示している。明確にするために、図５〜図７は、マイクロ波送出システムを完全には示しておらず、反応器のガス出口も示していない。
【００５２】
前記側壁２６は広く画定されており、所定の厚さｔを有する壁であることが理解される。有利には、壁２６は、例えば図５〜図７の実施形態に示すように、少なくとも部分的には、前記プラズマチャンバカバー４０の一部であり得る。また、諸実施形態では、側壁２６は、図６および図７の実施形態に示すように異なる要素を含むことができる。
【００５３】
図１に示すその最も単純な構成では、プラズマエンクロージャ２０は、好ましくは厚さｔを有する円筒形状壁２６と、前記上部プレート２２の前記基板ホルダ３０の側に配置されたほぼ平坦なプラズマチャンバカバー４０と、平坦な反応器底面２５を有するほぼ平坦なベースプレート２４と、誘電体素子９０とを備える。前記最も単純な構成のプラズマエンクロージャ２０は、反応器が作動しているときにトロイダルプラズマが中に形成される共振空洞２１を画定する円筒形状容積部を有する。図１に示すその最も単純な構成では、共振空洞２１は、壁２６の内面、前記反応器底面２５、前記プラズマチャンバ天井４２、および誘電体窓の前記内面９０ａによって画定された容積部によって形成される。諸変形形態では、例えば図６の実施形態に示す追加の要素４５などの追加の要素が前記プラズマエンクロージャ２０内に含まれてもよいことが理解される。前記プラズマ反応器底部２５は、必ずしも平坦な表面を有する必要はなく、ベースプレート２４は異なる形状の要素のアセンブリによって実現されてもよいことも理解される。有利には、図７に示すように、サンプルホルダ３０は、共振空洞２１の下側部分の形態が少なくとも部分的にサンプルホルダ３０の内面３２によって決定されるように構成され得る。図７の実施形態では、サンプルホルダはベースプレート２４に適合されているが、一変形形態では、サンプルホルダ３０は反応器のベースプレートとして構成されてもよい。一変形形態では、プラズマカバー４０およびサンプルホルダ３０が２つの部分、すなわち共通回転軸によって回転することができる１Ａおよび１Ｂそれぞれを構成するように、反応器が図１２〜１４の実施形態に示され、さらに論じるように構成されてよい。
【００５４】
一変形形態では、上部プレート２２およびプラズマチャンバカバー４０は、図６および図７に示すように一体品で作製されてもよい。壁２６、ベースプレート２４、上部プレート２２、誘電体窓９０、プラズマチャンバカバー４０は、異なる要素のアセンブリによって実現されてもよいことも理解される。これらの異なる要素は、異なる材料によって実現されてよく、またはコーティング、例えばプラズマエンクロージャ２０の部品の内部表面を保護するように適合されたコーティングを含んでもよい。前記最も単純な構成の一変形形態では、マイクロ波は、異なる配置で共振空洞２１に結合されてもよい。例えば、マイクロ波は、側壁２６内またはベースプレート２４内に配置された誘電体窓９０を介して結合されてもよい。図８は、円筒形状の誘電体素子９０を備える一実施形態の上面図を示す。図７の実施形態では、誘電体窓９０および同軸ガイド７０ｃは、それらの対称軸として両方の中心軸を有し、両方ともプラズマエンクロージャ２０の側壁２６内またはその近くに配置されている。
【００５５】
また、諸変形形態では、プロセスガスおよび反応性ガスは、ベースプレート２４を介して、または側壁２６を介して、あるいはその両方を介して共振空洞２１に供給されてよい。
【００５６】
また、他の変形形態では、ガス出口は、前記プラズマエンクロージャ２０の別の部分内に配置されてもよい。ガス入口２６を基板ホルダ３０の下、すなわちベースプレート２４内に構成してよいことも可能である。
【００５７】
さらに詳細に説明するように、ガス入口６２は異なる構成を有してもよく、単一のリング、単一のガス入口、または複数のガス入口６２として構成されてもよい。
【００５８】
好ましくは、基板ホルダ３０の中心３０ａと基板１１０の中心１１２とが前記中心軸２００上に整列しているが、必ずしもそうである必要はないことに留意する必要がある。
【００５９】
有利には、プラズマ反応器は、基板１１０の温度を制御するために冷却または加熱を可能にする基板サーモスタットシステムを備える。この温度調節システムの様々な構成が可能であり、図には示されていない。
【００６０】
ここで、プラズマ１００という表現は、反応器が作動しているときに反応器によって提供されるトロイダル形状を有するプラズマを意味することが理解される。反応器によって生成されたプラズマは、好ましくは基板ホルダ３０と平行な中央平面１５０を有し、図１に示すようにプラズマ中心１００ａを有する。
【００６１】
「トロイダル形状」という表現は、プラズマ１００を備えていない中央部分１２０であって、基板ホルダ３０と平行な平面内に画定された中央部分１２０を有する任意の形状のプラズマ１００、例えば中央円筒状部分がプラズマを含まない管形状のプラズマなどを含む。プラズマトーラス１００は、基板ホルダ３０に垂直な任意の平面内に、リングトーラスの形状またはホーントーラスの形状またはスピンドルトーラスの形状を有することができる。プラズマトーラスの断面は、基板ホルダに垂直な任意の平面内に、必ずしも円形形状を有する必要はなく、楕円形または多項式関数によって定義される形状を有してもよい。
【００６２】
好ましくは、プラズマのその中央平面１５０内の形状は、図２に示すようにトーラスの長軸Ｒ１および短軸Ｒ２を画定する２つの同心円Ｃ１およびＣ２によって画定される。トロイダルプラズマ１０２は、前記中心軸側の内面１０２と、前記内面１０２とは反対側の外面１０４とを有する。中心軸２００を含む平面内に画定される、トーラスの外面１０４および内面１０２の断面は、半円であることが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。例えば、中心軸２００を含む平面内に画定されたトーラスの外面１０４および内面１０２の断面は、楕円形の一部分によって画定されてもよい。
【００６３】
前記基板ホルダ３０と平行な任意の平面内に画定されたプラズマ１００の断面は、任意の形状、好ましくはリング型の形状を有することができるが、潰れたリングのような他の形状も可能である。より正確には、内側境界１０２および外側境界１０４はそれぞれ、多項式関数によって定義され得る。好ましくは、内側境界１０２および外側境界１０４の形状は、円形または楕円形である。前記基板ホルダ３０に平行な任意の平面内に画定されたプラズマの任意の断面の外側境界１０４の形状は、前記平面内のプラズマの内側境界１０２の形状とは異なり得る。例えば、外側プラズマ境界１０２は楕円形状を有してもよく、内側プラズマ境界１０４は、基板ホルダ３０に平行な任意の平面内でほぼ円形であってよい。
【００６４】
好ましい実施形態では、共振空洞２１は、マイクロ波周波数ｆで反応器ベース面２５と内壁２６とプラズマチャンバ天井４２との間で共振モードを支持する形状を有するように構成され、それにより、トロイダルプラズマを有するプラズマを共振空洞２１内に生成することができ、トロイダルプラズマは、反応器の作動中に安定したままとなる。
【００６５】
一実施形態では、反応器は、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動する。
【００６６】
一実施形態では、マイクロ波プラズマ反応器のプラズマチャンバの幾何学的形状の比率は、反応器の作動中に安定したトロイダル形状を有するプラズマを提供し、維持するように選択される。
【００６７】
一実施形態では、プラズマ反応器は円筒形状空洞を有するが、他の形状、例えば反応器の任意の水平面内の多項式によって定義される反応器断面も可能である。
【００６８】
本発明の変形形態では、トロイダル形状を有するプラズマを提供するために様々なＴＭ共振モードを使用することができる。
【００６９】
一実施形態では、前記共振モードは、ＴＭ０ｍｎモードである。
【００７０】
一実施形態では、前記ＴＭ０ｍｎモードは、ＴＭ０１１モードである。
【００７１】
誘電体窓９０は、好ましくはディスク形状の誘電体素子であり、図１の基本構成では、上部プレート２２と平行に配置されている。誘電体はまた、環形状、円錐形状、管形状、または他の任意の適切な形状を有することができる。
【００７２】
諸変形形態では、基板１１０の中心１１２、誘電体窓９０の中心９０ａ、および基板ホルダ３０の中心３０ａの少なくとも１つは、前記中心軸２００上に配置されていない。
【００７３】
一実施形態では、反応器が作動しているとき、トロイダルプラズマ１００が、前記中心軸２００、および／または基板１１１の中心１１１および／または基板ホルダ３０の中心３０ａ、および／または誘電体素子の中心９０ａに対して偏心しているように、共振空洞２１を構成することができ、前記偏心は、基板中心１１２および／または基板ホルダ中心３０の中心３０ａを通る仮想垂直軸に対するものと理解される。
【００７４】
一実施形態では、基板ホルダ３０は、反応器が作動しているときに前記プラズマに面する環状構成に配置された複数の基板ホルダを備えることができる。好ましくは、複数の基板ホルダは、前記中心軸２００に対して対称的に位置合わせされる。前記複数の基板ホルダのうちの少なくとも１つ上に、コーティングされる基板１１０を適合させることができる。
【００７５】
より一般的には、基板ホルダ３０という表現は、基板１１０と定義される少なくとも１つの物体を、反応器が作動しているときにトロイダルプラズマに平行であり、これに面している前記基板ホルダ３０のリング形状の表面部分上に適合させることを可能にする、任意のタイプの基板ホルダ３０または複数の基板ホルダ３０を含む。有利には、成長面１１０ａは、基板１１０層のコーティングされた領域の表面であり得る。一変形形態では、基板は、層が反応器によって堆積されなければならない側にコーティングを含むリング形状の基板である。例えば、基板は、誘電体コーティングを含むスチールリングであり得る。別の例では、基板は、グラフェンコーティングを含むＳｉＣリングであり得る。
【００７６】
一変形形態では、作動中に反応器によって層が堆積されなければならない複数の基板１１０が、ディスク形状を有する単一の基板ホルダ３０上に配置され得る。
【００７７】
諸実施形態では、基板ホルダ３０は、図９に示すように、ウエハ１０００を基板ホルダ３０上に置きおよび／または固定できるように構成され得る。図９は、ウエハ基板１０００上に形成されたリング状コーティング１００２を示す。
【００７８】
図１から図９の実施形態では、ガス入口６２は、前記中心軸２００と平行に配向されている。
【００７９】
一変形形態では、ガス入口６２は異なる配向を有することができる。一変形形態では、複数のガス入口６２がプラズマ反応器内に設けられてよく、前記複数のガス入口６２のそれぞれは、前記中心軸２００に対して異なる配向を有することができる。
【００８０】
他の変形形態では、ガス入口６２は、プラズマ反応器の少なくとも１つの水平面内に配置され配向されてもよい。
【００８１】
諸実施形態では、ガス入口６２は、図１０に示すように同心リング形状のガス入口を備えるリング配列６４であり得る。
【００８２】
図１１に示す変形形態では、ガス入口６２は、ガス入口６２の複数の同心配列（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）として配置されている。
【００８３】
ガス入口６２は、例えば円筒形状または円錐形状を有することができることが理解される。図９および図１０の配列の全てのガス入口６２が同じ形状を有するわけではないこともまた理解される。例えば、図１１の実施形態では、第１の配列６６ａのガス入口は、第２の配列６６ｂのガス入口とは異なる形状を有していてもよい。
【００８４】
同様に、ガス出口５２は、図１に示すようにプラズマ反応器の下部に位置することが好ましい。一変形形態では、ガス出口５２は、異なる配向を有してもよく、上部プレート２２内または壁２６内に配置されてもよい。
【００８５】
一変形形態では、複数のガス出口５２がプラズマ反応器内に設けられてよく、前記複数のガス出口５２のそれぞれは、前記垂直軸２００に対して異なる配向を有することができる。一変形形態では、ガス出口５２は、プラズマ反応器の水平面内に配置され配向されてもよい。
【００８６】
一実施形態では、マイクロ波送出システム７０は、プラズマのトロイダル形状を成形および維持することができる特定の構成を有することができる。同じことが、トロイダルプラズマを成形および／または安定化するように構成することができる誘電体窓にも当てはまる。例えば、マイクロ波送出システム７０は、マイクロ波案内装置を備えることができ、共振空洞２１の入口２３の内側に配置されたこの装置の末端部は、反応器が作動しているときに環状プラズマを成形および安定化することを可能にする特定の形状を有する。末端部の前記特定の形状は、例えば球状または円筒状または管状または円錐状の形状であり得る。
【００８７】
図４から図９に示す実施形態では、マイクロ波案内装置は、内壁７０ｅと外壁７０ｆとを有する管を含む同軸ガイド７０ｃであり、管の壁の内側部分７０ｇはマイクロ波を案内するように配置されている。マイクロ波同軸ガイドの内側部分７０ｃは、同心の壁によって囲まれた空の部分であることが好ましく、またはガスおよび／または水などの冷却液で満たされた内部管を含むことができる。図４から図９に示す実施形態では、同軸ガイド７０ｃの末端部は、共振空洞２１の入口２３に面して配置されており、リング形状の誘電体素子９０は前記入口に配置されている。諸変形形態では、誘電体素子９０は、対称軸として前記中心軸２００を有する六角形形状を有することができる。
【００８８】
一実施形態では、追加の導電体素子または誘電体素子をプラズマ反応器２０内、例えばプラズマ反応器の側壁２６に配置することができる。前記追加の要素は、反応器が作動しているときにトロイダル形状のプラズマを成形し安定化させるのに役立ち得る。プラズマ反応器は円筒形状を有するが、これは必ずしも必要ではない。プラズマ反応器の任意の水平面内の断面は、多項式関数によって定義される任意の形状を有することができる。
【００８９】
一実施形態では、反応器は、作動中に、図３に示すように、前記プラズマ１００の両側に各々が配置され保持されている２つの基板１１０、１１４をコーティングするように構成される。これは、例えば、基板１１０、１１２のそれぞれを基板ホルダ３０、３１の側面に締め付けることによって実現され得る。図に示さないこの実施形態では、プラズマは、前記下面と上面との間に位置し、前記上下部分は、プラズマの中央部分１２０を貫通する中央要素によって機械的に連結されている。この実施形態は、２つのリング形状の基板１１０、１１１の同時コーティングを実現することを可能にする。
【００９０】
一実施形態では、反応器は、作動中、トロイダル形状を有する少なくとも２つのプラズマを生成するように配置されてよく、各トロイダルプラズマは、異なる外径を有し、各プラズマは、前記基板ホルダ３０と平行な平面内に画定される同じ対称中心を有する。この実施形態は、異なる直径を有する少なくとも２つのリング形状の基板をコーティングすることを可能にする。
【００９１】
一変形形態では、少なくとも２つのトロイダルプラズマの前記対称中心は異なる。
【００９２】
諸変形形態では、２つのトロイダルプラズマは、同心で、１つの平面内に位置してよく、または２つのトロイダルプラズマは平行でもよい。
【００９３】
基板ホルダ３０は、環状セクタ、すなわち円弧形状を有する複数の基板のそれぞれの上に、硬質材料コーティングを反応器によって堆積させることができるように複数の基板を適合させるように構成されてよいことも理解される。
【００９４】
好ましい実施形態では、プラズマチャンバ天井４２は、前記中心軸２００を含む任意の平面内かつ前記中心軸２００の両側に、多角形によって画定される曲線の形状を有する断面を有する。
【００９５】
一実施形態では、前記曲線は、放物線の一部分である。
【００９６】
一実施形態では、前記曲線は、楕円形の一部分である。
【００９７】
一実施形態では、前記中心軸２００を含む平面内かつ前記中心軸２００の各側に、プラズマチャンバ天井４２の任意の断面が、少なくとも２つの異なる曲線の一部分によって画定される。
【００９８】
一実施形態では、前記曲線の少なくとも１つは、直線の一部分である。
【００９９】
一実施形態では、前記プラズマチャンバ天井４２は、前記中心軸２００に平行な一次対称軸を有する。
【０１００】
一変形形態では、前記対称軸は、前記中心軸２００と同一直線上にある。
【０１０１】
図４に示す実施形態では、前記中心軸２００に相対する側に、前記中心軸２００を含む平面を有する前記プラズマチャンバ天井４２の任意の断面の部分は、前記中心軸２００に平行な二次対称軸２０２を含む。
【０１０２】
有利には、前記二次対称軸２０２は、前記領域１１０ａと交差してもよい。
【０１０３】
図１２〜図１４に示す実施形態では、プラズマ反応器は、共通の回転軸２０ｃ、２０３によって連結された第１の部分（１Ａ）および第２の部分（２Ｂ）を含むことができる。図１２〜図１４の構成は、プラズマ反応器内への基板１００の挿入を容易にすることを可能にする。プラズマ反応器を開閉するための他の構成も当然ながら考えることができるが、ここでは説明されない。例えば、プラズマ反応器は、基板を挿入することができる矩形形状の側面開口部を含む。
【０１０４】
図１２〜図１４は、プラズマ反応器の閉位置および開位置を示す。
【０１０５】
図１２の実施形態では、反応器は、前記２つの部分１Ａ、１Ｂが水平軸２０ｃの周りに角度αだけ回転され得るように構成される。
【０１０６】
図１３の実施形態では、反応器は、前記２つの部分１Ａ、１Ｂが垂直軸２０ｃを中心とする水平面内で角度βだけ回転され得るにように構成される。図１５の実施形態は、共通軸２０３の周りで角度θだけ回転させることができる２つの部分４０ａ、４０ｂを含み、それによって前記２つの部分４０ａ、４０ｂを水平面内で移動させることができる、プラズマ反応器の構成の一例を示す。図１５の実施形態では、第１の部分は第１の開口部７５Ａを含み、第２の部分１Ｂは第２の開口部を含む。２つの部分１Ａ、１Ｂを閉じることによって、２つの開口部７５ａ、７５ｂは、中央開口部を形成し、その中にマイクロ波ガイド７０ｃを配置することができる。
【０１０７】
図１４の実施形態では、反応器は、前記２つの部分１Ａ、１Ｂが垂直方向に変位Δｚだけ分離され得るように構成される。
【０１０８】
諸変形形態では、プラズマ反応器は、基板ホルダ３０の垂直移動を可能にするように構成される。
【０１０９】
本発明の全ての実施形態において、１時間当たりの堆積厚さとして定義される、基板上に堆積される合成材料の堆積速度は、０．１μｍ／ｈより大きいことが理解される。ダイヤモンドの堆積の場合、１時間当たりの堆積厚さは、典型的には０．１μｍ／ｈより大きい。
【０１１０】
成長速度は、典型的には０．１μｍ／ｈから５０μｍ／ｈの間、好ましくは１μｍ／ｈから１０μｍ／ｈの間である。
【０１１１】
本発明はまた、コーティングの環形状の薄膜を実現する方法によっても達成され、コーティングは、必ずしもそうとは限らないが、環状ダイヤモンドコーティングなどの硬質コーティングであることが好ましい。他の典型的な例は、ＳｉＣコーティング、保護層コーティング、または非常に高いドーパント濃度を有する半導体材料の非常に薄い層（デルタドープ層など）である。
【０１１２】
より正確には、本発明は、マイクロ波プラズマ活性化化学気相成長法によって基板上に合成材料を生成するための方法であって、
−  前述のように、基板ホルダ３０を中に備える共振空洞２１を含むマイクロ波プラズマ反応器を提供するステップであって、前記共振空洞２１は、トロイダル形状を有するプラズマを生成するように構成され、基板ホルダ３０は、基板１１０または環状配置に配置された複数の基板１１０を保持するように配置され、前記基板ホルダ３０は、前記プラズマに平行であり、これに面しており、前記反応器は、周波数ｆでマイクロ波を発生させるように構成されるマイクロ波発生器７０を備えている、マイクロ波プラズマ反応器を提供するステップと、
−  基板１１０、またはリング状に配置された複数の基板１１０を反応器のプラズマチャンバ内に導入し、前記基板１１０または複数の基板１１０を前記基板ホルダ３０に適合させるステップであって、基板１１０または複数の基板１１０は、固定手段を使用せずに前記基板ホルダ３０上に置かれてよく、または基板ホルダ３０に締め付けられてよく、または磁気または電気手段などの他の任意の手段によって基板ホルダ３０の所定場所に置かれてよい、ステップと、
−  少なくとも１つの前駆体および／または反応性ガスを前記共振空洞２１に導入するステップと、
−  マイクロ波を共振空洞２１に導入してプロセスガスを活性化し、前記基板１１０に位置合わせされ近接したトロイダル形状を有する前記プラズマを形成するステップであって、その後、合成材料のリングを基板１１０の成長面１１０ａ上で成長させる、ステップと
を含む方法を提供する。
【０１１３】
前駆体ガスは、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ２、およびＳｉＨ４の１つまたはそれらの組み合わせであり得るが、これらに限定されない。反応性ガスは、Ｈ２、Ｏ２、Ｂ２Ｈ６、ＣＨＦ３、ＳＦ６、ＴＭＢ、およびＮ２の１つ、またはそれらの組み合わせであり得るが、これらに限定されない。
【０１１４】
一実施形態では、基板はリング形状の基板１１０である。基板はまた、プレートもしくはディスクでもよく、または湾曲形状であるような、他の任意の形状を有してもよい。上述したようなプロセスステップは、前記基板１１０上にリング形状ダイヤモンド層を堆積することを可能にする。
【０１１５】
プロセスの一実施形態では、プラズマの形状がコーティングプロセス中に安定したままであることを保証するステップを含むことができる。
【０１１６】
諸変形形態では、プラズマの作動中にプラズマの形状を修正するためにプロセスステップおよび／またはパラメータを変えることができることが一般的に理解されている。例えば、コーティングプロセス中に、垂直方向または任意の水平面内でプラズマの寸法を変えることができる。一変形形態では、プラズマの形状は、コーティングプロセス中に変えることができる。例えば、プラズマは、コーティングプロセスの開始時にトーラス形状を有し、コーティングプロセスの終了時に平坦なトーラス形状を有することができる。
【０１１７】
変形形態では、プラズマの作動中にプラズマの形状を変更するためにガス注入システムを変えることができることが一般的に理解されている。例えば、コーティングプロセス中に、垂直方向または任意の水平面内でプラズマの寸法を変えることができる。一変形形態では、プラズマの形状は、コーティングプロセス中に変えることができる。例えば、プラズマは、コーティングプロセスの開始時にトーラス形状を有し、コーティングプロセス中に平坦なトーラス形状を有することができる。別の実施形態では、基板に対するプラズマの配向は、基板ホルダを移動させることによって変更または修正することができる。基板ホルダは、プラズマ堆積プロセス中に、垂直方向ではあるが水平面内においても、線形変位または回転に従って移動することができる。基板は、堆積プロセス中に、ベースプレート２４と平行な任意の仮想回転軸に対して回転させることもできる。また、堆積層がリングの一部分だけであるように反応器を構成してもよいことも理解される。例えば、リング形状基板の表面の半分だけにコーティングが堆積されるように手段を設けることができる。前記手段は、例えば、基板１１０の一部上への層の堆積を回避するマスクまたは樹脂、またはその両方の組み合わせであり得る。諸変形形態では、好ましくは前記プラズマ１００と前記基板１１０との間に、前記基板１１０上に複数の層のリング形状堆積物を堆積させるように、電磁的および／または機械的手段を設けてもよいことが理解される。また、堆積層がリング形状層であるが、基板１１０の全表面１１０ａを覆わないように手段を設けてもよいことも理解される。
【０１１８】
一実施形態では、堆積プロセスのパラメータは、堆積された材料のリングの幅が環状基板１１０の幅よりも狭くなるように適合させることができ、前記幅の始まりはそれぞれ前記硬質材料の平面および前記基板１１０内に画定される。
【０１１９】
一実施形態では、基板１１０は環形状を有し、プロセスは、中央平面１５０内に画定されたプラズマのトーラスの環状部の幅が基板１１０の環状部の幅よりも大きくなるように適合される。これは、ガスの注入、動作圧力を適合させることによって、および／または堆積プロセス中に特定のガスを追加することによって実現され得る。
【０１２０】
一変形形態では、基板１１０は環形状を有し、中央平面１５０内に画定されたプラズマのトーラスの堆積した環状部の幅は、基板の環状部の幅ｗよりも小さい。
【０１２１】
一実施形態では、環形状のダイヤモンド薄膜が堆積されなければならない基板１１０の材料は、ダイヤモンド（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、シリコーン誘導体、ＣＢ、ＣＮ、Ｂ４Ｃ、高融点金属およびそれらの誘導体、チタンおよびチタン系合金、超硬合金、セラミックス、溶融シリカもしくはアルミナなどの酸化物、またはそれらの組み合わせの中から選択される。堆積させることができる他の材料は、炭素誘導体、炭化物由来の炭素、および全ての炭素同素体、例えばこれらに限定されないが、ダイヤモンド、グラファイト、ロンズデライト、フラーライト（Ｃ６０、Ｃ５４０、Ｃ７０）、無定形炭素、ならびに単層および多層カーボンナノチューブ、カルビン、グラフェンまたはそれらの組み合わせなどである。
【０１２２】
一実施形態では、堆積された環状基板の外径は、１００ｍｍより大きい。
【０１２３】
一実施形態では、１時間当たりの堆積厚さとして定義される、堆積された合成材料の堆積速度は、０．１μｍ／ｈより大きい。
【０１２４】
本方法の一実施形態では、反応器は、３５０ＭＨｚから５００ＭＨｚ、または８００ＭＨｚから１０００ＭＨｚの間、または２３００ＭＨｚから２６００ＭＨｚの間、または５０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚの間の範囲のマイクロ波周波数ｆで作動する。
【０１２５】
反応器は、堆積された材料の堆積された薄膜の形状または寸法を修正することを可能にするさらなる部材または構成またはプロセスステップを含み得ることが理解される。例えば、硬質環状コーティングの堆積後に硬質材料の堆積された薄膜の一部分をエッチングできるように反応器を構成することができる。これにより、例えば、異なる厚さを有する環状セクタを有するダイヤモンドの環形状の薄膜を製造することが可能になり得る。別の例は、硬質材料の環状に堆積された薄膜内にアパーチャが実現され得るように反応器内に手段を設けることである。
【０１２６】
また、追加のコーティング手段を反応器内に設けて、硬質材料の堆積された環状薄膜に別の薄膜、例えば反射防止層、バッファ層またはデルタドープ層の堆積物でコーティングすることを可能にしてもよい。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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