CN112063996A - 一种微波等离子体反应室及其容置基座 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波等离子体反应室及其容置基座。上述容置基座被放置在上述微波等离子体反应室的自旋转基片台上，上述容置基座为一端具有圆形凹槽的圆柱体，上述圆形凹槽的中央用以放置供生成物生长的衬底，上述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态颗粒原料，用以放置固态颗粒原料的圆形凹槽的底部沿圆周方向均匀分布有多个插孔，各个插孔用以插入金属丝，以强化上述微波等离子体反应室中上述金属丝顶部区域的微波等离子体。根据本发明所提供的微波等离子体反应室及其容置基座，通过利用金属丝在微波电场中的尖端放电效应，提高微波激发形成的等离子体活性，从而提高等离子体轰击固态反应物的效率，以直接利用固态反应物形成生成物。

Description

一种微波等离子体反应室及其容置基座

技术领域

本发明涉及真空微电子技术领域，尤其涉及一种利用微波等离子体进行化学气相沉积的装置。

背景技术

金刚石，由于具有十分优越的性能，在很多领域有着广泛的应用。天然金刚石数量稀少，价格昂贵，难以满足各个领域的大量需求。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。目前，采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，能够在衬底材料表面生长出高质量的人造金刚石。

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自旋转基片台，自旋转基片台上表面放置有圆形且具有一定厚度的供金刚石生长的衬底材料。微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及工艺参数，可以在衬底材料表面生长出CVD金刚石。

CVD金刚石并非导体，若对CVD半导体进行硼掺杂，则可以使CVD金刚石由非导电体变为半导体甚至是导体，从而能够拓宽CVD金刚石在更多领域中的更多应用前景。

若要对CVD金刚石进行硼掺杂，需要提供含硼原料。现有最常用的硼源是气态的硼乙烷，但是这种气体遇到空气或者氧气，就会形成氧化硼粉末，粉末很容易堵塞生长金刚石系统的气路部分，而且该氧化反应速度很快，很容易引起燃烧甚至爆炸，对实际操作有危险性。

也有通过含硼的液体被其他反应气体携带而以气态方式进入反应腔的操作方法，如通入液体三甲基硼。但这种液体易燃、易爆，能使人烧伤。另外一种常用的液态硼源为硼酸三甲酯(熔点：-34℃，沸点：68-69℃)，该物质有较强的腐蚀性，长期使用会对化学气相沉积设备的腔体造成腐蚀，影响设备寿命。

无论是气态硼源还是液态硼源都具有各种缺点。固态的含硼原料价格低廉，性质较为稳定，能够克服气态硼源和液态硼源引起的问题，是目前掺硼CVD金刚石生长工艺的发展趋势之一。

目前常用的固体硼源在进行微波CVD的过程中仍然需要将含硼的固体原料溶解在液体中，通过反应气体携带进入反应腔中进行掺硼。例如将固态氧化硼溶解在有机溶剂中，如甲醇或者丙酮，再通过反应气体如氢气作为载气将含硼的有机溶液以气态的方式带入反应腔中。这种方法由于引入氧化硼中含有的氧的成分，同时有机溶剂中也有含氧的成分，使用时很难控制将反应气体的浓度配比控制在理想的状态。而且溶解固体用的有机溶剂对等离子体成分也有很多不确定的影响。

申请号为201910925306.0的专利文献《一种利用固态掺杂源制备掺硼金刚石的方法》公开了一种使用硼粉加石墨的方法进行CVD金刚石的掺硼制备方法。在该方法中由于使用了大量的石墨(摩尔百分比90-99％)，石墨在MPCVD沉积生长CVD金刚石的过程中，会被原子氢所刻蚀而进入等离子体球的生长区域中，对生长环境中碳的浓度有很大的影响。同时会消耗大量的原子氢，从而降低了CVD金刚石沉积区域中原子氢的浓度。而原子氢的浓度的降低会大幅度降低CVD金刚石的沉积质量。另外，由于该方法中固体原料含有两种单质：单质硼和石墨，二者在等离子体的环境中，被等离子体刻蚀的速率是不同的，因此随着沉积时间的不断进行，固体原料中两种单质的百分比会发生变化，从而导致掺硼量也会不断的发生变化。

申请号为201910932384.3的专利文献《一种金纳米粒子修饰掺硼金刚石电极的制备方法及应用》公开了一种将氧化硼和石墨混合压制成固体掺硼原料，从而进行CVD金刚石的掺硼制备方法。这种方法中用的氧化硼熔点低(常压下熔点：450℃)，而该方法描述的CVD金刚石生长的时候，掺硼的硼源所处的环境温度高达700℃～1350℃。也就是说，该方法中事先压制成形的氧化硼与石墨的混合物固体材料在CVD金刚石生长过程中处于高温的真空环境中，在这样的环境中，氧化硼会液化甚至气化，不仅固体混合物的形状难以维持，液化后的氧化硼会优先蒸发，导致整个CVD金刚石沉积过程中硼源的稳定性非常差，难以保证以一种稳定状态进行掺硼，从而难以保证掺硼的均匀性。

也就是说，现有的利用固态硼源采用CVD制备掺硼金刚石的操作方法要么仍然需要将固态硼源转化为气/液态，要么在其固体形态在生长过程中不稳定，无法保证整个生长过程的稳定性。因此，需要开发新型的固态硼源用以CVD形成掺硼金刚石，该固体硼源需要在CVD金刚石生长环境中保持固体的稳定性，同时又能逐渐被分解释放出含硼的成分。

碳化硼(B₄C，熔点：2350℃)含有碳元素和硼元素，如果能将其直接用作CVD金刚石的掺硼原料，其硼元素就是掺硼的来源，而其碳元素又是构成金刚石的主体原料，因此碳化硼是潜在的CVD金刚石掺硼的原料。但是，在实际操作中碳化硼是固体物质，常温常压下不能以气态的方式进入反应腔；同时，碳化硼不溶于水，绝大部分溶剂也无法溶解碳化硼。因此很难通过使用传统的方法直接使用碳化硼作为CVD金刚石的掺硼原料。

有鉴于此，需要开发一种能够直接将高熔点的固态原料直接通过CVD形成生成物的装置、方法，从而能够应用于例如采用固态碳化硼直接生成掺硼的金刚石的场景。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如上所描述的，为了提供一种能够直接将高熔点的固态原料直接通过CVD形成生成物的装置、方法，本发明的一方面提供了一种用于微波等离子体反应室的容置基座，具体的，上述容置基座被放置在上述微波等离子体反应室的自旋转基片台上，上述容置基座为一端具有圆形凹槽的圆柱体，上述圆形凹槽的中央用以放置供生成物生长的衬底，上述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态颗粒原料，用以放置固态颗粒原料的圆形凹槽的底部沿圆周方向均匀分布有多个插孔，各个插孔用以插入金属丝，以强化上述微波等离子体反应室中上述金属丝顶部区域的微波等离子体。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述圆柱体为在微波等离子体化学气相沉积过程中稳定的材质。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述稳定的材质包括耐高温金属。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述耐高温金属包括金属钨或金属钼。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述多个插孔设置在远离上述衬底的上述圆形凹槽的边缘处。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述插孔为盲孔。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述容置基座还包括多根金属丝，各根金属丝的直径与各个插孔的直径匹配，以使各根金属丝垂直插入上述插孔内。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述金属丝的材质包括金属钨或金属钼。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述金属丝的高度低于上述衬底且高于上述固态颗粒原料的上表面。

在上述容置基座的一实施例中，可选的，上述圆形凹槽的中央用以放置供金刚石生长的衬底，上述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态碳化硼颗粒原料。

本发明的另一方面还提供了一种微波等离子体反应室，具体的，上述微波等离子体反应室包括反应室腔体、自旋转基片台以及放置在上述自旋转基片台上的如上任意一项实施例所描述的容置基座。

本发明的另一发明还提供了一种微波等离子体化学气相沉积装置，具体的，上述微波等离子化学气相沉积装置包括微波系统、真空系统、供气系统以及如上所描述的微波等离子体反应室。

本发明的另一方面还提供了一种制备金刚石的方法，具体的，上述方法使用如上任意一项实施例所描述的容置基座将固态碳化硼颗粒原料制备为金刚石。

根据本发明所提供的微波等离子体反应室及其容置基座，通过利用金属丝在微波电场中的尖端放电效应，提高微波激发形成的等离子体活性，从而提高等离子体轰击固态反应物的效率，以直接利用固态反应物形成生成物。根据本发明的一方面所提供的微波等离子体反应室及其容置基座能够被用以将固态碳化硼颗粒原料直接制备为掺硼的金刚石，从而为人造掺硼金刚石提供了一种可行的操作装置及方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一方面所提供的用于微波等离子体反应室的容置基座的主视图。

图2示出了根据本发明的一方面所提供的用于微波等离子体反应室的容置基座的俯视图。

图3示出了根据本发明的一方面所提供的微波等离子体反应室的主视图。

图4示出了根据本发明的一方面所提供的容置基座放置在微波等离子体反应室的自旋转基片台上的俯视图。

附图标记

100 容置基座

200 插孔

210 金属丝

300 固态颗粒原料

400 衬底

500 生成物

600 微波等离子体反应室

610 自旋转基片台

620 等离子体

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

如上所描述的，为了提供一种能够直接将高熔点的固态原料直接通过CVD形成生成物的装置、方法，本发明的一方面提供了一种用于微波等离子体反应室的容置基座，请参考图1和图2，图1示出了本发明的一方面所提供的容置基座的主视图，图2示出了上述容置基座的俯视图。具体的，上述容置基座100被放置在上述微波等离子体反应室的自旋转基片台上，上述容置基座100为一端具有圆形凹槽的圆柱体，上述圆形凹槽的中央用以放置供生成物生长的衬底400，上述衬底400周围的圆形凹槽用以放置固态颗粒原料300，用以放置固态颗粒原料300的圆形凹槽的底部沿圆周方向均匀分布有多个插孔200，各个插孔200用以插入金属丝210，以强化上述微波等离子体反应室中上述金属丝210顶部区域的微波等离子体。

在一实施例中，可选的，上述圆形凹槽的中央用以放置供金刚石生长的衬底，上述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态碳化硼颗粒原料，即本发明所提供的容置基座可以认为是圆盘状器皿。需要注意的是，虽然本发明的设计初衷是为了提供一种能够将固体碳化硼颗粒原料直接通过等离子体化学气相沉积形成掺硼的金刚石，但是可以理解的是，上述的容置基座可以用于将任何熔点高、具有难溶性的固态颗粒原料直接加工的场景，并不限于将碳化硼颗粒加工为掺硼的金刚石。

为了描述得更为具体，下文中的某些语境中会直接用固体颗粒状的碳化硼来等效地表征固态颗粒原料300，用掺硼的金刚石来等效地表征生成物。这些描述不应不当地限制本发明的保护范围。

在采用微波等离子气相化学沉积方法生长CVD金刚石的同时，由于金属丝的存在，金属丝的尖端会在微波电场下产生“尖端放电”现象，因此，微波激发的等离子体会在金属丝尖端汇集强化，使得等离子体高密度集中在碳化硼颗粒表面。从而能够强化等离子体的碰撞作用，在碰撞作用下，对碳化硼分子的物理碰撞作用更加明显，从而能够提高碳化硼分子的轰击电离效果。当等离子体中被强化的其他各种活性基团对碳化硼颗粒进行轰击和活化后，将碳化硼分子分解，形成大量的含硼自由基团和含碳基团，这些含硼的自由基团能在CVD金刚石生长的同时混入CVD金刚石结构中，从而达到CVD金刚石掺硼的目的。另外形成的含碳基团又成为生长CVD金刚石的活性原料，因为反应气体中碳源浓度只占总气体量的不到5％，因此，分解出的含碳基团的数量上的少量增加不会降低CVD金刚石的生长质量。相反，由于高密度等离子体富集在碳化硼颗粒原料的上方，等离子体活性很高，适当增加碳的含量能提高CVD金刚石的生长速度。由于只有碳化硼一种固体原料，碳化硼分子的分解速度稳定，因此掺硼的速率是基本保持稳定的状态。掺硼量的大小取决于碳化硼分子的分解速率，在一实施例中，可以通过调节插入插孔中的金属丝的布置数量、高出碳化硼表面的金属丝的长度以及等离子体中添加的反应气体的配比来控制。

具体的，在一实施例中，插入插孔中的金属丝被设置为4-8根。可以理解的是，虽然所提供的插孔数量可以很多，但在实际使用过程中，所插入的金属丝的数量可以小于插孔的数量，从而能够通过调节金属丝的数量来调节掺硼量。

当插孔中插入的金属丝的数量越多，微波放电的激发点数量越多，相应的在碳化硼表面形成的高密度等离子体覆盖就越显著。在一优选的实施例中，插孔中设置的金属丝的数量为4-8个。金属丝的数量不足4根，会使得强化等离子体的能力减弱。若使用超过8根金属丝的数量，对提升等离子体覆盖效果不显著，因为过多的放电点会分散微波能量。

需要注意的是，虽然插孔中插入的金属丝的数量可能会小于插孔的数量，但这不意味着金属丝可以被插入任意的插孔中。为了使得所形成的高密度等离子体均匀覆盖在碳化硼表面，多根金属丝需要均匀地被设置在插孔中。不能够仅集中在部分区域。

对于这些金属丝，希望其能够竖直地插入容置基座中，也就是说，希望金属丝与容置基座垂直，从而能够保证金属丝设置的均匀性，保证能够顺利地产生尖端放电效应。为了使得金属丝能够竖直地插入容置基座中，需要设置插孔的直径与插入的金属丝的直径相匹配，即插孔的直径仅略大于金属丝，从而使得金属丝既能够顺利插入插孔中，又能够稳定在插孔中，从而使得金属丝与容置基座垂直。在一实施例中，由于所采用的金属丝通常具有行业标准，因此，可以设置插孔的直径为0.5-1毫米。

在上述的实施例中，为了使得金属丝在插孔中稳定，需要上述插孔具有一定的深度，也就是说，上述的插孔为具有一定深度的盲孔。例如，容置基座的厚度可以为4-6毫米，圆形凹槽的深度可以为2-3毫米，插孔的深度可以在1-1.5毫米，即一半的深度。可以理解的是，若插孔的深度越大，能够使得金属丝在插孔中更稳定，但是，在上述的实施例中，不能将插孔设置为通孔。这是因为通孔的设计会使得部分碳化硼颗粒通过通孔掉在自旋转基片台的表面，给基片台造成污染。因此，仅需要设置合理的插孔深度和直径，仍然可以保证金属丝竖直地插入插孔中。

在另一实施例中，还可以通过调整高出碳化硼表面的金属丝的长度来调整掺硼量，具体的，需要调节金属丝尖端距离碳化硼表面的距离在1.0-5.0mm之间，从而调节高密度等离子体与碳化硼表面之间的距离。需要注意的是，金属丝的尖端需要高于碳化硼表面，但又需要低于衬底表面，这是由于若金属丝的尖端高于衬底表面，由金属丝尖端放电聚集的高密度等离子体会干扰衬底表面金刚石的生长，从而反而带来负面影响。因此，在优选的实施例中，需要综合调整被放置在圆形凹槽中的衬底高度、固态碳化硼颗粒的高度以及金属丝高出碳化硼表面的高度，以保证掺硼的金刚石的顺利生长。

在另一优选的实施例中，如上所描述的，由于不希望金属丝的金属尖端放电所聚集的高密度等离子体对衬底表面的金刚石的生长造成干扰，在形成容置基座的插孔时，将被用来放置金属丝的插孔200被设置在远离衬底400的圆形凹槽的边缘处。从而能够降低高密度等离子地对衬底表面的干扰。

请进一步参考图2来来理解本发明所提供的容置基座以及其中设置的固态颗粒原料、衬底、生成物。为了在化学气相沉积过程中使等离子体、活化后的碳化硼份子以及电离后的活性基团分布均匀，从而能够保证所生成的掺硼的金刚石质地均匀，上述容置基座为圆柱体，圆柱体一端的凹槽同样为圆形，衬底被设置为圆形，并且用以插入金属丝的插孔沿圆周方向均匀分布。因此，在图2的俯视图中，呈现出多个同心圆的结构。由于容置基座100被放置在自旋转基片台上，因此，将容置基座、凹槽、衬底设置为圆形，将插孔沿圆周方向均匀设置，都能够保证在自旋转的过程中，也就是掺硼的金刚石在生长的过程中的均匀性。

虽然如上所描述的，需要将插孔200被设置在远离衬底400的圆形凹槽的边缘处，但处于金刚石生长的均匀性的考虑，优选地，需要如图2所示出的，综合调节衬底、圆形凹槽的直径，从而使得插孔均匀地设置在固态颗粒原料的中间，既能够保证均匀性，又不会对衬底上生长的金刚石造成负面影响。

在上述实施例中，上述圆柱体为在微波等离子体化学气相沉积过程中稳定的材质。由于本发明的一方面所提供的容置基座是被用以将高熔点、难溶性的固态材质直接形成对应的生成物，等个化学气相沉积过程都会处于高温高压，并且等离子体的轰击能力被强化，因此，本发明的一方面所提供的容置基座的材质必须是在整个化学气相沉积过程中都保持稳定的材质，必须要耐高温，并且不会被等离子体轰击开，从而产生杂质，影响生成物的纯度。也就是说，本发明的一方面所提供的容置基座的材质必须是耐高温且物理化学稳定性好的材质，同时，为了形成本发明的一方面所提供的容置基座的形状，这种材质还要求便于加工。

在一优选的实施例中，上述的耐高温、物理化学稳定性俱佳且便于加工的材质包括耐高温金属。更为优选的，上述的耐高温金属包括金属钨或金属钼。从而能够保证容置基座在整个等离子体化学气相沉积过程中不会有杂质产生，不会影响掺硼金刚石的生长。

另外，可以理解的是，上述的金属丝在整个微波CVD过程中需要保持性质稳定，不会在微波CVD过程中产生杂质，因此，如上对于容置基座材质的描述，可以选用金属钨丝或金属钼丝，从而使得金属丝能够在整个微波CVD过程中持续性地尖端放电，并且金属钨丝或金属钼丝耐高温、性能稳定，不会对金刚石的生长造成负面影响。

至此，已经描述了本发明的一方面所提供的用于微波等离子体反应室的容置基座，根据本发明的一方面所提供的容置基座，通过利用金属丝在微波电场中的尖端放电效应，提高微波激发形成的等离子体活性，从而提高等离子体轰击固态反应物的效率，以直接利用固态反应物形成生成物。

本发明的另一方面还提供了一种微波等离子体反应室，具体的，请参考图3，如图3所示出的，微波等离子体反应室600包括反应室腔体、自旋转基片台610以及放置在上述自旋转基片台上的如上任意一项实施例所描述的容置基座100。

本发明的另一发明还提供了一种微波等离子体化学气相沉积装置，具体的，上述微波等离子化学气相沉积装置包括微波系统、真空系统、供气系统以及如上所描述的微波等离子体反应室600。

微波系统产生的微波通过微波窗口进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的反应气体产生等离子体球620，等离子体球620紧贴在衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及工艺参数，可以在衬底400材料表面生长出CVD金刚石。

根据本发明的一方面所提供的微波等离子体反应室及其容置基座能够被用以将固态碳化硼颗粒原料直接制备为掺硼的金刚石，从而为人造掺硼金刚石提供了一种可行的操作装置。

本发明的另一方面还提供了一种制备金刚石的方法，具体的，上述方法使用如上任意一项实施例所描述的容置基座将固态碳化硼颗粒原料制备为金刚石。

在上述方法中，首先需要综合调整固态碳化硼颗粒高度、衬底高度与金属丝高出碳化硼颗粒的高度，从而使得金属丝尖端高于碳化硼颗粒的上表面，但低于衬底。其次，还要结合插孔的位置调整衬底直径，以使得金属丝略远离衬底，优选的，使得金属丝处于碳化硼颗粒的中间。在上述的方法中，还需要调整插入插孔中的金属丝的数量，以调节金刚石中的掺硼量。需要注意的是，即使所使用的金属丝的数量小于插孔，仍然需要使得金属丝均匀分布，从而保证掺硼的金刚石的均匀生长。

以下将提供具体的采用本发明所提供的微波等离子体气相沉积装置形成掺硼的金刚石的实施例。

本发明所用微波等离子体化学气相沉积装置为不锈钢水冷腔体式微波等离子体化学气相沉积装置，其自旋转基片台直径为60mm，微波输入最大功率为5000W。本发明所用氢气纯度为99.999v％，所用甲烷纯度为99.999v％，所用的氩气纯度为99.999v％。氩气的添加可以利用氩气在等离子体中形成的氩离子，具有非常好的物理碰撞效果，能进一步促进碳化硼分子的分解和电离成活性基团。

参考图3和图4，图3和图4示出了为制备CVD掺硼金刚石的装置采用的微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、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自旋转基片台610。工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体620。在自旋转基片台上方有一个圆盘状金属容器，即上述描述的容置基座100，容置基座100的上表面具有圆形凹槽。圆形凹槽的中央是衬底400，衬底400的上表面可以高于容置基座100边缘的上缘高度。衬底400的上表面在等离子体环境中的生成物500，即掺硼金刚石。容置基座100底部在衬底400的四周均匀对称分布插孔200，插孔200中有金属丝210，金属丝210的周围是固态颗粒原料300，即碳化硼颗粒。金属丝210顶端的高度高于盛放碳化硼颗粒300的容置基座100边缘的上缘，但不超过衬底400的上表面，这样可以保证金属丝210的顶端高于碳化硼的上表面，但低于衬底的上表面。

本发明还提供一种利用上述微波等离子体化学气相沉积装置形成掺硼金刚石的方法，包括以下步骤：

(1)装置准备步骤，在自旋转基片台上方利用微波激发供气系统提供的气体产生等离子体620，在自旋转基片台610上方放置容置基座100，容置基座100的圆形凹槽中央放置衬底400，衬底400的上表面在等离子体环境中生长CVD掺硼金刚石500，容置基座100底部在衬底400的四周均匀对称分布多个插孔200，插孔200中有金属丝210，金属丝的周围是碳化硼颗粒300，金属丝210的高度高于碳化硼颗粒300的上表面，而不高于衬底400的上表面。

(2)向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.0-2.0kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热衬底材料至800-1000℃，用氢等离子体对衬底400表面进行刻蚀预处理，刻蚀时间为5-10min，得到表面洁净的衬底400。

(3)向等离子体反应室中通入甲烷和氩气，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底400表面及容置基座100表面，微波功率2500-3500W，等离子体反应室内工作气压8.0-11.5kPa，氢气流量100-1000sccm，甲烷流量为氢气流量的3.0-5.0％，氩气流量10-100sccm之间，形核时间30-60min，衬底材料温度800-850℃。

(4)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石的生长，具体工艺参数为微波功率3500-4800W，等离子体反应室内工作气压11.5-18.0kPa，氢气流量100-1000sccm，甲烷流量为氢气流量的2.5-3.0％，氩气流量10-100sccm之间，生长时间10-100小时，衬底材料温度850-950℃。其间调整金属丝的数量，调整金属丝高出碳化硼的高度，调整氩气流量的大小和微波功率的大小，可以控制CVD掺硼金刚石的掺硼数量。

以下将提供两个实施例来说明如何通过调整插入插孔中的金属丝的数量来调整金刚石中的掺硼量。

实施例一

微波CVD系统基片台直径为60毫米，钼制圆盘状金属容器外圆直径为60毫米，壁厚3.0毫米，底部厚度2.5毫米，深度为5.0毫米；衬底材料为直径30mm，厚度6.0mm的圆形单晶硅片，在圆盘状金属容器底部以中心为对称轴对称分布8个插孔，插孔直径1.0毫米，深度1.0毫米，插孔对称分布在以基片台中轴线为中心，直径为42毫米的圆周上，这个距离可以保证金属丝距离衬底材料外圆和距离圆盘状金属容器内壁之间有相等的距离，钨制金属丝长度6.0毫米，直径为1.0毫米；金属丝周围均匀填充了厚度为3.0毫米的碳化硅颗粒(纯度99.9％)。

(1)向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热衬底材料至800℃，用氢等离子体对衬底400表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min，得到表面洁净的衬底400。

(2)向等离子体反应室中通入甲烷和氩气，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面及圆盘状金属容器表面，具体参数为微波功率3000W，等离子体反应室内工作气压9.0kPa，甲烷流量8.0sccm，氢气流量200sccm，氩气流量10sccm，形核时间30min，衬底材料温度800℃。使金刚石在衬底材料表面形核，形核时间为30min。

(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石的生长，具体工艺参数为微波功率4000W，等离子体反应室内工作气压13.5kPa，甲烷流量6.0sccm，氢气流量200sccm，氩气流量10sccm，生长时间20小时，成膜基底材料温度900℃。

将得到的CVD金刚石进行电阻率测试，发现用实施例一的工艺参数条件下得到的CVD掺硼金刚石的电阻率为2.7*10-2Ω.cm，说明碳化硼中的硼成功的掺杂进入了CVD金刚石中。

实施例二

微波CVD系统基片台直径为60毫米，钼制圆盘状金属容器外圆直径为60毫米，壁厚3.0毫米，底部厚度2.5毫米，深度为5.0毫米；衬底材料为直径30mm，厚度6.0mm的圆形单晶硅片，在圆盘状金属容器底部以中心为对称轴对称分布4个插孔，插孔直径1.0毫米，深度1.0毫米，插孔对称分布在以基片台中轴线为中心，直径为42毫米的圆周上，这个距离可以保证金属丝距离衬底材料外圆和距离圆盘状金属容器内壁之间有相等的距离，钨制金属丝长度6.0毫米，直径为1.0毫米；金属丝周围均匀填充了厚度为3.0毫米的碳化硅颗粒(纯度99.9％)。

(1)向等离子体反应室中通入高纯氢气至真空度为1.5kPa的时候开启微波系统产生氢等离子体，利用微波辐射加热衬底材料至800℃，用氢等离子体对衬底400表面进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min，得到表面洁净的衬底400。

(2)向等离子体反应室中通入甲烷和氩气，在自旋转基片台上方形成等离子体球，调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数使等离子体球覆盖步骤(1)所得衬底材料表面及圆盘状金属容器表面，具体参数为微波功率3000W，等离子体反应室内工作气压9.0kPa，甲烷流量8.0sccm，氢气流量200sccm，氩气流量10sccm，形核时间30min，衬底材料温度800℃。使金刚石在衬底材料表面形核，形核时间为30min。

(3)调整微波等离子体化学气相沉积装置工艺参数进行金刚石的生长，具体工艺参数为微波功率4000W，等离子体反应室内工作气压13.5kPa，甲烷流量6.0sccm，氢气流量200sccm，氩气流量10sccm，生长时间20小时，成膜基底材料温度900℃。

将得到的CVD金刚石进行电阻率测试，发现用实施例二的工艺参数条件下得到的CVD掺硼金刚石的电阻率为6.5*10-2Ω.cm，说明碳化硼中的硼成功的掺杂进入了CVD金刚石中。对比实施例一和实施例二可以看出，用8根金属丝得到的掺硼效果比用4根金属丝的掺硼效果明显，说明金属丝数量能调整CVD金刚石的掺硼效果。

至此已经描述了本发明所提供的微波等离子体反应室及其容置基座、微波等离子体化学气相沉积装置以及采用该微波等离子体化学气相沉积装置(尤其是其中的容置基座)制备金刚石的方法。根据本发明所提供的微波等离子体反应室及其容置基座，通过利用金属丝在微波电场中的尖端放电效应，提高微波激发形成的等离子体活性，从而提高等离子体轰击固态反应物的效率，以直接利用固态反应物形成生成物。根据本发明的一方面所提供的微波等离子体反应室及其容置基座能够被用以将固态碳化硼颗粒原料直接制备为掺硼的金刚石，从而为人造掺硼金刚石提供了一种可行的操作装置及方法。

应当理解的是，本说明书将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。此外，在前面的详细描述中，可以看到的是，各种特征被在单个实施例中组合在一起以用于精简本公开的目的。本公开的此方法不应被解释为反映所要求保护的实施例要求比在每个权利要求中明确列举的特征更多的特征的目的。相反，如所附权利要求所反映的，创造性主题在于少于单个所公开的实施例的所有特征。因此，所附权利要求据此并入详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例。

在该描述中提及的一个实施例或实施例意在结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在电路或方法的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语一个实施例不一定全部指的是同一实施例。

Claims (13)

1.一种用于微波等离子体反应室的容置基座，其特征在于，所述容置基座被放置在所述微波等离子体反应室的自旋转基片台上，所述容置基座为一端具有圆形凹槽的圆柱体，所述圆形凹槽的中央用以放置供生成物生长的衬底，所述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态颗粒原料，用以放置固态颗粒原料的圆形凹槽的底部沿圆周方向均匀分布有多个插孔，各个插孔用以插入金属丝，以强化所述微波等离子体反应室中所述金属丝顶部区域的微波等离子体。

2.如权利要求1所述的容置基座，其特征在于，所述圆柱体为在微波等离子体化学气相沉积过程中稳定的材质。

3.如权利要求2所述的容置基座，其特征在于，所述稳定的材质包括耐高温金属。

4.如权利要求3所述的容置基座，其特征在于，所述耐高温金属包括金属钨或金属钼。

5.如权利要求1所述的容置基座，其特征在于，所述多个插孔设置在远离所述衬底的所述圆形凹槽的边缘处。

6.如权利要求1所述的容置基座，其特征在于，所述插孔为盲孔。

7.如权利要求1所述的容置基座，其特征在于，所述容置基座还包括多根金属丝，各根金属丝的直径与各个插孔的直径匹配，以使各根金属丝垂直插入所述插孔内。

8.如权利要求7所述的容置基座，其特征在于，所述金属丝的材质包括金属钨或金属钼。

9.如权利要求7所述的容置基座，其特征在于，所述金属丝的高度低于所述衬底且高于所述固态颗粒原料的上表面。

10.如权利要求1所述的容置基座，其特征在于，所述圆形凹槽的中央用以放置供金刚石生长的衬底，所述衬底周围的圆形凹槽用以放置固态碳化硼颗粒原料。

11.一种微波等离子体反应室，其特征在于，所述微波等离子体反应室包括反应室腔体、自旋转基片台以及放置在所述自旋转基片台上的如权利要求1-10中的任意一项所述的容置基座。

12.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括微波系统、真空系统、供气系统以及如权利要求11所述的微波等离子体反应室。

13.一种制备金刚石的方法，其特征在于，使用如权利要求1-10中的任意一项所述的容置基座将固态碳化硼颗粒原料制备为金刚石。

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