RU2595156C2

RU2595156C2 - Microwave plasma reactor for gas-phase deposition of diamond films in gas flow (versions)

Info

Publication number: RU2595156C2
Application number: RU2014150472/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Леонтьевич Вихарев; Алексей Михайлович Горбачёв; Михаил Александрович Лобаев; Джеймс Ехрич Батлер
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-08-20
Also published as: RU2014150472A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to a microwave plasma reactor for gas-phase deposition of diamond films in gas flow (versions). Design of reactor based on two coupled resonators - cylindrical resonator and attached to its end wall annular coaxial resonator, along axis of which (coaxially to resonators) there is a reaction chamber in form of a dielectric pipe, enables to generate and maintain axially symmetric plasma in reaction chamber only in one area of resonator near substrate. Selection of diameter d of reaction chamber which satisfies condition: d²< V/p·(C), where V is speed of external gas flow in cm/s, p is pressure of gas mixture in reaction chamber in Torr, C is a constant, having dimensions [1/cm·s·Torr] and equal to 10^-3, enables, with power absorbed in plasma higher than 500 W, to provide laminar vortex-free flow of gas mixture over substrate, which in turn enables fast replacement of deposited gas mixture, and thus, enables to deposit onto substrate multilayer poly- or monocrystalline diamond films, having different electrophysical characteristics of layers.

EFFECT: deposition of diamond films in gas flow.

10 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для химического осаждения из газовой фазы материалов, в частности для получения углеродных (алмазных) пленок.The invention relates to plasma microwave reactors for chemical vapor deposition of materials, in particular for the production of carbon (diamond) films.

Осаждение алмазных пленок из газовой фазы осуществляется путем активации плазмой газовой смеси, содержащей водород и углеводород, для создания необходимых химически активных частиц - атомов водорода и углеродсодержащих радикалов. Осаждение этих радикалов на подложку обеспечивает формирование алмазной пленки в результате целого комплекса поверхностных реакций. Для реализации этого метода широкое применение нашли реакторы, использующие плазму, генерируемую с помощью СВЧ разряда. Это связано с тем, что СВЧ разряды, создавая высокую плотность возбужденных и заряженных частиц и обладая безэлектродной природой, позволяют получать алмазные пленки высокого качества.The deposition of diamond films from the gas phase is carried out by plasma activation of a gas mixture containing hydrogen and hydrocarbon to create the necessary chemically active particles - hydrogen atoms and carbon-containing radicals. The deposition of these radicals on a substrate ensures the formation of a diamond film as a result of a whole complex of surface reactions. To implement this method, reactors using plasma generated by microwave discharge are widely used. This is due to the fact that microwave discharges, creating a high density of excited and charged particles and having an electrodeless nature, make it possible to obtain high-quality diamond films.

В последние три года появилась потребность в изготовлении многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, которые можно получить в плазменном СВЧ реакторе для газофазного осаждения алмазных пленок за счет быстрой смены газа, которую можно осуществить лишь с помощью ламинарного безвихревого газового потока.In the last three years, there has become a need for the manufacture of multilayer poly- or single-crystal diamond films, which can be obtained in a microwave plasma reactor for gas-phase deposition of diamond films due to the rapid change of gas, which can only be achieved using a laminar vortex-free gas flow.

Для осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда в потоке газа известны устройства - плазменные СВЧ реакторы на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц. Представителем этого класса устройств является плазменный СВЧ резонатор (J. Asmussen, R. Mallavarpu, J.R. Haman, H.C. Park, The design of a microwave plasma cavity, Proc. IEEE, v. 62, No. 1, p. 109-117, 1974), в котором создается аксиально симметричная плазма СВЧ разряда на частоте 2,45 ГГц в кварцевой трубе (реакционной камере). Плазменный СВЧ резонатор состоит из цилиндрического резонатора переменной длины, вдоль оси которого (соосно резонатору) располагается реакционная камера в виде кварцевой трубы. В резонаторе возбуждается стоячая волна на моде TM_01n (n=2).For the deposition of diamond films from the gas phase in a microwave plasma discharge in a gas stream, devices are known - plasma microwave reactors based on a cylindrical resonator excited at a frequency of 2.45 GHz or 915 MHz. A representative of this class of devices is a microwave plasma resonator (J. Asmussen, R. Mallavarpu, JR Haman, HC Park, The design of a microwave plasma cavity, Proc. IEEE, v. 62, No. 1, p. 109-117, 1974 ), in which an axially symmetric microwave discharge plasma is created at a frequency of 2.45 GHz in a quartz tube (reaction chamber). A microwave plasma resonator consists of a cylindrical cavity of variable length, along the axis of which (coaxial to the cavity) there is a reaction chamber in the form of a quartz tube. A standing wave is excited in the cavity in the TM _{01n mode} (n = 2).

Недостатком данного плазменного СВЧ резонатора является то, что в нем плазма имеет вид нескольких плазмоидов и создается в кварцевой трубе в каждой пучности электрического поля стоячей волны в результате одинаковой величины электрического поля в пучностях вдоль оси цилиндрического резонатора, что не позволяет создать плазму в одной единственной области резонатора около подложки и тем самым создать ламинарный безвихревой поток газовой смеси в реакционной камере.The disadvantage of this plasma microwave resonator is that the plasma in it has the form of several plasmoids and is created in a quartz tube in each antinode of the electric field of the standing wave as a result of the same magnitude of the electric field in the antinodes along the axis of the cylindrical resonator, which does not allow creating a plasma in one single region resonator near the substrate and thereby create a laminar vortex-free flow of the gas mixture in the reaction chamber.

Известен плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto, N. Setaka, Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma, J. Cryst. Growth, 1983, v. 62, p. 642-644), в котором может отсутствовать вихревое движение газа в реакционной камере реактора. Данный СВЧ реактор состоит из секции прямоугольного волновода с круглыми отверстиями в широких стенках, через которые перпендикулярно волноводу проходит кварцевая труба (реакционная камера), отрезка волновода с короткозамкнутым поршнем, соединенного с упомянутой секцией прямоугольного волновода, и подложки, помещенной в кварцевую трубу на уровне внутренней широкой стенки волновода и удерживаемой с помощью диэлектрического держателя подложки. С обеих сторон вне секции волновода кварцевая труба окружена аппликаторами волновода (соединенными с волноводом короткими отрезками металлических труб с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру кварцевой трубы) для предотвращения выхода СВЧ излучения из реактора. При работе устройства на частоте 2,45 ГГц и использовании одномодового прямоугольного волновода с размерами 86×43 мм² диаметр кварцевой трубы составляет 40-50 мм, что ограничивает возможность получения алмазных пленок большого диаметра.Known plasma microwave reactor for gas-phase deposition of diamond films in a gas stream (M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto, N. Setaka, Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma, J. Cryst. Growth, 1983, v. 62, p. 642-644), in which there may be no swirling gas movement in the reaction chamber of the reactor. This microwave reactor consists of a section of a rectangular waveguide with round holes in wide walls through which a quartz tube (reaction chamber) passes perpendicular to the waveguide, a segment of a waveguide with a short-circuited piston connected to the said section of a rectangular waveguide, and a substrate placed in a quartz tube at the level of the inner wide wall of the waveguide and supported by the dielectric holder of the substrate. On both sides, outside the waveguide section, the quartz tube is surrounded by waveguide applicators (short sections of metal pipes connected to the waveguide with an inner diameter equal to the outer diameter of the quartz tube) to prevent microwave radiation from leaving the reactor. When the device is operating at a frequency of 2.45 GHz and using a single-mode rectangular waveguide with dimensions of 86 × 43 mm ^{2, the} diameter of the quartz tube is 40-50 mm, which limits the possibility of producing large diameter diamond films.

Недостатком данного устройства является также то, что плазма над подложкой имеет сильную пространственную неоднородность с максимумом плотности вблизи стенки трубы. Этот недостаток СВЧ реактора обусловлен тем, что в нем кварцевая труба располагается в пучности стоячей СВЧ волны, формируемой в волноводе при отражении падающей на трубу волны от короткозамкнутого поршня, расположенного за трубой в волноводе на расстоянии, кратном четверти длины волны, поэтому в реакторе имеется одно выделенное направление - направление распространения СВЧ волны, в результате чего образующаяся в данном СВЧ реакторе плазма не обладает аксиальной симметрией. По этой причине при зажигании СВЧ разряда в кварцевой трубе над подложкой плазма имеет сильную пространственную неоднородность с максимумом плотности вблизи стенки трубы в направлении навстречу падающей СВЧ волне. Такое распределение плотности плазмы приводит к неоднородному пространственному распределению образующихся в плазме углеродсодержащих радикалов и неоднородному осаждению алмазной пленки по поверхности подложки, что существенно снижает качество осаждаемых алмазных пленок.The disadvantage of this device is that the plasma above the substrate has a strong spatial inhomogeneity with a maximum density near the pipe wall. This disadvantage of the microwave reactor is due to the fact that the quartz tube in it is located in the antinode of the standing microwave wave generated in the waveguide upon reflection of the wave incident on the tube from the short-circuited piston located behind the tube in the waveguide at a multiple of a quarter of the wavelength, therefore there is one the selected direction is the direction of propagation of the microwave wave, as a result of which the plasma formed in this microwave reactor does not have axial symmetry. For this reason, when a microwave discharge is ignited in a quartz tube above the substrate, the plasma has a strong spatial inhomogeneity with a density maximum near the tube wall in the direction towards the incident microwave wave. Such a distribution of plasma density leads to an inhomogeneous spatial distribution of carbon-containing radicals formed in the plasma and inhomogeneous deposition of the diamond film on the surface of the substrate, which significantly reduces the quality of the deposited diamond films.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству, обеспечивающим аксиально-симметричную плазму СВЧ разряда, является плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа, известный из патента США US 5311103 "Apparatus for the coating of material on a substrate using a microwave or UHF plasma" МПК H01J 7/24, опубл. 1994 г., который выбран в качестве прототипа. Плазменный СВЧ реактор-прототип состоит из цилиндрического резонатора, в объеме которого у торцевой стенки располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы, передающей коаксиально-волноводной линии с элементами связи для введения в цилиндрический резонатор СВЧ излучения, юстирующего устройства для перемещения верхней стенки цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. Под кварцевой колбой поддерживается давление газовой смеси от 50 до 200 Торр, тем самым отделяется область создания плазмы от остальной части резонатора, в результате плазма СВЧ разряда создается над подложкой в виде аксиально-симметричной полусферы с размером вдоль подложки, не превышающим половины длины СВЧ волны.The closest analogue in technical essence to the proposed device, providing an axially symmetric microwave discharge plasma, is a microwave plasma reactor for gas-phase deposition of diamond films in a gas stream, known from US patent US 5311103 "Apparatus for the coating of material on a substrate using a microwave or UHF plasma "IPC H01J 7/24, publ. 1994, which is selected as a prototype. The prototype plasma microwave reactor consists of a cylindrical resonator, in the volume of which a reaction chamber is located in the form of a quartz flask transmitting a coaxial waveguide line with communication elements for introducing microwave radiation into the cylindrical resonator, an alignment device for moving the upper wall of the cylindrical resonator and tuning resonator to resonance. The pressure of the gas mixture from 50 to 200 Torr is maintained under the quartz flask, thereby separating the region where the plasma is created from the rest of the resonator; as a result, the microwave discharge plasma is created above the substrate in the form of an axially symmetric hemisphere with a size along the substrate not exceeding half the microwave wavelength.

Недостатком устройства прототипа является то, что в реакционной камере (кварцевой колбе), имеющей замкнутый объем, над подложкой, нагретой до температуры от 700 до 1000 градусов Цельсия, существует вихревое движение рабочей газовой смеси. Газ поднимается вверх в центре подложки и возвращается к подложке на ее периферии, как показано в прототипе на фигурах 2С, 2D. Такое движение газа приводит к неоднородному пространственному распределению упомянутых выше углеродсодержащих радикалов и неоднородному осаждению поликристаллической алмазной пленки по поверхности подложки. Также вихревое движение рабочего газа не позволяет быстро менять состав газовой смеси в реакционной камере для получения упомянутых многослойных алмазных структур с различающимися характеристиками слоев.The disadvantage of the prototype device is that in the reaction chamber (quartz flask), having a closed volume, above the substrate, heated to a temperature of from 700 to 1000 degrees Celsius, there is a swirling movement of the working gas mixture. The gas rises up in the center of the substrate and returns to the substrate at its periphery, as shown in the prototype in figures 2C, 2D. Such a gas movement leads to an inhomogeneous spatial distribution of the aforementioned carbon-containing radicals and an inhomogeneous deposition of a polycrystalline diamond film over the surface of the substrate. Also, the swirling movement of the working gas does not allow to quickly change the composition of the gas mixture in the reaction chamber to obtain the mentioned multilayer diamond structures with different characteristics of the layers.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание плазменного СВЧ реактора для газофазного осаждения алмазных пленок, в котором плазма поддерживается СВЧ излучением в реакционной камере в одной пучности поля стоячей волны (только над подложкой) и обладает аксиальной симметрией, и в котором за счет выбора диаметра реакционной камеры, давления газа и скорости газового потока обеспечивается ламинарное безвихревое движение газовой смеси в реакционной камере, что позволяет осуществить осаждение многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, имеющих различающиеся электрофизические характеристики слоев и малые по сравнению с толщиной слоев границы раздела (переходные слои) за счет быстрой смены состава газовой смеси.The problem to which the present invention is directed, is the creation of a plasma microwave reactor for gas-phase deposition of diamond films in which the plasma is supported by microwave radiation in the reaction chamber in the same antinode of the standing wave field (only above the substrate) and has axial symmetry, and in which selection of the diameter of the reaction chamber, gas pressure and gas flow rate provides laminar irrotational motion of the gas mixture in the reaction chamber, which allows for the deposition of multilayer poly- or single-crystal diamond films having different electrophysical characteristics of the layers and small compared to the thickness of the layers of the interface (transition layers) due to the rapid change in the composition of the gas mixture.

Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что для осаждения алмазной пленки из газовой фазы плазменный СВЧ реактор, как и реактор-прототип, содержит волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора к реактору, цилиндрический резонатор, возбуждаемый на моде TM_01n с помощью отверстий связи или штыревой антенны, юстирующее устройство для настройки цилиндрического резонатора путем перемещения верхней стенки данного резонатора, а также реакционную камеру с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси, с установленной в реакционной камере подложкой на подложкодержателе.The technical result in the developed device is achieved by the fact that for the deposition of a diamond film from the gas phase, the microwave plasma reactor, as well as the prototype reactor, contains a waveguide line for supplying radiation from the microwave generator to the reactor, a cylindrical resonator excited on the TM _{01n mode} using communication holes or a whip antenna, an adjustment device for adjusting the cylindrical resonator by moving the upper wall of the resonator, as well as a reaction chamber with a system for letting and pumping out the selected gas mixture, with a substrate mounted in the reaction chamber on a substrate holder.

Новым в разработанном плазменном СВЧ реакторе является то, что цилиндрический резонатор реактора дополнен соосно с ним соединенным по торцевой стенке коаксиальным резонатором, образованным металлическим круглым подложкодержателем и охватывающим реакционную камеру металлическим стаканом, при этом коаксиальный резонатор выполнен с длиной, достаточной для возбуждения в нем стоячей коаксиальной волны, а диаметр d реакционной камеры, изготовленной в виде диэлектрической трубы, установленной вдоль общей оси обоих резонаторов, выбран удовлетворяющим условию:What is new in the developed plasma microwave reactor is that the cylindrical resonator of the reactor is supplemented by a coaxial resonator coaxially connected to it along the end wall, formed by a metal round substrate holder and a metal cup enclosing the reaction chamber, while the coaxial resonator is made with a length sufficient to excite a standing coaxial cavity waves, and the diameter d of the reaction chamber, made in the form of a dielectric tube mounted along the common axis of both resonators, was chosen satisfies the conditions:

d²<V/p·Cd ² <V / p · C

для обеспечения ламинарного безвихревого потока газовой смеси в реакционной камере над подложкой, где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3.to ensure a laminar vortex-free gas mixture flow in the reaction chamber above the substrate, where V is the velocity of the external gas mixture flow in cm / s, p is the pressure of the gas mixture in the reaction chamber in Torra, C is a constant having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 .

Как установлено авторами, выполнение СВЧ реактора в предлагаемом изобретении на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора и прикрепленного к его торцевой (нижней) стенке коаксиального резонатора, а также настройка в резонанс обоих этих резонаторов - обеспечивают неравномерное распределение величины электрического поля в пучностях стоячей волны на моде TM_01n вдоль оси цилиндрического резонатора. Этот эффект позволяет генерировать и поддерживать аксиально-симметричную плазму в реакционной камере только в одной единственной области резонатора около подложки, и тем самым способствует созданию ламинарного безвихревого потока газовой смеси в реакционной камере.As established by the authors, the implementation of the microwave reactor in the present invention on the basis of two coupled resonators - a cylindrical resonator and a coaxial resonator attached to its end (lower) wall, as well as tuning the resonance of both of these resonators - provide an uneven distribution of the electric field in the antinodes of the standing wave at TM _{01n mode} along the axis of the cylindrical resonator. This effect allows the generation and maintenance of an axially symmetric plasma in the reaction chamber in only one single region of the resonator near the substrate, and thereby contributes to the creation of a laminar vortex-free gas mixture flow in the reaction chamber.

Выбор диаметра d реакционной камеры в реакторе разработанной конструкции, удовлетворяющего условию: d²<V/p·C, где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3, обеспечивает при поглощаемой в плазме мощности, большей 500 Вт, ламинарный безвихревой поток газовой смеси над подложкой, что в свою очередь дает возможность быстрой замены осаждаемой газовой смеси, и, таким образом, позволяет наносить на подложку многослойные поли- или монокристаллические алмазные пленки, имеющие различающиеся электрофизические характеристики слоев.The choice of the diameter d of the reaction chamber in the reactor of the developed design, satisfying the condition: d ² <V / p · C, where V is the velocity of the external gas mixture flow in cm / s, p is the pressure of the gas mixture in the reaction chamber in Torra, C is constant, having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 , when the power absorbed in the plasma is greater than 500 W, the laminar vortex-free flow of the gas mixture above the substrate, which in turn makes it possible to quickly replace the deposited gas mixture, and, thus, it is possible to apply multilayer poly- and and monocrystalline diamond films having different electrical characteristics layers.

Получение в данной конструкции ламинарного безвихревого потока газовой смеси над подложкой авторы могут объяснить следующим образом.The authors can explain the preparation of a laminar vortex-free gas mixture flow above a substrate in this design as follows.

Режим движения газа по круглой прямой трубе характеризуется числом Рейнольдса. Критическое число Рейнольдса определяет переход от ламинарного течения к турбулентному. В предлагаемом СВЧ реакторе для поддержания ламинарного безвихревого газового потока диаметр трубы, давление газа и скорость газового потока выбираются такими, чтобы число Рейнольдса было много меньше 1000.The regime of gas movement in a round straight pipe is characterized by the Reynolds number. The critical Reynolds number determines the transition from laminar to turbulent flow. In the proposed microwave reactor for maintaining a laminar vortex-free gas flow, the pipe diameter, gas pressure and gas flow rate are chosen such that the Reynolds number is much less than 1000.

Сформулируем условие для достижения такого ламинарного безвихревого газового потока в диэлектрической трубе в плазменном СВЧ реакторе. В результате нагрева газа в плазме СВЧ разряда внутри трубы возникает конвективный поток газа. Приравнивая силу Архимеда, которая возникает из-за нагрева газа, силе со стороны внешнего подаваемого газового потока, получаем критерий отсутствия вихревого движения газа в трубе:We formulate the condition for achieving such a laminar vortex-free gas flow in a dielectric tube in a microwave plasma reactor. As a result of heating the gas in the microwave plasma, a convective gas flow arises inside the tube. Equating the strength of Archimedes, which occurs due to heating of the gas, to the force from the side of the external gas flow, we obtain a criterion for the absence of vortex gas movement in the pipe:

где V - скорость внешнего потока газа в см/с, р - давление газа в кварцевой трубе в Торрах, k - константа для заданного диаметра кварцевой трубы и поглощенной в разряде мощности СВЧ излучения. Зависимость параметра k от диаметра диэлектрической трубы и поглощенной в плазме мощности определена с помощью численного газодинамического расчета. Согласно расчету параметр k зависит только от диаметра кварцевой трубы для поглощенной в плазме мощности, большей 500 Вт:where V is the velocity of the external gas flow in cm / s, p is the gas pressure in the quartz tube in Torra, k is the constant for a given diameter of the quartz tube and the microwave radiation power absorbed in the discharge. The dependence of the parameter k on the diameter of the dielectric tube and the power absorbed in the plasma is determined using a numerical gas-dynamic calculation. According to the calculation, the parameter k depends only on the diameter of the quartz tube for the power absorbed in the plasma, greater than 500 W:

где d диаметр кварцевой трубы в см, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3. Таким образом, условие (1) определяет область параметров, внутри которой реализуется ламинарное безвихревое течение газа внутри всей диэлектрической трубы (реакционной камеры).where d is the diameter of the quartz tube in cm, C is a constant having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 . Thus, condition (1) determines the range of parameters within which a laminar irrotational gas flow inside the entire dielectric tube (reaction chamber) is realized.

В первом частном случае выполнения предлагаемого плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 2 формулы, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью щелевых отверстий связи, целесообразно, чтобы волноводная линия оканчивалась короткозамкнутым поршнем в отрезке волновода для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.In the first particular case of the implementation of the proposed plasma microwave reactor in accordance with paragraph 2 of the formula, when the cylindrical resonator is excited using slotted communication holes, it is advisable that the waveguide line terminate with a short-circuited piston in the waveguide segment to adjust the coupling of the cylindrical resonator with the waveguide line.

Во втором частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 3 формулы, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью штыревой антенны, целесообразно чтобы волноводная линия в месте соединения с резонатором была снабжена коаксиально-волноводным переходом и имела отрезок волновода с коротко-замкнутым поршнем для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.In the second particular case of the execution of a plasma microwave reactor in accordance with paragraph 3 of the formula, when the cylindrical resonator is excited using a whip antenna, it is advisable that the waveguide line at the junction with the resonator be equipped with a coaxial-waveguide transition and have a segment of a waveguide with a short-closed piston to adjust the coupling of the cylindrical resonator with the waveguide line.

В третьем частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 4 формулы, целесообразно, чтобы коаксиальный резонатор содержал подвижное устройство для перемещения металлического подложкодержателя вдоль оси резонаторов для настройки коаксиального резонатора в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой в цилиндрическом резонаторе.In the third particular case of performing a microwave plasma reactor in accordance with paragraph 4 of the formula, it is advisable that the coaxial resonator contain a movable device for moving the metal substrate holder along the axis of the resonators to adjust the coaxial resonator to resonance and to change the radial distribution of the electric field in the antinodes of the standing wave above the substrate in a cylindrical cavity.

В четвертом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 5 формулы, целесообразно, чтобы реакционная камера в виде диэлектрической трубы с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси была выполнена в виде прозрачной кварцевой трубы с постоянным диаметром или прозрачной кварцевой трубы, имеющей расширение на уровне подложки.In the fourth particular case of the implementation of a plasma microwave reactor in accordance with paragraph 5 of the formula, it is advisable that the reaction chamber in the form of a dielectric pipe with an inlet and pumping system of the selected gas mixture be made in the form of a transparent quartz tube with a constant diameter or a transparent quartz tube having an extension at the substrate level.

В пятом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 6 формулы, целесообразно, чтобы подложкодержатель содержал встроенный герметичный электрический нагреватель подложки для регулирования температуры подложки.In the fifth particular case of the implementation of a plasma microwave reactor in accordance with paragraph 6 of the formula, it is advisable that the substrate holder contains a built-in sealed electric substrate heater to control the temperature of the substrate.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 схематично в разрезе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях представлен разработанный плазменный СВЧ реактор на основе двух связанных СВЧ резонаторов, обеспечивающих формирование плазмы вблизи подложки в реакционной камере с ламинарным безвихревым газовым потоком в соответствии с п. 1 формулы, и с волноводной линией в первом варианте ее выполнения, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью щелевых отверстий связи (в соответствии с п. 2).In FIG. Figure 1 schematically in section in two mutually perpendicular planes shows the developed microwave plasma reactor based on two coupled microwave resonators that provide plasma formation near the substrate in the reaction chamber with a laminar vortex-free gas stream in accordance with paragraph 1 of the formula, and with the waveguide line in its first embodiment execution, when the excitation of the cylindrical resonator is carried out using slotted communication holes (in accordance with paragraph 2).

На фиг. 2. представлено распределение амплитуды электрического поля вдоль оси цилиндрического резонатора без плазмы, где z=0 соответствует поверхности подложки.In FIG. 2. The distribution of the electric field amplitude along the axis of a cylindrical resonator without plasma is presented, where z = 0 corresponds to the surface of the substrate.

На фиг. 3 схематично в разрезе представлен разработанный плазменный СВЧ реактор на основе двух связанных СВЧ резонаторов, обеспечивающих формирование плазмы вблизи подложки в реакционной камере с ламинарным безвихревым газовым потоком в соответствии с п. 1, и с волноводной линией во втором варианте ее выполнения, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью штыревой антенны (в соответствии с п. 3). Здесь же показан вариант выполнения коаксиального резонатора, настраиваемого по длине в соответствии с п. 4.In FIG. Figure 3 schematically shows in section a developed microwave plasma reactor based on two coupled microwave resonators that provide plasma formation near the substrate in a reaction chamber with a laminar vortex-free gas stream in accordance with paragraph 1, and with a waveguide line in the second embodiment, when the cylindrical resonator is excited carried out using a whip antenna (in accordance with paragraph 3). It also shows an embodiment of a coaxial resonator, adjustable in length in accordance with paragraph 4.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг.1, содержит реакционную камеру 1 в виде диэлектрической трубы для газовой смеси с установленным в ней металлическим подложкодержателем 2. На подложкодержателе 2 расположена подложка 3 для осаждения на ней алмазной пленки. Конструкция предлагаемого плазменного реактора содержит также волноводную линию 5 для подвода излучения 4 от СВЧ генератора (на чертеже не показан) к реактору в виде двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора 10 и коаксиального резонатора, образованного металлическим стаканом 14 и расположенным внутри него металлическим круглым подложкодержателем 2. Коаксиальный резонатор 2, 14 соединен с цилиндрическим резонатором 10 соосно по его торцевой (нижней) стенке 13. Подложкодержатель 2 и металлический стакан 14 имеют длину, соответствующую резонансным условиям для возбуждения в пространстве между ними стоячей коаксиальной волны. Торцевая (верхняя) стенка 11 цилиндрического резонатора 10 выполнена подвижной для достижения резонансных условий и формирования стоячей СВЧ волны в цилиндрическом резонаторе 10 на моде TM_01n. К торцевой стенке 11 крепится аппликатор 12 цилиндрического резонатора - короткий отрезок металлической трубы с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру диэлектрической трубы 1 для предотвращения выхода СВЧ излучения из резонатора 10. Для выполнения этой функции диаметр аппликатора 12 выбран меньше критического диаметра круглого волновода для распространения моды TM₀₁. При работе предлагаемого устройства на частоте 2,45 ГГц максимальный диаметр диэлектрической трубы, проходящей через аппликатор, равен 80 мм, что намного превышает диаметр кварцевой трубы 40-50 мм в реакторе-аналоге. Кроме того, в другом варианте выполнения реакционной камеры 1 в соответствии с п. 5, внутри цилиндрического резонатора 10 диэлектрическая труба 1 имеет расширение на уровне подложки 3 до внутреннего диаметра резонатора 10, что дает возможность размещать в реакторе подложки с еще большим диаметром чем 80 мм.The design of the plasma reactor shown in Fig. 1 comprises a reaction chamber 1 in the form of a dielectric tube for a gas mixture with a metal substrate holder 2 installed in it. On the substrate holder 2 there is a substrate 3 for depositing a diamond film on it. The design of the proposed plasma reactor also contains a waveguide line 5 for supplying radiation 4 from a microwave generator (not shown) to the reactor in the form of two coupled resonators - a cylindrical resonator 10 and a coaxial resonator formed by a metal cup 14 and a metal round substrate holder 2 located inside it. The coaxial resonator 2, 14 is connected to the cylindrical resonator 10 coaxially along its end (lower) wall 13. The substrate holder 2 and the metal cup 14 have a length corresponding to conductive resonant conditions for the excitation in the space between the coaxial standing wave. The end (upper) wall 11 of the cylindrical resonator 10 is movable to achieve resonant conditions and the formation of a standing microwave wave in the cylindrical resonator 10 in the TM _{01n mode} . An applicator 12 of a cylindrical resonator is attached to the end wall 11 — a short segment of a metal pipe with an inner diameter equal to the outer diameter of the dielectric tube 1 to prevent microwave radiation from leaving the resonator 10. To perform this function, the diameter of the applicator 12 is chosen smaller than the critical diameter of the circular waveguide for mode propagation TM ₀₁ . When the proposed device operates at a frequency of 2.45 GHz, the maximum diameter of the dielectric pipe passing through the applicator is 80 mm, which is much larger than the diameter of the quartz pipe 40-50 mm in the analog reactor. In addition, in another embodiment of the reaction chamber 1 according to claim 5, inside the cylindrical resonator 10, the dielectric tube 1 has an extension at the level of the substrate 3 to the inner diameter of the resonator 10, which makes it possible to place substrates with an even larger diameter than 80 mm in the reactor .

Длины цилиндрического 10 и коаксиального 2, 14 резонаторов подбираются с возможностью формирования усиленного поля стоячей СВЧ волны в области создания плазмы 15 вблизи подложки 3.The lengths of the cylindrical 10 and coaxial 2, 14 resonators are selected with the possibility of forming an amplified field of a standing microwave wave in the region of plasma 15 near the substrate 3.

К выходящему из резонатора 10 концу диэлектрической трубы 1 крепится фланец 16 с вакуумным уплотнением 17 и оптическим окном 18. Реакционная камера 1 снабжена системой 19 напуска и переключения газовых смесей и системой откачки 20 газа для поддержания требуемого давления и скорости газового потока рабочей смеси в реакционной камере 1. Оптическое окно 18 служит для контроля через него за температурой подложки 3 с помощью оптического пирометра. Система 19 напуска и переключения газовых смесей представляет собой электрически управляемый газовый переключатель, который предназначен для подачи в реакционную камеру 1 последовательно или по определенной программе газовых смесей, содержащих водород, углеводород и различные небольшие добавки газов, например азота, бора, фтора и других. Система откачки 20 газа выполнена в виде набора отверстий в основании подложкодержателя 2 и в торце металлического стакана 14 (как показано на фиг. 1).A flange 16 with a vacuum seal 17 and an optical window 18 is attached to the end of the dielectric tube 1 emerging from the resonator 10. The reaction chamber 1 is equipped with a gas mixture inlet and switching system 19 and a gas evacuation system 20 to maintain the required pressure and gas flow rate of the working mixture in the reaction chamber 1. The optical window 18 is used to control through it the temperature of the substrate 3 using an optical pyrometer. The gas mixture inlet and switching system 19 is an electrically controlled gas switch that is designed to supply gas mixtures containing hydrogen, hydrocarbon and various small additives of gases, for example, nitrogen, boron, fluorine and others, to the reaction chamber 1 sequentially or according to a specific program. The gas evacuation system 20 is made in the form of a set of holes in the base of the substrate holder 2 and at the end of the metal cup 14 (as shown in Fig. 1).

В качестве реакционной камеры 1 может быть использована, как и в устройстве-прототипе, прозрачная кварцевая труба. В качестве источника СВЧ излучения может быть использован магнетрон на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц.As the reaction chamber 1 can be used, as in the prototype device, a transparent quartz tube. A magnetron at a frequency of 2.45 GHz or 915 MHz can be used as a source of microwave radiation.

Волноводная линия 5 для подвода излучения 4 от СВЧ генератора к цилиндрическому резонатору 10 может быть выполнена по-разному. В первом частном случае изготовления плазменного СВЧ реактора волноводная линия 5, представленная на фиг. 1, выполнена в виде соединенных последовательно входного прямоугольного волновода, изогнутого прямоугольного волновода 6, огибающего по кругу цилиндрический резонатор 10, и отрезка прямоугольного волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи резонатора 10 с волноводной линией. Цилиндрический резонатор 10 в месте расположения изогнутого волновода 6 содержит в боковой стенке по периметру четыре щелевых отверстия 9 для возбуждения в резонаторе моды TM_01n. Одной узкой стенкой изогнутого прямоугольного волновода 6 в месте расположения щелевых отверстий 9 является боковая стенка резонатора 10. Изогнутый прямоугольный волновод 6 с одной стороны соединен с входным волноводом, с другой стороны соединен с отрезком волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи резонатора 10 с волноводной линией 5.The waveguide line 5 for supplying radiation 4 from the microwave generator to the cylindrical resonator 10 can be performed in different ways. In the first particular case of the manufacture of a plasma microwave reactor, the waveguide line 5 shown in FIG. 1, is made in the form of a rectangular input waveguide connected in series, a curved rectangular waveguide 6, enveloping a cylindrical resonator 10 in a circle, and a segment of a rectangular waveguide 7 with a short-circuited piston 8 to adjust the coupling of the resonator 10 with the waveguide line. The cylindrical resonator 10 at the location of the curved waveguide 6 contains four slotted holes 9 in the side wall around the perimeter for excitation in the TM _01n mode resonator. One narrow wall of the curved rectangular waveguide 6 at the location of the slit holes 9 is the side wall of the resonator 10. The curved rectangular waveguide 6 is connected to the input waveguide on one side and connected to a segment of the waveguide 7 with a short-circuited piston 8 on the other hand to adjust the coupling of the resonator 10 with the waveguide line 5.

В другом частном случае изготовления плазменного реактора волноводная линия 5, представленная на фиг. 3, соединена с коаксиально-волноводным переходом 21, а центральный стержень 22 коаксиального волновода (штыревая антенна) введен в цилиндрический резонатор 10 через боковую стенку для возбуждения моды TM_01n. При этом волноводная линия 5 снабжена отрезком волновода с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи цилиндрического резонатора 10 с волноводной линией.In another particular case of manufacturing a plasma reactor, the waveguide line 5 shown in FIG. 3 is connected to the coaxial waveguide transition 21, and the central rod 22 of the coaxial waveguide (pin antenna) is inserted into the cylindrical resonator 10 through the side wall to excite the TM _{01n mode} . In this case, the waveguide line 5 is equipped with a segment of the waveguide with a short-circuited piston 8 for adjusting the coupling of the cylindrical resonator 10 with the waveguide line.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг. 3, содержит также подвижное устройство 23 на основе вакуумного сильфона для перемещения металлического подложкодержателя 2 внутри диэлектрической трубы 1 вдоль оси коаксиального резонатора, образованного элементами 2 и 14. Подвижное устройство 23 служит для настройки коаксиального резонатора 2, 14 в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой 3 в цилиндрическом резонаторе 10.The design of the plasma reactor shown in FIG. 3 also contains a vacuum bellows-based mobile device 23 for moving the metal substrate holder 2 inside the dielectric pipe 1 along the axis of the coaxial resonator formed by elements 2 and 14. The mobile device 23 is used to adjust the coaxial resonator 2, 14 to resonance and to change the radial distribution of the electric field in the antinode of a standing wave above the substrate 3 in a cylindrical resonator 10.

В этом варианте конструкции плазменного реактора, представленной на фиг. 3, система 19 напуска в реакционную камеру 1 газовых смесей, содержащих, по крайней мере, водород, углеводород и небольшие добавки других газов, может быть выполнена, например, так же, как показано на фиг.1. Система откачки 20 газа выполнена в виде набора отверстий в торце металлического стакана 14 (как показано на фиг. 3).In this embodiment of the plasma reactor design shown in FIG. 3, a system 19 for introducing gas mixtures into the reaction chamber 1 containing at least hydrogen, a hydrocarbon and small additives of other gases can be performed, for example, in the same way as shown in FIG. The gas evacuation system 20 is made in the form of a set of holes in the end of the metal cup 14 (as shown in Fig. 3).

Для регулирования температуры подложки 3 подложкодержатель 2 во всех вариантах выполнения СВЧ реактора содержит встроенный герметичный электрический нагреватель подложки.To regulate the temperature of the substrate 3, the substrate holder 2 in all embodiments of the microwave reactor includes a built-in sealed electric substrate heater.

В конкретном примере реализации разработанного устройства (плазменного СВЧ реактора) оба связанных резонатора (цилиндрический 10 и коаксиальный 2, 14) и волноводная линия 5 изготовлены в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Цилиндрический резонатор 10, имеющий толщину стенки 3 мм, и внешняя стенка 14 коаксиального резонатора выполнены из дюралюминия. Подложкодержатель 2, системы напуска 16 и откачки 20 газов выполнены из нержавеющей стали. Волноводная линия 5 с элементами 6, 7 изготовлена из меди при использовании прямоугольного волновода с размерами 86×43 мм². Реакционная камера 1 выполнена на основе трубы из кварца марки «ТКГДА», толщиной 3 мм, изготовитель ООО «Концепт Трейд Плюс» города Гусь-Хрустальный. В качестве СВЧ генератора использован магнетрон Ml68 с частотой СВЧ излучения 2,45 ГГц и мощностью до 5 кВт, выпускаемый ЗАО «НПП «Магратеп» города Фрязино Московской области.In a specific example of the implementation of the developed device (a plasma microwave reactor), both coupled resonators (cylindrical 10 and coaxial 2, 14) and waveguide line 5 are made at the IAP RAS of the city of Nizhny Novgorod. A cylindrical resonator 10 having a wall thickness of 3 mm and the outer wall 14 of the coaxial resonator are made of duralumin. The substrate holder 2, the system of inlet 16 and pumping 20 gases are made of stainless steel. The waveguide line 5 with elements 6, 7 is made of copper using a rectangular waveguide with dimensions of 86 × 43 mm ² . The reaction chamber 1 is made on the basis of a TKGDA brand quartz pipe, 3 mm thick, manufactured by Concept Trade Plus LLC of the city of Gus-Khrustalny. An Ml68 magnetron with a microwave frequency of 2.45 GHz and a power of up to 5 kW manufactured by ZAO Magratep NPP in the city of Fryazino, Moscow Region, was used as a microwave generator.

Геометрические размеры связанных резонаторов, элементов связи волноводной линии с 5 цилиндрическим резонатором 10, а также величины и распределения электрических полей в них рассчитаны FDTD методом {Yee K.S., Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell′s equations in isotropic media // IEEE Trans, on Antennas and Propagation, (1966), т. AP-14, c. 302). Распределение амплитуды электрического поля вдоль оси изготовленного цилиндрического резонатора без плазмы (где z=0 соответствует поверхности подложки 3) представлено на фиг. 2. СВЧ пробой газовой смеси происходит и плазма генерируется и поддерживается в пучности стоячей волны около подложки 3, где амплитуда поля максимальна.The geometric dimensions of coupled resonators, coupling elements of a waveguide line with 5 cylindrical resonator 10, as well as the magnitude and distribution of electric fields in them were calculated by the FDTD method {Yee KS, Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Trans , on Antennas and Propagation, (1966), v. AP-14, p. 302). The distribution of the amplitude of the electric field along the axis of the manufactured cylindrical cavity without plasma (where z = 0 corresponds to the surface of the substrate 3) is shown in FIG. 2. A microwave breakdown of the gas mixture occurs and the plasma is generated and maintained at the antinode of the standing wave near substrate 3, where the field amplitude is maximum.

Плазменный реактор, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.The plasma reactor of FIG. 1, works as follows.

СВЧ излучение с частотой 2,45 ГГц посредством волноводной линии 5 от СВЧ генератора (на чертеже не показан) направляется в круглый изогнутый волновод 6 волноводной линии и отрезок прямоугольного волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8. За счет отражения от поршня 8 в волноводной линии (в круглом изогнутом волноводе 6) образуется стоячая волна на рабочей моде TE₁₀. Пучности стоячей волны за счет выбора положения в волноводе 7 короткозамкнутого поршня 8 располагаются напротив четырех щелевых отверстий 9 на боковой стенке цилиндрического резонатора 10 (одновременно являющейся узкой стенкой волновода 6). СВЧ излучение волноводной линии через щелевые отверстия 9 возбуждает цилиндрический резонатор 10 на моде TM_01n. С помощью юстирующего устройства верхняя стенка 11 цилиндрического резонатора 10 перемещается для достижения определенной длины резонатора и настройки резонатора 10 в резонанс. При этом в цилиндрическом резонаторе 10 формируется стоячая волна на моде TM_01n. с несколькими (n) пучностями электрического поля вдоль оси резонатора («n» больше или равно 2).Microwave radiation with a frequency of 2.45 GHz through a waveguide line 5 from a microwave generator (not shown) is sent to a round curved waveguide 6 of the waveguide line and a segment of a rectangular waveguide 7 with a short-circuited piston 8. Due to reflection from the piston 8 in the waveguide line (in circular curved waveguide 6) a standing wave is formed on the working mode TE ₁₀ . The magnitude of the standing wave due to the choice of position in the waveguide 7 of the short-circuited piston 8 is located opposite four slotted holes 9 on the side wall of the cylindrical resonator 10 (at the same time being a narrow wall of the waveguide 6). The microwave radiation of the waveguide line through the slotted holes 9 excites a cylindrical resonator 10 in the TM _{01n mode} . Using the alignment device, the upper wall 11 of the cylindrical resonator 10 is moved to achieve a certain length of the resonator and the resonator 10 is tuned into resonance. In this case, a standing wave in the TM _01n mode is formed in the cylindrical resonator 10. with several (n) antinodes of the electric field along the axis of the resonator (“n” is greater than or equal to 2).

Распределение поля в пучностях стоячей волны в цилиндрическом резонаторе 10 зависит от возбуждения электрически связанного с ним коаксиального резонатора, образованного металлическими цилиндрами 2 и 14. Если длина коаксиального резонатора (длина цилиндров 2 и 14) выбрана соответствующей резонансным условиям для частоты 2,45 ГГц, то в коаксиальном резонаторе 2, 14 возбуждается стоячая волна на коаксиальной моде.The distribution of the field at the antinodes of the standing wave in the cylindrical resonator 10 depends on the excitation of the electrically coupled coaxial resonator formed by the metal cylinders 2 and 14. If the length of the coaxial resonator (lengths of cylinders 2 and 14) is chosen to correspond to resonance conditions for a frequency of 2.45 GHz, then in a coaxial resonator 2, 14, a standing wave is excited in the coaxial mode.

Таким образом, поскольку предлагаемая конструкция СВЧ реактора выполнена на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора 10 и прикрепленного к его торцевой стенке 13 круглого коаксиального резонатора 2, 14, вдоль общей оси которых (соосно резонаторам) располагается реакционная камера 1 в виде диэлектрической трубы, и поскольку в обоих этих резонаторах достигнуты резонансные условия, то, как установлено авторами, в цилиндрическом резонаторе 10 реализуется неравномерное распределение величины электрического поля в пучностях стоячей волны на моде TM_01n вдоль оси цилиндрического резонатора 10 (см. фиг. 2). Как следует из фиг. 2, в пучности стоячей волны около подложки 3 величина электрического поля равна или превышает пороговое поле, необходимое для поддержания стационарной плазмы, поэтому в области 15 над подложкой 3 происходит возникновение СВЧ разряда и формирование и локализация плазмы.Thus, since the proposed microwave reactor design is based on two coupled resonators - a cylindrical resonator 10 and a circular coaxial resonator 2, 14 attached to its end wall 13, along the common axis of which (coaxially to the resonators) there is a reaction chamber 1 in the form of a dielectric tube, and since resonance conditions are achieved in both of these resonators, then, as established by the authors, an uneven distribution of the electric field magnitude in the antinode is realized in the cylindrical resonator 10 x standing wave on fashion TM _01n along the axis of the cylindrical cavity 10 (see. FIG. 2). As follows from FIG. 2, in the antinode of the standing wave near the substrate 3, the electric field is equal to or exceeds the threshold field necessary to maintain a stationary plasma; therefore, in the region 15 above the substrate 3, a microwave discharge occurs and plasma is formed and localized.

При этом в реакционной камере 1 в виде диэлектрической трубы, например прозрачной кварцевой, за счет того, что диаметр d этой трубы выбран, как предложено авторами, удовлетворяющим условию:Moreover, in the reaction chamber 1 in the form of a dielectric pipe, for example, transparent quartz, due to the fact that the diameter d of this pipe is selected, as proposed by the authors, satisfying the condition:

d²<V/p·C,d ² <V / p · C,

где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3, поддерживается при поглощаемой в плазме мощности, большей 500 Вт, ламинарный безвихревой газовый поток, удобный для быстрой смены газовой смеси в реакционной камере 1 над подложкой 3, который обеспечивает осаждение на подложку 3 в области 15 многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, имеющих различающиеся электрофизические характеристики слоев и малые по сравнению с толщиной слоев границы раздела, что позволяет решить поставленную задачу.where V is the velocity of the external flow of the gas mixture in cm / s, p is the pressure of the gas mixture in the reaction chamber in Torra, C is a constant having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 , is maintained when absorbed in the plasma power greater than 500 W, a laminar vortex-free gas flow convenient for quickly changing the gas mixture in the reaction chamber 1 over the substrate 3, which provides deposition on the substrate 3 in the region of 15 multilayer poly- or single-crystal diamond films having different electrical properties of the layers and small wed vneny with thick layers of interface that allows you to solve the problem.

Claims

1. Plasma microwave reactor for gas-phase deposition of diamond films in a gas stream, containing a reaction chamber with a system for admitting and pumping the selected gas mixture, a substrate holder installed in the reaction chamber, a waveguide line for supplying radiation from the microwave generator, a cylindrical resonator excited in the TM _{01n mode} , an adjustment device for adjusting the cylindrical resonator by moving its upper wall, characterized in that it is provided with a metal cup covering the reaction chamber, inside of which a substrate holder made of round and metal is located, the metal cup and substrate holder forming a coaxial resonator that is coaxially connected to the cylindrical resonator along its end wall, the waveguide line is made in the form of a rectangular input waveguide connected in series, a curved rectangular waveguide enveloping the cylindrical resonator, and a rectangular segment the waveguide, while in the side wall of the cylindrical resonator at the location of the curved waveguide Execute the slots due to excite therein fashion TM _01n, the coaxial resonator formed of a length sufficient to excite therein standing coaxial wave, and the reaction chamber is made in the form of a dielectric tube installed along the common both resonators axis having a diameter d, providing laminar vortex-free flow of the gas mixture in the reaction chamber above the substrate and satisfying the following condition:
d ² <V / p · C,
where V is the velocity of the external flow of the gas mixture in cm / s, p is the pressure of the gas mixture in the reaction chamber in Torra, C is a constant having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 .

2. Plasma microwave reactor according to claim 1, characterized in that the waveguide line ends with a short-circuited piston in said segment of a rectangular waveguide to adjust the coupling of the cylindrical resonator with the waveguide line.

3. The plasma microwave reactor according to claim 1, characterized in that the coaxial resonator comprises a movable device for moving the metal substrate holder along the axis of the resonators to adjust the coaxial resonator to resonance and to change the radial distribution of the electric field in the antinode of the standing wave above the substrate in a cylindrical resonator.

4. The plasma microwave reactor according to claim 1, characterized in that the dielectric tube is made in the form of a transparent quartz tube with a constant diameter d or a transparent quartz tube having an extension at the level of the substrate.

5. Plasma microwave reactor according to claim 1, characterized in that the substrate holder comprises a built-in sealed electric substrate heater for controlling the temperature of the substrate.

6. Plasma microwave reactor for gas-phase deposition of diamond films in a gas stream, containing a reaction chamber with a system for admitting and pumping out the selected gas mixture, a substrate holder installed in the reaction chamber, a waveguide line for supplying radiation from the microwave generator, a cylindrical resonator excited by the TM _{01n mode} , an adjustment device for adjusting the cylindrical resonator by moving the upper wall of the resonator, characterized in that it is equipped with a metal cup covering the reaction chamber, inside which there is a substrate holder made round and metal, the metal cup and the substrate holder forming a coaxial resonator that is coaxially connected to the cylindrical resonator along its end wall, the waveguide line contains a coaxial waveguide with a pin antenna in the form of a central rod inserted into the cylindrical resonator through its side wall to excite therein fashion TM _01n, the coaxial resonator formed of a length sufficient to excite therein standing koaksil noy wave, and the reaction chamber is made in the form of a dielectric tube installed along the common axis of the two resonators with a diameter d, providing laminar irrotational flow of the gas mixture in the reaction chamber over the substrate, and satisfying the following condition:
d ² <V / p · C,
where V is the velocity of the external flow of the gas mixture in cm / s, p is the pressure of the gas mixture in the reaction chamber in Torra, C is a constant having a dimension of [1 / cm · s · Torr] and equal to 10 ^-3 .

7. The microwave plasma reactor according to claim 6, characterized in that the waveguide line at the junction with the cylindrical resonator is equipped with a coaxial waveguide transition and has a segment of the waveguide with a short-circuited piston for adjusting the coupling of the cylindrical resonator with the waveguide line.

8. The microwave plasma reactor according to claim 6, characterized in that the coaxial resonator comprises a movable device for moving the metal substrate holder along the axis of the resonators to adjust the coaxial resonator to resonance and to change the radial distribution of the electric field in the antinodes of the standing wave above the substrate in a cylindrical resonator.

9. The plasma microwave reactor according to claim 6, characterized in that the reaction chamber in the form of a dielectric tube with an inlet and pumping system of the selected gas mixture is made in the form of a transparent quartz tube with a constant diameter d or a transparent quartz tube having an extension at the substrate level.

10. The plasma microwave reactor according to claim 6, characterized in that the substrate holder comprises a built-in sealed electric substrate heater for controlling the temperature of the substrate.