CN107810542A - 具有成形工件夹具的环形等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置包括环形形状的等离子体容器，环形形状的等离子体容器包括处理室。磁芯围绕环形形状的等离子体容器的一部分。具有电连接到的磁芯的输出的RF电源向磁芯通电，由此在等离子体室中形成环形等离子体回路放电。工件夹具放置于环形形状的等离子体容器中并且包括至少一个面。形成等离子体引导结构的形状和尺寸以便将等离子体的一段约束在环形等离子体回路中，以基本上垂直于至少一个面的法向而行进。

Description

具有成形工件夹具的环形等离子体处理装置
本文所使用的各部分的标题仅用于组织的目的，并且不应被理解为以任意方式来限制本申请所描述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是于2015年5月21日提交的、标题为“Toroidal Plasma ProcessingApparatus with a Shaped Workpiece Holder”的美国临时专利申请号62/165,148的非临时申请。通过引用将美国临时专利申请号62/165,148的全部内容合并至此。
背景技术
存在许多类型的等离子体放电，并且它们在各种各样的条件下操作。在一些应用中，使用低至10-3托的压力。在低压力下，解离主要由于对分子的电子轰击而发生。对气态物种的加热在解离过程中起着相对较小的作用。在其他应用中，使用高得多的气体压力，该气体压力能够从1托到大于1个大气压。分子的解离由于电子轰击加上对气态物种的加热的组合而发生。一般地，最高效的解离在压力和气体温度都相对较高时发生。当气体压力为1托或更大并且等离子体所吸收的电功率大于10W cm-3时，气体温度能够超过数千摄氏度。在这些高的气体温度下，热效应在维持高度解离的气体方面开始起着重要的作用。
附图说明
根据优选和示例性的实施例，本教导结合其更多的优点一起将在下面结合附图进行的详细描述中更具体地描述。本领域技术人员应当理解，下面所描述的附图只是用于例示的目的。这些附图并不一定是按比例的，而是一般要强调例示本教导的原理。附图并不打算以任意方式对本教导的范围进行限定。
图1例示根据本教导的一种实施例，具有至少一个磁芯和至少一个电源的环形等离子体源，其中惰性气体和工艺气体能够在一个点或从多个点引入。
图2A例示本教导的环形等离子体沉积***的横截面视图的实施例，包括作为环形结构的部分的处理室。
图2B例示图2A中所示的环形等离子体沉积***的截面的近视图。
图3A例示根据本教导由铜制成的工件夹具段的实施例。
图3B例示根据本教导由耐熔金属制造的工件夹具段的实施例的顶部透视图。
图3C例示图3B的工件夹具段的底部视图。
图4例示包括本教导的耐熔金属工件夹具的环形等离子体沉积***的实施例的横截面视图。
图5A例示本教导的工件夹具的实施例的正面。
图5B例示本教导的工件夹具的实施例的背面。
图6例示根据本教导包括用于夹持工件的个体支柱的工件夹具600的实施例。
图7例示根据本教导，用来控制冷却元件、工件夹具和等离子体引导元件的相对位置以实现各种处理目标的平移工作台。
图8例示本教导的等离子体处理装置800的实施例，具有单独的等离子体引导结构以及耦合到结合图7描述的平移工作台的工件夹具。
具体实施方式
在说明书中对“一种实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本教导的至少一种实施例中。在说明书中的各种地方出现的短语“在一种实施例中”并不一定全都指的是同一实施例。
应当理解，本教导的方法的个体步骤可以按照任意顺序和/或同时执行，只要本教导仍然可实施。而且，应当理解，本教导的装置和方法能够包括任意数量的或全部的所描述的实施例，只要本教导仍然可实施。
现在将参考本教导的示例性实施例更详细地描述本教导，如同附图所示的。虽然本教导结合各种实施例和示例来描述，但并不意味着本教导要限定于这样的实施例。相反，本教导涵盖各种替代方案、修改和等效形式，如同本领域技术人员所应当了解的。已经了解本文的教导的本领域那些普通技术人员应当认识到另外的实现方式、修改和实施例，以及其他领域的用途，这些属于本文所描述的本公开内容的范围。
本教导一般地涉及为了沉积各种材料的目的，使用等离子体放电以便解离分子气体。本教导的装置和方法的一个方面涉及使用等离子体放电用于解离分子气体来形成金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及相关的材料。这些材料的一些有时一般地称作“人造金刚石”或者“实验室生长的金刚石”。人造金刚石材料可以各种形式生长，包括单晶材料、多晶材料以及纳米晶材料。这些人造金刚石材料具有许多用途，包括在切割工具、研磨料、用于将辐射从UV传输到IR中的窗户、激光光学、光谱仪光学、量子计算、散热器、宝石、电子器件、电化学器件以及散热器中的使用。
人造金刚石材料已经通过各种方法生产了许多年。早期的人造金刚石处理技术包括热焰炬(thermal torches)和高温高压反应器。从二十世纪80年代起，研究人员开始关注生成人造金刚石膜的等离子体技术。这些典型为沉积于诸如硅、钨和钼这样的基板上的金刚石材料的薄膜或厚膜。
用来形成人造金刚石的等离子体反应器一般地分类为等离子体化学气相沉积反应器，也称作等离子体CVD或者PCVD反应器。等离子体CVD金刚石沉积的大部分初始形成都已经使用在10-100托的一般压力范围内操作的基于微波等离子体的反应器执行了。其他人造金刚石沉积已经使用较低压力的等离子体反应器和非微波等离子体发生器来执行。一般而言，较高质量的膜和较高的沉积速率已经使用较高压力的微波等离子体***获得。可参见例如J.E.Butler、Y.A.Mankelevich、A.Cheesman、Jie Ma和M.N.R.Ashfold的“Understanding the Chemical Vapor Deposition of Diamond:Recent Progress”(Journal of Physics:Condensed Matter 21(2009)364201，IOP Publishing)。同样可参见F.Silva、K.Hassouni、X.Bonnin和A.Gicquel的“Microwave Engineering of Plasma-Assisted CVD Reactors for Diamond Deposition”(Journal of Physics:CondensedMatter 21(2009)364202IOP Publishing)。本文引用的包括J.E.Butler等人的和F.Silva等人的所有参考文献全文通过引用合并至此。
用于沉积金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及相关的材料的等离子体化学品主要包括添加有少量的含碳气体(诸如，甲烷或乙炔)的氢化学品。也可以使用含有碳和氢的其他气体。另外，还能够添加其他气体，诸如氮、氧或卤素物种，以实现具有某些性质的金刚石材料。例如，为了生长适用于某些电子、电化学和传感器应用的金刚石材料，在生长期间添加修改所沉积的金刚石材料的电子、光学和其他性质的掺杂剂气体是期望的。已经以气态形式引入的掺杂剂的示例包括硼、磷、硅、锂和钠。可以使用这些和其他掺杂剂气体修改金刚石材料的电气和/或光学特性。例如，可以使用这些掺杂剂气体的一些将颜色添加到金刚石材料。
等离子体解离一部分的氢以及含碳物种。原子氢是关键成分，因为它吸附到生长中的金刚石表面上并且还相对于金刚石键优先蚀刻掉非金刚石键。高沉积速率和高质量膜的生长两者的关键是在工件表面具有高通量的原子氢。术语“工件”在本文中被定义为材料正在沉积于其上的对象。换言之，工件是根据本教导的方法和装置处理的样品或器件。
许多类型的等离子体放电生成高通量原子氢所必要的条件。然而，这些等离子体放电大部分对于许多实际应用都显示出了明显的缺点。例如，在大气压力下操作的等离子体焰炬能够产生非常高的气体温度，并且在解离各种分子气体方面非常高效。然而，焰炬电极具有有限的寿命。此外，对等离子体焰炬电极的腐蚀还产生许多应用不可接受的污染。另外，等离子体焰炬还难以在大的区域上产生均匀的放电。
电感RF等离子体源通常在半导体处理装备中使用，并且可以用来生成高通量的原子氢。电感RF等离子体源以典型为2～60MHz的频率来操作。然而，随着功率密度和/或压力上升，能够发生严重的等离子体室腐蚀。用于高效地生成高通量的原子氢的所期望的高等离子体密度和气体压力难以在传统的电感等离子体源中获得。此外，用来驱动电感耦合的等离子体的电源和阻抗匹配单元典型地效率不是很高。而且，在电源与等离子体之间存在显著的耦合损耗，这增加低效率。对这些损耗的补偿会显著增加等离子体CVD***的成本和复杂度，因为需要消耗相对大量的功率的相对大的电源，并且因为这些***典型地需要冷却。较大的电源和冷却装置也显著增加这些装置所必需的洁净室空间，使得它们操作起来非常昂贵。
微波等离子体放电源通常也用来生成用于沉积金刚石的高通量的原子氢。在这些反应器中，典型的气态物种包括氢和含碳气体，诸如甲烷，并且可以包括大量的其他气体，诸如氧、氮和卤素物种。也已经使用除了甲烷之外的含碳物种。这些微波放电源在从小于10-3托到大于1个大气压的压力下操作。
高性能的微波金刚石CVD反应器使用各种操作参数对工件表面施加高的原子氢通量。例如，这些微波金刚石CVD反应器可以在相对高的压力(10-100+托)和/或相对高的中性气体温度(2000℃或更高)下操作。
在许多高性能微波金刚石CVD反应器中，工件表面放置于生成原子氢的等离子体芯部的相对短距离处。让工件表面处于与等离子体芯部的短距离处是期望的，因为在处理室内的典型压力下，气相复合和壁面反应两者将会导致原子氢的损耗。在许多***中，工件需要放置于与等离子体的热芯相距小于5厘米，从而获得原子氢到工件表面的高效或者最佳输送。在许多***中，取决于气体压力，从等离子体的热芯到工件表面的最高效或者最佳距离为1毫米或更小。在这些功率密度以及工件表面到等离子体芯部的近距离下，对工件将会有显著的加热。这种加热可以有利地用来将能量提供到工件的生长表面以便将工件加热到期望的沉积温度。
在通常用来沉积金刚石的微波等离子体反应器内的等离子体和表面化学已经被广泛研究，并且众所周知的是，原子氢在等离子体内的产生及其在工件表面上的使用是该工艺的关键。因为反应器在将分子氢解离成原子氢方面变得更加高效以及更加高效地将原子氢递送到工件表面，沉积速率和材料质量都会提高。此外，当原子氢撞击到工件表面上时，原子氢将很高概率复合成分子氢，释放将会转移给工件的大量能量，促使其温度升高。这在需要高的工件温度的处理中可以是有利的，诸如，金刚石、石墨烯以及类似材料的沉积。通过利用原子氢进行工件加热，能够减少或完全避免对辅助加热的需求，从而降低能量成本、装备复杂度和装备成本。
然而，微波发生器是出了名的低效率。微波发生器典型地具有只有大约50％的总效率(AC线路至微波的功率)。另外，在这些发生器中的磁控管典型地需要常规性的更换，这显著地增加操作成本以及由于***的显著停机时间而降低生产量。另外，还需要专用的且高成本的波导构件将微波发生器的功率耦合至等离子体。微波耦合构件和发生器的大小和重量同样是大的，这会限制它们的实际应用，尤其是在洁净室环境中。
本教导的一个方面是使用环形等离子体来生成用于有效且高效地沉积各种材料的原子氢，各种材料包括金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及其他基于碳的材料。环形等离子体在本文中被定义为完成了闭合回路的等离子体。环形等离子体已经在商用材料处理应用中使用了几年。在美国专利6,150,628中描述了用于材料处理的一种已知的环形等离子体装置，该专利6,150,628全文通过引用合并至此。本文所描述的环形等离子体一般地具有下列一个或多个特性：(1)等离子体在闭合回路中生成；(2)一个或多个磁芯包围着等离子体回路的一部分；以及(3)RF电源与磁芯的初级绕组连接，使得功率通过磁芯耦合至等离子体回路，这实际上是变压器电路的次级。
最近，环形等离子体源已经用来沉积金刚石。参见例如转让给本受让人的美国专利公开号20140272108 A1。作为美国专利公开号20140272108 A1而公开的美国专利申请号14/212,073的整个内容通过引用合并至此。在这些环形等离子体源中，使用非微波功率发起并且维持等离子体放电，这能够创造与在已知的微波等离子体金刚石CVD反应器中可见的那些类似的条件。在一些配置中，活性气体的分压可以是1托以及更大。所吸收的RF功率可以是10W-cm-3以及更大。
使用环形等离子体装置用于沉积金刚石具有许多优点。一个优点是环形等离子体源对于等离子体难以维持于轮廓狭长的等离子体处理室内并且等离子体或其产物与壁面具有显著相互作用的使用反应气态物种进行的应用是特别有用的。由于氢在表面上的高复合率以及氢在解离时的高化学活性，用于沉积诸如金刚石、类金刚石碳和石墨烯这样的各种基于碳的材料的原子氢是难以维持于轮廓狭长的等离子体处理室内的反应气体的示例。
环形等离子体源对于希望在等离子体内有很高的气体温度的应用特别有用。例如，当使用氢进行处理时，在等离子体区内的很高的气体温度是所希望的，以便促进分子氢到原子氢的解离并且维持高解离度。特别地，已经发现，超过2,000℃的气体温度是期望的。在根据本教导的许多金刚石形成工艺中，3,000℃以上的气体温度会产生对所沉积的金刚石材料的高沉积速率和高质量两者特别有利的条件。一般而言，在等离子体内的气体温度越高，原子物种的生产就越有效率。
根据本教导用来生长金刚石的环形等离子体源的一个具体特征是与其他已知装置和方法相比较，可以生长具有非常厚的尺寸的单晶金刚石材料。例如，使用本教导的装置和方法，能够生长在任何边上尺寸大于大约1.5厘米的高质量单晶金刚石材料。其他已知的装置和方法需要将多片镶嵌在一起来实现具有这些尺寸的单晶金刚石材料。然而，应当理解，本教导的装置和方法可以用来生长具有任何尺寸的高质量单晶金刚石材料。同样应当理解，本教导的装置和方法可以用来生长多晶金刚石材料和其他材料。
图1例示用于沉积金刚石的环形等离子体源100，包括环形形状的等离子体容器(vessel)102，等离子体容器102包括内部区域103和处理室104。处理室可以由绝缘材料和导电材料的组合形成。环形等离子体源100包括至少某种绝缘材料，使得RF功率可以通过室的壁面耦合到等离子体。处理室104的内壁可以具有弯曲的表面。磁芯106围绕环形形状的等离子体容器102的一部分。电源108具有电连接到磁芯106的初级绕组的输出。在一些实施例中，同样可以期望将磁芯108放置于真空室自身内，在那里它可以围绕等离子体回路的一段。在各种实施例中，如下所述，惰性和工艺气体在任意数量的位置引入。RF电源108用来向磁芯106通电，磁芯106又使得电场耦合到环形形状的等离子体容器102中以形成等离子体放电。
在一种实施例中，第二磁芯106’围绕环形形状的等离子体容器102的一部分。在一些实施例中，同样可以期望让第二磁芯106’放置于环形形状的等离子体容器102内，在那里它可以围绕等离子体回路的一段。在一些实施例中，RF电源108具有连接到第二磁芯106’的初级绕组的第二输出。然而，在图1中所示的实施例中，第二RF电源108’具有电连接到第二磁芯106’的初级绕组的输出。第二RF电源108’用来向第二磁芯106’通电，第二磁芯106’又使得第二电场耦合到等离子体放电中。在各种其他实施例中，可以取决于特定的源设计的几何结构，使用任意数量的磁芯和任意数量的电源。多芯和多电源允许根据特定的源几何结构来调整沿着等离子体回路的电压以及递送至等离子体的总功率。
在根据本教导的装置的各种配置中，惰性和工艺气体在环形形状的等离子体容器102中的一个气体输入口或者多个气体输入点引入。如在本文中定义的气体输入口可以是任何类型的气体输入口，诸如单个或者多个孔眼(aperture)，单个或者多个狭缝，或者喷头输入口。在图1中所示的实施例中，环形等离子体源100包括第一气体输入口110、第二气体输入口110’和第三气体输入口110”。
气体由于各种原因在等离子体室100中的多个气体输入口引入，这取决于所使用的特定工艺。通常，使用多个气体输入口提供沿着等离子体回路的不同段物理地分离活性和稀有气体物种的能力。在本文中所使用的术语“活性气体”和“反应气体”指作为工艺化学的部分的气体。相反地，稀有气体，诸如氩，主要用来帮助保持等离子体放电，虽然在一些工艺中，它们可以在活性气体的解离过程中起作用。
例如，氩气可以在一个位置引入，因为与其他气体相比较，使用氩产生并保持等离子体放电需要较少的功率和较低的电压。氩气也是化学惰性的，使得与暴露于氢和其他活性气体的等离子体室的部分相比较，暴露于氩放电的等离子体室的部分将需要较不复杂并且较不昂贵的材料和构造。
例如，如图1中所示，在一种配置中，正在处理室104中处理的工件112放置于到真空泵的出口114附近。在各种其他配置中，正在处理的工件112从出口114处移开。使用氩气的许多实施例在远离工件112的点引入氩气，而氢气、惰性气体和其他工艺气体在更靠近工件112的地方引入。这种配置将导致在工件112附近耗散更多的功率，在这种情况下这是需要的，以便将原子氢提供到工件112表面。
计算指示，显著的气体分离将在大范围的气流和压力下发生。例如，对于200sccm或者更大的惰性气体(诸如在根据本教导的一些方法中使用的氩气)流速、200sccm或者更小的氢流速以及大约10托的压力，将沿着等离子体回路发生显著的气体分离。在各种设计中，包括附加的泵送通道和气体输入口以便在处理室104中提供期望量的气体分离。在根据本教导的一些装置和方法中，操作等离子体源100使得工艺气体的分压在1托至几个100托的压力范围内。然而，应当理解，本文所描述的本教导不限定于具体的气体和具体的压力范围。
在多个气体输入口引入气体的另一个原因是提供期望的气体流模式。在多个气体输入口引入气体的再一个原因是针对特定的参数优化流模式。例如，可以使用具有变化大小和/或间隔模式的多个气体输入口为了特定的处理结果实现期望的流模式或者优化气体的流动。优化后的流动可以在固定基板和转动基板二者上增强均匀度。
在各种实施例中，工件112可以部分地或者完全地沉浸在等离子体中或者邻近等离子体而放置。在一些实施例中，工件112被引入到环形等离子体区内，很靠近等离子体热芯，在那里工件接收到足够通量的原子氢，以沉积高质量的膜。在一种具体的实施例中，工件112距离等离子体热芯小于5cm。在该实施例中，从等离子体热芯到工件表面的典型距离在大约0.1mm至5cm的范围内。
在根据本教导的各种方法中，RF电源108的频率一般为大约60Hz与100MHz之间。然而，各种因素，包括对电源的实际限制、最小化总体***成本的期望以及磁芯的重量，会将许多实施例中的实际频率范围限定于大约20kHz与14MHz之间。该频率范围同样是使从电源108到等离子体的功率转换最大化，同时避免电容耦合所期望的。
结合图1所描述的环形等离子体源100的一个特征是：微波腔并非是形成等离子体所必需的。微波腔具有许多缺点，诸如，它们的形成电弧放电的趋势。而且，实际上，与形成等离子体放电的其他手段相比，微波腔具有十分有限的工艺参数空间，并且在工件112能够放置的位置方面受到非常大的限制。微波腔还提供范围有限的机会来将等离子体的形状裁剪成可能是特定工件类型所期望的形状。
结合图1所描述的环形等离子体源100的另一个特征是：针对等离子体负载来主动微调电源108或者使其与等离子体负载匹配一般不需要，这可降低复杂度和成本。然而，在某些情况下，微调或匹配是所期望的。环形等离子体源100的又一个特征是：与见于微波源或更常规的RF等离子体源中的那些相比较，器件内部的电场和电压是小的。相对低的电场和电压会提高可靠性并且减少对暴露于等离子体环境的内表面的腐蚀以及对于工件表面的损害。
结合用于沉积金刚石和类金刚石物质的装置和方法描述本教导的许多方面。然而，应当理解，本教导不限定于沉积金刚石和类似材料。本教导的环形等离子体装置的许多其他实施例可以用于蚀刻或者清洁工件表面。蚀刻或者清洁可以通过使工件暴露于在等离子体放电中产生的带电物种和/或通过使工件暴露于在等离子体放电中产生的反应中性物种来完成。
在本教导的环形等离子体装置的其他实施例中，它被配置为反应气体源。在这些实施例中，配置并且操作等离子体源使得主要是不带电的反应气体物种到达工件表面。在本教导的环形等离子体源的再其他实施例中，环形等离子体源被配置为沉积和/或蚀刻基于卷对卷网幅(roll-to-roll web)的工件。
在当前使用的许多已知金刚石沉积***中，含碳气体在与正在处理的工件相距显著距离的位置引入到处理室中。在这些已知的***中，含碳气体在引入氢气的相同点引入到处理室中。在这些配置中，处理室中的等离子体解离或者激活氢气和含碳气体二者，以及正在使用的任何其他气体。然而，用于解离的最佳等离子体条件和最佳位置对于各种物种不同。
例如，氢分子紧密键合并且需要高的气体温度来维持期望的解离度。因为工件表面处高通量的原子氢是高质量金刚石材料的高生长速率的必要条件，分子氢经过热的等离子体区从而有效地解离是必要的。或者通过与表面碰撞或者在气相中碰撞而复合回到分子氢的原子氢将循环回来通过处理，而对室或者沉积处理没有负面影响。
用于有效地解离并且利用诸如甲烷这样的含碳气体的条件不同。较低的等离子体气体温度可以是有利的，因为甲烷分子于是将没有充分地解离，这对于处理可以是有利的。另外，当甲烷冲击室表面时部分或者充分解离的甲烷可以使得某种碳材料沉积在室表面上。碳沉积可以导致由剥落材料引起的工件的污染。
本教导的一个方面是在沉积发生的工件附近引入诸如甲烷这样的含碳气体提供许多优点的实现。使用这种配置，甲烷将在工件表面与等离子体热芯之间的区域中解离，在那里等离子体气体温度对于那个目的是最佳的。在这些条件下，碳原子和含碳物种具有较高的概率首先冲击工件表面，在那里它们将加入到沉积处理，而不是冲击室表面而在那里它们将留下可以导致污染的不期望的沉积。更一般地，本教导的方法在***内各种位置引入工艺气体，以便改进或者优化沉积条件并且减少或者最小化反应器的壁面上的不期望的沉积。这些方法的优点已经通过多个沉积实验而论证，在沉积实验中，测量沉积速率(经由膜厚度测量和质量增加测量)，测量膜质量(经由拉曼光谱学、光学显微镜和电子显微镜)，并且测量沉积之后的室洁净度(经由光学检查)。
含碳气体引入的位置与工件的最佳距离取决于工件的大小和处理条件。例如，对于10-200托的操作压力和0.3cm至1cm的工件大小，应当引入含碳气体的位置与工件的边缘的最佳距离在0.1cm至5cm的范围内。
在根据本教导的装置的一些配置中，真空泵送流模式影响碳和氢的解离物种到达工件表面的方式。可以使用被设计使得解离的碳物种扫过工件表面的真空泵送模式以增强在工件表面附近引入气体的效果。
注意，在根据本教导的一些方法中，在工件附近引入除了含碳气体之外的气体可能是期望的。例如，在各种实施例中，氢气流的全部或者一些可以与甲烷一起在工件附近引入。而且，除了在工件表面附近引入甲烷之外，甲烷的一些可以在一个或多个点引入到室内。而且，一些量的氩或者其他惰性气体可以在工件表面附近引入以实现各种处理目标。在一些实施例中，全部甲烷可以远离工件表面附近而引入，以便实现特定的处理目标或者允许装置的简化。
本教导的另一方面是允许在沉积金刚石材料时有效地使用更多的反应气体的特定环形等离子体***设计和配置。更具体地，根据本教导的环形等离子体***的一些实施例包括用于环形等离子体沉积***的工件夹具设计，其具有用于限制和指引等离子体的形状和材料成分。与现有技术的工件夹具相比较，这些工件夹具设计提供下面的一个或多个特征：(1)更高的沉积速率；(2)所沉积的更高质量的材料；(3)跨越个体工件的沉积的提高的均匀度；(4)多个工件之间的沉积的提高的均匀度；(5)输入气体的更高利用率；以及(6)更加洁净的处理室。
图2A例示本教导的环形等离子体沉积***200的横截面视图的实施例，环形等离子体沉积***200包括作为环形形状结构的部分的处理室202。图2B例示图2A中所示的环形等离子体沉积***的截面的近视图。等离子体回路204如所示进入处理室202，流入或者流出页面。工件夹具206放置于处理室202内部。
在根据本教导的一些实施例中，工件夹具206具有固定工件的特征。在其他实施例中，工件夹具206通过摩擦力或者重力夹持工件或者被设计为让热粘合剂将工件附接到工件夹具。在再其他实施例中，相对于正表面，在工件的背表面提供减少的气体压力以提供将工件夹持在适当位置的足够的力。另外，在一些实施例中，工件夹具被设计为金刚石或者某种其他材料将沉积在其处的工件本身。这些特征将允许在沉积处理期间与所沉积材料的质量、工艺控制、生产量、处理速率以及总体处理室的洁净度有关的许多优点。
本教导的环形等离子体沉积***的一个方面在于，在一些实施例中，它包括等离子体引导结构，确定等离子体引导结构的形状和尺寸以便将等离子体的一段约束在环形等离子体回路中从而基本上垂直于至少一个面的法向而行进。在一些具体的实施例中，等离子体引导结构是工件夹具本身。然而，在许多其他实施例中，等离子体引导结构与工件物理地分离。在一些实施例中，工件夹具可以放置于等离子体引导结构上，但是也可以在操作期间独立于等离子体引导结构而平移。
虽然在本文中结合工件夹具206描述等离子体引导结构的许多方面，但是本领域技术人员将领会到，本教导不限定于工件本身作为等离子体引导结构的具体实施例。
本教导的一个方面在于工件夹具本身可以引导在环形等离子体回路中行进的等离子体的一段。例如，工件夹具的形状引导经过工件夹具的等离子体的一段，使得等离子体的一段在垂直于工件夹具的面的法向的基本上直线上传播。在一种实施例中，引导等离子体的工件夹具206的形状是这样的，即面向等离子体的所有表面与等离子体的中心线203近似等距，使得等离子体将保持居中。
已经确定，如果从等离子体的中心线203到任何表面的距离不显著变化，那么圆柱形工件夹具可以对于许多应用提供充分的等离子体引导。在实践中，这种几何结构难以实现，因为难以将样品安装在弯曲的表面上。如此，图2A和2B例示提供良好性能的六边形形状的工件夹具206。六边形的面对于等离子体表现出平坦或者几乎平坦的表面。这些平坦或者几乎平坦的表面允许容易的样品安装并且提供良好的性能。本领域技术人员将领会到，可以使用许多其他几何结构。
本教导的等离子体处理装置的一个方面在于等离子体的线路由确定形状以引导等离子体的工件夹具部分地或者完全地围绕。这样，工件夹具本身引导等离子体。在这种配置中，与常规微波反应器相比较，可以利用更大比例的等离子体，因此提供提高的效率。等离子体处理装置的一个重要参数是工件夹具的边缘与等离子体之间的距离。如果等离子体太过接近工件夹具的表面，那么等离子体可能不能点火，或者即使它确定点火，它可能变得不稳定或者损失到工件夹具的那些表面的大量热能。如果工件夹具的表面距离等离子体太远，那么等离子体将不相互作用，并且因此不由那些表面引导，导致等离子体游走。例如，在已知具有良好性能的一些特定实施例中，从等离子体204的中心线203绘制的法线到工件夹具206的每个面的距离在0.5cm与2.5cm之间，并且在一个特定实施例中，为近似1.0cm。
通常，等离子体204的形状部分地取决于等离子体操作压力。在相对低的操作压力下，等离子体204相对大，这需要更远距离的引导结构。在相对高的操作压力下，等离子体204相对狭窄，这需要更近距离的引导结构。
工件夹具206可以是单个结构或者可以分段成两个或者多个段。例如，在图2A和2B中例示的实施例中，工件夹具206分段成第一段208和第二段210。第一段208和第二段210可以是相等的半个段。在各种实施例中，工件夹具206的任意一个或者全部两个段208，210本身也可以用作工件，并且诸如金刚石材料这样的沉积材料直接沉积在工件夹具上。例如，本领域中众所周知的，多晶金刚石可以直接沉积在钼上。因此，钼夹具可以服务双重目的，引导并且包含等离子体以及也充当多晶金刚石材料的沉积的基板。在各种实施例中，工件夹具206的任意一个或者全部两个段208、210可以夹持工件或者不夹持工件。
在图2A和2B中所示的实施例中，工件夹具206包括两个段208、210，它们是大致相等的半个段。工件夹具206的两个段208、210的每个可以由相同或者不同的材料形成。在各种其他实施例中，利用多于两个不同材料件构成工件夹具206。例如，在下面的示例中进一步描述的一种实施例中，一个工件夹具段208由铜形成，并且另一个工件夹具段210由钼形成。
用来形成工件夹具的特定材料对于一些应用是重要的。例如，在一些应用中，热负载非常高。因此，或者形成工件夹具的材料必须具有高的热导率，或者它必须能够适应高温长达必需的处理时间，或者二者。适合于这些应用的具有相对高的热导率的材料的示例是铜、镍、铝和氮化铝。可以忍受高的处理温度长达必需的处理时间的材料的示例是各种耐熔金属，诸如钼和钨以及它们的合金；专业高温金属合金(超级合金)；并且对于一些处理，氧化铝或者氮化铝。对于高温应用，材料也需要能够承受显著的温度引发的应力。在一些实施例中，如结合图7描述的，工件夹具上的热负载通过邻近工件夹具的背部、侧面或者内部放置冷却元件或者放置冷却元件与工件夹具的背部、侧面或者内部热连通来管理。
另外，形成工件夹具的材料必须能够承受期望的工艺化学。对于金刚石沉积，形成工件夹具的材料必须能够承受典型地700℃-1200℃的高温，以及特别地在这些高温下攻击许多材料的氢化学。例如，作为用来支撑工件进行等离子体处理的常见材料的氧化铝，当在高温下操作并且暴露于原子氢时，可能不适合。在这些条件下，原子氢将易于从表面剥夺氧。钼、钨、钼和钨的各种合金、铜以及氮化铝由于它们的耐热和耐化学性质在这些条件下更加适合。其他材料，诸如硅也是适合的。当工件夹具也是工件本身时使用硅。对于根据本教导的一些方法，可以使用不锈钢、镍以及各种金属的合金。虽然这些材料都适合于高温操作，同样有可能在较低温度的操作中利用它们。
对于期望工件夹具206在比用于沉积金刚石材料的温度低得多的较低温度下操作的应用，可以使用其他材料，诸如铜、铝和镍以及这些材料的合金。诸如铜和铝这样的金属材料具有它们具有高热导率的优点，所以可以容易地提取来自等离子体的热量。另外，这些材料可以用比陶瓷或者耐熔金属低的成本容易地机加工或者形成为各种形状。在这些示例性材料的任意一种中，可能期望使用提供化学相容性或者抑制等离子体形成电弧到达工件夹具的绝缘材料涂覆工件夹具。
在下面的示例中，工件夹具段208由铜形成，并且另一个工件夹具段210由钼形成。选择围绕等离子体204的线路的铜工件夹具段208装配的形状和尺寸以约束等离子体204使得它在期望的路径上行进通过室202，进入图2A的页面，并且也同时允许工件上金刚石材料的高效沉积。在一些实施例中，选择围绕等离子体204的线路的铜工件夹具段208装配的形状和尺寸以约束等离子体204使得它在基本上直线上行进通过室202。本领域技术人员将领会到，本教导不限定于使用工件夹具约束等离子体。在其他实施例中，使用可以与工件夹具一起工作或者独立于工件夹具工作的其他结构来约束等离子体。
在图2A、2B中例示的实施例中，存在形成铜工件夹具段208的三个平坦面212、212’、212”。另外，存在形成钼工件夹具段210的三个平坦面214、214’、214”。在其他实施例中，取决于处理条件以及沉积在其上发生的工件，可以在给定的工件夹具段上采用少至一个，或者多于三个平坦面。这些多个平坦面本身可以是单个工件夹具元件的部分，或者它们可以每个是单独的物理元件，一起形成工件夹具。
在其他实施例中，工件夹具206的面是圆形表面。在另外的其他实施例中，工件夹具206的面具有管状形状的面。铜工件夹具段208装配的外部部分可以包括观察口，光学高温计(optical pyrometer)可以通过观察口测量工件以及工件夹具的温度。
在图2A和2B中例示的工件夹具206的钼工件夹具段210也具有选择为约束等离子体204在直线上行进同时允许工件216表面上金刚石的高效沉积的形状。在一些实施例中，工件216安装到机加工到工件夹具206中的凹陷中。在其他实施例中，工件直接安装在工件夹具206的表面上。可以通过使用诸如夹子这样的机械设备而通过重力固定工件216，或者通过使用高温粘合材料固定工件216来将工件216保持在适当位置。
在一些实施例中，热绝缘材料放置于工件216与工件夹具206之间。这种配置允许工件216在沉积处理期间变得比工件夹具206更热。在一些实施例中，高温粘合材料放置于工件216与工件夹具206之间，以改进由等离子体处理而产生的热能的热传递。高温粘合材料允许更高通量的原子氢与工件216表面相互作用，同时将工件216表面维持在期望的或者最佳的温度。高温粘合材料也导致跨越工件216表面的温度梯度的减小，从而提供更好的沉积均匀度。
本教导的一个方面在于工件夹具几何结构包括允许测量仪表的接入的特征。图3A例示根据本教导由铜制成的工件夹具段300的实施例。工件夹具段300包括观察口302、304。观察口302、304允许光学高温计测量***接收来自处理室的辐射以提供工件和工件夹具的温度读数。在各种实施例中，观察口302、304具有各种大小和位置。然而，应当理解，在一些实施例中，在工件夹具上存在一个观察口或者不存在观察口。观察口302、304可以用于其他诊断目的，诸如测量沉积速率、样品厚度、样品质量和等离子体光学特性。
本教导的一个特征在于可以选择工件夹具几何结构以包括支持用于各种流体，包括工艺气体和冷却流体的隧通的各种特征。图3B例示根据本教导由耐熔金属形成的工件夹具段320的实施例的顶部透视图。例如，工件夹具段320可以由钼形成。工件夹具段320包括位于工件安装在其处的凹陷区域324、326附近的气体引入孔眼322。可以特别地设计凹陷区域324、326用于支撑具有特定尺寸的工件。而且，可以选择凹陷区域324、326的高度以遮蔽工件的边缘不受到多余的沉积和/或提供用于沉积的更加均匀的环境。
可以通过在工件夹具段320的内部循环流体或者气体直接地冷却工件夹具段320。也可以通过放置散热器(heat sink)或者其他温度控制结构与工件夹具段320亲密或者紧密物理接触使得它与工件夹具段320热连通来冷却工件夹具段320。如结合图7描述的，可以使用可调节的工作台控制冷却元件相对于工件的位置，以便精确地控制工件的温度。
在一些实施例中，工件夹具包括在沉积期间拉动工件的拉晶机制。这种拉晶机制对于生长金刚石特别有用。在一种操作方法中，使用拉晶机制在生长期间始终保持生长表面处于基本上相同的位置或者特定的位置。
图3C例示在图3B中所示的工件夹具段320的底部视图。图3C示出工件夹具段320的背面。气体在工件夹具段320的背面引入到集气室(gas plenum)328。气体扩散遍及集气室328并且通过通向工件夹具段320的正面的孔眼330。这样，集气室328允许气体通过多个孔眼330而均匀地分布，孔眼330通向工件安装在其处的夹具段320的正表面。
图3C中所示的工件夹具段320可以安装在流体冷却的温度控制器，诸如水冷的铜夹具上，流体冷却的温度控制器提供对形成工件夹具段320的钼或者其他材料的冷却。冷却的程度可以以许多不同的方式改变。例如，可以通过在钼件与铜之间使用高温间隔垫片(shim)改变冷却的程度。此外，可以通过更改钼上的背面接触面积来改变冷却的程度。此外，可以通过更改铜上的正面接触面积来改变冷却的程度。另外，可以通过对钼形成纹理或者通过对钼增加涂层改变钼的背面的放射率，来改变冷却的程度。也可以通过在工件夹具内个体工件附近添加或者移除材料在工件夹具段320内局部地微调冷却的程度。在一些实施例中，所添加的材料具有不同的热导率和/或不同的热膨胀系数。也可以通过改变钼的背面与铜的正面之间的气体压力来控制冷却的程度。
图4例示具有均由诸如钼这样的耐熔金属形成的两个二等分工件夹具402、404的配置中环形等离子体沉积***400的横截面视图。为了例示本教导的特征，处理室本身被切除并且没有在图4中示出。顶部的工件夹具段402包括观察口，从工件(未示出)和工件夹具段404放射的电磁辐射406可以经过观察口。在这种实施例中，观察口是工件夹具段402的结构的部分。在该特定配置中，在底部工件夹具段404上不存在观察口。辐射406经过环形等离子体沉积***400的顶部上的开口408并且然后进入用来监控工件和/或工件夹具温度的高温计(未示出)的视野中。在一些配置中，同样可以期望使用基于纤维的温度测量，并且放置纤维的末端接近正在测量的样品的背面。
在一些实施例中，支撑工件的工件夹具的部分附接到手动工作台。在其他实施例中，支撑工件的工件夹具的部分附接到自动工作台。在这些实施例中，可以在处理期间以开放回路或者闭合回路反馈模式使用自动工作台以实现某些处理目标。类似地，工件本身可以附接到手动工作台或者自动工作台。在许多实施例中，在生长期间拉动工件夹具或者工件本身远离不会明显地改变呈现给等离子体的引导结构的几何结构。
在根据本教导的一种方法中，自动工作台被配置为以近似工件的生长速率缩进支撑工件的工件夹具的部分或者工件本身。而且，在根据本教导的一种方法中，自动工作台被配置为以使得在处理期间控制工件的温度的方式来移动支撑工件的工件夹具的部分或者工件本身。
本教导的一个特征在于工艺气体可以非常接近工件而引入。图5A例示本教导的工件夹具500的实施例的正面。工件夹具500包括接近用来固定工件的凹陷504的孔眼502。孔眼502在处理期间非常接近工件而指引工艺气体。
图5B例示本教导的工件夹具500的实施例的背面。集气室506在通向工件夹具500的正面的孔眼502之间分布工艺气体。对于一些具体的应用，可能期望使用具有正面气体分布的平坦工件夹具结合本身可能也是平坦的相对元件。在其他应用中，可能期望使用具有正面气体分布的平坦工件夹具结合可以被构造以便帮助维持等离子体定向性的相对元件。
图6例示根据本教导包括用于夹持工件的个体支柱的工件夹具600的实施例。该工件夹具可以安装到结合图2A和2B描述的工件夹具段210的面。在一些实施例中，工件夹具600包括用于固定个体工件的支柱602。支柱602并不限定于矩形和圆柱形形状的支柱。支柱602可以具有各种大小和形状。支柱602的一些或者全部可以具有供给到它们的工艺气体。将工艺气体提供到支柱602将允许对于每个样品的高度一致的环境，同时保持沉积气体远离处理室的其他部分。在一些实施例中，支柱602包括用于附加支撑工件的凹陷。工件夹具600的尺寸取决于处理室的尺寸。在一个示例中，沿着等离子体的轴的处理室的长度为大约15cm长，并且工件夹具的长度为大约10cm。
图7例示根据本教导用来控制冷却元件702、工件夹具704和等离子体引导元件的相对位置以实现各种处理目标的平移工作台700。在一些操作方法中，使用平移工作台700控制冷却元件702相对于工件夹具704的位置以便精确地控制工件的温度。配置平移工作台700使得冷却元件702和工件夹具704可以一起或者独立地移动以实现各种处理目标。在根据本教导的各种方法中，调整冷却元件702相对于工件夹具704的位置以将工件夹具704的温度控制为期望的操作温度。温度控制由在室中在热的工件夹具704与冷却元件之间移动的气体而发生的辐射热传递和对流热传递的组合实现。在一些实施例中，手动地调整冷却元件702的位置。在其他实施例中，经由以反馈回路控制的自动工作台调整冷却元件702的位置，其将样品的温度和样品夹具的温度的一个或者全部两个控制为期望的温度。
在本教导的一种实施例中，平移工作台700执行拉晶机的功能，因为它被配置为在生长期间移动工件夹具704以帮助生长处理。在根据本教导的一些方法中，工件夹具704以近似单晶金刚石的生长速率平移。此外，在根据本教导的一些方法中，平移工件夹具704，使得工件上的生长表面在生长的至少一部分期间处于基本上相同的位置。在这些方法中，冷却元件702可以连同工件夹具704一起平移，可以相对于工件夹具704保持静止，或者可以以相对于工件夹具704的不同速率移动，以便实现各种处理目标。
在生长期间使用平移工作台700移动工件便于相对大的高质量单晶金刚石结构的生长，单晶金刚石结构可以在任何维度上大于1.5厘米。因此，本教导的一个特征在于平移工作台700与在本文描述的环形等离子体处理装置配置的组合提供生长处理中的显著灵活性，这对于诸如微波等离子体装置这样的其他已知装置是不可能的。
图8例示用于本教导的等离子体处理装置的工件夹具装配800的实施例，工件夹具装配800具有单独的等离子体引导结构802和耦合到结合图7描述的平移工作台806的工件夹具804。工件夹具804支撑工件808用于生长。在图8中所示的工件夹具装配800的配置中，工件夹具804配装在等离子体引导结构802中的插槽内，使得它可以由平移工作台806自由地放置。
确定等离子体引导结构802的形状以在期望的路径上引导等离子体。等离子体引导结构802可以形成为连续的件或者可以形成为多个分段的件。在各种实施例中，等离子体引导结构802以多个半圆段、多个圆形段或者一个或多个短的圆柱形段的形状形成。确定这些结构的尺寸足够长并且在一起间隔足够近使得足够限制等离子体以防止它在环形形状的等离子体容器中显著远离期望路径而移动。
可以以各种方式配置平移工作台806。例如，平移工作台可以被配置为相对于固定的等离子体引导结构802移动工件夹具804。平移工作台806也可以被配置为独立地移动工件夹具804和等离子体引导结构802。另外，平移工作台806可以被配置为一起或者独立地移动等离子体引导结构802、工件夹具804和冷却元件702(图7)中的任何一个。
因此，在各种实施例中，根据本教导的等离子体引导结构和工件夹具具有几个期望的特征。确定等离子体引导结构的形状使得它改进或者优化等离子体的形状以及原子氢到安装在工件夹具上的工件的表面的递送的二者之一或者全部二者。工件夹具在非常接近工件表面的位置引入含碳气体。取决于应用，这些特征可以在各种实施例中单独地或者一起提供。而且，在本教导的环形等离子体沉积***的一些实施例中，构造工件夹具以便另外地用作真空壁面。
等效形式
虽然申请人的教导结合各种实施例进行了描述，但并不意味着申请人的教导要限定于这种实施例。相反，申请人的教导涵盖各种替代方案、修改及等效形式，如同本领域技术人员所应当了解的，这些可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下于此进行。

Claims (54)

1.一种等离子体处理装置，包括：
a)包括处理室的环形形状的等离子体容器；
b)围绕所述环形形状的等离子体容器的一部分的磁芯；
c)具有电连接到所述磁芯的输出的RF电源，所述RF电源向所述磁芯通电，由此在所述环形形状的等离子体容器中形成环形等离子体回路放电；
d)工件夹具，包括在生长期间支撑工件的至少一个面；以及
e)等离子体引导结构，所述等离子体引导结构的形状和尺寸被确定为使得将等离子体的一段约束在所述环形等离子体回路放电中，以便基本上垂直于在生长期间支撑工件的所述至少一个面的法向而行进。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具形成为大致圆柱形形状。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具形成为大致六边形形状。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体引导结构的形状和尺寸被形成为使得暴露于等离子体的工件表面与等离子体的中心线近似等距。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中从等离子体的中心线到支撑工件的所述至少一个面的距离近似在0.5cm与2.5cm之间。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中从等离子体的中心线到支撑工件的所述至少一个面的距离近似为1.0cm。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具由选自钼、钼的合金、铜、铝、镍、不锈钢、包含镍的合金、钨、包含钨的合金、氮化铝和氧化铝中的材料形成。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具包括用于支撑工件进行等离子体处理的凹陷部分。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中在生长期间支撑工件的所述至少一个面包括至少一个平坦面。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中在生长期间支撑工件的所述至少一个面包括至少一个圆形面。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中在生长期间支撑工件的所述至少一个面包括至少一个管状形状的面。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的外部部分包括观察口。
13.根据权利要求12所述的等离子体处理装置，还包括光学地耦合到所述观察口的光学高温计。
14.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，还包括放置于所述工件夹具上用于抑制等离子体对所述工件夹具形成电弧的电绝缘材料。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具还包括至少一个气体引入孔眼。
16.根据权利要求15所述的等离子体处理装置，其中所述至少一个气体引入孔眼放置于所述工件夹具的表面上至少一个样品安装位置附近。
17.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，还包括附接到所述工件夹具的流体冷却的温度控制器。
18.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，还包括围绕所述环形形状的等离子体容器的第二磁芯。
19.根据权利要求18所述的等离子体处理装置，其中所述RF电源具有电连接到所述第二磁芯的第二输出。
20.根据权利要求18所述的等离子体处理装置，还包括具有电连接到所述第二磁芯的输出的第二RF电源，所述第二RF电源向所述第二磁芯通电。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件夹具包括用于固定个体工件的至少一个支柱。
22.根据权利要求21所述的方法，其中工艺气体在所述至少一个支柱附近供应。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件夹具还包括在沉积期间平移工件的拉晶机。
24.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具和所述等离子体引导结构是同一结构。
25.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具和所述等离子体引导结构是物理上分开的结构。
26.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体引导结构被放置成改进原子氢到工件表面的递送。
27.一种等离子体处理装置，包括：
a)包括处理室的环形形状的等离子体容器；
b)围绕所述环形形状的等离子体容器的一部分的磁芯；
c)具有电连接到所述磁芯的输出的RF电源，所述RF电源向所述磁芯通电，由此在所述环形形状的等离子体容器中形成环形等离子体回路放电；以及
d)工件夹具，包括第一段和第二段，每个段包括至少一个面，所述工件夹具的形状和尺寸被确定为使得将等离子体的一段约束在所述环形等离子体回路放电中，以便基本上垂直于所述至少一个面的法面而行进。
28.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段包括第一半个工件夹具，并且所述工件夹具的第二段包括第二半个工件夹具。
29.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段由第一材料形成并且第二段由不同于第一材料的第二材料形成。
30.根据权利要求28所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段中的至少一个由耐熔金属形成。
31.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段形成为大致圆柱形形状。
32.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段形成为大致六边形形状。
33.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段的形状和尺寸被形成为使得暴露于等离子体的表面与等离子体的中心线近似等距。
34.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中从等离子体的中心线到所述工件夹具的第一段和第二段的所述至少一个面的距离近似在0.5cm与2.5cm之间。
35.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中从等离子体的中心线到所述工件夹具的第一段和第二段的所述至少一个面的距离近似为1.0cm。
36.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具包括用于支撑工件进行等离子体处理的凹陷部分。
37.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段上的所述至少一个面包括至少一个平坦面。
38.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段的所述至少一个面包括至少一个圆形面。
39.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具的第一段和第二段的所述至少一个面包括至少一个管状形状的面。
40.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，其中所述工件夹具还包括在第一段和第二段中的至少一个上的至少一个气体引入孔眼。
41.根据权利要求40所述的等离子体处理装置，其中所述气体引入孔眼中的至少一些放置于所述工件夹具的表面上的凹陷附近。
42.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，还包括放置于所述工件夹具的第一段和第二段之间的高温间隔垫片。
43.根据权利要求27所述的等离子体处理装置，还包括围绕所述环形形状的等离子体容器的第二磁芯。
44.根据权利要求43所述的等离子体处理装置，其中所述RF电源具有电连接到所述第二磁芯的第二输出。
45.根据权利要求43所述的等离子体处理装置，还包括具有电连接到所述第二磁芯的输出的第二RF电源，所述第二RF电源向所述第二磁芯通电。
46.一种用于生长单晶金刚石材料的方法，该方法包括：
a)提供包括处理室的环形形状的等离子体容器；
b)围绕所述环形形状的等离子体容器的一部分放置磁芯；
c)使用RF辐射向所述磁芯通电，由此在所述环形形状的等离子体容器中形成环形等离子体回路放电；
d)提供工件夹具，所述工件夹具包括在生长期间支撑工件的至少一个面；
e)提供等离子体引导结构，所述等离子体引导结构的形状和尺寸被确定为使得将等离子体的一段约束在环形等离子体回路中，以基本上垂直于在生长期间支撑工件的所述至少一个面的法向而行进；以及
f)在所述工件上生长单晶金刚石材料。
47.根据权利要求46所述的方法，还包括在生长期间平移所述工件夹具。
48.根据权利要求47所述的方法，其中在生长期间平移所述工件夹具的速率近似等于所述单晶金刚石的生长速率。
49.根据权利要求46所述的方法，还包括平移所述工件夹具使得工件上的生长表面在生长期间处于基本上相同的位置。
50.根据权利要求46所述的方法，还包括在至少一个位置引入工艺气体到所述处理室中。
51.根据权利要求50所述的方法，其中选择所述至少一个位置以改进沉积条件。
52.根据权利要求50所述的方法，其中选择所述至少一个位置以减少所述处理室的壁面上的不期望的沉积。
53.根据权利要求46所述的方法，还包括邻近所述工件夹具放置冷却元件以将所述工件的温度控制为期望的操作温度。
54.根据权利要求46所述的方法，其中在所述工件上生长所述单晶金刚石材料包括生长所述单晶金刚石材料至大于1.5厘米的尺寸。
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