申請號：201180066335

　　申請人：六號元素有限公司

　　摘要：一種用于通過化學氣相沉積制造合成金剛石材料的微波等離子體反應器，所述微波等離子體反應器包括：等離子體室；布置于等離子體室中用于支承基底的基底保持器，在使用時合成金剛石材料沉積于所述基底上；用于將微波從微波產生器給送至等離子體室內的微波耦合構造，以及用于將處理氣體給送至等離子體室內并且從等離子體室移除處理氣體的氣體流動系統；其中，氣體流動系統包括氣體入口噴嘴陣列，所述氣體入口噴嘴陣列包括布置成與基底保持器相對的用于指引處理氣體朝向基底保持器的多個氣體入口噴嘴，氣體入口噴嘴陣列包括：布置為相對于等離子體室的中心軸線基本平行或發散定向的至少六個氣體入口噴嘴；氣體入口噴嘴數量密度等于或大于0.1噴嘴數/平方厘米，其中，通過使噴嘴突出至其法線位置平行于等離子體室的中心軸線的平面上并且測量在所述平面上的氣體入口數量密度，來測量氣體入口噴嘴數量密度；以及噴嘴面積比值等于或大于10，其中，通過使噴嘴突出至其法線位置平行于等離子體室的中心軸線的平面上、測量在所述平面上的氣體入口噴嘴區域的總面積、除以噴嘴的總數量以給出與每一個噴嘴相關的面積、以及用與每一個噴嘴相關的面積除以每一個噴嘴的實際面積，來測量噴嘴面積比值。

　　獨立權力要求：1.一種用于通過化學氣相沉積制造合成金剛石材料的微波等離子體反應器，所述微波等離子體反應器包括：等離子體室；布置于等離子體室中用于支承基底的基底保持器，在使用時合成金剛石材料沉積于所述基底上；用于將微波從微波產生器給送至等離子體室內的微波耦合構造，以及用于將處理氣體給送至等離子體室內并且從等離子體室移除處理氣體的氣體流動系統；其中，氣體流動系統包括氣體入口噴嘴陣列，所述氣體入口噴嘴陣列包括布置成與基底保持器相對的用于指引處理氣體朝向基底保持器的多個氣體入口噴嘴，氣體入口噴嘴陣列包括：布置為相對于等離子體室的中心軸線基本平行或發散定向的至少六個氣體入口噴嘴；氣體入口噴嘴數量密度等于或大于0.1噴嘴數/平方厘米，其中，通過使噴嘴突出至其法線位置平行于等離子體室的中心軸線的平面上并且測量在所述平面上的氣體入口數量密度，來測量氣體入口噴嘴數量密度；以及噴嘴面積比值等于或大于10，其中，通過使噴嘴突出至其法線位置平行于等離子體室的中心軸線的平面上、測量在所述平面上的氣體入口噴嘴區域的總面積、除以噴嘴的總數量以給出與每一個噴嘴相關的面積、以及用與每一個噴嘴相關的面積除以每一個噴嘴的實際面積，來測量噴嘴面積比值。

　　2.根據權利要求1所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴數量密度等于或大于0.2、0.5、1、2、5、或10噴嘴數/平方厘米。

　　3.根據權利要求1或2所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴數量密度等于或小于100、50、或10噴嘴數/平方厘米。

　　4.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，噴嘴面積比值等于或大于30、100、300、1000、或3000。

　　5.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，噴嘴面積比值等于或小于100000、30000、或10000。

　　6.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列包括等于或大于7、9、10、15、20、30、40、60、90、120、150、200、300、500、700、1000、1200、1500個的氣體入口噴嘴。

　　7.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，每一個氣體入口噴嘴具有在以下范圍內的出口直徑：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.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，總噴嘴面積/氣體入口噴嘴陣列面積的比值等于或小于0.5、0.35、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01、或0.007。

　　9.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，以平方毫米給出的氣體入口噴嘴陣列中的噴嘴總面積在以下范圍內：1至5000、5至3000、10至3000、20至2750、30至2750、或50至2700。

　　10.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，以平方毫米給出的其上氣體入口噴嘴相間隔的氣體入口噴嘴陣列的總面積在以下范圍內：100至15000、200至15000、400至10000、800至10000、或1000至8000。

　　11.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴中的至少50%、60%、70%、80%、或90%具有相同的直徑。

　　12.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴被均一地間隔開。

　　13.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列包括六邊形閉合包裝的氣體入口噴嘴陣列。

　　14.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列包括布置在平行于等離子體室的中心軸線的方向上的一個或多個中心氣體入口噴嘴。

　　15.根據權利要求14所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列包括布置在與等離子體室的中心軸線發散的方向上的多個外部氣體入口噴嘴。

　　16.根據權利要求14所述的微波等離子體反應器，其中，基本上全部氣體入口噴嘴布置在平行于等離子體室的中心軸線的方向上。

　　17.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列和基底保持器之間的最小距離Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs為基底保持器的半徑。

　　18.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列的最大半徑Rm滿足如下條件：Rm x Fm大于或等于Rs，其中Rs為基底保持器的半徑，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.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，每一個氣體入口噴嘴具有第一直徑的入口部分以及第二直徑的出口部分，第一直徑大于第二直徑。

　　20.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，用于將微波從微波產生器給送至等離子體室內的微波耦合構造布置在等離子體室的基底保持器上游的端部處。

　　21.根據權利要求20所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口陣列布置于所述端部的中心區域中，并且微波耦合構造包括布置于環繞氣體入口陣列的環中的微波窗口。

　　22.根據權利要求21所述的微波等離子體反應器，其中，多個氣體入口噴嘴布置于微波窗口的下游，由此所述多個氣體入口噴嘴定位于比微波窗口更靠近基底保持器。

　　23.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口噴嘴陣列包括殼體，所述殼體限定用于接收來自一個或多個氣體入口管道的處理氣體的腔，殼體還限定用于將處理氣體從腔注入等離子體室內并且朝向基底保持器的多個入口噴嘴。

　　24.根據權利要求23所述的微波等離子體反應器，其中，殼體定位于等離子體室內。

　　25.根據權利要求23或24所述的微波等離子體反應器，其中，腔構造成在將處理氣體注入通過氣體入口噴嘴陣列之前混合處理氣體中
的至少一些。

　　26.根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器，其中，氣體入口構造成通過不同的噴嘴傳輸不同的氣體成分。

　　27.一種使用根據上述任一權利要求所述的微波等離子體反應器制造合成金剛石材料的方法，所述方法包括：將處理氣體通過多個氣體入口噴嘴注入等離子體室內；通過微波耦合構造將微波從微波產生器給送至等離子體室內，以在布置于基底保持器上的基底上方形成等離子體；以及在基底的生長表面上生長合成金剛石材料。

　　28.根據權利要求27所述的方法，其中，被給送穿過氣體入口噴嘴陣列的總氣體流等于或大于500、750、1000、2000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、或40000標準立方厘米每分鐘。

　　29.根據權利要求27或28所述的方法，其中，被給送穿過氣體入口噴嘴陣列的總氣體流等于或大于3、10、20、50、100、200、500、或1000標準立方厘米每分鐘每平方厘米生長表面面積，并且等于或小于50000、20000、10000、或5000標準立方厘米每分鐘每平方厘米生長表面面積。

　　30.根據權利要求27至29中任一所述的方法，其中，氣體入口噴嘴陣列和基底之間的最小距離Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs為基底的半徑。

　　31.根據權利要求27至30中任一所述的方法，其中，氣體入口噴嘴陣列的最大半徑Rm滿足如下條件：Rm x Fm大于或等于Rs，其中Rs為基底的半徑，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.根據權利要求27至31中任一所述的方法，其中，處理氣體以如下雷諾數通過多個氣體入口噴嘴被注入等離子體室內，所述雷諾數等于或小于100、80、50、30、20、10、5、3、2、或1。

　　33.根據權利要求27至32中任一所述的方法，其中，等離子體室內的操作壓力在微波頻率2300至2600兆赫下等于或大于200、220、240、260、280、300、320、340、360、380或400托；在微波頻率800至1000兆赫下等于或大于120、140、160、180、200、220、240或260托；或者在微波頻率400至500兆赫下等于或大于60、70、80、100、120、140或150托。

　　34.根據權利要求27至33中任一所述的方法，其中，被給送至等離子體室內的功率的至少45%、50%、55%、60%、65%或70%被傳
送穿過等離子體室的基部。

　　35.根據權利要求27至34中任一所述的方法，其中，輸送至基底的功率密度能夠等于或大于0.05、0.1、0.5、1、1.5、2.0、2.5、2.75、3.0、3.2、或3.5瓦/平方毫米生長表面。

　　36.根據權利要求27至35中任一所述的方法，其中，來自多個氣體入口噴嘴的氣體流在重力下向下流動。

　　37.根據權利要求27至36中任一所述的方法，其中，微波等離子反應器被反轉，由此來自多個氣體入口噴嘴的氣體流抵抗重力向上流動。

　　38.根據權利要求27至37中任一所述的方法，其中，處理氣體包括一種或多種摻雜物。

　　39.根據權利要求38所述的方法，其中，一種或多種摻雜物包括硼。