用于制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器以及制造合成金刚石材料的方法技术

一种用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，该微波等离子体反应器包含：等离子体腔室，所述等离子体腔室限定用以支持具有主微波谐振模式频率f的主微波谐振模式的谐振腔；多个微波源，所述多个微波源耦合至等离子体腔室以生成具有总微波功率PT的微波并将其供入等离子体腔室中；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体供入等离子体腔室以及将它们从那里去除；和基底支座，所述基底支座设置在等离子体腔室中并且包含用于支持基底的支持表面，在使用中合成金刚石材料有待沉积在所述基底上，其中配置所述多个微波源以便以主微波谐振模式频率f将总微波功率PT的至少30％耦合到等离子体腔室中，并且其中所述多个微波源中的至少一些是固态微波源。

Microwave plasma reactor for producing synthetic diamond material

A microwave plasma reactor by chemical vapor deposition of synthetic diamond materials, the microwave plasma reactor includes a plasma chamber with resonant cavity in order to support the main microwave resonant mode microwave resonant frequency of f main mode of defining the plasma chamber; a plurality of the plurality of the microwave source. The microwave source is coupled to the plasma chamber to generate microwave with the total microwave power PT and its supply into the plasma chamber; a gas flow system, the gas flow system for process gas supply into the plasma chamber and their removal from there; and the substrate support, the base seat is positioned in a plasma chamber it contains support for substrate surface, in the use of synthetic diamond material to be deposited on the substrate, wherein the plurality of micro configuration The source is coupled to at least 30% of the total microwave power PT in the plasma chamber with a primary microwave resonant mode frequency f, and at least some of the plurality of microwave sources are solid state microwave sources.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及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体反应器。专利技术背景用于合成金刚石材料的化学气相沉积(CVD)工艺目前在本领域是众所周知的。涉及金刚石材料的化学气相沉积的有用背景信息可以见于如下特刊：JournalofPhysics：CondensedMatter,Vol.21,No.36(2009),其致力于金刚石相关的技术。例如，R.SBalmer等人的综述文章给出CVD金刚石材料、技术和应用的全面概述(参见“Chemicalvapourdepositionsyntheticdiamond:materials,technologyandapplications”J.Phys.:CondensedMatter,Vol.21,No.36(2009)364221)。处在金刚石相比于石墨而言为亚稳定的区域中，在CVD条件下金刚石的合成由表面动力学而不是块体热力学驱动。通常在分子氢过量的情况下使用小分数碳(典型地<5％)执行通过CVD的金刚石合成，典型为甲烷形式，然而可以利用其它的含碳气体。如果将分子氢加热至超过2000K的温度，则存在至原子氢的显著离解。在合适基底材料的存在下，可沉积合成金刚石材料。原子氢对于工艺是必要的，因为其从基底选择性地刻蚀掉非金刚石碳，使得金刚石生长能够发生。多种方法可用于加热含碳气体物类和分子氢以便生成CVD金刚石生长所需要的反应性含碳自由基和原子氢，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(如直流电弧等离子体)可能具有缺点，由于电极侵蚀和材料并入金刚石。燃烧方法避免电极侵蚀问题但依赖于相对昂贵的原料气体，必须将所述原料气体净化至与高品质金刚石生长一致的水平。此外，即使当燃烧氧乙炔混合物时，火焰的温度也不足以在气体流中实现大分数的原子氢，并且所述方法依赖于在局部区域中浓缩气体流量以实现合理的生长速率。燃烧未广泛用于块体金刚石生长的主要原因可能是在可提取能量kWh方面的成本。与电力相比，高纯度乙炔和氧气是产生热量的昂贵方式。热丝反应器(尽管表面看起来简单)具有如下缺点：其被限制在较低气压下使用，需要所述较低气压以确保相对有效地传输它们的有限数量的原子氢至生长表面。鉴于上述，已经发现就功率效率、生长速率、生长面积和可获得的产品纯度的组合而言，微波等离子体是用于驱动CVD金刚石沉积的最有效方法。微波等离子体激励的CVD金刚石合成系统典型包含等离子体反应器容器，所述等离子体反应器容器耦合至源气体供给和微波功率源两者。配置所述等离子体反应器容器以形成支持驻波微波场(standingmicrowavefield)的谐振腔。将包括碳源和分子氢的源气体供入等离子体反应器容器并且可以通过驻波微波场将其激励从而在高场区域中形成等离子体。如果在紧邻等离子体处提供合适的基底，则含自由基的反应性碳能够从等离子体扩散至基底并且可沉积于其上。原子氢也能够从等离子体扩散至基底并且选择性地从基底刻蚀掉非金刚石碳使得金刚石生长能够发生。使用CVD工艺用于合成金刚石膜生长的一系列可能的微波等离子体反应器在本领域中是已知的。这些反应器具有各种不同的设计。共同特征包括：等离子体腔室；设置在等离子体腔室中的基底支座；用于形成等离子体的微波发生器；用于将微波从微波发生器供入等离子体腔室的耦合构造；用于将工艺气体供入等离子体腔室并且将它们从那里去除的气体流动系统；和用于控制基底支座上的基底的温度的温度控制系统。前面提到的JournalofPhysics(参见“Microwaveengineeringofplasma-assistedCVDreactorsfordiamonddeposition”J.Phys.:Condens.Matter,Vol.21,No.36(2009)364202)中给出总结各种可能的反应器设计的Silva等人的有用综述文章。这篇文章认为从纯粹地电磁角度来看，存在三个主要设计标准：(i)谐振模式的选择；(ii)耦合结构(电或磁)的选择；和(iii)介质窗的选择(形状和位置)。关于第(i)点，Silva等人认为圆形横向磁(TM)模式是最合适的，且具体为TM0mn模式。在该标记中，第一个索引数字(这里为0)表示电场结构是轴对称的，其将产生圆形等离子体。指数m和n分别代表在径向和轴向方向的电场中的节点数。Silva等人指出已经在现有技术的反应器中已使用了许多不同的模式，包括TM011；TM012；TM013；TM020；TM022；TM023；和TM031。关于第(ii)点，Silva等人认为使用天线的电场(电容性)耦合是最广泛使用的而磁(感应)耦合很少使用(由于可被耦合的功率有限)。这就是说，将市售的IPLAS反应器公开为使用磁耦合以支持TM012模式。关于第(iii)点，Silva等人描述与电和磁耦合方案两者相关的基本要素是介质窗，该介质窗通常由石英制成并且限定腔内的减压区，反应物气体被供入所述腔中从而当通过电磁场激发时形成等离子体。据描述石英窗的使用允许用户选择(最大电场的)单一电场波腹区域，使得可以仅在该区域中引发等离子体并且能够避免在腔室内的其它电场极大值处形成寄生等离子体。石英窗通常为钟罩形式，位于有待在其上沉积的基底上方并且在位于基底附近的电场波腹周围。还公开了其它的介质窗构造。例如，描述了ASTEX反应器，其包括板形式的介质窗，位置跨反应器腔室大致在腔的中间平面处，同时将第二代ASTEX反应器描述为具有石英管形式的介质窗，其不直接接触等离子体以便赋予反应器更好的功率操纵能力。另外，该文章公开了现有技术反应器腔室的各种几何形状(geometry)，包括:圆柱形腔室如设计用以支持TM012模式的MSU反应器，设计用以支持TM013模式的ASTEX反应器，或者支持TM023模式或TM022模式的LIMHP反应器设计；椭球形腔室如AIXTRON反应器；和其它非圆柱形腔室如第二代ASTEX反应器，其具有意图在基底支座和腔室顶部之间支持TM011模式的中央圆柱形部件以及支持TM021模式的侧向延伸的旁瓣使得腔室作为整体支持多重模式。第二代ASTEX反应器在腔室的中心截面的上部中仅具有一个Ez场最大值(这是对于TM011模式的情形)，但在其下半部具有两个Ez极大值，正如对TM021模式所预期的。关于专利文献，US6645343(Fraunhofer)公开了为通过化学气相沉积工艺的金刚石膜生长配置的微波等离子体反应器的实例。其中描述的反应器包含圆柱形等离子体腔室,该腔室具有安装在其底部上的基底支座。在基底支座下方提供冷却装置以控制基底支座上的基底的温度。此外，在等离子体腔室的底部提供气体进口和气体出口以供给和去除工艺气体。通过高频同轴线将微波发生器耦合到等离子体腔室，在等离体子体腔室上方所述高频同轴线在其输入端细分并且在等离子体腔室的周边引向石英环形式的基本为环形的微波窗。US6645343中所述的专利技术关注于环形微波窗并且公开了反应器腔室中的微波耦合以圆对称的方式分布在微波窗的整个环表面上方。据教导由于耦合分布在大的表面上，因此可以耦合高的微波功率水平而不在微波窗处形成高的电场强度，由此减少窗口放电的危险。因此，US6645343涉及前面所讨论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，该微波等离子体反应器包含：等离子体腔室，所述等离子体腔室限定出用以支持具有主微波谐振模式频率f的主微波谐振模式的谐振腔；多个微波源，所述多个微波源耦合至等离子体腔室以生成具有总微波功率PT的微波并将其供入所述等离子体腔室中；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体供入所述等离子体腔室以及将它们从那里去除；和基底支座，所述基底支座设置在所述等离子体腔室中并且包含用于支持基底的支持表面，在使用中合成金刚石材料有待沉积在所述基底上，其中配置所述多个微波源以便以主微波谐振模式频率f将总微波功率PT的至少30％耦合到等离子体腔室中，并且其中所述多个微波源中的至少一些是固态微波源。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.16 GB 1410703.11.一种用于通过化学气相沉积制造合成金刚石材料的微波等离子体反应器，该微波等离子体反应器包含：等离子体腔室，所述等离子体腔室限定出用以支持具有主微波谐振模式频率f的主微波谐振模式的谐振腔；多个微波源，所述多个微波源耦合至等离子体腔室以生成具有总微波功率PT的微波并将其供入所述等离子体腔室中；气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体供入所述等离子体腔室以及将它们从那里去除；和基底支座，所述基底支座设置在所述等离子体腔室中并且包含用于支持基底的支持表面，在使用中合成金刚石材料有待沉积在所述基底上，其中配置所述多个微波源以便以主微波谐振模式频率f将总微波功率PT的至少30％耦合到等离子体腔室中，并且其中所述多个微波源中的至少一些是固态微波源。2.根据权利要求1所述的微波等离子体反应器,其中配置所述多个微波源以便以主微波谐振模式频率f将总微波功率PT的至少40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％耦合到等离子体腔室中。3.根据权利要求1或2所述的微波等离子体反应器,其中主微波谐振模式频率f具有不多于平均频率值的10％、5％、3％、1％、0.5％、0.3％或0.2％的频带宽度。4.根据任何前述的权利要求所述的微波等离子体反应器，其中主微波谐振模式频率f比896MHz低至少10％、20％、30％、40％或者50％。5.根据任何前述的权利要求所述的微波等离子体反应器，其中配置固态微波源以便将总微波功率PT的小于50％、40％或30％但至少1％、2％、3％、5％、10％或20％以不同于所述主微波谐振模式频率的一个或多个频率耦合到等离子体腔室中。6.根据任何前述权利要求所述的微波等离子体反应器，其中所述多个固态微波源中的至少几个被各自配置以产生总微波功率PT的不多于10％、5％、3％或2％。7.根据任何前述权利要求所述的微波等离子体反应器，其中通过固态微波源提供总微波功率PT的至少30％、50％、70％或100％。8.根据权利要求1至6任一项所述的微波等离子体反应器，其中以主微波谐振模式频率f耦合到等离子体腔室中...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·布兰登，I·福里尔，M·A·库珀，G·A·斯卡斯布鲁克，B·L·格林，
申请(专利权)人：六号元素技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB