制备合成材料的环状薄膜的方法及实施该方法的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种通过微波等离子体活化的化学气相沉积在基底上制备合成材料的方法。该方法包括提供构置为提供具有环形形状的等离子体的微波等离子体反应器的步骤。该反应器包括谐振腔和基底支撑物，该基底支撑物优选地布置成支撑环形基底或以环形构置来布置的多个基底。该反应器运行时形成具有环形形状的等离子体，该等离子体与基底对齐并靠近基底，在基底上，硬质合成材料环在基底的生长表面上生长。本发明专利技术还通过一种等离子体反应器来实现，该等离子体反应器构置为提供面向至少一个待涂覆诸如金刚石的环形硬质材料的基底的具有环形形状的等离子体。

Method for preparing ring-shaped films of synthetic materials and device for implementing the method

The invention discloses a method for preparing synthetic materials on a substrate by chemical vapor deposition activated by microwave plasma. The method includes the steps of providing a microwave plasma reactor configured to provide a plasma with an annular shape. The reactor comprises a resonant cavity and a base support, which is preferably arranged as a supporting ring base or a plurality of bases arranged in a ring configuration. When the reactor runs, a plasma with annular shape is formed. The plasma aligns with the substrate and is close to the substrate. On the substrate, hard synthetic material rings grow on the growth surface of the substrate. The invention is also realized by a plasma reactor configured to provide a plasma with a ring shape facing at least one ring-shaped hard material substrate to be coated, such as diamond.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备合成材料的环状薄膜的方法及实施该方法的装置
本专利技术涉及一种制备环状薄膜硬质材料的方法，还涉及一种用于制备诸如合成金刚石和相关材料的硬质材料薄膜的微波等离子体发生器。
技术介绍
金刚石薄膜具有许多优异的物理性能，包括极高的硬度、高导热性和宽带光学传输。这使得金刚石在许多应用中备受关注。使用化学气相沉积(CVD)技术合成诸如金刚石等的硬质材料薄膜是众所周知的，并且在例如JournalofPhysics：Condensedmatter，21，36(2009)中进行了描述，其给出了金刚石相关技术的概述。CVD金刚石沉积技术和材料的概述可以见：J.E.Butler等人，“Understandingthechemicalvapordepositionofdiamond：recentprogress”，JournalofPhysics；CondensedMatter，Vol.21，nr.36，36422，(2009)。通过CVD技术得到的多晶金刚石的沉积基于对包含氢和碳前体的气体混合物进行分解的原理。气相中的活化通过热丝化学气相沉积(HFCVD)或借助于微波等离子体(微波等离子体化学气相沉积，或MPCVD)或DC电弧等离子体来进行。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术具有若干优点，例如：没有来自细丝的污染、高原子氢浓度，这些优点使得能够获得良好控制的微结构和高质量的沉积金刚石薄膜。在过去的20年中，已经提出了若干类型的MPCVD反应器，例如基于石英管、石英钟罩的反应器以及具有圆柱形、椭圆形或非圆柱形腔体的反应器。所有MPCVD反应器都是通过至少选择谐振模式、耦合系统、介电元件和腔体尺寸来设计的。现有技术中的反应器都设计为涂覆盘形表面。例如，文献US20140230729A1描述了一种用于制备合成金刚石的微波等离子体反应器。US20140230729A1中描述的反应器使用TM011谐振模式并提供球形等离子体以使得能够用金刚石薄膜层涂覆整个盘的表面。由于US20140230729A1中描述的反应器中的等离子体具有球形形状，因此该反应器不能沉积除盘状形状沉积之外的其他形状。另一方面，HFCVD技术能够在各种大尺寸基底上沉积，但是对于大多数应用，待沉积的金刚石的所需厚度是20μm～100μm。HFCVD技术的生长速率约为0.15μm/h～0.5μm/h，这对于具有几十微米厚的金刚石薄膜的高产能是绝对不可接受的。使用单个反应器，需要一周以上才能得到金刚石厚度为20μm～100μm的某些晶片。对能够在具有环形形状并且具有300mm～400mm的外径的诸如碳化硅的表面上实现20μm～100μm厚的金刚石膜的工艺和反应器的需求日益增长。一种应用例如是用于工业机械中的循环泵的旋转密封件。另一种应用是半导体蚀刻机中的聚焦环。由于这些机器的高反应性环境，现有的环很快被反应气体损坏。没有一种可用的反应器或方法能够以节省成本的方式在外径大于300mm的环形基底上得到约20μm～100μm厚的金刚石膜。现有的MPCVD反应器限于约150mm的直径，而HFCVD反应器的沉积太慢。现有技术的方法或装置都不能以节省成本的工业方式得到环形合成金刚石膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备环形等离子体的方法，以在基底上实现材料的环形沉积。本专利技术还涉及一种布置为产生环形等离子体的新微波等离子体反应器。更确切地说，本专利技术通过一种由微波等离子体活化的化学气相沉积在基底上制备合成材料的方法来实现，所述方法包括以下步骤：提供微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括限定具有中心轴的谐振腔的等离子体外壳、等离子体外壳中的基底支撑物和微波传输系统；所述等离子体外壳包括适配于所述顶板的等离子体腔盖，所述顶板在所述底板的相对侧包括等离子体腔顶，所述等离子体腔顶在所述底板的相对侧限定所述谐振腔的形状；所述基底支撑物布置为支撑基底或多个基底，所述基底支撑物面向所述等离子体腔顶；所述微波传输系统包括微波发生器，构置为产生频率为f的微波，并且所述微波传输系统包括微波耦合系统，所述微波耦合系统通过所述等离子体外壳的入口将所述微波发生器连接到所述谐振腔；将具有生长区域的基底或多个基底置于所述基底支撑物上；将工艺气体引入至所述谐振腔，所述工艺气体至少包括前体气体和/或反应气体；和产生进入谐振腔的微波并活化工艺气体，以使得形成环状的等离子体，所述等离子体与所述基底对齐并靠近所述基底，所述等离子体具有平行于所述基底的环形横截面，在所述基底上，至少一个合成材料环在生长区域上生长。在一个实施方式中，所述方法包括使基底支撑物相对于环形等离子体线性位移或转动位移的步骤。在一个实施方式中，所述基底是在所述基底支撑物上的单个基底或以环状布置方式来布置的多个基底。在一个实施方式中，所述等离子体腔顶在包括所述中心轴并且位于所述中心轴的每侧的所有平面中具有由多项式曲线限定的横截面。在一个实施方式中，所述曲线是抛物线的一部分。在一个实施方式中，所述曲线是椭圆的一部分。在一个实施方式中，所述等离子体腔顶在包括所述中心轴并且位于所述中心轴的每侧的所有平面中具有由至少两条不同曲线限定的横截面。在一个实施方式中，所述谐振腔构置为在所述频率f下提供TM谐振模式以使得所述谐振模式提供具有环形形状的等离子体。在一个实施方式中，所述谐振模式是TM0mn谐振模式。在一个实施方式中，所述TM0mn模式是TM011模式。在一个实施方式中，所述工艺气体包含氢(H)和碳(C)源。在一个实施方式中，所述工艺气体可选自CH4、CO2、C2H2、SiH4、H2、O2、B2H6、CHF3、SF6、硼酸三甲酯(C3H9BO3)、N2、Ar、氟化衍生物、磷衍生物、氯化衍生物、硫化物衍生物、硼衍生物，或它们的组合。在一个实施方式中，所述基底的材料由覆盖有选自以下材料中的另一种材料的薄层的任意材料制成：Si；SiC；Si3N4；硅衍生物；CB；CN；B4C；难熔金属及其衍生物；钛和钛基合金；硬质合金；陶瓷；诸如熔融石英或氧化铝的氧化物；碳衍生物；碳化物衍生碳和碳同素异形体，如金刚石；石墨；六方碳；富勒烯(C60、C540、C70)；无定形碳；单壁和多壁碳纳米管；碳炔；石墨烯，或它们的组合。在一个实施方式中，沉积的合成材料的生长速率(以每小时的沉积厚度来定义)大于0.1μm/h，优选大于1μm/h。在一个实施方式中，所述反应器在350MHz～500MHz、800MHz～1000MHz、2300MHz～2600MHz或5000MHz～6000MHz的微波频率f下运行。在一个实施方式中，第二基底支撑物面向所述基底支撑物，环形等离子体形成于所述第一基底支撑物和第二基底支撑物之间，所述第一基底支撑物和第二基底支撑物各自布置为将基底支撑在所述等离子体的相对侧。本专利技术还通过用于借助于化学气相沉积来制备合成材料的微波等离子体反应器来实现，该微波等离子体反应器包括：等离子体外壳，包括底板、顶板和从所述底板向所述顶板延伸的侧壁，所述等离子体外壳限定具有中心轴的谐振腔，所述谐振腔用于提供TM微波谐振模式；微波传输系统，包括构置为产生频率为f的微波的微波发生器；微波耦合系统，布置为将来自所述发生器的微波耦合到谐振腔中；气流系统，包括至少一个用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过微波等离子体活化的化学气相沉积在基底上制备合成材料的方法，所述方法包括以下步骤：提供微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括限定具有中心轴(200)的谐振腔(21)的等离子体外壳(20)、该等离子体外壳(20)中的基底支撑物(30)和微波传输系统(70)；所述等离子体外壳(20)包括适配于顶板(22)的等离子体腔盖(40)，所述顶板(22)在底板(24)的相对侧包括等离子体腔顶(42)，所述等离子体腔顶(42)在所述底板(24)的相对侧限定所述谐振腔(21)的形状；所述基底支撑物(30)布置为支撑一个基底(110)或多个基底，所述基底支撑物(30)面向所述等离子体腔顶(42)；所述微波传输系统(70)包括构置为产生频率为f的微波的微波发生器(70a)，并且包括微波耦合系统(72)，所述微波耦合系统(72)通过所述等离子体外壳(20)的入口(23)将所述微波发生器(70a)连接到所述谐振腔(21)；将具有生长区域(110a)的一个基底(110)，或多个基底置于所述基底支撑物(30)上；将工艺气体引入至所述谐振腔(21)，所述工艺气体至少包括前体气体和/或反应气体；和产生进入所述谐振腔(21)的微波并活化工艺气体，以形成与所述基底(110)对齐并靠近所述基底(110)的环状等离子体，所述等离子体具有平行于所述基底(110)的环形横截面，在所述基底(110)上，至少一个合成材料环在所述生长区域(110a)上生长。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.28 EP 16181774.71.一种通过微波等离子体活化的化学气相沉积在基底上制备合成材料的方法，所述方法包括以下步骤：提供微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括限定具有中心轴(200)的谐振腔(21)的等离子体外壳(20)、该等离子体外壳(20)中的基底支撑物(30)和微波传输系统(70)；所述等离子体外壳(20)包括适配于顶板(22)的等离子体腔盖(40)，所述顶板(22)在底板(24)的相对侧包括等离子体腔顶(42)，所述等离子体腔顶(42)在所述底板(24)的相对侧限定所述谐振腔(21)的形状；所述基底支撑物(30)布置为支撑一个基底(110)或多个基底，所述基底支撑物(30)面向所述等离子体腔顶(42)；所述微波传输系统(70)包括构置为产生频率为f的微波的微波发生器(70a)，并且包括微波耦合系统(72)，所述微波耦合系统(72)通过所述等离子体外壳(20)的入口(23)将所述微波发生器(70a)连接到所述谐振腔(21)；将具有生长区域(110a)的一个基底(110)，或多个基底置于所述基底支撑物(30)上；将工艺气体引入至所述谐振腔(21)，所述工艺气体至少包括前体气体和/或反应气体；和产生进入所述谐振腔(21)的微波并活化工艺气体，以形成与所述基底(110)对齐并靠近所述基底(110)的环状等离子体，所述等离子体具有平行于所述基底(110)的环形横截面，在所述基底(110)上，至少一个合成材料环在所述生长区域(110a)上生长。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底(110)的形状是环形。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述基底是在所述基底支撑物(30)上的单个基底或以环状布置方式布置的多个基底。4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中，所述等离子体腔顶(42)在包括所述中心轴(200)并且位于所述中心轴(200)的每侧的所有平面中具有由多项式曲线限定的横截面。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述曲线是抛物线的一部分。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述曲线是椭圆的一部分。7.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中，所述等离子体腔顶(42)在包括所述中心轴(200)并且位于所述中心轴(200)的每侧的所有平面中具有由至少两条不同曲线限定的横截面。8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其中，所述谐振腔(21)构置为在所述频率f下提供TM谐振模式以使得所述谐振模式提供具有环形形状的等离子体。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述谐振模式是TM0mn谐振模式。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述TM0mn模式是TM011模式。11.根据权利要求1～10中任一项所述的方法，其中，所述工艺气体包括氢(H)和碳(C)。12.根据权利要求1～11中任一项所述的方法，其中，所述工艺气体选自CH4、CO2、C2H2、SiH4、H2、O2、B2H6、CHF3、SF6、TMB、N2、Ar、氟化衍生物、磷衍生物、氯化衍生物、硫化物衍生物、硼衍生物，或它们的组合。13.根据权利要求1～12中任一项所述的方法，其中，所述基底的材料由覆盖有选自以下材料中的另一种材料的薄层的任意材料制成：Si；SiC；Si3N4；硅衍生物；CB；CN；B4C；难熔金属及其衍生物；钛和钛基合金；硬质合金；陶瓷；诸如熔融石英或氧化铝的氧化物；碳衍生物；碳化物衍生碳和所有碳同素异形体，诸如金刚石、石墨、六方碳、富勒烯(C60、C540、C70)、无定形碳、单壁和多壁碳纳米管、碳炔、石墨烯，或它们的组合。14.根据权利要求1～13中任一项所述的方法，其中，以每小时的沉积厚度来定义，沉积的合成材料的生长速率大于0.1μm/h，优选大于1μm/h。15.根据权利要求1～14中任一项所述的方法，其中，所述反应器在350MHz～500MHz、800MHz～1000MHz、2300MHz～2600MHz或5000MHz～6000MHz的微波频率f下运行。16.根据权利要求1～15中任一项所述的方法，其中，第二基底支撑物(31)面向所述基底支撑物(30)，环形等离子体(100)形成于所述第一基底支撑物(30)和第二基底支撑物(31)之间，所述第一基底支撑物和第二基底支撑物(30，31)各自布置为将基底(110，111)支撑在所述等离子体(100)的相对侧。17.根据权利要求1～16中任一项所述的方法，所述方法包括使所述基底支撑物(30)相对于所述环形等离子体(100)进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·拉茨，梅蒂·纳莫恩，克里斯托弗·普罗文特，
申请(专利权)人：尼奥科特股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH