專利名稱：在shf放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的高速方法和實(shí)施所述方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用微波放電等離子體借助于分解氣體化合物沉積碳的領(lǐng)域，并可以制成多晶金剛石薄膜(薄片)，該薄膜可用于制造高功率微波輻射源的輸出窗，具體地說(shuō)，熔融裝置中附加等離子體加熱所需的回旋管。
背景技術(shù)：
金剛石薄膜是借助于所謂的CVD(化學(xué)汽相沉積)法從氣相沉積的。這種方法是基于激活氣體混合物，它通常包含氫和羥，用于產(chǎn)生所需的化學(xué)活性粒子含氫和碳基的原子。只有在基片表面附近的原子氫密度是在非平衡狀態(tài)時(shí)，在基片上沉積這些原子團(tuán)可以形成多晶金剛石薄膜，這是有效生長(zhǎng)金剛石薄膜與整個(gè)表面反應(yīng)的結(jié)果(Spitsyn B.V.，Bouilov L.L.，Derjaguin B.V.，J.of Cryst.Growth，1981，v.52，P.219-226)。
我們知道幾種激活氣體介質(zhì)的方法利用熱燈絲或通過(guò)直流放電，或高頻放電，微波放電或電弧放電產(chǎn)生氣體放電等離子體。商品化的CVD反應(yīng)堆采用微波放電產(chǎn)生的等離子體；它們是所謂的MPACVD(微波等離子體輔助的化學(xué)汽相沉積)。這種商品是與微波放電建立高密度激勵(lì)和帶電粒子相聯(lián)系，由于它們沒(méi)有電極，能夠以高于1μm/h的速率生長(zhǎng)高質(zhì)量金剛石薄膜(‘白金剛石’)。
例如，一種在微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的方法，它是基于在至少包含氫和羥的氣體混合物中觸發(fā)微波放電；用于觸發(fā)放電的微波輻射頻率是2.45GHz，而氣體混合物的壓力保持在50與200Torr之間。所述氣體混合物是由微波放電等離子體激活的。提供化學(xué)激活粒子(原予團(tuán))的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移把它們從等離子體體積移動(dòng)到基片上(例如，產(chǎn)生的激活粒子包括甲基CH3，乙炔C2H2，和氫原子H)，基片是專門制備的基片以產(chǎn)生結(jié)晶中心(成核作用)?；瑴囟缺３衷赥s＝700-1100℃的范圍內(nèi)，而在基片表面上含碳原子團(tuán)參與表面反應(yīng)以生長(zhǎng)金剛石薄膜(P.K.Bachmann，in Handbook of industrial diamondsand diamond films，Eds.M.Prelas，G.Popovici，L.K.Bigelow，New YorkMarcel Dekker Inc.USA，1998，p.821-850)。這種金剛石薄膜沉積方法的缺點(diǎn)是低速率(1-2μm/h)，在此速率下生長(zhǎng)熱導(dǎo)率至少為10W/cm K的高質(zhì)量金剛石薄膜。
高速生長(zhǎng)具有相同質(zhì)量的金剛石薄膜(3-9μm/h)是利用在微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的高速方法，它是在1996年的USAPatent No.5518759，Int.Cl.C23C16/50，B05D3/06中描述的。原型方法的基本原理是，在充滿反應(yīng)室并至少包含氫和羥的氣體混合物中觸發(fā)微波放電，其壓力是在50與200Torr之間的范圍內(nèi)。所述氣體混合物是被頻率為2.45GHz的微波放電等離子體激活，可以產(chǎn)生氫原子和含碳原子團(tuán)，它們沉積在基片上，形成多晶薄膜是由于表面反應(yīng)的結(jié)果。氣體混合物的激活是在這樣的條件下，產(chǎn)生含碳原子團(tuán)的熱平衡機(jī)構(gòu)超過(guò)非平衡電子的機(jī)構(gòu)。這些條件的特征是，等離子體中相對(duì)較高密度的原子團(tuán)C2(分子碳)，它們是借助于增大注入到等離子體反應(yīng)堆中每單位沉積薄膜面積的微波功率(高達(dá)5Kw/cm2)實(shí)現(xiàn)的。
這種金剛石薄膜沉積的原型方法缺點(diǎn)是，它需要利用產(chǎn)生非常高功率(高達(dá)3MW)的微波發(fā)生器以沉積大面積薄膜。
在微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的已知裝置是基于在頻率2.45GHz或915MHz下激勵(lì)柱形諧振腔的諧振型等離子體反應(yīng)堆。這種類型裝置是以1994年的USA Patent No.5311103，Int.Cl.H01J7/24中描述的裝置為代表。這種裝置包括有基片和基片夾具的反應(yīng)室，放置反應(yīng)室的柱形諧振腔，它制作成石英圓頂，有耦合元件的傳輸同軸波導(dǎo)線，可以注入TM01n模的微波功率到諧振腔，和調(diào)整裝置，用于移動(dòng)柱形諧振腔的滑動(dòng)短塊和調(diào)諧諧振腔產(chǎn)生諧振。反應(yīng)室中的壓力保持在50與200Torr之間的范圍內(nèi)，并在基片上產(chǎn)生半球形的等離子體，其直徑是沿基片的方向，但不超過(guò)微波的半波長(zhǎng)。
這種裝置的缺點(diǎn)是，在利用頻率為2.45GHz(波長(zhǎng)為12.2cm)的微波輻射時(shí)，反應(yīng)室中的小直徑等離子體限制均勻沉積金剛石薄膜的直徑(60-70mm)。
在1999年的USA Patent No.5954882，Int.Cl.C23C16/00描述的裝置中，在頻率2.45GHz下的微波放電等離子體中沉積較大面積的均勻金剛石薄膜。這種裝置包括有基片和基片夾具的反應(yīng)室，和橢球形諧振腔；制作成石英圓頂?shù)姆磻?yīng)室是在橢球形的一個(gè)焦區(qū)中。諧振腔配備有耦合元件的傳輸同軸波導(dǎo)線，可以經(jīng)橢球的其他焦區(qū)注入微波功率到諧振腔。反應(yīng)室中氣體混合物的壓力保持在50與200Torr之間的范圍內(nèi)。由于橢球形諧振腔的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波的長(zhǎng)度，以及諧振腔中微波傳播的條件是近似準(zhǔn)光學(xué)的，諧振腔焦區(qū)中的電場(chǎng)分布變得較寬。因此，反應(yīng)室中基片上制作的等離子體可以沉積直徑為70-80mm的均勻金剛石薄膜。
在1992年的EP Patent No.0520832，B1，Int.Cl.C23C16/26，C23C16/50，H01Q19/00描述的原型裝置中，可以沉積幾乎相同面積的金剛石薄膜，該裝置利用頻率為2.45GHz的微波傳播的準(zhǔn)光學(xué)條件注入它們到反應(yīng)室中。
這種裝置包括制作成圓頂?shù)姆磻?yīng)室，它有注入微波輻射的窗口；工作在頻率為2.45GHz的微波發(fā)生器；由喇叭形輻射體和反射器構(gòu)成的傳輸線；和金屬反射鏡或介質(zhì)透鏡，它形成通過(guò)窗口注入到反應(yīng)室的會(huì)聚波束。有基片夾具的基片是在反應(yīng)室內(nèi)，其中借助于氣體泵入和泵出系統(tǒng)保持所需的氣體混合物壓力。微波放電是在基片上的波束焦區(qū)中被觸發(fā)。在原型等離子體反應(yīng)堆中，在氣體混合物的固定壓力等于40Torr下，在基片上保持穩(wěn)定的等離子體。
這種原型裝置的缺點(diǎn)是，它利用會(huì)聚波束在基片上建立等離子體。眾所周知，在會(huì)聚波束中，最初在最大場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域中觸發(fā)的微波放電邊界是沿與微波輻射相反方向傳播作為電離前沿(Yu.P.Raizer，LaserSparks and discharge propagation，Moscow，Nauka，1974)。這種放電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致從基片去除能量釋放區(qū)。在原型反應(yīng)堆中，只有在氣體壓力和波束中入射微波功率很窄的范圍內(nèi)，基片上可以穩(wěn)定地保持等離子體。因此，在基片附近不可能實(shí)現(xiàn)高的比能分布進(jìn)入等離子體，即，不可能得到高密度的激活原子團(tuán)，因此，不可能實(shí)現(xiàn)高的金剛石薄膜生長(zhǎng)速率(在原型裝置中，生長(zhǎng)速率是1μm/h)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是開發(fā)一種在微波放電等離子體中從氣相高速沉積金剛石薄膜的方法，該方法可以在直徑大于100mm的基片上制作高質(zhì)量金剛石薄膜(其損失角正切值δ小于3×10-5，和熱導(dǎo)率是在10-20W/cm K的范圍內(nèi))，以及可以實(shí)現(xiàn)這種方法的本發(fā)明裝置(等離子體反應(yīng)堆)。
在本發(fā)明方法的框架中，利用以下的過(guò)程實(shí)現(xiàn)技術(shù)結(jié)果，在微波放電等離子體中從氣相高速沉積金剛石薄膜的方法以及原型方法包括在充滿反應(yīng)室和至少包含氫和羥的氣體混合物中觸發(fā)微波放電，并借助于微波放電等離子體激活所述氣體混合物以產(chǎn)生氫原子和含碳原子團(tuán)，它們沉積在基片上和與表面反應(yīng)的結(jié)果形成金剛石薄膜。
該方法的新穎性是，借助于增大等離子體中的電子密度Ne激活所述氣體混合物，其中利用功率至少為1kW和其頻率f遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)使用的2.45GHz頻率的微波輻射，在反應(yīng)室中建立穩(wěn)定的非平衡等離子體，為的是在基片附近定域等離子體，形成駐波，在駐波的波腹中產(chǎn)生和保持等離子體層以控制它的尺寸。
可以通過(guò)使用其頻率f等于30GHz的電磁輻射增加電子密度來(lái)激活所述氣體混合物，可以通過(guò)改變形成駐波的會(huì)聚波束橫向截面的形狀和大小，控制微波駐波波腹中的等離子體層的尺寸。
在一種具體情況下，為了形成駐波，可以利用四個(gè)或四個(gè)以上成對(duì)交叉的會(huì)聚波束。
在第二種具體情況下，為了形成駐波，可以利用兩個(gè)會(huì)聚、交叉的波束。
在第三種具體情況下，為了形成駐波，可以利用相反傳播的兩個(gè)會(huì)聚波束。
在第四種具體情況下，為了形成駐波，可以利用入射到基片上的會(huì)聚波束和從基片上反射的波束。
利用以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)本發(fā)明裝置的技術(shù)結(jié)果，在微波放電等離子體中從氣相高速沉積金剛石薄膜的本發(fā)明等離子體反應(yīng)堆以及原型反應(yīng)堆包括微波發(fā)生器；終止于準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的傳輸線；反應(yīng)室，基片固定在反應(yīng)室內(nèi)的基片夾具上；和用于泵入及泵出選取氣體混合物的系統(tǒng)。
本發(fā)明裝置的新穎性是，制作準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)并按照這樣的方式安裝，它可以在基片附近的預(yù)設(shè)區(qū)域中形成微波駐波，而傳輸線制作成有波紋內(nèi)表面的超大尺寸圓形波導(dǎo)，它添加反射鏡系統(tǒng)以傳輸至少一個(gè)高斯波束到所述準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)。
在制造等離子體反應(yīng)堆的一種具體情況下，可以制作準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)為四個(gè)反射鏡，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，并按照這樣的方式安裝，可以引導(dǎo)微波輻射作為成對(duì)交叉的四個(gè)波束，并可以把準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)安裝在反應(yīng)室中并添加有分束器的傳輸線，分束器把一個(gè)波束分成四個(gè)波束，并應(yīng)當(dāng)安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
在第二種具體情況下，可以制作準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)為兩個(gè)反射鏡，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，并按照這樣的方式安裝，可以用小角度引導(dǎo)兩個(gè)微波波束到基片表面，并添加有分束器的傳輸線，分束器把一個(gè)波束分成四個(gè)波束，并應(yīng)當(dāng)安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
在第三種具體情況下，可以制作準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)為兩個(gè)反射鏡，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，并按照這樣的方式安裝，可以沿相反方向引導(dǎo)波束，一個(gè)反射鏡是這樣安裝的，它可以沿平行于自身向前和向后移動(dòng)±λ/4距離，其中λ是微波輻射的波長(zhǎng)，和需要添加有分束器的傳輸線，分束器把一個(gè)波束分成兩個(gè)波束，并應(yīng)當(dāng)安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
在制造等離子體反應(yīng)堆的第四種具體情況下，可以在反應(yīng)室下部設(shè)置注入微波輻射的介質(zhì)窗，且可以在反應(yīng)室上部安裝與介質(zhì)窗相對(duì)的基片，在這種情況下，需要制作準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)為一個(gè)反射鏡，它安裝在所述反應(yīng)室之外和以下，可以引導(dǎo)微波輻射波束向上垂直于基片表面。
在制造等離子體反應(yīng)堆的第五種具體情況下，準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)可以制作成一個(gè)反射鏡，它可以安裝成引導(dǎo)微波輻射波束垂直入射到基片表面或與與法線成小角度進(jìn)入反應(yīng)室，且可以添加透射線的冷卻壁，它制作成細(xì)金屬冷卻管或棒的光柵，并設(shè)置成平行于基片的距離大于λ/2。
在制造等離子體反應(yīng)堆的第六種具體情況下，準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)可以制作成一個(gè)反射鏡和一個(gè)準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，其中平面平行反射鏡之間距離設(shè)置成λ/2的整數(shù)倍，它與上述反射鏡光耦合，在這種情況下，一個(gè)諧振腔反射鏡是基片夾具上的基片，而另一個(gè)諧振腔反射鏡可以制作成細(xì)金屬管或棒的周期性光柵，光柵的周期小于λ。
在制造等離子體反應(yīng)堆的第七種具體情況下，用于泵入氣體混合物進(jìn)入反應(yīng)室中等離子體形成區(qū)的系統(tǒng)可以制作成凹面金屬屏，在它的中央部分有饋送管，金屬屏設(shè)置在基片夾具之上可控的距離處，且氣體泵出系統(tǒng)可以制作成基片夾具上的一組孔徑，該系統(tǒng)配備泵出氣體混合物的體積，在該體積中有用于水冷卻基片夾具上部的系統(tǒng)。
在制造等離子體反應(yīng)堆的第八種具體情況下，可以組合選取氣體混合物的泵入系統(tǒng)與細(xì)冷卻金屬管的光柵，且氣體泵出系統(tǒng)可以制作成基片夾具上的一組孔徑，該系統(tǒng)配備泵出氣體混合物的體積，在該體積中有用于水冷卻基片夾具上部的系統(tǒng)。
本發(fā)明方法和裝置實(shí)現(xiàn)的技術(shù)結(jié)果，具體地說(shuō)，增大微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的速率，而同時(shí)保持高質(zhì)量的金剛石薄膜，它是基于作者發(fā)現(xiàn)的事實(shí)，當(dāng)微波場(chǎng)的頻率增大時(shí)，電子密度Ne也增大，這就可以提高氣體混合物的激活速率，即，形成原子氫和其他化學(xué)激活原子團(tuán)的速率，又導(dǎo)致更快的金剛石薄膜沉積速率。在這種情況下，增大微波場(chǎng)的頻率和利用準(zhǔn)光學(xué)方法可以控制基片上均勻等離子體的尺寸，它可以在寬廣的面積上形成均勻的沉積薄膜。
在MPACVD反應(yīng)堆中較高微波頻率對(duì)金剛石薄膜沉積速率的效應(yīng)可以解釋如下在MPACVD反應(yīng)堆中，金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率是由基片附近含碳原子團(tuán)和氫原子的密度確定(Goodwin D.G.，Butler J.E.，in Handbookof industrial diamonds and diamond films，Eds.M.Prelas，G.Popovici，L.K.Bigelow，New YorkMarcel Dekker Inc.USA，1998，p.527-581)。在大多數(shù)現(xiàn)有MPACVD反應(yīng)堆中，即使在高的氣體溫度下(Tg～3000-3500K)，離解氫分子的主渠道是電子碰撞離解(Mankelevich Yu.A.，Rakhimov A.T.，Suetin N.V.，Sov.J.PlasmaPhys.，1995，v.21，No.10，pp.921-927)。所以，氫分子的離解度取決于等離子體中電子密度Ne的數(shù)值。在諧振型反應(yīng)堆中，微波場(chǎng)保持的等離子體中Ne數(shù)值增長(zhǎng)到電磁場(chǎng)的非線性趨膚效應(yīng)開始起作用。因此，反應(yīng)堆中基片上等離子體的特征尺寸近似地等于趨膚層的深度δ。在MPACVD反應(yīng)堆中傳統(tǒng)使用的參數(shù)情況下(氣體溫度Tg～3000-3500K，取決于等離子體中吸收的功率系數(shù)，和初始?xì)怏w壓力為50-200Torr)，基片附近的氣體密度對(duì)應(yīng)于維持連續(xù)微波放電的Pashen曲線中最小值(Vikharev A.L.et al.，Sov.J.Plasma Phys.，1987，v.13，No.9，pp.648-652)，其中電子碰撞的速率v是電磁場(chǎng)圓頻率ω的數(shù)量級(jí)。在這些條件下，趨膚層的深度δ近似地等于δ≈2(c/ω)(Nco/Ne)[(ω2+v2)/ωv]其中Nco＝mω2/4πe2是臨界密度，ω＝2πf是電磁場(chǎng)的圓頻率，v是電子與中性粒子碰撞的速率，而m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷。當(dāng)趨膚層的深度固定時(shí)(例如，諧振型反應(yīng)堆中這個(gè)數(shù)值是1cm數(shù)量級(jí))，δ＝δ0，根據(jù)以上與δ的相關(guān)，我們得到等離子體中電子密度Ne的數(shù)值正比于微波輻射頻率Ne∝NCO(c/δ0ω)[(ω2+v2)/ωv]∝ω所以，在MPACVD反應(yīng)堆的非平衡等離子體中，電子密度Ne的數(shù)值以及相應(yīng)的分子氫離解度隨微波輻射頻率的增大而增長(zhǎng)。
利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆得到的附加的技術(shù)結(jié)果，即，可以提供較大面積的沉積金剛石薄膜，又同時(shí)保持它的均勻性，其中形成成對(duì)交叉的波束，例如，四個(gè)相干的成對(duì)交叉波束。


圖1表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的本發(fā)明等離子體反應(yīng)堆的方框示意圖。
圖2表示具有準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)堆外形圖，它在基片附近的四個(gè)波束交叉區(qū)形成等離子體層。
圖3表示具有準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)堆外形圖，它在基片附近的兩個(gè)交叉波束中形成等離子體層。
圖4表示具有準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)堆外形圖，它在基片附近的兩個(gè)相反方向傳播波束中形成等離子體層。
圖5表示具有準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)堆外形圖，它在基片附近的反射波束中形成等離子體層。
圖6表示具有準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)堆外形圖，該系統(tǒng)中有微波透明的周期性光柵。
圖7表示具有冷卻系統(tǒng)以及氣體泵入和泵出系統(tǒng)的基片夾具外形圖，用于本發(fā)明方案中Par.8，9和10中描述的等離子體反應(yīng)堆。
圖8表示具有冷卻系統(tǒng)以及氣體泵入和泵出系統(tǒng)的基片夾具外形圖，用于本發(fā)明方案中Par.12和13中描述的等離子體反應(yīng)堆。
具體實(shí)施例方式
圖1所示設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆包括有基片2的反應(yīng)室1，其中安裝沉積的金剛石薄膜3。基片2是在基片夾具4上。微波輻射是由與傳輸線6連接的微波發(fā)生器5產(chǎn)生，傳輸線6終止于準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7是由幾個(gè)金屬反射鏡構(gòu)成，它可以在基片2附近的等離子體形成區(qū)8中形成微波駐波。反應(yīng)室1配備氣體混合物泵入系統(tǒng)9和氣體泵出系統(tǒng)10，為的是在反應(yīng)室1中保持工作氣體混合物的所需壓力和流速。如同在原型裝置中，反應(yīng)室可以是透明的石英管?；匦?gyrotron)可以用作輻射源5。
在制作圖2所示等離子體反應(yīng)堆的第一種具體情況下，傳輸線6是由具有圓形橫截面的超大尺寸波導(dǎo)14構(gòu)成，它配備波束分束器15，分束器15與一組平面反射鏡11光耦合，每個(gè)反射鏡又與四個(gè)反射鏡12中的一個(gè)凹面金屬反射鏡光耦合。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7是由四個(gè)凹面金屬反射鏡13構(gòu)成。傳輸線6的波導(dǎo)14內(nèi)表面是波紋狀。波導(dǎo)14的一端與微波發(fā)生器5光耦合，而另一端與波束分束器15連接，它把波束分成4個(gè)波束。分束器15制作成超大尺寸方形波導(dǎo)，它的工作是基于電磁波傳播期間的圖像放大效應(yīng)(G.G.Denisov，S.V.Kuzikov，in StrongMicrowaves in Plasmas，Ed.A.G.Litvak，N.NovgorodIAP，2000，v.2，p.960-966)。反射鏡11，12，和13可以在反應(yīng)室1內(nèi)(如圖2所示)和反應(yīng)室1外(如圖1所示)。微波發(fā)生器5的輸出端可以直接與圓形波導(dǎo)14光耦合(如圖1所示)，或借助于附加反射鏡16與它光耦合。形成準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的反射鏡13是這樣設(shè)置的，可以引導(dǎo)四個(gè)成對(duì)交叉波束的微波輻射17到基片2附近的等離子體形成區(qū)8(見圖2中的A視圖)。
泵入至少包含氫和羥的氣體混合物到反應(yīng)室1的系統(tǒng)9和氣體泵出系統(tǒng)10可以保持所需的工作混合壓力，它們可以按照各種方式制成，如圖7所示。氣體泵入系統(tǒng)9制作成凹面金屬屏，在它的中央部分有饋入管19。氣體泵出系統(tǒng)10制作成基片2夾具4中的一組孔徑20，在這種情況下，夾具4配備泵出氣體混合物的體積，其中有水冷卻系統(tǒng)21，它冷卻與基片2接觸的部分夾具4。
在制作圖3所示等離子體反應(yīng)堆的第二種具體情況下，如同以上的情況，傳輸線6是配備波束分束器15的圓形波導(dǎo)14，分束器15與兩個(gè)平面金屬反射鏡11光耦合，每個(gè)反射鏡又與兩個(gè)反射鏡12中的一個(gè)凹面金屬反射鏡光耦合。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7是由兩個(gè)凹面金屬反射鏡13構(gòu)成。在這種情況下，波導(dǎo)14的內(nèi)表面是波紋狀。在制作等離子體反應(yīng)堆的這種具體情況下，把波束分成兩個(gè)波束的波束分束器15制作成超大尺寸矩形波導(dǎo)，它的工作是基于電磁波傳播期間的圖像放大效應(yīng)。反射鏡11，12和13可以在反應(yīng)室1內(nèi)(如圖2所示)和在反應(yīng)室1外(如圖1所示)。形成準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的兩個(gè)反射鏡13是這樣設(shè)置的，它們可以引導(dǎo)兩個(gè)交叉波束的輻射進(jìn)入基片2附近的等離子體形成區(qū)8(見圖3中的視圖A)。氣體泵入反應(yīng)室1的系統(tǒng)9和氣體泵出系統(tǒng)10的制作如同圖7所示的上述具體情況。
在制作圖4所示等離子體反應(yīng)堆的第三種具體情況下，如同以上的情況，傳輸線6是由配備波束分束器15的超大尺寸圓形波導(dǎo)14構(gòu)成，分束器15與兩個(gè)平面反射鏡11光耦合，每個(gè)反射鏡又與兩個(gè)反射鏡12中的一個(gè)凹面金屬反射鏡光耦合。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7是由兩個(gè)凹面屬反射鏡13構(gòu)成，它們是這樣設(shè)置的，可以引導(dǎo)兩個(gè)相反傳播波束的輻射17到基片2附近的等離子體形成區(qū)8(見圖4中的視圖A)。為了在基片2上沉積均勻的金剛石薄膜3，一個(gè)反射鏡13是這樣設(shè)置的，它可以向前和向后平行于自身移動(dòng)距離±λ/4，其中λ是微波輻射的波長(zhǎng)。如同以上的情況，反射鏡11，12和13可以在反應(yīng)室1內(nèi)和在反應(yīng)室1外。
在制作圖5所示等離子體反應(yīng)堆的第四種具體情況下，反應(yīng)室1是在垂直的位置，且它的下部配備注入微波輻射的介質(zhì)窗22，在這種情況下，夾具4上的基片2設(shè)置在反應(yīng)室1的上部。在這種情況下，準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7制作成位于反應(yīng)室1之外和以下的一個(gè)反射鏡13，它可以引導(dǎo)微波輻射束17垂直向上到達(dá)基片2的表面。在這種情況下，氣體混合物泵入反應(yīng)室1的系統(tǒng)9制作成幾個(gè)管子23。為了保持所需的工作氣體混合物壓力，管子24用作氣體泵出系統(tǒng)10。如同以上的具體情況，水冷卻系統(tǒng)21確?；?的溫度范圍。
在制作圖6所示等離子體反應(yīng)堆的第五種具體情況下，傳輸線6是由超大尺寸的圓形波導(dǎo)14構(gòu)成，該波導(dǎo)的輸出端借助于凹面金屬反射鏡12與準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7光耦合，在這種情況下，準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7制作成一個(gè)凹面金屬反射鏡13，它可以引導(dǎo)垂直方向入射到基片2表面或小入射角的微波束17。在這種情況下，制作成冷卻細(xì)金屬管或棒26的周期性光柵25的透射線(radioparent)冷卻壁引入到反應(yīng)室1并安裝成平行于基片2的距離大于λ/2。在這種情況下，氣體混合物的泵入系統(tǒng)和泵出系統(tǒng)如圖8所示。泵入系統(tǒng)9是由周期性光柵25的冷卻空管26構(gòu)成。為了保持反應(yīng)室1中所需壓力是在50-300Torr的范圍內(nèi)，氣體泵出系統(tǒng)10制作成基片2夾具4上的一組孔徑20。利用水冷卻系統(tǒng)21確保基片2的溫度范圍。
在制作圖6所示等離子體反應(yīng)堆的第六種具體情況下，傳輸線6和準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的制作與以上的情況完全相同。在這個(gè)具體制造的情況下，引入到反應(yīng)室1的光柵25是在與基片2相距λ/2整數(shù)倍的距離上，它與基片2，具有平面平行反射鏡的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔一起形成，該諧振腔是在微波發(fā)生器5的輻射頻率下發(fā)生諧振。
在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，氣體泵入系統(tǒng)9和氣體泵出系統(tǒng)10與圖8所示的上述具體情況完全相同。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法和裝置(等離子體反應(yīng)堆)的具體例子中，Dzerzhinsky玻璃工廠(俄羅斯Gus-Khrustalny)生產(chǎn)的石英管用作反應(yīng)室1。微波發(fā)生器5是產(chǎn)生頻率為30GHz和功率高達(dá)10kW的微波輻射回旋管，它是由GYC0M Ltd.制造(俄羅斯Nizhny Novgorod)。具有波紋內(nèi)表面的超大尺寸圓形波導(dǎo)14配備波束分束器15，它是由Nizhny Novgorod的1AP RAS制造。圖6表示設(shè)計(jì)具有準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的等離子體反應(yīng)堆用于實(shí)現(xiàn)所建議的方法。
以下說(shuō)明在微波放電等離子體中從氣相實(shí)現(xiàn)高速沉積金剛石薄膜的方法(見圖1)。
橫向強(qiáng)度分布為高斯分布形式的線偏振微波輻射17發(fā)送到傳輸線6的輸入端，該輻射是由微波發(fā)生器5產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)上使用2.45GHz的頻率(例如，30GHz)。從傳輸線6的輸出端發(fā)送到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7，微波輻射17借助于該系統(tǒng)發(fā)送到至少包含氫和羥的反應(yīng)室1。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7用于在選取的區(qū)域8中形成微波駐波。在駐波的波腹中，產(chǎn)生并保持等離子體層，即，得到穩(wěn)定的非平衡等離子體。由于使用其頻率f遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)上使用2.45GHz的微波輻射，在區(qū)域8中產(chǎn)生的等離子體有較高的電子密度，它形成較高密度的含碳原子團(tuán)和原子氫，從而提供高于原型方法的金剛石薄膜生長(zhǎng)速率，原型方法利用頻率為2.45GHz的輻射。較高的頻率f還可利用準(zhǔn)光學(xué)方法并控制基片2上均勻等離子體的尺寸，它可以沉積均勻的薄膜，即，提供一種解決設(shè)定任務(wù)的方法。
如圖2所示并可以實(shí)現(xiàn)按照Par.3方法的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
借助于反射鏡16，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率為30GHz和強(qiáng)度為高斯橫向分布的線偏振微波輻射17到具有波紋內(nèi)表面的超大尺寸圓形波導(dǎo)14的輸入端。由于制作這種波導(dǎo)14，微波輻射17的橫向強(qiáng)度分布在波導(dǎo)14的輸出端仍保持近似的高斯形式。高斯波束進(jìn)入波束分束器15的輸入端，由于電磁波在超大尺寸方形波導(dǎo)傳播時(shí)的圖像放大效應(yīng)，它被分成較低強(qiáng)度的四個(gè)相同高斯波束。借助于傳輸線6的反射鏡11和12，這些輻射波束17中的每個(gè)波束被引導(dǎo)到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7。電動(dòng)系統(tǒng)7的四個(gè)凹面反射鏡13引導(dǎo)四個(gè)會(huì)聚波束17到區(qū)域8，其中所述四個(gè)波束成對(duì)交叉，如圖2所示(視圖A)，且駐波形成在它們交叉的區(qū)域。相對(duì)于每對(duì)反射鏡13的對(duì)稱軸，在垂直于附圖平面的平面內(nèi)(見圖2中的視圖A)，由于相反的每對(duì)反射鏡13的位移，在這種具體情況下，在基片2上形成駐波的區(qū)域8比其他已知方法有較大的面積(大于100mm)。在駐波的波腹中，電場(chǎng)值等于或大于保持穩(wěn)定等離子體所需場(chǎng)的閾值，因此，在形成駐波的區(qū)域8中，觸發(fā)微波放電，從而建立和定域等離子體層。通過(guò)改變交叉波束17橫截面的形狀和尺寸，我們可以控制等離子體層的形狀和尺寸。按照本發(fā)明方案Par.8設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆可以提供更均勻的微波輻射到等離子體和沉積較大面積的金剛石薄膜。
如圖3所示并實(shí)現(xiàn)按照Par.4描述方法的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
借助于反射鏡16和超大尺寸圓形波導(dǎo)14，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率為30GHz和強(qiáng)度為高斯橫向分布的線偏振微波輻射17到分束器15的輸入端，在這種具體情況下，它制作成超大尺寸矩形波導(dǎo)。由于電磁輻射在超大尺寸矩形波導(dǎo)15中傳播時(shí)的圖像放大效應(yīng)，高斯波束17被分成較低強(qiáng)度的兩個(gè)相同高斯波束17。借助于反射鏡11和12，這些輻射波束17中的每個(gè)波束被引導(dǎo)到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的凹面反射鏡13引導(dǎo)所述兩個(gè)波束17中的每個(gè)會(huì)聚波束以小角度到達(dá)基片2的表面，在這種情況下，該表面的作用是反射鏡。在這種情況下，入射波束和從基片2反射的波束在基片2上的區(qū)域8中交叉，并在它們的交叉點(diǎn)形成垂直于基片2表面方向的駐波。在駐波的波腹中，形成較強(qiáng)場(chǎng)的區(qū)域，其中形成和保持平行于基片2表面的一個(gè)等離子體層或幾個(gè)等離子體層。通過(guò)改變?nèi)肷洳ㄊ?7橫截面的形狀和尺寸和改變基片2上波束17的入射角，我們可以控制沿基片2的等離子體層尺寸。為了沿基片2獲得更均勻的等離子體分布，第二個(gè)反射鏡13用于引導(dǎo)兩個(gè)上述會(huì)聚波束17中的第二個(gè)波束到與反射波束相對(duì)的基片2上。由于這個(gè)原因，按照Par.9和圖3所示設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆在基片2上可以沉積更均勻的金剛石薄膜。
如圖4所示并實(shí)現(xiàn)按照Par.5方法的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
借助于反射鏡16和超大尺寸圓形波導(dǎo)14，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率為30GHz和強(qiáng)度為高斯橫向分布的線偏振微波輻射17到分束器15的輸入端，在這種具體情況下，它制作成超大尺寸矩形波導(dǎo)。由于電磁輻射在超大尺寸矩形波導(dǎo)15中傳播時(shí)的圖像放大效應(yīng)，高斯波束17被分成較低強(qiáng)度的兩個(gè)相同高斯波束17。借助于反射鏡11和12，這兩個(gè)輻射波束17中的每個(gè)波束被引導(dǎo)到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7。準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的兩個(gè)反射鏡13引導(dǎo)兩個(gè)所述波束17到基片2上相對(duì)的區(qū)域8。這導(dǎo)致在沿波束17軸的區(qū)域8中形成駐波。在駐波的波腹中，形成較強(qiáng)場(chǎng)的區(qū)域，其中定域和保持垂直于基片2表面的幾個(gè)等離子體層。為了在基片2上獲得均勻沉積的金剛石薄膜，借助于一個(gè)反射鏡13平行于自身機(jī)械位移±λ/4的距離，駐波的波腹連續(xù)地沿基片2移動(dòng)。類似于以上的設(shè)計(jì)方案，按照Par.10和圖4所示設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆也可以在基片2上沉積均勻的金剛石薄膜3。
如圖5所示并實(shí)現(xiàn)按照Par.6方法的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
借助于反射鏡16，超大尺寸圓形波導(dǎo)14，和反射鏡12，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率為30GHz和強(qiáng)度為高斯橫向分布的線偏振微波輻射17到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的輸入端，在這種具體情況下，它制作成位于反應(yīng)室1以外的一個(gè)凹面金屬反射鏡13。反射鏡13引導(dǎo)會(huì)聚波束17通過(guò)介質(zhì)窗22沿垂直于基片2表面的方向向上，在這種具體情況下，它的作用是反射鏡并產(chǎn)生相反的波束17。因此，沿垂直于基片2表面的方向形成駐波。在駐波的波腹中，形成較強(qiáng)場(chǎng)的區(qū)域，其中定域和保持垂直于基片2表面的一個(gè)等離子體層或幾個(gè)等離子體層。通過(guò)改變?nèi)肷洳ㄊ?7橫截面的尺寸，我們可以控制沿基片2的等離子體層尺寸。在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，波束17從下方被引導(dǎo)到基片2，使等離子體出現(xiàn)在基片以下。在這種情況下，產(chǎn)生對(duì)流的氣體流并向上流動(dòng)到基片2上，這有助于進(jìn)一步定域等離子體層到基片附近。按照Par.11和圖5所示設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆有最小的尺寸且最容易制作，并可以進(jìn)一步定域等離子體層到基片2附近。
如圖6所示并實(shí)現(xiàn)按照Par.6方法的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
由細(xì)的冷卻金屬棒或管26制造并設(shè)置成平行于基片2的周期性光柵25可以完成兩種功能，它取決于所述光柵與基片2之間距離和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量相對(duì)于金屬棒(管)26軸的方向，即若與基片2的距離是任意的和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向垂直于金屬棒(管)26的軸，則光柵25的功能是透射線的冷卻壁；若與基片2的距離是λ/2的整數(shù)倍和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向相對(duì)于金屬棒(管)26的軸是合適的，則它的功能是作為準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的部分透射反射鏡。
在光柵25用作透射線的冷卻壁時(shí)，圖6所示的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
借助于反射鏡16，超大尺寸波導(dǎo)14和反射鏡12，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率為30GHz和強(qiáng)度分布對(duì)應(yīng)于高斯橫向分布的線偏振微波輻射17到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的反射鏡13，該系統(tǒng)引導(dǎo)會(huì)聚的高斯波束17沿垂直于其表面的方向或與法線成小角度到光柵25和基片2。當(dāng)高斯波束17的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿垂直于金屬棒或管26的軸被引導(dǎo)時(shí)，光柵25對(duì)于微波輻射變成透明的。在這種情況下，波束17從基片2的表面反射。因此，沿垂直于基片2表面的方向產(chǎn)生駐波。在駐波的波腹中，形成較強(qiáng)場(chǎng)的區(qū)域，其中定域和保持平行于基片2表面的一個(gè)等離子體層或幾個(gè)等離子體層。等離子體的定域進(jìn)一步有利于熱能釋放到對(duì)微波輻射透明的冷卻光柵25。通過(guò)改變?nèi)肷洳ㄊ?7橫截面的尺寸，我們可以控制沿基片2的等離子體層尺寸。因此，按照Par.12和圖6所示設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆進(jìn)一步有利于使等離子體層定域在基片2附近。
在光柵25用作準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的一個(gè)反射鏡時(shí)，圖6所示的等離子體反應(yīng)堆按照如以下方式運(yùn)行。
如同以上的情況，借助于反射鏡16，超大尺寸波導(dǎo)14和反射鏡12，從微波發(fā)生器5引導(dǎo)頻率f＝30GHz微波輻射的線偏振高斯波束17到準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)7的反射鏡13，該系統(tǒng)引導(dǎo)會(huì)聚的高斯波束17沿垂直于其表面的方向或與法線成小角度到光柵25和基片2。為了把光柵25轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的部分反射第二反射鏡，高斯波束17中的電場(chǎng)強(qiáng)度方向與金屬棒(管)26軸之間角度改變成與以上的情況相當(dāng)。除此以外，由于在利用光柵25作為準(zhǔn)光學(xué)諧振腔反射鏡的情況下，選取光柵25與基片2之間的距離等于λ/2，它們形成的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔是在微波發(fā)生器5的輻射頻率下發(fā)生諧振。在諧振的情況下，駐波中的電場(chǎng)幅度被放大，它進(jìn)一步有助于等離子體層定域在這種諧振腔中的基片2附近。如同以上的情況，通過(guò)冷卻光柵25的金屬棒(管)，也有助于等離子體的定域化。借助于改變高斯波束中的電場(chǎng)矢量與金屬管或棒26的軸之間角度，通過(guò)改變諧振腔與高斯輻射波束17的耦合系數(shù)，我們可以控制這種準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的Q因子。如同以上的情況，通過(guò)改變?nèi)肷洳ㄊ臋M截面尺寸，我們可以控制沿基片2的等離子體層尺寸。按照Par.14和圖6所示設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)堆可以控制等離子體層的定域化。
在制造這種設(shè)計(jì)方案的具體情況下，氣體泵入系統(tǒng)9與周期性光柵25進(jìn)行組合，其中氣體混合物經(jīng)孔徑泵入到周期性光柵25的空管26中，如圖8所示。
為了進(jìn)行比較，借助于根據(jù)A.M.Gorbachev et al.知道的數(shù)字模型，“Numerical modeling of a microwave plasma CVD reactor，Diamondand Related Materials”，10(2001)p.342-346，表1給出工作在頻率2.45GHz和30GHz的等離子體反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案中計(jì)算(數(shù)字模型)原子氫密度的結(jié)果。在頻率2.45GHz下，我們選取根據(jù)1994年的USA PatentNo.5311103，Int.Cl. H01J7/24知道的等離子體反應(yīng)堆。在頻率30GHz下，我們選取圖6所示的等離子體反應(yīng)堆；它有準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，其中等離子體保持為一個(gè)等離子體層。反應(yīng)室中包含氫H2和甲烷CH4的氣體混合物壓力是100Torr?；臏囟仁?00℃。在相同的入射功率下保持等離子體。
表1

從表1中可以看出，在頻率為30GHz的反應(yīng)堆中，基片表面附近的原子氫密度高于頻率為2.45GHz的反應(yīng)堆中一個(gè)數(shù)量級(jí)。早期的研究(Goodwin D.G.，Butler J.E.，in Handbook of industrial diamonds anddiamond films，Eds.M.Prelas，G.Popovici，L.K.Bigelow，New YorkMarcel Dekker Inc.USA，1998，p.527-581)說(shuō)明，這種原子氫密度的增大也導(dǎo)致金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率增大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在1994年的USAPatent No.5311103，Int.Cl.H01J7/24描述的等離子體反應(yīng)堆中，高質(zhì)量金剛石薄膜的生長(zhǎng)速率是1-2μm/h，而在本發(fā)明反應(yīng)堆中的生長(zhǎng)速率是10-20μm/h。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明沉積金剛石薄膜的方法和實(shí)現(xiàn)該方法的等離子體反應(yīng)堆是基于增大沉積(生產(chǎn))大面積高質(zhì)量金剛石薄膜的速率，它們可用于科學(xué)和技術(shù)中的各個(gè)領(lǐng)域；具體地說(shuō)，它們用于制作高功率微波源的輸出窗，即，回旋管，這是在熔融裝置中進(jìn)一步加熱等離子體所需要的。本發(fā)明方法和裝置(等離子體反應(yīng)堆)采用俄羅斯工業(yè)部門制作的元件。當(dāng)前兩個(gè)改進(jìn)的等離子體反應(yīng)堆正在進(jìn)行測(cè)試有四個(gè)成對(duì)交叉波束的等離子體反應(yīng)堆，如圖2所示，和有準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的等離子體反應(yīng)堆，如圖6所示。我們準(zhǔn)備小批量生產(chǎn)本發(fā)明的等離子體反應(yīng)堆。
權(quán)利要求
1.一種在微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜到基片上的方法，其中微波放電形成在至少包含氫和羥的氣體混合物的反應(yīng)室中，且其中借助于微波放電激活氣體混合物以形成含氫和碳基的原子，它們沉積在基片上并形成多晶金剛石薄膜作為表面反應(yīng)的結(jié)果，這種改進(jìn)包括激活氣體混合物以增大等離子體中電子密度Ne是在反應(yīng)室中利用功率至少為1kW和頻率f超過(guò)2.45GHz的微波通過(guò)建立穩(wěn)定的非平衡等離子體實(shí)現(xiàn)的，為的是定域等離子體在基片附近形成波腹的微波駐波中，并在這些波腹中產(chǎn)生和保持基片上的等離子體層，從而沉積金剛石薄膜到基片上。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中利用頻率f等于30GHz的電磁輻射以增大電子密度Ne，從而使所述氣體混合物激活，并通過(guò)改變會(huì)聚波束橫截面的形狀和尺寸，控制微波駐波的波腹中各層尺寸，駐波的形成是利用會(huì)聚波束的交叉。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中四個(gè)或四個(gè)以上成對(duì)交叉的會(huì)聚波束用于形成駐波。
4.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中兩個(gè)會(huì)聚、交叉的波束用于形成駐波。
5.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中兩個(gè)反向會(huì)聚的波束用于形成駐波。
6.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中入射到基片上的波束和從基片上反射的波束形成駐波。
7.一種在微波放電等離子體中從氣相沉積金剛石薄膜的反應(yīng)堆系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微波發(fā)生器；終止于準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)的傳輸線；有基片的反應(yīng)室，基片放置在反應(yīng)室中的基片夾具上；和用于泵入及泵出選取氣體混合物的系統(tǒng)，這種改進(jìn)包括適合于在基片附近選取的區(qū)域中形成駐波的準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)，和傳輸線是有波紋內(nèi)表面的圓形波導(dǎo)，它添加反射鏡系統(tǒng)以轉(zhuǎn)移至少一個(gè)高斯微波波束到所述準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)入等離子體。
8.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)有四個(gè)反射鏡，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，并引導(dǎo)微波輻射作為四個(gè)成對(duì)交叉的波束，其中準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)與部分的傳輸線一起安裝在反應(yīng)室內(nèi)，且其中傳輸線上添加分束器，分束器把一個(gè)波束分成四個(gè)波束并安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
9.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)是由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，為的是以小角度引導(dǎo)兩個(gè)微波輻射波束到基片的表面上，而傳輸線上添加分束器，分束器把一個(gè)波束分成兩個(gè)波束并安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
10.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)是由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成，它們是在相對(duì)于等離子體形成區(qū)的不同側(cè)，為的是以相反方向引導(dǎo)兩個(gè)波束，其中兩個(gè)反射鏡中的一個(gè)反射鏡是這樣安裝的，它可以沿平行于自身向前和向后移動(dòng)±λ/4距離，其中λ是微波輻射的波長(zhǎng)，且其中傳輸線上添加分束器，分束器把一個(gè)波束分成兩個(gè)波束并安裝在所述超大尺寸圓形波導(dǎo)的輸出端。
11.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中反應(yīng)室的底部有可以注入微波輻射的介質(zhì)窗，而基片安裝在與介質(zhì)窗相對(duì)的反應(yīng)室頂部，且其中準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)是由一個(gè)反射鏡構(gòu)成，它位于反應(yīng)室之外并低于反應(yīng)室，使它可以引導(dǎo)微波束垂直向上到基片表面。
12.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)反射鏡，它可以引導(dǎo)垂直入射或與法線成小角度的微波波束到基片表面，而冷卻的透射線壁安裝在反應(yīng)室內(nèi)，該壁是冷卻細(xì)金屬管或棒的光柵，并安裝成平行于基片表面且與基片的距離大于λ/2。
13.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中準(zhǔn)光學(xué)電動(dòng)系統(tǒng)有反射鏡和準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，準(zhǔn)光學(xué)諧振腔中的平面平行反射鏡之間距離是λ/2的整數(shù)倍，該諧振腔與電動(dòng)系統(tǒng)耦合，且其中諧振腔反射鏡是基片夾具上的基片表面，而其他的反射鏡包括細(xì)金屬管或棒的周期性光柵，其中光柵的周期小于λ。
14.按照權(quán)利要求8，9或10中任何一個(gè)的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中泵浦氣體進(jìn)入反應(yīng)室并到達(dá)等離子體形成區(qū)中的系統(tǒng)是凹面金屬屏，在中央部分有饋送管，而金屬屏是在可調(diào)節(jié)距離的基片夾具上，和泵出氣體的系統(tǒng)是基片夾具上的一組孔徑，它有抽空氣體混合物的體積，且在這個(gè)體積中有水冷卻基片夾具上部的系統(tǒng)。
15.按照權(quán)利要求12或13的反應(yīng)堆系統(tǒng)，其中泵入氣體混合物的系統(tǒng)與冷卻細(xì)金屬管的光柵組合，且其中泵出氣體系統(tǒng)是基片夾具上的一組孔徑，它有抽空氣體混合物的部分，和水冷卻基片夾具上部的部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助于SHF放電等離子體通過(guò)分解氣體混合物的碳沉積，例如，可用于生產(chǎn)多晶金剛石薄膜(薄片)，該薄膜用于制作諸如回旋管的SHF功率源輸出窗。本發(fā)明確保在直徑等于或大于100mm的基片上高速沉積高質(zhì)量金剛石薄膜(其損失角正切值等于或小于3×10
文檔編號(hào)H05H1/30GK1694977SQ03824814
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者安納托利·L.·維克哈夫, 艾萊克斯·M.·戈貝奇夫, 艾萊克桑德·G.·里特瓦克, 朱里·V.·柏克夫, 格利高利·G.·丹尼索夫, 奧萊格·A·伊萬(wàn)諾夫, 弗拉蒂米爾·A.·科爾丹諾夫 申請(qǐng)人:范應(yīng)用物理研究院