[发明专利]用于散热应用的厚聚晶合成金刚石晶片以及微波等离子体化学气相沉积合成技术

说明书

发明领域

本发明涉及使用化学气相沉积(CVD)技术制造用于散热应用的厚聚晶合成金刚石晶片。

发明背景

化学气相沉积(CVD)工艺用于合成金刚石材料现在是本领域众所周知的。关于金刚石材料的化学气相沉积的有用背景信息可见于特刊Journal of Physics：Condensed Matter，Vo1.21，No.36(2009)，其专注于金刚石相关技术。例如，R.S Balmer等人的综述文章全面概述了CVD金刚石材料、技术和应用(参见″Chemical vapour deposition synthetic diamond：materials，technology and applications″J.Phys.：Condensed Matter，Vo1.21，No.36(2009)364221)。

与石墨相比，处在金刚石为亚稳的区域中，在CVD条件下金刚石的合成由表面动力学驱动而不是体热力学。CVD金刚石合成通常是在过量的分子氢中利用小分率的碳来进行(典型的小于5％)，典型为甲烷形式，然而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，会显著分离成原子氢。在合适基底材料的存在下，能够沉积合成金刚石材料。

原子氢对所述过程是重要的，因为它选择性地腐蚀掉基底上的非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。可利用各种方式来加热含碳气体物质和分子氢以产生CVD金刚石生长所需要的含有自由基和原子氢的反应性碳，这些方式包括电弧喷射，热丝，直流电弧，氧炔焰和微波等离子体。

涉及电极的方法，比如直流电弧等离子体，由于电极烧蚀和向金刚石中纳入材料而具有缺陷。燃烧方法避免电极烧蚀的问题，但是依赖于相对昂贵的原料气体，所述气体必须纯化至符合高品质金刚石生长的水平。此外，火焰的温度，即使当燃烧氧-乙炔的混合物时，也不足以在气体流中实现大分率的原子氢，并且这种方法依赖于使气体通量(flux)集中在局部区域内以实现合理的生长速率。也许燃烧法不能广泛应用于块体金刚石生长的主要原因是就kWh可获取能量的成本。与电力相比，高纯度的乙炔和氧气是产生热量的昂贵方式。热丝反应器尽管表面上看起来简单，但具有受限于在较低气体压力下使用的缺陷，要求所述较低气体压力以确保其有限量的原子氢有效传输到生长表面。

鉴于以上，已发现微波等离子体是用于驱动CVD金刚石沉积的在功率效率、生长速率、生长区域、以及可获得的产品纯度方面最有效的方法。

微波等离子体激励的CVD金刚石合成系统典型包括与源气体供应和微波电源两者连接的等离子体反应容器。配置所述等离子体反应容器以形成支持驻波微波的谐振腔。使包括碳源和分子氢的源气体供入等离子体反应容器中，并且能够通过驻波微波激励所述源气体从而在高场区域中形成等离子体。如果接近等离子体提供合适的基底，那么含自由基的反应性碳能够从等离子体扩散到基底并沉积在其上。原子氢也可从等离子体扩散到基底并且选择性地蚀刻掉基底上的非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。

采用CVD工艺生长合成金刚石膜的一系列可能的微波等离子体反应器在本领域是公知的。这样的反应器具有多种不同的设计。常见的特征在于包括：等离子体室；设置在等离子体室中的基底托架；形成等离子体的微波发生器；用于从微波发生器向等离子体室供入微波的连接构造；用于向等离子体室供入工艺气体以及由等离子体室除去它们的气体流动系统；以及用于控制基底托架上的基底温度的温度控制系统。

Silva等人的有用的综述文章总结了在前述Journal of Physics中给出的各种可能反应器设计(参见“Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition”J.Phys.：Condens.Matter，Vo1.21，No.36(2009)364202)。关于专利文献，US6645343(Fraunhofer)公开了用于通过化学气相沉积工艺的金刚石薄膜生长的微波等离子体反应器的实例。其中所述的反应器包含圆柱形等离子体室，在其底部安装有基底托架。在基底托架下方提供冷却装置用于控制基底托架上的基底温度的温度。此外，在等离子体室的底部提供气体进口和气体出口用于供应和去除工艺气体。微波发生器通过高频同轴线与等离子体室相连，该同轴线在其输送端在等离子体室上方细分，并且在等离子体室的周边处朝向石英环形式的基本上环状的微波窗口，其安装在等离子体室的侧壁中。