(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波放電のプラズマ中の気相から、基板上にダイヤモンド膜を堆積する方法であって、
前記マイクロ波放電は、反応チャンバ内に位置され、少なくとも水素及び炭化水素を含むガス混合物中に形成され、このガス混合物は、前記基板上に堆積され、かつ表面反応の結果として、多結晶ダイヤモンド膜を形成する水素原子及び炭素含有ラジカルを形成するマイクロ波放電によって活性化される、方法において、
前記プラズマ中の電子密度Ｎｅを増加させるために少なくとも１ｋＷの出力と、２．４５ＧＨｚの周波数よりも高い周波数ｆとを有するマイクロ波により、安定した非平衡プラズマを生成することによって、前記ガス混合物を活性化させることと、
前記反応チャンバ内に、前記プラズマを局在化させるように、前記基板近くの領域で交差する少なくとも２つの波ビームによって、前記基板近くに波腹を有する定常マイクロ波が形成され、それらの波腹において、前記基板上にダイヤモンド膜を堆積するように、前記基板を覆うプラズマ層が生成されて維持されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ガス混合物は、３０ＧＨｚに等しい周波数ｆを用いた電磁放射を用いることにより、電子密度Ｎｅを増加させることによって活性化され、前記定常マイクロ波の波腹における前記プラズマ層の大きさは、前記少なくとも２つの波ビームの断面のプロファイル及びサイズを変えることによって制御される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記定常波は、２つ１組で交差する４つ以上の収束する波ビームによって形成される請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記定常波は、２つの、収束してかつ交差する波ビームによって形成される請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記定常波は、２つの、対向する方向に向けられた収束する波ビームによって形成される請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記波ビームは、前記定常波を形成するように、前記基板上に入射し、前記基板から反射する請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
マイクロ波放電のプラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積のためのリアクタシステムであって、
マイクロ波発生器と、
準光学電気力学システムで終端する伝送ラインと、
反応チャンバ内の基板ホルダ上に基板が配置された前記反応チャンバと、
選択されたガス混合物を注入及び排出するシステムとを含んでいる、リアクタシステムにおいて、
前記準光学電気力学システムは、少なくとも２つの波ビームが前記基板の近くの選択された領域内で交差し、この領域内で定常マイクロ波を形成するように適合され、
前記伝送ラインは、その内面に波形を有するオーバーサイズ円形導波管であり、前記伝送ラインに、少なくとも２つのガウス分布の波ビームに分割するディバイダと、前記準光学電気力学システムに前記少なくとも２つのガウス分布の波ビームを伝えるミラーシステムとが追加されており、
前記準光学電気力学システムおよび前記伝送ラインは、少なくとも１ｋＷの出力と、２．４５ＧＨｚの周波数よりも高い周波数ｆとを有するマイクロ波に適合される、リアクタシステム。
【請求項８】
前記準光学電気力学システムは、プラズマ形成の領域に対して異なる側に位置し、かつマイクロ波放射を４つの交差する波ビームとして向けるように位置する４つのミラーを有し、
該交差は、２つ１組であり、前記準光学電気力学システムは、前記伝送ラインの一部と共に、前記反応チャンバ内に設置されており、
前記伝送ラインは、１つの波ビームを４つのビームに分割し、かつ前記オーバーサイズ円形導波管の出力に設置された、オーバーサイズ円形導波管として形成されているディバイダが追加されている、請求項７に記載のリアクタシステム。
【請求項９】
前記準光学電気力学システムは、２つの波ビームを、小さな角度で、前記基板の表面に向けるように配置されたプラズマ形成の領域に対して、異なる側に位置する２つのミラーで形成されており、
前記伝送ラインには、１つの波ビームを２つの波ビームに分割し、かつ前記オーバーサイズ円形導波管の出力に設置された、オーバーサイズ円形導波管として形成されているディバイダが追加されている、請求項７に記載のリアクタシステム。
【請求項１０】
前記準光学電気力学システムは、プラズマ形成の領域に対して異なる側に位置し、かつ波ビームを互いに対向方向に向けるように配置された２つのミラーで形成されており、
前記２つのミラーの一方は、それ自体と平行に、±λ／４の距離まで前後に移動可能なように設置されており、ただし、λはマイクロ波放射波長であり、
前記伝送ラインは、１つの波ビームを２つのビームに分割し、かつ前記オーバーサイズ円形導波管の出力に設置された、オーバーサイズ円形導波管として形成されているディバイダが追加されている、請求項７に記載のリアクタシステム。
【請求項１１】
前記反応チャンバ内のプラズマ形成の領域内のガスを排出するシステムは、中心部に供給チューブを有する凹面金属スクリーンであり、
前記スクリーンは、調節可能な距離に、前記基板ホルダ上に位置しており、
ガスを排出するシステムは、排出されるガス混合物のための空間を有した前記基板ホルダの開口部のセットとして形成されており、
前記基板ホルダの上方部の水冷のためのシステムは、この空間内に位置している、請求項８ないし１０のうちのいずれか１項に記載のリアクタシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波放電のプラズマを用いたガス状化合物の分解によって炭素を堆積する分野に関し、例えば、マイクロ波の放射の高出力源、具体的には、溶融機構内での追加的なプラズマ加熱に必要なジャイロトロンの出力窓を製造するのに用いられる多結晶ダイヤモンド膜（プレート）を得るのに適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド膜は、いわゆるＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて、気相から堆積される。この方法は、ほとんどの場合、所要の化学的に活性な粒子、すなわち、水素の原子及び炭素含有ラジカルを生成するために、水素及び炭化水素を含む気体混合物のうちのいずれかによる活性化に基づいている。それらのラジカルの基板上への堆積は、基板表面近くの水素原子の密度が非平衡であるときにのみ可能なダイヤモンド膜の効率的な成長を伴う全ての表面反応の結果として、多結晶ダイヤモンド膜を形成する（Ｓｐｉｔｓｙｎ  Ｂ．Ｖ．，Ｂｏｕｉｌｏｖ  Ｌ．Ｌ．，Ｄｅｒｊａｇｕｉｎ  Ｂ．Ｖ．，Ｊ．ｏｆ  Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，１９８１，ｖ．５２，ｐ．２１９−２２６）。
【０００３】
ホットフィラメントまたは直流放電によって生じるガス放電プラズマ、または高周波、マイクロ波あるいはアーク放電を用いた、ガス媒体の活性化のためのいくつかの方法がある。工業用用途に使用されるＣＶＤリアクタは、マイクロ波放電によって生成されるプラズマを用い、該リアクタは、いわゆるＭＰＡＣＶＤ（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｐｌａｓｍａ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）リアクタである。この工業用用途は、マイクロ波放電が、高密度の励起された荷電粒子を生成し、また、該粒子が電極フリーであるため、１μｍ／ｈより高い速度で良質のダイヤモンド膜（「ホワイトダイヤモンド」）を成長させることが可能であるという事実と関連する。
【０００４】
例えば、マイクロ波放電プラズマ中の気相からダイヤモンド膜を堆積する方法があり、これは、少なくとも水素と炭化水素を含むガス混合物中でのマイクロ波放電の点火に基づいており、該放電を点火するのに用いられるマイクロ波放射の周波数は、２．４５ＧＨｚであり、該ガス混合物の圧力は、５０〜２００トル（Ｔｏｒｒ）に維持される。前記ガス混合物は、マイクロ波放電のプラズマによって活性化される。生成される化学的に活性な粒子（ラジカル）（例えば、メチルＧＨ３、アセチレンＣ２Ｈ２及び水素原子Ｈ）に与えられる拡散性の転移は、該粒子をプラズマ空間から基板に移動させ、これは、結晶体の核を生成する（核形成）ために、特に予め準備される。基板温度は、ＴＳ＝７００〜１１００℃に維持され、基板表面で進行する、炭素含有ラジカルの関与を伴う表面反応は、ダイヤモンド膜の成長をもたらす（工業用ダイヤモンド及びダイヤモンド膜のハンドブック中のＰ．Ｋ．Ｂａｃｈｍａｎｎ，編集者  Ｍ．Ｐｒｅｌａｓ，Ｇ．Ｐｏｐｏｖｉｃｉ，Ｌ．Ｋ．Ｂｉｇｅｌｏｗ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ  Ｉｎｃ．ＵＳＡ，１９９８，ｐ．８２１−８５０）。ダイヤモンド膜の堆積のこの方法の欠点は、少なくとも１０Ｗ／ｃｍ  Ｋの熱伝導性を伴う良質のダイヤモンド膜が成長する低速度（１〜２μｍ／ｈ）である。
【０００５】
同等の品質を伴うより高速のダイヤモンド膜成長（３〜９μｍ／ｈ）は、マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積という高速方法によってもたらされ、これは、１９９６年の米国特許第５５１８７５９号、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｃ２３Ｃ１６／５０、Ｂ０５Ｄ３／０６に記載されている。プロトタイプの方法の基本は、マイクロ波放電が、５０〜２００トルの圧力を与えた状態で、反応チャンバを充たし、かつ少なくとも水素及び炭化水素を含むガス混合物中で点火されることである。前記ガス混合物は、ｆ＝２．４５ＧＨｚの周波数で、マイクロ波放電のプラズマによって活性化されて、水素の原子及び炭素含有ラジカルを生成し、それらは、基板上に堆積され、表面反応の結果として、多結晶膜の形成をもたらす。該ガス混合物は、炭素含有ラジカルの出現の熱平衡メカニズムが、非平衡の電子メカニズムより優勢である条件下で活性化される。それらの条件は、プラズマ中のラジカルＣ２（炭素分子）の比較的高い密度が特徴であり、堆積される膜の面積の単位ごとに、プラズマリアクタ内に注入されるマイクロ波出力を（５ｋＷ／ｃｍ２まで）増加させることによって実現される。
【０００６】
ダイヤモンド膜の堆積のこのプロトタイプの方法の欠点は、大面積の膜の堆積に対して、（３ＭＷまでの）非常に高い出力を生成するマイクロ波発生器を使用する必要性である。
【０００７】
マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積のための公知の装置は、２．４５ＧＨｚまたは９１５ＭＨｚの周波数で励起される円筒型共振器に基づく共振型のプラズマリアクタである。このクラスは、１９９４年の米国特許第５３１１１０３号、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｈ０１Ｊ７／２４に記載されている装置に代表される。この装置は、基板及び基板ホルダを有する反応チャンバと、石英ドームとして形成された該反応チャンバを収容する円筒型共振器と、マイクロ波出力をＴＭ０１ｎモードで該共振器に注入する結合要素を有する伝送同軸導波管ラインと、該円筒型共振器のスライディングショートを動かし、共振時に該共振器を同調させる調節装置とからなる。該反応チャンバ内の圧力は、５０〜２００トルに維持され、プラズマは、基板に沿ったその径が、マイクロ波の全長の半分を超えない状態の半球の形で、該基板を覆って生成される。
【０００８】
この装置の欠点は、２．４５ＧＨｚ（波長１２．２ｃｍ）の周波数を有するマイクロ波放射が用いられた場合、上記反応チャンバ内でのプラズマの小さな径が、均一に堆積されるダイヤモンド膜の径（６０〜７０ｍｍ）に対して制限を設けるということである。
【０００９】
やや大きな面積を有する均一なダイヤモンド膜は、１９９９年の米国特許第５９５４８８２号、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｃ２３Ｃ１６／００に記載されている装置内で、２．４５ＧＨｚの周波数で、マイクロ波放電プラズマ中で堆積される。該装置は、基板及び基板ホルダを有する反応チャンバと、楕円共振器とからなり、石英ドームとして形成された該反応チャンバは、該楕円体の焦点領域のうちの１つに配置される。共振器は、他の楕円体の焦点領域を介して、共振器にマイクロ波出力を注入するために、結合要素を有する伝送同軸導波管ラインを備えている。該反応チャンバ内のガス混合物の圧力は、５０〜２００トルに維持される。該楕円体共振器の大きさは、マイクロ波の長さと比較して重要であり、該共振器内のマイクロ波の伝送のための状態は、ほとんど準光学であるため、該共振器の焦点領域内の電界の分布は、広くなる。その結果として、該反応チャンバ内で基板を覆って生成されるプラズマは、７０〜８０ｍｍの径を有する均一なダイヤモンド膜の堆積を可能にする。
【００１０】
プロトタイプとして選択され、かつ１９９２年の欧州特許第０５２０８３２号、Ｂ１、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｃ２３Ｃ１６／２６、Ｃ２３Ｃ１６／５０、Ｈ０１Ｑ１９／００に記載され、マイクロ波を該反応チャンバ内に注入する、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波の伝送の準光学状態を利用する装置内に堆積される膜の面積は、ほぼ同じである。
【００１１】
この装置は、マイクロ波放射の注入のための窓を有するドームとして形成された反応チャンバと、２．４５ＧＨｚの周波数で作動するマイクロ波発生器と、放射ホーン及び反射体からなる伝送ラインと、該窓を介して該反応チャンバ内に注入される収束（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ）波ビームを形成する金属鏡または絶縁レンズとからなる。基板ホルダを有する基板は、該反応チャンバ内に配置され、ガス混合物の所要の圧力は、ガス注入及び排出のためのシステムによって維持される。マイクロ波放電は、該基板上の該ビームの焦点領域内で点火される。プロトタイプのプラズマリアクタにおいて、安定したプラズマは、４０トルに等しいガス混合物の固定された圧力で、該基板上で維持された。
【００１２】
該プロトタイプの装置の欠点は、該装置が、基板を覆うプラズマを生成する収束波ビームを用いることである。収束ビームにおいて、最初は、最大電界強度の領域で点火されるマイクロ波放電の境界は、マイクロ波放射と逆に電離波面として伝送することが知られている（Ｙｕ．Ｐ．Ｒａｉｚｅｒ、Ｌａｓｅｒ  ｓｐａｒｋｓ  ａｎｄ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｍｏｓｃｏｗ，Ｎａｕｋａ，１９７４）。放電のこのダイナミクスは、エネルギ放出領域の基板からの除去につながる。プロトタイプのリアクタにおいて、基板を覆うプラズマの静止維持は、狭い範囲のガス圧力、及び狭い範囲の上記ビームの入射マイクロ波出力の値のみにおいて可能である。その結果として、基板近傍のプラズマへの高い特定のエネルギ寄与を実現するのは不可能であり、つまり、高密度の活性化ラジカルを得ることは不可能であり、すなわち、高速のダイヤモンド膜成長を実現するのは不可能である（プロトタイプにおいて、該成長速度は、１μｍ／ｈである）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明によって解決すべき問題は、（３×１０−５以下の誘電正接δ、及び１０〜２０Ｗ／ｃｍ  Ｋの熱伝導率で）口径１００ｍｍを超える基板上に良質のダイヤモンド膜を生成することを可能にする、マイクロ波放電プラズマ中の気相からダイヤモンド膜を堆積する高速方法の開発と、この方法を実現する装置（プラズマリアクタ）の開発である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
開発した方法の枠内において、該技術的成果は、次のこと、すなわち、マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積の開発された高速方法によって実現され、プロトタイプの方法は、反応チャンバを充たし、かつ少なくとも水素及び炭化水素を含有するガス混合物中のマイクロ波放電の点火と、水素及び炭素含有ラジカルの原子を生成するための、マイクロ波放電のプラズマによる前記ガス混合物の活性化とを含み、該原子は、基板上に堆積されて、表面反応の結果として、ダイヤモンド膜の形成をもたらす。
【００１５】
上記開発した方法の新規性は、前記ガス混合物が、従来、基板の近傍にプラズマを局在化するために用いられる、その出力を最低の１ｋＷにし、かつその周波数ｆを２．４５ＧＨｚよりもかなり高くした状態でマイクロ波放射を用いた、反応チャンバ内の安定した非平衡プラズマの生成を犠牲にして、プラズマ中の電子密度Ｎｅを増加させることによって活性化され、定常波が形成され、その定常波の波腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）において、プラズマ層が生成されて、該プラズマ層の大きさを制御する可能性によって維持されることである。
【００１６】
その周波数ｆが３０ＧＨｚに等しい電磁放射を用いて電子密度を増加させることによって、前記ガス混合物を活性化させること、および定常波を形成する収束波ビームの横断面の形状及びサイズを変化させることにより、該定常マイクロ波の波腹内で該プラズマ層の大きさを制御することが適切である。
【００１７】
１つの具体的事例においては、定常波を形成するために、２つ１組で交差する（ｃｒｏｓｓｉｎｇ）４つ以上の収束波ビームを用いることが適切である。
【００１８】
第２の具体的事例においては、定常波を形成するために、２つの収束交差波ビームを用いることが適切である。
【００１９】
第３の具体的事例においては、定常波を形成するために、互いに対向する方向に向けられた２つの収束波ビームを用いることが適切である。
【００２０】
第４の具体的事例においては、定常波を形成するために、基板上に入射する収束波ビームと、該基板から反射する波ビームとを用いることが適切である。
【００２１】
上記開発した装置の技術的成果は、次のこと、すなわち、マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の高速堆積のための開発されたプラズマリアクタによって実現され、該プロトタイプのリアクタは、マイクロ波発生器と、準光学電気力学システムによって終端する伝送ラインと、基板ホルダに基板を固定した状態の反応チャンバと、選択されたガス混合物の注入及び排出のためのシステムとを含む。
【００２２】
上記開発した装置の新規性は、準光学電気力学システムが、基板近傍の予め設定された領域内に定常マイクロ波を形成できるように形成されかつ設置され、伝送ラインが、少なくとも１つのガウスビームを前記準光学電気力学システムに伝送させるために、ミラーからなるシステムが追加されている、波形（コルゲーション：ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）の内面を有するオーバーサイズの（ｏｖｅｒｓｉｚｅｄ）円形導波管として形成されていることである。
【００２３】
上記プラズマリアクタを製造する１つの具体的事例においては、準光学電気力学システムを、プラズマ形成の領域と異なる面に位置し、かつマイクロ波放射を、２つ１組で交差する４つの波ビームとして向けることが可能なように設置された４つのミラーとして形成することが適切であり、また、該準光学電気力学システムを反応チャンバ内に設置し、１つの波ビームを４つのビームに分割し、かつ前記オーバーサイズの円形導波管の出力に設置すべきディバイダを伝送ラインに追加することが適切である。
【００２４】
第２の具体的事例においては、準光学電気力学システムを、プラズマ形成の領域と異なる面に位置し、かつ２つのマイクロ波ビームを、基板面に対して小さな角度で向けることが可能なように設置された２つのミラーとして形成することが適切であり、また、１つの波ビームを２つのビームに分割し、かつ前記オーバーサイズ円形導波管の出力に設置すべきディバイダを伝送ラインに追加することが適切である。
【００２５】
第３の具体的事例においては、準光学電気力学システムを、プラズマ形成の領域と異なる面に位置し、かつ互いに対向側に波ビームを向けることが可能なように設置された２つのミラーとして形成することが適切であり、また、それ自体と平行に、距離±λ／４まで、ただし、λはマイクロ波放射の波長であり、前後に移動できるように、前記ミラーのうちの１つを設置することが適切であり、また、１つの波ビームを２つのビームに分割し、かつ前記オーバーサイズ大きい円形導波管の出力に設置すべきディバイダを伝送ラインに追加することが必要である。
【００２６】
上記プラズマリアクタを製造する第４の具体的事例においては、マイクロ波放射の注入のための絶縁窓を上記反応チャンバの下方部に設定することが可能であり、また、基板を、該チャンバの該上方部の該窓と反対側に設置することが適切であり、また、この場合、準光学電気力学システムを、マイクロ波放射ビームを、基板表面と垂直な上方に向けることが可能なように、前記反応チャンバの外部で、かつ該チャンバより低く設置された１つのミラーとして形成することが必要である。
【００２７】
上記プラズマリアクタを製造する第５の具体的事例においては、準光学電気力学システムを、マイクロ波放射のビームを、基板表面に対して垂直な入射角で、または垂直よりも低い角度で向けることが可能なように設置された１つのミラーとして形成することができ、また、薄い金属製の冷却チューブまたはロッドからなるグレーティングとして形成され、かつ反応チャンバ内に、基板からλ／２を超える距離に該基板と平行に配置されている放射線透過性の冷却壁を追加することが可能である。
【００２８】
上記プラズマリアクタを製造する第６の具体的事例においては、準光学電気力学システムを、ミラー、及び、前記ミラーと光学的に結合されている、λ／２の倍数である距離に配置された平面平行ミラーを有する準光学共振器として形成することが適切であり、この場合、該共振器ミラーのうちの１つは、そのホルダ上の基板であり、他方のミラーは、薄い金属製のチューブまたはロッドからなる周期的なグレーティングとして形成することができ、該グレーティングの周期は、λよりも小さい。
【００２９】
上記プラズマリアクタを製造する第７の具体的事例においては、ガス混合物を、上記反応チャンバ内のプラズマ形成領域に注入するシステムは、その中心部にフィードインチューブを有する金属製の凹状スクリーンとして形成することができ、該スクリーンは、制御可能な距離に、上記基板ホルダ上に配置されており、ガス注入のためのシステムは、該基板ホルダに、開口部のセットとして形成することができ、該システムは、ガス混合物の排出用の容積を備えており、該容積内に、該基板ホルダの上方部の水冷のためのシステムが位置している。
【００３０】
上記プラズマリアクタを製造する第８の具体的事例においては、選択されたガス混合物の注入のためのシステムと、薄い冷却金属チューブからなるグレーティングとを組み合わせることが適切であり、また、ガス排出のためのシステムは、上記基板ホルダ内の開口部のセットとして形成することができ、該システムは、排出するガス混合物のための容積を備えており、該容積内に、該基板ホルダの上方部の水冷のためのシステムが位置している。
【００３１】
上記開発した方法及び装置における技術的成果、具体的には、膜の良好な品質を保持しながらの、マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積の速度の向上は、著者等により見出されたように、マイクロ波の場の周波数が増加した場合、電子の密度Ｎｅも増加し、これが、ガス混合物の活性化の速度、つまり水素原子及び他の化学的に活性なラジカルの速度を増すことを可能にし、これもまた、ダイヤモンド膜の堆積のより速い速度をもたらす、という事実によって達成される。この場合、マイクロ波の場の周波数の増加、及び準光学アプローチの利用は、基板上での均一なプラズマの大きさを制御することを可能にし、これもまた、広範囲にわたる堆積の均質性をもたらす。
【００３２】
ＭＰＡＣＶＤリアクタ内でのダイヤモンド膜の堆積の速度に対する、より高いマイクロ波周波数の効果は、以下のように説明することができる。
【００３３】
ＭＰＡＣＶＤリアクタ内において、ダイヤモンド膜の成長の速度は、基板近くの炭素含有ラジカル及び水素原子の密度の値によって決まる（工業用ダイヤモンド及びダイヤモンド膜のハンドブック中のＧｏｏｄｗｉｎ  Ｄ．Ｇ．，Ｂｕｔｌｅｒ  Ｊ．Ｅ．，編集者  Ｍ．Ｐｒｅｌａｓ，Ｇ．Ｐｏｐｏｖｉｃｉ，Ｌ．Ｋ．Ｂｉｇｅｌｏｗ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ  Ｉｎｃ．ＵＳＡ，１９９８，ｐ．５２７−５８１）。現存するＭＰＡＣＶＤリアクタの大多数においては、水素分子の電離のための主要経路は、ガスの高温（Ｔｇ  〜３０００〜３５００Ｋ）での電子衝突電離である（Ｍａｎｋｅｌｅｖｉｃｈ  Ｙｕ．Ａ．，Ｒａｋｈｉｍｏｖ  Ａ．Ｔ．，Ｓｕｅｔｉｎ  Ｎ．Ｖ．，Ｓｏｖ．Ｊ．Ｐｌａｓｍａ  Ｐｈｙｓ．，１９９５，ｖ．２１，Ｎｏ１０，ｐｐ．９２１〜９２７）。そのため、水素分子の電離の程度は、プラズマ中の電子密度の値Ｎｅに依存する。共振型のリアクタ内のマイクロ波の場によって維持されるプラズマ中のＮｅの値は、電磁場スキニングの非線形効果が、それ自体で表わすことを始めるポイントまで増える。すなわち、該リアクタ内の基板を覆うプラズマの特徴的サイズは、スキン層の深さδに略等しい。従来、ＭＰＡＣＶＤリアクタに用いられているパラメータ（ガス温度Ｔｇ〜プラズマに吸収される特定の出力に依存して３０００〜３５００Ｋ、及び最初のガス圧力５０〜２００トル）の場合、基板近くのガス密度は、電子の衝突速度ｖが、円形の場の周波数ωの大きさである、継続的なマイクロ波放電の維持のためのＰａｓｈｅｎの曲線の極小点に対応する（Ｖｉｋｈａｒｅｖ  Ａ．Ｌ．ら、Ｓｏｖ．Ｊ．Ｐｌａｓｍａ  Ｐｈｙｓ．，１９８７，ｖ．１３，Ｎｏ９，ｐｐ６４８〜６５２）。それらの条件下で、該スキン層の深さδは、
【数１】
0004694842.tif 000002
【００３４】
に略等しく、ただし、Ｎｃｏ＝ｍω２／４πｅ２は、重要な密度であり、ω＝２πｆは、場の円形周波数であり、ｖは、電子の中性粒子との衝突の速度であり、ｍ及びｅは、それぞれ電子の質量及び電荷である。該スキン層の深さが固定されている、すなわち、δ＝δ０の場合（例えば、共振型のリアクタの場合、この値は、１ｃｍになる）、δに対する上記の相関関係から、本発明者らは、プラズマ中の電子密度Ｎｅの値が、マイクロ波放射の周波数に比例する、すなわち、
【数２】
0004694842.tif 000003
【００３５】
であることを得る。
【００３６】
従って、電子密度の値Ｎｅ及びそれに応じて、ＭＰＡＣＶＤリアクタの非平衡プラズマ中の水素分子の電離の程度は、マイクロ波放射周波数の増加に伴って増す。
【００３７】
追加的な技術的成果、すなわち、その均一性を維持しながらの堆積されたダイヤモンド膜の大面積は、２つ１組の交差波ビーム、例えば、２つ１組で交差する４つの干渉性のビームが形成される、プラズマリアクタの開発されたデザインによってもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１に示すリアクタのデザインは、該リアクタ内に設置された、ダイヤモンド膜３の堆積のための基板２を有する反応チャンバ１を含む。基板２は、基板ホルダ４上に位置している。伝送ライン６と接続されたマイクロ波発生器５によって生じるマイクロ波放射は、準光学電気力学システム７で終端する。準光学電気力学システム７は、定常マイクロ波を、基板２の近くのプラズマ形成の領域８内に形成することを可能にするように設置された、いくつかの金属製ミラーからなる。反応チャンバ１は、チャンバ１内の使用ガス混合物のフローの所要の圧力及び速度を維持するために、ガス混合物注入のためのシステム９と、ガス排出のためのシステム１０とを備えている。該反応チャンバは、プロトタイプの装置においては、透過性の石英チューブとすることができる。ジャイロトロンは、放射源５として使用することができる。
【００３９】
図２に示すプラズマリアクタを製造する第１の具体的事例には、伝送ライン６は、波ビームのディバイダ１５を備えている円形横断面１４を有するオーバーサイズ導波管からなり、該ディバイダは、平面ミラー１１のセットと光学的に結合されており、各ミラーも、４つのミラー１２のセットのうちの１つの凹面金属製ミラーと光学的に結合されている。準光学電気力学システム７は、４つの凹面金属製ミラー１３からなる。伝送ライン６の導波管１４の内面は、波形になっている。導波管１４の一端は、マイクロ波発生器５と光学的に結合されており、他端は、波ビームの４ビームへのディバイダ１５に接続されている。ディバイダ１５は、オーバーサイズの矩形状の導波管として形成されており、その動作は、電磁波の伝送中のイメージ増倍の効果に基づいている（Ｇ．Ｇ．Ｄｅｎｉｓｏｖ，Ｓ．Ｖ．Ｋｕｚｉｋｏｖ，ｉｎ  Ｓｔｒｏｎｇ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ  ｉｎ  Ｐｌａｓｍａｓ，Ａ．Ｇ．Ｌｉｔｖａｋ，Ｎ．Ｎｏｖｇｏｒｏｄ編集：ＩＡＰ，２０００，ｖ．２，ｐ．９６０〜９６６）。ミラー１１、１２及び１３は、（図２に示すように）反応チャンバ１内、及び（図１に示すように）反応チャンバ１の外部に位置することができる。マイクロ波発生器５の出力は、（図１に示すように）円形導波管１４に直接光学的に結合することができ、または、追加的なミラー１６によって、該導波管に光学的に結合することができる。準光学電気力学システム７を構成するミラー１３は、マイクロ波放射１７を、２つ１組で交差する４つの波ビームとして、基板２の近くのプラズマ形成の領域８に向けることを可能にするように設けられている（図２のビューＡ参照）。
【００４０】
反応チャンバ１内に少なくとも水素及び炭化水素を含むガス混合物の注入のためのシステム９と、使用混合物の所要圧力を維持するガス排出のためのシステム１０は、例えば、図７に示すように、異なる方法で形成することができる。注入システム９は、その中心部にフィードインパイプ１９を有する凹面金属製スクリーン１８として形成されている。ガス排出システム１０は、基板２のホルダ４の開口部２０のセットとして形成されており、この場合、ホルダ４は、排出ガス混合物のための容積を備えており、該ホルダには、ホルダ４の一部を冷却し、基板２と接触する水冷システム２１が位置している。
【００４１】
図３に示すプラズマリアクタを製造する第２の具体的事例には、前の場合のように、伝送ライン６は、波ビームのディバイダ１５を備えている円形導波管１４であり、該導波管は、２つの平面金属製ミラー１１に光学的に結合されており、各ミラーも、２つのミラー１２のセットの一方の凹面金属製ミラーに光学的に結合されている。準光学電気力学システム７は、２つの凹面金属製ミラー１３からなる。この場合、導波管１４の内面は、波形になっている。上記プラズマリアクタを製造するこの具体的事例においては、波ビームを２つのビームにするディバイダ１５は、オーバーサイズの矩形状導波管として形成されており、該導波管の動作は、電磁波の伝送中のイメージ増倍の効果に基づいている。ミラー１１、１２及び１３は、（図２に示すように）反応チャンバ１内、及び（図１に示すように）反応チャンバの外部に位置することができる。準光学電気力学システム７を構成する２つのミラー１３は、上記放射を、基板２の近くのプラズマ形成の領域８内への２つの交差波ビームとして向けることを可能にするように設けられている（図３のビューＡ参照）。反応チャンバ１内へのガス注入のためのシステム９及びガス排出のためのシステム１０は、図７に示すように、前の具体的事例のように、同じように形成されている。
【００４２】
図４に示すプラズマリアクタを製造する第３の具体的事例には、直前の場合のように、伝送ライン６は、波ビームのディバイダ１５を備えている、オーバーサイズの円形導波管１４からなり、該導波管は、２つの平面ミラー１１のセットに光学的に結合されており、各ミラーも、２つのミラー１２のセットの一方の凹面金属製ミラーに光学的に結合されている。準光学電気力学システム７は、２つの凹面金属製ミラー１３からなり、該ミラーは、放射１７を、基板２の近くのプラズマ形成の領域８内への２つの逆方向の波ビームとして向けることを可能にするように設けられている（図４のビューＡ参照）。基板２上のダイヤモンド膜３の堆積の均質性を実現するために、ミラー１３の一方は、それ自体に平行に、±λ／４の距離まで前後に該ミラーを動かすという可能性をもたらすように設けられており、ただし、λはマイクロ波放射の波長である。ミラー１１、１２及び１３は、直前の具体的事例のように、反応チャンバ１の内部、及び該チャンバの外部の両方に位置することができる。
【００４３】
図５に示すプラズマリアクタを製造する第４の具体的事例には、反応チャンバ１は、鉛直方向に位置しており、その下方部は、マイクロ波放射１７の注入のための絶縁窓２２を備えており、この場合、ホルダ４上の基板２は、チャンバ１の上方部に設けられている。この場合、準光学電気力学システム７は、チャンバ１の外部でかつ該チャンバより下方に位置している１つのミラー１３として形成されており、マイクロ波放射１７のビームを、基板２の表面と直角な上方に向けることができるように設けられている。反応チャンバ１内へのガス混合物の注入のためのシステム９は、この場合、いくつかのチューブ２３として形成されている。使用混合物の所要圧力を維持するため、チューブ２４は、ガス排出システム１０として使用される。基板２の温度領域は、直前の具体的事例のように、水冷システム２１によってもたらされる。
【００４４】
図６に示すプラズマリアクタを製造する第５の具体的事例には、伝送ライン６は、オーバーサイズの円形導波管１４からなり、該導波管の出力は、凹面金属製ミラー１２によって準光学電気力学システム７に光学的に結合されており、準光学電気力学システム７は、この場合、マイクロ波ビーム１７を、基板２の表面に対するその入射角の通常の方向で、または低い入射角で向けることが可能なように設けられた１つの凹面金属製ミラー１３として形成されている。この場合、薄い冷却金属チューブまたはロッド２６の周期的グレーティング２５として形成された放射線透過性の冷却壁が、反応チャンバ１内に導入され、λ／２を超える該基板からの距離に、基板２と平行に設置される。この場合のガス混合物の注入及び排出のためのシステムを図８に示す。注入システム９は、周期的グレーティング２５の冷却中空チューブ２６からなる。反応チャンバ１内の所要の圧力を、５０〜３００トルに維持するために、ガス排出システム１０は、基板２のホルダ４の開口部２０のセットとして形成されている。基板２の温度領域は、水冷システム２１によってもたらされる。
【００４５】
図６に示すプラズマリアクタを製造する第６の具体的事例には、伝送ライン６及び準光学電気力学システム７は、上記直前の場合と同様に形成されている。反応チャンバ１内に導入され、この特定の製造の場合において、基板２からλ／２の倍数の距離に位置しているグレーティング２５は、基板２と共に、マイクロ波発生器５の放射の周波数で共振を有する平面平行ミラーを有する準光学共振器を構成する。
【００４６】
ガス混合物の注入のためのシステム９及びガス排出のためのシステム１０は、図８に示すような、上記直前の具体的事例と同様なこのデザイン様式で形成されている。
【００４７】
上記開発した方法及び装置（プラズマリアクタ）の実現の具体的な実施例において、Ｄｚｅｒｚｈｉｎｓｋｙ  Ｇｌａｓｓ  Ｆａｃｔｏｒｙ（Ｇｕｓ−Ｋｈｒｕｓｔａｌｎｙ，Ｒｕｓｓｉａ）によって製造された石英チューブは、反応チャンバ１として使用されていた。マイクロ波発生器５は、ＧＹＣＯＭ  Ｌｔｄ．（Ｎｉｚｈｎｙ  Ｎｏｖｇｏｒｏｄ，Ｒｕｓｓｉａ）によって製造され、その３０ＧＨｚの周波数及び１０ｋＷまでの出力によるマイクロ波放射を生成するジャイロトロンであった。波形の内面を備え、波ビームディバイダ１５を備える、円形のオーバーサイズの導波管１４は、ＩＡＰ  ＲＡＳ，Ｎｉｚｈｎｙ  Ｎｏｖｇｏｒｏｄで製造された。提案された方法を実現するのに用いられる準光学共振器を有するプラズマリアクタのデザインを図６に示す。
【００４８】
マイクロ波放電プラズマ中の気相からのダイヤモンド膜の堆積のための開発された高速方法は、以下のように実現される（図１参照）。
【００４９】
従来用いられていた２．４５ＧＨｚという周波数よりもかなり高い（例えば、３０ＧＨｚ）周波数ｆで、マイクロ波発生器５により生成される、ガウスの分布の形をとる横断強度分布を有する、線型に偏向したマイクロ波放射１７は、伝送ライン６の入力に送られる。伝送ライン６の出力から、該放射は、そのシステムによって放射１７が、少なくとも水素及び炭化水素を含む反応チャンバ１に送られる準光学電気力学システム７へ送られる。準光学電気力学システム７は、選択された領域８に定常マイクロ波を形成するのに用いられる。該波の波腹において、プラズマ層が生成され維持され、すなわち、安定した非平衡プラズマが得られる。従来用いられていた２．４５ＧＨｚよりもかなり高い周波数ｆを有するマイクロ波放射の使用により、領域８に生成されるプラズマは、より高い電子密度を有し、高密度の炭素含有ラジカル及び水素原子を形成し、それにより、２．４５ＧＨｚの周波数による放射を用いるプロトタイプの方法における速度よりも高い、ダイヤモンド膜の成長速度を実現できる。より高い周波数ｆは、準光学の方法を用い、かつ基板２を覆う均質なプラズマの大きさを制御することを可能にし、これは、堆積した膜の均質性をもたらし、すなわち、課題に対する解決法をもたらす。
【００５０】
図２に示し、３部による方法を実現することを可能にするプラズマリアクタは、以下のように作動する。
【００５１】
３０ＧＨｚの周波数及びその強度に関してガウスの横断分布を有する線型に偏向したマイクロ波放射１７は、ミラー１６によって、マイクロ波発生器５から、その内面が波形であるオーバーサイズの円形導波管１４の入力に向けられる。導波管１４のこの構成により、導波管１４の出力における放射７の強度に関する横断分布は、ほとんどガウスのものに維持される。ガウスビームは、波ビームディバイダ１５の入力に入り、オーバーサイズの矩形導波管における電磁波の伝送中のイメージ増倍の効果により、より低い強度を有する４つの等しいガウスビームに分割される。これらの放射ビーム１７の各々は、伝送ライン６のミラー１１及び１２のセットによって、準光学電気力学システム７に向けられる。電気力学システム７の４つの凹面ミラー１３は、４つの収束ビームを領域８へ向け、そこで前記４つのビームは、図２に示すように（ビューＡ）２つ１組で交差し、また定常波が、それらの交差領域に形成される。ミラー１３の各ペアに対する対称軸に対して、図示の面と垂直な面内（図２のビューＡ参照）で互いに対向する各ペアのセットにおけるミラー１３の変位により、この具体的事例において、基板２を覆って定常波が形成される領域８は、他の公知の方法と比較して、（１００ｍｍ以上の）より大きな面積を有する。該定常波の波腹において、電界の値は、静止したプラズマを維持するのに必要なしきい値以上であり、すなわち、定常波形成の領域８において、マイクロ波放電が点火され、該プラズマ層が形成されて局在化される。交差する波ビーム１７の横断断面の形状及び大きさを変えることにより、該プラズマ層の大きさ及び形状を制御することができる。発明の式の８部によるプラズマリアクタのデザインは、プラズマに対するマイクロ波放射のより均質な供給と、堆積するダイヤモンド膜のより大きな面積とをもたらす。
【００５２】
図３に示し、４部に記載した方法を実現するプラズマリアクタは、以下のように作動する。
【００５３】
３０ＧＨｚの周波数を用い、ガウス分布に対応するその強度の横断分布を有する、線形に偏向したマイクロ波放射１７は、マイクロ波発生器５から、ミラー１６及びオーバーサイズの円形導波管１４によって、この具体的事例において、オーバーサイズの矩形導波管として形成されているディバイダ１５の入力に向けられる。オーバーサイズの矩形導波管１５内での電磁放射の伝送中のイメージ増倍の効果により、ガウスビーム１７は、より低い強度を有する２つの同等のガウスビーム１７に分割される。これらの放射ビーム１７の各々は、ミラーのセット１１及び１２によって、準光学電気力学システム７に向けられる。準光学電気力学システム７の凹面ミラー１３は、前記２つのビーム１７の各々を収束ビームとして、その表面に対してある角度で基板２に向け、該基板は、この場合、反射ミラーとして作用する。この場合、入射ビームと、基板２から反射したビームは、基板２上の領域８で交差し、その交差点において、定常波が、基板２の表面に垂直な方向に形成される。該定常波の波腹においては、より強力な場の領域が形成され、そこには、１つのプラズマ層または基板２の表面と平行ないくつかのプラズマ層が形成され、維持される。入射波ビーム１７の横断面の形状及び大きさを変えることにより、及び基板２上に対するビーム１７の入射角を変えることにより、基板２に沿ったプラズマ層の大きさを制御することができる。基板２に沿ったプラズマのより均質な分布を実現するために、第２のミラー１３が、上述の２つの収束ビーム１７のうちの第２のビームを、反射ビームとは逆方向に基板２に向けるのに用いられる。これにより、９部による及び図３に示すプラズマリアクタのデザインが、基板２上に、ダイヤモンド膜のより均質な堆積をもたらす。
【００５４】
図４に示し、５部に対応する方法を実現するプラズマリアクタは、以下のように作動する。
【００５５】
３０ＧＨｚの周波数を用い、ガウス分布に対応するその強度の横断分布を有する、線形に偏向したマイクロ波放射１７は、マイクロ波発生器５から、ミラー１６及びオーバーサイズの円形導波管１４によって、この具体的事例において、オーバーサイズの矩形導波管として形成されているディバイダ１５の入力に向けられる。オーバーサイズの矩形導波管１５内での電磁放射の伝送中のイメージ増倍の効果により、ガウスビーム１７は、より低い強度を有する２つの同等のガウスビーム１７に分割される。これらの放射ビーム１７の各々は、ミラー１１及び１２のセットによって、準光学電気力学システム７に向けられる。準光学電気力学システム７の２つのミラー１３は、前記２つのビーム１７を、互いに逆方向に、基板２上の領域８内に向ける。このことは、ビーム１７の軸に沿った領域８内に、定常波の形成をもたらす。該定常波の波腹においては、より強力な場の領域が形成され、そこには、基板２の表面に垂直ないくつかのプラズマ層が局在化され、維持される。基板２上のダイヤモンド膜の均質な堆積を実現するために、該定常波の波腹は、それ自体と平行なミラー１３のうちの１つの、±λ／４の距離までの機械的な変位によって、基板２に沿って継続的に移動する。上記直前のデザイン様式と同様の、１０部に対応し、かつ図４に示すプラズマリアクタのデザインもまた、基板２上のダイヤモンド膜３の均質な堆積をもたらす。
【００５６】
図５に示し、６部に対応する方法を実現するプラズマリアクタは、以下のように作動する。
【００５７】
３０ＧＨｚの周波数を用い、ガウス分布に対応するその強度の横断分布を有する、線形に偏向したマイクロ波放射１７は、マイクロ波発生器５から、ミラー１６と、オーバーサイズの円形導波管１４と、ミラー１２によって、この具体的事例において、反応チャンバ１の外部に位置する１つの凹面金属ミラー１３として形成されている準光学電気力学システム７の入力に向けられる。ミラー１３は、収束波ビーム１７を、絶縁窓２２を介して、基板２の表面に対して垂直な方向で上方に向け、該基板は、この場合、反射ミラーとして機能し、かつ逆方向のビーム１７を生成する。その結果、定常波が、基板２の表面と垂直な方向に形成される。該定常波の波腹において、より強力な場の領域が形成され、そこには、１つのプラズマ層または基板２の表面と平行ないくつかのプラズマ層が局在化され、維持される。入射波ビーム１７の横断面の大きさを変えることにより、基板２に沿ったプラズマ層の大きさを制御することができる。このデザイン様式において、波ビーム１７は、プラズマが該基板の下に発生するように、下から基板２に向けられる。この場合、基板２の方に向かって上方に上昇して流れる対流ガスフローは、該基板近傍へのプラズマ層の局在化に追加的に貢献する。１１つに対応し、かつ図５に示すプラズマリアクタのデザインは、最も小さなサイズであり、また製造するのが容易であり、基板２の近傍へのプラズマ局在化の追加的な能力をもたらす。
【００５８】
図６に示し、かつ６部に対応する方法を実現するプラズマリアクタは、次のように作動する。
【００５９】
薄い冷却金属ロッドまたはチューブ２６で形成され、基板２と平行に設けられた周期的なグレーティング２５は、前記グレーティングと基板２の距離、及び該ロッド（パイプ）２６の軸に対する電界強度ベクトルの方向により、２つの機能を実行することができ、すなわち、基板２までの距離が不定であり、また、該電界強度ベクトルの方向が、ロッド（チューブ）２６の軸に垂直である場合、グレーティング２５は、冷却放射線透過性壁として機能し、一方、基板２までの距離が、λ／２の倍数であり、かつロッド（チューブ）２６の軸に対する該電界強度ベクトルの方向が適切である場合には、該グレーティングは、準光学共振器の一部透過性のミラーとして機能する。
【００６０】
グレーティング２５が冷却放射線透過性壁として使用された場合、図６に示すプラズマリアクタは、次のように作動する。
【００６１】
３０ＧＨｚの周波数を用い、ガウス分布に対応するその強度の横断分布を有する、線形に偏向したマイクロ波放射１７は、マイクロ波発生器５から、ミラー１６、オーバーサイズの導波管１４及びミラー１２によって、準光学電気力学システム７のミラー１３に向けられ、該システムは、収束ガウスビーム１７を、該基板と垂直な方向で、または該垂直に対して低い角度で、グレーティング２５及び基板２に向ける。ガウス波ビーム１７の電界強度のベクトルが、ロッドまたはパイプ２６の軸に垂直に向いている場合、グレーティング２５は、マイクロ波放射に対して透過性になる。この場合、波ビーム１７は、基板２の表面から反射する。その結果、定常波が、基板２の表面に垂直な方向に生成される。該定常波の波腹においては、より強力な場の領域が形成され、そこには、１つのプラズマ層または基板２の表面と平行ないくつかのプラズマ層が局在化され、維持される。該プラズマの局在化は、該エネルギにより、マイクロ波放射に対して透過性の冷却グレーティング２５への熱放出に追加的に貢献する。入射波ビーム１７の横断面の大きさを変えることにより、基板２に沿ったプラズマ層の大きさを制御することができる。従って、１２部に対応し、かつ図６に示すプラズマリアクタのデザインは、基板２の近傍へのプラズマ層の局在化に対して追加的な能力をもたらす。
【００６２】
グレーティング２５を、準光学共振器のミラーの１つとして使用した場合、図６に示すプラズマリアクタは、次のように作動する。
【００６３】
上記直前の場合のように、ｆ＝３０ＧＨｚの周波数を用いた、マイクロ波放射の線形に偏向したガウスビーム１７は、マイクロ波発生器５から、ミラー１６、オーバーサイズの導波管１４及びミラー１２によって、準光学電気力学システム７のミラー１３に向けられ、該システムは、収束ガウスビーム１７を、該基板表面と垂直な方向で、または該垂直に対して低い角度で、グレーティング２５及び基板２に向ける。グレーティング２５を該準光学共振器の部分的に反射する第２のミラーに変換するために、ガウスビーム１７の電界強度の方向と、ロッド（チューブ）２６の軸との間の角度は、上記直前の場合と比較して、変えられる。また、グレーティング２５を準光学共振器のミラーとして使用する場合においては、グレーティング２５と基板２との距離が、λ／２に等しく選択されるため、該グレーティング等によって構成された該準光学共振器は、マイクロ波発生器５の放射の周波数での共振を有する。該共振の場合においては、定常波の電界の振幅が増幅され、このことが、そのような共振器における、基板２の近傍へのプラズマ層の局在化に追加的に貢献する。また、プラズマの局在化は、上記直前の場合の様に、グレーティング２５の金属製チューブ（ロッド）を冷却することに関しても貢献する。この準光学共振器のＱファクタは、上記ガウスビームの電界のベクトルと、チューブまたはロッド２６の軸との間の角度を変えることによって、ガウス放射ビーム１７と結合する共振器の係数を変えることにより制御される。ここで、入射波ビーム１７の横断面の大きさを変えることにより、上記直前の場合のように、基板２に沿ってプラズマ層の大きさを制御することができる。１４部に対応し、かつ図６に示すプラズマリアクタのデザインは、該プラズマ層の局在化を制御する能力をもたらす。
【００６４】
このデザイン様式を製造する具体的事例において、ガス注入システム９は、周期的グレーティング２５と組み合わされ、ガス混合物は、図８に示すように、周期的グレーティング２５の中空チューブ２６の開口部を介して注入される。
【００６５】
表１は、比較のために、Ａ．Ｍ．Ｇｏｒｂａｃｈｅｖらによって知られている数値モデル（マイクロ波プラズマＣＶＤリアクタの数値モデリング、ダイヤモンド及び関連材料  １０（２００１）ｐ．３４２〜３４６）によって、２．４５ＧＨｚ及び３０ＧＨｚの周波数で作動する上記プラズマリアクタのデザイン様式における水素原子の密度を計算した（数値モデリング）結果を表にしたものである。２．４５ＧＨｚの周波数の場合、本発明者らは、１９９４年の米国特許第５３１１１０３号、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｈ０１Ｊ７／２４によって知られているプラズマリアクタを選択した。３０ＧＨｚの周波数の場合、本発明者らは、図６に示すプラズマリアクタを選択し、該プラズマリアクタは、上記準光学共振器を有しており、プラズマは、１つのプラズマ層として維持された。水素Ｈ２及びメタンＣＨ４を含む、上記反応チャンバ内のガス混合物の圧力は、１００トルであった。上記基板の温度は、９００℃であった。プラズマは、同一の入射パワーで維持された。
【表１】
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【００６６】
表１を見て分かるように、基板近くの水素原子の密度は、３０ＧＨｚの周波数における上記リアクタ内の方が、２．４５ＧＨｚの周波数での該リアクタ内よりも大幅に高い。従来の研究（工業用ダイヤモンド及びダイヤモンド膜のハンドブック中のＧｏｏｄｗｉｎ  Ｄ．Ｇ．，Ｂｕｔｌｅｒ  Ｊ．Ｅ．，編集者、Ｍ．Ｐｒｅｌａｓ，Ｇ．Ｐｏｐｏｖｉｃｉ，Ｌ．Ｋ．Ｂｉｇｅｌｏｗ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ  Ｉｎｃ．ＵＳＡ，１９９８，ｐ．５２７−５８１）は、水素原子の密度のそのような増加が、ダイヤモンド膜の成長速度の大幅な増加につながることを明らかにしている。１９９４年の米国特許第５３１１１０３号、Ｉｎｔ．Ｃｌ．Ｈ０１Ｊ７／２４に記載されているプラズマリアクタにおいては、良質なダイヤモンド膜の成長速度は、１〜２μｍ／ｈであるのに対して、上記開発したリアクタにおいては、１０〜２０μｍ／ｈである。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
ダイヤモンド膜を堆積するという上記開発された方法、及びその実現のための上記プラズマリアクタは、大きな面積を有する良質なダイヤモンド膜の堆積（生成）の速度を高めることに基づいており、これは、様々な分野の科学及び技術で用いることができ、具体的には、該方法及びリアクタは、融合設備における追加的なプラズマ加熱に必要な、高出力マイクロ波源、ジャイロトロンの出力窓を形成するのに用いられる。開発した該方法及び該装置（プラズマリアクタ）は、ロシアの産業界により製造された構成要素を用いる。現在、上記プラズマリアクタの２つの変更例、すなわち、図２に示すような、２つ１組で交差する４つの波ビームを用いたプラズマリアクタと、図６に示すような、準光学共振器を用いたプラズマリアクタとがテストされている。上記開発したプラズマリアクタは、小規模連続生産の体制ができている。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】上記開発された方法を実現する開発されたプラズマリアクタのブロック図の概略側面図である。
【図２】４つの波ビームの交差領域内の基板近くに、プラズマ層の形成を生じる準光学電気力学システムを有するプラズマリアクタの側面図である。
【図３】２つの交差波ビーム内の基板近くに、プラズマ層の形成を生じる準光学電気力学システムを有するプラズマリアクタのブロック図の側面図である。
【図４】２つの対向する波ビーム内の基板近くに、プラズマ層の形成を生じる準光学電気力学システムを有するプラズマリアクタのブロック図の側面図である。
【図５】反射波ビーム内の基板近くに、プラズマ層の形成を生じる準光学電気力学システムを有するブロック図の側面図である。
【図６】マイクロ波を透過する周期的なグレーティングを有する準光学電気力学システムを有するブロック図の側面図である。
【図７】冷却システムを有する基板ホルダ、及び発明の式の８、９及び１０部に記載したプラズマリアクタのためのガス注入及び排出のためのシステムの側面図である。
【図８】冷却システムを有する基板ホルダ、及び発明の式の１２及び１３部に記載したプラズマリアクタのためのガス注入及び排出のためのシステムの図である。
【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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