[发明专利]用于制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用化学气相沉积技术制造合成金刚石材料的微波等离子反应器。

背景技术

用于合成金刚石材料的化学气相沉积（CVD）工艺现在在本领域中是公知的。与金刚石材料的化学气相沉积相关的有用的背景信息可以在the Journal of Physics的专刊：Condensed Matter,Vol.21,No.36(2009)中发现，该专刊专用于金刚石相关的技术。例如，R.S.Balmer et al.的评论文章提供了对CVD金刚石材料、技术和应用的全面阐述（参见“Chemical vapor deposition synthetic diamond:materials,technology and applications”J.Phys.:Condensed Matter,Vol.21,No.36(2009)364221)。

在金刚石与石墨相比为亚稳定的区域中，金刚石在CVD条件下的合成由表面动力学而非体积热力学驱动。通过CVD的金刚石合成通常使用较小成分的碳（通常<5％）典型地为甲烷的形式执行，尽管在过量的分子氢的情况下可以利用其他含碳气体。如果分子氢被加热到超过2000K的温度，则存在朝向原子氢的显著分解。在设有合适基底材料的情况下，合成金刚石材料能够被沉积。

原子氢对于该过程是必不可少的，这是由于其从基底中选择性地刻蚀非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。不同的方法可得以用于加热含碳气体物品和分子氢以产生对于CVD金刚石生长所必须的含有自由基和原子氢的反应碳，包括电弧喷射、热灯丝、DC电弧、氧炔焰、和微波等离子体。

涉及电极的方法例如DC电弧等离子体可能由于材料的电极腐蚀和掺入到金刚石内而具有缺点。燃烧方法避免了电极腐蚀问题，但依赖于较昂贵的原料气，该原料气必须被净化到与高品质金刚石生长均匀的水平。另外，火焰的温度即使当燃烧氧-乙炔的混合物时不足以达到原子氢在气体流中的足够分数并且该方法依赖于将气体流浓缩到局部区域中以实现合理的生长速率。可能地，燃烧为何没有广泛用于体积金刚石生长的主要理由是在于能够被提取的以kWh的能量而言的成本。当与电力进行比较时，高纯度的乙炔和氧气是用于产生热量的昂贵方式。热灯丝反应器尽管表面上显现为很简单但是具有受限于在较低气体压力下使用的缺点，这被需要以确保它们朝向生长表面的有限量原子氢的相对有效的传输。

鉴于上述情况，已经发现的是，就功率效率、生长速率、生长区域和可得到的产品的纯度的组合而言，微波等离子为用于驱动CVD金刚石沉积的最有效的方法。

微波等离子体致动的CVD金刚石合成系统通常包括耦合到源气体供应源和微波功率源上的等离子体反应器容器。等离子体反应器容器配置为形成支承微波驻波的谐振腔。包括碳源和分子氢的源气体被进给到等离子体反应器容器内并且可以由微波驻波致动以形成在高场区域中的等离子体。如果合适的基底设置为紧靠该等离子体，则含有自由基的反应碳能够从等离子体扩散到基底并且沉积在其上。原子氢也能够从等离子体扩散到基底上并且从所述基底中选择性地蚀刻非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。

用于使用CVD工艺合成金刚石薄膜生长的可能的微波等离子体反应器的范围在本领域中是已知的。这种反应器具有多种不同的设计。常见的结构包括：等离子体腔；基底保持器，所述基底保持器设置在所述等离子体腔中；微波发生器，所述微波发生器用于形成等离子体；耦合结构，所述耦合结构用于将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将它们从中去除；以及温度控制系统，所述温度控制系统用于控制在所述基底保持器上的基底的温度。

Silva et al.的总结不同可能的反应器设计的有用的总结文章在前述Journal of Physics(参见“Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactor for diamond deposition”J.Phys.:Condens.Matter,Vol.21,No.36(2009)364202)中给出。该文献确定，从纯粹电磁角度而言，存在三种主要的设计标准：（i）谐振模式的选取；（ii）耦合结构（电场或磁场）的选取；以及（iii）电介质窗口（形状和位置）的选取。