МОДУЛЬНЫЙ РЕАКТОР ОСАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2020 года по МПК C23C16/27 C23C16/458 C23C16/54 

[001] Изобретение относится к области синтеза алмазов осаждением с использованием микроволновой плазмы. Изобретение относится к модульному реактору осаждения с использованием микроволновой плазмы, содержащему по меньшей мере три модульных элемента, позволяющих осуществить адаптацию с целью оптимизирования конфигураций реактора к различным задачам осуществляемых этапов роста и к потребностям технического обслуживания таких реакторов. Изобретение также относится к способу синтеза алмазов с использованием такого реактора и модульных элементов, входящих в состав такого реактора.

Уровень техники

[002] Благодаря своим механическим, оптическим, термическим, электронным и химическим свойствам синтетический алмаз находит все большее применение в промышленности.

[003] Так, он может быть обнаружен в качестве основного компонента многочисленных изделий, таких как оптические окна, режущие инструменты, детекторы излучения, электроды, а также в электронике в роли теплоотвода, и является многообещающим для применения в силовой электронике.

[004] В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению размеров реакторов осаждения с использованием микроволновой плазмы, чтобы увеличить размеры производимых поликристаллических слоев или число монокристаллов алмаза, которые могут быть созданы за один эксперимент с целью снижения стоимости.

[005] Специалистам в области техники известно о влиянии и взаимозависимости многочисленных переменных, используемых для регулирования условий роста в соответствии с поставленными задачами. Специалистам известно, что во время фаз осаждения и роста алмазных слоев такие переменные и параметры, как давление, мощность, температура одной или более подложек, концентрация и состав инжектируемых газов, их распределение внутри реактора, распространение электромагнитных волн, положение и размеры одной или более подложек, их расстояние по отношению к плазме, оказывают влияние на рост алмазных слоев.

[006] Также специалистам известно, что физические характеристики ректора, его конструкция, форма его одной или более полостей и материалы, из которых он состоит, размещение, конструкция и размеры систем инжекции микроволн и газов или систем охлаждения сами по себе влияют на характеристики алмазных слоев, а также на вышеупомянутые параметры (Kobashi et al. Diamond and Related Materials 12, 2003, 233–240; Ando Y et al. Diamond and Related Materials, 11, 2002, 596–600; Mesbahi et al. Journal of Applied Physics 2013, vol 46, n°38, 2013). Так, во многих статьях упоминается сложность способов осаждения алмаза в плазменных реакторах вследствие необходимости принимать во внимание множество параметров и прибегать к симуляционным моделям, упрощающим данные и сокращающим число переменных (Gicquel et al. Diamond and Related Materials, 1994, vol 3, Issue 4-6, 581; Gicquel et al. Current Applied Physics, vol 1 Issue 6 , 479 , 2001; Hassouni et al. Journal of Applied Physics, vol 86 Issue 1, pages: 134- 1999; Hassouni et al. Journal of Physics D Journal of Applied Physics, vol 43 Issue: 15, 2010; Goodwin et al. J. Appl. Phys. 74(11) 1993; Kobashi et al. 2003 Diamond and Related Materials, 12, 233–240; Mankelevich et al., Journal Of Applied Physics, 104, 2008).

[007] Поэтому в настоящее время специалисты пока только частично способны управлять факторами, вносящими вклад в осаждение и рост алмазных слоев, вследствие их числа и сложности, и вынуждены прибегать к упрощающим, хотя и совершенствующимся моделям, чтобы одновременно разрабатывать и строить реакторы и выполнять операции.

[008] Такое использование моделирования оправдывается также тем, что реакторы представляют собой весьма дорогостоящие устройства с точки зрения вложения средств, но оно обладает существенным недостатком, заключающимся в ограничении опытных разработок: изначально выбранные константы или переменные определяют и/или очерчивают результат с точки зрения окончательной конструкции и/или набора параметров.

[009] Таким образом, специалисты, хотя и осознают необходимость в варьировании отдельных параметров, тем не менее, стремятся их ограничить, предпочитая иметь дело с константами и/или со стационарными элементами. Использование устройств, обеспечивающих возможность модулирования большого числа элементов независимо от того, связаны они с физическими характеристиками реактора или с параметрами, сегодня представляется ограниченным и противоречащим тенденции осуществляемых разработок.

[0010] Что касается модулирования физических элементов, то специалистами разработаны подвижные и/или взаимозаменяемые подложкодержатели, так как установлено, что расстояние между ростовой поверхностью и плазмой влияет на характеристики осаждения алмаза. Так, патентная заявка US2014220261 раскрывает реактор типа «bell jar» (колоколообразного вакуумного колпака), содержащий только два подвижных и сдвигаемых элемента, в числе которых подложкодержатель, чтобы обеспечить во время операций возможность модулирования микроволновых мод, разрядных токов, плотностей мощности и, следовательно, формы и размера плазмы. Также патентная заявка US2009239078 предлагает устройство в реакторе типа «bell jar», позволяющее осуществлять замену подложкодержателей, чтобы приспособить условия осаждения. Также Gicquel et al используют подвижный подложкодержатель, чтобы изменять положение подложки в реакторе (A. Gicquel, M. Chennevier, M. Lefebvre, Chap 19, pp 739-796, Handbook of industrial diamond and diamond films, Marcel Dekker, 1998).

[0011] В начале фаз роста и/или в процессе роста часто настраивают относительно друг друга такие экспериментальные параметры, как давление, мощность, расход газа, концентрации или состав и пр. (сокращение или увеличение расходов и т.д.).

[0012] Тем не менее, представляется, что специалисты отказываются от модульности, задуманной как структурирующий механизм для конструкции реактора и как внутренняя организация, способствующая взаимодействию и сочетаемости физических устройств и экспериментальных параметров, предпочитая разработку «оптимизированного» реактора, упрощенного для конкретного использования с сокращением, насколько это возможно, числа регулируемых и модулируемых деталей и элементов.

[0013] Так, в вышеупомянутой патентной заявке US2014220261, раскрывающей подвижные детали, авторы изобретения предпочли предложить «комплекты» деталей с различными диаметрами или характеристиками, позволяющие скомпоновать различные реакторы исходя из базовых элементов, а не модулировать базовые элементы в процессе роста.

[0014] Так же в патенте US8859058 в описании изобретения авторы изобретения сообщают о своем желании «упростить реактор», сократив число съемных или подвижных компонентов.

[0015] Таким образом, существует потребность в новых реакторах, способных решить проблемы, поставленные имеющимися в настоящее время коммерческими реакторами.

Техническая проблема

[0016] Целью изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники. В частности, цель изобретения состоит в предложении модульного плазменного реактора осаждения с использованием микроволн, который, в отличие от реакторов предшествующего уровня техники, является в высшей степени модульным.

[0017] Вопреки здравому смыслу и вразрез с используемыми специалистами тенденциями, а также с собственными ранее выполненными работами, авторы изобретения установили, что реактор высокомодульный, но задуманный как однородный узел, напротив одновременно упрощает изготовление алмазных слоев для множества применений и облегчает разработки и постепенный контроль стадий роста алмазов. Данные отличительные признаки, действительно, позволяют поочередно или одновременно сократить этапы, риски ошибок, техническое обслуживание, продолжительность и расходы в случае настройки или модифицирования конфигураций, и при этом увеличивают возможности вариации параметров и, следовательно, модернизации как реакторов, так и способов, без сведения концепции и способов осаждения к предварительным гипотезам и анализам, проводимым на стадиях моделирования. Наконец, они обнаружили, что комбинация и соответствующее модулирование в процессе роста нескольких физических устройств и экспериментальных параметров (таких как соответствующее модулирование распределения расходов газа и их состава, условий давления/мощности, в сочетании с движением подложкодержателя, изменением размера и формы резонаторной полости и с эффективностью теплового мостика, обеспечивающего охлаждение подложки) показали свою эффективность для достижения поставленных задач.

[0018] Такая модульность оказывается тем более уместной, так как отвечает развитию промышленности синтеза алмазов, в частности, развитию промышленности синтеза монокристаллических алмазов большой толщины, и в конфигурации с увеличением размеров реакторов, и в этом смысле представляется особенно подходящей для реакторов, работающих на частотах ниже 1000 МГц.

[0019] Преимуществом модульного реактора является возможность осуществлять настройку полости, не прибегая к полностью новому конструктивному выполнению полости, даже реактора. Изобретение, кроме того, позволяет усовершенствовать используемые средства расчета полости и плазмы.

[0020] Модульность данного реактора обеспечивает возможность в рамках одного и того же реактора легко изменять форму полости, объем полости, распределение газов, положение подложки, ее электрический потенциал относительно потенциала полости и охлаждение подложки, чтобы адаптировать реактор к условиям роста желаемых алмазных слоев (форма, микроструктура, число, размер). Такая модульность, следовательно, позволяет оптимизировать реакции синтеза в соответствии с различными условиями роста и может быть особенно полезна в рамках исследования оптимальных условий роста для конкретных применений. Действительно, не все стадии роста требуют одних и тех же условий и конфигураций, например, в зависимости от размеров поверхности и толщины синтезируемого алмазного слоя, формы, ожидаемой чистоты, желаемых кристаллографических характеристик, введения легирующих примесей или же от требуемой скорости роста. Такая модульность физических свойств дает двойное преимущество, заключающееся в том, что она позволяет создать единственный аппарат, отвечающий потребностям нескольких конфигураций, а также, оставаясь в рамках одной и той же исходной конфигурации, изменять ее в процессе фаз функционирования, чтобы оптимизировать ожидаемый результат.

[0021] Кроме того, преимуществом модульного реактора является то, что он позволяет осуществлять вертикальное перемещение подложкодержателя и, следовательно, подложки в плазме и в пределах плазмы, и даже за пределами плазмы во время процесса осаждения. Это приводит к значительному контролю локальных условий роста на поверхности растущего алмаза. К тому же, с точки зрения экономики в развивающейся отрасли промышленности данный модульный реактор также позволяет с меньшими затратами варьировать различные условия роста без вложения средств в новые прототипы и, следовательно, одновременно выиграть в скорости и в сокращении затрат на проведение экспериментов. Данный новый модульный реактор также обеспечивает эффективное охлаждение различных элементов, сегментированную подачу газов и непрерывное наблюдение за развитием стадий роста.

[0022] Кроме того, цель изобретения состоит в предложении способа выращивания, обладающего преимуществами благодаря использованию модульных свойств данного нового модульного реактора.

[0023] Изобретение также предлагает модульные узлы, которые могут находиться в составе модульного реактора.

Раскрытие сущности изобретения

[0024] Для этой цели изобретение относится к модульному реактору осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов, при этом указанный реактор содержит:

- микроволновый генератор, сконфигурированный с возможностью генерации микроволн с частотой в пределах от 300 МГц до 3000 МГц, предпочтительно в пределах от 900 МГц до 1000 МГц или же от 300 МГц до 500 МГц;

- резонаторную полость, образованную, по меньшей мере частично, цилиндрическими внутренними стенками камеры реактора;

- газоподводящую систему, выполненную с возможностью подачи газов внутрь резонаторной полости;

- газовыпускной модуль, выполненный с возможностью удаления указанных газов из резонаторной полости;

- модуль волновой связи, выполненный с возможностью передачи микроволн от микроволнового генератора к резонаторной полости, предпочтительно сначала в моде TM011, чтобы обеспечить возможность формирования плазмы; и

- ростовую основу, находящуюся в резонаторной полости;

при этом указанный модульный реактор отличается тем, что он содержит по меньшей мере два модульных элемента, предпочтительно по меньшей мере три модульных элемента, причем в качестве указанных модульных элементов выбраны следующие элементы:

- обод, выполненный с возможностью расположения между первой частью камеры и второй частью камеры, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости, и система уплотнений, обеспечивающая герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры, и расположенная между ободом и, соответственно, первой частью камеры и второй частью камеры;

- модуль подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью длины волны, и содержащий по меньшей мере одну систему охлаждения текучей средой;

- плита, выполненная подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости, и содержащая сквозные отверстия, обеспечивающие прохождение газов;

- газораспределительный модуль, содержащий:

-- съемную газораспределительную пластину, содержащую внутреннюю поверхность, наружную поверхность и множество газораспределительных форсунок, образующих каналы между указанными поверхностями, выполненные с возможностью проведения газового потока, и

-- поддерживающее устройство, соединенное с системой охлаждения и выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины; и

- модуль контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство для инжекции термостойкого газа, содержащее один или более впусков термостойкого газа и один или более выпусков термостойкого газа.

[0025] Данный модульный реактор может быть оптимизирован для широкого диапазона условий роста. Действительно, единственный реактор может в данном случае иметь технические характеристики, которые могут быть оптимизированы для нескольких применений, или даже улучшать для одного и того же применения текущие условия роста, причем без необходимости внесения изменений в его конструкцию. Данные модульные элементы в комбинации позволяют изменять характеристики плазмы и, следовательно, условия роста так, чтобы адаптировать плазму к желаемому росту.

[0026] Согласно другим опциональным признакам реактора:

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит по меньшей мере четыре модульных элемента, выбранные из числа вышеперечисленных модульных элементов. Это позволяет дополнительно увеличить модульность реактора согласно изобретению.

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит плиту, выполненную подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости, и содержащую сквозные отверстия, обеспечивающие прохождение газов. Это дает пользователю в качестве преимущества возможность быстро изменять размеры резонаторной полости. Однако изменение размеров и формы резонаторной полости приведет к изменению формы плазмы и, таким образом, к изменению локальных условий роста алмазной пленки. Преимуществом плиты согласно изобретению является возможность ее сдвига перед одной стадией роста, а также в процессе одной стадии роста. Это дает пользователю возможность изменять форму, характеристики и положение плазмы, чтобы адаптировать их к положению поверхности во время роста подложки и на этапе синтеза.

Плита содержит по меньшей мере один канал охлаждения, соединенный с системой охлаждения и выполненный с возможностью охлаждения указанной плиты. Это позволяет ограничить ее деформацию или избежать последней, так как во время функционирования плита подвергается воздействию очень высоких температур.

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит модуль подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью длины волны и, в случае необходимости, с электроизоляционным материалом, и содержит по меньшей мере одну систему охлаждения текучей средой. Данный подложкодержатель позволяет ограничить распространение микроволн за пределы резонаторной полости и при этом улучшить равномерность роста по всей ростовой поверхности и в ходе проведения эксперимента обеспечить возможность варьирования положения подложки по отношению к плазме. Он также позволяет в случае необходимости электрически изолировать ростовую подложку от остальной части камеры. Это возможно путем электрической изоляции модуля подложкодержателя от камеры и/или от подвижной плиты. Так, предпочтительно модуль подложкодержателя электрически изолирован от камеры и/или от плиты.

Подложкодержатель имеет объемное отношение от 5% до 30% по сравнению с объемом резонаторной полости, предпочтительно от 7% до 13%.

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит по меньшей мере один обод, выполненный с возможностью его расположения между первой частью камеры и второй частью камеры, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости, и систему уплотнений, обеспечивающую герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры, и расположенную между ободом и, соответственно, первой частью камеры и второй частью камеры. Данный обод позволяет варьировать геометрию резонаторной полости, например, путем увеличения расстояния между диэлектрическим окном инжекции волн и держателем подложки. Данный модульный элемент позволяет, таким образом, оптимизировать радиальные распределения температуры газа и плотности атомарного Н в плазме и, следовательно, на границе раздела плазма/поверхность. Предпочтительно, модульный реактор содержит два обода. Ободы могут иметь высоту от 1 см до 20 см.

Один или более ободов содержат диэлектрический материал, систему газовой инжекции или выполнены из металла и имеют внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра резонаторной полости.

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит газораспределительный модуль, содержащий:

- съемную газораспределительную пластину, содержащую внутреннюю поверхность, наружную поверхность и множество газораспределительных форсунок, образующих каналы между указанными поверхностями, выполненные с возможностью проведения газового потока, и

- поддерживающее устройство, соединенное с системой охлаждения и выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины.

Преимуществом данного газораспределительного модуля является обеспечение хороших характеристик течения газа. В этих обстоятельствах данный модуль особенно полезен с точки зрения модулирования условий роста, так как благодаря съемному исполнению его можно адаптировать в зависимости от положения одной или более подложек, числа подложек и предположительного времени реакции. Кроме того, недостатком обычных газораспределительных форсунок является возможность их засорения. Наличие такого газораспределительного модуля обеспечивает возможность быстро и с меньшими затратами осуществлять замену съемной газораспределительной пластины без необходимости замены всех деталей, соединенных с данным модулем.

Поддерживающее устройство содержит каналы, выполненные с возможностью циркуляции текучей среды в указанном поддерживающем устройстве, чтобы обеспечить возможность установления теплового мостика, позволяющего охлаждать съемную газораспределительную пластину.

Съемная газораспределительная пластина содержит по меньшей мере одну концевую часть, не содержащую газораспределительных форсунок и выполненную с возможностью контакта с поддерживающим устройством на поверхности, предпочтительно превышающей 10% нижней поверхности съемной газораспределительной пластины, с целью улучшения теплопереноса. Это позволяет улучшить контроль температуры распределительного поддерживателя и, следовательно, его геометрию.

Газораспределительный модуль содержит теплоотводный орган, расположенный над съемной газораспределительной пластиной и поддерживающим устройством, причем указанный теплоотводный орган имеет, например, воспринимающую тепло поверхность в контакте со съемной газораспределительной пластиной, которая на 30% больше верхней поверхности съемной газораспределительной пластины, и отдающую тепло поверхность в контакте с поддерживающим устройством, которая на 20% больше верхней поверхности съемной газораспределительной пластины. Это позволяет улучшить контроль температуры газораспределительной системы.

Модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов согласно изобретению содержит модуль контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков термостойкого газа и один или более выпусков термостойкого газа. Данное устройство позволяет вводить различные газовые смеси, варьировать расходы и/или варьировать плотность газового потока. Это обеспечивает возможность точного контроля охлаждения на уровне ростовой поверхности. Оно может быть легко заменено между двумя стадиями роста и адаптировано к рассчитываемому росту и, таким образом, особенно полезно для модулирования условий роста. Преимущество данного модуля также состоит в возможности выполнить замену данной детали без необходимости замены всех деталей, соединенных с таким модулем охлаждения. Данный модуль контроля охлаждения подложки также позволяет модулировать температуру ростовой поверхности в процессе роста. Наконец, преимущество использования съемного устройства для инжекции термостойкого газа состоит в том, что оно позволяет легко варьировать несколько таких параметров, как размеры выпусков или плотность выпусков.

Модуль контроля охлаждения подложки содержит средства позиционирования, а ростовая основа содержит на своей нижней поверхности выемки, выполненные с возможностью вмещения средств позиционирования.

Модуль контроля охлаждения подложки содержит средства позиционирования, выполненные подвижными с возможностью вертикального перемещения.

Средство волновой связи расположено в верхней части первой части камеры и по меньшей мере в 25 см от низа второй части камеры, предпочтительно по меньшей мере в 35 см от основания второй части камеры.

[0027] Кроме того, изобретение относится к способу синтеза алмазов, в котором используется реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов, при этом указанный способ содержит следующие этапы:

- размещение одной или более подложек на ростовой основе модульного реактора согласно изобретению;

- запуск модульного реактора, при этом запуск содержит следующие этапы:

-- создание в резонаторной полости давления в пределах от 0,2 гПа до 500 гПа,

-- инжекция микроволн в моде TM₀₁₁ и с мощностью, например, в пределах от 1 кВт до 100 кВт,

-- инжекция газов, например, с полным расходом не менее 500 см³ в минуту, и

-- запуск систем охлаждения камеры, системы инжекции газов и подложкодержателя, а также системы контроля охлаждения подложки, чтобы контролировать температуру одной или более ростовых поверхностей; и

- выполнение этапа роста алмазной пленки.

В случае выращивания поликристаллической пленки способ может содержать этап коалесценции кристаллов, предшествующий этапу увеличения толщины алмазной пленки.

[0028] Другие преимущества и отличительные признаки изобретения станут понятными при чтении следующего описания, приведенного в качестве иллюстративного и не ограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе примера реактора согласно уровню техники;

- фиг. 2 представляет собой схематический вид в разрезе модульного реактора согласно изобретению, содержащего подвижную плиту, модуль подложкодержателя и обод;

- фиг. 3А, 3В и 3С представляют собой схематические виды в разрезе четверти длины волны, используемой с системой электрической изоляции между подложкодержателем и плитой в соответствии с тремя вариантами осуществления в модульном реакторе согласно изобретению;

- фиг. 4 представляет собой схематический вид в разрезе модульного реактора согласно изобретению, содержащего обод и модуль подложкодержателя, в который интегрирована система контроля охлаждения термостойким газом;

- фиг. 5А и 5В представляют собой схематический продольный разрез двух вариантов осуществления модуля контроля охлаждения подложки;

- фиг. 6А и 6В представляют собой схематический вид сверху двух модулей контроля охлаждения подложки;

- фиг. 7 представляет собой схематический вид в разрезе модульного реактора согласно изобретению, содержащего обод с постоянной толщиной в верхней части резонаторной полости, включающий в себя диэлектрический материал, и обод, имеющий выступ в нижнюю часть резонаторной полости;

- фиг. 8 представляет собой схематический вид в разрезе модульного реактора согласно изобретению, содержащего модуль подложкодержателя и газораспределительный модуль;

- фиг. 9 представляет собой схематический вид в разрезе поддерживающего устройства съемной газораспределительной пластины, содержащей каналы, выполненные с возможностью осуществления циркуляции газа или жидкости в указанном поддерживающем устройстве для охлаждения газораспределительной пластины;

- фиг. 10А и 10В представляют собой схематический вид сверху сборки съемной газораспределительной пластины и поддерживающего устройства, фиг. 10А: съемная газораспределительная пластина, имеющая широкую полосу контакта с поддерживающим устройством по всей своей окружности и лишенная газораспределительных форсунок, или фиг. 10В: отдельные зоны без форсунок.

- фиг. 11 представляет собой схематический вид сверху сборки съемной газораспределительной пластины и поддерживающего устройства, содержащего дополнительно теплоотводный орган.

- фиг. 12 представляет собой схематический вид способа синтеза алмазов методом осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению. Этапы, обведенные пунктирной рамкой, являются необязательными.

Осуществление изобретения

[0029] Далее в описании под «по существу идентичный» или «по существу равный» будет пониматься величина, отличающаяся от сравниваемой величины менее чем на 30%, предпочтительно менее чем на 20%, еще более предпочтительно менее чем на 10%. Когда выражение «по существу идентичный» используется при сравнении форм, то векторизованная форма, то есть форма без учета ее размеров, отличается от сравниваемой векторизованной формы менее чем на 30% , предпочтительно менее чем на 20%, еще более предпочтительно менее чем на 10%.

[0030] Термин «съемный» в контексте изобретения соответствует возможности легкого отделения, снятия или демонтажа без разрушения крепежных средств либо вследствие отсутствия крепежного средства, либо вследствие того, что крепежные средства могут быть легко и быстро удалены (например, зубец, винт, шпонка, палец, скоба). Например, под «съемный» следует понимать, что объект не зафиксирован с помощью сварки или каким-либо другим способом, не предусмотренным для возможности отделения объекта.

[0031] Термин «рост» в контексте изобретения соответствует этапу или этапам осаждения углерода в форме sp3 кристаллического алмаза (поликристаллического или монокристаллического), используемого для производства поликристаллического алмазного слоя, монокристалла алмаза или же нанонокристаллического или ультрананокристаллического алмаза.

[0032] Термин «алмаз» в контексте изобретения соответствует одному или нескольким более или менее толстым поликристаллическим или монокристаллическим алмазным слоям, являющимся результатом осаждения углерода в форме sp3 кристаллического алмаза (поликристаллического или монокристаллического). Отметим, что «реактор» согласно изобретению может быть использован также для выращивания нанокристаллического или ультрананокристаллического алмаза путем адаптации условий роста (температура поверхности в процессе роста, состав газа, условия давления и мощности и т.д.).

[0033] Выражение «алмазная пленка» или «алмазный слой» в контексте изобретения соответствует слою (или пленке) из поликристаллического, монокристаллического, нанокристаллического или ультрананокристаллического алмаза, образованного после нуклеации на поверхности неалмазного материала (металл, кремний, карбид кремния и т.п.), а также на поверхности монокристаллического или поликристаллического алмаза. Оно также соответствует получению монокристаллического алмаза путем увеличения толщины по высоте и/или по ширине затравочного монокристалла алмаза (или подложки), происходящего из монокристалла натурального алмаза или алмаза, полученного по технологии HPHT (высокое давление - высокая температура) или по технологии CVD (химическое парофазное осаждение с использованием плазмы или горячей нити и т.п.).

[0034] Термин «плазма» в контексте изобретения соответствует созданию – с помощью электрического разряда в газе, состоящем из смеси, – среды, полностью электрически нейтральной, но содержащей ионы и электроны, а также фрагменты диссоциированных газообразных веществ, а также стабильных молекул.

[0035] Термин «подложка» в контексте изобретения соответствует элементам, на которых растут алмазные слои или пленки. В случае поликристаллических, нанокристаллических или ультрананокристаллических пленок речь идет о неалмазных материалах (металл, кремний, карбид кремния и т.п.) или алмазных материалах при выращивании многослойных структур (множество легирующих компонентов, или множество свойств, или множество цветов и т.п.), а в случае монокристаллических пленок – о монокристаллах натурального алмаза или монокристаллах, полученных по технологии HPHT (высокое давление - высокая температура) или же по технологии CVD (химическое парофазное осаждение с использованием плазмы или горячей нити и т.п..).

[0036] Выражение «термостойкий газ» в контексте изобретения соответствует газовой смеси, состоящей из чистых газов, имеющих сильно различающиеся коэффициенты теплопроводности, что позволяет путем изменения состава изменять коэффициент теплопроводности смеси.

[0037] Термин «камера» в контексте изобретения соответствует вакуумной камере, выполненной из металла, предпочтительно из алюминия, предназначенной для вмещения газовой смеси, которая при возбуждении электрическим разрядом образует плазму, одной или более обрабатываемых плазмой подложек и ростовой основы, которая может лежать на (нагреваемом или охлаждаемом, при необходимости поляризованном) подложкодержателе. Система откачки обеспечивает качество вакуума перед введением газов. Размеры камеры могут быть адаптированы к используемому микроволновому генератору, к элементу связи и к газу, в котором происходит поглощение энергии.

[0038] Выражение «резонаторная полость» в контексте изобретения соответствует подчасти образуемого камерой объема, при этом данная подчасть содержит, в частности, место образования плазмы и место расположения одной или более подложек. Именно в резонаторной полости происходит рост. Резонаторная полость входит в состав узла, состоящего из микроволнового генератора, аппликатора и системы согласования импедансов, источника газа, в котором осуществляется поглощение микроволновой энергии в камере. Резонаторная полость образована из одной части камеры и таких элементов, как ростовая основа, подложкодержатель и подвижная панель.

[0039] Выражение «ростовая поверхность» в контексте изобретения соответствует поверхности, расположенной в резонаторной полости и предназначенной для роста монокристаллического алмаза или неалмазных поверхностей (рост поликристаллического алмаза).

[0040] Выражение «ростовая основа» в контексте изобретения соответствует элементу, предпочтительно, металлическому, например, из молибдена, предназначенному для вмещения одной или более подложек. Данная ростовая основа может быть расположена на подложкодержателе, например, через устройство для инжекции термостойких газов.

[0041] Термин «подложкодержатель» в контексте изобретения соответствует устройству, предпочтительно, цилиндрическому, выполненному с возможностью охлаждения таким теплоносителем в виде текучей среды, как силиконовое масло или вода с присадками или без присадок, с возможностью соединения с элементами, позволяющими осуществлять регулирование охлаждения одной или более подложек, и/или с возможностью соединения с элементами, позволяющими прикладывать к нему напряжение или электрически изолировать его от резонаторной полости.

[0042] Под «модульной» в контексте изобретения следует понимать систему, состоящую из совокупности модулей, причем указанные модули могут быть добавлены или убраны из системы независимо один от другого. При этом модуль является подчастью системы, представляющей собой одновременно конструктивную и функциональную единицу. Модули могут быть автономными или взаимосвязанными. В данном случае возможная связь между модулями и системой или между модулями может быть выполнена съемной в указанном выше смысле. Путем присоединения данных модулей можно увеличить или изменить возможности системы.

[0043] Далее в описании для одинаковых элементов будут использоваться одинаковые номера позиций.

[0044] Фиг. 1 показывает вид в разрезе реактора осаждения с использованием микроволновой плазмы для выращивания алмазов, который можно найти в литературе.

[0045] Реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы для изготовления синтетических алмазов, как правило, содержит:

- микроволновый генератор 70, сконфигурированный с возможностью генерации микроволн с частотой в пределах от 300 МГц до 3000 МГц;

- резонаторную полость 41, предпочтительно цилиндрическую и охлаждаемую, образованную, по меньшей мере частично, цилиндрическими внутренними стенками 420 камеры 400 модульного реактора 1;

- газоподводящую систему 10, выполненную с возможностью подачи газов внутрь резонаторной полости 41;

- газовыпускной модуль 60, выполненный с возможностью удаления указанных газов из резонаторной полости 41;

- модуль 80 волновой связи, выполненный с возможностью передачи микроволн от микроволнового генератора к резонаторной полости 41, чтобы обеспечить возможность формирования плазмы; и

- ростовую основу 51, находящуюся в резонаторной полости 41.

[0046] Реакторы осаждения с использованием микроволн обеспечивают резонанс стоячей волны, создаваемой в резонаторной полости 41. Данный резонанс возможен благодаря точному выбору размеров резонаторной полости 41 и позволяет создавать стоячие волны электрического поля. Данные реакторы сконфигурированы с возможностью создания максимального электрического поля внутри резонаторной полости 41, предпочтительно чуть ниже ростовой основы 51. В отличие от радиочастотного возбуждения возбуждение микроволновым электромагнитным полем позволяет очень существенно ограничить воздействие ионов на поверхности, в частности, на ростовые поверхности. Действительно, частота электронов и ионов ниже частоты возбуждающей волны и ионы и электроны не способны следовать за изменением во времени электромагнитного поля. Средняя энергия электронов в целом меньше средней энергии, получаемой с использованием радиочастотного возбуждения.

[0047] Так, в литературе принято считать, что основными критериями для оптимального резонанса и, следовательно, для оптимального роста алмаза являются размеры резонаторной полости, состав газовой смеси и условия функционировании реактора. Следуя этой линии, сначала по возможности вырабатывают концепцию реакторов, потом осуществляют оценку их рабочих характеристик с применением программных средств моделирования, позволяющих предсказывать поведение плазмы. После того как будут определены размеры и состав плазмогенного газа, строят реактор, после чего его размеры больше не меняются. К тому же, было показано, что давление, мощность, связанная с плазмой, и множество других параметров, таких как скорость течения, оптимальное положение подложки во взаимодействии с размерами реактора, способны влиять на плотность по водороду и метилового радикала, толщину предельного диффузионного слоя, температуру поверхности подложки и, следовательно, на рост алмазных слоев.

[0048] В противовес этой идее авторы изобретения разработали модульный реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы. Они создали модульный реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы, содержащий несколько модульных элементов, выполненных с возможностью быстрой замены и/или способных изменять характеристики реактора (например, размеры резонаторной полости 41), чтобы адаптировать плазму к желаемому росту. Таким образом, в данном случае можно иметь единственный реактор, выполненный с возможностью изменения его основных технических характеристик, что позволяет оптимизировать функционирование для нескольких применений или же улучшать текущие условия роста для одного и того же применения, причем без необходимости внесения изменений в его структуру. Например, то, что модульность обеспечивает возможность сдвигать плиту 900 и, следовательно, изменять высоту камеры, позволяет использовать систему в нескольких режимах работы, что, в свою очередь, позволяет временно изменять или не изменять характеристики плазмы и, следовательно, условия роста. Точно так же введение в резонаторную полость 41 создающих помехи элементов позволяет временно изменять или не изменять характеристики плазмы и, следовательно, условия роста.

[0049] Реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит по меньшей мере два модульных элемента, причем в качестве указанных модульных элементов выбраны следующие элементы:

- обод 450, выполненный с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и система 460 уплотнений, обеспечивающая герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры, и расположенная между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры;

- модуль 500 подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой;

- плита 900, выполненная подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащая сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов;

- газораспределительный модуль 100, содержащий:

------- съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью направления газового потока, и

-- поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110; и

- модуль 300 контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0050] Наличие данных модульных элементов в реакторе согласно изобретению позволяет пользователю легко изменить некоторые характеристики реактора без необходимости его полного демонтажа и, не обращаясь к изготовителю.

[0051] Предпочтительно, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит по меньшей мере три вышеописанных модульных элемента. Более предпочтительно он содержит по меньшей мере четыре вышеописанных модульных элемента и еще более предпочтительно он содержит все пять вышеописанных модульных элементов.

[0052] В качестве альтернативы, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит плиту 900, выполненную подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащую сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов, и по меньшей мере один, предпочтительно, по меньшей мере два модульных элемента, которые выбраны из следующих элементов:

- модуля 500 подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащего по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой;

- обода 450, выполненного с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и системы 460 уплотнений, обеспечивающей герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенной между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры;

- газораспределительного модуля 100, содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью направления газового потока, и

-- поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110; и

- модуля 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0053] Предпочтительно, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит плиту 900, выполненную подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащую сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов, а также подвижный модуль 500 подложкодержателя, выполненный с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны, и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой. Предпочтительно, оба данных модульных элемента являются подвижными, например, с возможностью вертикального перемещения независимо друг от друга. То есть панель 900 может быть перемещена таким образом, что это не повлияет на положение модуля 500 подложкодержателя, и наоборот.

[0054] Более предпочтительно, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит плиту 900, выполненную подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащую сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов, а также подвижный модуль 500 подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны, и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой, и модуль 300 контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0055] В качестве альтернативы, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит модуль 500 подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой и по меньшей мере один, предпочтительно по меньшей мере два, модульных элемента, которые выбраны из следующих элементов:

- плиты 900, выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащей сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов;

- обода 450, выполненного с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и системы 460 уплотнений, обеспечивающей герметичность камеры, как с точки зрения вакуума, так и с точки зрения электричества, и расположенной между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры;

- газораспределительного модуля 100, содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью направления газового потока, и

-- поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110; и

- модуля 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0056] Предпочтительно, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит модуль 500 подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны, и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой, и модуль 300 контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0057] В качестве альтернативы, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит обод 450, выполненный с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и систему 460 уплотнений, обеспечивающую герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры, и расположенную между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, и по меньшей мере один, предпочтительно, по меньшей мере два, модульных элемента, которые выбраны из следующих элементов:

- плиты 900, выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащей сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов;

- модуля 500 подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащего по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой;

- газораспределительного модуля 100, содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью направления газового потока, и

-- поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110; и

- модуля 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0058] В качестве альтернативы, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит газораспределительный модуль 100, содержащий съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью направления газового потока, и поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110, и по меньшей мере один, предпочтительно, по меньшей мере два модульных элемента, которые выбраны из следующих элементов:

- плиты 900, выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащей сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов;

- модуля 500 подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащего по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой;

- обода 450, выполненного с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и системы 460 уплотнений, обеспечивающей герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенной между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры;

- модуля 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа.

[0059] В качестве альтернативы, реактор 1 осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению содержит модуль 300 контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа, и по меньшей мере один, предпочтительно, по меньшей мере два, модульных элемента, которые выбраны из следующих элементов:

- плиты 900, выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащей сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов;

- модуля 500 подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащего по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой;

- обода 450, выполненного с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41, и системы 460 уплотнений, обеспечивающей герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенной между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры;

- газораспределительного модуля 100, содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью проведения газового потока, и

-- поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110.

[0060] Помимо данных модульных элементов, присущих изобретению и позволяющих быстро и с меньшими затратами получить реактор, который может быть оптимизирован для широкого диапазона условий роста, реактор согласно изобретению содержит компоненты, являющиеся основными для любого реактора осаждения с использованием микроволновой плазмы.

[0061] Микроволновый генератор 70 сконфигурирован с возможностью генерации микроволн, частота которых составляет от 300 МГц до 3000 МГц. Данные микроволны являются основными для создания стоячих волн электрического поля внутри полости. Предпочтительно, микроволновый генератор 70 сконфигурирован с возможностью генерации микроволн, частота которых составляет от 400 МГц до 2700 МГц. Еще более предпочтительно, микроволновый генератор 70 сконфигурирован с возможностью генерации микроволн, частота которых составляет от 900 МГц до 1000 МГц, чтобы с большей выгодой использовать модульность, обеспечиваемую реактором согласно изобретению. Действительно, реактор 1 согласно изобретению обладает особенными преимуществами для реакторов больших размеров, таких как реакторы, работающие на частотах от 900 МГц до 1000 МГц или же от 300 МГц до 500 МГц. Модульный реактор 1 согласно изобретению в сочетании с такими генераторами позволяет предложить целый набор дополнительных возможностей для изготовления до настоящего времени небывалых продуктов и, таким образом, удовлетворить потребности самых разнообразных отраслей промышленности.

[0062] Например, генератор способен генерировать микроволны, частота которых по существу равна 2450 МГц, 915 МГц или 433 МГц.

[0063] Существует большое число генераторов, которые могут быть использованы с реактором 1 согласно изобретению. Может быть использован, например, микроволновый генератор, способный производить мощность до 6 кВт, причем с частотой, по существу равной 2450 МГц. Также может быть использован и другой микроволновый генератор, способный производить мощность до 30 кВт, 50 кВт или даже 100 кВт, причем с частотой по существу равной 915 МГц. Также может быть использован и другой микроволновый генератор, работающий на частоте по существу равной 433 МГц.

[0064] Подача микроволн в полость или связь осуществляется с помощью модуля 80 волновой связи, выполненного с возможностью передачи микроволн от микроволнового генератора 70 к резонаторной полости 41, чтобы обеспечить возможность формирования плазмы. Модуль волновой связи позволяет инжектировать в резонаторную полость 41 волну, генерируемую микроволновым генератором 70, и для этого он содержит волновод, коаксиальный переход и микроволновый элемент связи для доставки и направления электромагнитных волн от генератора 70 волн к резонаторной полости 41. Волновод выполнен с возможностью распространения двух типов волн:

- поперечно-магнитной моды (TM_0mn), когда ось магнитного поля перпендикулярна к оси полости, а падающее магнитное поле перпендикулярно к плоскости падения (в этом случае электрическое поле находится в плоскости падения), и

- поперечно-электрической моды (TE_0mn), когда ось электрического поля перпендикулярна к оси полости, а падающее электрическое поле перпендикулярно к плоскости падения (в этом случае магнитное поле находится в плоскости падения).

[0065] Индексы m и n отображают максимальное число синусоидальных изменений электрического поля, соответственно, в радиальном направлении и по оси резонаторной полости 41 для поперечной моды TM0mn. Описание различных применимых мод специалисты могут найти в документе Silva et al. (Silva et al.2009; Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition. Journal of Physics: Condensed Matter или в документе J. Asmussen, Chap 6 of High density plasma sources, edit O A Popov, Noyes publications, 1995). Моды TM0mn позволяют получать осесимметричную плазму. Предпочтительно связь осуществляется посредством диэлектрического окна и предпочтительно охлаждение волноводной системы осуществляется, например, с помощью содержащего жидкость охлаждающего средства. Возможные и оптимальные виды связи для реакторов осаждения с использованием микроволновой плазмы описаны в литературе (Kudela terebessy et al Applied Physics Letter vol 80, N°7, 2002; D G Goodwin J. Appl. Phys. 74-11, 1993; H. Yamada, et al., DRM, 17, 2008; X. Li, et al. Physics procedia 22, 2011; J. Weng et al., DRM 30, 2012; Yutaka Ando et al., DRM, 11, 2002; Takeshi Tachibanaa et al. Diamond and Related Materials 10 2001).

[0066] Предпочтительно, мода связи в реакторе 1 (т.е. в резонаторной полости 41) согласно изобретению сконфигурирована таким образом, чтобы быть одномодовой в момент поджига плазмы, что наиболее предпочтительно в случае магнитной моды передачи. Еще более предпочтительно, система изначально сконфигурирована для работы на моде TM₀₁₁, то есть имеющей только один максимум электрического поля на оси реактора и на радиальной компоненте. Преимущество использования моды TM₀₁₁ в рамках изобретения заключается в возможности легко создавать плазму, имеющую форму, адаптированную для осаждения алмаза. Действительно, чтобы обеспечить значительное поглощение энергии на границе раздела плазма/поверхность, плазма не может иметь толщину, намного превосходящую глубину проникновения волны.

[0067] Предпочтительно, модуль 80 волновой связи расположен над резонаторной полостью 41 и содержит диэлектрическое окно 82 для инжекции волн, грань 81 которого расположена параллельно ростовой основе 51 и смещена наружу, чтобы ослабить влияние нагрева окна, обусловленное происходящей в центральной области плазмы естественной конвекцией, которая может привести к его травлению/повреждению и к возможному загрязнению алмазных слоев.

[0068] Камера 400 может иметь различные формы и размеры. Предпочтительно, камера 400 имеет цилиндрическую форму, но может иметь и другие формы. В случае, когда реактор 1 согласно изобретению содержит плиту 900 в качестве модульного элемента, позволяющего изменять высоту резонаторной камеры 41, высота камеры, измеренная от основания 441 камеры 440 до внутренней поверхности 81 волновода, может составлять, например, от 150 мм до 600 мм, предпочтительно от 200 мм до 500 мм и более предпочтительно от 350 мм до 450 мм. Все эти размеры являются особенно предпочтительными при работе на частоте микроволн в диапазоне от 900 МГц до 1000 МГц. Точно так же далее в описании настоящего изобретения, если не оговорено иное, указываемые размеры будут соответствовать модульному реактору 1, работающему на частотах от 900 МГц до 1000 МГц. Если не оговорено иное, предпочтительные размеры или условия роста для модульного реактора 1, работающего на частотах от 300 МГц до 500 МГц, могут быть получены путем умножения размеров, соответствующих модульному реактору 1, работающему на частотах от 900 МГц до 1000 МГц, на коэффициент от 3,4 до 1,8. Если не оговорено иное, предпочтительные размеры или условия роста для модульного реактора 1, работающего на частотах от 2300 МГц до 2600 МГц, могут быть получены путем деления размеров, соответствующих модульному реактору 1, работающему на частотах от 900 МГц до 1000 МГц, на коэффициент от 2,3 до 2,9.

[0069] Камера 400 согласно изобретению обычно состоит из металла, предпочтительно из алюминия или алюминиевого сплава. Алюминиевый сплав содержит по массе предпочтительно не менее 80%, более предпочтительно не менее 90% и еще более предпочтительно не менее 98% алюминия.

[0070] Резонаторная полость 41 по меньшей мере частично образована цилиндрическими внутренними стенками 420 камеры 400 реактора 1. Резонаторная полость 41 в своей нижней части образована основанием 441 камеры 400 или поверхностью 910 плиты 900. Согласно одному варианту осуществления, она также содержит модуль 500 подложкодержателя, предназначенный для вмещения ростовой основы и подложки или подложек, если его поверхность находится в электрической непрерывности с плитой 900 и стенками камеры и с любым металлическим элементом, который может оказаться в замкнутом пространстве резонаторной полости 41. Резонаторная полость предпочтительно является цилиндрической. Резонаторная полость 41 имеет ось симметрии, идущую от плоскости основания 441 камеры к плоскости поверхности 81 диэлектрического окна 82 инжекции волн, и предпочтительно адаптирована для микроволновой резонансной моды типа TM. Основание 441 может иметь диаметр, отличный от диаметра резонаторной полости 41.

[0071] Реактор 1, как тот, что представлен на фиг. 1, также содержит ростовую основу 51, расположенную в резонаторной полости 41. Данная ростовая основа 51, например, может образовать большую плоскую поверхность, предназначенную для размещения на ней одной или более подложек. Данная ростовая основа 51 может содержать выступы, круги, отверстия или канавки, позволяющие выровнять и удержать положку или подложки. Как вариант, ростовая основа 51 содержит плоскую опорную поверхность, на которой расположены подложка или подложки.

[0072] Реактор осаждения с использованием микроволновой плазмы содержит газоподводящую систему 10, выполненную с возможностью подачи газов в резонаторную полость 41. Данная газоподводящая система 10 позволяет использовать способ, при котором обрабатывающие газы инжектируют к ростовой поверхности с общим расходом газа не менее 100 см³ в минуту. Подаваемые в резонаторную полость 41 газы содержат по меньшей мере один источник углерода и один источник молекулярного водорода. Источником углерода предпочтительно является метан. Для модульного реактора 1, работающего на частотах от 900 МГц до 1000 МГц, расход газа предпочтительно составляет не менее 750 см³ в минуту, более предпочтительно не менее 1000 см³ в минуту. Внутри резонаторной полости 41 происходит активирование данных газов микроволнами с образованием плазмы в областях сильного электрического поля. Затем происходит диффузия из плазмы радикалов, содержащих химически активный углерод, и их осаждение на подложке или подложках, что, таким образом, создает возможность роста алмаза.

[0073] Газоподводящая система 10 выполнена с возможностью подачи азота в резонаторную полость 41, например, не менее 0,3 ч/млн азота. Известно, что использование азота в резонаторной полости 41 способно увеличить скорость роста алмазных слоев и повысить стабильность кристалла.

[0074] Газоподводящая система 10 выполнена также с возможностью инжекции в резонаторную полость 41 одного или более так называемых легирующих газов, содержащих такие элементы, как бор, сера, фосфор, кремний, литий и бериллий и т.п. Таким образом, газоподводящая система 10 позволяет использовать способ, в котором газы содержат по меньшей мере одну легирующую примесь в концентрации не ниже 0,01 ч/млн. Использование таких так называемых легирующих газов позволяет изменять свойства синтезируемого алмаза. Например, это позволяет изменять оптические и/или электронные свойства.

[0075] Газоподводящая система 10 выполнена также с возможностью инжекции и других газов, таких, как аргон, кислород или других обычно применяемых газов, что может оказаться полезным для осуществления некоторых стадий роста.

[0076] Газовыпускной модуль 60 позволяет удалять находящиеся в резонаторной полости 41 газы. Он содержит один или более выпусков 61 газа, расположенных предпочтительно в нижней части реактора осаждения.

[0077] Один или более выпусков 61 газа могут быть расположены вокруг и под ростовой основой 51 в соответствии с осесимметричной схемой.

[0078] Камера 400 модульного реактора осаждения с использованием микроволновой плазмы согласно изобретению может состоять по меньшей мере из двух частей, которые в собранном виде частично образуют резонаторную полость.

[0079] Принимая во внимание достигаемую температуру газа в центре плазмы (например, более 2500K и до 5000K), необходимо обеспечить исключительно эффективное охлаждение стенок реактора.

[0080] Газовая температура плазмы отражается на стенках, которые испытывают воздействие значительного теплового потока. Чтобы это исправить, как правило, используется система охлаждения стенок.

[0081] Авторы изобретения предлагают разделить камеру по меньшей мере на две части, причем каждая из данных частей содержит часть элементов, необходимых для функционирования реактора осаждения. Например, первая часть 430 камеры содержит газоподводящую систему 10 и модуль 80 волновой связи, в то время как вторая часть 440 камеры содержит газовыпускной модуль 60, ростовую основу 51, плиту 900 и, возможно, подложкодержатель.

[0082] Вторая часть 440 камеры предпочтительно выполнена съемной без необходимости отделения газоподводящей системы 10 или модуля 80 волновой связи от первой части 430 камеры.

[0083] Кроме того, реактор 1 предпочтительно содержит систему 490 охлаждения, сконфигурированную с возможностью независимого охлаждения первой части 430 камеры 430 и второй части 440 камеры.

[0084] Система 490 охлаждения может быть также сконфигурирована с возможностью более сильного снижения температуры на одной из двух частей 430, 440 камеры.

[0085] Как было упомянуто, одним из предложенных авторами изобретения модульных элементов является плита 900, выполненная с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41. Кроме того, во время функционирования реактора данная плита способна изменять форму и объем плазмы. Плита 900 показана на фиг. 2.

[0086] Преимуществом данной выполненной с возможностью вертикального перемещения плиты 900 для пользователя является возможность быстрого изменения размеров резонаторной полости 41. Однако, изменение размеров и формы резонаторной полости 41 в зависимости, например, от таких условий, как состав газа, давление, мощность, приведет к изменению диэлектрических свойств плазмы и, следовательно, ее формы и, таким образом, к изменению локальных условий роста алмазной пленки. Преимуществом плиты 900 согласно изобретению является возможность ее сдвига перед какой-либо стадией роста, а также в процессе какой-либо стадии роста. Это дает возможность пользователю изменять форму, характеристики и положение плазмы, чтобы адаптировать их к положению поверхности во время роста подложки и на этапе синтеза.

[0087] Плита 900 может иметь толщину, например, в пределах от 1 см до 10 см. Толщина плиты 900 не должна быть слишком большой, чтобы уменьшить количество материалов, используемых для ее изготовления, но она должна быть достаточной, чтобы помешать деформации, которая может быть вызвана плазмой во время эксперимента, и чтобы иметь возможность в случае необходимости поместить канал или каналы охлаждения. Предпочтительно, плита 900 имеет толщину от 2 см до 8 см.

[0088] Плита 900 может быть выполнена из различных металлических материалов. Предпочтительно, она содержит молибден, медь, алюминий и/или алюминиевый сплав.

[0089] Кроме того, как показано на фиг. 2, плита согласно изобретению содержит сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов. Это особенно полезно, когда в нижней части камеры расположены один или более выпусков 61 газа. Предпочтительно, плита 900 содержит от 5 до 15 сквозных отверстий 911. Данные сквозные отверстия предпочтительно имеют цилиндрическую форму и диаметр от 1 см до 5 см. Данные сквозные отверстия предпочтительно являются вертикальными и, например, перпендикулярными к верхней грани 910 плиты 900.

[0090] Предпочтительно, сквозные отверстия 911 расположены на концах плиты, то есть вблизи наружного края плиты. Кроме того, сумма площадей данных сквозных отверстий 911 на верхней поверхности плиты 900 предпочтительно составляет от 4 см² до 100 см².

[0091] Возможность поступательного перемещения плиты 900 обеспечивается, например, домкратами 920, к которым она присоединена. Данные домкраты предпочтительно расположены снаружи объема, образованного камерой 400. Их можно заменить любым механизмом, обеспечивающим медленное и точное перемещение плиты 900. Данная плита 900 также может быть соединена с сильфонами или с направляющей системой, чтобы улучшить ее вертикальное перемещение.

[0092] Плита 900 во время ее функционирования может подвергаться воздействию очень высоких температур. Таким образом, чтобы с одной стороны ограничить деформацию или избежать ее, а с другой стороны уменьшить нарушение плазмы, плита 900 может содержать по меньшей мере один канал 930 охлаждения, присоединенный к системе 940 охлаждения и выполненный с возможностью охлаждения указанной плиты 900.

[0093] Предпочтительно, плита 900 является съемной. Ее можно легко извлечь и заменить другой плитой 900, которая может иметь отличные размеры и/или форму и может быть выполнена с возможностью ее соединения с системой приведения в вертикальное перемещение и/или с системой 940 охлаждения.

[0094] Поверхность плиты 900 предпочтительно является плоской, однако плита 900 может иметь выемку в центре. Такая выемка способна вмещать подложкодержатель и предназначена для его точного позиционирования внутри полости.

[0095] Плита 900 может содержать подчасть в форме сплошного диска, однако, предпочтительно, плита 900 может содержать подчасть в форме сплошного диска с удаленным из него центром, как это показано на фиг. 2.

[0096] Плита 900 может иметь верхнюю грань 910, площадь которой больше на 50%, предпочтительно больше на 60% площади поперечного сечения камеры 400 на уровне ростовой основы 51. Так, предпочтительно, плита 900 имеет верхнюю грань 910, площадь которой составляет от 60% до 95% площади поперечного сечения камеры 400 на уровне ростовой основы 51, более предпочтительно площадь составляет от 70% до 90% площади поперечного сечения камеры 400 на уровне ростовой основы 51, еще более предпочтительно площадь составляет от 80% до 90% площади поперечного сечения камеры 400 на уровне ростовой основы 51. Данные размеры позволяют более эффективно модулировать плазму, чем в случае плиты небольшой площади. В приведенных цифрах не учтены сквозные отверстия 911.

[0097] Предпочтительно, плита 900 имеет верхнюю поверхность 910 большей площади, чем площадь ростовой основы 51. Предпочтительно, плита 900 имеет верхнюю поверхность 910, площадь которой составляет более 1500% площади ростовой основы 51 и еще более предпочтительно, плита 900 имеет верхнюю поверхность 910, площадь которой составляет более 550% площади ростовой основы 51 для реактора типа 900 МГц – 1000 МГц.

[0098] Предпочтительно, плита 900 может включать систему 960 элементов, выполненных с возможностью поддержания электрического контакта с внутренними стенками 420 камеры 400 и, следовательно, поддержания электрической непрерывности с камерой, а также с модулем 500 подложкодержателя в том случае, если модуль 500 подложкодержателя является составной частью резонаторной полости 41. Данные элементы 960 могут, например, содержать сплав меди с бериллием или быть выполнены из него.

[0099] Другим предложенным авторами изобретения модульным элементом является модуль 500 подложкодержателя, находящийся в контакте с четвертью 501 длины волны и содержащий по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой, и сконфигурированный с возможностью вертикального перемещения и вращения ростовой основы 51. Данный модуль 500 подложкодержателя показан на фиг. 2.

[00100] Предпочтительно, модуль 500 подложкодержателя является съемным и обладает преимуществом, заключающимся в возможности его легкого извлечения из реактора с целью замены другим съемным модулем 500 подложкодержателя.

[00101] Модуль 500 подложкодержателя согласно изобретению обладает тем преимуществом, что он выполнен с возможностью вертикального перемещения. Данное вертикальное перемещение может быть обеспечено различными средствами, такими как двигатель или ручной привод. Данное перемещение позволяет улучшить управление температурой ростовых поверхностей и их однородностью.

[00102] Предпочтительно, модуль 500 подложкодержателя содержит сильфоны 550, выполненные с возможностью обеспечения подвижности в вертикальном перемещении ростовой основы 51. Сильфоны 550 предпочтительно расположены под плитой 900.

[00103] Модуль 500 подложкодержателя согласно изобретению также обладает тем преимуществом, что выполнен с возможностью перемещения во вращении. Данное вращение может быть обеспечено различными средствами, такими как двигатель или ручной привод. Предпочтительно, модуль 500 подложкодержателя присоединен к двигателю, соединенному с осью подложкодержателя и расположенному снаружи объема, образованного камерой 400, выполненной с возможностью обеспечения подвижности во вращении ростовой основы 51.

[00104] Кроме того, модуль 500 подложкодержателя находится в контакте с четвертью 501 длины волны, выполненной с возможностью распространения микроволн за пределами резонаторной полости 41. Четверть 501 длины волны является металлической конструкцией с цилиндрической симметрией и образующей в продольном разрезе четверть длины волны. Четверть 501 длины волны согласно изобретению показана на фиг. 2. Четверть 501 длины волны находится в прямом или опосредованном контакте с модулем 500 подложкодержателя и предпочтительно соединена электрически с модулем 500 подложкодержателя, еще более предпочтительно она находится в прямом или опосредованном контакте с модулем 500 подложкодержателя и соединена электрически с модулем 500 подложкодержателя посредством электропроводного средства 503. Предпочтительно, когда модульный реактор 1 согласно изобретению содержит плиту 900 и модуль 500 подложкодержателя, четверть 501 длины волны может быть электрически изолирована от плиты 900 и соединена электрически с модулем 500 подложкодержателя. Электрическая изоляция может быть выполнена с помощью изолирующего средства 502, содержащего электроизоляционный материал и выполненного с возможностью электрической изоляции плиты 900 от четверти 501 длины волны и, например, может содержать блок ПТФЭ (политетрафторэтилена) или уплотнение из ПТФЭ. Электрическое соединение между модулем 500 подложкодержателя и четвертью 501 длины волны может быть выполнено с помощью электропроводного средства 503, содержащего электропроводный материал и выполненного с возможностью проведения электрического тока между модулем 500 подложкодержателя и четвертью 501 длины волны. Электрическое соединение между модулем 500 подложкодержателя и четвертью 501 длины волны предпочтительно выполнено через содержащее смесь меди и бериллия электропроводное средство 503. Конкретные схемы расположения четверти 501 длины волны внутри модульного реактора 1 представлены на фиг. 3. Фиг. 3A, 3B и 3C показывают, что четверть 501 длины волны предпочтительно соединена с подвижной плитой 900 с помощью электроизоляционного средства 502 и что она входит в контакт с модулем 500 подложкодержателя через электропроводное средство 503. Четверть 501 длины волны может быть, например, расположена под (фиг. 3A) или над (фиг. 3B и 3C) подвижной плитой 900.

[00105] Модуль 500 подложкодержателя содержит по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой, выполненную с возможностью обеспечения циркуляции теплоносителя в виде текучей среды (например, воды) в модуле 500 подложкодержателя. Данная охлаждающая текучая среда позволяет справиться с повышением температуры ростовой основы 51 и, следовательно, подложки. Предпочтительно, охлаждающая текучая среда представляет собой охлаждающую жидкость, которая может быть выбрана, например, из воды, воды с добавками, силиконового масла и пр. Предпочтительно, канал 521 распределения текучей среды соединен с распределительной камерой 522, выполненной с возможностью распределения теплоносителя в виде текучей среды под верхней поверхностью модуля 500 подложкодержателя.

[00106] Охлаждение ростовой основы 51 с помощью системы 520 охлаждения текучей средой необходимо, но, как правило, не обеспечивает возможности достаточно точного контроля температуры ростовой основы 51 и ростовой поверхности подложки или подложек. Так, как это показано на фиг. 4, модуль 500 подложкодержателя предпочтительно содержит по меньшей мере один газораспределительный канал 210, соединенный с системой 200 управления термостойкими газами и выполненный с возможностью распределения термостойкого газа вблизи ростовой основы 51.

[00107] Термостойким газом может быть, например, смесь, содержащая аргон, водород и/или гелий. Использование термостойкого газа позволяет осуществлять точное управление температурой ростовой основы 51 и подложки и, следовательно, оптимизировать рост алмаза.

[00108] Площадь верхней поверхности подложкодержателя, параллельная ростовой основе 51, составляет от 5% до 30% площади поперечного сечения камеры 400 на уровне ростовой основы 51. Например, в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном с возможностью работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, площадь верхней поверхности подложкодержателя, параллельная ростовой основе 51, составляет от 50 см² до 300 см², предпочтительно от 50 см² до 250 см².

[00109] Подложкодержатели предшествующего уровня техники часто имеют небольшой объем и занимают небольшое место в реакторе осаждения. Авторы настоящего изобретения разработали модуль 500 подложкодержателя, выполненный с множеством функциональных возможностей и имеющий значительный объем. Такой значительный объем модуля 500 подложкодержателя согласно изобретению при его вертикальном перемещении обеспечивает возможность существенного изменения резонаторной полости 41 и, следовательно, плазмы. Данный значительный объем также позволяет вместить различные функциональные возможности подложкодержателя согласно изобретению (например, охлаждение текучей средой, термостойкими газами, вращательную систему и т.п.). Таким образом, благодаря своему объему и его способности обеспечивать возможность вертикального перемещения ростовой основы 51, такой модуль 500 подложкодержателя может быть использован для оптимизации параметров роста. В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, модуль 500 подложкодержателя предпочтительно имеет объем от 1000 см³ до 10000 см³.

[00110] Точно так же предпочтительно модуль 500 подложкодержателя имеет постоянный диаметр (или площадь в поперечном сечении), по существу идентичный диаметру (или площади) ростовой основы 51.

[00111] Кроме того, модуль 500 подложкодержателя может быть при необходимости электрически изолирован от резонаторной полости 41, камеры 400 и/или плиты 900 согласно изобретению. Это позволяет обеспечить другой электрический потенциал между модулем 500 подложкодержателя и резонаторной полостью 41. Предпочтительно, модуль 500 подложкодержателя электрически изолирован от других элементов реактора 1. При использовании реактора согласно изобретению данный отличительный признак может обеспечить возможность вертикального перемещения модуля 500 подложкодержателя без значительного изменения формы плазмы. Например, модуль 500 подложкодержателя может быть изолирован посредством цилиндра из ПТФЭ с отверстиями, уплотнения из ПТФЭ или других электроизоляционных материалов, размещаемых между модулем 500 подложкодержателя и плитой 900.

[00112] Когда реактор содержит модуль 500 подложкодержателя в комбинации с плитой 900, то плита 900, как преимущество, может содержать средства 970, способные к электроизоляции (например, уплотнения или блоки из ПТФЭ или других электроизоляционных материалов), позволяющие выполнить электрическую изоляцию между модулем 500 подложкодержателя и плитой 900. Кроме того, основание камеры на уровне отверстия, обеспечивающего прохождение модуля 500 подложкодержателя, может содержать изоляционное средство 980, содержащее электроизоляционный материал (например, уплотнение), позволяющее электрически изолировать модуль 500 подложкодержателя от камеры 400. Предпочтительно, основание камеры на уровне обеспечивающего прохождение модуля 500 подложкодержателя отверстия содержит систему уплотнений, позволяющую электрически изолировать модуль 500 подложкодержателя от камеры.

[00113] Предпочтительно, средство, позволяющее обеспечить электроизоляцию, состоит из ПТФЭ. В данном варианте осуществления проходящие внутри подложкодержателя текучая среда или текучие среды не являются проводниками или являются плохими проводниками. Можно, например, использовать деионизированную воду или силиконовое масло. Например, удельная проводимость текучей среды ниже 50 мкС/см, предпочтительно ниже 20 мкС/см. Это позволяет электрически изолировать плиту 900 и/или камеру 400 от модуля 500 подложкодержателя и, следовательно, устранить его влияние на характеристики центра плазмы.

[00114] Как описано выше, модуль 500 подложкодержателя может включать связь с системой 200 управления термостойкими газами. Чтобы иметь возможность управлять условиями роста, необходимо управлять теплопереносами, чтобы наилучшим образом контролировать распределение температуры на уровне ростовой основы 51 и ростовой поверхности. Основной зоной контроля для данных теплопереносов является зона роста алмаза на уровне подложки. Однако предполагается, что на уровне ростовой основы 51 в зависимости от формы и расположения подложки, а также от ожидаемого результата (например, толщины, скорости роста, ориентации роста) охлаждение не будет одинаковым. Таким образом, чтобы иметь возможность точно контролировать охлаждение на уровне ростовой основы 51, авторы изобретения разработали еще один модульный элемент, состоящий из модуля 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, которое может быть легко заменено между двумя стадиями роста и приведено в соответствие к требуемому росту. Данный модуль 300 контроля охлаждения подложки показан на фиг. 5А и 5В. В качестве преимущества, данную систему в процессе роста можно модулировать по высоте.

[00115] Как показано на фиг. А, модуль 300 контроля охлаждения подложки содержит съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа. Модуль 300 контроля охлаждения подложки предпочтительно позволяет поддерживать на ростовой поверхности температуру от 600°C до 1400°C и управлять пространственным распределением температурного градиента между ростовой поверхностью и подложкодержателем. Для ультрананокристаллических алмазных слоев требуются температуры от 150°C до 400°C.

[00116] Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа согласно изобретению включает один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа. Впуск 333 термостойкого газа может быть соединен с выпусками 331 термостойкого газа посредством распределительной камеры 332.

[00117] Впуск 333 термостойких газов предпочтительно расположен в центре съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа. Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа может содержать несколько впусков 333 термостойкого газа. Существование нескольких впусков 333 термостойкого газа позволяет управлять использованием термостойкого газа или смеси из различных термостойких газов. Например, один впуск предназначен для первого термостойкого газа, а другой впуск – для другого термостойкого газа. Впуски 333 термостойкого газа могут быть соединены с разными распределительными камерами 332. Кроме того, наличие нескольких впусков 333 термостойкого газа позволяет инжектировать различные газы с независимо регулируемыми концентрациями или скоростями.

[00118] Впуск 333 термостойкого газа в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, может иметь диаметр, составляющий, например, от 1 мм до 10 мм. Предпочтительно, впуск 333 термостойкого газа имеет диаметр от 3 мм до 7 мм.

[00119] Распределительная камера 332 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа позволяет улучшить равномерность пространственного распределения термостойких газов на уровне ростовой основы 51. В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, объем распределительной камеры 332 предпочтительно может составлять от 0 мм³ до 16000 мм³. Предпочтительно, объем распределительной камеры или распределительных камер 332 уменьшен с тем, чтобы увеличить теплоперенос между подложкодержателем и ростовой основой 51. Так, предпочтительно значительно уменьшена высота распределительной камеры 332, например, она составляет от 0,02 мм до 5 мм, предпочтительно от 0,05 мм до 1 мм. К тому же, распределительная камера 332 может не иметь основания, как показано на фиг. 5A.

[00120] Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа может содержать несколько смесительных камер.

[00121] Один или более выпусков 331 термостойкого газа предпочтительно расположены таким образом, чтобы инжектировать термостойкий газ под ростовую основу 51. Их задача состоит в том, чтобы управлять охлаждением ростовой основы 51 и, следовательно, управлять температурой ростовой поверхности. Учитывая, что данные выпуски размещены на съемном устройстве 330 для инжекции термостойкого газа, то благодаря изобретению между каждой стадией роста можно легко варьировать несколько факторов, основных для оптимизации условий роста и относящихся к выпускам термостойкого газа, как, например: их число, их ориентацию и их плотность. Модулирование этих параметров позволяет обеспечить характеристики модулирования охлаждения ростовой основы 51, адаптированные к желаемому росту.

[00122] Расстояние между выпусками 331 термостойкого газа и ростовой основой 51 может влиять на рост алмазных слоев. Данное расстояние может быть одинаковым по всей ростовой основе 51 и уменьшено в случае, когда требуются относительно невысокие температуры роста. Таким образом, модуль 300 контроля охлаждения подложки предпочтительно может содержать средства 320 позиционирования, которые могут быть независимыми от съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа или встроенными в него.

[00123] Средства позиционирования 320 согласно изобретению могут иметь различные формы, такие, как например, гексаэдр, куб или параллелепипед, призма, цилиндр.

[00124] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, предпочтительно, чтобы средства 320 позиционирования согласно изобретению имели высоту менее 800 мкм, более предпочтительно менее 500 мкм и еще более предпочтительно менее 250 мкм. Средства 320 позиционирования, как правило, имеют высоту больше 5 мкм.

[00125] Кроме того, предпочтительно, чтобы в случае использования нескольких средств 320 позиционирования согласно изобретению, данные средства имели разброс по высоте менее 10%, предпочтительно менее 5%, еще более предпочтительно менее 2%. Действительно, в рамках настоящего изобретения наличие средства 320 позиционирования, имеющего очень небольшой разброс по высоте, приводит к более оптимальному контролю температуры ростовой поверхности и, следовательно, более управляемому росту.

[00126] В качестве альтернативы, данные средства 320 позиционирования предпочтительно могут иметь значимые различия в высоте, позволяющие модулировать характеристики охлаждения ростовых поверхностей. Тем не менее, желательно, чтобы ростовая основа 51 была установлена параллельно поверхности основания 441 камеры.

[00127] Данные средства 320 позиционирования могут быть съемными и предпочтительно поддерживаться в положении по отношению к ростовой основе 51 посредством таких выемок в нижней поверхности ростовой основы 51, как пазы. Таким образом, ростовая основа 51 может содержать на своей нижней поверхности выемки, выполненные с возможностью вмещения средств 320 позиционирования. Данные выемки имеют площадь поперечного сечения предпочтительно от 0,5 см² до 5 см², глубину менее 1 см, предпочтительно менее 5 мм. Таким образом, ростовая основа 51 может содержать от 3 до 30 выемок, предпочтительно от 3 до 15, еще более предпочтительно от 3 до 7 выемок. Данные выемки могут иметь различные формы поперечного сечения (например, круглые, прямоугольные, квадратные).

[00128] Кроме того, данные средства 320 позиционирования средств могут быть подвижными с возможностью вертикального перемещения и соединены со средством вертикального перемещения, позволяющим осуществлять медленное и точное перемещение данных средств 320 позиционирования. Целью такого вертикального перемещения является изменение расстояния между ростовой основой 51 и устройством 330 для инжекции термостойких газов, или модулем 500 подложкодержателя, или подложкодержателем. Средство вертикального перемещения может быть выбрано, например, из таких средств, как домкраты, сильфоны или приводы. Такая подвижность в вертикальном направлении позволяет в ходе роста изменять расстояние между устройством 330 для инжекции термостойких газов и ростовой основой 51 с тем, чтобы получить дополнительный уровень контроля температуры ростовой поверхности или ростовых поверхностей.

[00129] Средства позиционирования 320 согласно изобретению могут быть выполнены из самых разных материалов, например, из металла, диэлектрического материала или графита, или из другого материала высокой чистоты или из многослойного материала.

[00130] Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа предпочтительно может иметь небольшую высоту, чтобы увеличить теплоперенос между системой охлаждения подложкодержателя и ростовой основой 51. Таким образом, предпочтительно, съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа имеет высоту менее 1 мм, более предпочтительно менее 100 мкм. Кроме того, данные высоты можно модулировать в зависимости от толщины ростовой основы 51.

[00131] Действительно, предпочтительно съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа сконфигурировано таким образом, чтобы расстояние между съемным устройством 330 для инжекции термостойкого газа и подложкодержателем 50 (или модулем 500 подложкодержателя) было менее 200 мкм, предпочтительно менее 50 мкм и еще более предпочтительно менее 10 мкм. Они также могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы устройство 330 и подложкодержатель 50 находились в контакте на поверхности, по меньшей мере равной поверхности ростовой основы 51.

[00132] Как показано на фиг. 5В, в съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа может быть встроена ростовая основа 51. Преимуществом этого является улучшение теплообменов и, следовательно, обеспечение лучшего охлаждения подложки или подложек. Данная конфигурация, в частности, позволяет путем устранения части пустых пространств, которые могут существовать между подложкодержателем 50 и ростовой основой 51, оптимизировать контроль температуры верхней поверхности ростовой основы 51.

[00133] Например, модуль 300 контроля охлаждения подложки позволяет использовать способ, в котором осуществляется выбрасывание термостойких газов из системы охлаждения к резонаторной полости 41 с общим расходом газов не менее 20 ст.см³/мин предпочтительно не менее 50 ст.см³/мин.

[00134] Модуль 300 контроля охлаждения подложки согласно изобретению предпочтительно может быть использован в комбинации с модулем 500 подложкодержателя согласно изобретению, но он может также использоваться и с традиционными подложкодержателями. Действительно, традиционные подложкодержатели могут содержать один или более выпусков термостойкого газа, в которые можно было бы встроить модуль 300 контроля охлаждения подложки согласно изобретению.

[00135] Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа дает пользователям возможность тонкого модулирования распределения термостойкого газа и его адаптации к условиям роста желаемых алмазных слоев. Действительно, во время роста алмаза управление температурой на уровне подложки должно быть адаптировано в зависимости от положения одной или более подложек в резонаторной полости 41, используемого для роста состава газа, условий давления и мощности, числа растущих алмазных подложек (или размера слоя поликристаллического алмаза), характеристик растущих (поликристаллических, монокристаллических) алмазных слоев и от предполагаемой длительности реакции роста. В этой ситуации данное устройство особенно полезно в рамках оптимизации условий роста.

[00136] Кроме того, выпуски 331 термостойкого газа обладают преимуществом, заключающимся в распределении термостойкого газа таким образом, чтобы получить оптимальное распределение температуры подложки по всей ростовой поверхности. Тем не менее, их недостатком является возможность засорения. Существование такого съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа делает возможной замену данной детали без необходимости замены всех деталей, соединенных с таким модулем охлаждения.

[00137] Авторы изобретения также оптимизировали распределение выпусков в съемном устройстве 330 для инжекции термостойкого газа таким образом, чтобы обеспечить оптимальное распределение газа по отношению к росту монокристалла или монокристаллов алмаза и поликристаллического алмазного слоя. Преимущество использования съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа состоит в том, что оно позволяет легко варьировать несколько параметров, таких как размеры выпусков или плотность выпусков.

[00138] Как показано на фиг. 6А, выпуски 331 термостойкого газа могут иметь различные формы. Например, в поперечном сечении выпуски 331 могут иметь форму круга, квадрата, прямоугольника, ромба. Форма данного сечения может различаться у двух выпусков 331, а также и в пределах одного и того же выпуска 331 в зависимости от того, как смотреть на сечение выпуска 331 – со стороны внутренней поверхности 336 или со стороны наружной поверхности 335 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа. Предпочтительно, сечение выпусков 331 имеет форму круга.

[00139] Как показано на фиг. 6В, выпуски 331 термостойкого газа могут иметь различные площади сечения. Например, полное сечение выпусков 331 может иметь площадь, составляющую от 5% до 15% площади ростовой основы 51. Площадь данного сечения может различаться у двух выпусков 331, а также и в пределах одного и того же выпуска 331 в зависимости от того, как смотреть на сечение выпуска 331 – со стороны внутренней поверхности 336 или со стороны наружной поверхности 335 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа.

[00140] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, каждый выпуск 331 термостойкого газа может иметь диаметр на внутренней поверхности 336 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа от 0,2 мм до 5 мм, предпочтительно от 0,5 мм до 3 мм.

[00141] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, каждый выпуск 331 термостойкого газа может иметь диаметр на наружной поверхности 335 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа от 0,5 мм до 3 мм.

[00142] Диаметры выпусков 331 термостойкого газа как на внутренней поверхности 336, так и на наружной поверхности 335 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы получить оптимальное распределение термостойкого газа или термостойких газов по всей поверхности, эквивалентной ростовой основе 51.

[00143] Кроме того, внутри одного и того же съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа диаметры выпусков 331 термостойкого газа как на внутренней поверхности 336, так и на наружной поверхности 335 съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа могут быть одинаковыми, но также и различаться в зависимости от положения выпуска в съемном устройстве 330 для инжекции термостойкого газа относительно оси симметрии реактора.

[00144] Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа согласно изобретению позволяет с легкостью варьировать плотность выпусков и обеспечивает возможность модулирования сети выпусков 331 термостойкого газа.

[00145] Так, например, съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа имеет плотность выпусков 331 термостойкого газа не менее 1 выпуска / см². Плотность выпусков 331 термостойкого газа измеряется путем деления числа выпусков, имеющихся на съемном устройстве 330 для инжекции термостойкого газа, на площадь поверхности устройства для инжекции, расположенной напротив ростовой основы 51. Съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа может иметь плотность выпусков, значительно превышающую 1 выпуск / см². Действительно, высокая плотность выпусков позволяет оптимизировать поток термостойкого газа в процессе использования, а также модулировать температуру подложки или подложек, чтобы получить равномерное по толщине формирование однородного алмаза с высокими скоростями на относительно большой поверхности. Так, в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, предпочтительно, чтобы съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа имело среднюю плотность выпусков 331 термостойкого газа от 0,1 до 5 выпусков на см², более предпочтительно, чтобы оно имело среднюю плотность от 0,1 до 3 выпусков на см², еще более предпочтительно, чтобы оно имело среднюю плотность от 0,2 до 2 выпусков на см². Помимо такой возможной модульности плотности выпусков 331 термостойкого газа, позволяющей модулировать распределение термостойкого газа между каждым экспериментом, использование нескольких впусков 333 термостойкого газа и/или распределительных камер 332 позволяет модулировать распределение термостойкого газа в процессе эксперимента.

[00146] При такой плотности выпусков 331 термостойкого газа съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа может содержать не менее 5, например, не менее 10, предпочтительно не менее 20 и более предпочтительно не менее 50 выпусков.

[00147] Верхняя наружная поверхность съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа, то есть поверхность, наиболее близко расположенная к ростовой основе 51, может принимать несколько форм, таких как круг, квадрат, прямоугольник, эллипс, часть круга. Предпочтительно, форма верхней наружной поверхности съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа по существу идентична форме ростовой основы 51.

[00148] Как и в случае диаметров выпусков, плотность выпусков в одном и том же съемном устройстве 330 для инжекции термостойкого газа может варьировать в зависимости от местонахождения в устройстве 330 для инжекции.

[00149] Другим из модульных элементов, предлагаемых авторами изобретения, является обод 450, выполненный с возможностью его расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменять форму и/или объем резонаторной полости 41. Кроме того, один или более ободов 450 согласно изобретению могут иметь много дополнительных функций, таких как, например, изменение формы резонаторной полости 41, инжекций газа, окон для наблюдения за ростом, измерение температуры и/или анализ подложек (например, высота, цвет). Обод 450 показан на фиг. 7. Модульный реактор 1 согласно изобретению может содержать один или более ободов 450, предпочтительно один или два обода 450. Как показано на фиг. 7, ободы 450 могут быть установлены на разных высотах камеры 400 и предпочтительно на уровне резонаторной полости 41. Кроме того, обод 450 согласно изобретению может обеспечивать возможность инжекции ростового газа и/или термостойкого газа.

[00150] Как показано на фиг. 7, обод 450 позволяет варьировать геометрию резонаторной полости 41 и, например, увеличивать высоту между волноводом 82 и основанием 441 камеры 400. Данный модульный элемент выполнен с возможностью оптимизации пространственных распределений температуры газа и плотности атомарного Н в плазме таким образом, чтобы оптимизировать их на границе раздела плазма/поверхность. Данная модульность предпочтительно сочетается с модульностью, обеспечиваемой плитой 900, чтобы предоставить пользователю большой диапазон размеров, позволяющий адаптировать конфигурацию резонаторной полости 41 к желаемому росту. Для данного применения обод 450 предпочтительно является металлическим ободом. Он может, например, содержать алюминий или какой-либо сплав алюминия или состоять из него.

[00151] Первая часть камеры может, например, содержать газоподводящую систему и модуль волновой связи. Вторая часть камеры может, например, содержать газовыпускной модуль и ростовую основу. Когда модульный реактор 1 согласно изобретению содержит два обода, то предпочтительно один обод 450 выполнен с возможностью его расположения между первой частью 430 камеры и третьей частью 470 камеры и один обод 450 выполнен с возможностью его расположения между второй частью 440 камеры и третьей частью 470 камеры.

[00152] В качестве альтернативы, обод 450 может, например, содержать такой диэлектрический материал, как кварц, или состоять из него. Действительно, обод 450, содержащий кварц или состоящий из него, позволяет наблюдать за ростом и последовательными осаждениями алмазных слоев. Таким образом, предпочтительно обод 450 содержит диэлектрический материал, например, в форме диэлектрического смотрового окна (например, люков). Обод 450 также может состоять на 20% - 80% из диэлектрического материала. Диэлектрический материал может иметь вид кольцевидного окна или же быть интегрированным в обод 450 в форме плоского окна, способного принимать различные формы (например, прямоугольника, квадрата, круга).

[00153] Обод 450 может содержать средство инжекции газа, предпочтительно радиальное. Данное средство инжекции выполнено с возможностью инжекции такого газа, как аргон или же инжекции легирующих газов или метана вблизи ростовой основы 51.

[00154] Первая часть 430 камеры предпочтительно содержит газоподводящую систему 10 и модуль 80 волновой связи. Вторая часть 440 камеры предпочтительно содержит газовыпускной модуль 60 и ростовую основу 51.

[00155] Система уплотнений 460 расположена между ободом 450 и, соответственно, первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры. Система уплотнений 460 обеспечивает герметичность с точки зрения вакуума и электрическую непрерывность стенок камеры. Система уплотнений 460 может содержать несколько уплотнений, которые могут состоять из одинаковых или разных материалов, например, содержать материалы, выбранные из меди, бериллия, сочетание меди с бериллием или же пасту, содержащую частицы, например, такого металла, как серебро. Предпочтительно, система 460 уплотнений содержит бериллий и предпочтительно смесь меди с бериллием. Данное уплотнение может иметь различный вид, например, вид металлической оплетки или пасты, содержащей металлические частицы, например, серебра. Система уплотнений 460 для обеспечения вакуумной герметичности также может содержать такой фторполимер, как витон. Система уплотнений 460, обеспечивающая электропроводность стенок камеры и герметичность резонаторной полости 41, может состоять из первого уплотнения или комплекта уплотнений, используемого для соединения первой части 430 камеры и второй части 440 камеры, а также из второго уплотнения или комплекта уплотнений, соединенного с ободом 450.

[00156] Обод 450 может иметь широкий диапазон толщин и высот. Предпочтительно, в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, обод 450 имеет высоту от 1 см до 20 см, более предпочтительно, обод 450 имеет высоту от 1 см до 10 см, еще более предпочтительно, обод 450 имеет высоту от 3 см до 10 см.

[00157] Предпочтительно обод 450 выполнен с возможностью его размещения между устройством 80 волновой связи и основанием 441 камеры или плитой 900. При этом обод 450 предназначен для его установки между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, он может по существу повторять форму внутренней и наружной стенок камеры 400. В случае цилиндрической камеры 400 данный обод 450 может принимать форму кольца.

[00158] Предпочтительно, в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, обод 450 имеет толщину от 1 см до 10 см. Более предпочтительно, обод 450 имеет толщину от 3 см до 10 см. В соответствии с одним вариантом осуществления обод 450 по всей его высоте имеет постоянную толщину, например, такую же, как толщина стенок камеры 400. В качестве альтернативы, обод 450 может иметь переменную толщину по высоте, в частности, толщину, превышающую толщину стенок камеры. Таким образом, при этих условиях обод 450 способен вызывать деформацию резонаторной полости 41, как показано на фиг. 7. Когда обод 450 используется для создания деформации резонаторной полости 41, его располагают предпочтительно вблизи ростовой основы 51.

[00159] Предпочтительно, обод 450 выполнен с возможностью его размещения между двумя частями камеры, имеющими по существу идентичные формы поперечного сечения, более предпочтительно – идентичные. В качестве альтернативы, обод 450 выполнен с возможностью размещения между двумя частями камеры, имеющими разные формы поперечного сечения, и в этом случае он позволяет осуществить стык между обеими данными частями камеры разной формы.

[00160] Помимо обеспечиваемой данным модульным элементом возможности варьировать размеры резонаторной полости 41 и, следовательно, параметры роста, данный обод 450 может быть присоединен к системе 600 охлаждения, сконфигурированной для независимого охлаждения первой части 430 камеры и второй части 440 камеры. Таким образом, обод 450 может быть размещен на уровне высоты формирования плазмы и получать более сильное охлаждение, чем другие части камеры. Данный модульный элемент в этом случае позволяет адаптировать охлаждение к реальным потребностям реактора 1.

[00161] Таким образом, предпочтительно, обод 450 присоединен к системе охлаждения, сконфигурированной для независимого охлаждения первой части 430 камеры и/или второй части 440 камеры. Более предпочтительно, система 600 охлаждения сконфигурирована для более значительного снижения температуры на ободе 450, чем на первой части 430 и/или на второй части 440 камеры 400. Система 600 охлаждения может быть также сконфигурирована для независимого охлаждения модуля 80 волновой связи.

[00162] Обод 450 может одновременно совмещать несколько функций, например, поднятие полости, инжекция газов и создание утолщения из металла в соответствующей части резонаторной полости 41 или, напротив, деформации наружу.

[00163] Фиг. 8 показывает микроволновый плазменный реактор, аналогичный реактору, представленному на фиг. 1. Представленная на фиг. 8 компоновка отличается тем, что в ней имеется модуль 500 подложкодержателя и тем, что газовпускная система 10 содержит газораспределительный модуль 100.

[00164] Данный газораспределительный модуль 100 содержит съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью проведения газового потока к ростовой основе 51. Данный газораспределительный модуль 100 является модульным элементом согласно изобретению, таким образом, он позволяет между каждой стадией роста легко варьировать несколько факторов, являющихся основными для оптимизации условий роста:

- число газовпускных форсунок,

- ориентацию форсунок и

- плотность форсунок.

[00165] Модулирование этих параметров позволяет обеспечить хорошие характеристики течения газа, создавая ламинарное течение газового потока. Как показано на фиг. 8, внутренняя грань 11 съемной газораспределительной пластины 110 соответствует грани, ориентированной к резонаторной полости 41 и частично образующей последнюю.

[00166] Кроме того, газораспределительный модуль 100 содержит поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110. Данное поддерживающее устройство 120 присоединено к системе охлаждения, предпочтительно к системе охлаждения текучей средой. Такое соединение позволяет установить тепловой мостик, обеспечивающий возможность охлаждения съемной газораспределительной пластины 110. Съемная газораспределительная пластина 110 может быть положена на поддерживающее устройство 120, но также она может быть расположена таким образом, чтобы поддерживающее устройство 120 находилось над съемной газораспределительной пластиной 110, или чтобы поддерживающее устройство 120 окружало съемную газораспределительную пластину 110.

[00167] Данный газораспределительный модуль дает пользователям возможность точного модулирования распределения газа и его адаптации к условиям роста желаемых алмазных слоев. Действительно, в процессе роста алмаза распределение газа в резонаторной полости 41 должно быть адаптировано в зависимости от положения подложки или подложек, числа подложек, формы подложки или подложек и предположительного времени реакции. В этом случае данный модуль особенно полезен с точки зрения оптимизации условий роста. Например, использование реактора осаждения, содержащего газораспределительный модуль 100 согласно изобретению, в способе выращивания алмаза может обеспечить возможность синтеза крупного монокристаллического алмаза, имеющего по существу однородную концентрацию легирующей примеси, или выращивание большего числа культивируемых монокристаллов алмаза за один раз (за один эксперимент) или же поликристаллического алмазного слоя. Газораспределительный модуль 100 поддерживается предпочтительно в центральной части охлаждаемой волноводной системы.

[00168] Кроме того, классические газораспределительные форсунки обладают преимуществом квазиравномерного распределения газа, но имеют недостаток, заключающийся в возможности их засорения. Наличие такого газораспределительного модуля обеспечивает возможность замены съемной газораспределительной пластины 110 без необходимости замены всех соединенных с данным модулем деталей.

[00169] Авторы изобретения также оптимизировали распределение форсунок в съемном модуле, чтобы обеспечить оптимальное и модульное распределение газов по отношению к росту подложки или подложек монокристаллического алмаза и поликристаллической алмазной пластины.

[00170] Каждая съемная газораспределительная пластина 110 расположена предпочтительно по существу параллельно ростовой основе 51.

[00171] Преимущество использования съемной газораспределительной пластины 110 состоит в том, что она позволяет варьировать многие параметры, такие как диаметр форсунок, плотность форсунок, ориентация форсунок и/или в ходе роста инжектируемые газы.

[00172] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, диаметр газораспределительных форсунок 113 на внутренней поверхности 111 съемной газораспределительной пластины 110 может составлять от 0,1 мм до 3 мм. Предпочтительно, газораспределительные форсунки 113 могут иметь диаметр на внутренней поверхности 111 съемной газораспределительной пластины 110 от 0,2 мм до 2 мм.

[00173] Кроме того, в том же самом газораспределительном модуле 100 диаметр газораспределительных форсунок 113 может быть одинаковым, а также варьироваться в зависимости от положения форсунки в съемной газораспределительной пластине 110 по отношению к оси симметрии реактора.

[00174] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, предпочтительно площадь поверхности, предназначенной для размещения форсунок, составляет от 500 см³ до 650 см³. Сумма площадей газораспределительных форсунок 113 на внутренней поверхности съемной газораспределительной пластины 111 может составлять от 1% до 20% внутренней поверхности. При этом каждая из газораспределительных форсунок 113 может иметь площадь от 10 мм² до 30 мм².

[00175] В качестве альтернативы, поверхность, занимаемая газораспределительными форсунками 113 в центральной части 114 съемной газораспределительной пластины 110, составляет от 20% до 50% внутренней поверхности 111 съемной газораспределительной плиты 110, тогда как поверхность, занимаемая газораспределительными форсунками 113 в периферической части 115 съемной газораспределительной пластины 110, составляет от 50% до 20% внутренней поверхности 111 съемной газораспределительной пластины 110.

[00176] Для создания газовых потоков с контролируемой высокой скоростью целесообразно иметь небольшие форсунки. Однако такие форсунки будут легче засоряться, что приводит к нарушению расхода газа и, следовательно, к нарушению равномерного осаждения алмазной пленки на относительно большой поверхности. В данном случае, учитывая, что газораспределительная пластина является съемной, она может содержать форсунки небольшого диаметра и при ее засорении данная пластина может быть заменена быстро и с меньшими затратами. Таким образом, в частном случае съемная газораспределительная пластина 110 может содержать газораспределительные форсунки 113 с диаметром менее 8 мм, предпочтительно менее 5,5 мм, более предпочтительно менее 3 мм. К тому же, съемная газораспределительная пластина 110 согласно изобретению может состоять из пористой пластины, такой как пористая керамика.

[00177] В отличие от традиционных газораспределительных систем газораспределительный модуль согласно изобретению позволяет с легкостью изменять плотность форсунок и обеспечивает модулируемую сеть газораспределительных форсунок 113.

[00178] Так, например, газораспределительная пластина 110 имеет плотность газораспределительных форсунок 113 не менее 0,1 форсунки / см².

[00179] Плотность газораспределительных форсунок 113 измеряется путем деления числа форсунок, имеющихся на газораспределительной пластине 110, на площадь в см² съемной газораспределительной пластины 110, расположенной напротив резонаторной полости 51.

[00180] Плотность газовпускных форсунок сети может быть намного больше 0,1 форсунки/см². Действительно, было установлено, что относительно высокая плотность форсунок обеспечивает возможность формирования равномерной алмазной пленки на относительно большой поверхности. Так, в модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, предпочтительно съемная газораспределительная пластина 110 имеет плотность газораспределительных форсунок 113 от 0,2 до 4 форсунок на см³.

[00181] При такой плотности газораспределительных форсунок 113 съемная газораспределительная пластина 110 может содержать не менее 10 газораспределительных форсунок, например, не менее 30 газораспределительных форсунок, предпочтительно не менее 50 газораспределительных форсунок, предпочтительным образом не менее 100 газораспределительных форсунок, более предпочтительно не менее 200 газораспределительных форсунок и еще более предпочтительно не менее 500 газораспределительных форсунок 113.

[00182] Центральная часть 114 может иметь несколько форм, таких как круг, квадрат, прямоугольник или эллипс. Предпочтительно, форма центральной части 114 по существу идентична форме ростовой основы 51.

[00183] Как и в случае диаметра форсунок, плотность форсунок в одной и той же съемной газораспределительной пластине 110 может варьировать. Например, промежуток между форсунками может увеличиваться с радиусом и, таким образом, плотность форсунок уменьшается к наружным краям матрицы. Можно иметь произвольную сеть форсунок, обеспечивающую в некоторую, разумных пределах равномерную, среднюю плотность форсунок, чтобы получить адекватную производительность и реализовать некоторые из преимуществ данного изобретения.

[00184] Ориентации газораспределительных форсунок 113 могут быть идентичными у всех форсунок в съемной газораспределительной пластине 110, но они могут также различаться в пределах одной и той же пластины. Ориентации газораспределительных форсунок 113 предпочтительно параллельны центральной оси резонаторной полости 41. Газораспределительные форсунки 113 могут быть ориентированы таким образом, чтобы газовый поток образовал по существу прямой угол с ростовой основой 51.

[00185] Газораспределительные форсунки 113 могут быть ориентированы таким образом, чтобы газовый поток образовал с ростовой основой 51 угол от 60° до 120°.

[00186] Ориентации газораспределительных форсунок 113 могут изменяться в зависимости от их положения в съемной газораспределительной пластине 110. Они могут быть ориентированы внутрь или наружу. Чтобы сформировать более равномерную алмазную пленку или, когда используется неплоская подложка, возможно, целесообразно некоторые газораспределительные форсунки 113 ориентировать внутрь в сходящейся конфигурации. Действительно, особая ориентация форсунок может позволить изменить пространственное распределение некоторых частиц в плазме, что может стать преимуществом при выращивании на неплоской подложке. Это применимо также и к расходящейся конфигурации.

[00187] Таким образом, в частном случае газораспределительные форсунки 113, расположенные в центральной части 114 съемной газораспределительной пластины 110, ориентированы так, чтобы газовый поток образовал с ростовой основой 51 угол от 80° до 100°, в то время как газораспределительные форсунки 113, расположенные в периферической части 115 съемной газораспределительной пластины 110, ориентированы так, чтобы газовый поток образовал с ростовой основой 51 угол от 60° до 80° или от 100° до 120°.

[00188] Центральная часть 114 съемной газораспределительной пластины 110 соответствует поверхности, которая может быть очерчена кругом с центром, находящимся в центре съемной газораспределительной пластины 110, диаметр которого по существу равен половине диаметра съемной газораспределительной пластины 110.

[00189] Авторы изобретения определили оптимальное распределение диаметров газораспределительных форсунок 113 в зависимости от положения i форсунки на радиусе съемной газораспределительной пластины 110 по отношению к оси симметрии реактора.

[00190] Данное распределение соответствует уравнению:

Ф_i = Ф₀ + y * i,

где:

Ф_i – диаметр форсунки с номером i,

Ф_i – диаметр центральной форсунки,

при i – номер форсунки на радиусе съемной газораспределительной пластины 110, причем так как нумерация идет от центра съемной газораспределительной пластины 110 к ее концам, то i находится в пределах от 0 до 60, для модульного реактора 1, сконфигурированного для работы на частотах от 900 до 1000 МГц,

y изменяется в пределах от 0,05 до 0,3, для модульного реактора 1, сконфигурированного для работы на частотах от 900 до 1000 МГц.

[00191] Данное распределение позволяет получить более высокую производительность, чем сеть, содержащая форсунки с одинаковым диаметром или с произвольным диаметром.

[00192] Во время некоторых стадий роста в резонаторную полость 41 могут быть инжектированы по меньшей мере три различных газа. Распределение данных газов при их впуске в резонаторную полость 41 важно для обеспечения равномерного и быстрого роста. Так, газораспределительная пластина 110 предпочтительно содержит камеру 117, представляющую собой дисперсионную камеру, предназначенную для того, чтобы способствовать смешиванию и позволяющую контролировать распределение газов. Камера 117 может функционировать как смесительная камера для смешивания исходных газов перед их инжекцией в плазменную камеру. Такое смешивание перед инжекцией в плазменную камеру позволяет повысить эффективность газа в смеси. Кроме того, данная камера 117 позволяет улучшить равномерность течения газа по всей сети газовых форсунок и, в частности, при небольших расходах газа.

[00193] В частном случае диаметр газораспределительной форсунки 113 на внутренней грани отличается от диаметра той же самой форсунки на ее наружной грани съемной газораспределительной пластины 110. Это дает преимущество, заключающееся в возможности легко изменять характеристики течения газа.

[00194] Газораспределительный модуль 100 присоединен к расположенным снаружи реактора газовым баллонам. Одна часть газораспределительного модуля 100 предпочтительно расположена над резонаторной полостью 41 и вблизи модуля 80 волновой связи. Под «расположенный вблизи» следует понимать, что газораспределительный модуль 100 содержит газораспределительные форсунки 113 для инжекции газов в резонаторную полость 41, расположенную на расстоянии не более 15 см, предпочтительно не более 10 см, более предпочтительно не более 5 см от диэлектрического окна 82.

[00195] Газораспределительный модуль 100 позволяет использовать способ, в котором термостойкие газы инжектируют к ростовой основе 51 с общим расходом газа не менее 500 см³/мин. Газораспределительный модуль также позволяет инжектировать в резонаторную полость 41 легирующую примесь. Таким образом, газораспределительный модуль 100 позволяет использовать способ, в котором газы содержат по меньшей мере одну легирующую примесь в концентрации не ниже 0,01 ч/млн.

[00196] В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, расход газа, инжектируемого в резонаторную полость 41 газоподводящей системой 10, может быть не менее 500 см³ в минуту, предпочтительно не менее 1 000 см³ в минуту, более предпочтительно не менее 5 000 см³ в минуту.

[00197] Газораспределительный модуль предпочтительно находится близко к системе охлаждения, например, к системе охлаждения центральной части волновода.

[00198] Кроме того, как показано на фиг. 9, поддерживающее устройство 120 может содержать по меньшей мере один канал 121, выполненный с возможностью осуществления циркуляции текучей среды (например, газа или жидкости) в указанном поддерживающем устройстве 120. Это обеспечивает возможность охлаждения съемной газораспределительной пластины 110 теплоотводом. Поддерживающее устройство 120 может также содержать контактную поверхность 122, адаптированную для вмещения съемной газораспределительной пластины 110.

[00199] Поддерживающее устройство 120 может содержать один или более каналов 121. Например, поддерживающее устройство 120 содержит один поперечный канал на уровне места, предназначенного для установки съемной газораспределительной пластины 110. Поддерживающее устройство 120 может содержать несколько каналов 121, что при идентичном расходе обеспечивает более равномерное охлаждение.

[00200] Канал или каналы 121 предпочтительно расположены вблизи контактной поверхности 122. Под «вблизи» в контексте изобретения следует понимать на расстоянии не более 5 см, предпочтительно не более 3 см, более предпочтительно не более 1 см.

[00201] Контактная поверхность 122 поддерживающего устройства 120, чтобы обеспечить достаточный теплоперенос, имеет площадь, по существу составляющую не менее 10% площади поверхности поддерживающего устройства 120. В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, контактная поверхность 122 поддерживающего устройства 120, чтобы обеспечить достаточный теплоперенос, предпочтительно имеет площадь больше 50 см². Контактная поверхность 122 поддерживающего устройства 120 по существу имеет площадь более предпочтительно больше 60 см², еще более предпочтительно больше 70 см².

[00202] Предпочтительно, съемная газораспределительная пластина 110 включает по меньшей мере одну концевую часть 116, не содержащую газораспределительных форсунок 113, при этом данная концевая часть 116, чтобы улучшить теплоперенос, выполнена с возможностью нахождения в контакте с поддерживающим устройством 120 на площади более 50 см². Предпочтительно, концевая часть 116, не содержащая газораспределительных форсунок 113, выполнена с возможностью нахождения в контакте с поддерживающим устройством 120 на площади больше 60 см², еще более предпочтительно на площади больше 70 см².

[00203] Как показано на фиг. 10А, концевая часть 116 может иметь тот же контур, что и съемная газораспределительная пластина 110. В качестве альтернативы, и как показано на фиг. 10В, концевая часть 116 может иметь различные формы, позволяющие улучшить теплоперенос.

[00204] Как показано на фиг.11, в качестве преимущества, газораспределительный модуль 100 содержит теплоотводный орган 130, расположенный над съемной газораспределительной пластиной 110 и поддерживающим устройством 120. Теплоотводный орган 130 может иметь поверхность 131, воспринимающую тепло в контакте со съемной газораспределительной пластиной 110, которая больше чем на 10%, предпочтительно больше чем на 20% превышает верхнюю поверхность съемной газораспределительной пластины 110, и поверхность 132, отдающую тепло в контакте с поддерживающим устройством 120, которая представляет больше 10%, предпочтительно больше 20% поверхности поддерживающего устройства 120. В модульном реакторе согласно изобретению, сконфигурированном для работы с микроволнами, частота которых находится в пределах от 900 МГц до 1000 МГц, теплоотводный орган 130 может иметь поверхность 131, воспринимающую тепло в контакте со съемной газораспределительной пластиной 110, которая больше 20 см², предпочтительно больше 40 см², еще более предпочтительно больше 60 см², и поверхность 132, отдающую тепло в контакте с поддерживающим устройством 120, которая больше 10 см², предпочтительно больше 20 см², еще более предпочтительно больше 50 см².

[00205] Кроме того, газораспределительный модуль 100 может содержать поддерживающий орган 140, сконфигурированный для прикрепления съемной газораспределительной пластины 110 к поддерживающему устройству 120. Данный поддерживающий орган 140 может, например, содержать пружину, зажимной механизм, крючок, направляющую, зубец, шпонку, винты или палец. Предпочтительно, данный поддерживающий орган 140 может быть сконфигурирован для компенсации разницы в расширении между поддерживающим устройством 120 и съемной системой. Предпочтительно, данный поддерживающий орган 140 обладает свойствами упругости и сконфигурирован с возможностью его размещения на границе между поддерживающим устройством 120 и съемной газораспределительной пластиной 110.

[00206] Съемная газораспределительная пластина 110 предпочтительно выполнена из алюминия, алюминиевого сплава или меди, более предпочтительно газораспределительная пластина 110 выполнена из меди.

[00207] Поддерживающее устройство 120 предпочтительно выполнено из алюминия, алюминиевого сплава или меди, более предпочтительно поддерживающее устройство 120 выполнено из меди.

[00208] Теплоотводный орган 130 предпочтительно выполнен из алюминия, алюминиевого сплава или меди, более предпочтительно теплоотводный орган 130 выполнен из меди.

[00209] Согласно другому аспекту, изобретение относится к способу синтеза алмазов с использованием модульного реактора согласно изобретению.

[00210] Способ 800 синтеза согласно изобретению предпочтительно использует модульный реактор 1 согласно изобретению. Он показан на фиг. 12. Способ 800 синтеза содержит этап 810, заключающийся в размещении подложки или подложек на ростовой основе 51 модульного реактора 1 согласно изобретению. Например, можно использовать кремниевую пластину, металлическую пластину (Mo, W и др.), пластину из поликристаллического алмаза, монокристаллы алмаза (природные, полученные методом «высокое давление - высокая температура» (HPHT), полученные методом CVD (химическое парофазное осаждение), с использованием или без использования изобретения модульного реактора, или же монокристаллы других материалов (металлов и др.). Синтез алмаза предпочтительно осуществляется на подложке из монокристаллического алмаза. Таким образом, способ синтеза алмаза согласно изобретению предпочтительно включает гомоэпитаксиальный рост. Монокристаллическая подложка может иметь различные формы и размеры. Например, она может иметь форму цилиндра, куба, параллелепипеда или другую. Размеры могут варьироваться, например, от 100 микрометров до нескольких миллиметров по высоте и от нескольких миллиметров, даже сантиметров, в диаметре и по сторонам.

[00211] Способ 800 синтеза согласно изобретению может содержать этап 801 подготовки подложки. В задачу данного этапа, например, входит сокращение числа дислокаций на поверхности монокристаллов. Вариант осуществления для данного этапа описан, например, в патенте FR3022563. Этап 801 подготовки подложки или подложек может быть выполнен перед размещением подложки или подложек в реакторе 1, а также после.

[00212] Способ 800 синтеза согласно изобретению содержит этап 820 запуска модульного реактора 1. Задачей данного этапа являются:

- создание в резонаторной полости 41 давления от 0 гПа до 500 гПа,

- инжекция микроволн, предпочтительно моды передачи TM₀₁₁, и мощностью, например, от 1 кВт до 100 кВт (или выше) в зависимости от типа используемого реактора (используемой частоты),

- инжекция газов, например, с общим расходом не менее 500 см³ в минуту, при этом газы содержат, например, метан и газообразный водород, а также такие добавки, как кислород, азот, бор, фосфор и аргон, и

- запуск систем охлаждения камеры вместе с системой термостойких газов, а также системы контроля охлаждения подложки для контроля температуры ростовой поверхности или ростовых поверхностей, и системы инжекции газов и подложкодержателя.

В случае реактора 915 МГц это позволяет, например, обеспечить на ростовой поверхности подложки поверхностную плотность мощности не менее 0,5 Вт/мм², предпочтительно не менее 2 Вт/мм² и еще более предпочтительно не менее 3 Вт/мм². Обычно плотность мощности на ростовой поверхности подложки ниже 5 Вт/мм². Данный этап позволяет генерировать плазму над ростовой поверхностью подложки и инициирует рост кристаллов. Кроме того, благодаря системам охлаждения температура подложки поддерживается на уровне температуры, например, в пределах от 700°C до 1400°C, за исключением случая выращивания нано- или ультрананокристаллического алмаза. Описание различных условий роста можно найти в известных работах (Derjaguin B. V., Journal of Crystal growth 31 (1975) 44-48; C. Wild et al, Diamond and Related Materials, 2 (1993) 158-168 ; Gicquel A et al. Current Applied Physics, vol 1 Issue 6, (2001) 479; Achard J et al, Journal of Crystal Growth 284 (2005) 396-405; Butler et al, J of physics-condensed Matter, vol 21, Issue 36 (2009); Silva et al, phys. stat. sol. (a) 203, No. 12, (2006) 3049-3055; Widman C, J et al Diamond & Related Materials 64 (2016) 1-7). Кроме того, можно резко изменять поверхностную плотность мощности, например, путем изменения давления, чтобы обеспечить быстрые изменения, например, состава или температуры подложки или подложек.

[00213] В случае выращивания поликристаллического алмаза способ 800 синтеза согласно изобретению может содержать этап 830 коалесценции кристаллов. Данный этап следует после этапа нуклеации алмаза на поверхности подложки (создание стабильных зародышей на поверхности неалмазного материала). В ходе данного этапа, в случае, если модульный реактор 1 содержит плиту 900 и/или модуль 500 подложкодержателя, способ может содержать подэтап 831 изменения высоты поверхности 910 плиты 900 и/или подэтап 832 ростовой основы 51. Такие изменения высоты благодаря модульности реактора согласно изобретению позволяют оптимизировать параметры зародышеобразования, коалесценции и роста, а именно температуру подложки и/или пространственную плотность мощности на уровне ростовой поверхности подложки и/или усиленное или уменьшенное добавление легирующих примесей. Например, в ходе данного этапа ростовая основа 51 расположена над поверхностью 910 плиты 900.

Данная методика может быть использована также для выращивания монокристаллического алмаза.

[00214] Способ 800 синтеза согласно изобретению содержит этап 840 роста (утолщения/расширения) алмазной пленки. Для поликристаллических пленок данный этап выполняется после коалесценции кристаллов и формирования кристаллической пленки. Его задачей является увеличение толщины кристаллической пленки и улучшение ее кристаллического качества. В ходе данного этапа, если модульный реактор 1 содержит плиту 900 и/или модуль 500 подложкодержателя, способ может содержать подэтап 841 изменения высоты поверхности 910 плиты 900 и/или подэтап 842 ростовой основы 51. Согласно изобретению благодаря модульности реактора также может быть применен подэтап резкого изменения температуры подложки и/или состава химически активных газов так же, как и параметров давления и мощности. Изменения высоты и/или условий роста позволяют оптимизировать параметры роста, а именно температуру подложки и/или плотность мощности на уровне ростовой поверхности подложки и/или добавление нескольких слоев легирующих примесей. Например, в ходе подэтапа 843 ростовая основа 51 может быть расположена даже под поверхностью 910 плиты 900. Последний пример при правильном выборе других рабочих условий может быть использован для «предварительного отрыва» поликристаллической пленки от неалмазной поверхности, на которой происходило зарождение пленки. В этом случае можно было бы снова выполнить дополнительный этап 844 возобновления роста (ростовая основа 51 над поверхностью 910 плиты 900), чтобы сделать слой еще толще, убедившись в надлежащем управлении условиями роста. Это пример использования модульности изобретения.

Кроме того, различные элементы модульности реактора также могут быть использованы для увеличения толщины монокристаллов алмаза.

[00215] Кроме того, когда модульный реактор 1 согласно изобретению содержит газораспределительный модуль 100, способ 800 синтеза алмаза может содержать предварительный этап выбора и позиционирования съемной газораспределительной пластины 110 в зависимости от характеристик желаемых алмазных слоев. В дополнение к этому во время роста можно менять газовый поток и состав газов.

[00216] В случае, когда модульный реактор 1 согласно изобретению содержит обод 450, способ 800 синтеза алмаза может содержать предварительный этап выбора размеров обода в зависимости от характеристик желаемых алмазных слоев и размещения обода 450 между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры, чтобы изменить форму и/или объем резонаторной полости 41.

[00217] В случае, когда модульный реактор 1 согласно изобретению содержит модуль 300 контроля охлаждения, способ 800 синтеза алмаза может содержать предварительный этап выбора и позиционирования съемного устройства 330 для инжекции термостойкого газа 330 в зависимости от характеристик желаемых алмазных слоев.

[00218] Использование способа согласно изобретению позволяет получать алмазные слои, отвечающие потребностям промышленности с точки зрения оптимизации затрат и сокращения времени. Например, он может позволять производить алмазные слои высочайшего качества с оптимизированными условиями роста с точки зрения времени и затрат. Таким образом, согласно другому аспекту изобретение относится к алмазным слоям, получаемым на базе использования модульных реакторов 1 согласно изобретению и сверх того, в частности, на базе способа 800 согласно изобретению.

[00219] Согласно другому аспекту, изобретение относится к отдельным модулям, которые могут быть интегрированы в модульный реактор 1 согласно изобретению.

[00220] Так, изобретение относится к подвижному модулю 500 подложкодержателя, выполненному с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с одной четвертью 501 длины волны, и содержащему по меньшей мере одну систему 520 охлаждения текучей средой. Данный модуль 500 подложкодержателя может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1. Данные опциональные отличительные признаки включают в себя, например, систему электрической изоляции подложкодержателя (например, элемент из ПТФЭ или другого электроизоляционного материала).

[00221] Изобретение также относится к плите 900, выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения, чтобы изменять форму и объем резонаторной полости 41, и содержащей сквозные отверстия 911, обеспечивающие прохождение газов. Данная плита 900 может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1.

[00222] Изобретение также относится к ободу 450, выполненному с возможностью расположения между первой частью 430 камеры и второй частью 440 камеры так, чтобы иметь возможность изменять форму и/или объем резонаторной полости 41. Данный обод 450 может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1. Кроме того, данный обод 450 может иметь систему 460 уплотнений.

[00223] Изобретение также относится к газораспределительному модулю 100, содержащему съемную газораспределительную пластину 110, содержащую внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью проведения газового потока, и поддерживающее устройство 120, выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины 110. Данный газораспределительный модуль 100 может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1.

[00224] Изобретение также относится к съемной газораспределительной пластине 110, содержащей внутреннюю поверхность 111, наружную поверхность 112 и множество газораспределительных форсунок 113, образующих каналы между указанными поверхностями 111, 112, выполненные с возможностью проведения газового потока. Данная газораспределительная пластина 110 может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1.

[00225] Изобретение также относится к модулю 300 контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа, причем указанное съемное устройство 330 для инжекции термостойкого газа содержит один или более впусков 333 термостойкого газа и один или более выпусков 331 термостойкого газа. Данный модуль 300 контроля охлаждения подложки может иметь все опциональные и/или преимущественные отличительные признаки, описанные выше для модульного реактора 1.

Предложенная группа изобретений относится к модульному реактору для изготовления синтетических алмазов осаждением в микроволновой плазме и к способу изготовления синтетических алмазов с использованием указанного реактора. Указанный реактор содержит микроволновый генератор, сконфигурированный с возможностью генерации микроволн с частотой в пределах от 300 МГц до 3000 МГц, резонаторную полость, образованную по меньшей мере частично цилиндрическими внутренними стенками камеры реактора, газоподводящую систему и газовыпускной модуль, модуль волновой связи, выполненный с возможностью передачи микроволн от микроволнового генератора к резонаторной полости для обеспечения возможности формирования плазмы, и ростовую основу в резонаторной полости. Упомянутый модульный реактор содержит по меньшей мере три модульных элемента, выбранных из следующих элементов: по меньшей мере одного обода для изменения формы и/или объема резонаторной полости, модуля подложкодержателя с возможностью вертикального перемещения и вращения в контакте с четвертьволновой металлической конструкцией и содержащего по меньшей мере одну систему охлаждения текучей средой, плиты для изменения формы и объема резонаторной полости, газораспределительного модуля и модуля контроля охлаждения подложки. Обеспечивается возможность создания модульного реактора, имеющего несколько конфигураций для оптимизации ожидаемого результата роста алмаза, и обеспечивается контроль локальных условий роста на поверхности растущего алмаза с варьированием различных условий роста алмаза. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Модульный реактор (1) для изготовления синтетических алмазов осаждением в микроволновой плазме, содержащий:

- микроволновый генератор (70), сконфигурированный с возможностью генерации микроволн с частотой в пределах от 300 МГц до 3000 МГц,

- резонаторную полость (41), образованную по меньшей мере частично цилиндрическими внутренними стенками (420) камеры (400) реактора,

- газоподводящую систему (10), выполненную с возможностью подачи газов внутрь резонаторной полости (41),

- газовыпускной модуль (60), выполненный с возможностью удаления указанных газов из резонаторной полости (41),

- модуль (80) волновой связи, выполненный с возможностью передачи микроволн от микроволнового генератора (70) к резонаторной полости (41) для обеспечения возможности формирования плазмы, и

- ростовую основу (51), находящуюся в резонаторной полости (41),

при этом указанный модульный реактор отличается тем, что он содержит по меньшей мере три модульных элемента, причем указанные модульные элементы выбраны из следующих элементов:

- по меньшей мере одного обода (450), выполненного с возможностью расположения между первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры для изменения формы и/или объема резонаторной полости (41), и системы (460) уплотнений, обеспечивающей вакуумную герметичность и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенной между указанным по меньшей мере одним ободом (450) и, соответственно, первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры,

- модуля (500) подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения в контакте с четвертьволновой (501) металлической конструкцией и содержащего по меньшей мере одну систему (520) охлаждения текучей средой,

- плиты (900), выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения для изменения формы и объема резонаторной полости (41) и содержащей сквозные отверстия (911), обеспечивающие прохождение газов,

- газораспределительного модуля (100), содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину (110), содержащую внутреннюю поверхность (111), наружную поверхность (112) и множество газораспределительных форсунок (113), образующих каналы между указанными поверхностями (111, 112), выполненные с возможностью проведения газового потока, и

-- поддерживающее устройство (120), соединенное с системой охлаждения и выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины (110), и

- модуля (300) контроля охлаждения подложки, содержащего съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа содержит по меньшей мере один впуск (333) термостойкого газа и по меньшей мере один выпуск (331) термостойкого газа.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере четыре модульных элемента, причем указанные модульные элементы выбраны из следующих

элементов:

- обода (450), выполненного с возможностью расположения между первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры для изменения формы и/или объема резонаторной полости (41), и системы (460) уплотнений, обеспечивающей вакуумную герметичность и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенной между ободом (450) и, соответственно, первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры;

- модуля (500) подложкодержателя, выполненного подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертьволновой (501) металлической конструкцией и содержащего по меньшей мере одну систему (520) охлаждения текучей средой,

- плиты (900), выполненной подвижной с возможностью вертикального перемещения для изменения формы и объема резонаторной полости (41) и содержащей сквозные отверстия (911), обеспечивающие прохождение газов,

- газораспределительного модуля (100), содержащего:

-- съемную газораспределительную пластину (110), содержащую внутреннюю поверхность (111), наружную поверхность (112) и множество газораспределительных форсунок (113), образующих каналы между указанными поверхностями (111, 112), выполненные с возможностью проведения газового потока, и

-- поддерживающее устройство (120), соединенное с системой охлаждения и выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины (110), и

- модуля (300) контроля охлаждения подложки (300), содержащего съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа содержит по меньшей мере один впуск (333) термостойкого газа и по меньшей мере один выпуск (331) термостойкого газа.

3. Реактор по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один обод (450), выполненный с возможностью расположения между первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры для изменения формы и/или объема резонаторной полости (41), и систему (460) уплотнений, обеспечивающую вакуумную герметичность и электрическую непрерывность стенок камеры и расположенную между ободом (450) и, соответственно, первой частью (430) камеры и второй частью (440) камеры.

4. Реактор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит два обода (450).

5. Реактор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что один или более ободьев (450) имеют высоту от 1 см до 20 см.

6. Реактор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что один или более ободьев содержат диэлектрический материал, систему газовой инжекции или выполнены из металла с внутренним диаметром меньше внутреннего диаметра резонаторной полости (41).

7. Реактор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что он содержит модуль (500) подложкодержателя, выполненный подвижным с возможностью вертикального перемещения и вращения, в контакте с четвертьволновой (501) металлической конструкцией и содержащий по меньшей мере одну систему (520) охлаждения текучей средой.

8. Реактор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что модуль (500) подложкодержателя электрически изолирован от камеры (400) и/или от плиты (900).

9. Реактор по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что он содержит плиту (900), выполненную подвижной с возможностью вертикального перемещения для изменения формы и объема резонаторной полости (41) и содержащую сквозные отверстия (911), обеспечивающие прохождение газов.

10. Реактор по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что плита (900) содержит по меньшей мере один канал (930) охлаждения, соединенный с системой (940) охлаждения и выполненный с возможностью охлаждения указанной плиты (900).

11. Реактор по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что он содержит:

газораспределительный модуль (100), содержащий:

- съемную газораспределительную пластину (110), содержащую внутреннюю поверхность (111), наружную поверхность (112) и множество газораспределительных форсунок (113), образующих каналы между указанными поверхностями (111, 112), выполненные с возможностью проведения газового потока, и

- поддерживающее устройство (120), соединенное с системой охлаждения и выполненное с возможностью установки на него съемной газораспределительной пластины (110).

12. Реактор по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что поддерживающее устройство (120) содержит каналы (121), выполненные с возможностью осуществления циркуляции газа или жидкости в указанном поддерживающем устройстве (120).

13. Реактор по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что съемная газораспределительная пластина (110) содержит по меньшей мере одну концевую часть (116), не содержащую газораспределительных форсунок (113) и выполненную с возможностью нахождения в контакте с поддерживающим устройством (120) на площади, составляющей не менее 10% площади поверхности съемной газораспределительной пластины (110) для улучшения теплопереноса.

14. Реактор по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что он содержит модуль (300) контроля охлаждения подложки, содержащий съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа, при этом указанное съемное устройство (330) для инжекции термостойкого газа содержит по меньшей мере один впуск (333) термостойкого газа и по меньшей мере один выпуск (331) термостойкого газа.

15. Реактор по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что модуль (300) контроля охлаждения подложки содержит средства позиционирования (320) для контроля температуры ростовой поверхности, а ростовая основа (51) содержит на своей нижней поверхности выемки, выполненные с возможностью вмещения указанных средств позиционирования (320).

16. Реактор по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что модуль (300) контроля охлаждения подложки содержит средства позиционирования (320) для контроля температуры ростовой поверхности, выполненные подвижными с возможностью вертикального перемещения.

17. Реактор по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что модуль (80) волновой связи расположен в верхней части первой части (430) камеры и по меньшей мере в 25 см от низа второй части (440) камеры.

18. Способ изготовления синтетических алмазов осаждением в микроволновой плазме в модульном реакторе (1), содержащий следующие этапы:

- (810) размещение подложки или подложек на ростовой основе (51) модульного реактора (1) по любому из пп. 1-17,

- (820) приведение в действие модульного реактора (1), при этом приведение в действие содержит следующие этапы:

-- создание давления от 0,2 гПа до 500 гПа в резонаторной полости (41), работающей на моде передачи TM₀₁₁,

-- инжекция микроволн с мощностью от 1 кВт до 100 кВт,

-- инжекция газов, содержащих по меньшей мере один источник углерода и один источник молекулярного водорода, с полным расходом по меньшей мере 500 см³ в минуту, и

-- приведение в действие систем охлаждения камеры и подложкодержателя, а также системы контроля охлаждения подложки, для контроля температуры одной или более ростовых поверхностей, и

- (840) выполнение роста алмазной пленки.