利用热灯丝直流等离子体进行金刚石成核和沉积的设备及方法技术

利用热灯丝ＤＣ等离子体沉积使金刚石成核和生长的方法和设备。该设备采用电阻式加热的灯丝组离解反应物气体中的氢。对于二面的金刚石生长，使用基底－热灯丝－栅极－热灯丝－基底的结构，或基底－热灯丝－热灯丝－基底的结构。对于后一种结构，用两个独立的灯丝组作为热灯丝和栅极，并保持灯丝组之间的ＡＣ或ＤＣ等离子体。对于这种和其他电极结构，对栅电极施加相对于热灯丝的正偏压，以保持等离体。等离子体的电位梯度跨越栅极，热灯丝将从等子体中抽取的离子超向灯丝。为进一步提高沉积速度，对灯丝组施加相对于基底夹持器的负偏压，使得在基底和灯丝组之间的ＤＣ等离子体也得以保持。在成核期间，对与基底夹持器相邻的灯丝施加相对于基底的正偏压，使得离子被加速朝向基底，接着，又提高了生长前体流向基底，导致在基底上产生高的金刚石成核密度，而不需要涂擦或接种金刚石的预处理。这种成核方法简化了生长过程，并提供了一种在单晶基底，如Ｓｉ（１００）上，既方便又经济地进行金刚石晶核异相外延生长的方法。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金刚石薄膜的化学汽相沉积(CVD)，尤其是涉及利用热灯丝DC等离子体CVD进行金刚石薄膜的成核和生长的方法及设备。
技术介绍
热灯丝化学汽相沉积(HFCVD)早已广泛地被研究者用来在各种基底上沉积多晶金刚石，在J.Materials Science(材料科学杂志)17，3106(1998)中，由Matusumoto等人发表的题为“由甲烷—氢气生长金刚石颗粒”一文中详细描述了用于金刚石HFCVD的技术和典型的反应器设计。自该技术公开之后，许许多多的研究人员都试图改进HFCVD技术。在J.Am.Ceram.Soc.72(2)171(1989)中发表的C.E.Spear的题为“未来的金刚石—陶瓷敷层”的综述中，可以看到这一发展。反应器一般包括一根电阻式加热灯丝(resistively heated filament)和一个可被加热或被冷却的基底基座，该基座固定在具有抽吸和压力监控设施的反应室内。灯丝是由高熔点的耐熔金属制成的，它是用来离解通常含有氢和烃的混合物的供气中的氢和其它分子。原子氢和其他离解产物随后与供气反应，生成导致金刚石形成的前体。然后，前体扩散到并冷凝在基底上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过热灯丝放电使金刚石薄膜生长的方法，包括：ａ）将具有沉积表面的基底设置于在汽相沉积室中的基底夹持器上，与基底的沉积表面相间隔地提供一个栅电极，提供一个插入所述的栅电极和所述的基底沉积表面之间的灯丝组电极；ｂ）将含有氢和含碳气体 的气体混合物流入所述的汽相沉积室内，并电阻式加热灯丝组电极到约１８００℃至约２６００℃的温度范围内，所述的基底被加热到约６００℃至约１１００℃的温度范围内；ｃ）通过对灯丝组电极施以相对于基底夹持器为正电极的偏压、以及对栅电极施加相对于灯 丝组电极的电压为正电压的偏压，使基底成核；随后ｄ）对栅电极施以相对于灯丝组电极的电压为正电压的偏压，使沉积表...

【技术特征摘要】
US 1997-7-7 08/888,8301.一种通过热灯丝放电使金刚石薄膜生长的方法，包括a)将具有沉积表面的基底设置于在汽相沉积室中的基底夹持器上，与基底的沉积表面相间隔地提供一个栅电极，提供一个插入所述的栅电极和所述的基底沉积表面之间的灯丝组电极；b)将含有氢和含碳气体的气体混合物流入所述的汽相沉积室内，并电阻式加热灯丝组电极到约1800℃至约2600℃的温度范围内，所述的基底被加热到约600℃至约1100℃的温度范围内；c)通过对灯丝组电极施以相对于基底夹持器为正电极的偏压、以及对栅电极施加相对于灯丝组电极的电压为正电压的偏压，使基底成核；随后d)对栅电极施以相对于灯丝组电极的电压为正电压的偏压，使沉积表面上的金刚石薄膜生长。2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在成核步骤期间，将该基底偏置以地电位，对该灯丝组电极施加相对于地电位为约20至约300V范围内的电位的偏压，对该栅电极施以相对于该灯丝组电极为约20至约300V范围内的电位的偏压。3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤期间，将该基底夹持器和该灯丝组电极都偏置以地电位，并且，对该栅电极施以相对于该灯丝组电极为20-300V范围内的电压的偏压。4.根据权利要求1，2或3的方法，其特征在于，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤期间，将该基底夹持器偏置以地电位，并且对该灯丝组电极施以相对于基底夹持器以负电压的偏压，所述的相对于基底夹持器的负电压在约-20至约-300V的范围内。5.根据权利要求1，2，3或4的方法，其特征在于，所述的含碳气体选自烃类，含氧和/或氮的烃类，和含卤素、碳蒸汽、CO和CO2的烃类。6.根据权利要求1，2，3，4或5的方法，其特征在于，所述的气体混合物还含有O2，F2，H2O中的任一种，和惰性气体，和它们任意组合。7.根据权利要求1，2，3，4，5或6的方法，其特征在于，所述的气体混合物的压力保持在约10至约500乇的范围。8.根据权利要求1，2，3，4，5，6或7的方法，其特征在于，所述的灯丝组电极由选自交流电源或直流电源中的任何电源以电阻式加热。9.根据权利要求1，2，3，4，5，6，7或8的方法，其特征在于，所述的基底是一种工具。10.一种利用热灯丝DC放电等离子体使金刚石薄膜敷层生长的设备，包括a)具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入所述的沉积室内；b)具有用于夹持基底的表面的导电基底夹持器，和用于加热和冷却所述基底夹持器的装置；c)与所述基底表面相间隔的栅电极；d)插入所述栅电极和所述基底夹持器表面之间的灯丝组电极，以及用于电阻式加热所述灯丝组电极的装置；e)对所述栅电极、所述灯丝组电极和所述基底夹持器施以偏压以产生热灯丝DC放电等离子体的装置，包括用于调节施加于所述栅极和所述灯丝组电极相对于所述基底夹持器、以及它们相互之间的偏压的装置。11.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述的基底位于所述的基底夹持器上，所述的灯丝组电极与其上要合成所述金刚石薄膜的基底的表面相间隔，其间距小于或等于约2cm，所述的灯丝组电极与所述的栅电极相间隔，其间距小于或等于约5cm。12.根据权利要求10或11的设备，其特征在于，所述的栅电极选自间距棒、导线组、导线网或具有多个孔的金属板。13.根据权利要求10、11或12的设备，包括用于加热和冷却所述栅电极的加热和冷却装置。14.根据权利要求10，12，或13的设备，其特征在于，所述的用于电阻式加热所述灯丝组电极的装置，选自交流或直流电源。15.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙碧武，刘焕明，
申请(专利权)人：CVD金刚石公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]