CN111020699A - 一种提高微波等离子体生长单晶钻石生长速度的基片台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用微波等离子体技术提高单晶钻石生长速度的基片台技术，包含一呈圆形的微波等离子体基片台，所述基片台的上表面有放置晶托用的凹坑，晶托上放置单晶钻石生长用的钻石晶种，凹坑底部环绕晶托有一环形的金属细管，细管上有小孔，细管连接抽真空系统，细管中的气体流量通过气体流量计进行控制。真空系统将反应气体从基片台中部抽走，可以主动引导反应气流扩散到钻石生长区域，以提高钻石的生长速度。

Description

一种提高微波等离子体生长单晶钻石生长速度的基片台
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种制备单晶钻石的装置及使用该装置在生长单晶钻石时提高生长速度的方法。
背景技术
钻石，是高品质的单晶金刚石，由于具有十分优越的性能，因此在很多领域有着广泛的应用。天然钻石数量稀少，价格昂贵；用高温高压法(HTHP法)制备的人造金刚石，由于含有金属催化剂，也影响到金刚石的性质；用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，在特定的晶种表面可以生长出高质量的单晶钻石，是人造钻石生长的理想技术。
微波等离子体化学气相沉积装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个基片台，基片台上表面设置一个或者多个凹坑，凹坑中央放置晶托，将钻石生长所需要的钻石晶种放置在晶托上。微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在供生长钻石的晶种表面，通过调整不同的反应气体以及调整等离子体的工艺参数，可以在钻石晶种表面不断有碳沉积，使得钻石晶种由小逐渐长大。
通常传统的通入反应气体的方式是从真空腔的腔壁通入气体，这样气体在整个腔体内部流动，基本上是一个比较均匀的流动状态。
然而在钻石晶种表面生长钻石过程中，反应气体要通过扩散作用，从等离子体反应腔壁的进气口，经过等离子体球，逐步扩散到钻石晶种表面的生长区域。由于微波电场设计的独特性，流经基片台上方被等离子体激发活化的反应气体数量较少，大部分反应气体没有流经等离子体活化区域，沿着真空反应腔壁流走，最后被真空系统抽走了。这不仅会造成大量反应气体没有被充分利用，而且还会导致扩散到钻石生长表面的反应气体数量不够而限制了钻石的快速生长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，在不改变真空腔体内气体的整体流动性的前提下，除了在传统的在腔壁上抽取反应气体之外，通过基片台将真空腔体内部分气体从等离子体球下方抽取，从而在钻石晶种上方形成一个对流扩散区域，能大幅度提高气体在等离子体球中的扩散能力，提高钻石的生长速度。具体地，包括提供了一种提高微波等离子体生长单晶钻石生长速度的基片台，包含一呈圆形的微波等离子体基片台，所述基片台的上方紧贴着基片台表面有微波激发的一球形等离子体，所述基片台紧贴等离子体球的中央有一个凹坑，该凹坑中能放置一个用于钻石生长的晶托。
可选地，所述凹坑为上下相同直径的圆柱形，或上粗下细的圆台形；凹坑的深度在4.0-12.0毫米之间，直径在10.0-30.0毫米之间。
可选地，所述的凹坑在整个基片台为一个，处于基片台上表面的中心处；或多个以基片台中心对称分布在基片台的上表面。
可选地，所述凹坑内紧贴底部设置有一个环绕晶托布置的环形的金属细管，金属细管的外径在1.5-2.5毫米之间，金属细管上有以晶托为中心对称分布的2个或多个小孔。
可选地，所述金属细管上的小孔用以将等离子体反应腔室内的气体部分抽离，抽离速度通过气体流量计控制，小孔的直径在0.3-0.5毫米之间。
本发明还提供了一种用微波等离子体技术生长方法，包括上述任一项所述的基片台，所述基片台上方有一用微波激发的等离子体，还包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，其中，所述钻石生长用的钻石晶种放置在晶托上，晶托放置在凹坑中，凹坑内设置有抽气用的金属细管，细管表面有若干个以晶托为中心对称分布的抽气孔，工作时可以抽取部分气体离开反应腔室，从而引导气体流经钻石生长区域。
本发明提供的利用微波等离子体CVD方法，在晶种表面生长单晶钻石成分。通过在放置晶种的凹坑底部设置环形的金属细管，细管上有抽气口，通过流量计控制气体流量，将部分反应气体从等离子体球的下方抽走，在钻石生长表面区域创造出一个对流扩散传质效果良好的区域，从而提高钻石生长的速度。
附图说明
图1为基片台凹坑内气孔设置结构与晶托、晶种摆放示意图。
图2为实施例1中等离子体反应腔中金属细管没有抽气时的气体流动示意图。
图3为实施例2中等离子体反应腔中金属细管有抽气时的气体流动示意图。
附图标记：1.等离子体；2.钻石晶种；3.晶托；4.抽气金属细管；5.基片台；6.气体流量控制器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1、图2，图3为本发明的实施例1和实施例2，包含用于微波等离子体沉积金刚石装置中，包含一呈圆形的所用微波等离子体(1)基片台(5)为圆形，所述基片台(5)上表面中央有一凹坑，凹坑中放置晶托(3)，晶托的高度要保证钻石晶种上表面与等离子体接触，有利于钻石的生长，晶托上放置钻石晶种(2)，晶种上表面不断有金刚石成分沉积，从而实现钻石晶种的不断长大，凹坑内有一环形钼质金属细管，细管上有以晶托为中心对称分布抽气孔；抽气孔方向优选面对凹坑侧壁，通过侧壁的反弹，使气体流动更加的均匀，从而减少对晶种上表面等离子体均匀分布的影响；气孔中流出的气体流量由气体流量控制器(6)控制。
实施例1：
基片台(5)直径为60毫米；基片台中央有一个凹坑，凹坑直径20毫米，深度4.0毫米；金属钼的抽气金属细管(4)外径2.0毫米，内径1.0毫米，以晶托为中心对称设置4个抽气孔，抽气孔直径0.5毫米，气孔方向面向凹坑侧壁。晶托(3)为直径12毫米，厚度3.5毫米的高纯度金属钨。钻石晶种(2)几何尺寸为5.0*5.0*0.2毫米的方形金刚石单晶片。
金刚石膜的沉积工艺参数为：微波功率4000W，沉积气压21.0kPa，H2和CH4的流量比200:3.0(sccm)，沉积温度1060℃，金属细管内抽气流速为：0(sccm)，沉积时间8.0h。(注：sccm:标准立方厘米每分钟)。
结果为：晶种生长速度为18.6微米每小时。
实施例2：
基片台(5)直径为60毫米；基片台中央有一个凹坑，凹坑直径20毫米，深度4.0毫米；金属钼细管(4)外径2.0毫米，内径1.0毫米，以晶托为中心对称设置4个出气孔，出气孔直径0.5毫米，出气方向面向凹坑侧壁。晶托(3)为直径12毫米，厚度3.5毫米的高纯度金属钨。钻石晶种(2)几何尺寸为5.0*5.0*0.2毫米的方形金刚石单晶片。
金刚石膜的沉积工艺参数为：微波功率4000W，沉积气压21.0kPa，H2和CH4的流量比200:3.0(sccm)，沉积温度1060℃，金属细管抽气流速为：20.0(sccm)，沉积时间8.0h。
结果为：晶种生长速度为20.4微米每小时。
通过实施例1和例2对比，可以发现，在基片台晶托凹坑中设置抽气细管，并少量抽气，可以将晶种的生长速度从不抽气的18.6微米/小时提高到20.4微米/小时。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高微波等离子体生长单晶钻石生长速度的基片台，其特征在于：包含一呈圆形的微波等离子体基片台，所述基片台的上方紧贴着基片台表面有微波激发的一球形等离子体，所述基片台紧贴等离子体球的中央有一个凹坑，该凹坑中能放置一个用于钻石生长的晶托。
2.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述凹坑为上下相同直径的圆柱形，或上粗下细的圆台形；凹坑的深度在4.0-12.0毫米之间，直径在10.0-30.0毫米之间。
3.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述的凹坑在整个基片台为一个，处于基片台上表面的中心处；或多个以基片台中心对称分布在基片台的上表面。
4.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述凹坑内紧贴底部设置有一个环绕晶托布置的环形的金属细管，金属细管的外径在1.5-2.5毫米之间，金属细管上有以晶托为中心对称分布的2个或多个小孔。
5.根据权利要求4所述的基片台，其特征在于：所述金属细管上的小孔用以将等离子体反应腔室内的气体部分抽离，抽离速度通过气体流量计控制，小孔的直径在0.3-0.5毫米之间。
6.一种用微波等离子体技术生长方法，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的基片台，所述基片台上方有一用微波激发的等离子体，还包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，其中，所述钻石生长用的钻石晶种放置在晶托上，晶托放置在凹坑中，凹坑内设置有抽气用的金属细管，细管表面有若干个以晶托为中心对称分布的抽气孔，工作时可以抽取部分气体离开反应腔室，从而引导气体流经钻石生长区域。
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