微波等离子体化学气相沉积装置制造方法

微波等离子体化学气相沉积装置制造方法
【专利摘要】一种用于生长钻石的装置，该装置包括：一个或多个腔室，每个腔室与一个或多个其他腔室流体连接，每个腔室包括腔室内的一个或多个基底载置台组件以支承基底载置台，该基底载置台具有布置在其上的多个钻石晶种。
【专利说明】微波等离子体化学气相沉积装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及在能够操作微波等离子体化学气相沉积的装置中生长单晶钻石以及无石墨和非石墨夹杂物的钻石。而且，本发明还涉及通过使用基底载置台组件来生长白色钻石，基底载置台组件控制等离子体中气态甲烷分子与气相的激发甲基离子/自由基的比率。

【背景技术】
[0002]人造单晶钻石可能用于多种科学、工业以及商业应用，例如，珠宝、散热器、电子装置、激光窗口、光学窗口、粒子探测器以及量子计算装置。在这些年中，随着对单晶钻石的商业需求增加，有必要在不损害单晶钻石质量的情况下，增加高质量光学和科学等级单晶钻石的产量。实际上，对于科学产品的应用，尤其是为了半导体装置及粒子探测器的目的，对单晶的质量要求非常严格。缺陷、夹杂物、微观晶界、其他取向是单晶钻石中的一些突出的缺陷，且必须非常详细地特征化。
[0003]目前为止的现有技术已使用一个沉积腔室，其中，诸如甲烷、氢气以及诸如氮气、氧气和乙硼烷的其他气体的合适气体被供应在其中，用于生长单晶钻石，其中排气离开到大气中。气体使用处于2.45 GHz的频率的强烈的微波电场分解成各种离子形态和自由基。杂质通常从气体管线、腔室以及其他污染源并入钻石结构。然而，需要提醒的重要的一点是，气体在其离子形态分解的效率相当低，且可能未认识到排气可仍包含用于进一步的钻石生长的成分气体。而且，气体成分在经过等离子体相后还被纯化，因为大多数杂质应该已通过等离子体移除。尽力理解这一点且利用本发明指向的该基本事实。
[0004]在美国专利N0.3，030, 187中公开了生长多晶钻石晶粒的工艺。从那时起，已经设计出多种化学气相沉积(CVD)技术来生产多晶和单晶钻石，其中，甲烷和氢气用作前体气体。甲烷的作用是确保气相碳的供应，而氢气在钻石相的稳定方面起着重要的作用。
[0005]多晶钻石，虽然具有与单晶钻石类似的特性，但是由于晶界的存在和其中包含的缺陷，并不是用于新工业应用的推荐材料。此外，多晶钻石的导热率不如单晶钻石的导热率。此外，在多晶钻石中的晶界起着恶化的作用，且阻止表现出天然钻石所独有的高级特性，这是因为晶界充当散射中心。多晶钻石中的晶界的存在是在工业应用中的主要缺点。
[0006]因此，在工业应用中明显倾向于使用单晶钻石，然而，难以生长出与天然钻石具有相同的质地、净度、纯度以及光洁度的单晶钻石。虽然单晶钻石相比多晶钻石具有更高级的特性，但是微观和宏观石墨和非石墨夹杂物、羽裂(长的线状缺陷)在CVD生长的单晶钻石中非常普遍。
[0007]CVD生长的单晶钻石中的缺陷的详细特征化可通过拉曼光谱仪和X-射线衍射(XRD)来进行，其显示了由包含在其中的具有在亚微米到若干微米范围中的大小的石墨区域构成的缺陷。
[0008]单晶化学气相沉积钻石(CVD钻石)中石墨和非石墨夹杂物的存在可以是由于沉积腔室中未反应的甲烷的存在。几乎所有技术都采用甲烷和氢气的混合物用于钻石的CVD。由于2.45GHz频率的微波的电场，甲烷气体电分解，从而导致激发的甲基基团物质(methylgroup species) (CH3+离子)的形成。甲烧和氢气的放电形成由CH3+离子、原子氢、H2+离子和显著浓度的电子形成的热等离子体。现有技术的等离子体区域为大体椭球形，且其完全吞没基底载置台组件。
[0009]现有技术基底载置台大体由钥制成，且具有平坦盘的形状，其用作用于装载钻石晶种的基座(基底)，钻石晶种的大小从ImmX 1mm到lOmmX 10mm之间变化，且具有从1mm到3mm的厚度，视具体情况而定。基座还可由钨或任何其他适当金属制成。随着甲基离子到达处于900°C的温度下的基底，其迁移率(mobility)高，且其在高浓度氢存在的情况下，开始形成sp3键合的钻石网络。等离子体区域的边界(外侧周边)可包含中性分子甲烷气体，且其可热分解。甲烷的热分解发生在800°C，且热分解的结果是形成黑色的炭黑，其可引起钻石沉积中的石墨和非石墨夹杂物。
[0010]本发明的一个目的是提供基底载置台，其提供微波电场的均匀性，且增加等离子体区域中CH3+离子的浓度，且降低等离子体区域中未反应的甲烷的比率。基底载置台以这种方式确保热流流动，使得载置台的周边的温度远低于基座的其余部分。因此，可完全避免炭黑形成。


【发明内容】

[0011]根据本发明的一个方面，提供一种用于生长钻石的装置，该装置包括:一个或多个腔室，每个腔室与一个或多个其他腔室流体连接，每个腔室包括腔室内的一个或多个基底载置台组件以支承基底载置台，该基底载置台具有布置在其上的多个钻石晶种。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]本文然后大体描述了本发明，但是为了帮助理解，现在将参考附图，附图示出了本发明的优选实施例。
[0013]在附图中:
图1示出了根据本发明的第一实施例用于生长宝石级钻石的装置的示意图；
图2示出了根据本发明的第一实施例的如在图1中所示的装置的一个腔室的示意图； 图3示出了根据本发明的第一实施例用于腔室中的基底载置台；
图4示出了根据本发明的第一实施例的图3的基底载置台的横截面视图；
图5示出了根据本发明的第二实施例用于生长宝石级钻石的装置的示意图；
图6示出了根据本发明的第三实施例用于生长宝石级钻石的装置的示意图。

【具体实施方式】
[0014]图1示出了根据本发明的第一实施例用于生长宝石级钻石的装置的示意图，且图2示出了根据本发明的第一实施例的图1的装置的一部分的更详细的视图。
[0015]根据本发明的一个方面，装置包括一个或多个腔室，每个腔室与一个或多个其他腔室流体连接。在如图1中所示的本发明的第一实施例中，装置50包括一系列腔室52，其配置成与在每个腔室之间的气体流动管道56串联。气体供应源通过气体入口 54将气体供应至第一腔室52a中。配置在最后的腔室52g后面的真空泵58抽空所有腔室，且通过一系列腔室抽取工艺气体，如下文所述，使气体从气体入口 54进入第一腔室52a中。
[0016]根据本发明的一个方面，每个腔室52具有一个或多个基底载置台组件32和微波设备37。
[0017]根据如在图1中所示的本发明的第一实施例，在应用期间，所供应的气体依次使用，其中离开第一腔室的气体变成用于第二腔室的输入。通过相同的真空泵58在所有腔室中产生真空。用过的气体在气体出口 62处排出。每个腔室具有其自己的独立压力测量器件60，其适于测量腔室内的压力。由于气体的纯度随着其经过每个腔室而显著改善，钻石的质量显著改善，且导致无缺陷地产生钻石单晶。通过该发明，能够以这种方式连接多个腔室。测量器件(未示出)可紧固在腔室中，且适于测量腔室内的气体质量比。本文主张，一旦在最后腔室中的气体质量比达到特定水平，则腔室的数目将达到最大数目。因此，如果可确定腔室的最大数目，则可避免过多的腔室。
[0018]气体成分可以以如下方式制定，S卩，使得钻石在每个腔室中以类似的生长速率生长，且通过节省成本，更大量的钻石可以以更高的产量生长。
[0019]本文主张，以前述方式，通过重复使用供应到腔室中的气体，高质量钻石制造成本的降低和排气排放物的量的降低变得可能。只要腔室的数目不超过由测量器件确定的最大数目，则气体可重复使用。气体通过从腔室导引至一个或多个在前的腔室而重复使用。
[0020]图2示出了根据本发明的第一实施例用于生产无夹杂物的宝石级钻石的一个腔室。
[0021 ] 在本发明的第一实施例中，腔室52具有外壳30，其适于容纳其中的基底载置台组件32。在其他实施例中，腔室可包括两个或更多个基底载置台组件。基底载置台组件32包括如下文中更详细讨论的基底载置台10和周边反射器34。周边反射器34包括围绕基底载置台10的筒形本体且与基底载置台10的周边升起的边缘13侧向隔开。可起着热屏蔽件作用的周边反射器34用在基底载置台10的外侧，以便对于到达腔室的恰当功率值，基底载置台10可到达所要求的温度。基底载置台10和周边反射器34支承在金属板35上，金属板35通过诸如水、液氮等的流体冷却剂来冷却。板35由具有高导热率的金属制成，诸如铜、钥等。
[0022]周边反射器34主要用于封闭(contain)热量且最小具有封闭微波电场的作用。其结构是由钥制成的非常薄的圆环形圈，带有用于热封闭的闪亮的内侧表面。其保持远离基底载置台10大约2.5mm。由于热封闭是有效的，基底温度可在更低的微波功率下达到，且改善了机器的功率轮廓。
[0023]用于将微波功率供应至腔室52的微波设备37生成2.45GHz的微波，且将微波能量引导至基底载置台10的区域中的腔室52中，以形成扁球形的等离子体区域14。如下文所讨论地，气体添加到腔室52中，以形成钻石。气体经由端口 56a从气体供应源或一系列腔室中的在先腔室提供，且经由端口 56b从该腔室抽取到随后的腔室。
[0024]根据本发明用于在该系列腔室内的基底载置台的第一实施例在图3和图4中示出。
[0025]新的基底载置台10和用于控制基底载置台的不同区段的温度的基底载置台组件32设计成使得，甲烷气体的热分解控制在基底的邻近区中，且电场在基底位置的整个区域中是均匀的。
[0026]本文主张，基底载置台10的周边处于远低于基底载置台10的大部分的温度的温度，且因此炭黑的形成被显著降低。
[0027]基底载置台10具有大体圆形平坦基部12和相对基部12在周边升起的边缘13。周边升起的边缘13限定中央凹入基底接收表面15。中央凹入基底接收表面15是大致平坦的。周边升起的边缘13包括外侧边缘13a和内侧边缘13b,且内侧边缘13b包括向下延伸至凹入基底接收表面15的斜面(bevel) 24。
[0028]在使用中，大小可在lmmXlmm以及10mmX 10mm之间变化且具有从1mm到3mm范围内的厚度的钻石晶种19以阵列或矩阵的形式放置在中央凹入基底接收表面15上，如在下文中更详细地讨论的。
[0029]相对基部在周边升起的边缘13包括上部表面13c和下部表面13d。在本发明的第一实施例中，周边升起的边缘13包括分别在上部和下部表面13c和13d中的至少一个中的环状沟槽18a、18b。在本发明的另一实施例中，环状沟槽18a和18b分别在上部和下部表面13c 和 13d 中。
[0030]多个钻石晶种加载在中央凹入基底接收表面15上的凹入区域21中。具有从ImmX 1mm以及lOmmX 10mm范围内的均勻大小且具有从1mm到3mm范围内的厚度的钻石晶种放置成矩阵布局。随着在氢气存在的情况下，微波功率耦合到腔室中，形成等离子体区域
14(参见图2)，且整个保持器区域被加热到900°C到1200°C的温度。在凹入区域21的周边处，渐缩或成斜面的表面24帮助管理等离子体区域14的形状。特别地，斜面24限定上部尖锐边缘(其是内侧边缘13b)以及下部尖锐边缘17，如在图3中所示。本文主张，上部尖锐边缘和下部尖锐边缘一起帮助限定和维持等离子体区域14的期望的形状和特性。
[0031]根据本发明的第一实施例，基底载置台10由钥制成。钥具有高的导热率，其帮助维持基部12上的均匀温度。
[0032]基底载置台10的外侧周边16通过环状或开槽的沟槽18与组件的主要部分隔离，沟槽18优选地在基底载置台10的顶部和底部表面两者上。由于窄凸缘20，传导到外侧周边区域的热量更少，且因此外侧周边16的温度低于载置台组件12的大部分。本文主张，周边温度的降低防止甲烷的热分解以及因此碳杂质的形成。
[0033]开槽的沟槽18以及斜面边缘24的存在，通过增加等离子体区域中CH3+离子的浓度且降低等离子体区域中未反应的甲烷的比率而提供均匀性。基底载置台10还通过加强在该区域中的微波辐射的电场而为等离子体提供稳定性。最后但同样重要的是，基底载置台10以这种方式确保热流流动，使得载置台的周边的温度远低于基座的其余部分。
[0034]本发明的目的是生产无夹杂物的钻石，优选地宝石级钻石，这通过如下方式实现，即，使用基底载置台10，使得在钻石晶种所定位的区域中防止甲烷气体的热分解。
[0035]在本发明的第一实施例中，包含甲烷、氢气、氮气以及乙硼烷的气体用作前体，其用于微波等离子体化学气相沉积工艺。腔室中气体的主要浓度是甲烷和氢气。优选地，氢气流是800sccm(每分钟标准立方厘米)，且甲烧气体是55sccm。这些气体的等离子体在基底载置台10上方的区域14中生成。由于电场将在尖锐边缘处加强，所以在基底载置台10的所述构型中，等离子体更稳定且均匀。
[0036]图5示出了根据本发明的第二实施例用于制造宝石级钻石的装置的示意图，其中多个腔室通过气体流动管道互联以形成网络。钻石制造装置550的一些构件与钻石制造装置50的那些大致相同，且因此上文中关于图1的描述将足以描述在图5中同样标号的那些构件。例如，气体入口 54、气体流动管道56、微波设备37、基底载置台组件32、压力测量装置60以及真空泵58与图1中描述的那些大致相同。
[0037]如在图5中所示，腔室52al、52a2、52a3以及真空泵58配置成与在其间的气体流动管道56串联，以便形成腔室网络的第一分支。腔室52bl、52b2、52b3以及腔室52cl、52c2、52c3以类似方式配置，以分别形成第二分支和第三分支。第一分支、第二分支和第三分支彼此并联运行。而且，气体从主气体管线500通过每个气体入口 54供应到每个分支。主气体管线500、第一分支、第二分支以及第三分支一起形成腔室网络，气体在该腔室网络中流动。
[0038]图6示出了根据本发明的第三实施例用于制造宝石级钻石的装置的示意图，其中多个腔室通过气体流动管道互联以形成另一网络。钻石制造装置650的一些构件与钻石制造装置50和550的那些大致相同，且因此上文中关于图1和图5的描述将足以描述在图6中同样标号的那些构件。例如，气体入口 54、气体流动管道56、微波设备37、基底载置台组件32、压力测量装置60以及真空泵58与图1中描述的那些大致相同。在另一实施例中，主气体管线500与图5中描述的大致相同。
[0039]如在图6中所示，腔室52al、52a2以及真空泵58a串联配置，且通过气体流动管道56连接，以便允许在腔室之间的气体流动。因此，腔室52al、52a2以及真空泵58a形成腔室网络中的第一分支。真空泵58b串联联接至腔室52bl，以便它们两者一起形成腔室网络中的第二分支。第一分支中的气体流动管道56s联接至第二分支中的腔室52bl的气体入口 54s，以便允许气体在分支之间流动。主气体管线500、第一分支和第二分支一起形成腔室网络，气体在该腔室网络中流动。应当理解，腔室网络可包括任意数目的分支，且分支可包括任意数目的腔室，且网络中腔室的数目以及分支中腔室的数目取决于真空泵系统以及气体供应系统的容量。
[0040]此外，本文主张，虽然要求相对少量的氮气，但是在CVD工艺期间供应的气体中，必须存在与乙硼烷气体组合的至少一些氮气，以增加由CVD工艺所沉积的钻石的生长速率。此外，通过使用非常少量的氮气以及与乙硼烷组合，钻石晶体的颜色和净度可明显地改善。本文主张，在包含氮原子的钻石结构中硼的存在将使得黄褐色钻石变得无色，使得其变成宝石级钻石。
[0041]根据本发明的第一实施例涉及利用微波等离子体的CVD工艺的使用基底载置台来生长单晶钻石的方法如下。
[0042]钻石在钻石晶种19上生长，钻石晶种大小可在lmmXlmm以及lOmmX 10mm之间变化，且具有在从1mm到3mm的范围内的厚度。该方法在微波等离子体腔室中执行。
[0043]确定钻石晶种19的结晶取向，且具有除了 {100}以外的取向的钻石晶种19是受抑制的。具有{100}的取向的钻石晶种19被抛光，以光学表面处理掉处于可见光波长的数量级的粗糙度，以准备用于CVD工艺。
[0044]一旦钻石晶种19布置在腔室52内，腔室52内部的温度从外界温度增加到750°C到1200°C范围中的温度，且腔室内侧的压力降低到在120mbar到160mbar范围内的压力。
[0045]腔室供应有适当的气体，用于生长钻石，且气体包括甲烷(CH4)、氢气(H2)、与乙硼烷(B2H6)组合的氮气(N2)、以及氦气(He)，且这些气体以301/hr的气体流动速率经过每个腔室。
[0046]与乙硼烷气体组合的氮气以包括0.0001到0.1%体积的剩余量气体的量供应以用于生长钻石。对于氮气和乙硼烷的最优混合物，钻石的生长速率是每小时大约18-20微米。
[0047]电场施加至晶种周围，使得等离子体由腔室52中的气体生成。电场通过以6000瓦特和2.45GHz操作的磁控管生成。所生成的电场导致氢气离子化，由此在钻石晶种19的邻近区中形成等离子体。在这些工艺条件下，引起钻石在钻石晶种19上生长。
[0048]钻石的生长模式是逐步的，且由此使得钻石能够大致无缺陷且无杂质地生长。
[0049]对于本领域技术人员显而易见地是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对如上文所述的本发明的优选实施例做出许多修改、改变和变型。因此，预期包含落在所附权利要求的范围内的所有这样的修改、改变和变型。
【权利要求】
1.一种用于生长钻石的装置，所述装置包括: 一个或多个腔室，每个腔室与一个或多个其他腔室流体连接，每个腔室包括在所述腔室内的一个或多个基底载置台组件用于支承基底载置台，所述基底载置台具有布置在其上的多个钻石晶种。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室还包括微波设备，用于将微波能量供应到所述腔室中。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述腔室可配置成与在每个腔室之间的气体流动管道串联。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述腔室可配置在网络中，使得每个腔室连接到邻近腔室，以便允许气体在所述腔室之间流动。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述微波设备生成2.456?的微波，且将所述微波能量引导至在所述基底载置台的区域中的真空腔室中，以形成扁球形等离子体区域。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述腔室具有外壳，其适于在其中容纳所述基底载置台组件。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述基底载置台组件包括板、基底载置台、周边反射器，所述基底载置台和所述周边反射器支承在所述板的顶部。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述板由具有高导热率的金属制成。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的装置，其特征在于，所述基底载置台包括: 大致圆形的平坦基部； 相对所述基部在周边升起的边缘，所述周边升起的边缘由此限定中央凹入基底接收表面，所述中央凹入基底接收表面大致平坦，相对所述基部在周边升起的边缘包括内侧边缘和外侧边缘，所述内侧边缘包括斜面。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述周边升起的边缘包括环状沟槽。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述周边升起的边缘包括上部表面和下部表面，且所述周边升起的边缘包括在所述上部表面和下部表面中的至少一个中的环状沟槽。
12.根据权利要求9到11中的任一项所述的装置，其特征在于，所述周边反射器包括围绕所述基底载置台的筒形本体，且所述周边反射器与所述基底载置台的所述周边升起的边缘侧向隔开。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的装置，其特征在于，所述斜面限定上部尖锐边缘和下部尖锐边缘，所述上部尖锐边缘和下部尖锐边缘在使用中一起帮助限定等离子体区域。
14.根据权利要求7至13中的任一项所述的装置，其特征在于，所述基底载置台由钥制成。
15.根据权利要求7至14中的任一项所述的装置，其特征在于，所述基底载置台的外侧周边通过所述环状或开槽的沟槽与所述基底组件的主要部分隔离，所述沟槽优选地在所述基底载置台的上部和下部表面两者上。
16.一种气体供应源，其配置在根据权利要求1至15所述的装置的第一腔室之前且适于供应气体以在所述腔室中形成钻石。
17.一种真空泵，其配置在根据权利要求1至15所述的装置的最后腔室之后，且适于抽空所有腔室，且通过一系列腔室抽取工艺气体，使工艺气体从气体入口进入第一腔室。
18.—种测量器件，其紧固在根据权利要求1至15所述的装置的每个腔室，且适于测量所述腔室内的气体质量比。
19.一种压力测量器件，其紧固在根据权利要求1至15所述的装置的每个腔室，且适于测量所述腔室内的压力。
20.一种腔室，包括在所述腔室内的一个或多个基底载置台组件以支承基底载置台，所述基底载置台具有布置在其上的多个钻石晶种。
21.根据权利要求20所述的腔室，其特征在于，所述腔室还包括微波设备，用于将微波能量供应到所述腔室中。
【文档编号】C23C16/27GK104321461SQ201380019823
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年4月12日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】D.S.米斯拉 申请人:二A 科技有限公司