JP5525111B2 - 合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器 - Google Patents

合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器 Download PDF

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Description

本発明は、化学気相成長技術を利用して合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器に関する。
合成ダイヤモンド（人造ダイヤモンド又は人工ダイヤモンドとも称される）材料を製造する化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）法が当該技術分野において今や周知である。ダイヤモンド材料の化学気相成長に関する有用な背景技術情報がジャーナル・オブ・フィジックス（Journal of Physics）の特集号、即ち、ダイヤモンド関連技術を特集したコンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号（２００９）に見受けられる。例えば、アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.）による書評記事は、ＣＶＤダイヤモンド材料、技術及び用途に関する包括的な概要を与えている（これについては、「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１を参照されたい）。
ダイヤモンドが黒鉛と比較して準安定状態にある領域内にある状態で、ＣＶＤ条件下におけるダイヤモンドの合成は、内部熱力学ではなく、表面反応速度論によって規定される。ＣＶＤによるダイヤモンド合成は、通常、典型的にはメタンの形態の僅かなフラクション（典型的には、５％未満）の炭素を用いて実施される。但し、過剰水素分子中において他の炭素含有ガスを利用することができる。水素分子を２０００Ｋを超える温度まで加熱した場合、水素原子への相当な解離が生じる。適当な基板材料の存在下において、ダイヤモンドを析出させることができる。
水素原子は、これが基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにするのでプロセスにとって必要不可欠である。ＣＶＤダイヤモンド成長に必要なラジカルを含む反応性炭素及び水素原子を発生させるためにガス種を含む炭素及び水素分子を加熱する種々の方法が利用可能であり、かかる方法としては、アークジェット、ホットフィラメント、ＤＣアーク、酸素アセチレン炎及びマイクロ波プラズマが挙げられる。
電極を必要とする方法、例えばＤＣアークプラズマは、電極腐食及びダイヤモンド中への物質の混入に起因した欠点を呈する場合がある。燃焼方法には電極腐食に関する問題はないが、燃焼方法は、高品質ダイヤモンド成長と一致したレベルまで精製しなければならない比較的高価な供給ガスを利用する。また、酸素アセチレン混合物を燃焼させた場合であっても、火炎の温度は、ガス流中の相当なフラクションの水素原子を達成するには不十分であり、かかる方法は、程々の成長速度を達成するための局所領域内におけるガスのフラックスの濃縮を利用する。恐らくは、燃焼がバルクダイヤモンド成長のために普及していない主要な理由は、ｋＷｈで表される抽出可能なエネルギーコストである。電気と比較して、高純度アセチレン及び酸素の使用は、熱を発生させる上で費用のかかるやり方である。ホットフィラメント型反応器は、一見すると簡単なように見えるが、制限された量の水素原子を成長面まで比較的効果的に運ぶようにするために必要な低ガス圧力での使用に制限されるという欠点を有する。
上述のことに照らして、マイクロ波プラズマは、電力効率、成長速度、成長面積及び得ることができる生成物の純度の面でＣＶＤダイヤモンド析出を実施する最も効果的な方法であることが判明した。
マイクロ波プラズマ活性化型ＣＶＤダイヤモンド合成システムは、典型的には、原料ガス供給源とマイクロ波電力源の両方に結合されたプラズマ反応器容器を含む。プラズマ反応器容器は、定常マイクロ波を支える空胴共振器を形成するよう構成される。炭素源及び水素分子を含む原料ガスがプラズマ反応器容器内に送り込まれ、かかる原料ガスを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域内にプラズマを生じさせることができる。適当な基板をプラズマに近接して設けると、ラジカルを含む反応性炭素は、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板上に析出可能である。水素原子も又、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにする。
化学気相成長（ＣＶＤ）法によるダイヤモンド膜成長のための考えられるマイクロ波プラズマ反応器群が当該技術分野において知られている。かかる反応器は、多種多様な設計のものである。共通の特徴は、プラズマチャンバ、プラズマチャンバ内に設けられた基板ホルダ、プラズマを生じさせるマイクロ波発生器、マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む結合構造体、プロセスガスをプラズマチャンバ内に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システム及び基板ホルダ上の基板の温度を制御する温度制御システムを含む。
種々の考えられる反応器設計例をまとめて記載したシルヴァ等（Silva et al.）による有益な概要的論文が上述のジャーナル・オブ・フィジックスに記載されている（これについては、「マイクロウェーブ・エンジニアリング・オブ・プラズマ‐アシステッドＣＶＤリアクターズ・フォア・ダイヤモンド・デポジション（Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condens. Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２０２を参照されたい）。この論文の記載から分かることとして、純粋に電磁学的観点からは、３つの主要な設計上の基準、即ち、（ｉ）共振モードの選択、（ｉｉ）結合構造体の選択（電気又は磁気）及び（ｉｉｉ）誘電体窓の選択（形状及び配置場所）がある。
基準ポイント（ｉ）に関し、シルヴァ等により、横磁場（ＴＭ）モード及び特に円筒形ＴＭ0mnモードが最も適していることが突き止められている。この表示では、最初の添え字（この場合、０）は、電場構造が非対称であり、それにより、円形プラズマが生じることを示している。添え字ｍ，ｎは、それぞれ、半径方向及び軸方向における電場中の最小振幅の数を表している。シルヴァ等は、先行技術の反応器では多種多様なモードが用いられていることを示しており、かかるモードとしては、ＴＭ011、ＴＭ012、ＴＭ013、ＴＭ020、ＴＭ022、ＴＭ023及びＴＭ031が挙げられる。
基準ポイント（ｉｉ）に関し、シルヴァ等の記載によれば、アンテナを用いた電場（容量）結合が最も広く用いられており、磁気（誘導）結合が用いられるのは結合できる電力が制限されるので稀であることが分かる。とは言うものの、ＴＭ012モードを支えるために磁気結合を利用するものとして市販のＩＰＬＡＳ反応器が開示されている。
基準ポイント（ｉｉｉ）に関し、シルヴァ等は、電気結合方式と磁気結合方式の両方と関連した必要不可欠な要素が、全体として石英で作られていて電磁場による励起時にプラズマを生成するよう反応ガスが送り込まれる空胴共振器内に減圧ゾーンを画定する誘電体窓であることを記載している。石英窓の使用により、ユーザが単一の電場最大振幅領域（最大電場の）を選択してこの領域内でのみプラズマを点火することができ、プラズマチャンバ内の他の最大電場のところの寄生プラズマの生成を回避することができるということが記載されている。石英窓は、従来通り析出が生じる基板上及び基板に隣接して配置された電場最大振幅周りに配置されたベルジャー（bell-jar）の形態をしている。他の誘電体窓構成例も又開示されている。例えば、ほぼ空胴共振器中間平面のところで反応器チャンバを横切って配置されたプレートの形態をした誘電体窓を含むＡＳＴＥＸ反応器が記載され、他方、第２世代のＡＳＴＥＸ反応器が反応器に良好な電力取り扱い性能を与えるようプラズマに直接さらされない石英管の形態をした誘電体窓を有するものとして記載されている。
加うるに、この論文は、先行技術の反応器チャンバの種々の幾何学的形状を開示しており、かかる幾何学的形状としては、ＴＭ012モードを支えるよう設計された円筒形チャンバ、例えばＭＳＵ反応器、ＴＭ013モードを支えるよう設計されたＡＳＴＥＸ反応器又はＴＭ023モード若しくはＴＭ022モードを支えるＬＩＭＨＰ反応器設計例、楕円形チャンバ、例えばＡＩＸＴＲＯＮ反応器及び他の非円筒形チャンバ、例えばＴＭ011モードを支えるものとされている中央円筒形コンポーネント及びＴＭ021モードを支える側方に延びる側部ローブを有する第２世代ＡＳＴＥＸ反応器が挙げられる。事実、第２世代ＡＳＴＥＸ反応器は、ＴＭ011モードの場合であるチャンバの中央区分の上方部分に最大ＥZ場を１つしか備えていないが、ＴＭ021モードの場合に予測される２つの最大ＥZをその下半分に有する。
特許文献に関し、米国特許第６，６４５，３４３号明細書（発明者：フラウンホッファー（Fraunhofer））は、化学気相成長法によるダイヤモンド膜成長を可能にするよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の一例を開示している。この米国特許明細書に記載された反応器は、円筒形プラズマチャンバを有し、このプラズマチャンバの底部には基板ホルダが取り付けられている。基板ホルダ上の基板の温度を制御する冷却装置が基板ホルダの下に設けられている。さらに、ガス入口及びガス出口がそれぞれプロセスガスを供給したり除去したりするためにプラズマチャンバの底部に設けられている。マイクロ波発生器が高周波同軸ラインによりプラズマチャンバに結合されており、このマイクロ波発生器は、プラズマチャンバの上方に位置するその送り出し端部のところが細分され、プラズマチャンバの周囲のところが石英リングの形態をした本質的にリング形のマイクロ波窓に差し向けられている。米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載された発明は、リング形マイクロ波窓に焦点を当てており、かかる米国特許明細書は、反応器チャンバ内におけるマイクロ波の結合がマイクロ波窓のリング形表面全体にわたって回転対称の仕方で分布されることを開示している。結合が広い表面全体にわたって分布されるので、高い電場強度がマイクロ波窓のところに生じることなく高いマイクロ波電力レベルを結合することができ、かくして窓放電の危険が減少することが教示されている。
米国特許第６，６４５，３４３号明細書
アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.），「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１ シルヴァ等（Silva et al.），「マイクロウェーブ・エンジニアリング・オブ・プラズマ‐アシステッドＣＶＤリアクターズ・フォア・ダイヤモンド・デポジション（Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condens. Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２０２
上述の説明及び本明細書において言及した先行技術に照らして、ＣＶＤダイヤモンド合成分野において、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために大面積基板／ホルダの表面を横切って一様且つ安定性のある大面積プラズマを生じさせることがＣＶＤダイヤモンド合成分野において周知の目的であり、この目的を達成しようとする多種多様なプラズマチャンバ設計例及び電力結合構造体が当該技術分野において提案されていることは明らかであろう。しかしながら、大きなＣＶＤ成長面積、良好な一様性、高い成長速度、良好な再現性、良好な電力効率及び／又は低製造費を提供するために先行技術の構成を改良することが目下の要望である。本発明の或る特定の実施形態の目的は、この目下の要望に応えることにある。
本発明の第１の実施形態によれば、化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、このマイクロ波プラズマ反応器は、
プラズマチャンバと、
プラズマチャンバ内に収納されると共に合成ダイヤモンド材料が使用中に析出させるべき基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムとを含み、
マイクロ波プラズマ反応器は、プラズマチャンバ内で基板ホルダの周りに設けられた導電性プラズマ安定化アニュラス部を更に含むことを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器が提供される。
本発明の第２の実施形態によれば、化学気相成長法を利用して合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、この方法は、
上述のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップを含み、
基板ホルダの支持面上に基板を配置するステップを含み、基板は、成長面を有し、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むステップを含み、
プロセスガスをプラズマチャンバ内に送り込むステップを含み、
合成ダイヤモンド材料を基板の成長面上に形成するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
本発明の良好な理解を得るため且つ本発明をどのように具体化するかを示すために、今、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、かかる実施形態は例示に過ぎない。
本発明の実施形態に従って化学気相成長技術を利用してダイヤモンド膜を析出させるよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 本発明の実施形態に従って構成された変形例としてのマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 本発明の実施形態による別の変形例としてのマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 本発明の実施形態による別の変形例としてのマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。
化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器は、次の基本コンポーネント、即ち、
プラズマチャンバ、
プラズマチャンバ内に収納されると共に合成ダイヤモンド材料が使用中に析出させるべき基板を支持する支持面を備えた基板ホルダ、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体、及び
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムを含む。
プラズマチャンバは、使用中における定常マイクロ波を支える空胴共振器を形成するよう構成されている。炭素源及び水素分子を含む原料ガスをプラズマ反応器容器内に送り込み、そしてこれを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域内にプラズマを生じさせることができる。適当な基板をプラズマに近接して設けると、ラジカルを含む反応性炭素は、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板上に析出可能である。水素原子も又、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにする。
本発明の実施形態は、マイクロ波プラズマ反応器のプラズマチャンバ内で基板ホルダ周りに設けられた導電性プラズマ安定化アニュラス部を用いると、基板ホルダ上に配置された基板に隣接して生じるプラズマを安定化することができ、それにより広い領域にわたって一様な且つ高品質のＣＶＤダイヤモンド成長を達成するために一様な且つ安定性のあるプラズマを広い領域にわたって生じさせることができるという知見に基づいている。「導電性」という用語は、プラズマ安定化アニュラス部の表面の少なくとも大部分、オプションとして全てが導電性材料で作られているということを意味している。「基板ホルダ周りに設けられた」という表現は、プラズマチャンバの中心軸線に沿って下に見た場合であることを意味し、即ち、導電性プラズマ安定化アニュラス部が基板ホルダの上方又は下方の高さのところに位置決めするのが良いということを意味している。
本発明の実施形態は、大きなＣＶＤ成長面積、良好な一様性、高い成長速度、良好な再現性、良好な電力効率及び／又は低製造費を提供することができる。理論に束縛されるものではないが、モデル化により、本発明の或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板の近くに形成される電場を変更し、プラズマ生成が望まれないプラズマチャンバの反対側の端のところの電場に対して基板の上方の電場を増強させる垂直非対称をもたらすことが分かる。
加うるに、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、モードフィルタとしての役目を果たすことができ、それによりプラズマを駆動する電場の安定性及び／又は純度の実現を助ける。しかしながら、良好に設計されたクランプリングは、基板よりも上方の電場に対して僅かな変更を加えるに過ぎない（もしこれが設けられていない場合と比較して設けられている場合に基板よりも上方の電場に対して約＋１０％）。
上述のことに加えて、或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部は又、プラズマの熱的性質を著しく改変することができ、それによりＣＶＤダイヤモンド成長の一様性の向上を助長することができる。
さらに又、或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの側壁に沿って上昇するガス流を遮ることができ、それにより、もしそのように構成されていなければ入口ガス流及び／又はプラズマを非安定化させるチャンバ内のガス同伴及び望ましくない対流を減少させる。
最後に、或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部は又、使用中におけるプラズマを封じ込める物理的バウンダリとしての役目を果たし、プラズマが基板よりも上方の軸方向中央の場所から逸れるのを阻止することができる。
オプションとして、基板ホルダは、プラズマチャンバの端上に配置され、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板ホルダの周りでプラズマチャンバのこの端上又は側壁上に配置される。これらの形態の両方を単独で又は組み合わせて利用すると、基板よりも上方の電場を変更して上述の有利な機能的効果を達成することができる。最も好ましい形態は、或る程度は、プラズマチャンバのサイズ及び幾何学的形状で決まる場合がある。例えば、直径が大きな（例えば、４００ｍｍを超える）プラズマチャンバの場合、端取り付け型アニュラス部は、或る特定の状況では優れた性能を与えることができる。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板ホルダの周りに完全な連続リングを形成する。しかしながら、完全な連続リングを提供しないでも上述の有利な機能的効果を達成することが可能である。例えば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、複数の弧状セグメント及びこれらセグメント相互間の隙間から成っていても良く、複数の弧状セグメントは、基板ホルダの周りに不完全な不連続リングを形成する。かかる不連続リング構造が提供される場合、複数の弧状セグメントは、プラズマ安定化アニュラス部に沿ってその少なくとも３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％にわたって延びることが好ましい。例えば、各々が約２０°を張る２つの対向した隙間によって隔てられた２つの弧状セグメントを有する不連続リング構成が基板の上方の電場について最小電場方向と最大電場方向との間で１％未満の差を与え、かかる隙間によりＣＶＤダイヤモンド成長に関して識別できるほどの非一様性が存在しないということが観察された。確かに、かかる隙間を設けることは、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスを観察させる窓を提供する上で有用であると言える。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの中心軸線に関して対称である。僅かな非対称が存在する場合があるが、大きな非対称により、基板の上方の電場に非対称が生じる場合があり、その結果、基板を横切ってＣＶＤダイヤモンド成長の非一様性が生じる。さらに、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、上述したように連続又は不連続形態を取ることができる。したがって、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、円対称であっても良く、或いはｎ倍回転対称性を有しても良い。
導電性プラズマ安定化アニュラス部は、２つの基本的な形態、即ち、プラズマチャンバの壁からこのチャンバ内に突き出た突出リングの形態又はプラズマチャンバの壁に形成されたリング形凹部、堀又はチャネルの形態を取ることができる。アニュラス部のこれら２つの基本的形態のいずれも、プラズマチャンバの端壁、側壁又はこれら両方に設けることができる。オプションとして、２つ以上の導電性プラズマ安定化アニュラス部を設けることができる。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの直径に対する半径方向幅が１％〜３０％、３％〜２０％、５％〜１５％又は８％〜１２％である。プラズマ安定化アニュラス部の半径方向幅は、プラズマのアニュラス部の作用効果を変更することが判明した。種々の半径方向幅をモデル化して試験した。アニュラス部の半径方向幅を増大させると、プラズマの上方の電場の相対強度が増大し、これが有利であることが判明した。しかしながら、アニュラス部の半径方向幅が大き過ぎるようになった場合、これは、基板の上方の電場を弱めてプラズマチャンバの他の領域の電場を増強させる傾向があり、これは、有害であると言える。例えば、直径が３００ｍｍ〜５００ｍｍのプラズマチャンバの場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、５ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜８０ｍｍ、１０ｍｍ〜５０ｍｍ又は２０ｍｍ〜４０ｍｍの半径方向幅を有するのが良いことが判明した。これらの値は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関して好ましい。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、プラズマチャンバは、６００ｍｍ〜１０００ｍｍの直径を有するのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、１０ｍｍ〜１６５ｍｍ、２０ｍｍ〜１００ｍｍ又は４０ｍｍ〜８０ｍｍの半径方向幅を有するのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、プラズマチャンバは、１００ｍｍ〜２００ｍｍの直径を有するのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、１０ｍｍ〜１６５ｍｍ、２０ｍｍ〜１００ｍｍ又は４０ｍｍ〜８０ｍｍの半径方向幅を有するのが良い。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、プラズマチャンバは、６００ｍｍ〜１０００ｍｍの直径を有し、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、２ｍｍ〜３０ｍｍ、４ｍｍ〜２０ｍｍ又は６ｍｍ〜１５ｍｍの直径を有するのが良い。
上述したのと同一の理由で、オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの直径に対する内径が５０％以上、６０％以上、７０％以上、７５％以上又は８０％以上且つ／或いは９５％以下、９０％以下、８５％以下又は８０％以下であるのが良い。例えば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの直径に対する内径が５０％〜９５％、６０％〜９０％、７０％〜８５％又は７５％〜８０％であるのが良い。使用にあたり、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバ内の可視プラズマの直径に対する内径が１１０％〜２５０％、１２０％〜２００％、１２０％〜１６０％又は１３０％〜１５０％であるのが良い。絶対値で言えば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３００ｍｍ以上、４００ｍｍ以上、４５０ｍｍ以上又は５００ｍｍ以上の内径、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１５０ｍｍ以上、２００ｍｍ以上、２４０ｍｍ以上又は２８０ｍｍ以上の内径、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上、８０ｍｍ以上又は９５ｍｍ以上の内径を有するのが良い。さらに、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、９５０ｍｍ以下、８５０ｍｍ以下、８００ｍｍ以下、７２０ｍｍ以下又は６８０ｍｍ以下の内径、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、４５０ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３５０ｍｍ以下又は３３０ｍｍ以下の内径、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１７０ｍｍ以下、１５０ｍｍ以下、１３０ｍｍ以下又は１２０ｍｍ以下の内径を有するのが良い。
例えば、直径が３００ｍｍ〜５００ｍｍのプラズマチャンバの場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部の内径が１５０ｍｍ〜４００ｍｍ、２００ｍｍ〜３５０ｍｍ又は２４０ｍｍ〜３３０ｍｍであるのが良いことが判明した。これらの値は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関して好ましい。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、プラズマチャンバの直径は、６００ｍｍ〜１０００ｍｍであるのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部の内径は、３００ｍｍ〜８００ｍｍ、４００ｍｍ〜７２０ｍｍ又は５００ｍｍ〜６８０ｍｍであるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、プラズマチャンバの直径は、１００ｍｍ〜２００ｍｍであるのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部の内径は、５０ｍｍ〜１５０ｍｍ、７０ｍｍ〜１３０ｍｍ又は８５ｍｍ〜１２０ｍｍであるのが良い。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの高さに対する軸方向深さが１％〜３０％、２％〜２０％又は５％〜１５％であるのが良い。追加的に又は代替的に、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの２つの電場最大振幅相互間の垂直距離に対する軸方向深さが１％〜３０％、２％〜２０％又は５％〜１５％であるのが良い。導電性プラズマ安定化アニュラス部の軸方向深さは又、プラズマに対するアニュラス部の作用効果を変化させることが判明した。種々の軸方向深さをモデル化して試験した。アニュラス部の軸方向深さを増大させると、プラズマの上方の電場の相対強度が増大し、これが有利であることが判明した。しかしながら、アニュラス部の軸方向深さが大きすぎるようになってくると、これは、プラズマチャンバの他の領域の電場に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、導電性プラズマ安定化アニュラス部の軸方向深さは、５ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜７５ｍｍ、１０ｍｍ〜５０ｍｍ、２０ｍｍ〜４０ｍｍ又は２０ｍｍ〜３０ｍｍであるのが良い。かかる構成は、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆで動作する直径が３００ｍｍ〜５００ｍｍのプラズマチャンバについて特に有用であることが判明した。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、プラズマチャンバの直径は、６００ｍｍ〜１０００ｍｍであるのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部の軸方向深さは、１０ｍｍ〜２００ｍｍ、１０ｍｍ〜１５０ｍｍ、２０ｍｍ〜１００ｍｍ、４０ｍｍ〜８０ｍｍ又は４０ｍｍ〜６０ｍｍであるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、プラズマチャンバの直径は、１００ｍｍ〜２００ｍｍであるのが良く、導電性プラズマ安定化アニュラス部の軸方向深さは、２ｍｍ〜３５ｍｍ、２ｍｍ〜３０ｍｍ、４ｍｍ〜２０ｍｍ、７ｍｍ〜１５ｍｍ又は７ｍｍ〜１０ｍｍであるのが良い。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部の下面は、基板ホルダが載せられているプラズマチャンバの端からプラズマチャンバの高さの５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下又は１０％以下の高さのところに位置する。導電性プラズマ安定化アニュラス部の位置的場所（高さ）は又、プラズマに対するアニュラス部の作用効果を変更することが判明した。種々の位置をモデル化して試験した。アニュラス部の高さが高すぎる場合、プラズマの安定性を増大させるという利益は観察されないことが判明した。さらに、或る特定の形態では、アニュラス部が基板ホルダの支持面に対して低すぎるところに位置決めされた場合、有害には、アーク発生が生じる場合がある。例えば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、アニュラス部の下面の高さが基板ホルダの支持面の高さの１００ｍｍ、７０ｍｍ、５０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍ又は１０ｍｍの範囲内の高さであるように位置決めされるのが良いことが判明した。
上述のことに関連して、反応器を使用にあたり逆さまにすることが可能であることは注目されるべきである。例えば、標準的な使用法の場合、基板は、地面に対するチャンバの下方壁を形成するチャンバの底部によって支持される。しかしながら、反応器を逆さまにして基板を支持するチャンバの底部が地面に対してチャンバの上方壁を形成するようにすることが可能である。この構成では、基板ホルダが載せられている端からのプラズマチャンバの高さは、下向きの方向に測定される。逆さまの向きでは、基板に向かうガス流は、熱的に駆動される主要な対流に平行であるのが良い（かかる対流は、逆さまの構成では基板の下方に位置するプラズマ中に生じる熱の量が多いので上向きの方向である）。この逆さま構成は、或る特定の用途に関して幾つかの利点を有する場合がある。
上述の高さに関する要件に加えて、導電性プラズマ安定化アニュラス部により定められる包囲容積が性能に影響を及ぼす場合のあることも又判明した。包囲容積は、凹みアニュラス部の容積である。突出アニュラス部の場合、包囲容積は、突出アニュラス部の真下に位置するプラズマチャンバの容積である。壁取り付け型アニュラス部の場合、これは、アニュラス部の下面、プラズマチャンバの側壁及び底部との間のアニュラス部の下の容積である。包囲容積をプラズマ安定化アニュラス部が回転対称であると仮定して、断面積により定めることができる。このパラメータは、包囲断面積と呼ばれている。４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、２００ｍｍ2〜１００００ｍｍ2、５００ｍｍ2〜５０００ｍｍ2又は２０００ｍｍ2〜２５００ｍｍ2の包囲断面積を定めるのが良い。８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、５０ｍｍ2〜５０００ｍｍ2、２００ｍｍ2〜２０００ｍｍ2又は３００ｍｍ2〜１０００ｍｍ2の包囲断面積を定めるのが良い。２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、１０ｍｍ2〜１５０ｍｍ2、３０ｍｍ2〜１２５ｍｍ2又は５０ｍｍ2〜１００ｍｍ2の包囲断面積を定めるのが良い。
導電性プラズマ安定化アニュラス部と基板又は基板ホルダの相対サイズも又、機能的性能に影響を及ぼす場合がある。したがって、オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板の直径に対する半径方向幅が１０％〜５０％、１５％〜４０％、２０％〜３５％又は２５％〜３０％であるのが良い。基板又は基板ホルダの直径は、４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ若しくは２４０ｍｍ〜３３０ｍｍであるのが良く、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくは１１５ｍｍ〜１６０ｍｍであるのが良く、２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆの場合、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ若しくは４２ｍｍ〜５８ｍｍであるのが良い。
同じ理由で、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板又は基板ホルダの直径に対する内径が１５０％〜４００％、１５０％〜３５０％又は２００％〜３２０％であるのが良い。
当然のことながら、基板とは異なるサイズの基板ホルダを提供することが可能である。この場合、基板ホルダは、一般に、基板よりも大きく、上述の寸法関係は、基板ホルダに関して変更されることになる。例えば、基板ホルダを基板よりも大きく作った場合、基板ホルダのサイズに対するプラズマ安定化アニュラス部の内径は、上述の値よりも小さく、例えば、基板ホルダ直径の１００％〜２００％、１０５％〜２００％又は１０５％〜１５０％である。
また、基板ホルダは、プラズマチャンバの底部によって形成できることが注目されるべきである。「基板ホルダ」という用語の使用は、かかる変形例を含むことを意図している。さらに、基板ホルダは、基板と同一直径（図示のように）又はこれよりも大きい直径の平坦な支持面を有するのが良い。例えば、基板ホルダは、チャンバ底部又はチャンバ底部上に設けられた別個のコンポーネントにより形成される広い平坦な表面を形成するのが良く、基板は、平坦支持面の中央領域上に注意深く位置決めされるのが良い。一構成例では、基板ホルダの支持面は、基板を位置合わせし、オプションとしてこれを保持する別の要素、例えば突出部又は溝を有するのが良い。変形例として、かかる追加の要素が設けられなくても良く、その結果、支持ホルダは、基板が載せられる平坦な支持面を提供するに過ぎない。
今までのところ、本発明の或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部の基本的寸法及び配置場所、例えばプラズマチャンバ内の他のコンポーネントに対する絶対値と相対値の両方を含む位置的高さ、深さ、半径方向幅及び内径について説明した。また、導電性プラズマ安定化アニュラス部の断面形状が、アニュラス部がプラズマチャンバ内の電磁場と相互作用する仕方及びかくしてアニュラス部が使用中における基板の成長面の上方に生成されるプラズマに影響を与える仕方に影響を及ぼす場合のあることが判明した。有利には、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、電磁場に対する望ましくない摂動又は変動を回避するために鋭利な縁を備えていない比較的滑らかな断面形状を有するよう形成されるのが良いことが判明した。例えば、アニュラス部の少なくとも一部分は、曲率半径が１ｍｍ〜４０ｍｍ、２ｍｍ〜３０ｍｍ、３ｍｍ〜２０ｍｍ又は５ｍｍ〜１５ｍｍの湾曲した断面形状を有する部分を有するのが良い。突出したリング形アニュラス部の場合、プラズマチャンバ内に突き出たアニュラス部の半径方向内側端部分は、湾曲部分から成るのが良い。湾曲端部分は、一定曲率半径を有しても良く、或いは、漸変曲率半径を有しても良い。例えば、湾曲端部分は、互いに異なる曲率半径を有する少なくとも２つの部分を有しても良い。この場合、第１の部分は、例えば、１０ｍｍ〜４０ｍｍ、１０ｍｍ〜３０ｍｍ又は１２ｍｍ〜２０ｍｍの曲率半径を有するのが良く、第２の部分は、例えば、１ｍｍ〜１０ｍｍ、２ｍｍ〜８ｍｍ又は３ｍｍ〜７ｍｍの曲率半径を有するのが良い。有利には、大きな曲率半径を有する部分は、基板の近くに配置される。というのは、基板の近くに配置された湾曲度の高い又は尖った縁は、ＣＶＤダイヤモンド成長中、プラズマに悪影響を及ぼすことが判明している。但し、この悪影響は、アニュラス部が基板から相当な距離を置いたところに配置された場合には軽減される。プラズマチャンバの側壁から延びるリング形突出アニュラス部の場合、このアニュラス部は、実質的に平坦な上面（水平であっても良く、或いは角度をなして配置されても良い）及び湾曲した半径方向内側端部分を有するのが良く、この湾曲半径方向内側端部分は、曲率半径の小さな上方部分及び曲率半径の大きな下方部分を有する。下方湾曲部分は、チャンバの側壁まで延びるのが良く又は下方平坦部分が設けられても良い（これは、水平であっても良く、或いは角度をなして設けられても良い）。かかる断面形状を有するアニュラス部は、非一様なＣＶＤダイヤモンド成長をもたらすプラズマ内の不利な摂動を生じさせないで、安定した一定の大面積プラズマを達成する上で有利であることが判明した。
導電性プラズマ安定化アニュラス部は、使用中におけるプラズマチャンバ内の過酷な熱的環境に耐えることができる材料で作られるのが良い。さらに、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、電場と相互作用してこれを変更するのに十分な導電率及び／又は使用中におけるプラズマの熱的性質を変更するのに十分な熱伝導率を有するのが良い。これら特性は、ＣＶＤダイヤモンド合成方法で用いられるプロセスパラメータに或る程度依存する。しかしながら、代表的なプロセス温度及び電場強度に関し、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、融点が少なくとも１００℃、導電率が１×１０6Ｓｍ-1且つ／或いは熱伝導率が少なくとも１０ＷＫ-1ｍ-1である材料で作られるのが良い。適当な材料は、金属材料を含む。例示としては、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、モリブデン及びタンタルが挙げられる。したがって、構成材料は、これら材料のうちの１つ又は２つ以上を少なくとも８０％、９０％、９５％又は９８％含むのが良い。或る特定の構成例によれば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、このアニュラス部が設けられるプラズマチャンバの壁と同種の材料で作られる。導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの壁の一部分によって一体に形成されても良く、或いは、例えば導電性接合部によってこれに取り付けられても良い。また、導電性プラズマ安定化アニュラス部に過熱を回避するために冷却剤を供給するのが良い。
導電性プラズマ安定化アニュラス部の最も好ましい位置、輪郭形状及び寸法は、或る程度、プラズマチャンバ及び基板の全体的形状及び寸法で決まる。一構成例では、プラズマチャンバは、実質的に円筒形であり、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、上述したように連続であっても良く、或いは不連続であっても良い円形断面形状を呈する。実質的に円筒形という用語は、プラズマチャンバの側壁の少なくとも８０％が平均円の１０％又は４０ｍｍの範囲内の周長を有することを意味する。導電性プラズマ安定化アニュラス部は、かくして、平均円の１０％又は４０ｍｍの範囲内の周長を有する実質的に円形の形を呈するのが良い。変形例として、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、周期的に変化する内径を有しても良く、その結果、アニュラス部は、非円形であるが、ｎ倍回転対称性を有し、例えば、多角形アニュラス部又は周期的に変化する曲率を備えたアニュラス部である。この場合、電磁場に対する不利な摂動を減少させるために、ｎは、好ましくは、奇数であり、最も好ましくは、素数、例えば３、５又は７である。
一形態によれば、プラズマチャンバは、使用中におけるＴＭ01n、例えば円筒形ＴＭ011モードを支えるよう構成される。プラズマチャンバは、チャンバ高さとチャンバ直径の比が０．３〜１．０であるように構成されるのが良い。さらに、プラズマチャンバは、チャンバ直径と基板（又は基板ホルダ）直径の比が１．５〜５、２．０〜４．５又は２．５〜４．０であるよう構成されるのが良い。オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部の内径は、アニュラス部内径とプラズマチャンバ高さの比が０．９〜２、０．９５〜１．８、１．０〜１．５又は１．１〜１．３であるようにプラズマチャンバの高さに従って選択されるのが良い。
ＴＭ011モードは、チャンバの各端に２つの高電場最大振幅を含む。導電性プラズマ安定化アニュラス部は、基板ホルダが設けられたチャンバの一端のところ又はその近くに位置決めされるのが良く、それにより、プラズマチャンバの他端のところの高電場最大振幅に優先して基板ホルダに取り付けられた基板に隣接して位置する高電場最大振幅を安定化することができる。
マイクロ波は、プラズマチャンバ内に容量結合又は誘導結合可能である。誘導結合は、導電性プラズマ安定化アニュラス部の提供と組み合わせると特に有用であることが判明している。というのは、これら特徴部の両方は、誘電体窓のところの絶縁破壊の恐れを減少させることが判明しているからである。オプションとして、マイクロ波結合構造体は、基板ホルダ及び導電性プラズマ安定化アニュラス部が設けられている端と反対側のプラズマチャンバの端のところでマイクロ波をプラズマチャンバ中に誘導結合するよう配置されているのが良い。マイクロ波結合構造体は、代表的には、発生器からのマイクロ波を誘電体窓からプラズマチャンバ中に結合する導波管を有する。一構成例では、誘電体窓は、基板及び導電性プラズマ安定化アニュラス部が設けられているプラズマチャンバの端と反対側のプラズマチャンバの端のところ又はその近くに位置決めされる。したがって、導電性プラズマ安定化アニュラス部を用いるとプラズマチャンバの基板側端のところの電場を誘電体窓が設けられているプラズマチャンバの反対側の端のところの高電場領域に優先して増強させることができる。これは、誘電体窓の損傷を減少させると共にマイクロ波がプラズマチャンバ中に結合される場所のところの絶縁破壊を回避するという有利な技術的効果を有する。したがって、プラズマを封じ込めるためのベルジャーの使用を或る特定の実施形態によれば回避することができる。一手段は、基板と反対側のプラズマチャンバの端のところに誘電体プレートを用いることである。別の手段は、マイクロ波をリング形誘電体窓によりプラズマチャンバ中に結合することである。これは、例えば米国特許第６，６４５，３４３号明細書に記載されている側壁上に配置されるのが良い。しかしながら、リング形誘電体窓を基板ホルダ及び基板と反対側の端壁上に配置することが有利であることが判明した。
ガス流システムは、プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込むよう構成されている。一手段は、プロセスガスを基板及び導電性プラズマ安定化アニュラス部が設けられている端と反対側のプラズマチャンバの端のところでプラズマチャンバ中に送り込むようガス流システムを構成することである。例えば、ガス流システムは、軸方向ガス流型構成例ではプロセスガスを基板の成長面に向かって噴射するよう構成されるのが良い。この場合、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プロセスガスがプラズマチャンバの側壁に沿って上方に逆流することに起因するガス同伴を阻止すると共にガス入口からのガス流中に乱流を生じさせるのを助けることができる。もしそのように構成されていなければ、これにより、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスに非一様性が生じる恐れがある。
上述のマイクロ波プラズマ反応器は、ＣＶＤダイヤモンド材料を合成する上で有利であることが判明した。ＣＶＤダイヤモンド材料を合成する方法は、
上述のマイクロ波プラズマ反応器を用意するステップを含み、
基板ホルダの支持面上に基板を配置するステップを含み、基板は、成長面を有し、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むステップを含み、
プロセスガスをプラズマチャンバ内に送り込むステップを含み、
合成ダイヤモンド材料を基板の成長面上に形成するステップを含む。
オプションとして、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバの底部に対し、基板の成長面の高さの±１００ｍｍ、±７０ｍｍ、±５０ｍｍ、±３０ｍｍ、±２０ｍｍ又は±１０ｍｍの高さのところに位置決めされる。判明したこととして、使用中、成長面に対する導電性プラズマ安定化アニュラス部の位置は、プラズマを成長面のところ又はその近くで安定化するようにする上で重要であると言える。
例えば、アニュラス部は、成長面とほぼ同一高さ位置にある又はこれよりも僅かに上方に位置する下縁を有するよう位置決めされるのが良い。さらに、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、使用中に生成されるプラズマに隣接して上方に延びるのが良く、その結果、例えば、導電性プラズマ安定化アニュラス部は、プラズマチャンバ内の可視プラズマの軸方向深さの１％〜１００％、１０％〜７５％、２０％〜５０％又は３０％〜５０％の軸方向深さを有するようにする。実際、導電性プラズマ安定化アニュラス部が使用中においてプラズマチャンバ内に生成されるプラズマと整列する高さのところに位置決めされると、最善の結果を達成することができる。これは、一般に、基板の成長面の高さのすぐ上の高さに等しいであろう。
驚くべきこととして、本明細書において説明する導電性プラズマ安定化アニュラス部は、高い電力及び高い圧力条件で一様な析出を可能にする上で特に有益であることが判明した。代表的には、パラメータ圧力及び電力の面における一様なダイヤモンド合成に関する上限は、単極アークの開始によって決定される。当業者であれば知っているように、この単極アーク限度は、実験的要因、例えば動作周波数、圧力／電力比及び更に基板の幾何学的形状（直径／厚さ）の影響を受ける。
本発明者は、驚くべきこととして、本明細書において説明している導電性プラズマ安定化アニュラス部が圧力及び電力の点で作動パラメータ空間を増大させると同時に、ダイヤモンド析出の面積又は析出の一様性を減少させないということを見出した。例えば、本発明の実施形態を用いると、２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数では、２００トル以上、２２０トル以上、２４０トル以上、２６０トル以上、２８０トル以上、３００トル以上又は３２０トル以上であり、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数では、１２０トル以上、１４０トル以上、１６０トル以上、１８０トル以上、２００トル以上又は２２０トル以上であり、４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数では、６０トル以上、７０トル以上、８０トル以上、１００トル以上又は１２０トル以上の作業圧力においてプラズマチャンバ内のアーク発生の問題を回避することができる。作業圧力は、特定の反応器設計に応じて、５５０トル以下、４５０トル以下、４００トル以下、３５０トル以下又は３００トル以下であるのが良い。例えば、本発明の或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部を用いた代表的な作業圧力は、２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数に関し、２００〜３３０トル、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数に関し、１６０〜２２０トル又は４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数に関し８０〜１４０トルであるのが良い。本発明の実施形態を用いると、これら圧力状態で一様な安定性のあるプラズマ及び一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成することが可能であることが判明した。
基板に送り出されることができる電力密度は、成長面の１ｍｍ2当たり０．０５Ｗ以上、０．１Ｗ以上、０．５Ｗ以上、１Ｗ以上、１．５Ｗ以上、２．０Ｗ以上、２．５Ｗ以上、２．７５Ｗ以上、３．０Ｗ以上、３．２Ｗ以上又は３．５Ｗ以上であるのが良い。電力密度は、特定の反応器設計に応じて、基板成長面の６．０Ｗ／ｍｍ2以下、５．０Ｗ／ｍｍ2以下又は４．０Ｗ／ｍｍ2以下であるのが良い。例えば、本発明の或る特定の実施形態としての導電性プラズマ安定化アニュラス部を用いた代表的な作業電力密度は、基板成長面の３．０〜４．０Ｗ／ｍｍ2であるのが良い。
実施例
図１は、マイクロ波プラズマ反応器の一例を示している。マイクロ波プラズマ反応器は、次の基本的コンポーネント、即ち、プラズマチャンバ２、プラズマチャンバ内に設けられていて、基板５を支持する基板ホルダ４、プラズマチャンバ２内にプラズマ８を生成するマイクロ波発生器６、マイクロ波発生器６からのマイクロ波を誘電体窓１１を通ってプラズマチャンバ２内に送り込むマイクロ波結合構造体１０及びプロセスガスをプラズマチャンバ２内に送り込んだりプロセスガスをプラズマチャンバ２から取り出したりするガス入口１２及びガス出口１４を備えたガス流システムを含む。
プラズマチャンバ２は、無垢の金属、好ましくはアルミニウムの壁を備えた気密のマイクロ波空胴を形成している。プラズマチャンバの壁は、高い電力作動を可能にするよう液体又はガス冷却式（水冷式）であるのが良い。これは、ベルジャーが反応性種を封じ込める要件をなくすのを助け、この場合も又、高い電力の使用を可能にすると共に材料の純度を向上させることができる。
プラズマチャンバは、基板ホルダ４の周りでプラズマチャンバの端壁に設けられたリング形凹部、堀又はチャネルの形態をした導電性プラズマ安定化アニュラス部１６を有するよう改造されている。図示の実施形態では、リング形凹部、堀又はチャネルは、実質的に正方形又は長方形の断面形状を有する状態で示されている。しかしながら、他の構成例では、断面形状は、例えば、半球形又は実質的にＵ字形断面形状を有するよう湾曲していても良い。別の変形例では、断面形状は、非対称であっても良く、そして例えば変化する曲率半径を有していても良い。
図２は、図１のリング形凹部１６が、基板ホルダの周りでプラズマチャンバの端壁に設けられたリング形突出部１８で置き換えられた別の実施例を示している。図示の実施形態では、リング形突出部１８は、垂直方向に差し向けられている。しかしながら、別の変形例では、プラズマチャンバの中央部分に向かって内方に延びる水平部分を有するよう垂直に差し向けられたリング形突出部１８を改造している。かかる構成例では、水平部分は、アニュラス部に関してあらかじめ定められた範囲内の半径方向幅及び内径を有するのが良い。
図３は、図２に示されているプラズマチャンバの端壁に設けられたリング形突出部１８が、基板ホルダの周りでプラズマチャンバの側壁に設けられたリング形突出部２０で置き換えられている更に別の変形例を示している。
図２及び図３には、リング形突出部１８は、実質的に正方形又は長方形の断面形状を備えた状態で示されている。しかしながら、他の構成例では、断面形状は、湾曲していても良い。例えば、リング形突出部１８は、湾曲した端部分を有しても良い。かかる構成例では、端部分は、一定の曲率半径を有しても良く、或いは、非対称であっても良く、例えば、変化する曲率半径を有しても良い。
図４は、導電性プラズマ安定化アニュラス部２２の別の実施例を含むマイクロ波プラズマ反応器を示している。この構成例は、図３に示されている側壁取り付け型構造体と同様な側壁取り付け型構造体を有する。しかしながら、図４に示されている構成例では、導電性プラズマ安定化アニュラス部２２は、実質的に平坦な上面２４及び下面２８まで延びる湾曲端部分２６を有する。湾曲端部分２６は、導電性プラズマ安定化アニュラス部の上方部分に小さな曲率半径を有すると共に下方部分に大きな曲率半径を有している。かかる輪郭形状は、電場に問題のある摂動を生じさせないで基板５上のプラズマ８を安定化するのに特に良好であることが判明した。
図４は又、誤解を避けるために本明細書において上述した寸法を示している。プラズマチャンバは、高さｈc及び直径ｄcを有する。図示の構成例では、基板ホルダ４及び基板５は、同一の直径ｄsを有する。しかしながら、これらコンポーネントは、異なる直径を有しても良いことが想定される。基板は、プラズマチャンバの底部よりも上方の高さｈsのところに設けられた成長面を有する。導電性プラズマ安定化アニュラス部は、半径方向幅Ｗr、軸方向深さｄa及びプラズマチャンバの底部よりも上方の軸方向高さｈaを有する。
導電性プラズマ安定化アニュラス部が基板の成長面にほぼ隣接して位置する高さ位置でプラズマチャンバ中に突き出た側壁に取り付けられた構成例は、或る程度のモードフィルタリング機能を与えるに過ぎない堀型構成例とは異なり、側部突出リングがプラズマチャンバ内のプラズマ及びガス流特性の熱的管理具合を向上させるのも助けるので、特に有用である。
本発明の実施形態は、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスの一様性を向上させる。一様性の向上を次のパラメータ、即ち、ＣＶＤダイヤモンド膜の厚さの一様性（析出領域を横切る）、ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の品質パラメータの一様性（例えば、色、光学的性質、電子的性質、窒素取り込み、ホウ素取り込み及び／又はホウ素活性化レベル）、多結晶ダイヤモンド材料におけるテキスチャの一様性、表面形態学的特徴、結晶粒度等又は成長が基板キャリヤ上の単結晶ダイヤモンド基板のアレイ上で起こる単結晶ダイヤモンド材料中における各単結晶相互間の厚さの一様性、形態学的特徴、エッジ双晶形成、側方成長等のうちの１つ又は２つ以上によって測定可能である。一様性を評価するために選択される主要なパラメータは、合成プロセス、合成生成物から最終生成物を作製する場合の経済的側面及び最終生成物それ自体の要件で決まる。
本発明を好ましい実施形態に関して具体的に図示すると共に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく形態及び細部における種々の変更を実施できることは当業者には理解されよう。

Claims (17)

  1. 化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、前記マイクロ波プラズマ反応器は、
    プラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバ内に設けられると共に使用中に前記合成ダイヤモンド材料を析出させるべき基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
    マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
    プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込んで前記プロセスガスを前記プラズマチャンバから除去するガス流システムとを含み、
    前記マイクロ波プラズマ反応器は、前記プラズマチャンバの中心軸線に沿って下に見て前記プラズマチャンバ内で前記基板ホルダの周りに設けられた導電性プラズマ安定化アニュラス部を更に含み、
    前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの側壁から前記プラズマチャンバ内へ突き出た突出リングの形態をしており、
    前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３００ｍｍ以上、４００ｍｍ以上、４５０ｍｍ以上又は５００ｍｍ以上の内径、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１５０ｍｍ以上、２００ｍｍ以上、２４０ｍｍ以上又は２８０ｍｍ以上の内径、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上、８５ｍｍ以上又は９５ｍｍ以上の内径を有する、マイクロ波プラズマ反応器。
  2. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの直径に対する半径方向幅が１％〜３０％、３％〜２０％、５％〜１５％又は８％〜１２％である、請求項１記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  3. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１０ｍｍ〜１６５ｍｍ、２０ｍｍ〜１００ｍｍ又は４０ｍｍ〜８０ｍｍの半径方向幅、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜５０ｍｍ又は２０ｍｍ〜４０ｍｍの半径方向幅、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２ｍｍ〜３０ｍｍ、４ｍｍ〜２０ｍｍ又は６ｍｍ〜１５ｍｍの半径方向幅を有する、請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  4. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの直径に対する内径が５０％以上、６０％以上、７０％以上、７５％以上又は８０％以上である、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  5. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの直径に対する内径が９５％以下、９０％以下、８５％以下又は８０％以下である、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  6. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、９５０ｍｍ以下、８５０ｍｍ以下、８００ｍｍ以下、７２０ｍｍ以下又は６８０ｍｍ以下の内径、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、４５０ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３５０ｍｍ以下又は３３０ｍｍ以下の内径、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１７０ｍｍ以下、１５０ｍｍ以下、１３０ｍｍ以下又は１２０ｍｍ以下の内径を有する、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  7. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、内径とプラズマチャンバ高さの比が０．９〜２、０．９５〜１．８、１．０〜１．５又は１．１〜１．３であるような内径を有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  8. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの高さに対する軸方向深さが１％〜３０％、２％〜２０％又は５％〜１５％である、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  9. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記プラズマチャンバの２つの電場波腹相互間の垂直距離に対する軸方向深さが１％〜３０％、２％〜２０％又は５％〜１５％である、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  10. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１０ｍｍ〜２００ｍｍ、１０ｍｍ〜１５０ｍｍ、２０ｍｍ〜１００ｍｍ、４０ｍｍ〜８０ｍｍ又は４０ｍｍ〜６０ｍｍの軸方向深さ、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜７５ｍｍ、１０ｍｍ〜５０ｍｍ、２０ｍｍ〜４０ｍｍ又は２０ｍｍ〜３０ｍｍの軸方向深さ、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２ｍｍ〜３５ｍｍ、２ｍｍ〜３０ｍｍ、４ｍｍ〜２０ｍｍ、７ｍｍ〜１５ｍｍ又は７ｍｍ〜１０ｍｍの軸方向深さを有する、請求項１〜９のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  11. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記基板ホルダが載せられている前記プラズマチャンバの端から前記プラズマチャンバの高さの５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下又は１０％以下の高さのところに下面を有するよう位置決めされている、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  12. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、前記基板ホルダの前記支持面の高さの±１００ｍｍ、±７０ｍｍ、±５０ｍｍ、±３０ｍｍ、±２０ｍｍ又は±１０ｍｍの範囲内の高さのところに位置決めされている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  13. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、融点が少なくとも１００℃、導電率が少なくとも１×１０6Ｓｍ-1且つ／或いは熱伝導率が少なくとも１０ＷＫ-1ｍ-1である材料で作られている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  14. 前記材料は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、モリブデン及びタンタルのうちの１つ又は２つ以上を少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％又は少なくとも９８％を含む、請求項１３記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  15. 前記導電性プラズマ安定化アニュラス部は、少なくとも、曲率半径が１ｍｍ〜４０ｍｍ、２ｍｍ〜３０ｍｍ、３ｍｍ〜２０ｍｍ又は５ｍｍ〜１５ｍｍの湾曲した断面形状を有する部分を有する、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  16. 前記部分は、上方部分よりも大きな曲率半径を有する下方部分を含む漸変曲率半径を有する、請求項１５記載のマイクロ波プラズマ反応器。
  17. 前記下方部分は、１０ｍｍ〜４０ｍｍ、１０ｍｍ〜３０ｍｍ又は１２ｍｍ〜２０ｍｍの曲率半径を有し、前記上方部分は、１ｍｍ〜１０ｍｍ、２ｍｍ〜８ｍｍ又は３ｍｍ〜７ｍｍの曲率半径を有する、請求項１６記載のマイクロ波プラズマ反応器。
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