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　　申请号：201180066335

　　申请人：六号元素有限公司

　　摘要：一种用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：等离子体室；布置于等离子体室中用于支承基底的基底保持器，在使用时合成金刚石材料沉积于所述基底上；用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造，以及用于将处理气体给送至等离子体室内并且从等离子体室移除处理气体的气体流动系统；其中，气体流动系统包括气体入口喷嘴阵列，所述气体入口喷嘴阵列包括布置成与基底保持器相对的用于指引处理气体朝向基底保持器的多个气体入口喷嘴，气体入口喷嘴阵列包括：布置为相对于等离子体室的中心轴线基本平行或发散定向的至少六个气体入口喷嘴；气体入口喷嘴数量密度等于或大于0.1喷嘴数/平方厘米，其中，通过使喷嘴突出至其法线位置平行于等离子体室的中心轴线的平面上并且测量在所述平面上的气体入口数量密度，来测量气体入口喷嘴数量密度；以及喷嘴面积比值等于或大于10，其中，通过使喷嘴突出至其法线位置平行于等离子体室的中心轴线的平面上、测量在所述平面上的气体入口喷嘴区域的总面积、除以喷嘴的总数量以给出与每一个喷嘴相关的面积、以及用与每一个喷嘴相关的面积除以每一个喷嘴的实际面积，来测量喷嘴面积比值。

　　独立权力要求：1.一种用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：等离子体室；布置于等离子体室中用于支承基底的基底保持器，在使用时合成金刚石材料沉积于所述基底上；用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造，以及用于将处理气体给送至等离子体室内并且从等离子体室移除处理气体的气体流动系统；其中，气体流动系统包括气体入口喷嘴阵列，所述气体入口喷嘴阵列包括布置成与基底保持器相对的用于指引处理气体朝向基底保持器的多个气体入口喷嘴，气体入口喷嘴阵列包括：布置为相对于等离子体室的中心轴线基本平行或发散定向的至少六个气体入口喷嘴；气体入口喷嘴数量密度等于或大于0.1喷嘴数/平方厘米，其中，通过使喷嘴突出至其法线位置平行于等离子体室的中心轴线的平面上并且测量在所述平面上的气体入口数量密度，来测量气体入口喷嘴数量密度；以及喷嘴面积比值等于或大于10，其中，通过使喷嘴突出至其法线位置平行于等离子体室的中心轴线的平面上、测量在所述平面上的气体入口喷嘴区域的总面积、除以喷嘴的总数量以给出与每一个喷嘴相关的面积、以及用与每一个喷嘴相关的面积除以每一个喷嘴的实际面积，来测量喷嘴面积比值。

　　2.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴数量密度等于或大于0.2、0.5、1、2、5、或10喷嘴数/平方厘米。

　　3.根据权利要求1或2所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴数量密度等于或小于100、50、或10喷嘴数/平方厘米。

　　4.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，喷嘴面积比值等于或大于30、100、300、1000、或3000。

　　5.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，喷嘴面积比值等于或小于100000、30000、或10000。

　　6.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列包括等于或大于7、9、10、15、20、30、40、60、90、120、150、200、300、500、700、1000、1200、1500个的气体入口喷嘴。

　　7.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，每一个气体入口喷嘴具有在以下范围内的出口直径：0.1毫米至5毫米、0.2毫米至3毫米、2.0毫米至3毫米，0.2毫米至2毫米，0.25毫米至2毫米、或0.25毫米至1.5毫米。

　　8.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，总喷嘴面积/气体入口喷嘴阵列面积的比值等于或小于0.5、0.35、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01、或0.007。

　　9.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，以平方毫米给出的气体入口喷嘴阵列中的喷嘴总面积在以下范围内：1至5000、5至3000、10至3000、20至2750、30至2750、或50至2700。

　　10.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，以平方毫米给出的其上气体入口喷嘴相间隔的气体入口喷嘴阵列的总面积在以下范围内：100至15000、200至15000、400至10000、800至10000、或1000至8000。

　　11.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴中的至少50%、60%、70%、80%、或90%具有相同的直径。

　　12.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴被均一地间隔开。

　　13.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列包括六边形闭合包装的气体入口喷嘴阵列。

　　14.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列包括布置在平行于等离子体室的中心轴线的方向上的一个或多个中心气体入口喷嘴。

　　15.根据权利要求14所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列包括布置在与等离子体室的中心轴线发散的方向上的多个外部气体入口喷嘴。

　　16.根据权利要求14所述的微波等离子体反应器，其中，基本上全部气体入口喷嘴布置在平行于等离子体室的中心轴线的方向上。

　　17.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列和基底保持器之间的最小距离Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs为基底保持器的半径。

　　18.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列的最大半径Rm满足如下条件：Rm x Fm大于或等于Rs，其中Rs为基底保持器的半径，并且Fm等于或大于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或1并且等于或小于1.5、1.3、1.2、或1.1。

　　19.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，每一个气体入口喷嘴具有第一直径的入口部分以及第二直径的出口部分，第一直径大于第二直径。

　　20.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，用于将微波从微波产生器给送至等离子体室内的微波耦合构造布置在等离子体室的基底保持器上游的端部处。

　　21.根据权利要求20所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口阵列布置于所述端部的中心区域中，并且微波耦合构造包括布置于环绕气体入口阵列的环中的微波窗口。

　　22.根据权利要求21所述的微波等离子体反应器，其中，多个气体入口喷嘴布置于微波窗口的下游，由此所述多个气体入口喷嘴定位于比微波窗口更靠近基底保持器。

　　23.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口喷嘴阵列包括壳体，所述壳体限定用于接收来自一个或多个气体入口管道的处理气体的腔，壳体还限定用于将处理气体从腔注入等离子体室内并且朝向基底保持器的多个入口喷嘴。

　　24.根据权利要求23所述的微波等离子体反应器，其中，壳体定位于等离子体室内。

　　25.根据权利要求23或24所述的微波等离子体反应器，其中，腔构造成在将处理气体注入通过气体入口喷嘴阵列之前混合处理气体中
的至少一些。

　　26.根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器，其中，气体入口构造成通过不同的喷嘴传输不同的气体成分。

　　27.一种使用根据上述任一权利要求所述的微波等离子体反应器制造合成金刚石材料的方法，所述方法包括：将处理气体通过多个气体入口喷嘴注入等离子体室内；通过微波耦合构造将微波从微波产生器给送至等离子体室内，以在布置于基底保持器上的基底上方形成等离子体；以及在基底的生长表面上生长合成金刚石材料。

　　28.根据权利要求27所述的方法，其中，被给送穿过气体入口喷嘴阵列的总气体流等于或大于500、750、1000、2000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、或40000标准立方厘米每分钟。

　　29.根据权利要求27或28所述的方法，其中，被给送穿过气体入口喷嘴阵列的总气体流等于或大于3、10、20、50、100、200、500、或1000标准立方厘米每分钟每平方厘米生长表面面积，并且等于或小于50000、20000、10000、或5000标准立方厘米每分钟每平方厘米生长表面面积。

　　30.根据权利要求27至29中任一所述的方法，其中，气体入口喷嘴阵列和基底之间的最小距离Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs为基底的半径。

　　31.根据权利要求27至30中任一所述的方法，其中，气体入口喷嘴阵列的最大半径Rm满足如下条件：Rm x Fm大于或等于Rs，其中Rs为基底的半径，并且Fm等于或大于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或1并且等于或小于1.5、1.3、1.2、或1.1。

　　32.根据权利要求27至31中任一所述的方法，其中，处理气体以如下雷诺数通过多个气体入口喷嘴被注入等离子体室内，所述雷诺数等于或小于100、80、50、30、20、10、5、3、2、或1。

　　33.根据权利要求27至32中任一所述的方法，其中，等离子体室内的操作压力在微波频率2300至2600兆赫下等于或大于200、220、240、260、280、300、320、340、360、380或400托；在微波频率800至1000兆赫下等于或大于120、140、160、180、200、220、240或260托；或者在微波频率400至500兆赫下等于或大于60、70、80、100、120、140或150托。

　　34.根据权利要求27至33中任一所述的方法，其中，被给送至等离子体室内的功率的至少45%、50%、55%、60%、65%或70%被传
送穿过等离子体室的基部。

　　35.根据权利要求27至34中任一所述的方法，其中，输送至基底的功率密度能够等于或大于0.05、0.1、0.5、1、1.5、2.0、2.5、2.75、3.0、3.2、或3.5瓦/平方毫米生长表面。

　　36.根据权利要求27至35中任一所述的方法，其中，来自多个气体入口喷嘴的气体流在重力下向下流动。

　　37.根据权利要求27至36中任一所述的方法，其中，微波等离子反应器被反转，由此来自多个气体入口喷嘴的气体流抵抗重力向上流动。

　　38.根据权利要求27至37中任一所述的方法，其中，处理气体包括一种或多种掺杂物。

　　39.根据权利要求38所述的方法，其中，一种或多种掺杂物包括硼。