JP2014139137A - 合成ダイヤモンド製造のためのマイクロ波プラズマ反応器及び基板 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波プラズマ反応器に用いられる基板を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ反応器は、周波数ｆのマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器と、底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、底部と頂板との間にマイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバと、マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、プロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムと、プラズマチャンバ内に設けられ、基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、支持面上に設けられた基板とを含み、基板は、使用中に合成ダイヤモンド材料を析出させるべき成長面を有し、空胴共振器内の基板の寸法及び配置場所は、使用中において成長面を横切って局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールを発生させるよう選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学気相成長技術を利用して合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器に関する。或る特定の実施形態は、合成ダイヤモンド製造のためにマイクロ波プラズマ反応器内で用いられる基板に関する。

合成ダイヤモンド（人造ダイヤモンド又は人工ダイヤモンドとも称される）材料を製造する化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）法が当該技術分野において今や周知である。ダイヤモンド材料の化学気相成長に関する有用な背景技術情報がジャーナル・オブ・フィジックス（Journal of Physics）の特集号、即ち、ダイヤモンド関連技術を特集したコンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号（２００９）に見受けられる。例えば、アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.）による書評記事は、ＣＶＤダイヤモンド材料、技術及び用途に関する包括的な概要を与えている（これについては、「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，３６号，２００９年，３６４２２１を参照されたい）。

ダイヤモンドが黒鉛と比較して準安定状態にある領域内にある状態で、ＣＶＤ条件下におけるダイヤモンドの合成は、内部熱力学ではなく、表面反応速度論によって規定される。ＣＶＤによるダイヤモンド合成は、通常、典型的にはメタンの形態の僅かなフラクション（典型的には、５％未満）の炭素を用いて実施される。但し、過剰水素分子中において他の炭素含有ガスを利用することができる。水素分子を２０００Ｋ超の温度まで加熱した場合、水素原子への相当な解離が生じる。適当な基板材料の存在下において、ダイヤモンドを析出させることができる。

水素原子は、これが基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにするのでプロセスにとって必要不可欠である。ＣＶＤダイヤモンド成長に必要なラジカルを含む反応性炭素及び水素原子を発生させるためにガス種を含む炭素及び水素分子を加熱する種々の方法が利用可能であり、かかる方法としては、アークジェット、ホットフィラメント、ＤＣアーク、酸素アセチレン炎及びマイクロ波プラズマが挙げられる。

電極を必要とする方法、例えばＤＣアークプラズマは、電極腐食及びダイヤモンド中への物質の混入に起因した欠点を呈する場合がある。燃焼方法には電極腐食に関する問題はないが、燃焼方法は、高品質ダイヤモンド成長と一致したレベルまで精製しなければならない比較的高価な供給ガスを利用する。また、酸素アセチレン混合物を燃焼させた場合であっても、火炎の温度は、ガス流中の相当なフラクションの水素原子を達成するには不十分であり、かかる方法は、程々の成長速度を達成するための局所領域内におけるガスのフラックスの濃縮を利用する。恐らくは、燃焼がバルクダイヤモンド成長のために普及していない主要な理由は、ｋＷｈで表される抽出可能なエネルギーコストである。電気と比較して、高純度アセチレン及び酸素の使用は、熱を発生させる上で費用のかかるやり方である。ホットフィラメント型反応器は、一見すると簡単なように見えるが、制限された量の水素原子を成長面まで比較的効果的に運ぶようにするために必要な低ガス圧力での使用に制限されるという欠点を有する。

上述のことに照らして、マイクロ波プラズマは、電力効率、成長速度、成長面積及び得ることができる生成物の純度の面でＣＶＤダイヤモンド析出を実施する最も効果的な方法であることが判明した。

マイクロ波プラズマ活性化型ＣＶＤダイヤモンド合成システムは、典型的には、原料ガス供給源とマイクロ波電力源の両方に結合されたプラズマ反応器容器を含む。プラズマ反応器容器は、定常マイクロ波を支える空胴共振器を形成するよう構成される。炭素源及び水素分子を含む原料ガスがプラズマ反応器容器内に送り込まれ、かかる原料ガスを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域内にプラズマを生じさせることができる。適当な基板をプラズマに近接して設けると、ラジカルを含む反応性炭素は、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板上に析出可能である。水素原子も又、プラズマから拡散して基板に至ることができ、そして基板から非ダイヤモンド炭素をエッチングにより選択的に除去してダイヤモンド成長が生じることができるようにする。

化学気相成長（ＣＶＤ）法によるダイヤモンド膜成長のための考えられるマイクロ波プラズマ反応器群が当該技術分野において知られている。かかる反応器は、多種多様な設計のものである。共通の特徴は、プラズマチャンバ、プラズマチャンバ内に設けられた基板ホルダ、プラズマを生じさせるマイクロ波発生器、マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込む結合構造体、プロセスガスをプラズマチャンバ内に送り込んでプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システム及び基板ホルダ上の基板の温度を制御する温度制御システムを含む。

本発明者は、ダイヤモンド膜成長のためのマイクロ波プラズマ反応器プロセスを設計する際、守備の良い工業プロセスを達成するためには、チャンバ及びマイクロ波電力結合構造体、ガス流特性並びに基板設計及び温度制御を含む多くの検討事項の評価が必要であると考えている。本発明の或る特定の実施形態は、主として、基板設計及び温度制御の観点に関する。

ＣＶＤダイヤモンド成長用として最も普及している基板は、シリコンである。マイクロ波プラズマ成長プロセスにおいてＣＶＤダイヤモンド成長用の基板としてシリコンを用いた場合の一問題は、熱暴走及び破損を招く高温でのシリコンによる電力吸収である。もう１つの問題は、シリコンが成長中、ＣＶＤダイヤモンド中に混入しやすく、７３７ｎｍＳｉ‐Ｖ欠陥として特に目に付くことである。したがって、シリコン基板の使用は、ＣＶＤダイヤモンド生成物の純度に悪影響を及ぼす場合がある。さらに別の問題は、シリコン基板上のＣＶＤダイヤモンドウェーハの成長後、ＣＶＤダイヤモンドウェーハの回収を行うには、例えば、機械的除去又は酸除去のうちの一方が必要になる場合があるということにある。これら追加の処理ステップは、工業的に実施されるプロセスの時間及び費用を増大させる。

上述のことに照らして、これらの問題を解決する別の基板材料を見出すことが望ましことが明らかである。基板材料の一可能性は、炭化物（カーバイド）形成耐熱金属、例えばタングステン、モリブデン、ニオブ又はこれらの合金である。かかる基板は、既に当該技術分野において提案されている。例えば、米国特許第５，２６１，９５９号明細書は、偏平な円形ディスクの形態をした耐熱金属基板材料、例えばモリブデンを示唆している。変形例として、ホイットフィールド等（Whitfield et al.）は、タングステン基板の使用を示唆している（これについては、（「ニュークリーション・アンド・グロース・オブ・ダイヤモンド・フィルムズ・オン・シングル・クリスタル・アンド・ポリクリスタライン・タングステン・サブストレーツ（Nucleation and growth of diamond films on single crystal and polycrystalline tungsten substrates）」，ダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials），第９巻，第３‐６号，２０００年４月‐５月，ｐ．２６２‐２６８を参照されたい）。具体的に言えば、ホイットフィールド等は、厚さ６．３ｍｍ、直径５０ｍｍの多結晶タングステンディスク及び厚さ６．３ｍｍ、直径８ｍｍの単結晶タングステンディスクを２．４５ＧＨｚマイクロ波プラズマ反応器内に用いることを開示している。１〜３マイクロメートルダイヤモンド研磨剤による鏡面仕上げの研磨並びに超音波洗浄及び現場プラズマエッチングによるクリーニングを含む前処理ステップを基板に施した。ＣＶＤダイヤモンド成長中、光学高温計及び埋め込み形熱電対を用いて基板温度をモニタした。成長後の冷却時にタングステン基板からのＣＶＤダイヤモンドウェーハの自然発生的層状剥離も又ＣＶＤダイヤモンドウェーハとタングステン基板との間の熱膨張率の差に起因して自立型ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう開示されている。ホイットフィールド等は、一般に、自分達の実験において、基板を再使用しなかったが、幾つかの場合、再使用を行った場合、基板を少なくとも２４時間にわたってラップ仕上げすると共に研磨しそれにより先の成長中に生じた薄い炭化物層を除去した。

上述のことに照らして、炭化物形成耐熱金属は、シリコン基板に対する魅力的な代替手段になることができるということが明らかである。これにもかかわらず、本発明者は、かかる基板を用いた場合に多くの問題に遭遇した。これら問題としては、基板上の非一様なＣＶＤダイヤモンド成長、ＣＶＤダイヤモンド成長中における基板からのＣＶＤダイヤモンドウェーハの層状剥離並びにＣＶＤダイヤモンドウェーハの成長後の冷却の際の亀裂又は割れ発生開始及び伝搬が挙げられる。これら問題は、大面積多結晶ダイヤモンドディスク（例えば、直径８０ｍｍ以上）を成長させるために大きな基板を用いた場合又は複数の単結晶ダイヤモンドを単一の成長段階で比較的広い面積（例えば、直径８０ｍｍ以上）にわたって耐熱金属基板にくっつけられた複数の単結晶ダイヤモンド基板上に成長させる場合に悪化する傾向がある。これは、高品質一様なＣＶＤダイヤモンドを成長させることができる領域を増大させる目下の要望があるので特に問題である。さらに、これら問題は、基板を次の成長段階において再使用する場合に悪化する傾向がある。これは、基板が高価でありしかも経済的に競合する工業プロセスにおいて再使用が望ましいので、特に問題である。

米国特許第５，２６１，９５９号明細書

アール・エス・バルマー等（R. S. Balmer et al.），「ケミカル・ベーパ・デポジション・シンセティック・ダイヤモンド：マテリアルズ，テクノロジー・アンド・アプリケーションズ（Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications）」，ジャーナル・オブ・フィジックス（J. Phys.），コンデンスド・マター（Condensed Matter），第２１巻，第３６号，２００９年，３６４２２１ ホイットフィールド等（Whitfield et al.），「ニュークリーション・アンド・グロース・オブ・ダイヤモンド・フィルムズ・オン・シングル・クリスタル・アンド・ポリクリスタライン・タングステン・サブストレーツ（Nucleation and growth of diamond films on single crystal and polycrystalline tungsten substrates）」，ダイヤモンド・アンド・リレーテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials），第９巻，第３‐６号，２０００年４月‐５月，ｐ．２６２‐２６８

本発明の或る特定の実施形態の目的は、これら問題のうちの１つ又は２つ以上に少なくとも部分的に取り組むことにある。特に、本発明の或る特定の実施形態の目的は、一様且つ／或いは首尾一貫したＣＶＤダイヤモンド生成物を提供することにある。

本発明の第１の観点によれば、化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、マイクロ波プラズマ反応器は、
周波数ｆのマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器と、
底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、底部と頂板との間にマイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込み、そしてプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムと、
プラズマチャンバ内に設けられていて、基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
支持面上に設けられた基板とを含み、基板は、使用中に合成ダイヤモンド材料を析出させるべき成長面を有し、空胴共振器内の基板の寸法及び配置場所は、使用中において成長面を横切って局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールを発生させるよう選択され、局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールは、高電場のリングによって境界付けられた実質的に平坦な中央部分を有し、実質的に平坦な中央部分は、成長面の面積の少なくとも６０％にわたって延びると共に中央Ｅ_z電場強度の±１０％以下のＥ_z電場ばらつきを有し、高電場リングは、中央部分の周りに設けられると共に中央Ｅ_z電場強度よりも１０％〜５０％高いピークＥ_z電場強度を有することを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器が提供される。

本発明の第１の観点の別の定義によれば、化学気相成長により、合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、このマイクロ波プラズマ反応器は、
周波数ｆのマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器と、
底部、頂板及び底部から頂板まで延びる側壁を備えていて、底部と頂板との間にマイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバと、
マイクロ波発生器からのマイクロ波をプラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスをプラズマチャンバ中に送り込み、そしてプロセスガスをプラズマチャンバから除去するガス流システムと、
プラズマチャンバ内に設けられていて、基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
支持面上に設けられた基板とを含み、基板は、使用中に合成ダイヤモンド材料を析出させるべき成長面を有し、
プラズマチャンバの底部よりも上方に位置する基板の成長面の基板直径と高さの比が１０〜１４、１１〜１３．５又は１１．０〜１２．５であり、基板の成長面の高さは、基板の周りの表面の平均高さに対する相対高さであることを特徴とするマイクロ波プラズマ反応器が提供される。

本発明の第２の観点によれば、本発明の第１の観点によるマイクロ波プラズマ反応器に用いられる基板であって、この基板は、
ＣＶＤダイヤモンドを成長させるべき平坦な成長面及び成長面と反対側の平坦な支持面を備えた炭化物形成耐熱金属の円筒形ディスクを含み、
円筒形ディスクは、８０ｍｍ以上の直径を有し、
成長面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有し、
支持面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有することを特徴とする基板がが提供される。

本発明の第３の観点によれば、化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、この方法は、
合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを反応器中に送り込むステップを含み、
基板の成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、方法は、
合成ダイヤモンド材料の成長中、基板の成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値及び基板の成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値を含む少なくとも２つの温度測定値を取るステップと、
合成ダイヤモンド材料の成長中、少なくとも２つの温度測定値に基づいて基板の成長面の中央領域と周辺領域との間の温度差を制御するステップとを更に含み、
合成ダイヤモンド材料の成長中における基板の成長面の温度は、５℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１２０℃という条件を満たすよう制御され、上式において、Ｔ_cは、基板の成長面の中央領域の温度であり、Ｔ_eは、基板の成長面の周辺領域の温度であることを特徴とする方法が提供される。

本発明の第４の観点によれば、化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、この方法は、
合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを反応器中に送り込むステップを含み、
基板の成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、
合成ダイヤモンド材料は、少なくとも１２０ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを形成するよう成長させられ、
多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう化学気相成長法を完了させた後、冷却時に基板から自然発生的に層状に剥離され、中央領域は、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％を占め、中央領域には、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しないことを特徴とする方法が提供される。

本発明の良好な理解を得るため且つ本発明をどのように具体化するかを示すために、今、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、かかる実施形態は例示に過ぎない。

マイクロ波プラズマ反応器内の基板の種々の高さに関する電場プロフィールプロットを示す図（（ａ）〜（ｃ））である。 基板の成長面の高さを基板の周りの表面の平均高さに対してどのように計算するかを示す図（（ａ）〜（ｃ））である。 本発明の一実施形態に従って構成されたマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 基板ホルダ及びスペーサワイヤを詳細に示すマイクロ波プラズマ反応器の一部分の平面図である。 基板ホルダ上に且つ基板の周りに配置された温度加減リングを含むよう構成された別のマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。 温度加減リングを詳細に示す図である。 本発明の実施形態としての基板を示す図である。 種々の考えられる変形形態としての基板を示す図（（ａ）〜（ｄ））である。

基板の広い領域上に一様なＣＶＤダイヤモンド成長を提供するために基板の上方に一様な大面積プラズマを生成するよう構成されたマイクロ波プラズマ反応器を提供することが望ましいと考えられる。直感的にマイクロ波プラズマ反応器は、かかる一様なプラズマを生成するために基板の上方に一様な電場をサポートするよう構成されるべきであることが見込まれる。本発明の第１の観点は、特定の形態の非一様電場が対応の一様な下に位置する電場よりも広い領域にわたって一様なプラズマを生じさせることができ、これにより広い領域上に一様なＣＶＤダイヤモンド成長が得られるという見た目の直感に反する知見に基づいている。特に、本発明者は、高電場のリングによって境界付けられた実質的に平坦な中央部分を含む軸対称Ｅ_zプロフィールを有する電場を形成することが好ましいことを見出し、実質的に平坦な中央部分が基板の成長面の面積の少なくとも６０％にわたって延びると共に中央Ｅ_z電場強度の±１０％以下、±８％以下、±６％以下、±５％以下、±４％以下、±３％以下、±２％以下又は±１％以下のＥ_z電場ばらつきを有する。高電場リングは、中央部分の周りに配置され、中央Ｅ_z電場強度よりも１０％〜５０％、１０％〜４０％、１５％〜３０％又は１５％〜２５％高いピークＥ_z電場強度を有する。高電場リングが基板の上方に平坦で大面積のプラズマを生成するようプラズマを外方に引くのを助けることができるということが判明した。さらに、プラズマの縁が高い熱放射損及び高い熱対流損を有するので、高電場リングは、かかる損失を保証する上で有利であると考えられる。この場合、一様なプラズマは、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を生じさせるよう下に位置する基板に向かって一様な熱流及び基板の成長面への活性種の一様な運搬を提供することができる。

適当な基板寸法を選択し、基板をプラズマ反応器の空胴共振器内の正確な場所に位置決めすることによって上述した電場プロフィールを生成することができるということが判明した。この点に関し、基板成長面の上方に電場プロフィールを定めるよう特定のチャンバ形態について電場をモデル化することが可能である。共振時に（必ずしも駆動周波数においてではない）特定の寸法の空胴共振器について電場計算を実施することによって電場プロフィールをモデル化することができる。固有微分方程式解答プログラムを用いて計算を実施することができる。局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールは、これが基板の成長面に対して計算される高さに従って変化する場合がある。本発明の実施形態によれば、局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールは、基板の成長面よりも、４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、４ｍｍ、６ｍｍ又は８ｍｍ高い、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２ｍｍ、３ｍｍ又は４ｍｍ高い、又は２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ又は１．５ｍｍ高い高さのところで計算される。

基板をモデル化又は実験的測定によって示すことができる空胴共振器内に導入したときに電場プロフィールが著しく混乱状態になることが判明した。この点に関し、図１（ａ）〜（ｃ）は、プラズマ反応器の空胴共振器内の基板の種々の高さにより電場がどのように変化するかを示す電場プロフィールプロットを示している。かかるプロットは、Ｙ軸上の電場Ｅ_zの大きさと基板上の空胴共振器の直径を横切る横方向位置Ｘとの関係を示している。

図１（ａ）は、基板Ｓの成長面が空胴共振器Ｃの底部Ｂのすぐ上に配置されている場合の電場プロフィールを示している。電場プロフィールは、ＴＭ_01nチャンバに関するＪ₀ベッセル関数である空のチャンバの電場プロフィールによって決定される。基板とチャンバ壁との間にセットアップされた同軸モードを形成するような基板の上縁から電場大きさへの寄与はほんの僅かに過ぎない。この構成例では、電場は、基板の中央領域の上方で高く、そして基板の縁に向かって著しく衰える。したがって、この電場プロフィールの結果として、基板成長面の周辺領域ではＣＶＤダイヤモンド成長不良が生じる。

図１（ｂ）は、基板Ｓの成長面が空胴共振器Ｃの底部Ｂよりも高いところに位置した場合の電場プロフィールを示している。この場合、電場プロフィールは、基板とチャンバ壁との間にセットアップされていて、チャンバの中央領域中に次第に減衰する同軸モードによって決定される。この構成例では、電場は、基板の周辺領域の上方で高く、そして基板の中央領域に向かって減少する。したがって、この電場プロフィールの結果として、基板成長面の中央領域ではＣＶＤダイヤモンド成長が不良である。

図１（ｃ）は、基板Ｓの成長面が空胴共振器Ｃ内の包囲面よりも上方の正確なところに配置された場合の電場プロフィールを示している。空のチャンバの電場プロフィールは、高電場のリングが基板縁の周りに配置された状態で基板の大部分の上方に実質的に一様な電場領域を形成するよう基板とチャンバ壁との間にセットアップされた同軸モードと釣り合いが取られている。電場の中央領域は、実質的に一様であるが、基板縁の周りに配置された高電場リングのちょうど内側に僅かに低い電場領域を有している。この低い電場領域により成長面のこの領域のところにＣＶＤダイヤモンド成長不良が生じると考えられる。しかしながら、実際には、停電場領域のすぐ外側の高電場リングがプラズマを外方に引っ張り、中央領域の僅かな非一様性を補償し、その結果、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を可能にする大きく且つ平坦で一様なプラズマが基板の大部分の上方に生じるのを助けることが判明した。

注目されるべきこととして、電場プロフィールは又、マイクロ波プラズマ反応器が使用中にあることに存在する特性であるが、これは、使用中でない場合、マイクロ波プラズマ反応器の電場プロフィールをその共振周波数で又は所与の周波数によって駆動されている場合に存在するものとしてモデル化時に一義的に定められる。これらモデルのいずれもマイクロ波プラズマ反応器に利用でき、それによりそれほど過度の負担なくその電場プロフィールを決定することができる。

本発明の第１の観点は、モデル化（例えば、共振時にモデル化される）又は実験的測定が定めるのを必要とする電場プロフィールに関して上述したが、プラズマ反応器の空胴共振器内の基板の簡単な寸法データ及びその配置場所の点で簡単すぎる定義を与えることができる。実際には、本発明者は、基板の直径と基板の成長面の高さ（基板の成長面の高さは、基板を包囲した表面の平均高さに関する）の比が１０〜１４、１１〜１３．５又は１１．０〜１２．５である場合に基板の大部分上に位置していて、広い領域にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を可能にする大きく且つ平坦で一様なプラズマを達成できるということを見出した。したがって、モデル化又は実験速度なしで本発明の第１の観点のこの別の定義を利用することができる。しかしながら、構成上、これら範囲から外れている場合、別の或るチャンバ幾何学的形状を利用すると、上述した電場プロフィールを形成することが依然として可能であることが想定される。この場合、構成が本発明の第１の観点と適合するかどうかを確かめるためにモデル化又は実験的測定が必要な場合がある。これとは逆に、構成上、電場プロフィールに基づく本発明の第１の観点の定義から外れている場合、これは、基板直径と基板の成長面の高さの比に基づく別の定義に依然として入る場合がある。これは、プラズマチャンバ内の基板の寸法及び配置場所が上述の電場プロフィールを形成するよう選択されているが、何らかの別の１つ又は複数の要素が基板の上方の電場プロフィールを改変させるよう設けられている場合であると言える。例えば、以下に説明するように、基板の縁の上方に位置した高電場リングの大きさを減少するために基板周りに金属製リングを配置するのが良い。代替的に又は追加的に、基板ホルダは、基板の縁の上方に位置した高電場リングの大きさを減少させるために電場を乱すよう形作られるのが良い。また、他の電場加減要素が想定される。例えば、電場プロフィールを乱す別の金属製物体、例えば基板の下に配置された金属製インサートが基板ホルダ上に配置されるのが良い。したがって、これら構成は、正確な基板直径／成長面高さの比を有する一方で、かなり高い電場リングが基板の縁の上方に位置しない状態で電場プロフィールを有するよう構成されるのが良い。

基板ホルダが基板と同一直径である構成例の場合、基板ホルダは、全体が基板の下に配置され、基板を包囲する表面は、プラズマチャンバの底部によって形成されるのが良い。したがって、この場合、基板を包囲した表面の平均高さは、プラズマチャンバＣの底部Ｂの高さに等しく、基板の成長面の高さＨ_gsは、図２（ａ）に示されているように基板Ｓ及び基板ホルダＳＨを包囲したプラズマチャンバの底部から測定されることになる。変形例として、基板ホルダが基板よりも非常に大きく、かくして基板を包囲する広い平坦面が形成されている構成例の場合、基板を包囲した表面の平均高さ位置は、基板ホルダの頂面に等しい。したがって、この場合、基板の成長面の高さＨ_gsは、図２（ｂ）に示されているように基板Ｓを包囲した基板ホルダＳＨの頂面から測定されることになる。基板ホルダが基板から外方に延び、傾斜し、湾曲し又は段付き頂面が基板を包囲している構成例の場合、局所包囲表面の平均高さＨ_lssをＲｓで示された基板の縁と半径方向Ｘで取った基板縁から基板の厚さの約２倍即ち、２×Ｔｓの距離のところとの間の断面の高さの平均値Ｈ_localによって定めることができる。

かかる構成例は、傾斜基板ホルダについて図２（ｃ）に示されている。例えば、基板から４５°の角度をなして半径方向に基板から距離２×Ｔｓまで傾斜した頂面を有する基板ホルダの場合、基板を包囲した表面の平均高さは、基板ホルダＳＨの高さの半分に等しい。したがって、この場合、基板の成長面の高さＨ_gsは、基板ホルダの高さＳＨの半分から測定される。

上述のことと関連して、基板成長面と局所包囲表面との間に特定高さの段部を提供することにより、プラズマチャンバの電場プロフィールが乱され、空のチャンバの電場プロフィールが基板とチャンバ壁との間にセットアップされた同軸モードとの釣り合いが取られ、それにより高電場リングが上述したように基板縁の周りに局所化された状態で、実質的に一様な電場領域が基板の大部分上に形成されるということが判明した。
本発明の実施形態は、ＴＭ_01n共振チャンバ内での利用に特に適している。本発明の第１の観点は、具体化するのに必要な特定の幾何学的形状は、プラズマ反応器の動作周波数にも依存することになる。適当な幾何学的形状の例示を以下に記載する。

基板直径は、４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ若しくは２４０ｍｍ〜３３０ｍｍであり、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくは１１５ｍｍ〜１６０ｍｍであり、又は２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ若しくは４２ｍｍ〜５８ｍｍであるよう選択されるのが良い。

プラズマチャンバの底部よりも上方の基板の成長面の高さは、４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１０ｍｍ〜３０ｍｍ若しくは１４ｍｍ〜２７ｍｍであり、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５ｍｍ〜１５ｍｍ若しくは７ｍｍ〜１３ｍｍであり、又は２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２．０ｍｍ〜５．５ｍｍ若しくは２．５ｍｍ〜５．０ｍｍである。

多数の動作周波数帯域幅についての特に有用な高さと直径の組み合わせが以下に与えられている。

マイクロ波周波数ｆが４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚである場合、基板直径及び空胴共振器内における包囲表面の平均高さよりも上方の基板の成長面の高さは、オプションとして、
基板直径が１８０ｍｍ〜２３０ｍｍの場合、基板の直径の高さが１４ｍｍ〜２０ｍｍであり、
基板直径が２３０ｍｍ〜２７０ｍｍである場合、成長面の高さが２０ｍｍ〜２４ｍｍであり、或いは
基板直径が２７０ｍｍ〜３１０ｍｍの場合、成長面の高さが２２ｍｍ〜２７ｍｍであるよう選択されるのが良い。

マイクロ波周波数ｆが８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚである場合、基板直径及び空胴共振器内における包囲表面の平均高さよりも上方の基板の成長面の高さは、オプションとして、
基板直径が３０ｍｍ〜４０ｍｍの場合、基板の直径の高さが２．５ｍｍ〜３．７ｍｍであり、
基板直径が４０ｍｍ〜４８ｍｍである場合、成長面の高さが３．５ｍｍ〜４．２ｍｍであり、或いは
基板直径が４８ｍｍ〜５５ｍｍの場合、成長面の高さが４．０ｍｍ〜４．８ｍｍであるよう選択されるのが良い。

マイクロ波周波数ｆが２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚである場合、基板直径及び空胴共振器内における包囲表面の平均高さよりも上方の基板の成長面の高さは、オプションとして、
基板直径が３０ｍｍ〜４０ｍｍの場合、基板の直径の高さが２．５ｍｍ〜３．７ｍｍであり、
基板直径が４０ｍｍ〜４８ｍｍである場合、成長面の高さが３．５ｍｍ〜４．２ｍｍであり、或いは
基板直径が４８ｍｍ〜５５ｍｍの場合、成長面の高さが４．０ｍｍ〜４．８ｍｍであるよう選択されるのが良い。

上述のことと関連して、反応器を使用の際に逆さまにすることが可能であることに注目されるべきである。例えば、標準的使用の際、基板は、チャンバの底部によって支持され、この底部は、地面に対してチャンバの底壁を形成する。しかしながら、反応器を逆さまにして基板を支持しているチャンバの底部が地面に対してチャンバの容積を形成するようにすることが可能である。この構成例では、包囲表面の平均高さの上方の成長面の高さは、下向きの方向に測定される。逆さまの向きでは、基板に向かうガス流は、主要な熱駆動対流（かかる対流は、プラズマチャンバ内の下方において生じた大量の熱に起因して、上向きの方向である）に平行であると言える。この逆さま構成例は、或る特定の用途については幾つかの利点を有する場合がある。

基板とチャンバとの間にセットアップされた同軸モードの大きさは、空胴共振器直径と基板直径の比によっても影響を受ける場合がある。したがって、或る特定の実施形態では、空胴共振器の直径と基板直径の比が１．５〜５、２．０〜４．５又は２．５〜４．０である形態を提供することが好ましい場合があり、空胴共振器直径は、空胴共振器の高さの５０％未満、４０％未満、３０％未満又は２０％未満の高さのところで測定される。特に好ましい一構成例では、上述の比は、空胴共振器直径が基板の成長面の高さのところで測定される場合にも当てはまる。

かくして、本発明の第１の観点としての実施形態は、広い面積にわたって一様なＣＶＤダイヤモンド成長を達成することができる構造のプラズマ反応器を提供することを目的としている。さらに、かかる構造により達成される一様なプラズマは又、基板に向かう比較的一様な熱流を提供し、これは、ＣＶＤダイヤモンドが成長後に冷えると、ＣＶＤダイヤモンドの亀裂発生の問題を軽減するのを助けるということが判明した。この点に関し、ＣＶＤダイヤモンドウェーハ中の応力釣り合いは、主として、ダイヤモンドウェーハ全体にわたる成長温度のばらつきによって決まる。高温領域は、成長中における高温領域は、冷却中に互いに接触し、したがって、引っ張り状態になり、低温領域は相互接触の度合いが小さく、したがって、圧縮状態のままである。冷却中のＣＶＤダイヤモンドウェーハ内の応力のばらつきの結果として、亀裂発生が生じることがある。したがって、基板温度の大きな変動は、望ましくない。

とは言うものの、上述の構成を用いた場合の潜在的な一問題は、基板の縁の周りに設けられた高電場リングにより、基板の縁のところに高い基板温度が生じる場合があり、これにより、潜在的に、ＣＶＤダイヤモンド材料が成長後に冷えたときに基板の亀裂発生が生じることである。確かに、直感的に望ましい基板成長面全体にわたって完全に一様な温度を有するのではなく、本発明者は、基板成長面の縁温度が基板成長面の中央領域の温度よりも低いようにすることが実際には望ましいと考えている。かかる構成の理由は、ＣＶＤダイヤモンド材料内の圧縮領域が亀裂発生の源となる場合のある場所の近く、即ち、ＣＶＤダイヤモンドウェーハの縁の近くに位置するようにすることによって亀裂伝搬を最小限に抑えることができるということにある。したがって、基板成長面の縁を成長中、中央領域よりも僅かに低温状態に保つことは、結果として得られるＣＶＤダイヤモンドウェーハの縁の近くに圧縮領域を形成する上で有利であると考えられる。亀裂発生が冷却中のＣＶＤダイヤモンドウェーハの縁のところで開始される場合、ＣＶＤダイヤモンドウェーハの縁の付近の圧縮領域は、亀裂がＣＶＤダイヤモンドウェーハの中心に向かって伝搬するのを阻止する。したがって、発生が開始された亀裂は、短く、しかも次に僅かな縁損傷を取り除くよう処理可能なＣＶＤダイヤモンドウェーハの外縁のところに位置したままである傾向がある。

したがって、或る特定の状況において、マイクロ波プラズマ反応器を改造してこれが基板の成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値（オプションとして、２つ又は３つ以上）及び成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値（オプションとして、２つ又は３つ以上）を含む少なくとも２つの温度測定値を取るよう構成された１つ又は２つ以上の温度測定装置を有するようにすると有利であることが判明した。さらに、基板温度制御システムが設けられるのが良く、この基板温度制御システムは、基板の成長面上におけるＣＶＤダイヤモンド成長中、少なくとも２つの温度測定値に基づいて基板の成長面の中央領域と周辺領域との間の温度差を制御するよう構成されるのが良い。中央領域温度測定値は、成長面の直径の５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下又は１０％以下の外径を有する中央領域で取られるのが良い。周辺領域温度測定値は、成長面の直径の５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、９０％超又は９５％超の内径を有する基板の成長面の周辺領域で取られるのが良い。

基板温度制御システムは、次の条件、即ち、５℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１２０℃、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１００℃、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃、２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃又は２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜６０℃を満たすよう基板の成長面上におけるＣＶＤダイヤモンド成長中、基板の成長面の温度を制御するよう構成されるのが良く、Ｔ_cは、成長面の中央領域の温度であり、Ｔ_eは、成長面の周辺領域の温度である。Ｔ_c−Ｔ_eが大きすぎるようになると、冷却中、ＣＶＤダイヤモンドウェーハの中央領域に過度に大きな張力が生じる場合があり、それによりＣＶＤダイヤモンドウェーハの中央領域に亀裂が生じる。Ｔ_c−Ｔ_eが小さすぎるようになった場合、圧縮領域は、ＣＶＤダイヤモンドウェーハの縁の近くでは生じず、ウェーハの縁のところで発生開始する亀裂は、ＣＶＤダイヤモンドウェーハを横切って伝搬する可能性が多分にあり、その結果、完全なウェーハ破損を含む極めて長い亀裂が生じる。基板温度制御システムは、有利には、温度測定値を取ると共に基板の温度をそれに応じて調節するよう完全自動化される。代替的に又は追加的に、基板温度制御システムは、基板温度に対する手動調整を温度測定値に基づいて行うことができるよう構成されているのが良い。

潜在的に、ＣＶＤダイヤモンド成長中、基板の成長面の中央領域と周辺領域との間の温度差を制御するために基板温度制御システムを構成することができる仕方は多種多様に存在する。一手段は、基板の下に設けられたガス隙間を用いることである。かかる構成例では、基板は、基板ホルダの支持面と基板の下面との間に高さｈのガス隙間を形成するようスペーサ要素によって間隔を置いた状態で基板ホルダの支持面上に設けられている。この場合、基板温度制御システムは、ガスをガス隙間に供給するガス供給システムを更に含むのが良い。スペーサ要素は、基板の下に、ガス供給システムからのガスが溜まることができる中央ガス隙間キャビティを画定し、ガス隙間の熱伝導率を変更し、かくして基板の中央領域と周辺領域の相対温度を制御することができるよう構成されるのが良い。ガスを基板の下のガス隙間空胴に供給するガス供給システムは、プラズマチャンバ中への全ガス流量の５％未満、４％未満、３％未満、２％未満又は１％未満の量のガスを供給するのが良い。即ち、基板の下に供給されるガスは、プラズマチャンバ中に供給される全ガスのほんの何分の一かであり、大部分は、有利には基板と反対側のプラズマチャンバの端のところに配置された主ガス入口を通ってプラズマチャンバに供給されるプロセスガスである。ガス隙間空胴に供給されるかかる量のガスは、基板の下でガス隙間内に溜まり、そして本明細書において説明した仕方で基板の温度を制御するのに十分であり、この場合、基板に向かって且つこの周りからガス出口に向かうプロセスガスの主プロセスガス流は、それほど乱されない。即ち、基板の温度を制御するためにガスをガス隙間空胴に供給するガス供給システムは、これが主プロセスガス入口からのガス流に悪影響を及ぼすことがないよう構成されている。

図３は、かかる基板温度制御システムを含むプラズマ反応器の一例を示している。マイクロ波プラズマ反応器は、以下の基本的なコンポーネント、即ち、プラズマチャンバ２、プラズマチャンバ内に設けられていて、基板５を支持した基板ホルダ４、プラズマチャンバ２内にプラズマ８を生成するマイクロ波発生器６、マイクロ波発生器６からのマイクロ波を誘電体窓１１を通ってプラズマチャンバ２内に送り込むマイクロ波結合構造体１０及びプロセスガスをプラズマチャンバ２中に送り込んだりプロセスガスをプラズマチャンバ２から取り出したりする１つ又は２つ以上のガス入口１２及び１つ又は２つ以上のガス出口１４を備えたガス流システムを含む。

プラズマチャンバは、使用中において定常マイクロ波をサポートする空胴共振器を形成するよう構成されている。一構成例によれば、プラズマチャンバは、使用中、ＴＭ_01n定常マイクロ波、例えば、ＴＭ₀₁₁モードをサポートするよう構成されている。動作周波数は、４００〜５００ＭＨｚ、８００〜１０００ＭＨｚ又は２３００〜２６０ＭＨｚであるのが良い。炭素源及び水素分子を含む源ガスがプラズマ反応器容器中に送り込まれ、かかる現ガスを定常マイクロ波によって活性化させると、高電場領域にプラズマを生成することができる。適当な基板がプラズマに近接して設けられた場合、ラジカルを含む反応性炭素がプラズマから拡散して基板に至り、そしてかかる反応性炭素を基板上に析出させることができる。水素原子も又、プラズマから基板に拡散することができ、そして選択的に、エッチングにより非ダイヤモンド炭素を基板から除去してダイヤモンド成長が起こることができるようにする。

基板５は、基板ホルダ４の支持面２０と基板５の支持面２２との間にガス隙間１８を形成するようスペーサワイヤ又はスペーサパッド１６によって基板ホルダ４から間隔を置いて配置されている。ガス隙間の高さＨは、特定の合成条件に応じて、２５μｍ〜２０００μｍ、５０μｍ〜１０００μｍ又は１００μｍ〜７５０μｍであるのが良い。例えば、或る特定の高温ダイヤモンド合成プロセスに関し、５００μｍ〜７５０μｍ又は６００μｍ〜６５０μｍのガス隙間高さが好ましいことが判明した。或る特定の低温ダイヤモンド合成プロセスに関し、１００μｍ〜３００μｍ又は１５０μｍ〜２５０μｍのガス隙間高さが好ましいと判明した。さらに、ガス供給システム２４が供給パイプ２６を介してガス隙間１８に結合されており、この供給パイプは、ガス供給システム２４から基板ホルダ４を通って延び、そして基板ホルダ支持面に設けられた１つ又は２つ以上の出口を通ってガスをガス隙間１８中に供給するよう構成されている。基板ホルダ４を冷却するために冷却液供給システム２８も又設けられている。

また、注目されるべきこととして、図３に示されているマイクロ波プラズマ反応器は、プラズマチャンバ内に設けられた別個の基板ホルダを有しているが、基板ホルダは、プラズマチャンバの底部によって形成されていても良い。「基板ホルダ」という用語の使用は、かかる変形例を含むことを意図している。さらに、基板ホルダは、基板と同一の直径（図示されているように）又はこれよりも大きな直径を有する平坦な支持面を有するのが良い。例えば、基板ホルダは、チャンバ底部又はチャンバ底部上に設けられた別個のコンポーネントにより形成される広い平坦な正面を構成するのが良く、基板は、平坦な支持面の中央領域上に注意深く位置決めされるのが良い。一構成例では、平坦な支持面は、基板を位置合わせし、オプションとしてこれを保持する別の要素、例えば突出部又は溝を有するのが良い。変形例として、かかる追加の要素を設けなくても良く、その結果、基板ホルダは、基板を載せる平坦な支持面を提供するに過ぎない。

冷却液供給システムは、基板ホルダに大まかな基本的冷却作用を提供する。しかしながら、このシステムは、広い領域上にＣＶＤダイヤモンドの高品質且つ一様な析出物を得るために本発明者により必要とされると考えられる基板の細かい温度制御を行うには精度が不十分であることが判明した。したがって、基板温度のより正確な制御を可能にするためにガス供給システムが提供される。ガス供給システムは、熱伝導率が互いに異なる少なくとも２つのガスを基板の下のガス隙間中に噴射して少なくとも２つのガスの比を変化させ、それにより基板ホルダ上の基板の温度を制御するよう構成されるのが良い。例えば、ガス供給システムは、軽いガス（気体）、例えば水素と熱伝導率の小さい重いガス（気体）、例えばアルゴンとの混合物を利用するのが良い。有利には、基板の温度を制御するために用いられるガスは、主プロセス化学反応で利用されるガスであり、したがって、追加のガス源は不要である。基板の縁温度が基板の中央領域に対して高すぎる場合、軽ガスに対する重ガスの比率を増大させて基板の中央領域の下のガスの熱伝導率を減少させ、かくして基板の中央領域が基板の縁に対して昇温するようにするのが良い。これとは逆に、基板の縁温度が基板の中央領域に対して低すぎる場合、重ガスに対する軽ガスの比率を増大させて基板の中央領域の下のガスの熱伝導率を増大させ、かくして基板の中央領域が基板の縁に対して冷えるようにするのが良い。基板の絶対温度並びに基板の互いに異なる領域の相対温度も又、基板の下のガス隙間内のガス流量及びガス組成を変化させることにより制御できる。

図４は、マイクロ波プラズマ反応器の一部分の平面図であり、基板ホルダ支持面２０及びこの上に設けられたスペーサワイヤ１６を詳細に示している。基板ホルダの支持面２０は、ガスをガス隙間に供給する少なくとも１つのガス入口３０を有している。少なくとも１つのガス入口３０は、好ましくは、支持面２０に中心対称的に位置決めされている。スペーサワイヤ１６は、基板の下に中央ガス隙間空胴を形成するよう構成されるのが良く、その結果、ガスは、中央ガス隙間空胴内に溜まるようになる。図示の実施形態では、ワイヤ１６は各々、形状が弧状であり、これらスペーサワイヤは、リングの状態に形作られており、スペーサワイヤ相互間にはガスを流通させることができる隙間３２が形成されている。スペーサ要素は、導電性であると共に／或いは導電性接着剤、例えばSilver DAG（商標）により定位置に固定されるのが良く、この導電性接着剤は、スペーサ要素と基板ホルダとの良好な電気的接触を保証するのに有用であることが判明した。これは、温度制御に悪影響を及ぼす場合のある基板の下におけるアーク発生という問題を阻止するのに役立つ。また、スペーサワイヤのリング区分相互間の隙間の位置によりダイヤモンドウェーハの厚さに変化を生じさせることができるということが注目された。所望ならば、隙間の数及び位置を調整すると所与の反応器により生じるダイヤモンドウェーハに固有の他の非一様性を補償することができる。

マイクロ波プラズマ反応器は、基板の成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値及び成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値を含む少なくとも２つの温度測定値を取るよう構成された１つ又は２つ以上の温度測定装置を更に含む。温度測定値は、同時に又は互いに短い時間間隔内で取られるのが良く、基板温度制御装置は、温度勾配が上述の範囲から出ることがないよう用いられるのが良い。温度測定装置は、図３に示されているように高温計１３から成るのが良い。２つの高温計が設けられるのが良く、１つは中央温度測定値を取るためのものであり、もう１つは周辺温度測定値を取るためのものである。変形例として、複数の熱電対を基板中に埋め込んでも良い。とは言うものの、熱電対の埋め込みは、困難でありしかも当てにできないばあいがあることが判明した。したがって、複数の高温測定手段が良好な解決手段であると考えられる。この点に関し、多結晶ダイヤモンド材料は、基板成長面上に生じるので、高温測定手段は、成長中のＣＶＤダイヤモンド材料の温度に的を絞ることができるということが注目されよう。しかしながら、多結晶ダイヤモンド材料は、下に位置する基板と良好な熱的接触状態にあるので、多結晶ダイヤモンド材料の温度は、基板の下に位置する成長面の温度に等しくなる。単結晶ダイヤモンド成長の場合、温度測定値は、好ましくは、成長中の単結晶相互間で取られる。ダイヤモンドは、或る特定の高温測定波長では透明である場合があるので、高温測定手段は、適当な波長が高温測定手段について選択された場合、ダイヤモンドを通して基板の下に位置する成長面上に的を絞ることができる。

基板温度制御システムは、基板の周りに設けられていて、基板の成長面の周辺領域を冷却する温度加減リングを更に含むのが良い。温度加減リングは、基板の周りの基板ホルダの支持面にプロフィールを設けることにより又は別個のコンポーネントを基板上に配置することによって形成されるのが良い。

図５は、基板ホルダ４の上に且つ基板５の周りに配置されたかかる温度加減リング５００を含むよう構成された別のマイクロ波プラズマ反応器の断面図である。温度加減リング５００は、基板ホルダ上に支持された基板と同様な仕方で、支持脚部によりスペーサ上に設けられており、支持脚部は、基板ホルダとの接触箇所を提供するよう温度加減リングの下面に機械加工により形成されるのが良い。他の点において、図５に示されている構成は、図３に示されている構成と同一である。

図６は、温度加減リングを詳細に示している。このリングは、プラズマチャンバ内に存在する過酷な熱的環境に対して堅牢であるべきである。有利には、リングは、５００℃を超える融点及び１０Ｗｍ^-1Ｋ^-1を超える熱伝導率を有するべきである。リングは、好ましくは、金属製である。さらに、リングは、１×１０⁵Ｓｍ^-1を超える導電率を有するのが良い。適当な材料の例としては、タンタル、モリブデン、タングステン及びこれらの合金が挙げられる。

リングは、好ましくは、完全なリングである。ただし複数の弧状セグメントから成るセグメント化リングを用いることが可能な場合がある。有利には、リングは、リングの中心軸線に対して傾斜した、例えば２０°〜８０°の角度をなし、より好ましくは４０°〜６０°の角度をなす外面５０２を有する。リングが幅の広い頂部分を有する場合、これは、全送り出し電力密度を減少させる場合のあることが判明した。したがって、リングの頂部分の幅は、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下又は２ｍｍ以下であるの良い。一構成例では、リングは、幅１ｍｍの垂直タンタルストリップで形成されるのが良い。しかしながら、リングの下方部分は、電力を吸収するよう広い幅を有し、ほぼダイヤモンド成長温度まで昇温することが望ましい。したがって、図示すると共に上述した傾斜断面構成が好ましい。リングと基板ホルダとの接触領域が狭いようにすることによってリングの温度を高温状態に保つのが良く、例えば、リングの下面の大部分を基板ホルダ及び／又はチャンバの底部から間隔を置いて配置するのが良い。かくして、リングの下に約０．５ｍｍの隙間が設けられるのが良く、その結果、リングとリングが載せられる表面との熱伝導が殆ど生じないようになる。

温度加減リングは、２つの役割を果たし、即ち、温度加減リングは、高電場のリングを基板縁から遠ざけ、又、温度加減リングは、別々に加熱されたり（プラズマにより）冷却されたり（チャンバ底部により）するアイテムであるので、基板縁温度を直接加減する。したがって、リングは、基板の縁を冷却する機能を果たすことができ、それにより引っ張り応力の大きさが減少すると共にＣＶＤダイヤモンドの亀裂発生の恐れが殆どなくなる。

上述のことに照らして、基板の周りで基板ホルダに取り付けられたかかるリング構造体の使用は、上述の本発明の実施形態と組み合わせて用いるのに有利な場合があることは明らかであろう。かかるリング構造体の有利な作用効果は又、別のプラズマ反応器構成例についても明らかであると言える。

例えば上述した構成を利用した場合であっても、多くの問題が依然として存在する場合がある。但し、これら問題は、上述の構成により実質的に軽減される場合がある。例えば、場合によっては、具体的に言えば、大面積多結晶ダイヤモンドディスク（例えば、直径８０ｍｍ以上）を成長させるために大きな基板を用いた場合又は複数の単結晶ダイヤモンドを単一の成長段階で比較的広い面積（例えば、直径８０ｍｍ以上）にわたって耐熱金属基板にくっつけられた複数の単結晶ダイヤモンド基板上に成長させる場合、基板の端から端までにおける非一様なＣＶＤダイヤモンド成長、ＣＶＤダイヤモンド成長中における基板からのＣＶＤダイヤモンドウェーハの層状剥離並びにＣＶＤダイヤモンドウェーハの成長後の冷却の際の亀裂発生開始及び伝搬という問題が依然として存在する。これは、高品質一様なＣＶＤダイヤモンドを成長させることができる領域を増大させる目下の要望があるので特に問題である。さらに、これら問題は、基板を次の成長段階において再使用する場合に悪化する傾向がある。これは、基板が高価でありしかも経済的に競合する工業プロセスにおいて再使用が望ましいので、特に問題である。

本発明者が検討した考えられる一手段は、成長面の品質が成長後の冷却時にＣＶＤダイヤモンドウェーハの取り外しに何らかの仕方で影響を及ぼすことであったが、かくして亀裂が生じた。しかしながら、成長面を処理して正確に定められた平坦度及び粗さを有するようにすることは、それ自体問題を解決するものではないということが判明した。これら問題の取り組みに焦点を当てた大規模な研究後、本発明者は、驚くべきこととして、観察された問題が基板の成長面全体にわたって基板の下のガス隙間の高さの極めて僅かなばらつきによって生じる温度の僅かな変化の結果であるということを見出した。具体的に説明すると、本発明者は、自分達のための供給業者により提供された円筒形耐熱金属基板は、名目上平坦な前面及び後面を有するが、これら表面は、十分に平坦ではないということを見出した。基板の後面の僅かな平坦度のばらつきの結果として、ガス隙間の高さの僅かなばらつきが生じ、この結果、基板全体にわたって冷却度の差が生じるということが判明した。ガス隙間高さのばらつきにより生じる温度のばらつきの結果として、ＣＶＤダイヤモンド成長後の冷却時にＣＶＤダイヤモンドに応力のばらつきが生じ、それにより、ダイヤモンドウェーハが少なくとも成長段階の一部分において亀裂が生じる場合があり、その結果歩留りが減少する。

上述の構成例は、円周方向に対称である温度のばらつきを制御することができるが、円周方向に対称ではない温度のばらつき、例えば、ガス隙間高さのばらつきにより生じる温度のばらつきを制御するのは困難である場合がある。例えば、耐熱金属基板は、使用中に垂れ下がって座屈する傾向がある（これらの融点から判断して長時間であるにもかかわらず）。一様な垂れ下がりは、主として、上述したように制御可能なＴ_c−Ｔ_eを変更する。しかしながら、座屈により、対称ではないウェーハ縁周りの温度に非一様性が生じる。したがって、縁全体を圧縮状態に維持することは容易ではない。典型的な座屈の大きさは、２０ミクロン（山から谷まで）を超える場合がある。約２００ミクロンのガス隙間の場合、これは、厚さの１０％のばらつき及び対応の温度変化に対応している。この結果、ウェーハ縁周りに最高６０℃までの温度変化が生じる場合ある。

この問題を解決するため、本発明者は、ガス隙間の高さｈが２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、４０μｍ以下、２０μｍ、１０μｍ以下又は５μｍ以下のばらつきを有するようにすることが有利であることを見出した。これは、例えば、供給業者により提供される基板の後面を更に処理して基板ホルダの支持面のプロフィールと相補する極めて正確に定められたプロフィールを有するようにすることによって達成できる。例えば、基板ホルダの支持面が平坦である場合、基板ホルダの後面は、これは極めて正確に平坦であるように処理されるべきである。

したがって、機械的手段（好ましくは、一様な無指向性処理、例えば研削ではなくラップ仕上げによる）基板後面形状の制御が有利であることが判明した。さらに、基板ホルダの支持面は又、基板の後面と相補する正確に定められたプロフィールを有するよう処理されるのが良い。最も好都合には、これは平坦であるが、基板ホルダ支持面及び基板の後面のプロフィールが極めて正確に定められたガス隙間高さを維持するよう相補している限り、他の形状を用いることができる。さらに、基板の支持面又は基板の後面の少なくとも一部分を計画的に形作ってガス隙間高さの制御された変化を提供し、例えば、周辺領域を優先的に冷却すると共に／或いは電場調節構造体を提供するよう基板の周囲に沿って僅かなガス隙間を設けることが可能である。したがって、ガス隙間の高さｈのばらつきは、基板の直径全体の６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、９５％以上又は９９％以上の心出し直径を有する基板の少なくとも中央領域全体にわたり２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、４０μｍ以下、２０μｍ、１０μｍ以下又は５μｍ以下であるのが良い。さらに、ガス隙間は、第１のガス隙間高さを備えた中央領域及び第２のガス隙間高さを備えた周辺領域を有するのが良く、第１のガス隙間高さは、第２のガス隙間高さよりも大きい。

上述の説明は又、ダイヤモンドウェーハ亀裂発生の問題が基板の再使用によって悪化する理由に関する。基板は、ＣＶＤダイヤモンド成長段階中に座屈し、したがって平坦度を失う場合がある。したがって、所望の表面プロフィールを回復するために使用相互間で基板を再処理するのが有利であることが判明した。基板の厚さがかかる再処理によって減少するので、基板ホルダ高さを変化させると、次の成長段階の際、基板の成長面が最適高さのままであるようにすることができる。

同様に、基板ホルダの支持面も又、成長段階相互間で再処理するのが良く、それにより所望のプロフィールが維持される。ただし、この支持面の座屈は、基板中に生じるばらつきよりも問題の程度が低いことが判明している。基板ホルダの支持面を容易に再処理することができるようにするためには、基板ホルダを容易に取り外しできるようにし、支持面の平坦度を求めるよう測定し、必要ならば再処理して支持面の平坦度を維持し、そしてプラズマチャンバ内に戻すことができるようチャンバ設計を構成することが望ましい。

上述のことに照らして、多くの合成ダイヤモンド成長作業について同一の基板を再使用する一方法では、再処理によって基板及び／又は基板ホルダから除去される材料を考慮に入れて合成ダイヤモンド成長中、反応器内の基板の成長面の実質的に一定の高さを維持するために、反応器内の基板の高さを必要な場合には合成ダイヤモンド成長相互間で調節する。成長面の高さは、反応器内における基板の成長面の標的高さの２ｍｍ、１ｍｍ、０．８ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍ又は０．２ｍｍの範囲内に維持されるのが良い。この方法を用いると、成長段階相互間で再処理状態にされ、したがって薄い状態になった基板の寿命を延ばすことができると共に成長面を上述した反応器内におけるＣＶＤダイヤモンド成長に最適な高さ位置に維持することができる。高さが調節可能な基板ホルダを提供することによって成長面の高さを調節することができる。変形例として、固定高さの基板ホルダが用いられている場合、基板厚さが数値的に上記において定められた厚さ公差又は許容誤差範囲をいったん下回ると、基板ホルダを基板直径に適合した段部を備える基板ホルダに変更して成長面高さをその交差範囲内に戻すのが良い。高さが調節可能な基板ホルダは、原理的には良好なオプションであるように思われるが、実際には高さの固定された基板ホルダは、プラズマ反応器内の基板成長面の正確且つ再現可能な存在場所を達成する上で信頼性が高いと言え、他方、可動部品の数が少ないよう反応器形態を単純化することができる。

上述のことに照らして、本発明の第２の観点は、上述のマイクロ波プラズマ反応器に用いられるのに適した基板であって、この基板は、
ＣＶＤダイヤモンドを成長させるべき平坦な成長面及び成長面と反対側の平坦な支持面を備えた炭化物形成耐熱金属の円筒形ディスクを含み、
円筒形ディスクは、８０ｍｍ以上の直径を有し、
成長面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有し、
支持面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有することを特徴とする基板に関する。

上述したことに加えて、本発明者は又、供給業者により提供された幾つかの円筒形耐熱金属基板の使用の結果として、前面と後面の両方を上述したように処理した場合であっても、一様且つ高品質のＣＶＤダイヤモンドが得られないことを見出した。この問題の取り組みに的を絞った多大な別途研究後、本発明者は再び、この問題が基板の品質にあることを見出した。特に、本発明者は、市販の耐熱金属が不純物、例えば鉄やニッケルを形成する少量の黒煙を含んでいる場合が多いことを見出した。極めて僅かな割合のかかる不純物が存在していても、これはかかる基板の成長面上におけるＣＶＤダイヤモンド成長に悪影響を及ぼすことが判明した。したがって、本発明者は、上述の基板の前面と後面の両方の正確な処理を適用することに加えて、少なくとも基板の成長面のところに不純物を形成する０．１％未満の黒鉛を含む化学的純度の極めて高い炭化物形成耐熱金属基板を用いることが有利であることを見出した。

図７は、かかる基板を示している。基板は、前側成長面１０２、後側支持面１０４及び円筒形側壁１０６を有している。基板は、炭化物形成耐熱金属の中実本体で形成されている。オプションとして、炭化物形成耐熱金属は、モリブデン、タングステン、ニオブ又はこれらの合金のうちの１つから選択される。円筒形ディスクは、好ましくは、基板の成長面のところの不純物を形成する黒鉛の重量で０．５％以下、０．１％以下、０．０７５％以下、０．０５％以下、０．０２５％以下、０．０１％以下、０．００５％以下又は０．００１％以下を占める。円筒形ディスクは、炭化物形成耐熱金属の重量で少なくとも９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９５％又は９９．９９％を占める（これは、単一の炭化物形成耐熱金属又は炭化物形成耐熱金属の合金、例えばタングステンとモリブデンの合金から成るのが良い）。当然のことながら、不純物が存在しないのが理想的であるが、炭化物形成耐熱金属を製造したり処理したりするプロセスの限度及び純度の高い材料を得るためのコストに応じて、或る程度の極めて低い不純物レベルが依然として存在するのが通例である。したがって、成長面のところの不純物形成黒鉛の重量で０．０１ｐｐｍ（parts-per million：百万部当たりの部）という下限を実際に適用するのが良い。

本発明の実施形態によれば、基板の成長面及び支持面の平坦度のばらつきは、できるだけ小さいのが良い。例えば、成長面及び／又は支持面の平坦度ばらつきは、７５μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下又は１μｍ以下であるのが良い。当然のことながら、平坦度のばらつきがないのが理想的であるが、平坦度ばらつきを除くために用いられる表面処理技術及び工業プロセスにおいてコストとの密接な関わりを持つ良好な平坦度を達成するのに必要な処理時間の限度に応じて或る程度の極めて小さなばらつきが依然として存在するのが通例である。したがって、０．００１μｍ又は０．０１μｍの平坦度のばらつきに関する下限を適用するのが良い。

オプションとして、円筒形ディスクの直径は、本発明の第１の観点と関連した上述した範囲内にある。ＣＶＤダイヤモンドウェーハをウェーハの実質的な亀裂が成長後のウェーハの冷却及び基板からのウェーハの取り外しの際に生じることなく、これら範囲内に納まった状態で基板上に首尾良く成長させることができるということが判明した。また、「円筒形ディスク」という用語は、ほぼ円筒形のディスク、例えば、平均周長の±１０ｍｍ、±５ｍｍ又は±１ｍｍの真円度の範囲内の断面を有するディスクを含むようになっていることが注目されるべきである。本発明者は又、縁改造例、例えば面取り縁及び溝並びに切断誤差に及ぶことを意図している。

オプションとして、動作周波数が４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波プラズマ反応器に関し、円筒形ディスクの深さは、１０ｍｍ〜３０ｍｍ又は１５ｍｍ〜２５ｍｍであるのが良い。変形例として、動作周波数が８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波プラズマ反応器に関し、円筒形ディスクの深さは、５ｍｍ〜１５ｍｍ又は７ｍｍ〜１３ｍｍであっても良い。さらに変形例として、動作周波数が２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波プラズマ反応器の場合、円筒形ディスクの直径は、２．０ｍｍ〜５．５ｍｍ又は２．５ｍｍ〜４．５ｍｍであって良い。基板の深さは、ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスが上述のプラズマチャンバ内における包囲表面の平均高さと比較して、成長面の高さの影響を非常に受けやすいので、重要であることが判明した。

オプションとして、成長面の表面粗さＲａは、１ｎｍ〜１μｍである。成長面の粗さは、この成長面上で成長させられるＣＶＤダイヤモンドの結晶構造と基板へのＣＶＤダイヤモンドの密着強度の両方に影響を及ぼす場合のあることが判明した。ＣＶＤダイヤモンド成長にとって最適な比表面粗さは、或る程度までは、所望のＣＶＤダイヤモンド材料の種類で決まる。しかしながら、１ｎｍ〜１μｍの表面粗さＲａが成長中において早期層状剥離を阻止する上で十分な成長中におけるＣＶＤダイヤモンドに対する密着力を提供する一方で、材料の亀裂発生なくＣＶＤ成長後の冷却時にダイヤモンド材料を基板から剥離することができるほど十分に低い密着力を提供するために特に有用であることが判明した。選択される比表面粗さは、成長させられるべきＣＶＤダイヤモンド材料の種類で決まる場合がある。したがって、かかる粗さの好ましい範囲は、１ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜２００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、１０ｎｍ〜５０ｎｍ、２０ｎｍ〜１００ｎｍ又は５０ｎｍ〜１００ｎｍであるのが良い。例えば、薄い（厚さ５００ミクロン未満の）ＣＶＤダイヤモンドウェーハに関し、約１０ｎｍＲａの標的表面粗さを用いるのが良い。これよりも厚い（厚さ５００〜５０００ミクロンの）ＣＶＤダイヤモンドウェーハの場合、１０ｎｍ〜２００ｎｍＲａというこれよりも高い標的値を用いるのが良い。

単結晶ダイヤモンド基板が析出前に耐熱金属基板に取り付けられる単結晶ダイヤモンド成長に関し、単結晶基板の取り付け及びその後の単結晶基板上におけるＣＶＤ成長に先立ち、１００ｎｍ〜５００ｎｍの表面粗さを提供するのが良い。単結晶ダイヤモンド基板が取り付けられる下に位置する金属製基板の表面粗さ、平坦度及び温度は、単結晶ＣＶＤ材料が単結晶ダイヤモンド基板を支持した下に位置する金属製基板上に直接的に成長するのではなく、単結晶ダイヤモンド基板上で成長するということにもかかわらず、重要である。これは、単結晶ダイヤモンド成長中、多結晶ダイヤモンド材料が単結晶相互間で下に位置する支持基板上で成長するからである。この多結晶ダイヤモンド材料がＣＶＤダイヤモンド成長中に層状に剥離した場合、成長段階が阻害される場合がある。さらに、この多結晶ダイヤモンドが冷却時に亀裂を生じた場合、これにより、この中に埋め込まれる単結晶ダイヤモンド材料の亀裂発生が生じる場合がある。したがって、多結晶ウェーハの成長に関する問題は、単結晶材料の成長にも当てはまると言える。この点に関し、本発明との関連において基板及び基板成長面について言及する場合、これらは、単結晶ＣＶＤダイヤモンド成長に関し、下に位置する基板に取り付けられる単結晶基板ではなく、この下に位置する基板を意味している。この下に位置する基板を基板キャリヤと呼ぶ場合がある。と言うのは、下に位置する基板がこの上の別の単結晶ダイヤモンド基板を担持するからである。さらに、基板の成長面の温度について言及する場合、これは、単結晶ダイヤモンド基板の成長面の温度ではなく、下に位置する基板の成長面の温度を意味している。

代表的には、先ず最初に、ラップ仕上げ用流体中に懸濁させたダイヤモンドグリットを用いて耐熱金属ディスクを鋳鉄ホイール上でラップ仕上げする。一般に、ラップ仕上げプロセスは、バルク材料除去のため、更に所与のプロセスについて所要の平坦度を達成するために用いられる。ラップ仕上げされたままの表面を用いるが少ないながらも存在する。ラップ仕上げの代表的なＲａ値は、１００ｎｍ〜５００ｎｍである。しかしながら、通常、次に例えば研削／研磨機械を用いると共に目の細かいグリットを用いてラップ仕上げ表面を更に処理して低い表面粗さ値を得る。ＣＶＤダイヤモンド成長に先立って、耐熱金属基板をクリーニングしてラップ仕上げプロセスに起因して生じた全ての汚染物を除去すると共に／或いはかかる耐熱金属基板にシード添加してこれら耐熱金属基板上におけるダイヤモンド成長のための核形成を助けるのが良い。

ラップ仕上げ及び研磨技術は、当該技術分野において知られているが、本発明の実施形態によれば、ＣＶＤダイヤモンド生成物に関する所望の表面仕上げだけでなく正確な量の平坦度及び密着力を提供してＣＶＤダイヤモンド生成物が亀裂を生じないでＣＶＤダイヤモンド成長後の冷却時に耐熱金属基板から剥離されるようにすることを考慮に入れて正確な技術を適当な組み合わせ状態で特定のＣＶＤダイヤモンド生成物について選択する。

基板上で成長したＣＶＤダイヤモンド材料の亀裂発生及び剥離を制御するために基板について別の改造を行うことができる。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、考えられる種々の形態の基板を示している。図８（ａ）は、成長面周りに鋭利な上縁４００を備えた円筒形基板を示している。図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、それぞれ、上縁が面取りされ（４０２）又は丸くされた（４０４）改造実施形態を示している。これら改造は、新たな亀裂を開始させるよりも既存の亀裂を広げるほうが極めて容易である（グリフィスの破壊条件）という前提に基づいている。ダイヤモンド中のウェーハ亀裂の大部分は、ディスクの縁から広がる。したがって、小さな半径方向亀裂を最小限に抑えることができれば、亀裂のないウェーハを得る可能性が高くなる。これらの主要な原因は、最適化された基板高さの副次的作用である。基板の縁の周りには高電場の局所領域が存在し、その結果、成長中における高い縁温度が生じる。したがって、ＣＶＤダイヤモンドウェーハは、引っ張り状態の張力下にある縁を有し、それにより冷却中に破損する可能性が高い。基板の上縁を面取りし又は丸くすることによってこの張力領域を取り扱い又は軽減することができる。別の考えられる改造は、図８（ｄ）に示されているように成長面の周囲に沿ってぐるりと円形のトレンチ４０６を設けることである。トレンチ４０６は、基板成長面の縁を周囲領域から隔てる。この構成により、破損しやすいダイヤモンドリムを生じさせることができ、その結果、周囲領域は、亀裂のないＣＶＤダイヤモンドウェーハを形成するようになる。

基板を本発明の第１の観点としての実施形態に従って上述したスペーサ要素によって支持面から間隔を置いた状態でプラズマチャンバ内に配置するのが良い。特定の成長段階のための理想的なガス隙間は、利用される電力密度及び／又は成長温度で決まる。電力密度が低く且つ／或いは基板の成長温度が高い場合、平坦度に関する公差を甘くすることができ、しかもガス隙間を大きく作ることができ、例えば、５００ミクロンガス隙間は、最高５０ミクロンの非平坦度を受け入れることができ、更にその結果として、十分に一様な温度／応力分布状態が得られてウェーハについて高い歩留りを達成することができる。高温成長の場合、ガス隙間中における非一様度に対する公差の増大は、隙間サイズの影響をそれほど受けない冷却に対する大きな熱放射性コンポーネントに起因していると言える。プラズマチャンバ内の圧力及び／又は電力密度を増大させ又は基板の成長温度を減少させると、ガス隙間が小さく作られ、ガス隙間の一様性が極めて重要になる。したがって、本発明の実施形態は、高い圧力及び／又は電力で動作する場合に特に有用であり、基板公差は、極めて重要であることが判明している。例えば、マイクロ波プラズマ反応器を基板成長面の０．０５〜１０ｗ／ｍｍ²又は１〜５Ｗ／ｍｍ²の電力密度で動作させるのが良い。さらに、マイクロ波プラズマ反応器は、２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数において１４０トル以上、１５０トル以上、１８０トル以上若しくは２００トル以上の圧力、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数において８０トル以上、１００トル以上、１２０トル以上、１４０トル以上若しくは１６０トル以上の圧力又は４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数において３０トル以上、４０トル以上、５０トル以上、６０トル以上若しくは７０トル以上の圧力で作動されるのが良い。これら圧力は、典型的には水素で希釈された１〜５％ＣＨ₄を含む標準型ダイヤモンド成長プラズマのための圧力である。当業者であれば認識されるように、もし他のガス、例えば酸素をプラズマチャンバに添加した場合にはこれら圧力範囲を変える場合がある。

上述したような基板は、化学気相成長により合成ダイヤモンド膜を製造する方法、特に本発明の第１の観点に従って説明したマイクロ波プラズマ反応器を利用する方法に用いられるのに有利であることが判明した。しかしながら、原理的には、基板を他形式のＣＶＤダイヤモンド反応器にも利用できる。

ここまではマイクロ波プラズマ反応器を本発明の第１の観点に従って説明すると共にこのマイクロ波プラズマ反応器に用いられるのに適した基板を本発明の第２の観点に従って説明した。本発明の第３の観点は、合成ダイヤモンド材料を製造するよう構成された反応器を動作させる適当な方法に関する。本発明の第３観点としての方法は、基板成長面の中央領域と周辺領域の相対温度を制御して周辺領域がＣＶＤダイヤモンド成長中、中央領域よりも僅かに低い温度のままであるようにする上述の技術的思想に基づいている。上述したように、これは、冷却中及び基板からの剥離中におけるＣＶＤダイヤモンドウェーハの亀裂発生の問題を軽減するのが有利であると判明している。かくして、本発明の第３の観点によれば、化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、この方法は、
合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを反応器中に送り込むステップを含み、
基板の成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、方法は、
合成ダイヤモンド材料の成長中、基板の成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値及び基板の成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値を含む少なくとも２つの温度測定値を取るステップと、
合成ダイヤモンド材料の成長中、少なくとも２つの温度測定値に基づいて基板の成長面の中央領域と周辺領域との間の温度差を制御するステップとを更に含み、
合成ダイヤモンド材料の成長中における基板の成長面の温度は、５℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１２０℃という条件を満たすよう制御され、上式において、Ｔ_cは、基板の成長面の中央領域の温度であり、Ｔ_eは、基板の成長面の周辺領域の温度であることを特徴とする方法が提供される。

この方法は、有利には、マイクロ波プラズマ反応器、例えば本発明の第１の観点によるマイクロ波プラズマ反応器を用いて実施されるのが良い。この方法は又、本発明の第２の観点としての基板を用いて実施されるのが良い。即ち、本発明の３つ全ての観点は、析出の一様性を向上させる一方で亀裂発生の問題を回避することによって一様且つ首尾一貫したＣＶＤダイヤモンド生成物の実現を達成する共通の本発明の概念に関連している。

本発明の或る特定の実施形態では、４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ若しくは２４０ｍｍ〜３３０ｍｍ、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくは１１５ｍｍ〜１６０ｍｍ、又は２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ若しくは４２ｍｍ〜５８ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを成長させる。多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう化学気相成長法を完了させた後、冷却時に基板から自然発生的に層状に剥離され、中央領域は、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％、８０％、９０％又は９５％を占め、中央領域には、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しない。多結晶ダイヤモンドウェーハを少なくとも１００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．５ｍｍの厚さまで成長させるのが良く、他方、依然として実質的に亀裂のない自然発生的層状剥離を得る。厚く且つ大径の多結晶ダイヤモンドウェーハについて自然発生的層状剥離を達成することは、成長中並びに冷却中及び層状剥離中、ウェーハに加わる大きな機械的応力に起因して過去においては困難であることが判明していた。いまや、本発明の実施形態により、厚く且つ大径の多結晶ダイヤモンドウェーハを基板から自然発生的に層状剥離することができる一方で、亀裂発生の問題が回避される。したがって、本発明の第４の観点により、化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、この方法は、
合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを反応器中に送り込むステップを含み、
基板の成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、
合成ダイヤモンド材料は、少なくとも１２０ｍｍ、１４０ｍｍ、１６０ｍｍ、２００ｍｍ又は２５０ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを形成するよう成長させられ、
多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう化学気相成長法を完了させた後、冷却時に基板から自然発生的に層状に剥離され、中央領域は、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％、８０％、９０％又は９５％を占め、中央領域には、自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しないことを特徴とする方法が提供される。

本発明の多結晶ダイヤモンドウェーハは、利用されるべき特定のプロセスに応じて、４００ｍｍ以下又は３００ｍｍ以下の直径を有するのが良い。多結晶ダイヤモンドウェーハを少なくとも１．０ｍｍ、少なくとも１．２ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ、少なくとも２．０ｍｍ又は少なくとも２．５ｍｍの厚さまで成長させることができ、他方、基板からの自然発生的層状剥離中、亀裂発生の問題が回避される。有利には、高純度多結晶ダイヤモンドウェーハについては、マイクロ波プラズマ反応器が利用される。この実施形態により、厚く且つ大面積であり、しかも高純度の多結晶ダイヤモンドウェーハを経済的に製造することができる。実際問題として、厚さは、通常、１０又は２０ｍｍを超えない。

本発明の第４の観点は、有利には、上述の本発明の第１の観点、第２の観点及び第３の観点のうちの任意の１つ又は２つ以上用いて具体化できる。例えば、基板の位置を制御して本発明の第２の観点に従って正確に定められたガス隙間及び正確に形作られた基板を用いて本発明の第１の観点と関連して上述した電場プロフィールを発生させると共に／或いは本発明の第３の観点に従って成長面の中央領域と周辺領域との温度差を制御することにより、大径であり且つ厚いダイヤモンドウェーハの自然発生的層状剥離を可能にすると共に亀裂発生の問題を軽減することができる。

本発明の実施形態は、広いＣＶＤ成長面積、良好な一様性、良好な再現性及び亀裂のない状態で首尾よく成長させられて基板から取り出されるダイヤモンドウェーハの数の面での良好な歩留りを提供することができる。一様性の向上を次のパラメータ、即ち、ＣＶＤダイヤモンド膜の厚さの一様性（析出領域を横切る）、ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の品質パラメータの一様性（例えば、色、光学的性質、電子的性質、窒素取り込み、ホウ素取り込み及び／又はホウ素活性化レベル）、多結晶ダイヤモンド材料におけるテキスチャの一様性、表面形態学的特徴、結晶粒度等又は成長が基板キャリヤ上の単結晶ダイヤモンド基板のアレイ上で起こる単結晶ダイヤモンド材料中における各単結晶相互間の厚さの一様性、形態学的特徴、エッジ双晶形成、側方成長等のうちの１つ又は２つ以上によって測定可能である。一様性を評価するために選択される主要なパラメータは、合成プロセス、合成生成物から最終生成物を作製する場合の経済的側面及び最終生成物それ自体の要件で決まる。

本発明を好ましい実施形態に関して具体的に図示すると共に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく形態及び細部における種々の変更を実施できることは当業者には理解されよう。

なお、好ましい実施態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１． 化学気相成長により合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、前記マイクロ波プラズマ反応器は、
周波数ｆのマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器と、
底部、頂板及び前記底部から前記頂板まで延びる側壁を備えていて、前記底部と前記頂板との間にマイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバと、
前記マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込み、そして前記プロセスガスを前記プラズマチャンバから除去するガス流システムと、
前記プラズマチャンバ内に設けられていて、基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
前記支持面上に設けられた基板とを含み、前記基板は、使用中に前記合成ダイヤモンド材料を析出させるべき前記成長面を有し、前記空胴共振器内の前記基板の寸法及び配置場所は、使用中において前記成長面を横切って局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールを発生させるよう選択され、前記局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールは、高電場のリングによって境界付けられた実質的に平坦な中央部分を有し、前記実質的に平坦な中央部分は、前記成長面の面積の少なくとも６０％にわたって延びると共に中央Ｅ_z電場強度の±１０％以下のＥ_z電場ばらつきを有し、前記高電場リングは、前記中央部分の周りに設けられると共に前記中央Ｅ_z電場強度よりも１０％〜５０％高いピークＥ_z電場強度を有する、マイクロ波プラズマ反応器。
２． 前記局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールの前記実質的に平坦な中央部分は、前記中央Ｅ_z電場強度の±８％以下、±６％以下、±５％以下、±４％以下、±３％以下、±２％以下又は±１％以下の電場ばらつきを有する、上記１記載のマイクロ波プラズマ反応器。
３． 前記高電場リングは、前記中央Ｅ_z電場強度よりも１０％〜４０％、１５％〜３０％又は１５％〜２５％高いピークＥ_z電場強度を有する、上記１又は２記載のマイクロ波プラズマ反応器。
４． 前記局所軸対称Ｅ_z電場プロフィールは、前記基板の前記成長面よりも、
４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、４ｍｍ、６ｍｍ又は８ｍｍ高い、
８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２ｍｍ、３ｍｍ又は４ｍｍ高い、又は
２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ又は１．５ｍｍ高い高さのところで計算される、上記１〜３のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
５． 化学気相成長により、合成ダイヤモンド材料を製造するマイクロ波プラズマ反応器であって、前記マイクロ波プラズマ反応器は、
周波数ｆのマイクロ波を発生させるよう構成されたマイクロ波発生器と、
底部、頂板及び前記底部から前記頂板まで延びる側壁を備えていて、前記底部と前記頂板との間にマイクロ波共振モードを支える空胴共振器を構成するプラズマチャンバと、
前記マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記プラズマチャンバ中に送り込むマイクロ波結合構造体と、
プロセスガスを前記プラズマチャンバ中に送り込み、そして前記プロセスガスを前記プラズマチャンバから除去するガス流システムと、
前記プラズマチャンバ内に設けられていて、基板を支持する支持面を備えた基板ホルダと、
前記支持面上に設けられた基板とを含み、前記基板は、使用中に前記合成ダイヤモンド材料を析出させるべき前記成長面を有し、
前記プラズマチャンバの前記底部よりも上方に位置する前記基板の前記成長面の基板直径と高さの比が１０〜１４、１１〜１３．５又は１１．０〜１２．５である、マイクロ波プラズマ反応器。
６． 前記基板直径は、
４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ若しくは２４０ｍｍ〜３３０ｍｍであり、
８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくは１１５ｍｍ〜１６０ｍｍであり、又は
２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ若しくは４２ｍｍ〜５８ｍｍである、上記１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
７． 前記プラズマチャンバの前記底部よりも上方の前記基板の前記成長面の前記高さは、
４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１０ｍｍ〜３０ｍｍ若しくは１４ｍｍ〜２７ｍｍであり、
８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、５ｍｍ〜１５ｍｍ若しくは７ｍｍ〜１３ｍｍであり、又は
２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、２．０ｍｍ〜５．５ｍｍ若しくは２．５ｍｍ〜５．０ｍｍである、上記１〜６のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
８． ４００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの前記マイクロ波周波数ｆ、前記基板直径及び前記空胴共振器内の前記基板の前記成長面の前記高さは、
前記基板直径が１８０ｍｍ〜２３０ｍｍの場合、前記基板の直径の前記高さが１４ｍｍ〜２０ｍｍであり、
前記基板直径が２３０ｍｍ〜２７０ｍｍである場合、前記成長面の前記高さが２０ｍｍ〜２４ｍｍであり、或いは
前記基板直径が２７０ｍｍ〜３１０ｍｍの場合、前記成長面の前記高さが２２ｍｍ〜２７ｍｍであるよう選択されている、上記１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
９． ８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの前記マイクロ波周波数ｆ、前記基板直径及び前記空胴共振器内の前記基板の前記成長面の前記高さは、
前記基板直径が９０ｍｍ〜１１０ｍｍの場合、前記基板の直径の前記高さが７ｍｍ〜１０ｍｍであり、
前記基板直径が１１０ｍｍ〜１３０ｍｍである場合、前記成長面の前記高さが９．５ｍｍ〜１１．５ｍｍであり、或いは
前記基板直径が１３０ｍｍ〜１５０ｍｍの場合、前記成長面の前記高さが１１ｍｍ〜１３ｍｍであるよう選択されている、上記１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１０． ２３００ＭＨｚ〜２６００ＭＨｚの前記マイクロ波周波数ｆ、前記基板直径及び前記空胴共振器内の前記基板の前記成長面の前記高さは、
前記基板直径が３０ｍｍ〜４０ｍｍの場合、前記基板の直径の前記高さが２．５ｍｍ〜３．７ｍｍであり、
前記基板直径が４０ｍｍ〜４８ｍｍである場合、前記成長面の前記高さが３．５ｍｍ〜４．２ｍｍであり、或いは
前記基板直径が４８ｍｍ〜５５ｍｍの場合、前記成長面の前記高さが４．０ｍｍ〜４．８ｍｍであるよう選択されている、上記１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１１． 前記空胴共振器の直径と前記基板直径の比が１．５〜５、２．０〜４．５又は２．５〜４．０であり、前記空胴共振器直径は、前記空胴共振器の高さの５０％未満、４０％未満、３０％未満又は２０％未満の高さのところで測定されている、上記１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１２． 前記空胴共振器直径は、前記基板の前記成長面の高さのところで測定されている、上記１１記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１３． 前記基板の前記成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値及び前記成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値を含む少なくとも２つの温度測定値を取るよう構成された１つ又は２つ以上の温度測定装置と、
前記基板の前記成長面上におけるＣＶＤダイヤモンド成長中、前記少なくとも２つの温度測定値に基づいて前記基板の前記成長面の前記中央領域と前記周辺領域との間の温度差を制御するよう構成された基板温度制御システムとを更に含む、上記１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１４． 前記基板温度制御システムは、次の条件、即ち、５℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１２０℃、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１００℃、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃、２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃又は２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜６０℃（Ｔ_cは、前記成長面の前記中央領域の温度であり、Ｔ_eは、前記成長面の前記周辺領域の温度である）を満たすよう前記基板の前記成長面上におけるＣＶＤダイヤモンド成長中、前記基板の前記成長面の温度を制御するよう構成されている、上記１３記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１５． 前記成長面の前記中央領域は、前記成長面の直径の５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下又は１０％以下の外径を有し、前記成長面の前記周辺領域は、前記成長面の直径の５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、９０％超又は９５％超の内径を有する、上記１３又は１４記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１６． 前記基板は、前記基板ホルダの前記支持面と前記基板の後面との間に高さｈのガス隙間を形成するようスペーサ要素によって間隔を置いた状態で前記基板ホルダの前記支持面上に設けられ、前記マイクロ波プラズマ反応器は、ガスを前記隙間に供給するガス供給システムを更に含み、前記スペーサ要素は、前記基板の下に、前記ガス供給システムからのガスが溜まることができる中央ガス隙間キャビティを画定するよう構成されている、上記１〜１５のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１７． 前記ガス隙間の前記高さｈは、２５μｍ〜２０００μｍ、５０μｍ〜１０００μｍ、１００μｍ〜７５０μｍ、５００μｍ〜７５０μｍ、６００μｍ〜６５０μｍ、１００μｍ〜３００μｍ又は１５０μｍ〜２５０μｍである、上記１６記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１８． 前記基板温度制御システムは、前記基板の前記成長面の前記周辺領域を冷却するよう前記基板の周りに設けられた温度加減リングを更に含む、上記１３〜１７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
１９． 前記温度加減リングは、前記基板の周りの前記基板ホルダの前記支持面にプロフィールを設けることにより又は別個のコンポーネントを前記基板上に配置することによって形成されている、上記１８記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２０． 前記温度加減リングは、前記基板ホルダ上に設けられたスペーサ要素に設けられている、上記１９記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２１． 前記温度加減リングは、５００℃を超える融点及び１０Ｗｍ^-1Ｋ^-1を超える熱伝導率を有する、上記１８〜２０のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２２． 前記温度加減リングは、金属製である、上記１８〜２１のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２３． 前記温度加減リングは、タンタル、モリブデン、タングステン又はこれらの合金で作られている、上記２２記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２４． 前記温度加減リングは、傾斜外面を有する、上記１８〜２３のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２５． 前記ガス隙間の前記高さｈは、前記基板の直径全体の６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、９５％以上又は９９％以上の心出し直径を有する前記基板の少なくとも中央領域全体にわたり２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、４０μｍ以下、２０μｍ、１０μｍ以下又は５μｍ以下のばらつきを有する、上記１６又は１７記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２６． 前記ガス隙間は、第１のガス隙間高さを備えた中央領域及び第２のガス隙間高さを備えた周辺領域を有し、前記第１のガス隙間高さは、前記第２のガス隙間高さよりも大きい、上記１６、１７又は２５記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２７． 前記基板ホルダは、前記プラズマチャンバから取り出し可能に構成されている、上記１〜２６のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器。
２８． 上記１〜２７のうちいずれか一に記載のマイクロ波プラズマ反応器に用いられる基板であって、前記基板は、
ＣＶＤダイヤモンドを成長させるべき平坦な成長面及び前記成長面と反対側の平坦な支持面を備えた炭化物形成耐熱金属の円筒形ディスクを含み、
前記円筒形ディスクは、８０ｍｍ以上の直径を有し、
前記成長面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有し、
前記支持面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有する、基板。
２９． 前記成長面の前記平坦度ばらつきは、７５μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下又は１μｍ以下である、上記２８記載の基板。
３０． 前記支持面の前記平坦度ばらつきは、７５μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下又は１μｍ以下である、上記２８又は２９記載の基板。
３１． 前記炭化物形成耐熱金属は、モリブデン、タングステン、ニオブ又はこれらの合金のうちの１つから選択される、上記２８〜３０のうちいずれか一に記載の基板。
３２． 前記円筒形ディスクは、前記成長面のところの不純物を形成する黒鉛の重量で０．５％以下、０．１％以下、０．０７５％以下、０．０５％以下、０．０２５％以下、０．０１％以下、０．００５％以下又は０．００１％以下を占める、上記２８〜３１のうちいずれか一に記載の基板。
３３． 前記円筒形ディスクは、炭化物形成耐熱金属の重量で少なくとも９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９５％又は９９．９９％を占める、上記２８〜３２のうちいずれか一に記載の基板。
３４． 前記成長面は、１ｎｍ〜１μｍ、１ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｍ〜２００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、１０ｎｍ〜５０ｎｍ、２０ｎｍ〜１００ｎｍ又は５０ｎｍ〜１００ｎｍの表面粗さＲ_aを有する、上記２８〜３３のうちいずれか一に記載の基板。
３５． 前記成長面の周りの前記基板の縁は、鋭利な縁、面取りされた縁又は丸くされた縁のうちの１つである、上記２８〜３４のうちいずれか一に記載の基板。
３６． 前記成長面には、前記基板成長面の縁を中央領域から隔てる円形トレンチが設けられている、上記２８〜３５のうちずれか一に記載の基板。
３７． 化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、前記方法は、 合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
前記反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、前記基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを前記反応器中に送り込むステップを含み、
前記基板の前記成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、前記方法は、
前記合成ダイヤモンド材料の成長中、前記基板の前記成長面の中央領域の１つ又は２つ以上の測定値及び前記基板の成長面の周辺領域の１つ又は２つ以上の測定値を含む少なくとも２つの温度測定値を取るステップと、
前記合成ダイヤモンド材料の成長中、前記少なくとも２つの温度測定値に基づいて前記基板の前記成長面の前記中央領域と前記周辺領域との間の温度差を制御するステップとを更に含み、
前記合成ダイヤモンド材料の成長中における前記基板の前記成長面の温度は、５℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１２０℃という条件を満たすよう制御され、上式において、Ｔ_cは、前記基板の前記成長面の前記中央領域の温度であり、Ｔ_eは、前記基板の前記成長面の前記周辺領域の温度である、方法。
３８． 前記基板の前記成長面の温度は、前記合成ダイヤモンド材料の成長中、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜１００℃、１０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃、２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜８０℃又は２０℃＜Ｔ_c−Ｔ_e＜６０℃という条件を満たすよう制御される、上記３７記載の方法。
３９． 前記反応器は、前記基板の前記成長面の０．０５〜１０Ｗ／ｍｍ²又は１〜５Ｗ／ｍｍ²の電力密度で作動される、上記３７又は３８記載の方法。
４０． 前記反応器は、２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数において１４０トル以上、１５０トル以上、１８０トル以上若しくは２００トル以上の圧力、８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数において８０トル以上、１００トル以上、１２０トル以上、１４０トル以上若しくは１６０トル以上の圧力又は４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数において３０トル以上、４０トル以上、５０トル以上、６０トル以上若しくは７０トル以上の圧力で作動される、上記３７〜３９のうちいずれか一に記載の方法。
４１． 前記基板は、ガス隙間を形成するようスペーサ要素によって間隔を置いた状態で前記基板ホルダ上に設けられ、ガスが前記ガス隙間に供給され、前記ガスの流量は、前記反応器中に送り込まれる前記プロセスガスの流量の５％以下、４％以下、３％以下、２％以下又は１％以下であるように制御される、上記３７〜４０のうちいずれか一に記載の方法。
４２． 前記ガス隙間に供給される前記ガスは、互いに異なる熱伝導率を有する少なくとも２つのガスから成り、前記少なくとも２つのガスの比は、前記合成ダイヤモンド材料の成長中、前記少なくとも２つの温度測定値に基づいて前記基板の前記成長面の前記中央領域と前記周辺領域との間の前記温度差を制御するよう変えられる、上記４１記載の方法。
４３． 前記ガス隙間に供給される前記ガスは、プロセスガスとして前記反応器にこれ又送り込まれる種類のガスで構成されている、上記４１又は４２記載の方法。
４４． 前記合成ダイヤモンド材料は、
４００〜５００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、１６５ｍｍ〜４１５ｍｍ、１８５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３７５ｍｍ、２０５ｍｍ〜３３０ｍｍ若しくは２４０ｍｍ〜３３０ｍｍ、
８００〜１０００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、８０ｍｍ〜２００ｍｍ、９０ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくは１１５ｍｍ〜１６０ｍｍ、又は
２３００〜２６００ＭＨｚのマイクロ波周波数ｆに関し、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、３３ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜６５ｍｍ、３７ｍｍ〜５８ｍｍ若しくは４２ｍｍ〜５８ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを形成するよう成長させられ、
前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう前記化学気相成長法を完了させた後、冷却時に前記基板から自然発生的に層状に剥離され、前記中央領域は、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％、８０％、９０％又は９５％を占め、前記中央領域には、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しない、上記３７〜４３のうちいずれか一に記載の方法。
４５． 前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも１００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．５ｍｍの厚さまで成長させられる、上記４４記載の方法。
４６． 単結晶ダイヤモンド基板が前記基板上に合成単結晶ダイヤモンド材料を成長させるために前記基板上に設けられ、前記少なくとも２つの温度測定値は、前記単結晶ダイヤモンド基板相互間の前記基板の領域のところで取られる、上記３７〜４５のうちいずれか一に記載の方法。
４７． 前記基板は、後面プロフィールを維持するよう合成ダイヤモンド成長相互間で再処理される、上記３７〜４６のうちいずれか一に記載の方法。
４８． 前記基板ホルダは、前記基板ホルダの支持面のプロフィールを維持するよう合成ダイヤモンド成長相互間で再処理される、上記３７〜４７のうちいずれか一に記載の方法。
４９． 前記反応器内の前記基板の高さは、再処理によって前記基板及び／又は前記基板ホルダから除去される材料を考慮に入れて該基板を利用した次の合成ダイヤモンド成長中、前記反応器内の前記基板の前記成長面の実質的に一定の高さを維持するために、必要な場合には合成ダイヤモンド成長相互間で調節され、前記成長面の前記高さは、前記反応器内における前記基板の前記成長面の標的高さの２ｍｍ、１ｍｍ、０．８ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍ又は０．２ｍｍの範囲内に維持される、上記４７又は４８記載の方法。
５０． 前記反応器を逆さまにし、それにより前記基板を支持している前記反応器の底部が地面に対して前記反応器の上壁を形成する、上記３７〜４９のうちいずれか一に記載の方法。
５１． 化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、前記方法は、 合成材料ダイヤモンドを製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
前記反応器内に設けられた基板ホルダ上に基板を配置するステップを含み、前記基板は、合成ダイヤモンド材料を成長させるべき成長面を有し、
プロセスガスを前記反応器中に送り込むステップを含み、
前記基板の前記成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、
前記合成ダイヤモンド材料は、少なくとも１２０ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを形成するよう成長させられ、
前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう前記化学気相成長法を完了させた後、冷却時に前記基板から自然発生的に層状に剥離され、前記中央領域は、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％を占め、前記中央領域には、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しない、方法。
５２． 前記中央領域は、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも８０％、９０％又は９５％を占める、上記５１記載の方法。
５３． 前記多結晶ダイヤモンドウェーハの直径は、少なくとも１４０ｍｍ、１６０ｍｍ、２００ｍｍ又は２５０ｍｍである、上記５１又は５２記載の方法。
５４． 前記多結晶ダイヤモンドウェーハの直径は、４００ｍｍ以下又は３００ｍｍ以下である、上記５３記載の方法。
５５． 前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．５ｍｍの厚さまで成長させられる、上記５１〜５４のうちいずれか一に記載の方法。
５６． 前記反応器は、マイクロ波プラズマ反応器である、上記５１〜５５のうちいずれか一に記載の方法。

Claims (15)

1. マイクロ波プラズマ反応器に用いられる基板であって、前記基板は、
   ＣＶＤダイヤモンドを成長させるべき平坦な成長面及び前記成長面と反対側の平坦な支持面を備えた炭化物形成耐熱金属の円筒形ディスクを含み、
   前記円筒形ディスクは、８０ｍｍ以上の直径を有し、
   前記成長面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有し、
   前記支持面は、１００μｍ以下の平坦度ばらつきを有する、基板。
2. 前記成長面の前記平坦度ばらつきは、７５μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下又は１μｍ以下である、請求項１記載の基板。
3. 前記支持面の前記平坦度ばらつきは、７５μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下又は１μｍ以下である、請求項１又は２記載の基板。
4. 前記炭化物形成耐熱金属は、モリブデン、タングステン、ニオブ又はこれらの合金のうちの１つから選択される、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の基板。
5. 前記円筒形ディスクは、前記成長面のところの不純物を形成する黒鉛の重量で０．５％以下、０．１％以下、０．０７５％以下、０．０５％以下、０．０２５％以下、０．０１％以下、０．００５％以下又は０．００１％以下を占める、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の基板。
6. 前記円筒形ディスクは、炭化物形成耐熱金属の重量で少なくとも９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９５％又は９９．９９％を占める、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の基板。
7. 前記成長面は、１ｎｍ〜１μｍ、１ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｍ〜２００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、１０ｎｍ〜５０ｎｍ、２０ｎｍ〜１００ｎｍ又は５０ｎｍ〜１００ｎｍの表面粗さＲ_aを有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の基板。
8. 前記成長面の周りの前記基板の縁は、鋭利な縁、面取りされた縁又は丸くされた縁のうちの１つである、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の基板。
9. 前記成長面には、前記基板成長面の縁を中央領域から隔てる円形トレンチが設けられている、請求項１〜８のうちずれか一に記載の基板。
10. 化学気相成長法を用いて合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、前記方法は、
    合成ダイヤモンド材料を製造するよう構成された反応器を用意するステップを含み、
    前記反応器内に設けられた基板ホルダ上に請求項１〜９のうちずれか一に記載の基板を配置するステップを含み、
    プロセスガスを前記反応器中に送り込むステップを含み、
    前記基板の前記成長面上に合成ダイヤモンド材料を成長させるステップを含み、
    前記合成ダイヤモンド材料は、少なくとも８０ｍｍの直径を有する多結晶ダイヤモンドウェーハを形成するよう成長させられ、
    前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも中央領域上に実質的に亀裂のない自立型多結晶ダイヤモンドウェーハを生じさせるよう前記化学気相成長法を完了させた後、冷却時に前記基板から自然発生的に層状に剥離され、前記中央領域は、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも７０％を占め、前記中央領域には、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの主要外側フェースの両方と交差すると共に長さ２ｍｍ超にわたって延びる亀裂が存在しない、方法。
11. 前記中央領域は、前記自立型多結晶ダイヤモンドウェーハの面積全体の少なくとも８０％、９０％又は９５％を占める、請求項１０記載の方法。
12. 前記多結晶ダイヤモンドウェーハの直径は、少なくとも１２０ｍｍ、１４０ｍｍ、１６０ｍｍ、２００ｍｍ又は２５０ｍｍである、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記多結晶ダイヤモンドウェーハの直径は、４００ｍｍ以下又は３００ｍｍ以下である、請求項１２記載の方法。
14. 前記多結晶ダイヤモンドウェーハは、少なくとも１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．５ｍｍの厚さまで成長させられる、請求項１０〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
15. 前記反応器は、マイクロ波プラズマ反応器である、請求項１０〜１４のうちいずれか一に記載の方法。

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