マイクロ波プラズマリアクターは、化学蒸着プロセスに使用される特殊なシステムである。ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの材料を合成するのに特に有用である。このリアクターは、周波数2.45GHzのマイクロ波エネルギーを使って、制御されたチャンバー内にプラズマを発生させる。プラズマは、リアクター表面から離れた基板テーブルの上に形成され、マイクロ波回路を最適化するために、マイクロ波透明石英窓に対して位置を調整することができる。
5つのキーポイント
1.マイクロ波発生とプラズマ形成
リアクターには、2.45GHzで作動するマイクロ波発生装置が装備されている。この周波数は、工業的、科学的用途では一般的である。マイクロ波は、矩形導波管とモード変換器を経由して円筒形チャンバーに伝送される。チャンバー内では、マイクロ波が共鳴電磁場パターンを作り出し、反応ガスを加熱・励起してプラズマを形成する。このプラズマは通常、基板の上にあるボール状の塊であり、成膜プロセスにとって極めて重要である。
2.基板加熱とガス制御
リアクター内の基板は、誘導加熱（最高1000℃）やバイアス加熱などの方法により、プラズマ生成とは独立して加熱することができる。この独立制御により、成膜プロセス中の正確な温度調節が可能になる。リアクターで使用されるガスは、ステンレス鋼配管を通して導入され、その流量はマスフローメーターによって制御されます。MKSのガス制御ユニットは、水素、メタン、アセチレン、アルゴン、窒素、酸素など、さまざまな種類の材料合成に不可欠なガスをサポートしています。
3.リアクターの設計と課題
マイクロ波プラズマリアクターの設計は、熱暴走、電圧降伏、アーク放電を含むいくつかの課題に対処しなければならない。これらの問題を防ぐために、リアクターの設計は、熱損失を最小にしながら、アーク放電を防ぐためにマイクロ波磁場強度が最適化されるようにしなければならない。さらに、リアクターは、導波管システムへの埃の侵入を防ぎ、局所的な過熱やアーク放電につながる可能性のある鋭い角やエッジを避けるように設計されなければならない。アークと反射電力の結合を防ぐためには、適切な調整手順も極めて重要である。
4.マイクロ波プラズマリアクターの種類
長い間、マイクロ波プラズマリアクタは、様々なタイプが開発され、それぞれマイクロ波電力収容を向上させるように設計された異なる形状を持つ。単純な石英管タイプから、楕円体、ドーム、マルチモード非円筒形、リングアンテナ-楕円体共振器、円錐反射器タイプなど、より複雑な構造のものまであります。各設計の目的は、マイクロ波集束能力の向上、プラズマエッチングからの誘電体窓の保護、同調能力の向上である。
5.アプリケーションと能力
参考文献に記載されている特定のリアクターは、2x2cmのシリコン基板上に高品質の多結晶ダイヤモンド膜を毎時約6μmの速度で均一に成長させることができる。これは、このリアクターが比較的短時間でかなりの厚さの膜を生成できることを示しており、研究および産業用途における材料合成のための貴重なツールとなっている。
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