Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала

Изобретение относится к области плазменной обработки материалов. Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы содержит: микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f; плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от основания до 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 верхняя пластина установлена поперек 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. 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 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. 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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 90 мм до 160 мм, от 100 мм до 150 мм или от 120 мм до 150 мм, и верхний диаметр может находиться в пределах от 100 мм до 200 мм, от 120 мм до 200 мм, от 130 мм до 170 мм или от 150 мм до 170 мм.

Описанные выше объемные резонаторы малого диаметра приводят к относительно большому отношению объема плазмы к объему камеры при их использовании. Объем объемного резонатора может быть в пределах от 0,002 м³ до 0,060 м³, от 0,007 м³ до 0,040 м³, от 0,010 м³ до 0,030 м³ или от 0,015 м³ до 0,025 м³. При этом эти камеры могут сформировать низкий Q-фактор объемного резонатора, например, не больше, чем 1000, 500, 200, 100, 80 или 50 при его использовании. Эти измерения особенно предпочтительны для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц. Для рабочей частоты 400-500 МГц объем объемного резонатора может быть в диапазоне от 0,018 м³ до 0,530 м³, от 0,062 м³ до 0,350 м³, от 0,089 м³ до 0,270 м³ или от 0,133 м³ до 0,221 м³. Для рабочей частоты 2300-2600 МГц объем объемного резонатора может быть в диапазоне от 9,8×10^-5 м³ до 2,9×10^-3 м³, от 3,4×10^-4 м³ до 1,96×10^-3 м³, от 4,9×10^-4 м³ до 1,47×10^-3 м³ или от 7,35×l0^-4 м³ до 1,23×10^-3 м³.

Следует отметить, что хотя такие термины, как "вершина", "основание", "верхняя" и "нижняя", используются в данной спецификации для описания плазменного реактора, оказывается возможным инвертировать реактор. При этом эти термины относятся к расположению компонент реактора друг относительно друга и не обязательно к их расположению относительно земли. Например, при стандартном использовании подложка поддерживается основанием камеры, которое образует нижнюю стенку камеры относительно земли. Однако возможно инвертировать реактор таким образом, что основание камеры, поддерживающее подложку, образует верхнюю стенку камеры относительно земли. В перевернутой ориентации потоки газа, текущие по направлению к подложке, могут быть параллельными принципиально возникающим тепловым конвекционным потокам (которые находятся в восходящем направлении из-за большого количества тепла, создаваемого в плазме, которая находится ниже подложки в инвертированной конфигурации). Это инвертированная конфигурация может иметь некоторые преимущества для некоторых приложений.

В дополнение к рассмотренным выше основным размерам камеры установлено, что геометрия подложки и/или держателя подложки в пределах объемного резонатора может влиять на однородность плазмы, сформированной при его использовании. В частности, было установлено, что однородность плазмы может быть дополнительно улучшена, гарантируя то, что подложка и/или держатель подложки и объемный резонатор сконфигурированы для удовлетворения условия того, что отношение диаметра объемного резонатора к диаметру подложки (и/или держателя подложки) находится в пределах от 1,5 до 5, от 2,0 до 4,5 или от 2,5 до 4,0, причем диаметр объемного резонатора измеряется на высоте меньшей чем 50%, 40%, 30% или 20% высоты объемного резонатора, например, измеряется на высоте поддерживающей поверхности держателя подложки или измеряется на поверхности роста подложки. Например, диаметр подложки (или держателя подложки) может быть в пределах от 165 мм до 415 мм, от 185 мм до 375 мм, от 205 мм до 375 мм, от 205 мм до 330 мм или от 240 мм до 330 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц; от 80 мм до 200 мм, от 90 мм до 180 мм, от 100 мм до 180 мм, от 100 мм до 160 или от 115 мм до 160 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или от 30 мм до 75 мм, от 33 мм до 65 мм, от 37 мм до 65 мм, от 37 мм до 58 мм или от 42 мм до 58 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц.

Вышеупомянутые условия предполагают, что держатель подложки имеет сопоставимый с подложкой размер при его использовании. Практически держатель подложки может быть сделан с большим диаметром, чем подложка для использования в CVD алмазном процессе. В таком случае на однородность плазмы поверх поверхности роста подложки будет прежде всего влиять геометрия подложки, и, таким образом, вышеупомянутые пределы диаметра могут относиться только к подложке, а не к держателю подложки.

Следует также отметить, что держатель подложки может быть сформирован основанием плазменной камеры. Использование термина "держатель подложки" предназначено для охвата таких вариаций. Кроме того, держатель подложки может содержать плоскую поддерживающую поверхность, которая имеет тот же самый (как показано) или больший, чем подложка, диаметр. Например, держатель подложки может образовывать большую плоскую поверхность, сформированную основанием камеры или отдельным компонентом, расположенным поверх основания камеры, и подложка может быть тщательно установлена в центральную область плоской поддерживающей поверхности. В одной конфигурации поддерживающая поверхность держателя подложки может иметь дополнительные элементы, например, выступы или углубления для выравнивания и при необходимости поддержки подложки. Альтернативно такие дополнительные элементы могут не предоставляться, так что держатель подложки просто предоставляет плоскую поддерживающую поверхность, поверх которой располагается подложка.

Одна из найденных авторами потенциальных проблем при использовании описанной выше малогабаритной конфигурации объемного резонатора заключается в перегревании компонент стенок камеры. Как будет рассмотрено более подробно ниже, было установлено предпочтительным предоставить конфигурацию, в которой стенки объемного резонатора подвергаются воздействию плазмы при их использовании, то есть плазма не содержится в пределах стеклянного колпачка. Инженеры вакуумной техники считают, что плазменные реакторные сосуды должны быть изготовлены из спаянной нержавеющей стали, поскольку она представляет собой общепринятый материал для камер сверхвысокого вакуума (UHV). Однако было установлено, что это создает проблемы с образованием дуги на границах раздела, формирует сажу на горячих поверхностях и сопровождается плохой теплопередачей. Кроме того, эти камеры оказываются дорогостоящими при их конструировании. Алюминий считается лучшим материалом в тепловом отношении и также прост в обработке. Таким образом, хотя нержавеющая сталь представляет собой хороший материал для вакуумных камер, его очень плохие тепловые характеристики делают его не вполне подходящим для использования на площадях, подвергающихся воздействию высоких плотностей мощности. Такие материалы, как алюминий, хотя не традиционно считаются подходящими для высокого вакуума, фактически оказываются весьма хорошими для использования с умеренно высоким вакуумом, когда могут быть использованы обычные эластомерные уплотнения. При этом объемный резонатор предпочтительно выполняется из алюминия или его сплава, который содержит, по меньшей мере, 80%, 90%, 95% или 98% по весу алюминия.

Структура микроволновой связи, форма и расположение диэлектрического окна

Нестабильность плазмы может заставить плазму испытывать "скачки" и подогревать технологические газы в других областях большого электрического поля вдали от желаемого расположения непосредственно выше подложки. Одно из решений этой проблемы состоит в том, чтобы использовать стеклянный колпачок для заключения технологических газов вблизи подложки. Поскольку технологические газы находятся под значительно сниженным давлением по сравнению с газами вне стеклянного колпачка, напряжение пробоя уменьшается до такого уровня, что плазма может существовать только в пределах стеклянного колпачка. Состав газа в стеклянном колпачке может также быть выбран, чтобы способствовать пробою в меньшем электрическом поле. Однако, использование стеклянного колпачка порождает свои проблемы. Например, кремниевые примеси из кварцевого стеклянного колпачка могут внедряться в CVD алмаз, выращиваемый с использованием такой конфигурации, приводя к снижению чистоты продукта. Кроме того, стеклянные колпачки имеют тенденцию перегреваться при высоких мощностях, приводя к снижению полного срока службы или в критических случаях к катастрофическому повреждению. Это происходит, по меньшей мере, частично из-за близости плазмы. Больший стеклянный колпачок, который находится дальше от плазмы, может частично решить эту проблему, но такая конфигурация более подвержена эффектам конвекции и вследствие этого приводит к потере стабильности плазмы. Действительно, авторы настоящего изобретения полагают, что проблема конвекции в пределах камеры (по меньшей мере, относительно сложная и неконтролируемая конвекция в пределах камеры), приводящая к потере стабильности плазмы, имеется также и в камерах большого объема, в которых не используется стеклянный колпачок. Эта проблема решается при использовании конфигурации малогабаритного, с малым диаметром объемного резонатора TM₀₁₁, как ранее описано.

Подача микроволн большой мощности в такой малогабаритный, с малым диаметром объемный резонатор TM₀₁₁ без стеклянного колпачка может сама по себе создать некоторые проблемы. Однако эти проблемы могут быть преодолены, где это необходимо, с помощью дополнительной модификации камеры в отношении того, как подается в камеру мощность микроволн и как электрические и магнитные поля контролируются в пределах камеры. Эти дополнительные модификации обсуждаются ниже.

Одна из проблем заключается в том, как избежать формирования плазмы и электрического пробоя в пучности в электромагнитном поле вдали от желаемого местоположения непосредственно выше подложки. Эта проблема частично решается путем предоставления относительно малогабаритного, с малым диаметром объемного резонатора TM₀₁₁, как ранее описано, такого, чтобы относительно мало электромагнитных пучностей имелось в пределах камеры. Однако, даже используя эту конструкцию объемного резонатора TM₀₁₁, все же имеется вторая пучность в верхней части камеры, которая в действительности является зеркальным отображением электрического поля, которое существует на конце подложки объемного резонатора.

Имеется несколько возможных способов облегчить проблему формирования плазмы и электрического пробоя в верхней пучности. Например, было установлено, что риск формирования плазмы в верхней пучности меньше, если мощность микроволн связана с камерой индуктивно, а не емкостным образом.

Вышеупомянутые авторы Silva и др. свидетельствуют о том, что связь электрического поля (емкостная) с использованием антенны наиболее широко используется и что магнитная (индуктивная) связь редко используется из-за ограниченной передаваемой мощности. Авторы настоящего изобретения уделяли внимание работе при высокой мощности для достижения высоких скоростей роста CVD алмаза для коммерчески применимого производственного процесса. Соответственно, после раскрытия Silva и др. специалистам в данной области техники рекомендовалось использовать емкостную связь. Вопреки этому совету авторы настоящего изобретения поняли, что если используется конструкция относительно малогабаритной, узкой камеры, то высокие плотности мощности могут быть достигнуты с использованием индуктивной связи. Кроме того, при использовании индуктивной связи ранее описанные проблемы, связанные с емкостной связью, могут быть облегчены. При этом комбинация индуктивной связи и малогабаритной, узкой плазменной камеры, как было установлено, является предпочтительной для достижения высоких плотностей мощности и, таким образом, высоких скоростей роста CVD алмаза при облегчении проблемы формирования плазмы в верхней пучности в объемном резонаторе.

Остается вопрос относительно того, как микроволны должны быть индуктивно связаны с камерой. Одна из возможностей заключается в индуктивной связи микроволн большой мощности с помощью имеющего форму пластины диэлектрического окна в верхнем участке камеры, подобно вариантам для реакторов ASTEX и LIMHP, рассмотренным в разделе «Уровень техники». Однако было установлено, что такая диэлектрическая пластина повреждается областями большого электрического поля в верхнем центральном участке камеры при ее использовании и может привести к загрязнению диэлектрическим материалом CVD алмаза, выращиваемого с использованием такой конфигурации. Эта проблема может быть облегчена посредством подачи мощности микроволн с помощью кольцевого диэлектрического окна, расположенного внутри или вблизи конца объемного резонатора. Возможны несколько вариантов установки кольцевого окна. Кольцевое окно может быть установлено на концевой стенке камеры или на боковой стенке. В обоих случаях подобные области большого магнитного поля будут возбуждены индуктивно. Однако, в отличие от кольцевого диэлектрического окна, раскрытого в патенте США US6645343, авторы настоящего изобретения установили, что предпочтительно расположить кольцевое окно в концевой стенке камеры так, что микроволны подаются в камеру в направлении, параллельном центральной вращательной оси камеры.

Считается предпочтительным ограничить площадь диэлектрического материала, подвергаемого воздействию плазмы при его использовании. Например, объемный резонатор может содержать внутренние стенки, сконфигурированные для воздействия плазмы, сформированной в пределах объемного резонатора при его использовании, внутренние стенки, содержащие металлические поверхности, формирующие, по меньшей мере, 75%, 80%, 85%, 90% или 95% от полной площади поверхности внутренних стенок в пределах объемного резонатора. Как ранее заявлено, металлические поверхности предпочтительно сделаны из алюминия. В наиболее предпочтительной конфигурации объемный резонатор имеет малый объем и большую пропорцию внутренних стенок, подвергаемых воздействию плазмы при его использовании и сформированных металлическими поверхностями. Объем объемного резонатора может быть в пределах от 0,002 м³ до 0,06 м³, от 0,007 м³ до 0,04 м³, от 0,01 м³ до 0,03 м³ или от 0,015 м³ до 0,025 м³. Эти размеры особенно предпочтительны для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц. И опять, эти размеры могут масштабироваться в соответствии с рабочей частотой. Например, для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц значения могут масштабироваться множителем 2,07³, и для работы на микроволновой частоте в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц значения могут масштабироваться множителем 0,366³. При этом на микроволновой частоте f в диапазоне от 400 до 500 МГц объемный резонатор может иметь объем в пределах от 0,018 м³ до 0,530 м³, от 0,062 м³ до 0,350 м³, от 0,089 м³ до 0,270 м³ или от 0,133 м³ до 0,221 м³. На микроволновой частоте f в диапазоне от 2300 до 2600 МГц объемный резонатор может иметь объем в пределах от 9,8×10^-5 м³ до 2,9×10^-3 м³, от 3,4×10^-4 м³ до 1,96×10^-3 м³, от 4,9×10^-4 м³ до 1,47×10^-3 м³ или от 7,35×10^-4 м³ до 1,23×10^-3 м³.

Относительно малый участок внутренних стенок может быть сформирован из диэлектрического материала для индуктивной связи микроволн с объемным резонатором. Наиболее предпочтительная конфигурация содержит кольцевое диэлектрическое окно, сформированное в одной или нескольких секциях, кольцевое диэлектрическое окно, формирующее не больше чем 25%, 20%, 15%, 10% или 5% общей площади поверхности внутренних стенок в пределах объемного резонатора.

Конфигурации для стабилизации плазмы, сформированной в пределах реакторной камеры

Даже когда используется индуктивная связь, все же есть риск формирования плазмы в верхней части камеры. Один из способов дополнительного облегчения этой проблемы заключается в предоставлении конфигурации, которая, по меньшей мере, частично устраняет пучность большого электрического поля в верхнем участке камеры, не затрагивая область большого электрического поля в нижнем участке камеры. Один из способов для достижения этого заключается в предоставлении электропроводящей поверхности, которая простирается в камеру и поверх верхней пучности. Электропроводящая поверхность может сформировать шар однородной кривизны, остроконечный конус или какую-либо промежуточную коническую структуру. Предпочтительна коническая поверхность, имеющая закругленный наконечник. В одной предпочтительной конфигурации коническая поверхность сконфигурирована приблизительно ортогональной к вектору электрического поля резонансной моды объемного резонатора, тем самым, минимизируя возмущения электрического поля в результате введения конической поверхности в объемный резонатор. То есть оказывается возможным устранить пучность, не затрагивая основной профиль электрического поля TM₀₁₁ в нижней части камеры, помещая проводящую металлическую поверхность, приблизительно ортогональную к электрическому полю в области верхней пучности большого электрического поля, чтобы эффективно устранить верхнюю область большого электрического поля. Хотя резонансная частота камеры не должна быть чрезмерно изменена, Q-фвктор уменьшится из-за снижения сохраняемой энергии в объемном резонаторе, тогда как энергия, рассеянная за период, остается той же самой.

Электропроводящая поверхность может простираться до одной четверти направляемой длины волны и может простираться от управляемого или неуправляемого конца плазменной камеры. Под управляемым концом подразумевается конец, где микроволны подаются в камеру. Альтернативная возможность заключается в помещении электропроводящей поверхности в неуправляемом конце, приводя к конфигурации, где микроволновое окно установлено вокруг подложки, хотя эта конфигурация может привести к повреждению диэлектрического окна.

В связи с вышеупомянутым одна конфигурация содержит имеющий форму конуса электрически проводящий элемент, простирающийся в объемный резонатор, для, по меньшей мере, частичного устранения пучности большого электрического поля в объемном резонаторе при его использовании по сравнению с эквивалентным объемным резонатором без конического электрически проводящего элемента. Электрически проводящий элемент, имеющий форму конуса, может быть поддержан основанием или верхней пластиной плазменной камеры и ориентирован так, что наконечник имеющего форму конуса электрически проводящего элемента находится на центральной вращательной оси симметрии объемного резонатора. Например, держатель подложки может быть поддержан основанием плазменной камеры, и имеющий форму конуса электрически проводящий элемент может быть поддержан верхней пластиной плазменной камеры. В одной особенно полезной конфигурации имеющий форму конуса электрически проводящий элемент формирует кольцевую выемку в пределах объемного резонатора, и ранее описанное кольцевое диэлектрическое окно может быть расположено в пределах кольцевой выемки. Эта конфигурация может быть использована для предотвращения повреждения диэлектрического окна при его использовании.

Электропроводящая поверхность, как описано выше, полезна в предоставлении плазменной камеры, которая фактически имеет только одну первичную пучность электрического поля. То есть электропроводящую поверхность можно предоставить как простирающуюся в камеру для маскировки всех других первичных пучностей электрического поля, кроме той, которая расположена как смежная с поверхностью роста подложки при его использовании, чтобы улучшить чистоту моды и снизить проблему формирования плазмы вдали от представляющей интерес площади на поверхности роста подложки. Такая камера с единственной пучностью считается предпочтительной для производства высококачественного синтетического алмазного материала по большим площадям. В связи с этим следует отметить, что камера все же может содержать локализованные моды в результате наличия подложки в пределах камеры. Однако объемный резонатор может быть сконструирован так, чтобы только одна первичная пучность электрического поля была поддержана стенками камеры.

Альтернатива использованию электропроводящей поверхности, имеющей форму конуса, для устранения области большого электрического поля в верхнем участке камеры заключается в предоставлении плазменной камеры, в которой верхний участок объемного резонатора имеет больший диаметр, чем нижний участок объемного резонатора, причем верхний участок объемного резонатора сконфигурирован для уменьшения пучности большого электрического поля в верхнем участке объемного резонатора при его использовании. Например, боковая стенка камеры может быть внешне сужена в верхнем участке камеры для уменьшения верхней пучности моды TM₀₁₁. Уменьшения компоненты E_z E-поля достаточно для предотвращения пробоя, возникающего в этой области. Такое сужение может начинаться от основания камеры или может быть частью вертикальной стенки камеры, при этом нижний участок камеры остается цилиндрическим. Также альтернативно можно предоставить ступеньку в боковой стенке камеры для предоставления более широкого верхнего участка. Эти конфигурации также имеют преимущества уменьшения плотности мощности в верхнем участке камеры, что облегчает проблему формирования плазмы в верхнем участке камеры. Соответственно, предоставление более широкого верхнего участка плазменной камеры дает эффект уменьшения электрического поля в верхнем участке камеры.

Как альтернатива или в дополнение к вышеупомянутому, использование газового впуска, предназначенного для инжекции технологического газа от верхней пластины к поверхности роста подложки, может способствовать проталкиванию плазмы по направлению к подложке и предотвращению скачка плазмы в верхнюю область камеры.

В связи с вышеупомянутым предполагается, что желательная конструкция камеры может удовлетворить следующим конструкционным параметрам:

(i) Малогабаритная, узкая камера, сконструированная для поддержания резонансной моды TM₀₁₁ между основанием и верхней пластиной камеры, является предпочтительной.

(ii) Мощность микроволн может быть индуктивно связана с камерой с помощью диэлектрического окна, имеющего форму кольца. Предпочтительно кольцевое диэлектрическое окно установлено на концевой стенке плазменной камеры так, что микроволны подаются в плазменную камеру в направлении, по существу параллельном к оси плазменной камеры.

(iii) Камера может быть сконфигурирована для, по меньшей мере, частичного уничтожения пучности большого электрического поля в верхнем участке камеры. Это может быть достигнуто с использованием электропроводящей и имеющей форму конуса поверхности или альтернативно расширением диаметра верхнего участка камеры для поддержания уничтожаемой моды в верхнем участке камеры. Расположенный аксиально газовый впуск может способствовать предотвращению скачка плазмы в верхнюю пучность. При этом конус, или сужение, может не быть существенным, если используется газовый поток, ориентированный аксиально.

Одна из полезных конфигураций заключается в комбинации признаков кольцевого микроволнового окна и центрально расположенного конуса. Другая полезная комбинация заключается в кольцевом микроволновом окне и аксиально расположенном газовом впуске. Еще одна дополнительная полезная комбинация заключается в предоставлении всех трех из вышеупомянутых признаков, то есть кольцевого микроволнового окна, центрально расположенного конуса и аксиально расположенного газового впуска.

Варианты реализации настоящего изобретения предоставляют плазменную реакторную камеру, которая дает возможность формирования однородной, устойчивой, большой площади плазмы для достижения однородного роста CVD алмаза по большим площадям.

Примеры

На фиг. 1 показан пример микроволнового плазменного реактора, как описано здесь. Как можно видеть из фиг. 1, микроволновые плазменные реакторы содержат следующие основные компоненты: плазменную камеру 2; держатель подложки 4, расположенный в плазменной камере для поддержания подложки 5; микроволновый генератор 6 для формирования плазмы 8 в пределах плазменной камеры 2; конфигурацию микроволновой связи 10 для подачи микроволн от микроволнового генератора 6 в плазменную камеру 2; и систему газового потока, содержащую газовый впуск 12 и газовый выпуск 14 для подачи технологических газов в плазменную камеру 2 и удаления их оттуда.

Конфигурация микроволновой связи 10 содержит коаксиальную линию, содержащую внутренний проводник 16 и внешний проводник 18. Коаксиальная линия сконфигурирована для передачи микроволн от микроволнового генератора 6 к кольцевому диэлектрическому окну 20. Диэлектрическое окно 20 сделано из проницаемого для микроволн материала, например, из кварца. Оно формирует вакуумно-плотное кольцевое окно в верхнем участке плазменной камеры 2. Микроволновый генератор 6 и конфигурация микроволновой связи 10 сконфигурированы для генерации микроволн подходящей длины и индуктивной подачи микроволн в плазменную камеру 2 для формирования стоячей волны в пределах плазменной камеры 2, имеющей узел высокой энергии, расположенный непосредственно выше подложки 5 при ее использовании. Верхняя пластина 22 содержит один или более волноводов для передачи микроволн от коаксиальной линии через диэлектрическое окно 20.

Размеры плазменной камеры 2, длина волны микроволн и положение верхней пластины 24 выбираются для генерации стоячей волны TM₀₁₁ в пределах плазменной камеры между основанием камеры 24 и верхней пластиной 22. Высота h между основанием 24 и верхней пластиной 22 и диаметр d камеры выбираются как имеющие такое отношение, как ранее задано.

Плазменная камера формирует компактный микроволновый объемный резонатор с твердыми металлическими стенками, предпочтительно из алюминия, которые подвергаются воздействию плазмы при их использовании. Стенки плазменной камеры могут охлаждаться флюидом или газом (например, охлажденной водой), чтобы допустить работу при больших мощностях. Это способствует снятию требования для стеклянного колпачка на ограничение реактивных составов, позволяя более высокие мощности, а также улучшая чистоту материала.

На фиг. 2 показана модифицированная версия плазменного реактора, показанного на фиг. 1. В этой модифицированной конфигурации электрически проводящий, имеющий форму конуса элемент 34 смонтирован на основной пластине 22 и простирается в плазменную камеру. Электрически проводящий, имеющий форму конуса элемент 34 сконфигурирован как эффективно маскирующий пучность большого электрического поля моды TM₀₁₁ в верхнем участке плазменной камеры, не затрагивая чрезмерно пучность большого электрического поля моды TM₀₁₁ в нижнем участке плазменной камеры.

На фиг. 3 показана еще одна альтернатива. В показанной конфигурации верхний участок плазменной камеры имеет диаметр d_2, больший, чем диаметр d₁ нижнего участка плазменной камеры. Отношение d₁/d₂ выбирается так, чтобы выполнить критерии конструкции, как ранее описано. Верхний диаметр d₂ может быть выбран для поддержания вторичной микроволновой моды, которая, по меньшей мере, частично устраняет пучность большого электрического поля моды TM₀₁₁ в верхнем участке плазменной камеры.

Варианты реализации настоящего изобретения улучшают однородность в процессе роста CVD алмаза. Улучшение однородности может быть измерено посредством одного или более из следующих параметров: однородность по толщине или CVD алмазной пленки (поперек площади осаждения); однородность одного или более качественных параметров алмазного материала (например, цвет, оптические свойства, электронные свойства, поглощение азота, поглощение бора и/или уровень активации бора); в поликристаллическом алмазном материале однородность текстуры, поверхностная морфология, размер зерен и т.д.; или в монокристаллическом алмазном материале, где рост имеет место на матрице монокристаллических алмазных подложек на несущей подложке, однородность толщины, морфология, краевое двойникование, боковой рост и т.д. между каждым монокристаллом. Ключевые параметры, выбранные для оценки однородности, зависят от процесса синтеза, экономичности изготовления конечного продукта из продукта синтеза и требований к самому конечному продукту.

Хотя это изобретение было, в частности, показано и описано в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники будет ясно, что могут быть сделаны различные изменения по форме и в деталях, не выходя за пределы объема притязаний изобретения, как это определено в соответствии с приложенной формулой изобретения.

1. 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 МГц до 500 МГц, от 800 МГц до 1000 МГц или от 2300 МГц до 2600 МГц,
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,
причем объемный резонатор содержит внутренние стенки, сконфигурированные для воздействия плазмы, сформированной внутри объемного резонатора, при его использовании, причем упомянутые внутренние стенки содержат металлические поверхности, формирующие, по меньшей мере, 75% общей площади поверхности упомянутых внутренних стенок в пределах объемного резонатора, и
причем участок упомянутых внутренних стенок сформирован кольцевым диэлектрическим окном, сформированным в одной или нескольких секциях, причем упомянутое кольцевое диэлектрическое окно формирует не больше чем 25% общей площади поверхности внутренних стенок в пределах объемного резонатора.

2. Микроволновый плазменный реактор по п.1, в котором отношение высоты объемного резонатора к диаметру объемного резонатора находится в пределах от 0,4 до 0,9 или от 0,5 до 0,8.

3. Микроволновый плазменный реактор по любому предшествующему пункту, в котором высота объемного резонатора, измеряемая от основания до верхней пластины плазменной камеры, находится в пределах:
от 300 мм до 600 мм, от 300 мм до 500 мм или от 400 мм до 500 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц;
от 150 мм до 300 мм, от 150 мм до 250 мм или от 200 мм до 250 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц; или
от 50 мм до 110 мм, от 50 мм до 90 мм или от 70 мм до 90 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц.

4. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором диаметр объемного резонатора находится в пределах:
от 400 мм до 1000 мм, от 500 мм до 900 мм или от 600 мм до 800 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц;
от 200 мм до 500 мм, от 250 мм до 450 мм или от 300 мм до 400 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц; или
от 70 мм до 180 мм, от 90 мм до 160 мм или от 110 мм до 150 мм на микроволновой частоте f в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц.

5. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором объемный резонатор имеет объем в пределах:
от 0,018 м³ до 0,530 м³, от 0,062 м³ до 0,350 м³, от 0,089 м³ до 0,270 м³ или от 0,133 м³ до 0,221 м³ на микроволновой частоте f в диапазоне от 400 до 500 МГц;
от 0,002 м³ до 0,06 м³, от 0,007 м³ до 0,04 м³, от 0,01 м³ до 0,03 м³ или от 0,015 м³ до 0,025 м³ на микроволновой частоте f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц; или
от 9,8×10^-5 м³ до 2,9×10^-3 м³, от 3,4×10^-4 м³ до 1,96×10^-3 м³, от 4,9×10^-4 м³ до 1,47×10^-3 м³ или от 7,35×10^-4 м³ до 1,23×10^-3 м³ на микроволновой частоте f в диапазоне от 2300 до 2600 МГц.

6. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором объемный резонатор является цилиндрическим.

7. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором верхний участок объемного резонатора имеет больший диаметр, чем нижний участок объемного резонатора, причем верхний участок объемного резонатора сконфигурирован для поддержания, по меньшей мере, одной вторичной микроволновой моды, которая, по меньшей мере, частично устраняет пучность большого электрического поля в верхнем участке объемного резонатора при его использовании.

8. Микроволновый плазменный реактор по п.7, в котором отношение нижнего диаметра к верхнему диаметру объемного резонатора больше чем 0,4 и меньше чем 1, причем нижний диаметр измеряется на высоте меньшей чем 50% от высоты объемного резонатора, измеряемой от основания, и верхний диаметр измеряется на высоте большей чем 50% от высоты объемного резонатора, измеряемой от основания.

9. Микроволновый плазменный реактор по п.8, в котором упомянутое отношение находится в пределах от 0,5 до 0,9, от 0,6 до 0,9 или от 0,7 до 0,8.

10. Микроволновый плазменный реактор по п.8 или 9, в котором:
на микроволновой частоте f в диапазоне от 400 до 500 МГц нижний диаметр находится 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;
на микроволновой частоте f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц нижний диаметр находится 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 находится 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; или
на микроволновой частоте f в диапазоне от 2300 до 2600 МГц нижний диаметр находится в пределах от 70 мм до 160 мм, от 90 мм до 160 мм, от 100 мм до 150 мм или от 120 мм до 150 мм, и верхний диаметр может находиться в пределах от 100 мм до 200 мм, от 120 мм до 200 мм, от 130 мм до 170 мм или от 150 мм до 170 мм.

11. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором металлические поверхности внутренних стенок объемного резонатора формируют, по меньшей мере, 80%, 85%, 90% или 95% общей площади поверхности упомянутых внутренних стенок в пределах объемного резонатора.

12. Микроволновый плазменный реактор по п.11, в котором упомянутые металлические поверхности сделаны из алюминия или его сплава, содержащего, по меньшей мере, 80%, 90%, 95% или 98% по весу алюминия.

13. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором кольцевое диэлектрическое окно формирует не больше чем 20%, 15%, 10% или 5% от общей площади поверхности внутренних стенок в пределах объемного резонатора.

14. Микроволновый плазменный реактор по п.1 или 2, в котором микроволновый плазменный реактор дополнительно содержит электропроводящую поверхность, расположенную в пределах плазменной камеры поверх области пучности большого электрического поля, которая существовала бы в соответствующей плазменной камере, не содержащей проводящую поверхность.

15. Микроволновый плазменный реактор по п.14, в котором проводящая поверхность имеет форму конуса.

16. Микроволновый плазменный реактор по п.15, в котором имеющая форму конуса проводящая поверхность содержит закругленный наконечник.

17. Микроволновый плазменный реактор по п.15 или 16, в котором имеющая форму конуса проводящая поверхность формирует кольцевую выемку в плазменной камере, и кольцевое диэлектрическое окно располагается в упомянутой выемке.