Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала

Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к микроволновому плазменному реактору для производства синтетического алмазного материала с использованием методик химического осаждения из газовой фазы.

Уровень техники

Процессы химического осаждения из газовой фазы (CVD) для синтеза алмазного материала уже хорошо известны в данной области техники. Основная полезная информация, относящаяся к химическому осаждению из газовой фазы алмазных материалов, может быть найдена в специальном выпуске журнала Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009), который посвящен связанной с алмазом технологии. Например, обзорная статья R.S. Balmer и др. дает всесторонний обзор CVD алмазных материалов, технологии и приложений (см. "Химическое осаждение из газовой фазы синтетического алмаза: материалы, технология и применения" J. Phys: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009), 364221).

В области, где алмаз метастабилен, по сравнению с графитом синтез алмаза в CVD условиях определяется кинетикой поверхностных процессов, а не объемной термодинамикой. Алмазный синтез посредством CVD обычно выполняется с использованием малой доли углерода (обычно <5%), обычно в форме метана, хотя другие содержащие углерод газы могут быть использованы при избытке молекулярного водорода. Если молекулярный водород нагревается до температур выше 2000 K, то имеется существенная диссоциация до атомарного водорода. При наличии подходящего материала подложки может быть осажден алмаз.

Атомарный водород считается существенным для процесса, поскольку он выборочно вытравливает неалмазный углерод из подложки так, что может возникнуть рост алмаза. Имеются различные способы для нагрева содержащих углерод газовых смесей и молекулярного водорода, чтобы создать реакционные, содержащие углерод радикалы и атомарный водород, требуемый для роста CVD алмаза, включающие в себя плазменно-дуговой нагрев, горячую нить накала, дугу постоянного тока, кислородно-ацетиленовое пламя и микроволновую плазму.

Способы, которые включают в себя электроды, например для плазменной электрической дуги постоянного тока, могут иметь недостатки вследствие эрозии электродов и внедрения материала в алмаз. Способы сжигания позволяют избежать проблемы эрозии электрода, но связаны с относительно дорогостоящими рабочими газами, которые должны быть очищены до уровней, совместимых с ростом высококачественных алмазов. При этом температура пламени, даже при сжигании кислородно-ацетиленовой смеси, является недостаточной для достижения существенной доли атомарного водорода в газовом потоке, и способы зависят от концентрации потока газа в ограниченной области для достижения разумных скоростей роста. Возможно, основная причина того, почему сжигание не используется для выращивания объемных алмазов, - это стоимость в единицах кВт·час энергии, которая может быть реализована. По сравнению с электричеством высокочистые ацетилен и кислород представляют собой дорогостоящий вариант создания нагрева. Реакторы с нитью накала, простые на первый взгляд, имеют недостаток в том, что ограничены для использования при низких давлениях газа, которые требуются для гарантии относительно эффективной транспортировки их ограниченных количеств атомарного водорода к поверхности роста.

В связи с вышеупомянутым было установлено, что микроволновая плазма представляет собой наиболее эффективный способ для осуществления CVD технологии для осаждения алмазов в смысле комбинации эффективности использования энергии, скорости роста, области роста и чистоты получаемого продукта.

Система синтеза CVD алмазов с активизацией микроволновой плазмой обычно содержит корпус плазменного реактора, связанный и с подачей исходных газов и с источником микроволн. Корпус плазменного реактора сконфигурирован для формирования объемного резонатора, поддерживающего стоячую микроволну. Исходные газы, включающие в себя углеродный источник и молекулярный водород, подаются в корпус плазменного реактора и могут быть активизированы стоячей микроволной, чтобы сформировать плазму в областях сильного поля. Если предоставлена подходящая подложка в непосредственной близости к плазме, реакционный углерод, содержащий радикалы, может диффундировать из плазмы к подложке и осаждаться на ней. Атомарный водород может также диффундировать из плазмы к подложке и выборочно вытравливать неалмазный углерод из подложки так, что может возникнуть рост алмазов.

В данной области техники известен ряд возможных микроволновых плазменных реакторов для выращивания алмазных пленок посредством технологии химического осаждения из газовой фазы (CVD). Такие реакторы имеют самые разнообразные конструкции. Общие признаки включают в себя: плазменную камеру; держатель подложки, расположенный в плазменной камере; микроволновый генератор для формирования плазмы; конфигурацию связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру; систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; и систему управления температурой для управления температурой подложки на держателе подложки.

Полезная обзорная статья Silva и др., рассматривающая различные возможные конструкции реакторов, приведена в упомянутом Journal of Physics (см. "Микроволновая техника плазменных CVD реакторов для осаждения алмазов" J. Phys.: Condensed matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364202). Эта статья свидетельствует о том, что с позиций чистой электромагнитной теории имеются три главных критерия конструкции: (i) выбор резонансной моды; (ii) выбор структуры связи (электрической или магнитной); и (iii) выбор диэлектрического окна (форма и местоположение).

Относительно пункта (i) Silva и др. свидетельствуют, что циркулярные поперечные магнитные моды (ТМ) и, в частности, моды TM_0mn, оказываются наиболее подходящими. В этом обозначении первое индексное число (здесь 0) указывает, что структура электрического поля осесимметрична, что приводит к циркулярной плазме. Индексы m и n отображают число узлов в электрическом поле в радиальном и осевом направлениях соответственно. Авторы Silva и др. указывают, что в реакторах предшествующего уровня техники использовалось множество различных мод, включая в себя следующие моды: TM₀₁₁, TM₀₁₂, TM₀₁₃, TM₀₂₀, TM₀₂₂, TM₀₂₃ и TM₀₃₁.

Относительно пункта (ii) Silva и др. свидетельствуют, что электрическая полевая (емкостная) связь с использованием антенны применяется наиболее широко и что магнитная (индуктивная) связь используется редко из-за ограничения на передаваемую мощность. Другими словами, коммерчески доступный реактор IPLAS раскрыт как использующий магнитную связь для поддержания моды TM₀₁₂.

Относительно пункта (iii) Silva и др. описывают, что существенным элементом, связанным и с электрическими, и с магнитными схемами связи, является диэлектрическое окно, которое обычно делается из кварца и разграничивает зону пониженного давления внутри резонатора, в который подаются реакционные газы, чтобы сформировать плазму при возбуждении их электромагнитным полем. Описано, что использование кварцевого окна позволяет пользователю выбрать единственную область пучности электрического поля (максимального электрического поля) так, что плазма может быть разогрета только в этой области, и формирования паразитной плазмы в других максимумах электрического поля в пределах камеры можно избежать. Кварцевое окно традиционно имеет форму стеклянного колпачка, помещаемого поверх подложки, на которой происходит осаждение, и вокруг пучности электрического поля, расположенной по соседству с подложкой. Другие диэлектрические конфигурации окна также раскрыты. Например, описан реактор ASTEX, включающий в себя диэлектрическое окно в виде пластины, расположенной поперек камеры реактора, приблизительно в серединной плоскости резонатора, тогда как реакторы ASTEX второго поколения описаны как имеющие диэлектрическое окно в виде кварцевой трубки, которая непосредственно не подвергается воздействию плазмы, чтобы обеспечить большие возможности управления мощностью реактора.

Кроме того, статья раскрывает различные конфигурации реакторных камер предшествующего уровня техники, включая в себя: цилиндрическую камеру, типа реактора MSU, который сконструирован для поддержания моды TM₀₁₂, реактора ASTEX, который сконструирован для поддержания моды TM₀₁₃, или реакторные конструкции LIMHP, поддерживающие моду TM₀₂₃ или моду TM₀₂₂; эллипсоидальную камеру типа реактора AIXTRON; и другие нецилиндрические камеры типа реакторов ASTEX второго поколения, которые имеют центральную цилиндрическую компоненту, предусмотренную для поддержания моды TM₀₁₁ между держателем подложки и верхним участком камеры, и распространяющиеся в стороны боковые лепестки, поддерживающие моду TM₀₂₁ так, чтобы камера в целом поддерживала множественные моды. Реактор ASTEX второго поколения имеет только один максимум E_z-поля в верхней части центральной секции камеры, которая используется для моды TM₀₁₁, но два максимума E_z в ее нижней половине, как предполагается - для моды TM₀₂₁.

Относительно патентной литературы патент США 6645343 (Fraunhofer) раскрывает пример микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для выращивания алмазной пленки с помощью процесса химического осаждения из газовой фазы. Описанный реактор содержит цилиндрическую плазменную камеру с держателем подложки, установленным на ее основании. Охлаждающее устройство предоставляется ниже держателя подложки для управления температурой подложки на держателе подложки. Кроме того, в основании плазменной камеры предоставляются газовый впуск и газовый выпуск для подачи и удаления технологических газов. Микроволновый генератор связан с плазменной камерой с помощью высокочастотной коаксиальной линии, которая разделена на ее подающем конце выше плазменной камеры и направлена на периферию плазменной камеры по существу на кольцевое микроволновое окно в виде кварцевого кольца. Изобретение, как описано в патенте США 6645343, фокусируется на кольцевом микроволновом окне и раскрывает то, что подача микроволн в реакторную камеру распределяется циркулярно-симметричным образом по всей кольцевой поверхности микроволнового окна. Сообщается, что, поскольку связь распределена по большой поверхности, высокие уровни мощности микроволн могут быть закачаны без больших интенсивностей электрического поля, проявляющегося в микроволновом окне, таким образом, снижая опасность разряда через окно.

При этом патент США 6645343 обращается к двум из трех критериев конструкции, описанных Silva и др. в их статье в Journal of Physics, обсуждаемой ранее, то есть выбор (магнитной) структуры связи и выбора диэлектрического окна (кольцевое диэлектрическое окно, расположенное вокруг боковой стенки камеры цилиндрического реактора). Патент США 6645343 умалчивает относительно того, для поддержания какой резонансной моды должна быть конструкция камеры и какие критерии конструкции должны быть применены к камере, чтобы лучше всего поддержать желаемую резонансную моду для достижения однородной, устойчивой плазмы по большой площади поперек поверхности подложки/держателя большой площади для достижения однородного роста CVD алмаза по большим площадям.

В связи с вышеупомянутым рассмотрением и упомянутым предшествующим уровнем техники будет очевидно, что хорошо известная цель в области синтеза CVD алмаза заключается в формировании однородной, устойчивой, большой площади плазмы поперек поверхности большой площади подложки/держателя для достижения роста однородного CVD алмаза по большим площадям, и что много различных конструкций плазменной камеры и конфигураций подачи мощности были предложены в данной области техники для достижения этой цели. Однако и в настоящее время имеется потребность улучшить конфигурации техники предшествующего уровня, чтобы обеспечить большие площади CVD роста, лучшую однородность, более высокие скорости роста, лучшую воспроизводимость, лучшую эффективность по мощности и/или более низкие затраты на производство. Цель некоторых вариантов реализации настоящего изобретения заключается в том, чтобы обратиться к этому в связи с современной потребностью.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, предоставляется микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы, причем микроволновый плазменный реактор содержит:

микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f;

плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор, для поддержания микроволновой резонансной моды, причем объемный резонатор имеет центральную вращательную ось симметрии, простирающуюся от основания до верхней пластины, и причем верхняя пластина установлена поперек упомянутой центральной вращательной оси симметрии;

конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;

систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; и

держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании;

причем объемный резонатор сконфигурирован как имеющий высоту, измеряемую от основания до верхней пластины плазменной камеры, которая поддерживает резонансную моду TM₀₁₁ между основанием и верхней пластиной на упомянутой частоте f, и

причем объемный резонатор дополнительно сконфигурирован как имеющий диаметр, измеряемый на высоте меньшей, чем 50% от высоты объемного резонатора, измеряемой от основания, который удовлетворяет условию того, что отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,3 до 1,0.

В соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения, предоставляется микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы, причем микроволновый плазменный реактор содержит:

плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор, для поддержания микроволновой резонансной моды, причем объемный резонатор имеет центральную вращательную ось симметрии, простирающуюся от основания до верхней пластины, и причем верхняя пластина установлена поперек упомянутой центральной вращательной оси симметрии;

конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;

систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; и

держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании;

причем объемный резонатор сконфигурирован как имеющий высоту, измеряемую от основания до верхней пластины плазменной камеры, которая поддерживает резонансную моду TM₀₁₁ между основанием и верхней пластиной на частоте в диапазоне от 400 до 500 МГц, от 800 до 1000 МГц или от 2300 до 2600 МГц, и

причем объемный резонатор дополнительно сконфигурирован как имеющий диаметр, измеряемый на высоте меньшей чем 50% высоты объемного резонатора, измеряемой от основания, который удовлетворяет условию того, что отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,3 до 1,0.

В соответствии с третьим вариантом реализации настоящего изобретения, предоставляется способ производства синтетического алмазного материала с использованием процесса химического осаждения из газовой фазы, причем способ содержит:

предоставление микроволнового плазменного реактора, как описано выше;

расположение подложки поверх держателя подложки;

подачу микроволн в плазменную камеру;

подачу технологических газов в плазменную камеру; и

формирование синтетического алмазного материала на подложке.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения и демонстрации того, как оно может быть реализовано, варианты реализации настоящего изобретения рассматриваются ниже посредством примера и в связи с сопровождающими чертежами, на которых:

фиг. 1 изображает вид сечения микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для осаждения синтетического алмазного материала с использованием методики химического осаждения из газовой фазы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

фиг. 2 - вид сечения другого микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для осаждения синтетического алмазного материала с использованием методики химического осаждения из газовой фазы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; и

фиг. 3 - вид сечения еще одного микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для осаждения синтетического алмазного материала с использованием методики химического осаждения из газовой фазы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Авторы настоящего изобретения рассмотрели множество критериев конструкции реактора, чтобы опробовать и достигнуть один или более из следующих предпочтительных технических эффектов: большая площадь выращивания CVD алмаза, лучшая однородность CVD алмаза поперек площади роста, более высокие скорости роста, лучшая воспроизводимость, лучшая эффективность по мощности и/или более низкие затраты на производство. Критерии конструкции включают в себя: (1) резонансную моду и геометрию камеры, (2) структуру микроволновой связи, форму и расположение диэлектрического окна, и (3) конфигурации для стабилизации плазмы, сформированной в пределах реакторной камеры. Эти конструкционные критерии обсуждаются в свою очередь ниже.

Резонансная мода и геометрия камеры

Некоторые варианты реализации настоящего изобретения основаны на, по-видимому, неочевидном наблюдении того, что предпочтительно использовать плазменную реакторную камеру, имеющую относительно малый диаметр, чтобы сформировать однородную, устойчивую, большой площади плазму для достижения однородного роста CVD алмаза по большим площадям.

Авторы настоящего изобретения отметили, что камеры большого диаметра могут поддерживать несколько или даже многие резонансные моды. Было также отмечено, что эти моды могут взаимодействовать. Авторы настоящего изобретения полагают, что даже слабое взаимодействие является проблемой. Если паразитная мода существует даже в нескольких процентах от главной резонансной моды, этого может быть достаточно для нарушения однородности плазмы. Авторы настоящего изобретения установили, что если диаметр плазменной камеры слишком велик, то это может привести к худшей стабильности плазмы с вероятностью "скачка" плазмы. Однако альтернатива заключается в том, что диаметр камеры становится слишком малым, и плазма становится сжатой и неоднородной поперек подложки.

Кроме того, авторы настоящего изобретения полагают, что объемный резонатор, сформированный в определенных, относительно малых пределах диаметров, делает возможным формирование локализованных осесимметричных мод высших порядков у подложки, делая E-поле поперек подложки более однородным, без формирования очень интенсивных радиальных E-полей в верхних углах подложки. Следует отметить, что эти локализованные осесимметричные моды высших порядков отличаются от разрушительных паразитных мод, обозначенных выше, которые поддерживаются поперек камеры в целом и которые нежелательно разрушают первичную микроволновую моду объемного резонатора.

Кроме того, авторы настоящего изобретения также полагают, что предпочтительно предоставить объемный резонатор, имеющий относительно низкий Q-фвктор. Фактор Q объемного резонатора представляет собой отношение сохраненной энергии к энергии, рассеянной за период. Авторы настоящего изобретения полагают, что для CVD алмазного синтеза Q-фвктор плазменной камеры при ее использовании (то есть при наличии плазмы в плазменной камере) должен быть относительно низким (например, меньше, чем 1000, 500, 200, 100, 80, 50, 30 или 20). То есть объемный резонатор является слабо резонансным и сильно демпфированным, с высоким уровнем потерь энергии. Такие объемные резонаторы имеют больший диапазон частот, на которых они будут резонировать и, таким образом, работать с большим диапазоном рабочих частот. Фактор Q может быть изменен модификацией объема камеры и объема и проводимости плазмы. Можно ожидать, что малая, слабопроводящая плазма в большом объемном резонаторе будет иметь больший Q-фвктор, чем плазма большого объема в малом объемном резонаторе. Соответственно, малый объемный резонатор с большим объемом плазмы рассматривается как предпочтительный по этой дополнительной причине. Это условие может быть наиболее легко достигнуто предоставлением плазменной камеры с относительно малым диаметром (поскольку высота объемного резонатора должна быть выбрана для поддержания стоячей микроволны).

Фактор Q микроволнового объемного резонатора может быть важным по нескольким причинам. Во-первых, микроволновый источник производит мощность по спектру частот, которая изменяется от источника к источнику. Для возможности работы реактора в широком диапазоне частот без каких-либо регулировок согласующей схемы очевидно, что низкий Q-фвктор может быть предпочтительным. Во-вторых, сама плазма влияет на резонансную частоту и согласование камеры от ее ненагруженного состояния, поскольку комплексная диэлектрическая проницаемость даже слабо ионизированной плазмы отличается от диэлектрической проницаемости неионизированного газа. Должен быть достигнут оптимальный компромисс, в соответствии с которым плазма может быть возбуждена в объемном резонаторе без выполнения регулировок согласующей схемы относительно ее настройки для нормальной работы. В-третьих, высокая Q объемного резонатора (и согласующей схемы) будут давать большое изменение фазы и уровня отражения с частотой. Это означает, что частота источника становится критической при определении того, какая мощность закачивается в плазму. Изменения частоты источника могут произойти по разным причинам, и высокая Q объемных резонаторов будет меньше зависеть от каких-либо малых различий в производственных допусках.

Учитывая вышесказанное, авторы настоящего изобретения полагают, что предпочтительно использовать относительно малый диаметр объемного резонатора, чтобы обеспечить следующие полезные технические эффекты:

(i) Улучшение чистоты резонансной моды в пределах камеры и исключение сложных взаимодействий между многочисленными модами в течение длительной работы, требуемой для CVD алмазного синтеза. Например, малый диаметр камеры может снять проблему некоторых температурных нестабильностей на поверхности роста CVD алмаза, стимулирующих нежелательные моды высших порядков.

(ii) Объемный резонатор, сформированный в определенных, относительно малых пределах диаметров, делает возможным формирование локализованных осесимметричных мод высших порядков у подложки, делая E-поле поперек подложки более однородным, без формирования очень интенсивных радиальных E-полей в верхних углах подложки.

(iii) Объемный резонатор с малым диаметром, который имеет относительно низкий Q-фвктор, более прост для запуска и настройки и менее чувствителен к вариациям частоты микроволнового источника.

Такой относительно малый диаметр объемного резонатора также способствует облегчению проблемы сложных и взаимодействующих газовых конвекционных потоков, формирующихся в пределах камеры и приводящих к плазменной неустойчивости. То есть авторы настоящего изобретения полагают, что малый диаметр объемного резонатора предоставляет более простую и более удобную систему управления и в отношении газового потока, и в отношении мощности микроволн в пределах плазменной камеры так, что более однородная, устойчивая, большой площади плазма может быть сформирована и поддержана для достижения однородного роста CVD алмаза по большим площадям. В то же самое время диаметр объемного резонатора не должен быть настолько малым, чтобы плазма становилась сжатой и неоднородной поперек подложки.

Таким образом, вопрос остается относительно того, какая форма и размеры камеры, фактически удовлетворят вышеупомянутым требованиям.

В связи с вышеупомянутым обсуждением форма и измерения камеры будут зависеть от: (i) частоты микроволн, (ii) желаемой моды стоячей волны и (iii) желательного Q-фвктора для камеры.

Относительно микроволновой частоты, имеются две стандартных частоты генератора, используемого в Великобритании: 2450 МГц и 896 МГц (в континентальной Европе, Америке и Азии используется стандарт более низкой частоты - 915 МГц, в Австралии это 922 МГц). Уменьшение частоты в 2,7 раза от 2450 МГц до 896 МГц позволяет увеличить масштаб диаметра CVD осаждения по порядку в 2,7 раза для данной структуры моды. Соответственно, более низкая стандартная частота предпочтительна для большей площади осаждения. Выбор других разрешенных полос частот, например, 433 МГц, также возможен. В некотором отношении более низкая частота, например, 433 МГц, предпочтительна для достижения еще большей площади осаждения CVD алмаза. Таким образом, уменьшение частоты в 2,07 раза от 896 МГц до 433 МГц позволяет увеличить масштаб диаметра CVD осаждения по порядку в 2,07 раза.

Относительно желаемой моды, поскольку желательно создать концентрацию компоненты E_z электрического поля (точка пучности) на подложке, или непосредственно выше подложки, чтобы активизировать плазму в этой области, считается предпочтительным использовать поперечную магнитную, а не поперечную электрическую моду, поскольку последняя не может создавать большое электрическое поле осесимметрично на проводящей поверхности, ориентированной поперек направления распространения.

Было установлено, что использование моды TM₀₁₁ предпочтительно, поскольку она, как было установлено, наиболее компактная (малая) мода, которая может быть практически использована в CVD алмазном плазменном реакторе. Стоячая волна TM₀₁₁ может быть сформирована как полуволна с узлом в центре камеры и пучностью в основании камеры над подложкой и пучностью наверху камеры. Эта мода низшего порядка имеет дополнительное предпочтение из-за большего разделения с частотами других мод по сравнению с разделением частот для мод высшего порядка, таким образом, уменьшая вероятность перескока между различными модами. При этом мода TM₀₁₁, как также было установлено, предпочтительна в отношении чистоты моды и поэтому в отношении стабильности.

Для моды TM₀₁₁, учитывая предшествующее обсуждение, микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала может содержать:

микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f;

плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор для поддержания микроволновой резонансной моды, причем объемный резонатор имеет центральную вращательную ось симметрии, простирающуюся от основания до верхней пластины, и причем верхняя пластина установлена поперек упомянутой центральной вращательной оси симметрии;

конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;

систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; и

держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании;

причем объемный резонатор сконфигурирован как имеющий высоту, измеряемую от основания до верхней пластины плазменной камеры, которая поддерживает резонансную моду TM₀₁₁ между основанием и верхней пластиной на упомянутой частоте f, и

причем объемный резонатор дополнительно сконфигурирован как имеющий диаметр, измеряемый на высоте меньшей, чем 50%, 40%, 30%, 20% или 10% от высоты объемного резонатора, измеряемой от основания, который удовлетворяет условию того, что отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,3 до 1,0.

Такая конструкция, как было установлено, полезна для создания большей, более однородной плазмы, чем другие конфигурации для CVD алмазного синтеза. Было установлено, что использование заданного выше реактора позволяет подложку порядка 150 мм в диаметре покрыть однородной плазмой для формирования очень высококачественного, однородного CVD алмазного материала по всей площади при большой скорости роста. Удивительно то, что по сравнению с многими другими, и в большинстве случаев более сложными, конструкциями реактора, очевидно более компактная и простая описанная здесь конструкция, как было установлено, предпочтительна для CVD алмазного синтеза. Кроме того, настоящее изобретение полностью противоречит общему направлению, принятому практиками в этой области, которые стремились использовать большие плазменные камеры, имея более сложные конфигурации для реализации достижения высококачественного, однородного роста CVD алмаза по большим площадям. Например, только один реактор предшествующего уровня техники, описанный Silva и др., раскрывает использование моды TM₀₁₁, реактор ASTEX второго поколения. Данная конструкция реактора отличается от реактора ASTEX второго поколения двумя главными признаками: (i) мода TM₀₁₁ задается как поддерживаемая между основанием и верхней пластиной объемного резонатора (а не между столиком подложки и верхней пластиной, как в конструкции ASTEX второго поколения); и (ii) диаметр объемного резонатора, по меньшей мере, в нижнем участке объемного резонатора удовлетворяет условию того, что отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,3 до 1,0 (это требует того, чтобы диаметр объемного резонатора был относительно малым в отличие от конструкции ASTEX, которая имеет очень широкую камеру, имеющую вытянутые боковые участки для поддержания моды TM₀₂₁). При этом конструкция ASTEX идет полностью вразрез с изобретательной концепцией вариантов реализации данного изобретения, которая заключается в формировании узкого, компактного объемного резонатора с модой TM₀₁₁, поддерживаемой между основанием и верхней пластиной плазменной камеры.

Некоторые варианты реализации настоящего изобретения, как было установлено, имеют следующие предпочтительные признаки: (i) улучшение чистоты резонансной моды в пределах плазменной камеры, тем самым, ограничивая сложные, неконтролируемые взаимодействия между многочисленными модами в течение длительной работы, требуемой для CVD алмазного синтеза; (ii) улучшение контроля локализованных осесимметричных мод высшего порядка на подложке, делая E-поле поперек подложки более однородным без формирования очень интенсивных радиальных E-полей в верхних углах подложки; (iii) улучшение контроля газового потока (например, малогабаритная, простая конструкция камеры может уменьшить неблагоприятные конвекционные потоки в пределах камеры, приводящие к росту неоднородного CVD алмаза); и (iv) улучшение возможностей запуска и настройки (например, предоставляя низкий Q-фактор объемного резонатора). Первые три пункта представляются важными для достижения высококачественного, однородного роста CVD алмаза по большим площадям, тогда как заключительный пункт важен для того, чтобы обеспечить устойчивый производственный процесс.

При необходимости отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,4 до 0,9 или от 0,5 до 0,8. Например, высота объемного резонатора, измеряемая от основания до верхней пластины плазменной камеры, может быть в пределах от 150 мм до 300 мм, от 150 мм до 250 мм или от 200 мм до 250 мм. Кроме того, при необходимости диаметр объемного резонатора может быть в пределах от 200 мм до 500 мм, от 250 мм до 450 мм или от 300 мм до 400 мм. Эти измерения особенно предпочтительны для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц. Однако предварительно рассмотренное требование для отношения высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора, как находящееся в пределах установленных ограничений, приводит к альтернативным рабочим частотам, например, в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц или от 2300 МГц до 2600 МГц. Соответственно, объемный резонатор может быть сконфигурирован как имеющий высоту, измеряемую от основания до верхней пластины плазменной камеры, которая поддерживает приблизительно цилиндрическую резонансную моду TM₀₁₁ между основанием и верхней пластиной на частоте в пределах ±50 МГц от частоты f микроволнового генератора. Для рабочей частоты в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц высота объемного резонатора, измеряемая от основания до верхней пластины плазменной камеры, может быть в пределах от 50 мм до 110 мм, от 50 мм до 90 мм или от 70 мм до 90 мм. Диаметр объемного резонатора на этой рабочей частоте может быть в пределах от 70 мм до 180 мм, от 90 мм до 160 мм или от 110 мм до 150 мм. Для рабочей частоты в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц, высота объемного резонатора, измеряемая от основания до верхней пластины плазменной камеры, может быть в пределах от 300 мм до 600 мм, от 300 мм до 500 мм или от 400 мм до 500 мм. Диаметр объемного резонатора в этой операционной частоте может быть в пределах от 400 мм до 1000 мм, от 500 мм до 900 мм или от 600 мм до 800 мм.

В соответствии с одной конфигурацией, объемный резонатор является цилиндрическим. То есть боковая стенка объемного резонатора имеет по существу однородный диаметр по большей части (например, большей, чем 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95%) его высоты от основания до верхней пластины. Это значительно отличается от конфигурации ASTEX, которая имеет широко варьирующийся диаметр, приводя к вероятности сложных многомодовых взаимодействий в нижнем участке камеры, где расположен держатель подложки.

Альтернативно боковая стенка плазменной камеры может быть сужена внешне к верхней пластине объемного резонатора, по меньшей мере, в верхнем участке объемного резонатора на высоте большей чем 50% от высоты объемного резонатора, чтобы уменьшить напряженность пучности большого электрического поля в верхней части объемного резонатора при его использовании. И опять это значительно отличается от конфигурации ASTEX, которая имеет больший диаметр в нижнем участке плазменной камеры и меньший диаметр в верхнем участке камеры. В данной альтернативной конфигурации отношение нижнего диаметра к верхнему диаметру объемного резонатора может быть больше чем 0,4 и меньше чем 1, причем нижний диаметр измеряется на высоте меньшей чем 50% от высоты объемного резонатора, и верхний диаметр измеряется на высоте большей чем 50% высоты объемного резонатора, измеряемой от основания. При необходимости отношение может быть в пределах от 0,5 до 0,9, от 0,6 до 0,9 или от 0,7 до 0,8. Например, нижний диаметр может находиться в пределах от 200 мм до 450 мм, от 250 мм до 450 мм, от 300 мм до 400 мм или от 330 мм до 400 мм, и верхний диаметр может находиться в пределах от 300 мм до 500 мм, от 350 мм до 500 мм, от 350 мм до 450 мм или от 400 мм до 450 мм. Эти измерения особенно предпочтительны для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц. Для рабочей частоты 400-500 МГц нижний диаметр может находиться в пределах от 400 мм до 900 мм, от 500 мм до 900 мм, от 600 мм до 800 мм или от 650 мм до 800 мм, и верхний диаметр может находиться в пределах от 600 мм до 1000 мм, от 700 мм до 1000 мм, от 700 мм до 900 мм или от 800 мм до 900 мм. Для рабочей частоты 2300-2600 МГц нижний диаметр может находиться в пределах от 70 мм до 160 мм, от