(57)【要約】  本発明は、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支援モジュール式堆積反応器（１）に関し、その反応器は、少なくとも３つの調整要素を備えることを特徴とし、その調整要素は、−第１のエンクロージャ部分（４３０）と第２のエンクロージャ部分（４４０）の間に配置されるように構成されたクラウン（４５０）と、−１／４波長板（５０１）と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム（５２０）を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール（５００）と、−共振空洞（４１）の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔（９１１）を含むトレイ（９００）と、−内側表面（１１１）、外側表面（１１２）、及びガス流を導くことができる表面（１１１、１１２）の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル（１１３）を備えた着脱式ガス分配プレート（１１０）と、冷却システムに接続され、着脱式ガス分配プレート（１１０）を収容するようにされた支持装置（１２０）とを含むガス分配モジュール（１００）と、−着脱式熱抵抗ガス注入装置（３３０）を含む基板冷却制御モジュール（３００）とから選択される。
2020520869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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支援モジュール式堆積反応器（１）であって、該反応器は、
−周波数が３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚであるマイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波生成器（７０）と、
−前記反応器のエンクロージャ（４００）の円筒状内壁（４２０）によって少なくとも一部が形成された共振空洞（４１）と、
−前記共振空洞（４１）内にガスを供給することができるガス流入システム（１０）と、
−前記共振空洞（４１）から前記ガスを除去することができるガス出力モジュール（６０）と、
−プラズマの形成を可能とするために、前記マイクロ波を前記マイクロ波生成器（７０）から前記共振空洞（４１）に伝送することができる波結合モジュール（８０）と、
−前記共振空洞（４１）内にある成長支持体（５１）と
を備え、前記モジュール式反応器は、少なくとも３つの調整要素を備えることを特徴とし、該調整要素は、
−前記共振空洞（４１）の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分（４３０）と第２のエンクロージャ部分（４４０）の間に配置されるように構成されたクラウン（４５０）、並びに前記クラウン（４５０）と前記第１のエンクロージャ部分（４３０）及び前記第２のエンクロージャ部分（４４０）のそれぞれとの間に配置されて、前記エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム（４６０）と、
−１／４波長板（５０１）と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム（５２０）を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール（５００）と、
−前記共振空洞（４１）の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつ前記ガスを通過させることができる貫通孔（９１１）を含むトレイ（９００）と、
−ガス分配モジュール（１００）と、ここで該ガス分配モジュールは、
○内側表面（１１１）、外側表面（１１２）、及びガス流を導くことができる前記表面（１１１、１１２）の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル（１１３）を備えた着脱式ガス分配プレート（１１０）、並びに
○冷却システムに接続され、前記着脱式ガス分配プレート（１１０）を収容するようにされた支持装置（１２０）
を含み、
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部（３３３）及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部（３３１）を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置（３３０）を含む基板冷却制御モジュール（３００）と、
から選択される、反応器。
【請求項２】
前記反応器は、少なくとも４つの調整要素を備え、該調整要素は、
−前記共振空洞（４１）の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分（４３０）と第２のエンクロージャ部分（４４０）の間に配置されるように構成されたクラウン（４５０）、並びに前記クラウン（４５０）と前記第１のエンクロージャ部分（４３０）及び前記第２のエンクロージャ部分（４４０）のそれぞれとの間に配置されて、前記エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム（４６０）と、
−１／４波長板（５０１）と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム（５２０）を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール（５００）と、
−前記共振空洞（４１）の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつ前記ガスを通過させることができる貫通孔（９１１）を含むトレイ（９００）と、
−ガス分配モジュール（１００）と、ここで該ガス分配モジュールは、
○内側表面（１１１）、外側表面、及びガス流を導くことができる前記表面（１１１、１１２）の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル（１１３）を備えた着脱式ガス分配プレート（１１０）、並びに
○冷却システムに接続され、前記着脱式ガス分配プレート（１１０）を収容するようにされた支持装置（１２０）
を含み、
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部（３３３）及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部（３３１）を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置（３３０）を含む基板冷却制御モジュール（３００）と、
から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記反応器は、前記共振空洞（４１）の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分（４３０）と第２のエンクロージャ部分（４４０）の間に配置されるように構成された少なくとも１つのクラウン（４５０）、並びに前記クラウン（４５０）と前記第１のエンクロージャ部分（４３０）及び前記第２のエンクロージャ部分（４４０）のそれぞれとの間に配置されて、前記エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム（４６０）を備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の反応器。
【請求項４】
２つのクラウン（４５０）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の反応器。
【請求項５】
１つ以上の前記クラウン（４５０）の高さが１ｃｍ〜２０ｃｍであることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の反応器。
【請求項６】
１つ以上の前記クラウン（４５０）は、誘電性材料、ガス注入システムを含み、又は前記共振空洞（４１）の内径より小さな内径の金属からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の反応器。
【請求項７】
１／４波長板（５０１）と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム（５２０）を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール（５００）を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の反応器。
【請求項８】
前記基板ホルダモジュール（５００）は、前記エンクロージャ（４００）及び／又は前記トレイ（９００）から電気的に絶縁されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の反応器。
【請求項９】
前記共振空洞（４１）の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつ前記ガスを通過させることができる貫通孔（９１１）を含むトレイ（９００）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の反応器。
【請求項１０】
前記トレイ（９００）は、冷却システム（９４０）に接続されて前記トレイ（９００）を冷却することができる少なくとも１つの冷却路（９３０）を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の反応器。
【請求項１１】
−内側表面（１１１）、外側表面（１１２）、及びガス流を導くことができる前記表面（１１１、１１２）の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル（１１３）を備えた着脱式ガス分配プレート（１１０）と、
−冷却システムに接続され、前記着脱式ガス分配プレート（１１０）を収容するようにされた支持装置（１２０）と
を含むガス分配モジュール（１００）を備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の反応器。
【請求項１２】
前記支持装置（１２０）は、前記支持装置（１２０）内にガス又は流体を循環させることができる流路（１２１）を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の反応器。
【請求項１３】
前記着脱式ガス分配プレート（１１０）は、ガス分配ノズル（１１３）を備えない少なくとも１つの端部（１１６）を含み、該端部は熱伝導を向上させるために、前記着脱式ガス分配プレート（１１０）の表面の１０％以上の表面で前記支持装置（１２０）と接触するようにされることを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の反応器。
【請求項１４】
着脱式熱抵抗ガス注入装置（３３０）を含む基板冷却制御モジュール（３００）を備え、前記着脱式熱抵抗ガス注入装置（３３０）は、１つ以上の熱抵抗ガス入力部（３３３）と、１つ以上の熱抵抗ガス出力部（３３１）とを備えることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載の反応器。
【請求項１５】
前記基板冷却制御モジュール（３００）は位置決め手段（３２０）を備え、前記成長支持体（５１）はその下側表面に、前記位置決め手段（３２０）を収容するように構成された凹部を含むことを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の反応器。
【請求項１６】
前記基板冷却制御モジュール（３００）は、垂直方向に並進移動することができる位置決め手段（３２０）を含むことを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の反応器。
【請求項１７】
前記波結合手段（８０）は、前記第１のエンクロージャ部分（４３０）の上側部分にあり、かつ前記第２のエンクロージャ部分（４４０）の底部から少なくとも２５ｃｍの位置にあることを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載の反応器。
【請求項１８】
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支援モジュール式堆積反応器を用いたダイヤモンド合成方法であって、該方法は、
−請求項１から１７のいずれかに記載のモジュール式反応器（１）の前記成長支持体（５１）上に１つ以上の基板を配置するステップ（８１０）と、
−前記モジュール式反応器（１）を作動させるステップ（８２０）と、
−ダイヤモンド膜を成長させるステップ（８４０）と
を含み、前記モジュール式反応器（１）を作動させるステップは、
○伝送モードＴＭ０１１で作動する前記共振空洞（４１）内で０．２ｈＰａ〜５００ｈＰａの圧力を生成するステップと、
○例えば１ｋＷ〜１００ｋＷの電力で、マイクロ波を導入するステップと、
○例えば少なくとも５００ｃｍ３／分の総流量で、ガスを注入するステップと、
○１つ以上の成長表面の温度を制御するために、前記エンクロージャ、ガス注入システム及び基板ホルダの冷却システムと、基板冷却制御システムとを作動させるステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマ支援堆積によるダイヤモンド合成の分野に関する。本発明は、マイクロ波プラズマ支援堆積のためのモジュール式反応器に関し、これは達成される成長の異なる複数の目標、及びその反応器の保守の必要性に対して、その反応器の構成を最適化するための適合を可能とする少なくとも３つの調整要素を含む。本発明はまた、その反応器及びその反応器を構成する上記調整要素による、ダイヤモンド合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成ダイヤモンドは、その機械的、光学的、熱的、電気的及び化学的特性により、産業分野でますます使用されている。
【０００３】
よって、合成ダイヤモンドは、光学窓、切断工具、放射線検出器、電極などの多くの製品だけでなく、熱ドレーンなどの電子機器でも重要な構成部品とされ、そしてパワーエレクトロニクスにおける用途に関して非常に有望である。
【０００４】
現在、生産される多結晶層のサイズ、又は１回の実施において生産することができるダイヤモンド単結晶の個数を増大させるため、及び特に規模に関して経済性を達成するために、マイクロ波プラズマ支援堆積反応器のサイズを増大させる傾向がある。
【０００５】
追求される目標に対して成長条件を調整するための多くの変数の影響及び相互依存性は、当業者には公知である。ダイヤモンド層の堆積及び成長段階中に、圧力、電力、１つ以上の基板の温度、注入されるガスの濃度及び組成、反応器内での上記ガスの分布、電磁伝播、１つ以上の基板の位置及びサイズ、プラズマから基板までの距離などの変数及びパラメータが、ダイヤモンド層の成長に対する影響をもたらすことは、当業者には公知である。
【０００６】
従って同様に、反応器の物理的特性、その設計、その１つ以上の空洞の形状、及び上記反応器を構成する材料、マイクロ波及びガス注入システム又は冷却システムの配置、設計及びサイズ設定が、ダイヤモンド層の特性だけでなく、上述のパラメータにも影響することは、当業者には公知である（非特許文献１〜３）。よって、考慮すべきパラメータが多数存在することによる、プラズマ反応器内でのダイヤモンド堆積方法の複雑さ、及びデータを簡略化して変数を減少させるシミュレーションモデルに頼る必要性について、多くの文献が言及している（非特許文献４〜８、非特許文献１、非特許文献９）。
【０００７】
従って、ダイヤモンド層の堆積及び成長に寄与する因子は、その数の多さ及びその複雑さから、依然としてごく一部しか当業者によって制御されておらず、当業者はモデルの簡略化に頼らなければならないが、これらのモデルは、反応器の概念化及び構築、並びに操作の実施の両方のために発展させることができる。
【０００８】
モデル化に頼ることは、反応器が資本に関してかなり高価であるという事実によっても正当化されるが、これは、実験開発を制限するという大きな欠点を有し、最初に選択された定数又は変数が、最終的な設計及び／又は複数のパラメータのセットに関して結果を定義及び／又は制限する。
【０００９】
当業者は、いくつかのパラメータを変更する必要があることを認識しているものの、定数及び／又は固定要素を優先することによって、そのような変更を制限する傾向がある。多数の要素の調整を可能とする装置の実施は、上記要素が反応器の物理的特性又はパラメータのいずれに関連するかにかかわらず、現在において限定的であり、また実施されている開発の傾向に反している。
【００１０】
物理的な要素の調整に関して、当業者は、可動式及び／又は交換式基板ホルダを開発しているが、これは、成長表面とプラズマとの間の距離がダイヤモンド堆積の特性に影響することが確立されているためである。よって特許文献１は、基板ホルダを含む可動式かつスライド式の要素を２つだけ備える「ベル・ジャー」反応器を報告しており、これによって作動中に、マイクロ波モード、放電強度、電力密度、並びにこれらに伴ってプラズマの形状及びサイズを調整することができる。同様に特許文献２は、堆積条件を適合させるために基板ホルダを交換するための、「ベル・ジャー」反応器内装置を提供する。同様に、Ｇｉｃｑｕｅｌらは、可動式基板ホルダを用いて、反応器内の基板の位置を変更する（非特許文献１０）。
【００１１】
成長段階の開始時及び／又は成長中に、圧力、電力、ガス流量、濃度又は組成などの実施変数は、互いに対して頻繁に調整される（流量の低減又は増大など）。
【００１２】
それにもかかわらず、反応器の設計における構造化装置として、及び物理的装置と実施変数との相互作用及び組合せ論を支援するための配置として考えられるモジュール性は、ある特定の使用のために簡略化され、調整及び調整可能な要素が可能な限り低減された、「最適化された」反応器の探求を優先する当業者によって拒絶されているように思われる。
【００１３】
よって、可動式部品を報告している上述の特許文献１において、発明者らは、異なる複数の基本要素から異なる反応器を構成することを可能とする、異なる直径又は特性を有する複数の部品の「キット」を提供することを選択し、成長中に基本要素を調整することを選択していない。
【００１４】
同様に、特許文献３では、発明者らは「発明の概要」において、着脱式又は可動式構成部品の個数を削減することによって、「反応器を簡略化」しようとしていることを報告している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国公開特許第２０１４２２０２６１号明細書
【特許文献２】米国公開特許第２００９２３９０７８号明細書
【特許文献３】米国特許第８８５９０５８号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Kobashiほか Diamond and Related Materials 12, 2003, 233-240
【非特許文献２】Ando Yほか Diamond and Related Materials, 11, 2002, 596-600
【非特許文献３】Mesbahiほか Journal of Applied Physics 2013, vol 46, n°38, 2013
【非特許文献４】Gicquelほか Diamond and Related Materials, 1994, vol3, Issue 4-6, 581
【非特許文献５】Gicquelほか Current Applied Physics, vol 1 Issue 6, 479, 2001
【非特許文献６】Hassouniほか Journal of Applied Physics, vol 86 Issue 1, pages: 134-1999
【非特許文献７】Hassouniほか Journal of Physics D Journal of Applied Physics, vol 43 Issue: 15, 2010
【非特許文献８】Goodwinほか J. Appl. Phys. 74 (11) 1993
【非特許文献９】Mankelevichほか, Journal Of Applied Physics, 104, 2008
【非特許文献１０】A. Gicquel, M. Chennevier, M. Lefebvre, Chap19, pp 739-796, Handbook of industrial diamond and diamond films, Marcel Dekker, 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
よって、現在入手可能な市販の反応器が引き起こす課題に対処することができる新規の反応器に対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、従来技術の欠点を克服することを目的とする。特に本発明は、従来技術の反応器とは異なり、高度にモジュール化された、マイクロ波支援プラズマ堆積モジュール式反応器を提供することを目的とする。
【００１９】
直感に反して、また当業者によって適用されている傾向及び当業者がこれまで実施してきた研究から逸脱して、本発明者は対照的に、高度にモジュール化されているものの同質のアセンブリとして設計された反応器が、複数の用途のためのダイヤモンド層の製造を簡略化し、またダイヤモンドの成長段階の進展及び漸進的な制御をより容易にすることを発見した。これらの特性は実際に、構成の調整又は修正時の、ステップ数、誤差のリスク、保守、期間及びコストを、交互に又は累積的に縮小することができ、その一方で、設計及び堆積方法をモデル化段階中に実行される仮定及び予備的分析へと縮減しないことにより、変数を変更することができる可能性、並びに反応器及び方法の両方の発展性を向上させることができる。最後に本発明者は、複数の物理的装置及び実施変数の組合せ論及びそれに付随する調整（例えば、ガス流量の分布及びその組成、圧力／電力条件の、基板ホルダの移動、共振空洞のサイズ及び形状の修正、及び基板の冷却のためのサーマルブリッジの効率と組み合わせての、付随する調整）が、追求されている目標の達成に有効であると述べた。
【００２０】
このモジュール性は、特に厚さが大きなダイヤモンド単結晶、及び反応器のサイズが増大した構成に関する、ダイヤモンド合成産業の発展を満たすために、ますます適切であり、従って１０００ＭＨｚ未満の周波数で作動する反応器に特に適合しているように思われる。
【００２１】
モジュール式反応器は、空洞の、更には反応器の完全に新たな設計に頼る必要なしに、空洞を調整することができるという利点を有する。本発明は更に、実施される空洞及びプラズマ計算手段の改善を可能とする。
【００２２】
この反応器のモジュール性により、同一の反応器から、空洞の形状、空洞の容積、ガスの分布、基板の位置、空洞の電位に対する基板の電位、及び基板の冷却を容易に変更して、反応器を所望のダイヤモンド層の成長条件（形状、微小構造、個数、サイズ）に適合させることができる。従ってこのモジュール性により、合成反応を異なる複数の成長条件に対して最適化することができ、これは特に、特定の用途のための最適な成長条件の探索において有用となり得る。実際には、例えば合成されるダイヤモンド層の表面及び厚さ寸法、その形状、期待される純度、所望の結晶質特性、ドープ、又は所望の成長速度に応じて、全ての成長が同一の条件及び構成を必要とするわけではない。このような物理的特性のモジュール性は、単一の設備を形成するだけで複数の構成の必要を満たすことができるだけでなく、同一の初期構成内において、作動段階中にこれを変更することによって、期待される結果を最適化することができるという、二重の利点を有する。
【００２３】
更に、このモジュール式反応器は、堆積方法の間に、上記基板ホルダ、従って上記基板を、プラズマ内及びプラズマ境界において、又はプラズマの外でさえも、垂直に移動させることができるという利点を有する。これは、成長するダイヤモンドの表面における局所的成長条件の極めて高度な制御につながる。更に、開発中の産業における経済的な観点からは、このモジュール式反応器はまた、新たなプロトタイプに投資する必要なく、様々な成長条件を比較的低コストで様々に変更することができ、これによって速度の上昇及び実施コストの削減の両方を達成することができる。この新規のモジュール式反応器はまた、その様々な構成部品の効率的な冷却を確実なものとすることができ、セクタに分割されたガス供給を確実なものとすることができ、成長の進行の継続的な観察を可能とすることができる。
【００２４】
本発明はまた、この新規のモジュール式反応器のモジュール特性を利用した成長方法を提供することも目的とする。
【００２５】
本発明はまた、上記モジュール式反応器を構成することができるモジュール要素も提供する。
【００２６】
この目的のために、本発明は、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支援モジュール式堆積反応器に関し、その反応器は、
−周波数が３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚ、好ましくは９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ、又は３００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚであるマイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波生成器と、
−反応器のエンクロージャの円筒状内壁によって少なくとも一部が形成された共振空洞と、
−前記共振空洞内にガスを供給することができるガス流入システムと、
−前記共振空洞から前記ガスを除去することができるガス出力モジュールと、
−プラズマの形成を可能とするために、好ましくは初めはＴＭ０１１モードで、前記マイクロ波を前記マイクロ波生成器から前記共振空洞に伝送することができる波結合モジュールと、
−前記共振空洞内にある成長支持体と
を備え、前記モジュール式反応器は、少なくとも２つの調整要素、好ましくは少なくとも３つの調整要素を備えることを特徴とし、該調整要素は、
−前記共振空洞の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分と第２のエンクロージャ部分の間に配置されるように構成されたクラウン、並びに前記クラウンと前記エンクロージャの前記第１のエンクロージャ及び前記第２のエンクロージャ部分のそれぞれとの間に配置されて、前記エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システムと、
−１／４波長板と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システムを含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュールと、
−前記共振空洞の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつ前記ガスを通過させることができる貫通孔を含むトレイと、
−ガス分配モジュールと、ここで該ガス分配モジュールは、
○内側表面、外側表面、及びガス流を導くことができる前記内側表面と前記外側表面の間の流路を形成する複数のガス分配ノズルを備えた着脱式ガス分配プレート、並びに
○冷却システムに接続され、前記着脱式ガス分配プレートを収容するようにされた支持装置
を含み、
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置を含む基板冷却制御モジュールと、
から選択される。
【００２７】
このモジュール式反応器は、幅広い成長条件に対して最適化されることができる。実際に、単一の反応器が、複数の用途のために作動を最適化するための又は同じ用途に関して成長中の条件を改善するためのモジュール式の仕様を有することができ、これはその構造を修正する必要がない。これらの調整要素を組み合わせることにより、所望の成長にプラズマを適合させるために、プラズマの特性、従って成長条件を変更することができる。
【００２８】
上記反応器の他の任意の特徴によると、
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、上記で列挙された前記調整要素から選択された少なくとも４つの調整要素を備える。これにより、本発明の反応器のモジュール性が更に向上する。
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、前記共振空洞の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつ前記ガスを通過させることができる貫通孔を含むトレイを備える。これはユーザにとって、共振空洞の寸法を迅速に変更することができるという利点を有する。しかしながら、共振空洞の寸法及び形状を変更することは、プラズマの形状の変化、従ってダイヤモンド膜の局所的成長条件の変化をもたらす。本発明によるトレイは、成長前だけでなく成長中にも移動させることができるという利点を有する。これによりユーザは、プラズマの形状、特性及び位置が基板の成長表面の位置及び合成ステップに適合されるように、それらを変化させることができる。
−前記トレイは、冷却システムに接続されて前記トレイを冷却することができる少なくとも１つの冷却路を含む。これにより、作動中にトレイが超高温に曝され得ることによるトレイの変形を制限又は避けることもできる。
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、１／４波長板及び場合によっては電気絶縁体と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システムを含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュールを備える。この基板ホルダにより、成長表面全体に亘って成長の均質性を改善しかつ実施の間にプラズマに対する基板の配置を変更することを可能にしながら、共振空洞の外側でのマイクロ波の伝播を制限することができる。また基板ホルダにより、成長支持体をエンクロージャの残りの部分から電気的に絶縁することもできる。これは、基板ホルダモジュール、エンクロージャ、及び／又は可動トレイを電気的に絶縁することによって可能である。したがって、好ましくは、基板ホルダモジュールは、エンクロージャ及び／又はトレイから電気的に絶縁される。
−前記基板ホルダは、前記共振空洞の容積に対して、５％〜３０％、好ましくは７％〜１３％の容積比を有する。
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、前記共振空洞の形状及び容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分と第２のエンクロージャ部分の間に配置されるように構成された少なくとも１つのクラウンと、該クラウンと前記第１のエンクロージャ及び前記第２のエンクロージャ部分のそれぞれとの間に配置されて、前記エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システムとを含む。このクラウンにより、例えば誘電体波導入窓と基板支持体の間の距離を増大させることによって、共振空洞の幾何学的形状を変更することができる。従ってこのモジュール要素により、ガス温度の径方向分布と、プラズマでの及びその結果としてプラズマ／表面界面での原子Ｈ密度を最適化することができる。有利には、前記モジュール式反応器は２つのクラウンを含む。クラウンの高さは、１ｃｍ〜２０ｃｍとすることができる。
−１つ以上の前記クラウンは、誘電性材料、ガス注入システムを含み、又は前記共振空洞の内径より小さな内径の金属からなる。
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、ガス分配モジュールを備え、そのガス分配モジュールは、
○内側表面、外側表面、及びガス流を導くことができる前記内側表面と前記外側表面の間の流路を形成する複数のガス分配ノズルを備えた着脱式ガス分配プレートと、
○冷却システムに接続され、前記着脱式ガス分配プレートを収容するようにされた支持装置と
を備える。このガス分配モジュールは、良好なガス流特性を提供するという利点を有する。このモジュールは、着脱式であることにより、１つ以上の基板の位置、基板の個数、及び予想される反応時間に応じて適合されることができるため、本発明において、特に成長条件の調整において有用である。更に、従来のガス分配ノズルは、詰まってしまう欠点を有している。上述のような分配モジュールの存在により、そのモジュールに接続された部品一式全てを交換する必要がなく、着脱式ガス分配プレートを迅速に低コストで交換することができる。
−前記支持装置は、前記着脱式ガス分配プレートを冷却することができるサーマルブリッジを構成できるように、前記支持装置内に流体を循環させることができる流路を備える。
−前記着脱式ガス分配プレートは、ガス分配ノズルを備えない少なくとも１つの端部を含み、この端部は熱伝導を向上させるために、前記着脱式ガス分配プレートの下側表面の１０％以上の表面で前記支持装置と接触するようにされる。これにより、前記分配プレートの温度の制御、従って幾何学的形状の制御を改善することができる。
−前記ガス分配モジュールは、前記着脱式ガス分配プレート及び前記支持装置の上方に配置された、熱ドレーン部材を含み、該熱ドレーンは、例えば前記着脱式ガス分配プレートの上側表面の３０％超において前記着脱式ガス分配プレートと接触する熱取得表面と、前記着脱式ガス分配プレートの上側表面の２０％超において前記支持装置と接触する熱分配表面とを有する。これにより、ガス分配モジュールの温度の制御を改善することができる。
−本発明の合成ダイヤモンドを製造するための前記マイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器は、着脱式熱抵抗ガス注入装置を含む基板冷却制御モジュールを備え、前記着脱式熱抵抗ガス注入装置は、１つ以上の熱抵抗ガス入力部と、１つ以上の熱抵抗ガス出力部とを備える。この装置により、異なるガス混合物の導入、流量の変更、及び／又はガス流の厚さの変更が可能となる。これにより、冷却を成長表面において細かく制御することができる。これは、２回の成長の間で容易に交換されて期待される成長に適合されることができ、従って成長条件の調整において特に有用である。このような冷却モジュールに接続された部品一式全てを交換する必要なしに、この部品を交換することができることも、このモジュールの利点である。この基板冷却制御モジュールにより、成長中に成長表面の温度を制御することもできる。最後に、着脱式熱抵抗ガス注入装置の使用の利点は、出力部寸法又は出力部密度などの複数の変数を容易に変更することができることである。
−前記基板冷却制御モジュールは位置決め手段を備え、前記成長支持体はその下側表面に、前記位置決め手段を収容するように構成された凹部を含む。
−前記基板冷却制御モジュールは、垂直方向に並進移動することができる位置決め手段を含む。
−前記波結合手段は、前記第１のエンクロージャ部分の上側部分にあり、かつ前記第２のエンクロージャ部分の底部から少なくとも２５ｃｍ、好ましくは前記第２のエンクロージャ部分の底部から少なくとも３５ｃｍの位置にある。
【００２９】
本発明はまた、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支援モジュール式堆積反応器を用いたダイヤモンド合成方法に関し、その方法は、
−本発明の前記モジュール式反応器の前記成長支持体上に１つ以上の基板を配置するステップと、
−前記モジュール式反応器を作動させるステップと、
−ダイヤモンド膜を成長させるステップと
を含み、前記モジュール式反応器を作動させるステップは、
○前記共振空洞内で０．２ｈＰａ〜５００ｈＰａの圧力を生成するステップと、
○例えば伝送モードＴＭ０１１において１ｋＷ〜１００ｋＷの電力で、マイクロ波を導入するステップと、
○例えば少なくとも５００ｃｍ３／分の総流量で、ガスを注入するステップと、
○１つ以上の成長表面の温度を制御するために、前記エンクロージャ、ガス注入システム及び基板ホルダの冷却システムと、基板冷却制御システムとを作動させるステップと
を含む。多結晶膜成長の場合、前記方法は、前記ダイヤモンド膜の厚さを成長させるステップの前に、結晶を融合させるステップを含んでもよい。
【００３０】
本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、説明のための限定でない例として与えられた以下の記載を読むことで、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術での例示の反応器の概略断面図を示す。
【図２】可動トレイ、基板ホルダモジュール、及びクラウンを含む、本発明のモジュール式反応器の概略断面図を示す。
【図３】図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、本発明のモジュール式反応器の３つの実施形態による、基板ホルダとトレイの間の電気絶縁システムと共に実装された１／４波長板の概略断面図を示す。
【図４】クラウンと、熱抵抗ガス冷却制御システムを組み込んだ基板ホルダモジュールとを含む、本発明のモジュール式反応器の概略断面図を示す。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、基板冷却制御モジュールの２つの実施形態の縦方向断面の概略図を示す。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、２つの基板冷却制御モジュールの概略上面図を示す。
【図７】共振空洞の上側部分において一定の厚さを有する、誘電性材料と一体化されたクラウンと、共振空洞の下側部分において突出部を有するクラウンとを含む、本発明のモジュール式反応器の概略断面図を示す。
【図８】基板ホルダモジュール及びガス分配モジュールを含む本発明のモジュール式反応器の概略断面図を示す。
【図９】図９は、着脱式ガス分配プレートの支持装置の概略断面図を示し、分配プレートを冷却するために、その支持装置内にガス又は液体を循環させることができる流路を備える。
【図１０】図１０Ａ及び１０Ｂは、着脱式ガス分配プレート及び支持装置の組立体の概略上面図を示す。図１０Ａは、分配ノズルを備えない、支持装置との幅の広い接触帯部分をその全周に亘って有する着脱式ガス分配プレートを示し、図１０Ｂは、ノズルを備えない突端領域を示す。
【図１１】熱ドレーン部材を更に備えた、着脱式ガス分配プレート及び支持装置の組立体の概略上面図を示す。
【図１２】本発明のマイクロ波プラズマ支援ダイヤモンド堆積合成方法の概略図を示す。点線で囲まれたステップは任意である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本記載のこれ以降において、「略同一の」又は「略等しい」は、比較される値に対して３０％未満、好ましくは２０％未満、更に好ましくは１０％未満だけ異なる値を意味する。「略同一の」が複数の形状の比較に使用されている場合、ベクトル化された形状、すなわちその寸法を考慮に入れない形状が、比較されるベクトル化された形状に対して３０％未満、好ましくは２０％未満、更に好ましくは１０％未満だけ変化している。
【００３３】
本発明の意味において、用語「着脱式」は、取り付け手段を破壊することなく（これは、取り付け手段が存在しないため、又は取り付け手段が容易かつ迅速に分解することができる（例えばノッチ、ネジ、タブ、ラグ、クリップ）ためである）、容易に取り外し、除去又は分解することができることに相当する。例えば「着脱式」という場合、対象物が、溶接によって、又は上記対象物を取り外し可能とする目的を持たない他のいずれかの手段によって、固定されていないことが理解されるものとする。
【００３４】
本発明の意味において、用語「成長」は、炭素を、多結晶ダイヤモンド層、ダイヤモンド単結晶、又はナノ結晶若しくは超ナノ結晶ダイヤモンドの生産に寄与する結晶質（多結晶又は単結晶）ダイヤモンドｓｐ３形態で堆積させる、１つ以上のステップに相当する。
【００３５】
本発明の意味において、用語「ダイヤモンド」は、結晶質（多結晶又は単結晶）ダイヤモンドｓｐ３形態での炭素の堆積によって得られた、様々な厚さの多結晶又は単結晶ダイヤモンドの１つ以上の層に相当する。本発明の「反応器」は、成長条件（成長表面の温度、ガス組成、圧力及び電力条件など）を適合させることによって、ナノ結晶又は超ナノ結晶ダイヤモンドの成長に関しても使用することができることに留意されたい。
【００３６】
本発明の意味において、表現「ダイヤモンド膜」又は「ダイヤモンド層」は、非ダイヤモンド材料表面（金属、ケイ素、炭化ケイ素など）だけでなく単結晶又は多結晶ダイヤモンド表面上での核形成後に形成される、多結晶、ナノ結晶又は超ナノ結晶ダイヤモンドの層（又は膜）に相当する。上記表現はまた、天然ダイヤモンド単結晶由来の、又は高圧高温（ＨＰＨＴ）若しくはＣＶＤ（化学蒸着、プラズマ若しくは高温フィラメント支援のものなど）法で生産された、種ダイヤモンド単結晶（又は基板）の高さ及び／又は幅を成長させることによって、単結晶ダイヤモンドを得ることに相当する。
【００３７】
本発明の意味において、用語「プラズマ」は、一般に電気的に中性であるもののイオン及び電子を含有する媒体と、溶解したガス種の断片と、安定した分子との混合物からなるガス中での放電による生成物に相当する。
【００３８】
本発明の意味において、用語「基板」は、ダイヤモンド層又は膜がその上で成長する要素に相当する。これらは、ナノ結晶質又は超ナノ結晶質膜に関しては、非ダイヤモンド（金属、ケイ素、炭化ケイ素など）であり、又は多層成長（多重ドーピング若しくは多特性若しくは多色など）の場合においては、及び天然ダイヤモンド単結晶の単結晶膜、又は高圧高温（ＨＰＨＴ）若しくはＣＶＤ（化学蒸着、プラズマ若しくは高温フィラメント支援のものなど）法で生産された単結晶膜に関しては、ダイヤモンド材料である。
【００３９】
本発明の意味において、表現「熱抵抗ガス」は、著しく異なる熱伝導性を有する複数の純粋なガスで構成されるガス混合物であって、組成を変更することによって上記混合物の熱伝導性を変更することができるガス混合物に相当する。
【００４０】
本発明の意味において、用語「エンクロージャ」は、放電による励起によってプラズマを形成するガス混合物、そのプラズマによって処理される１つ以上の基板、及び基板ホルダ（加熱又は冷却、場合によっては分極化される）に載ることができる成長支持体を収容するように構成された、金属、好ましくはアルミニウム製の真空チャンバに相当する。ポンピングシステムは、ガスの導入前の真空の品質を保証する。エンクロージャの寸法は、使用されるマイクロ波生成器、カプラ、及びエネルギが蓄積されるガスに適合させることができる。
【００４１】
本発明の意味において、表現「共振空洞」は、エンクロージャによって形成される容積の部分に相当し、この部分は特に、プラズマの形成場所と、１つ以上の基板の場所とを含む。成長が達成されるのは、この共振空洞内である。共振空洞は、マイクロ波生成器、アプリケータ及びインピーダンスマッチングシステム、エンクロージャ内でマイクロ波エネルギが蓄積されるガス源によって構成される組立体に依存し、共振空洞は、エンクロージャの一部と、成長支持体、基板ホルダ及び可動トレイなどの要素とからなる。
【００４２】
本発明の意味において、表現「成長表面」は共振空洞内に位置する、単結晶ダイヤモンドの成長を目的とした表面、又は非ダイヤモンド表面（多結晶ダイヤモンドの成長の場合）に相当する。
【００４３】
本発明の意味において、表現「成長支持体」は、１つ以上の基板の収容を目的とした、好ましくは金属の、例えばモリブデン製の要素に相当する。この成長支持体は、例えば熱抵抗ガス注入装置を介して、基板ホルダ上に載ることができる。
【００４４】
本発明の意味において、表現「基板ホルダ」は、シリコーンオイル又は水などの熱伝導流体によって冷却することができ、添加剤が装入されていてもいなくてもよく、１つ以上の基板の冷却を調整するための要素、及び／又は１つ以上の基板に電圧を印加するための、若しくは共振空洞から１つ以上の基板を電気的に絶縁するための要素と関連付けることができる、好ましくは円筒状の装置に相当する。
【００４５】
本発明の意味において、「モジュール式」は、複数のモジュールの組立体からなるシステムとして理解されるものとし、上記モジュールは上記システムに対して独立して追加又は分離することができる。モジュールは、構造的及び機能的な１つのユニットを構成する、上記システムの部分である。モジュールは自立型であっても、相互接続されていてもよい。この場合、モジュールとシステムの間又はモジュール間のいずれかの相互接続は、上述のような意味で「着脱式」である。これらのモジュールを追加することにより、システムの可能性を拡張又は変更することができる。
【００４６】
以下の記載では、同一の要素を指すために同一の符号を使用する。
【００４７】
図１は、文献に見られるような、ダイヤモンドを成長させるためのマイクロ波プラズマ支援堆積反応器の断面図を示す。
【００４８】
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支援堆積反応器は、一般に、
−周波数が３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚのマイクロ波を生成するように構成されたマイクロ波生成器７０と、
−モジュール式反応器１のエンクロージャ４００の円筒状内壁４２０によって少なくとも一部が形成された、好ましくは円筒状の、冷却された共振空洞４１と、
−共振空洞４１内にガスを供給することができるガス流入システム１０と、
−共振空洞４１から上記ガスを除去することができるガス出力モジュール６０と、
−プラズマの形成を可能とするために、マイクロ波をマイクロ波生成器から共振空洞４１内に伝送することができる波結合モジュール８０と、
−共振空洞４１内にある成長支持体５１と
を備える。
【００４９】
マイクロ波支援堆積反応器により、共振空洞４１内で生成される、定在波の共振が可能となる。この共振は、共振空洞４１の寸法の正確な選択によって可能となり、またこの共振によって、電場の定在波の生成が可能となる。この反応器は、共振空洞４１内において、好ましくは成長支持体５１の少し上で、最大電場を可能にするように構成される。無線周波数励起とは異なり、マイクロ波電磁場励起は、表面、特に成長表面に対するイオンの作用を極めて強く制限することができる。実際には、電子及びイオンの周波数は励起波の周波数より低く、イオン及び電子は電磁場の時間変化に追従できない。平均電子エネルギは一般に、無線周波数励起によって得られるものより低い。
【００５０】
よって文献では、空洞の寸法、ガス混合物の組成、及び反応器の作動条件が、最適な共振のための、従って最適なダイヤモンドの成長のための重要な基準であると認められている。この教示に従って、反応器は可能であれば概念化され、そして反応器の性能は、プラズマの挙動を予測するためのモデル化ソフトウェアによって評価される。寸法及びプラズマ形成ガスの組成を決定したら反応器が構築され、その寸法はもはや変化しない。更に、圧力、プラズマに関連する電力、及び他の多くの変数、例えば流速、反応器の寸法と相関する基板の最適な位置などが、水素及びメチルのラジカル密度、拡散境界層の厚さ、基板表面温度、そして結果的にダイヤモンド層の成長に影響を及ぼし得ることが示されている。
【００５１】
この教示に反して、本発明者は、マイクロ波プラズマ支援堆積のためのモジュール式反応器を開発した。本発明者は、プラズマを所望の成長に適合させるために、迅速に交換することができる及び／又は反応器の特性（例えば共振空洞４１の寸法）を変更することができる、複数の調整要素を備えたマイクロ波支援堆積のためのモジュール式反応器１を開発した。従って、単一の反応器が、複数の用途のために作動を最適化するための又は同じ用途に関して成長中の条件を改善するためのモジュール式の仕様を有することができ、これはその構造を修正する必要がない。例えば、トレイ９００の移動及びそれによるエンクロージャの高さの変更を可能とするモジュール性は、システムの多モード動作の使用をもたらすことができ、これはプラズマの特性、従って成長条件を、一時的に又は恒常的に変更することができる。同様に、共振空洞４１に阻害要素を導入することによって、プラズマの特性、従って成長条件を、一時的に又は恒常的に変更することができる。
【００５２】
本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、少なくとも２つの調整要素を備え、その調整要素は、
−共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム４６０と、
−１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００と、
−共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００と、
−ガス分配モジュール１００と、ここでガス分配モジュール１００は、
○内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに
○着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０
を含み、
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００と、
から選択される。
【００５３】
本発明の反応器内にこれらの調整要素が存在することにより、ユーザは、反応器を完全に分解する又は製造元に連絡する必要なしに、反応器のいくつかの特性を容易に変更することができる。
【００５４】
好ましくは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、上述の少なくとも３つの調整要素を備える。より好ましくは、マイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は上述の少なくとも４つの調整要素を含み、更に好ましくは、上述の少なくとも５つの調整要素を含む。
【００５５】
あるいは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００と、以下から選択される少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの調整要素とを備える。
−１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００、
−共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム４６０、
−以下を含むガス分配モジュール１００、
○内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに
○着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００。
【００５６】
好ましくは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００と、１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００とを備える。これら２つの調整要素は移動可能であり、好ましくは、例えば垂直方向に独立して移動することができる。即ちトレイ９００は、基板ホルダモジュール５００の位置に影響を及ぼすことなく移動することができ、逆もまた同様である。
【００５７】
より好ましくは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００と、１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００と、１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００とを備える。
【００５８】
あるいは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００と、以下から選択される少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの調整要素とを備える。
−共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００、
−共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの真空及び電気的導通の両方の観点から密閉を可能にする密閉システム４６０、
−以下を含むガス分配モジュール１００、
○内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに
○着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００。
【００５９】
好ましくは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００と、１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００とを備える。
【００６０】
あるいは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム４６０と、以下から選択される少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの調整要素とを備える。
−共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００、
−１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００、
−以下を含むガス分配モジュール１００、
○内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに
○着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００。
【００６１】
あるいは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０を含むガス分配モジュール１００と、以下から選択される少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの調整要素とを備える。
−共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００、
−１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００、
−共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム４６０、
−１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００。
【００６２】
あるいは、本発明のマイクロ波プラズマ支援堆積反応器１は、１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００と、以下から選択される少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの調整要素とを備える。
−共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００、
−１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００、
−共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０、並びにクラウン４５０と第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置されて、エンクロージャの壁部の真空気密性及び電気的導通を可能にする密閉システム４６０、
−以下を含むガス分配モジュール１００、
○内側表面１１１、外側表面１１２、及びガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０、並びに
○着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０。
【００６３】
幅広い成長条件に対して最適化することができる反応器を、迅速にかつ比較的低コストで提供するための本発明に特有のこれらの調整要素に加えて、本発明の反応器は、マイクロ波プラズマ支援堆積空洞反応器の必須の構成要素を含む。
【００６４】
マイクロ波生成器７０は、周波数が３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚのマイクロ波を生成するように構成される。これらのマイクロ波は、空洞内に電場の定在波を生成するために必須である。好ましくは、マイクロ波生成器７０は、周波数が４００ＭＨｚ〜２７００ＭＨｚのマイクロ波を生成するように構成される。更に好ましくは、その生成器は、本発明の反応器が提供するモジュール性の恩恵を向上させるために、周波数が９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波を生成するように構成される。実際には、本発明の反応器１は大型反応器、例えば９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ、又は３００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの周波数で作動するものなどに特に有利である。このような生成器に連結された本発明のモジュール式反応器１は、これまでにない複数の製造オプションのセットを提供することができ、従って幅広い産業の需要を満たすことができる。
【００６５】
例えば、上記生成器は、周波数が２４５０ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ又は４３３ＭＨｚに略等しいマイクロ波を生成することができる。
【００６６】
本発明の反応器１と共に使用することができる生成器は多数存在する。使用することができる生成器は、例えば最大６ｋＷの電力を２４５０ＭＨｚに略等しい周波数で送達することができるマイクロ波生成器にし得る。最大３０ｋＷ、５０ｋＷ又は１００ｋＷの電力を９１５ＭＨｚに略等しい周波数で送達することができる別のマイクロ波生成器も使用することができる。また、４３３ＭＨｚに略等しい周波数で作動する別の空洞マイクロ波生成器も使用することができる。
【００６７】
空洞のマイクロ波供給、又は結合は、プラズマを形成することができるようにするために、マイクロ波をマイクロ波生成器７０から共振空洞４１に伝送することができる波結合モジュール８０によって実施される。波結合モジュールは、マイクロ波生成器７０が生成した波を共振空洞４１に導入することができ、この目的のために、波生成器７０から共振空洞４１へ電磁波を搬送及び案内するための、導波路、同軸トランジション、及びマイクロ波カプラを含む。導波路が提供する伝播モードは、以下の２タイプとすることができる。
−横磁場モード（ＴＭ０ｍｎ）、磁場の軸が空洞の軸に対して垂直であり、入射する磁場が入射平面に対して垂直である（電場は入射平面内にある）、及び
−横電場モード（ＴＥ０ｍｎ）、電場の軸が空洞の軸に対して垂直であり、入射する電場が入射平面に対して垂直である（磁場は入射平面内にある）。
【００６８】
指数ｍ及びｎはそれぞれ、横磁場モードＴＭ０ｍｎに関して、共振空洞４１の径方向の及び軸に沿った電場の正弦波変動の最大値の数を示す。使用することができる他のモードに関する説明については、当業者はSilvaほか（Silvaほか 2009; Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition. Journal of Physics: Condensed Matter or to J. Asmussen, Chap 6 of High density plasma sources, edit O A Popov, Noyes publications, 1995）を参照することができる。ＴＭ０ｍｎモードにより、非対称のプラズマを得ることができる。結合は好ましくは誘電体窓を用いて実施され、そして好ましくは導波路システムは、液体を含む冷却手段によって冷却される。マイクロ波プラズマ支援堆積反応器に関して可能な結合及び最適な結合は、文献に記載されている（Kudela terebessyほか Applied Physics Letter vol 80, N°7, 2002; D G Goodwin J. Appl. Phys. 74-11, 1993; H. Yamadaほか, DRM, 17, 2008; X. Liほか Physics procedia 22, 2011; J. Wengほか, DRM 30, 2012; Yutaka Andoほか, DRM, 11, 2002; Takeshi Tachibanaほか Diamond and Related Materials 10 2001）。
【００６９】
好ましくは、本発明の反応器１の（即ち共振空洞４１の）結合モードは、プラズマの点火時に単一モードとなる、より好ましくは磁気伝送モードとなるように構成される。更に好ましくは、このシステムは、初めにＴＭ０１１モード、即ち反応器の軸及び径方向成分に電場最大値が１つしかないモードで作動するように構成される。本発明の一部としてＴＭ０１１モードを使用することの利点は、ダイヤモンド堆積に適合された形状を有するプラズマを容易に生成することができることである。実際には、プラズマ／表面界面に大きなエネルギを堆積させるために、プラズマは、波の侵入厚さより大幅に大きな厚さを有することはできない。
【００７０】
好ましくは、波結合モジュール８０は、共振空洞４１の上部に配置され、誘電体波導入窓８２を含み、窓の掘り／劣化、及びダイヤモンド層の汚染の可能性につながるプラズマのコアで発生する自然対流による窓の加熱効果を制限するために、誘電体波導入窓８２の面８１は成長支持体５１に平行にかつ外側にオフセットして配置される。
【００７１】
エンクロージャ４００は、様々な形状及びサイズを有することができる。好ましくは、エンクロージャ４００は円筒形状を有するが、他の形状を取ることもできる。本発明の反応器１がモジュール要素としてトレイ９００を含む場合、これにより共振空洞４１の高さの変更が可能となる。エンクロージャ４４０の底部４４１から導波路の内側表面８１までで測られるエンクロージャの高さは、例えば１５０ｍｍ〜６００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜５００ｍｍ、更に好ましくは３５０ｍｍ〜４５０ｍｍにし得る。最後の寸法は、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波波長での作動に特に好ましい。同様に、本発明の以下の説明において別段の記載が無い限り、寸法は９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数で作動するモジュール式反応器１に特に適合される。別段の記載が無い限り、３００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの周波数で作動するモジュール式反応器１に関する好ましい寸法又は成長条件は、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数で作動するモジュール式反応器１に適合された寸法を３．４〜１．８倍することによって得られることができる。別段の記載が無い限り、２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨの周波数で作動するモジュール式反応器１に関する好ましい寸法又は成長条件は、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数で作動するモジュール式反応器１に適合された寸法を２．３〜２．９で割ることによって得られることができる。
【００７２】
本発明によるエンクロージャ４００は、一般に金属製、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金製である。アルミニウム合金は、好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９０重量％、更に好ましくは少なくとも９８重量％のアルミニウムを含む。
【００７３】
共振空洞４１は、少なくとも一部が、反応器１のエンクロージャ４００の円筒状内壁４２０によって形成される。共振空洞４１はその下側部分が、エンクロージャ４００の底部４４１又はトレイ９００の表面９１０によって形成される。一実施形態によると、共振空洞４１は、その表面がトレイ９００、エンクロージャの壁部、及び共振空洞４１内に収容される場合があるいずれかの金属要素で電気的に連続している場合、成長支持体及び１つ以上の基板を収容するように構成された、基板ホルダモジュール５００も含む。共振空洞４１は好ましくは円筒状である。共振空洞４１は、エンクロージャの底部４４１の平面から誘電体波導入窓８２の表面８１の平面までの対称軸を有し、好ましくはＴＭタイプのマイクロ波共振モードに適合される。底部４４１は、共振空洞４１の直径とは異なる直径を有してもよい。
【００７４】
図１に示されている反応器１は、共振空洞４１内に位置する成長支持体５１も備える。この成長支持体５１は例えば、１つ以上の基板がその上に配置されることになる、大きな平坦な表面を形成することができる。この成長支持体５１は、１つ以上の基板を整列させて保持するための突出部、円、孔、又は溝を含んでもよい。あるいは成長支持体５１は、１つ以上の基板がその上に配置される平坦な支持表面を含む。
【００７５】
マイクロ波プラズマ支援堆積反応器は、共振空洞４１内にガスを供給することができるガス流入システム１０を含む。このガス流入システム１０により、少なくとも１００ｃｍ３／分のガス総流量で成長表面に向かってプロセスガスが注入される方法を実施することができる。共振空洞４１内に供給されるガスは、少なくとも１つの炭素源及び１つの分子水素源を含む。炭素源は好ましくはメタンである。９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数で作動するモジュール式反応器１に関して、そのガス流量は、好ましくは少なくとも７５０ｃｍ３／分、より好ましくは少なくとも１０００ｃｍ３／分である。共振空洞４１内では、これらのガスがマイクロ波によって活性化されて、高電場領域においてプラズマが形成される。そして、反応性炭素を含有するラジカルがプラズマから拡散し、１つ以上の基板上に堆積して、ダイヤモンドを成長させることができる。
【００７６】
ガス流入システム１０により、共振空洞４１内に窒素、例えば少なくとも０．３ｐｐｍの窒素を供給することができる。共振空洞４１内での窒素の使用は、ダイヤモンド層の成長速度を上昇させると共に、より高い結晶安定性を可能にすることが知られている。
【００７７】
ガス流入システム１０により、ホウ素、硫黄、リン、ケイ素、リチウム及びベリリウムなどの元素を含む１つ以上のいわゆるドープガスを、共振空洞４１に注入することもできる。そのため、ガス流入システム１０により、ガスが少なくとも１つのドーパントを０．０１ｐｐｍ以上の濃度で含む方法を実施することができる。このようないわゆるドーパントガスの使用により、合成ダイヤモンドの特性を変更することができる。これは例えば、合成ダイヤモンドの光学的及び／又は電気的特性を変更することができる。
【００７８】
ガス流入システム１０は、特定の成長を実現するために有利であり得る他のガス、例えばアルゴン、酸素又は他の通常使用されるガスの注入も可能である。
【００７９】
ガス出力モジュール６０は、共振空洞４１内に存在するガスを排出することができる。ガス出力モジュール６０は、好ましくは堆積反応器の下側部分に位置する、１つ以上のガス出力部６１を備える。
【００８０】
１つ以上のガス出力部６１は、軸対称配置で、成長支持体５１の周囲及び下に配置されることができる。
【００８１】
本発明のマイクロ波プラズマ支援モジュール式堆積反応器のエンクロージャ４００は、少なくとも２つの、組み立てられた時に共振空洞４１を部分的に形成する部品からなってもよい。
【００８２】
プラズマのコアにおいて到達するガスの温度（例えば２５００Ｋを超え、最高５０００Ｋ）を考慮すると、反応器の壁部の極めて効率的な冷却が必要である。
【００８３】
プラズマのガス温度は、高温流に曝される壁部に影響を及ぼす。これを補うために、壁部冷却システムが通常は実装される。
【００８４】
本発明者は、それぞれが堆積反応器を作動させるために必要な要素の一部を収容する少なくとも２つの部分にエンクロージャを分割することを提案する。例えば第１のエンクロージャ部分４３０は、ガス流入システム１０及び波結合モジュール８０を含み、第２のエンクロージャ部分４４０は、ガス出力モジュール６０、成長支持体５１、トレイ９００、及び該当する場合には基板ホルダを含む。
【００８５】
有利には、第２のエンクロージャ部分４４０は、ガス流入システム１０又は波結合モジュール８０を第１のエンクロージャ部分４３０から分離する必要なしに取り外し可能である。
【００８６】
更に、反応器１は、好ましくは第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０を別々に冷却するように構成された冷却システム４９０を含む。
【００８７】
冷却システム４９０は、２つのエンクロージャ部分４３０、４４０のうちの温度が高い方の温度の低下をもたらすように構成されることもできる。
【００８８】
上述のように、本発明者が提案する調整要素の１つは、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができるトレイ９００である。更に、反応器の作動中に、トレイはプラズマの形状及び体積を修正することができる。このトレイ９００は図２に示されている。
【００８９】
垂直方向に並進移動することができるこのトレイ９００は、共振空洞４１の寸法をユーザが迅速に変更することができるという利点を有する。しかしながら、共振空洞４１の寸法及び形状を、例えばガスの組成、圧力、電力に関する条件に応じて変更すると、プラズマの誘電特性の変化、そのためプラズマの形状の変化、従ってダイヤモンド膜の局所的成長条件の変化がもたらされる。本発明によるトレイ９００は、成長前だけでなく成長中にも移動させることができるという利点を有する。これによりユーザは、プラズマの形状、特性及び位置が基板の成長表面の位置及び合成ステップに適合されるように、それらを変化させることができる。
【００９０】
例えばトレイ９００は、１〜１０ｃｍの厚さを有することができる。その厚さは、製造に使用する材料の量を減らしてしまうほどに大きくされてはならないが、実施の間にプラズマによってもたらされ得るトレイ９００の変形を防止するため及び該当する場合には１つ以上の冷却路の配置を可能とするために十分でなければならない。好ましくは、トレイ９００は２ｃｍ〜８ｃｍの厚さを有する。
【００９１】
トレイ９００は、様々な金属材料で作られることができる。好ましくは、その金属材料は、モリブデン、銅、アルミニウム、及び／又はアルミニウム合金を含む。
【００９２】
更に図２に示されるように、本発明によるトレイ９００は、ガスを通過させることができる貫通孔９１１を含む。これは特に、１つ以上のガス出力部６１がエンクロージャの下側部分に配置されている場合に有利である。好ましくは、トレイ９００は、５〜１５個の貫通孔９１１を含む。これらの貫通孔は、好ましくは直径１〜５ｃｍの円筒形状を有する。これらの貫通孔は、有利にはトレイ９００の上側表面９１０に対して垂直であり、例えばトレイ９００の上側表面９１０と直交する。
【００９３】
好ましくは、貫通孔９１１は、トレイの端部、即ちトレイの外縁部付近に配置される。更に、トレイ９００の上側表面のこれらの貫通孔９１１の合計面積は、好ましくは４〜１００ｃｍ２である。
【００９４】
トレイ９００は、例えばトレイ９００が接続されているシリンダ９２０によって、並進移動することができる。これらのシリンダは、好ましくはエンクロージャ４００が形成する容積の外側に配置される。これらは、トレイ９００のゆっくりとした正確な移動を可能とするいずれかの機構で置き換えられることができる。トレイ９００はまた、その垂直方向の並進移動を改善するために、ベローズ又は誘導システムと組み合わせられることもできる。
【００９５】
トレイ９００は、作動中に超高温に曝され得る。従って、一方ではその変形を制限又は避けるため、そして他方ではプラズマの擾乱を低減するために、トレイ９００は、冷却システム９４０に接続されてそのトレイ９００を冷却することができる少なくとも１つの冷却路９３０を含んでもよい。
【００９６】
有利には、トレイ９００は着脱式である。トレイ９００は容易に取り外されて別のトレイ９００と交換されることができ、この別のトレイ９００は、異なる寸法及び／又は形状を有することができ、そして垂直方向並進移動システム及び／又は冷却システム９４０に取り付けられることができる。
【００９７】
トレイ９００の表面は好ましくは平坦であるが、トレイ９００はその中央に凹部を有してもよい。このような凹部は基板ホルダを収容するようにされ、これにより基板ホルダは空洞内に正確に配置される。
【００９８】
トレイ９００は、中実ディスクの形状部分を含んでもよいが、好ましくはトレイ９００は、図２に示されるように中央が除去された中実ディスクの形状部分を含むことができる。
【００９９】
トレイ９００は、上面９１０が、成長支持体５１におけるエンクロージャ４００の断面の表面の５０％より大きい、好ましくは６０％より大きい表面を有してもよい。よって好ましくは、トレイ９００は上面９１０を有し、その表面は、成長支持体５１におけるエンクロージャ４００の断面の表面の６０％〜９５％であり、より好ましくは、その表面は成長支持体５１におけるエンクロージャ４００の断面の表面の７０％〜９０％であり、更に好ましくは、その表面は成長支持体５１におけるエンクロージャ４００の断面の表面の８０％〜９０％である。これらの寸法により、小さな表面のトレイよりも効率的にプラズマを調整することができる。これらの数値は貫通孔９１１を考慮に入れていない。
【０１００】
有利には、トレイ９００は、成長支持体５１の面積より大きな面積の上側表面９１０を有する。好ましくは、トレイ９００は、成長支持体５１の面積の１５００％超を示す面積の上側表面９１０を有し、更に好ましくは、トレイ９００は、９００〜１０００ＭＨｚタイプの反応器に関して、成長支持体５１の面積の５５０％超を示す面積の上側表面９１０を有する。
【０１０１】
有利には、トレイ９００は、エンクロージャ４００の内壁４２０との電気的接触を維持することができる要素９６０のシステムを含むことができ、従ってエンクロージャとの電気的導通、及び基板ホルダモジュール５００が共振空洞４１と一体の部品である場合には基板ホルダモジュール５００との電気的導通を維持することができる要素９６０のシステムを含むことができる。例えばこれらの要素９６０は、銅−ベリリウム合金を含むか、又は銅−ベリリウム合金製とすることができる。
【０１０２】
本発明者が提案する別の調整要素は、１／４波長板５０１と接触し、少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含み、かつ成長支持体５１の垂直方向並進移動及び回転を可能とするように構成された基板ホルダモジュール５００である。この基板ホルダモジュール５００は、図２に示されている。
【０１０３】
有利には、基板ホルダモジュール５００は着脱式であり、例えば別の着脱式基板ホルダモジュール５００と交換するために、反応器から容易に着脱することができるという利点を有する。
【０１０４】
本発明による基板ホルダモジュール５００は、垂直方向に並進移動することができるという利点を有する。この垂直方向の並進移動は、モータ又は手動アクチュエータなどの様々な手段によって行われることができる。この並進移動により、成長表面の温度管理及びその均質性を改善することができる。
【０１０５】
好ましくは、基板ホルダモジュール５００は、成長支持体５１の垂直方向並進可動性を確実なものとすることができるベローズ５５０を有する。ベローズ５５０は、好ましくはトレイ９００の下方に配置される。
【０１０６】
本発明による基板ホルダモジュール５００はまた、回転することができるという利点を有する。この回転は、モータ又は手動アクチュエータなどの様々な手段によって行われることができる。好ましくは、基板ホルダモジュール５００はモータに接続され、モータは基板ホルダの軸に接続されて、エンクロージャ４００が形成する容積の外側に配置され、成長支持体５１の回転性を確実なものとすることができる。
【０１０７】
更に、基板ホルダモジュール５００は、共振空洞４１の外側でのマイクロ波の伝播を制限することができる１／４波長板５０１に接触する。１／４波長板５０１は、円筒状の対称性を有する金属構造体であり、縦方向部分に１／４波長板を形成する。本発明による１／４波長板５０１は、図２に示されている。１／４波長板５０１は、基板ホルダモジュール５００に直接的又は間接的に接触し、好ましくは基板ホルダモジュール５００に電気的に接続され、更に好ましくは、導電手段５０３を介して基板ホルダモジュール５００に間接的に接触して電気的に接続される。有利には、本発明のモジュール式反応器１がトレイ９００及び基板ホルダモジュール５００を含む場合、１／４波長板５０１は、トレイ９００から電気的に絶縁されることができ、かつ基板ホルダモジュール５００に電気的に接続されることができる。この電気的絶縁は、電気絶縁材料を含む絶縁手段５０２によって提供されることができ、トレイ９００を１／４波長板５０１から電気的に絶縁することができ、そして例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）ブロック又はＰＴＦＥシールを含むことができる。基板ホルダモジュール５００と１／４波長板５０１の間の電気的接続は、導電性材料を含む導電手段５０３によってなされることができ、基板ホルダモジュール５００と１／４波長板５０１の間で電流を伝導することができる。基板ホルダモジュール５００と１／４波長板５０１の間の電気的接続は、好ましくは銅及びベリリウムの混合物を含む導電手段５０３によってなされる。モジュール式反応器１内での１／４波長板５０１の具体的な配置は、図３に示されている。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、好ましくは１／４波長板５０１が絶縁手段５０２を介して可動トレイ９００に接続されること及び導電手段５０３を介して基板ホルダモジュール５００に接触することを示す。１／４波長板５０１は、例えば可動トレイ９００の下部（図３Ａ）又は上部（図３Ｂ及び３Ｃ）に配置されることができる。
【０１０８】
基板ホルダモジュール５００は、基板ホルダモジュール５００内に熱伝導流体（例えば水）を循環させることができる少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む。この冷却流体により、成長支持体５１の、従って基板の温度上昇を制御することができる。好ましくは、冷却流体は、例えば水、添加剤が加えられた水、シリコーンオイルなどから選択されることができる。好ましくは、流体分配流路５２１は分配チャンバ５２２に接続され、分配チャンバ５２２は、基板ホルダモジュール５００の上側表面の下側で熱伝導流体を分配することができる。
【０１０９】
流体冷却システム５２０による成長支持体５１の冷却は必要であるが、一般的には、成長支持体５１及び１つ以上の基板の成長表面の温度の十分に正確な制御を実現できない。よって図４に示されるように、基板ホルダモジュール５００は有利には、熱抵抗ガス管理システム２００に接続され、かつ成長支持体５１付近において熱抵抗ガスを分配することができる、少なくとも１つのガス分配流路２１０を含む。
【０１１０】
熱抵抗ガスは、例えばアルゴン、水素及び／又はヘリウムの混合物とすることができる。熱抵抗ガスの使用により、成長支持体５１及び基板の温度を細かく制御することができ、従ってダイヤモンドの成長を最適化することができる。
【０１１１】
成長支持体５１に平行な、基板ホルダの上側表面の面積は、成長支持体５１におけるエンクロージャ４００の断面の面積の５％〜３０％である。例えば、周波数が９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、成長支持体５１に平行な、基板ホルダの上側表面の面積は、５０ｃｍ２〜３００ｃｍ２、好ましくは５０ｃｍ２〜２５０ｃｍ２である。
【０１１２】
従来技術の基板ホルダは多くの場合、体積が小さく、堆積反応器内の限られた空間しか占めない。本発明者は、多くの機能を含むことができかつ体積が大きい、基板ホルダモジュール５００を開発した。この大きな体積により、本発明による基板ホルダモジュール５００は、垂直方向並進移動時に、共振空洞４１の、従ってプラズマの大きな変更をもたらすことができる。この大きな体積はまた、本発明による基板ホルダの異なる複数の特性（例えば、流体による冷却、熱抵抗ガスによる冷却、回転システムなど）の提供も可能とする。よって、その体積、及び成長支持体５１の垂直方向の変位を可能とするその能力により、このような基板ホルダモジュール５００を用いて成長パラメータを最適化することができる。周波数が９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、好ましくは、基板ホルダモジュール５００は、１０００ｃｍ３〜１０，０００ｃｍ３の体積を有する。
【０１１３】
同様に、基板ホルダモジュール５００は、好ましくは、成長支持体５１の直径（又は面積）と略同一である一定の直径（又は断面積）を有する。
【０１１４】
更に、基板ホルダモジュール５００は、場合によっては、本発明による共振空洞４１、エンクロージャ４００及び／又はトレイ９００から電気的に絶縁されることができる。これにより、基板ホルダモジュール５００と共振空洞４１の間に異なる電位を実現することができる。より好ましくは、基板ホルダモジュール５００は、反応器１の他の要素から電気的に絶縁される。この特徴により、本発明の反応器を作動させている間に、プラズマの形状に大きな変化を生じさせることなく、基板ホルダモジュール５００を垂直方向に並進移動させることができる。基板ホルダモジュール５００は例えば、基板ホルダモジュール５００とトレイ９００の間に配置されたＰＴＦＥ穿孔シリンダ、ＰＴＦＥシール、又は他の電気絶縁材料によって絶縁されることができる。
【０１１５】
反応器が、トレイ９００と共に基板ホルダモジュール５００を備える場合、トレイ９００は有利には、基板ホルダとトレイ９００の間の電気的絶縁を確実なものとするために、電気的絶縁が可能な手段９７０（例えばＰＴＦＥシール若しくはブロック、又は他の電気絶縁材料）を含むことができる。更に、エンクロージャの底部は、基板ホルダモジュール５００を通過させるための開口に、基板ホルダモジュール５００をエンクロージャ４００から絶縁することができる電気絶縁材料を含む絶縁手段９８０（例えばシール）を含んでもよい。有利には、エンクロージャの底部は、基板ホルダモジュール５００を通過させるための開口に、基板ホルダモジュール５００をエンクロージャから電気的に絶縁することができる密閉システムを含む。
【０１１６】
好ましくは、電気的絶縁を確実にするための手段は、ＰＴＦＥ製である。この実施形態では、基板ホルダを通過する１つ以上の流体は、導電性でないか、わずかな導電性しか有しない。例えば脱イオン水又はシリコーンオイルを使用することができる。例えば、その流体の導電率は、５０μＳ／ｃｍ未満、好ましくは２０μＳ／ｃｍ未満である。これにより、トレイ９００及び／又はエンクロージャ４００を、基板ホルダモジュール５００から電気的に絶縁することができ、従ってプラズマのコアの特性に対するその影響を取り除くことができる。
【０１１７】
上述のように、基板ホルダモジュール５００は、熱抵抗ガス管理システム２００への接続を含んでもよい。成長条件を制御するために、成長支持体５１及び成長表面における温度分布を最も良好に制御するために熱伝導を制御することが必要である。これらの熱伝導についての必須の監視領域は、基板におけるダイヤモンドの成長領域である。しかしながら、基板の形状又は配置、及び達成すべき結果（例えば厚さ、成長速度、成長方向）に応じて、成長支持体５１において同一の冷却が期待されるわけではない。よって、成長支持体５１において冷却を細かく制御することができるようにするために、本発明者は、別のモジュール要素である基板冷却制御モジュール３００を開発した。これは、２回の成長の間で容易に交換されて期待される成長に適合することができる着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を備える。この基板冷却制御モジュール３００は、図５Ａ及び５Ｂに示されている。このシステムは、有利には成長中に高さを調整されることができる。
【０１１８】
図５Ａに示されるように、基板冷却制御モジュール３００は着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を備える。基板冷却制御モジュール３００によって、有利なことに、成長表面を６００℃〜１４００℃の温度に維持することができ、成長表面と基板ホルダの間の熱勾配の空間的分布を制御することができる。超ナノ結晶ダイヤモンド層に関しては、１５０℃〜４００℃の温度が求められる。
【０１１９】
本発明による着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備える。熱抵抗ガス入力部３３３は、分配チャンバ３３２を介して熱抵抗ガス出力部３３１に接続されることができる。
【０１２０】
熱抵抗ガス入力部３３３は、好ましくは着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の中央に配置される。着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、複数の熱抵抗ガス入力部３３３を備えてもよい。複数の熱抵抗ガス入力部３３３が存在することにより、熱抵抗性が異なる複数のガス又はガスの混合物の使用を管理することができる。例えば、ある入力は第１の熱抵抗ガス専用であり、別の入力は別の熱抵抗ガス専用である。熱抵抗ガス入力部３３３は、異なる複数の分配チャンバ３３２に接続されることができる。更に、複数の熱抵抗ガス入力部３３３が存在することにより、異なる複数のガスを、独立して調整可能な濃度又は速度で注入することができる。
【０１２１】
熱抵抗ガス入力部３３３は、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器において、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍの直径を有することができる。好ましくは、熱抵抗ガス入力部３３３は、３ｍｍ〜７ｍｍの直径を有する。
【０１２２】
着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の分配チャンバ３３２により、成長支持体５１における熱抵抗ガスの空間的分布の均質性を改善することができる。９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、分配チャンバ３３２の容積は、好ましくは０ｍｍ３〜１６０００ｍｍ３とすることができる。好ましくは、基板ホルダと成長支持体５１の間の熱伝導を増大させるために、１つ以上の分配チャンバ３３２の容積が減らされる。よって、分配チャンバ３３２の高さは有利には大幅に減らされ、例えばその高さは、０．０２ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．０５〜１ｍｍである。更に、分配チャンバ３３２は、図５Ａに示されるように底部を備えなくてもよい。
【０１２３】
着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、複数の混合チャンバを備えてもよい。
【０１２４】
１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１は、熱抵抗ガスが好ましくは成長支持体５１の下側に注入されるようにして、配置される。１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１は、成長支持体５１の冷却を管理し、その結果として成長表面の温度を管理することを目的とする。これらの出力部は着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０に配置されるため、本発明により、各成長の間に、成長条件を最適化するために必須である、熱抵抗ガス出力部に関連する複数の因子、例えば熱抵抗ガス出力部の個数、その向き、及びその密度を容易に変更することができる。これらのパラメータの調整により、所望の成長に適合された、成長支持体５１の冷却を調整する特性を提供することができる。
【０１２５】
熱抵抗ガス出力部３３１と成長支持体５１の間の距離は、ダイヤモンド層の成長に影響を及ぼし得る。この距離は、成長支持体５１全体に亘って同一とすることができ、そして比較的低い成長温度が望ましい場合には減らすことができる。よって、基板冷却制御モジュール３００は有利には、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０に対して独立させることも、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０に一体化されることもできる、配置手段３２０を備えてもよい。
【０１２６】
本発明による配置手段３２０は、六面体、例えば立方体又は平行六面体、角柱、円柱などの様々な形状を取ることができる。
【０１２７】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、有利には本発明による配置手段３２０が、８００μｍ未満、より好ましくは５００μｍ未満、更に好ましくは２５０μｍ未満の高さを有する。配置手段３２０は通常は、５μｍより大きな高さを有する。
【０１２８】
更に、本発明に従って複数の配置手段３２０を使用する場合、これらの手段は、１０％未満、好ましくは５％未満、更に好ましくは２％未満の高さの違いを有する。実際には、本発明との関連で、高さの違いが極めて小さい配置手段３２０の存在により、成長表面の温度のより最適な制御、従ってより良好に制御された成長がもたらされる。
【０１２９】
あるいは、これらの配置手段３２０は有利には、成長表面の冷却特性の調整を可能とする、大きな高さの差を有することができる。それでもなお、成長支持体５１は、エンクロージャの底部４４１の表面に平行に配置されるのが望ましい。
【０１３０】
これらの配置手段３２０は着脱式とすることができ、そして有利には、成長支持体５１の下側表面の凹部、例えばノッチによって、成長支持体５１に対して所定の位置に保持されることができる。よって成長支持体５１は、配置手段３２０を収容するよう構成された凹部を、その下側表面に含んでもよい。これらの凹部は、好ましくは０．５ｃｍ２〜５ｃｍ２の断面積、１ｃｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満の深さを有する。よって成長支持体５１は、３〜３０個の凹部、好ましくは３〜１５個、より好ましくは３〜７個の凹部を備えることができる。これらの凹部は、様々な断面形状（例えば円形、長方形、正方形）を有することができる。
【０１３１】
更に、これらの配置手段３２０は垂直方向に並進移動することができ、そしてこれらの配置手段３２０のゆっくりとした正確な移動を実現することができる垂直方向並進移動手段と関連することができる。この垂直方向の並進移動の目的は、成長支持体５１と、熱抵抗ガス注入装置３３０又は基板ホルダモジュール５００又は基板ホルダ５０との間の距離を調整することである。垂直方向並進移動手段は、例えばシリンダ、ベローズ、又はアクチュエータなどの手段から選択されることができる。この垂直可動性により、１つ以上の成長表面の温度に対する更なるレベルの制御を追加するために、成長中に熱抵抗ガス注入装置３３０と成長支持体の間の距離を変えることができる。
【０１３２】
本発明による配置手段３２０は、高純度の幅広い材料、例えば金属、誘電性材料若しくはグラファイトなどで作られてもよく、又は多層として作られてもよい。
【０１３３】
着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、基板ホルダ冷却システムと成長支持体５１の間の熱伝導を増大させるために、有利には高さを減らされることができる。よって好ましくは、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、１ｍｍ未満、より好ましくは１００μｍ未満の高さを有する。更に、これらの高さは、成長支持体５１の厚さに応じて調整されることができる。
【０１３４】
実際のところ、有利には、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０と基板ホルダ５０（又は基板ホルダモジュール５００）の間の距離が２００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満となるように構成される。また着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、装置３３０及び基板ホルダ５０が、少なくとも成長支持体５１の表面と等しい表面で接触するように構成されることもできる。
【０１３５】
図５Ｂに示されるように、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、成長支持体５１を一体化することができる。これは、熱交換が改善され、これによって１つ以上の基板のより良好な冷却が確保されるという利点を有する。この構成により、特に、基板ホルダ５０と成長支持体５１の間に存在し得る中空空間の一部を除去することによって、成長支持体５１の上側表面の熱制御を最適化することができる。
【０１３６】
例えば、基板冷却制御モジュール３００により、熱抵抗ガスが少なくとも２０ｓｃｃｍ、好ましくは少なくとも５０ｓｃｃｍのガス総流量で、冷却システムから共振空洞４１へと噴出される方法を実施することができる。
【０１３７】
本発明による基板冷却制御モジュール３００は、有利には本発明による基板ホルダモジュール５００と共に使用されることができるが、従来の基板ホルダと共に使用されることもできる。実際には、従来の基板ホルダは、本発明による基板冷却制御モジュール３００が適合されることができる１つ以上の熱抵抗ガス出力部を備えることができる。
【０１３８】
着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、熱抵抗ガスの分配を細かく制御して、それをダイヤモンド層の所望の成長条件に適合させる能力をユーザに提供する。実際には、ダイヤモンドの成長時に、基板における温度管理は、共振空洞４１内の１つ以上の基板の位置、成長に使用されるガスの組成、圧力及び電力条件、成長するダイヤモンド基板の個数（又は多結晶ダイヤモンド層のサイズ）、成長するダイヤモンド層の特性（多結晶、単結晶）、並びに予想される成長反応時間に応じて適合されなければならない。この状況において、この装置は、成長条件を最適化する際に特に有用である。
【０１３９】
更に、熱抵抗ガス出力部３３１は、成長表面全体に亘る最適な基板温度分布を得るために熱抵抗ガスを分配するという利点を有する。それにもかかわらず、熱抵抗ガス出力部３３１は、詰まってしまうという欠点を有する。このような着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０が存在することによって、この部品を、冷却モジュールに接続された部品一式全てを交換する必要なしに交換することができる。
【０１４０】
本発明者はまた、１つ以上のダイヤモンド単結晶、又は多結晶ダイヤモンド層の成長に関して最適なガスの分配を可能にするために、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０内の出力部の分布を最適化した。着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を使用する利点は、出力部寸法又は出力部密度などの複数のパラメータを変更することができることである。
【０１４１】
図６Ａに示されるように、熱抵抗ガス出力部３３１は様々な形状を有することができる。例えば、出力部３３１の断面は、円形、正方形、長方形、ひし形とすることができる。この断面の形状は、２つの出力部３３１の間だけでなく、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の内側表面３３６又は外側表面３３５のいずれの出力部３３１の断面を考慮するかに応じて、１つの出力部３３１でも変わり得る。好ましくは、出力部３３１の断面は円形である。
【０１４２】
図６Ｂに示されるように、熱抵抗ガス出力部３３１は様々な断面積を有することができる。例えば、出力３３１の総断面は、成長支持体５１の面積の５％〜１５％の面積を有することができる。この断面の面積は、２つの出力部３３１の間でだけでなく、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の内側表面３３６又は外側表面３３５のいずれの出力部３３１の断面を考慮するかに応じて、１つの出力部３３１でも変わり得る。
【０１４３】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、各熱抵抗ガス出力部３３１は、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の内側表面３３６において、０．２ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜３ｍｍの直径を有することができる。
【０１４４】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、各熱抵抗ガス出力部３３１は、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の外側表面３３５において、０．５ｍｍ〜３ｍｍの直径を有することができる。
【０１４５】
熱抵抗ガス注入装置３３０の内側表面３３６又は外側表面３３５における熱抵抗ガス出力部３３１の直径は、成長支持体５１と等しい表面全体に亘って１つ以上の熱抵抗ガスの最適な分配が得られるようにして、構成されることができる。
【０１４６】
更に、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０内において、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の内側表面３３６又は外側表面３３５における熱抵抗ガス出力部３３１の直径は等しくてもよいが、反応器の対称軸に対する着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０内での出力の位置に応じて変わってもよい。
【０１４７】
本発明による着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０により、出力部密度が容易に変更されることができ、更に熱抵抗ガス出力部３３１のモジュール式のネットワークを提供することができる。
【０１４８】
よって例えば、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、少なくとも１出力部／ｃｍ２の熱抵抗ガス出力部密度３３１を備える。熱抵抗ガス出力部３３１の密度は、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０に存在する出力部の個数を、成長支持体５１に対面する注入装置の面積で割ることによって測られる。着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、１出力部／ｃｍ２を大きく超える出力部密度を備えることができる。実際には、高い出力部密度により、使用中の熱抵抗ガスの流れを最適化することができ、したがって比較的大きな面積において、高速で均質なダイヤモンド膜の均一な厚さでの形成を得るために、１つ以上の基板の温度を調整することができる。よって、好ましくは９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、０．１〜５出力部／ｃｍ２の平均密度、より好ましくは０．１〜３出力部／ｃｍ２の密度、更に好ましくは０．２〜２出力部／ｃｍ２の密度で、熱抵抗ガス出力部３３１を備える。各実施の間での熱抵抗ガスの分配の調整を可能とする、熱抵抗ガス出力部３３１の密度に関するこのような可能なモジュール性に加えて、複数の熱抵抗ガス入力部３３３及び／又は分配チャンバ３３２の使用により、熱抵抗ガスの分配を実施の間に調整することができる。
【０１４９】
熱抵抗ガス出力部３３１の上述のような密度により、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０は、少なくとも５個、例えば少なくとも１０個、好ましくは少なくとも２０個、好ましくは少なくとも５０個の出力部を備えることができる。
【０１５０】
着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の上側の外側表面、即ち成長支持体５１に最も近い表面は、円形、正方形、長方形、楕円形、円の一部分などのいくつかの形状を取ることができる。好ましくは、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０の上側の外側表面の形状は、成長支持体５１の形状と略同一である。
【０１５１】
出力部の直径と同様に、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０内における出力部の密度は、注入装置３３０内での位置に応じて変化し得る。
【０１５２】
本発明者が提案する別の調整要素は、共振空洞４１の形状及び／又は容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０である。更に、本発明による１つ以上のクラウン４５０は、共振空洞４１の点形状の修正、ガス注入、成長の観察のための窓、温度測定、及び／又は基板分析（例えば高さ、色）などの多くの追加の機能を有してもよい。クラウン４５０は図７に示されている。本発明のモジュール式反応器１は、１つ以上のクラウン４５０、好ましくは１つ又は２つのクラウン４５０を備えることができる。図７に示されるように、これらのクラウン４５０は、エンクロージャ４００の様々な高さに配置されることができ、好ましくは共振空洞４１に配置されることができる。更に、本発明によるクラウン４５０により、成長及び／又は熱抵抗ガスの注入を可能とすることができる。
【０１５３】
図７に示されるように、クラウン４５０により、共振空洞４１の幾何学的形状を変更することができ、例えば導波路８２とエンクロージャ４００の底部４４１の間の高さを増大させることができる。このモジュール要素は、ガス温度の空間的分布及びプラズマ中の原子Ｈ密度を、プラズマ／表面界面において最適化することができる。好ましくはこのモジュール性は、共振空洞４１の構成を所望の成長に適合させるための大きな寸法の自由度がユーザに与えられるために、トレイ９００によって提供されるモジュール性と結合される。本出願に関して、好ましくはクラウン４５０は金属製のクラウンである。これは例えば、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を含んでもよく、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金のみからなってもよい。
【０１５４】
第１のエンクロージャ部分は、例えばガス流入システム及び波結合モジュールを備えることができる。第２のエンクロージャ部分は、例えばガス出力モジュール及び成長支持体を含むことができる。本発明のモジュール式反応器１が２つのクラウンを含む場合、好ましくは、一方のクラウン４５０は、第１のエンクロージャ部分４３０と第３のエンクロージャ部分４７０の間に配置されるように構成され、もう一方のクラウン４５０は、第２のエンクロージャ部分４４０と第３のエンクロージャ部分４７０の間に配置されるように構成される。
【０１５５】
あるいは、クラウン４５０は、石英などの誘電性材料を含んでもよく、又は誘電性材料のみからなってもよい。実際には、石英を含む又は石英のみからなるクラウン４５０により、ダイヤモンド層の成長及び継続的な堆積を観察することができる。よって有利には、クラウン４５０は、誘電体観察窓（例えば丸窓）の形態の誘電性材料を備える。クラウン４５０はまた、２０％〜８０％の誘電性材料からなることができる。誘電性材料は、環状窓の形状を取ることができ、又は様々な形状（例えば長方形、正方形、円形）を取ることができる平坦な窓の形態でクラウン４５０に一体化されることができる。
【０１５６】
クラウン４５０は、ガス注入手段、好ましくは径方向ガス注入手段を備えることができる。この注入手段により、成長支持体５１の付近において、アルゴンなどのガスの注入、又はドープガス若しくはメタンの注入をすることができる。
【０１５７】
第１のエンクロージャ部分４３０は、好ましくはガス流入システム１０及び波結合モジュール８０を含む。第２のエンクロージャ部分４４０は、好ましくはガス出力モジュール６０及び成長支持体５１を含む。
【０１５８】
密閉システム４６０は、クラウン４５０と、第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０のそれぞれとの間に配置される。密閉システム４６０により、真空気密性が実現され、またエンクロージャの壁部の電気的導通が確実にされる。密閉システム４６０は複数のシールを備えることができ、これらは類似の材料又は異なる材料からなってもよく、例えば、銅、ベリリウム、銅とベリリウムの組み合わせ、又は例えば銀などの金属粒子を含有するペーストから選択される材料を含むことができる。好ましくは、密閉システム４６０は、ベリリウム、好ましくは銅−ベリリウム混合物を含む。このシールは、例えば金属の編組、又は銀粒子などの金属粒子を含有するペーストなどの様々な形態を取ることができる。密閉システム４６０はまた、真空気密性を確実なものとするために、バイトンなどのフルオロポリマーを含むこともできる。エンクロージャの壁部の導電性及び共振空洞４１の気密性を確実なものとする密閉システム４６０は、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０とを結び付けるために使用される第１のシール又はシールのセット、及びクラウン４５０に関連付けられた第２のシール又はシールのセットに基づくことができる。
【０１５９】
クラウン４５０は、広範な厚さ及び高さを有することができる。好ましくは、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、クラウン４５０は１ｃｍ〜２０ｃｍの高さを有し、より好ましくは１ｃｍ〜１０ｃｍの高さを有し、更に好ましくは３ｃｍ〜１０ｃｍの高さを有する。
【０１６０】
好ましくは、クラウン４５０は、カプラ８０とエンクロージャの底部４４１又はトレイ９００との間に配置されるように構成される。クラウン４５０は、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に挿入されるように構成されるため、クラウン４５０は概ね、エンクロージャ４００の内壁及び外壁の形状を取ることができる。エンクロージャ４００が円筒状である場合、このクラウン４５０はリングの形状を取ることができる。
【０１６１】
好ましくは、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、クラウン４５０は１ｃｍ〜１０ｃｍの厚さを有する。より好ましくは、クラウン４５０は３ｃｍ〜１０ｃｍの厚さを有する。一実施形態によると、クラウン４５０は、その高さ全体に亘って一定の厚さを有し、例えばエンクロージャ４００の壁部の厚さと同等である。あるいはクラウン４５０は、その高さに亘って変わる厚さ、特にエンクロージャの壁部の厚さより大きな厚さを有することができる。よってこの状況下では、クラウン４５０は、図７に示されるように、共振空洞４１の変形をもたらすことができる。クラウン４５０を用いて共振空洞４１の変形をもたらす場合、クラウン４５０は好ましくは成長支持体５１の付近に配置される。
【０１６２】
好ましくは、クラウン４５０は、略同一、より好ましくは同一の断面形状を有する２つのエンクロージャ部分の間に配置されるように構成される。あるいはクラウン４５０は、異なる断面形状を有する２つのエンクロージャ部分の間に配置されるように構成され、断面形状が異なるこれら２つのエンクロージャ部分の間に接合部を作ることができる。
【０１６３】
モジュール要素によって、共振空洞４１の寸法、従って成長パラメータを変更することができることに加えて、このクラウン４５０は、第１のエンクロージャ部分４３０及び第２のエンクロージャ部分４４０とは別にクラウン４５０を冷却するように構成された冷却システム６００に接続されることができる。よってクラウン４５０をプラズマ形成高さに配置して、エンクロージャの他の部品よりも強力な冷却を利用することができる。そしてこのモジュール要素により、冷却を、反応器１での実際の必要に適合させることができる。
【０１６４】
よって好ましくは、クラウン４５０は、第１のエンクロージャ部分４３０及び／又は第２のエンクロージャ部分４４０とは別にクラウン４５０を冷却するように構成された冷却システムに接続される。より好ましくは、冷却システム６００は、クラウン４５０において、エンクロージャ４００の第１の部分４３０及び／又は第２の部分４４０よりも大きな温度低下をもたらすように構成される。冷却システム６００はまた、波結合モジュール８０を別に冷却するように構成されることもできる。
【０１６５】
クラウン４５０は、空洞を持ち上げる、ガスを注入する、及び共振空洞４１の適切な部分に金属の突出を設ける又は反対に外向きの変形を設けるといった複数の機能を、同時に組み合わせることができる。
【０１６６】
図８は、図１に示したものと同様のマイクロ波プラズマ反応器を示す。図８の構成は、マイクロ波プラズマ反応器が基板ホルダモジュール５００を備え、更にガス入力システム１０がガス分配モジュール１００を備えるという点で異なる。
【０１６７】
このガス分配モジュール１００は、内側表面１１１と、外側表面１１２と、ガスを成長支持体５１に向かって導くことができる流路を表面１１１、１１２の間に形成する複数のガス分配ノズル１１３を備えた着脱式ガス分配プレート１１０とを含む。このガス分配モジュール１００は本発明によるモジュール要素であり、従ってこれにより、成長条件の最適化に必須の複数の因子
−ガス入力ノズルの個数、
−上記ノズルの向き、及び
−上記ノズルの密度
を容易に、各成長の間において変更することができる。
【０１６８】
これらのパラメータの調整により、ガス流の層状の流れを生成する良好なガス流特性を提供することができる。図８に示されるように、着脱式ガス分配プレート１１０の内面１１１は、共振空洞４１に対面して共振空洞４１の一部を形成する面に相当する。
【０１６９】
更に、このガス分配モジュール１００は、着脱式ガス分配プレート１１０を収容するように構成された支持装置１２０を備える。この支持装置１２０は、冷却システム、好ましくは流体冷却システムに接続される。この結合により、着脱式ガス分配プレート１１０を冷却することができるサーマルブリッジを構成することができる。着脱式ガス分配プレート１１０は支持装置１２０上に配置されることができるが、着脱式ガス分配プレート１１０を、支持装置１２０が着脱式ガス分配プレート１１０の上方となるように、又は支持装置１２０が着脱式ガス分配プレート１１０を取り囲むようにして配置することもできる。
【０１７０】
このガス分配モジュール１００により、ユーザはガスの分配を細かく調整して、所望のダイヤモンド層の成長条件に適合させることができる。実際には、ダイヤモンドの成長中に、共振空洞４１内でのガスの分配を、１つ以上の基板の位置、基板の個数、１つ以上の基板の形状、反応の予想される期間に応じて適合させる必要がある。この状況において、このモジュールは、成長条件を最適化する際に特に有用である。例えば、本発明によるガス分配モジュール１００を備えた堆積反応器を、ダイヤモンドの成長方法に用いることにより、ドーパントの濃度が略均一な大きな単結晶ダイヤモンドの合成、又は単一パス（実施）で成長される多数のダイヤモンド単結晶の成長、若しくは多結晶ダイヤモンド層の成長を可能とすることができる。ガス分配モジュール１００は、好ましくは被冷却導波路システムの中央部分に維持される。
【０１７１】
更に、従来のガス分配ノズルは、略均一なガスの分配という利点を有するものの、詰まってしまうという欠点を有している。上述のような分配モジュールの存在により、そのモジュールに接続された部品一式全てを交換する必要なしに、着脱式ガス分配プレート１１０を交換することができる。
【０１７２】
また本発明者は、１つ以上の単結晶ダイヤモンド基板又は多結晶ダイヤモンドウェハの成長についての最適なガス分配モジュールにするために、着脱式モジュール内でのノズルの分布を最適化した。
【０１７３】
この着脱式ガス分配プレート１１０は、好ましくは成長支持体５１に対して略平行に配置される。
【０１７４】
着脱式ガス分配プレート１１０を使用する利点は、ノズルの直径、ノズルの密度、ノズルの向き、及び／又は成長中に注入されるガスなどの多くのパラメータを変更することができることである。
【０１７５】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、着脱式ガス分配プレート１１０の内側表面１１１におけるガス分配ノズル１１３の直径は、０．１ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。好ましくは、ガス分配ノズル１１３は、着脱式ガス分配プレート１１０の内側表面１１１において０．２ｍｍ〜２ｍｍの直径を有することができる。
【０１７６】
更に、ガス分配モジュール１００内において、複数のノズルの直径は均一にし得るが、反応器の対称軸に対する着脱式ガス分配プレート１１０内での位置に応じて変わってもよい。
【０１７７】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、好ましくは、ノズルを配置することができる面積は５００〜６５０ｃｍ２である。着脱式ガス分配プレート１１０の内側表面１１１でのガス分配ノズル１１３の合計面積は、その内側表面の１％〜２０％にし得る。各ガス分配ノズル１１３は、１０−２ｍｍ２〜３０ｍｍ２の面積を示す。
【０１７８】
あるいは、着脱式ガス分配プレート１１０の中央部分１１４に配置されたガス分配ノズル１１３が占める面積は、着脱式ガス分配プレート１１０の内側表面１１１の２０％〜５０％であり、その一方で着脱式ガス分配プレート１１０の周縁部分１１５に配置されたガス分配ノズル１１３が占める面積は、着脱式ガス分配プレート１１０の内側表面１１１の５０％〜２０％である。
【０１７９】
ガス流を高い配向速度で供給するためには、小さなノズルが有利である。しかしながら、このようなノズルはより簡単に詰まってしまう恐れがあり、これはガス流量の乱れ、従って比較的大きな面積でのダイヤモンド膜の均一な堆積の乱れを引き起こす。ここで、着脱式ガス分配プレートは着脱式であるため、これは直径が小さなノズルを含むことができ、詰まりが発生した場合にはこのプレートを迅速に低コストで交換することができる。よって特に、着脱式ガス分配プレート１１０は、８ｍｍ未満、好ましくは５．５ｍｍ未満、より好ましくは３ｍｍ未満の直径を有するガス分配ノズル１１３を備えることができる。更に、本発明による着脱式ガス分配プレート１１０は、多孔質セラミックなどの多孔質プレートからなるものとすることができる。
【０１８０】
従来のガス分配システムとは異なり、本発明によるガス分配モジュールにより、ノズル密度を容易に変更することができ、そしてガス分配ノズル１１３のモジュール式のネットワークを提供することができる。
【０１８１】
よって例えば、着脱式ガス分配プレート１１０は、少なくとも０．１ノズル／ｃｍ２のガス分配ノズル１１３の密度を備える。
【０１８２】
ガス分配ノズル１１３の密度は、ガス分配プレート１１０に存在するノズルの個数を、共振空洞４１に対面する着脱式ガス分配プレート１１０の面積（ｃｍ２）で割ることによって測られる。
【０１８３】
上記ネットワークは、０．１ノズル／ｃｍ２を大きく超える出力部密度を備えることができる。実際には、ノズルの密度を比較的高くすることにより、比較的大きな面積に亘って均一なダイヤモンド膜を形成することができることが分かっている。よって、９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、好ましくは、着脱式ガス分配プレート１１０は、ガス分配ノズル１１３を０．２〜４ノズル／ｃｍ２の密度で備える。
【０１８４】
ガス分配ノズル１１３の上述のような密度により、着脱式ガス分配プレート１１０は、少なくとも１０個、例えば少なくとも３０個、好ましくは少なくとも５０個のノズル、好ましくは少なくとも１００個のノズル、より好ましくは少なくとも２００個のノズル、更に好ましくは少なくとも５００個のガス分配ノズル１１３を備えることができる。特に、中央部分１１４は、比較的高密度のガス分配ノズル１１３を備えることができる。
【０１８５】
中央部分１１４は、円形、正方形、長方形、又は楕円形などのいくつかの形状を取ることができる。好ましくは、中央部分１１４の形状は、成長支持体５１の形状と略同一である。
【０１８６】
ノズルの直径と同様に、着脱式ガス分配プレート１１０内においてノズルの密度は変化してもよい。例えば、ノズル間の間隔は半径と共に増大させることができ、これによりノズルの密度はダイの外縁部に向かって減少する。適切な性能を達成して本発明の利点の一部を獲得するために、適度に均一な平均ノズル密度を提供するノズルのランダムなネットワークを有することもできる。
【０１８７】
ガス分配ノズル１１３の向きは、着脱式ガス分配プレート１１０内の全てのノズルに関して同一であっても、又はある１つのプレート内で変化してもよい。ガス分配ノズル１１３の向きは、好ましくは、共振空洞４１の中心軸に略平行である。ガス分配ノズル１１３は、ガス流が成長支持体５１と略垂直な角度を形成するように向けられることができる。
【０１８８】
ガス分配ノズル１１３は、ガス流が成長支持体５１と６０°〜１２０°の角度を形成するように向けられることができる。
【０１８９】
ガス分配ノズル１１３の向きは、着脱式ガス分配プレート１１０内での位置に応じて変更されることができる。ガス分配ノズル１１３は、内向き又は外向きに向けられることができる。より均一なダイヤモンド膜を形成するために、又は非平面状の基板を使用する場合に、一部のガス分配ノズル１１３を内向きに収束させて向けると有利な場合がある。実際には、ノズルの特定の向きにより、プラズマ中の特定の種の空間的分布の変更が可能となり、これは非平面状の基板上での成長に有利となり得る。これは、発散型の向きにも当てはまる。
【０１９０】
よって特に、着脱式ガス分配プレート１１０の中央部分１１４に配置されたガス分配ノズル１１３は、ガス流が成長支持体５１と８０°〜１００°の角度を形成するように向けられ、その一方で着脱式ガス分配プレート１１０の周縁部分１１５に配置されたガス分配ノズル１１３は、ガス流が成長支持体５１と６０°〜８０°又は１００°〜１２０°の角度を形成するように向けられる。
【０１９１】
着脱式ガス分配プレート１１０の中央部分１１４は、円によって定められることができる表面に相当し、その円の中心は着脱式ガス分配プレート１１０の中央に位置し、かつその円の直径は、着脱式ガス分配プレート１１０の直径の半分に略等しい。
【０１９２】
本発明者は、ノズル１１３の最適な分布を、反応器の対称軸に対する、着脱式ガス分配プレート１１０の半径でのノズルの位置ｉに応じて決定した。
【０１９３】
この分布は、以下の式
Фｉ＝Ф０＋ｙ＊ｉ
を満たし、ここで、
Фｉは、番号ｉを付されたノズルの直径であり、
Ф０は、中央のノズルの直径であり、
ｉは、着脱式ガス分配プレートの半径でのノズルの番号であり、この番号付与は、着脱式ガス分配プレート１１０の中央から開始されてその端部に向かい、ｉは、９００〜１０００ＭＨｚで作動するように構成されたモジュール式反応器１に関して、０と６０の間で変化し、
ｙは、９００〜１０００ＭＨｚで作動するように構成されたモジュール式反応器１に関して、０．０５から０．３まで変化する。
【０１９４】
この分布により、同一の直径又はランダムな直径を有する複数のノズルを含むネットワークよりも良好な性能を得ることができる。
【０１９５】
特定の成長中に、少なくとも３つの異なるガスを共振空洞４１に注入することができる。これらのガスが共振空洞４１に入る際の分配は、均質かつ迅速な成長に重要である。よって有利には、着脱式ガス分配プレート１１０は、混合を促進することができる分散チャンバを形成するチャンバ１１７を備え、ガスの分配を制御することができる。チャンバ１１７は、プラズマチャンバへの注入前のソースガスの混合のための混合チャンバとして機能することができる。プラズマチャンバへの注入前のこのような混合により、混合ガスの効率を改善することができる。更にこのチャンバ１１７により、特に低いガス流速において、ガスノズルネットワーク全体に亘る均一なガス流を改善することができる。
【０１９６】
特に、着脱式ガス分配プレート１１０の内面におけるガス分配ノズル１１３の直径は、外面における同一のノズルの直径と同一ではない。これは、ガス流の特性を容易に変更することができるという利点を有する。
【０１９７】
ガス分配モジュール１００は、反応器の外側に配置されたガスシリンダに接続される。ガス分配モジュール１００の一部は、好ましくは共振空洞４１の上部かつ波結合モジュール８０の付近に位置する。「付近」は、ガス分配モジュール１００が、誘電体窓８２から１５ｃｍ未満、好ましくは１０ｃｍ未満、より好ましくは５ｃｍ未満に位置する、共振空洞４１にガスを注入するためのガス分配ノズル１１３を備えることとして理解されるものとする。
【０１９８】
ガス分配モジュール１００によって、少なくとも５００ｃｍ３／分のガス総流量で、ガスを成長支持体５１に向かって注入する方法を実施することができる。またこのガス分配モジュールにより、共振空洞４１へのドーパントの注入も可能となる。よって、ガス分配モジュール１００により、ガスが少なくとも１つのドーパントを０．０１ｐｐｍ以上の濃度で含む方法の実施が可能となる。
【０１９９】
９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、ガス流入システム１０によって共振空洞４１に注入されるガスの流量は、少なくとも５００ｃｍ３／分、好ましくは少なくとも１０００ｃｍ３／分、より好ましくは少なくとも５０００ｃｍ３／分とすることができる。
【０２００】
上記ガス分配モジュールは、好ましくは冷却システム、例えば導波路の中央部分の冷却システムに近接している。
【０２０１】
更に、図９に示されるように、支持装置１２０は、その支持装置１２０内に流体（例えばガス又は液体）を循環させることができる少なくとも１つの流路１２１を備えることができる。これにより、着脱式ガス分配プレート１１０の熱ドレーン冷却が可能となる。支持装置１２０はまた、着脱式ガス分配プレート１１０を収容するように構成された接触表面１２２も備えることができる。
【０２０２】
支持装置１２０は、１つ以上の流路１２１を含むことができる。例えば支持装置１２０は、着脱式ガス分配プレート１１０を収容することが意図された位置に配置された、横方向流路を備える。支持装置１２０は複数の流路１２１を備えることができ、同一の流量でより均一な冷却を可能とする。
【０２０３】
１つ以上の流路１２１は、好ましくは接触表面１２２の付近に配置される。「付近」は、本発明の意味において、５ｃｍ未満だけ離間していること、好ましくは３ｃｍ未満だけ離間していること、より好ましくは１ｃｍ未満だけ離間していることとして理解されるものとする。
【０２０４】
支持装置１２０の接触表面１２２は、好ましくは十分な熱伝導を可能にするために、支持装置１２０の面積の１０％以上の面積を有する。９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器では、支持装置１２０の接触表面１２２は、好ましくは十分な熱伝導を可能にするために、５０ｃｍ２超の面積を有する。支持装置１２０の接触表面１２２は、より好ましくは６０ｃｍ２超、更に好ましくは７０ｃｍ２超の面積を有する。
【０２０５】
有利には、着脱式ガス分配プレート１１０は、ガス分配ノズル１１３を備えない少なくとも１つの端部１１６を含み、この端部１１６は、熱伝導を向上させるために、５０ｃｍ２超の面積で支持装置１２０に接触するように構成される。好ましくは、ガス分配ノズル１１３を備えない端部１１６は、６０ｃｍ２超の面積で、更に好ましくは７０ｃｍ２超の面積で、支持装置１２０に接触するように構成される。
【０２０６】
図１０Ａに示されるように、端部１１６は、着脱式ガス分配プレート１１０の周縁部からなってもよい。あるいは図１０Ｂに示されるように、端部１１６は、熱伝導を向上させるための様々な形状を取ることができる。
【０２０７】
図１１に示されるように、有利には、ガス分配モジュール１００は、着脱式ガス分配プレート１１０及び支持装置１２０の上部に配置された熱ドレーン部材１３０を含む。熱ドレーン部材１３０は、着脱式ガス分配プレート１１０に接触する、着脱式ガス分配プレート１１０の面積の１０％超、好ましくは２０％超の熱取得表面１３１と、支持装置１２０に接触する、装置１２０の面積の１０％超、好ましくは２０％超の熱分配表面１３２とを有することができる。９００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数のマイクロ波で作動するように構成された本発明のモジュール式反応器において、熱ドレーン部材１３０は、着脱式ガス分配プレート１１０に接触する２０ｃｍ２超、好ましくは４０ｃｍ２超、更に好ましくは６０ｃｍ２超の熱取得表面１３１と、支持装置１２０に接触する１０ｃｍ２超、好ましくは２０ｃｍ２超、更に好ましくは５０ｃｍ２超の熱分配表面１３２とを有することができる。
【０２０８】
更に、ガス分配モジュール１００は、着脱式ガス分配プレート１１０を支持装置１２０に取り付けるように構成された保持部材１４０を含んでもよい。この保持部材１４０は例えば、バネ、クリップ機構、フック、スライド、ノッチ、タブ、ネジ又はラグを備えることができる。好ましくは、この保持部材１４０は、支持装置１２０と着脱式システムの間の膨張の差を補うために構成されることができる。好ましくは、この保持部材１４０は弾性を有し、支持装置１２０と着脱式ガス分配プレート１１０の間の界面に配置されるように構成される。
【０２０９】
着脱式ガス分配プレート１１０は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金又は銅合金で作られ、より好ましくは銅で作られる。
【０２１０】
支持装置１２０は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金又は銅合金で作られ、より好ましくは銅で作られる。
【０２１１】
熱ドレーン部材１３０は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金又は銅合金で作られ、より好ましくは銅で作られる。
【０２１２】
別の態様によると、本発明は、本発明のモジュール式反応器を用いたダイヤモンドを合成するための方法に関する。
【０２１３】
本発明による合成方法８００は、好ましくは、本発明のモジュール式反応器１を用いる。これは図１２に示されている。合成方法８００は、本発明のモジュール式反応器１の成長支持体５１上に１つ以上の基板を配置するステップ８１０を含む。例えば、ケイ素プレート、金属プレート（Ｍｏ、Ｗなど）、多結晶ダイヤモンドプレート、ダイヤモンド単結晶（天然、高圧高温（ＨＰＨＴ）法によるもの、本発明のモジュール式反応器を用いた若しくは用いないＣＶＤ（化学蒸着）法によるもの）、又は他の材料（金属など）からの単結晶を使用することができる。ダイヤモンド合成は、好ましくは単結晶ダイヤモンド基板上で実施される。よって、本発明のダイヤモンド合成法は、好ましくはホモエピタキシャル成長を含む。単結晶基板は、様々な形状及び寸法を有することができる。例えば単結晶基板は、円筒形、立方体、平行六面体などの形状を有してもよい。寸法は、例えば１００マイクロメートルから、高さについて数ｍｍまで、及び直径又は辺について数ｍｍまで、更には数ｃｍまで変わり得る。
【０２１４】
本発明の合成方法８００は、基板を準備するステップ８０１を含んでもよい。このステップの目的は、例えば、単結晶の表面における多数の転位の数を低減することである。このステップの一実施形態は例えば、仏国特許第３０２２５６３号明細書に記載されている。１つ以上の基板を準備するステップ８０１は、１つ以上の基板を反応器１に入れる前だけでなく、入れた後にも実施することができる。
【０２１５】
本発明の合成方法８００は、モジュール式反応器１を作動させるステップ８２０を含む。このステップの目的は、以下の通りである。
−共振空洞４１内に０．２ｈＰａ〜５００ｈＰａの圧力を生成すること、
−マイクロ波を、好ましくは伝送モードＴＭ０１１で、使用される生成器のタイプ（使用される周波数）に応じて１ｋＷ〜１００ｋＷ（又はそれ以上）の電力で導入すること、
−ガスを、例えば少なくとも５００ｃｍ３／分の総流量で注入することであり、そのガスは例えば、メタン及び二水素、並びに酸素、窒素、ホウ素、リン及びアルゴンなどの添加物を含む、
−熱抵抗ガスシステムを備えたエンクロージャの冷却システム、並びに１つ以上の成長表面の温度を制御するための基板冷却制御システム、ガス注入システム、及び基板ホルダを作動させること。
９１５ＭＨｚの反応器に関して、これにより、例えば基板成長表面上において、少なくとも０．５Ｗ／ｍｍ２、好ましくは少なくとも２Ｗ／ｍｍ２、更に好ましくは少なくとも３Ｗ／ｍｍ２の表面電力密度を送達することができる。一般に、電力密度は、基板成長表面において５Ｗ／ｍｍ２未満である。このステップにより、基板成長表面の上方にプラズマを生成することができ、初期結晶成長を実現することができる。更に、基板温度は、冷却システムによって、ナノ結晶又は超ナノ結晶ダイヤモンドの成長の場合を除いて、例えば７００℃〜１４００℃の温度に維持される。様々な成長条件に関する記述は、参考文献で見ることができる（Derjaguin B. V., Journal of Crystal growth 31 (1975) 44-48; C. Wildほか, Diamond and Related Materials, 2 (1993) 158-168; Gicquel Aほか Current Applied Physics, vol1 Issue 6, (2001) 479; Achard Jほか, Journal of Crystal Growth 284 (2005) 396-405; Butlerほか, J of physics-condensed Matter, vol 21, Issue 36 (2009); Silvaほか, phys. stat. sol. (a) 203, No. 12, (2006) 3049-3055; Widman C, Jほか Diamond & Related Materials 64 (2016) 1-7）。表面電力密度は、例えば圧力の変動によって急激に変動する場合があり、これにより、例えば１つ以上の基板の組成又は温度の急激な変化が確実なものとなる。
【０２１６】
多結晶ダイヤモンドの成長に関して、本発明の合成方法８００は、結晶を融合させるステップ８３０を含んでもよい。このステップは、基板の表面におけるダイヤモンド核形成ステップ（非ダイヤモンド材料の表面における安定した種の生成）の後に続く。このステップの間、モジュール式反応器１がトレイ９００及び／又は基板ホルダモジュール５００を含む場合、上記方法は、トレイ９００の表面９１０の高さを修正するサブステップ８３１、及び／又は成長支持体５１の高さを修正するサブステップ８３２を含んでもよい。本発明の反応器のモジュール性によって可能となるこれらの高さの修正により、播種、融合及び成長パラメータ、即ち基板成長表面の基板温度及び／若しくは表面電力密度、並びに／又はドーパントの組み込みの強化若しくは低減を最適化することができる。例えばこのステップでは、成長支持体５１はトレイ９００の表面９１０の上方に配置される。
この手順は、単結晶ダイヤモンドの成長のためにも使用することができる。
【０２１７】
本発明の合成方法８００は、ダイヤモンド膜を成長させる（厚さを成長させる／膨張させる）ステップ８４０を含む。多結晶膜に関しては、このステップは結晶の融合及び結晶膜の形成後に実施される。その目的は、結晶膜の厚さを成長させ、その結晶品質を改善することである。このステップの間、モジュール式反応器１がトレイ９００及び／又は基板ホルダモジュール５００を含む場合、上記方法は、トレイ９００の表面９１０の高さを修正するサブステップ８４１、及び／又は成長支持体５１の高さを修正するサブステップ８４２を含んでもよい。本発明によると、反応器のモジュール性により、基板温度及び／又は反応ガスの組成、並びに圧力及び電力変数を急激に変更するサブステップも適用することができる。高さ及び／又は成長条件の変更により、成長パラメータ、即ち基板成長表面の基板温度及び／若しくは電力密度、並びに／又はドーパントの多層組み込みを最適化することができる。例えばサブステップ８４３の間、成長支持体５１は、トレイ９００の表面９１０の下方に配置されることもできる。この最後の例は、多結晶膜が発生する非ダイヤモンド表面からこの膜を「事前分離する」ための、他の作動条件の賢明な選択によって使用することができる。そして、成長を回復する追加のステップ８４４を、（成長支持体５１をトレイ９００の表面９１０の上方として）再び実施して、成長条件の良好な制御を確実なものとすることにより、層を更に厚くすることができる。これは、本発明のモジュール性を実装した例である。
反応器の様々なモジュール性を用いて、ダイヤモンド単結晶の厚さを成長させることもできる。
【０２１８】
更に、本発明のモジュール式反応器１がガス分配モジュール１００を含む場合、ダイヤモンド合成方法８００は、所望のダイヤモンド層の特性に応じて、着脱式ガス分配プレート１１０を選択及び配置する予備ステップを含んでもよい。更に、成長中にガスの流れ及び組成を変更してもよい。
【０２１９】
本発明のモジュール式反応器１がクラウン４５０を含む場合、ダイヤモンド合成方法８００は、所望のダイヤモンド層の特性に応じて、クラウン４５０の寸法を選択し、クラウン４５０を第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置することにより、共振空洞４１の形状及び／又は容積を修正する予備ステップを含んでもよい。
【０２２０】
本発明のモジュール式反応器１が基板冷却制御モジュール３００を含む場合、ダイヤモンド合成方法８００は、所望のダイヤモンド層の特性に応じて、着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を選択及び配置する予備ステップを含んでもよい。
【０２２１】
本発明の方法の実施により、コストの最適化及び時間の短縮の論理において、所望の産業上の用途を満たすダイヤモンド層を得ることができる。例えば、時間及びコストに関して最適化された成長条件下で、高品質のダイヤモンド層を製造することができる。よって、別の態様によると、本発明は、本発明のモジュール式反応器１を用いることによって、より詳細には本発明の方法８００によって得られるダイヤモンド層に関する。
【０２２２】
別の態様によると、本発明は、本発明のモジュール式反応器１に組み込むことができるモジュールの一部に関する。
【０２２３】
よって本発明は、１／４波長板５０１と接触し、かつ少なくとも１つの流体冷却システム５２０を含む、垂直方向並進移動及び回転が可能な基板ホルダモジュール５００に関する。この基板ホルダモジュール５００は、モジュール式反応器１の一部として、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。これらの任意の特性としては、例えば基板ホルダのための電気絶縁システム（例えばＰＴＦＥ又は別の電気的絶縁体製の要素）が挙げられる。
【０２２４】
本発明はまた、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために垂直方向に並進移動することができ、かつガスを通過させることができる貫通孔９１１を含むトレイ９００にも関する。このトレイ９００は、モジュール式反応器１の一部として、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。
【０２２５】
本発明はまた、共振空洞４１の形状及び容積を変更するために、第１のエンクロージャ部分４３０と第２のエンクロージャ部分４４０の間に配置されるように構成されたクラウン４５０にも関する。このクラウン４５０は、モジュール式反応器１との関連で、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。更に、このクラウン４５０は、密閉システム４６０を備えることができる。
【０２２６】
本発明はまた、内側表面１１１と、外側表面１１２と、ガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３とを備えた着脱式ガス分配プレート１１０と、冷却システムに接続され、着脱式ガス分配プレート１１０を収容するようにされた支持装置１２０を含む、ガス分配モジュール１００にも関する。このガス分配モジュール１００は、モジュール式反応器１との関連で、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。
【０２２７】
本発明はまた、内側表面１１１と、外側表面１１２と、ガス流を導く表面１１１、１１２の間の流路を形成する複数のガス分配ノズル１１３とを備えた着脱式ガス分配プレート１１０にも関する。この着脱式ガス分配プレート１１０は、モジュール式反応器１との関連で、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。
【０２２８】
本発明はまた、１つ以上の熱抵抗ガス入力部３３３及び１つ以上の熱抵抗ガス出力部３３１を備えた着脱式熱抵抗ガス注入装置３３０を含む基板冷却制御モジュール３００にも関する。この基板冷却制御モジュール３００は、モジュール式反応器１との関連で、上述されている任意の及び／又は有利な特性の全てを有することができる。
【図１】
2020520869.tif 000003
【図２】
2020520869.tif 000004
【図３Ａ】
2020520869.tif 000005
【図３Ｂ】
2020520869.tif 000006
【図３Ｃ】
2020520869.tif 000007
【図４】
2020520869.tif 000008
【図５Ａ】
2020520869.tif 000009
【図５Ｂ】
2020520869.tif 000010
【図６Ａ】
2020520869.tif 000011
【図６Ｂ】
2020520869.tif 000012
【図７】
2020520869.tif 000013
【図８】
2020520869.tif 000014
【図９】
2020520869.tif 000015
【図１０Ａ】
2020520869.tif 000016
【図１０Ｂ】
2020520869.tif 000017
【図１１】
2020520869.tif 000018
【図１２】
2020520869.tif 000019
【国際調査報告】
2020520869.tif 000020
2020520869.tif 000021
2020520869.tif 000022
2020520869.tif 000023
2020520869.tif 000024
2020520869.tif 000025