CN114561632A - 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备 - Google Patents

一种可实现有效掺杂的mpcvd设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114561632A
CN114561632A CN202210197268.3A CN202210197268A CN114561632A CN 114561632 A CN114561632 A CN 114561632A CN 202210197268 A CN202210197268 A CN 202210197268A CN 114561632 A CN114561632 A CN 114561632A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
ring
support
doping
mpcvd
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210197268.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114561632B (zh
Inventor
顾书林
刘松民
朱顺明
叶建东
汤琨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
Original Assignee
Nanjing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University filed Critical Nanjing University
Priority to CN202210197268.3A priority Critical patent/CN114561632B/zh
Publication of CN114561632A publication Critical patent/CN114561632A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114561632B publication Critical patent/CN114561632B/zh
Priority to US18/116,270 priority patent/US20230279549A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/278—Diamond only doping or introduction of a secondary phase in the diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/279—Diamond only control of diamond crystallography
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45502—Flow conditions in reaction chamber
    • C23C16/45508—Radial flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45561—Gas plumbing upstream of the reaction chamber
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/4558—Perforated rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
    • C23C16/4582—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs
    • C23C16/4583—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs the substrate being supported substantially horizontally
    • C23C16/4586—Elements in the interior of the support, e.g. electrodes, heating or cooling devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/14—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/16—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

一种可实现有效掺杂的MPCVD设备，包括反应室和气体输入结构，所述气体输入结构包括两路反应气体管道，第一路管道连接的分配器将气体均匀输运道到反应室中，气体出口位于反应室顶部附近，将反应气体均匀地输运到反应室中，该气体分配器位于腔室的顶部区域；第一路管道用于传输第一反应物，第二路管道通过一圆环气体分配器将掺杂反应气体均匀地输入到衬底表面，所述第二管道输气环水平高度和衬底支托保持一致，所述输气环可放置于中心位置，和支托呈内同心结构，所述输气环也可放置于支托周围，和支托呈现外同心结构。本发明采取两个管道分别传输反应气体的方式，可有效实现MPCVD的掺杂效果。

Description

一种可实现有效掺杂的MPCVD设备
技术领域：
本发明涉及微波等离子体化学气相沉积领域，特别是设备的气体输入结构。
背景技术：
微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD)是金刚石薄膜外延的主流技术之一，是制备高质量金刚石膜的最优选择。MPCVD反应室中微波谐振腔与等离子体球是其中设计与关注的核心。经过多年的研究和发展，利用MPCVD技术已能生长出高质量的金刚石单晶薄膜。
为了拓宽金刚石的应用领域，充分发挥金刚石的物理和化学性能优势，需要对金刚石薄膜进行掺杂研究。但目前基于MPCVD技术进行的金刚石掺杂研究相对于单晶生长技术还存在较大的差距，其中除了与金刚石自身的固有物性与杂质行为紧密相关之外，也与当前金刚石MPCVD商用设备的局限性紧密关联。对于金刚石单晶薄膜生长而言，MPCVD中采用的是单一反应剂——甲烷，没有复杂的化学反应控制需要，研究人员一般认为反应基团产生来源的微波等离子体是影响材料生长的最关键参数和最重要条件，因此，人们对MPCVD中气体输运的研究关注较小。
而关于材料掺杂研究的问题要复杂很多，有研究显示金刚石薄膜生长主要的反应基团是高温等离子体产生的氢原子与反应气体甲烷分子发生反应导致甲烷分子的分解反应所产生的单碳与双碳基团，而金刚石薄膜掺杂常用的掺杂剂如硼烷与磷烷等通常具有较低的分解温度。如采取传统的设备设计理念，将导致高温等离子体区的掺杂剂过度分解和较低的利用效率，另外这种过度分解将导致周围相对低温的反应腔壁上掺杂原子的大量沉积，引起MPCVD反应室中非常严重的杂质记忆效应和沾污，严重制约了MPCVD的原位掺杂技术的探索研究与应用实现。根据这种材料生长中反应剂与掺杂剂的巨大不同行为特征，需要针对不同的掺杂剂给予不同的能量的要求。
如何有效地进行金刚石薄膜的原位掺杂，实现高效率、低成本的材料生长，是行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是，针对现有技术问题，提出一种可实现有效掺杂的MPCVD设备，将反应气体与掺杂气体分别输送至反应室中的不同区域以实现对不同气体基团的不同能量的调控，重点解决与微波耦合谐振腔完全兼容的第二路气流导入结构的设计与优化问题，将其均匀引入到衬底支托表面且不被直接短路流出，控制其对微波等离子体球的影响，有效实现金刚石薄膜的原位掺杂，并抑制或克服MPCVD反应室掺杂沾污与记忆效应，设备剖面结构示意图如图1所示。
本发明的技术方案是，一种可实现有效掺杂的MPCVD设备，包括反应室和气体输入结构，所述气体输入结构包括两路反应气体管道，第一路管道连接的分配器将气体均匀输运道到反应室中，气体出口位于反应室顶部附近，将反应气体均匀地输运到反应室中，该气体分配器位于腔室的顶部区域；第一路管道用于传输第一反应物，第二路管道通过一圆环气体分配器(下称输气环)将掺杂反应气体均匀地输入到衬底表面，所述第二管道输气环水平高度和衬底支托保持一致，所述输气环可放置于中心位置，和支托呈内同心结构，所述输气环也可放置于支托周围，和支托呈现外同心结构。
第二路管道输气环水平高度和衬底支托基本保持一致，水平高度差控制在0.5厘米范围之内。用于传输掺杂反应物，将其均匀引入到衬底支托表面，防止其被直接短路流出。第二路管道气体出口接衬底支托较好匹配的圆环结构分配器将气体输入到反应室中，该圆环结构即输气环可以采用不锈钢或金属钼来制作，或者采用适合于微波环境下的石英或刚玉来制作。
第二管道输气环可以放置于支托的中心，掺杂气体可由中心向四周辐射，如图2所示；
第二路输气环也可以放置于支托的四周，圆环可以紧贴支托放置，如图3所示；也可以与支托边缘保持一定的距离，如图4所示；
所述第二管道输气环上开若干小孔，数量在8至72个之间，以取得待成膜基片上反应物的均匀分布。
第二路圆形环结构距离支托平面的水平高度差在0.5厘米到-0.5厘米之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控。
所述小孔直径控制在0.1厘米以下，以利于实现气体的喷射输送。从而将掺杂气体输送到衬底支托表面，避免过大的孔径导致气体的发散。
所述输气环小孔喷射角(小孔气体出口和水平面的夹角)在-15度到15度范围之内，以便控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团能量的调控。如图5(a)、图6(a)所示。
另一结构：第二路圆形环结构上的喷气孔沿环以角均匀分布，其大小范围在45度到5度之间，以利于实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，如图5(b)、图6(b)所示。
本发明的有益效果：本发明提出的气体输入结构设计，将反应气体与掺杂气体分别输送至反应室中的不同区间，可以实现对不同气体基团的不同能量调控，可有效实现金刚石薄膜的原位掺杂，提高原材料利用率，并抑制或克服MPCVD反应室掺杂沾污与记忆效应，对揭示和解决金刚石掺杂问题、掺杂机理与困难起到积极作用。
本发明中MPCVD微波谐振腔采用目前商用的单模圆柱形平板式结构，本发明重点解决了与微波耦合谐振腔完全兼容的第二路气流导入结构的设计与优化问题，将反应气体与掺杂气体分别输送至反应室中的不同区域以实现对不同气体基团的不同能量的调控，并控制其对微波等离子体球的影响。本发明MPCVD微波谐振腔的应用使得MP成品质量已经有明显的提高。
附图说明
图1本发明所述MPCVD反应室示意图；
图2第二路输气环位于支托中心的结构示意图；
图3第二路输气环位于支托的四周，并与支托保持一定距离的结构示意图；
图4第二路输气环位于支托的四周，并与支托紧密接触的结构示意图；
图5(a)第二路输气环位于支托中心的圆环剖面示意图；
图5(b)第二路输气环位于支托中心的圆环俯视示意图；
图6(a)第二路输气环位于支托的四周时的圆环剖面示意图；
图6(b)第二路输气环位于支托的四周时的圆环俯视示意图。
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明技术方案，并不用于限制本发明。
本发明中MPCVD微波谐振腔采用目前商用的单模圆柱形平板式结构，如图1，其水冷腔壁距离高温等离子体球具有较大的空间间隔，有助于降低反应室腔壁的反应沉积以及由此带来的掺杂记忆效应。本发明重点解决了与微波耦合谐振腔完全兼容的第二路气流导入结构的设计与优化问题，将反应气体与掺杂气体分别输送至反应室中的不同区域以实现对不同气体基团的不同能量的调控，并控制其对微波等离子体球的影响，可有效实现金刚石薄膜的原位掺杂，抑制或克服了MPCVD反应室掺杂沾污与记忆效应。
实施例1、第二路输气环4位于支托中心的圆环输气结构
在衬底支托5中心开一小孔，其直径在0.6cm以下，以保证其对微波耦合与等离子体球2形成的影响降至可控范围，在衬底支托5下方加工合适结构，将第二路掺杂气体与缓冲气从反应腔外引入至中心输气环。反应室上方中央为微波窗口1。
其中心输气环采用中心辐射状的圆环结构，其材料可以为石英或刚玉，也可以是金属如不锈钢或钼，如图2所示。
上述第二路圆形环结构上的喷气孔距离支托平面的水平高度差在0.5厘米到-0.5厘米之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，并保证生长气流能顺利离开支托被抽出。
上述圆形环结构上的喷气孔的喷射角大小可以在15度到-15度之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，如图5所示。
圆形环结构上的喷气孔沿环以角均匀分布，其大小范围可以在45度到5度之间，以利于实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，如图6所示。
上述圆形环上的输气孔的直径控制在0.1厘米以下，过大的孔径将导致气体的发散，以利于实现气体的喷射输送，从而将掺杂气体输送到衬底支托表面。
MPCVD中主反应气体主要为氢气和甲烷，其中氢气流量一般控制在数百sccm到数千sccm,而甲烷流量一般控制在数个sccm到数十sccm，保证生长室中甲烷浓度控制在1％到10％之间。
MPCVD中主反应气反应室上方的圆形环射入到支托表面，经过微波等离子体球的高温区间，经过高温电子的碰撞，将氢气分解为高能氢原子，从而与甲烷分子反应，形成薄膜生长所需的单碳和双碳的反应基团。
MPCVD中第二路掺杂气主要为硼烷、磷烷，一般稀释于高纯氢气中，稀释浓度从在ppm到数千ppm量级，其流量一般为若干sccm到数十sccm.
MPCVD中第二路掺杂气中需要配以合适流量的缓冲气，一般控制流量为从若干sccm到数十sccm区间.
MPCVD中第二路气体的总流量控制在数十sccm,以实现掺杂气体的喷射和掺杂基团在支托表面的均匀分布,同时控制气流对微波等离子体球的形成与稳定性的影响，实现掺杂的稳定性生长。
根据此实施例发明，采用双气路设备生长硼掺杂金刚石的速率达到10um/h左右，比单气路速率提高了两倍多，所生长薄膜的掺杂浓度较单气路设备提高了2个数量级以上，薄膜质量和均匀性也得到明显改善。
实施例2、第二路输气环4位于支托的四周，并与支托保持一定距离的结构
在衬底支托四周固定一圆形环，其直径在6cm以上，与保持与衬底支托边缘合适的间隔距离，以保证其对微波耦合与等离子体球形成的影响降至可控范围，并与合适的排气结构相耦合，以保证反应废气的正常有效的排出。
在衬底支托或圆形环下方加工合适支撑与气体连接结构，将第二路掺杂气体与缓冲气从反应腔外引入至四周输气环。
其四周输气环采用向中心辐射状的圆环结构，其材料可以为石英或刚玉，也可以是金属如不锈钢或钼，如图3所示。
上述圆形环结构上的喷气孔距离支托平面的高度差在0.5厘米到-0.5厘米之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，并保证生长气流能顺利离开支托被抽出。
上述圆形环结构上的喷气孔的喷射角大小可以在15度到-15度之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，如图6所示。
上述圆形环结构上的喷气孔沿环以角均匀分布，其大小可范围以在45度到5度之间，以利于实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，如图6所示。
上述圆形环上的输气孔的直径控制在0.1厘米以下，过大的孔径将导致气体的发散，以利于实现气体的喷射输送，从而将掺杂气体输送到衬底支托表面。
MPCVD中主反应气体主要为氢气和甲烷，其中氢气流量一般控制在数百sccm到数千sccm,而甲烷流量一般控制在数个sccm到数十sccm，保证生长室中甲烷浓度控制在1％到10％之间。
MPCVD中主反应气反应室上方的圆形环1射入到支托表面，经过微波等离子体球的高温区间，经过高温电子的碰撞，将氢气分解为高能氢原子，从而与甲烷分子反应，形成薄膜生长所需的单碳和双碳的反应基团。
MPCVD中第二路掺杂气主要为硼烷、磷烷，一般稀释于高纯氢气中，稀释浓度从在ppm到数千ppm量级，其流量一般为若干sccm到数十sccm.
MPCVD中第二路掺杂气中需要配以合适流量的缓冲气，一般控制流量为从若干sccm到数十sccm区间.
MPCVD中第二路气体的总流量控制在数十sccm,以实现掺杂气体的喷射和掺杂基团在支托表面的均匀分布,同时控制气流对微波等离子体球的形成与稳定性的影响，实现掺杂的稳定性生长。
根据此实施例发明，采用双气路设备生长硼掺杂金刚石的速率达到10um/h左右，比单气路速率提高了两倍多，所生长薄膜的掺杂浓度较单气路设备提高了2个数量级以上，薄膜质量和均匀性也得到明显改善。
实施例3、第二路输气环4位于支托的四周，并与支托紧密接触的结构
在衬底支托四周固定一圆形环，保持与衬底支托边缘紧密接触，以保证其对微波耦合与等离子体球形成的影响降至可控范围，在衬底支托或圆形环下方加工合适支撑与气体连接结构，将第二路掺杂气体与缓冲气从反应腔外引入至四周输气环，如图4所示。
其中心输气环采用中心辐射状的圆环结构，其材料可以为石英或刚玉，也可以是金属如不锈钢或钼。
上述圆形环结构上的喷气孔距离支托平面的高度差在0.5厘米到-0.5厘米之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，并保证生长气流能顺利离开支托被抽出。
上述圆形环结构上的喷气孔的喷射角大小在15度到-15度之间，以利于控制喷射气体与等离子体球之间的空间关系，实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，同时实现掺杂剂基团合适能量的调控，如图5、6所示。
上述圆形环结构上的喷气孔分布的情况，沿圆环以角均匀分布，其大小在45度到5度之间，以利于实现支托表面掺杂气体的较均匀分布，如图5、6所示。
上述圆形环上的输气孔的直径控制在0.1厘米以下，过大的孔径将导致气体的发散，以利于实现气体的喷射输送，从而将掺杂气体输送到衬底支托表面。
MPCVD中主反应气体主要为氢气和甲烷，其中氢气流量一般控制在数百sccm到数千sccm,而甲烷流量一般控制在数个sccm到数十sccm，保证生长室中甲烷浓度控制在1％到10％之间。
MPCVD中主反应气反应室上方的圆形环射入到支托表面，经过微波等离子体球的高温区间，经过高温电子的碰撞，将氢气分解为高能氢原子，从而与甲烷分子反应，形成薄膜生长所需的单碳和双碳的反应基团。
MPCVD中第二路掺杂气主要为硼烷、磷烷，一般稀释于高纯氢气中，稀释浓度从在ppm到数千ppm量级，其流量一般为若干sccm到数十sccm.
MPCVD中第二路掺杂气中需要配以合适流量的缓冲气，一般控制流量为从若干sccm到数十sccm区间，出气口6。
MPCVD中第二路气体的总流量控制在数十sccm,以实现掺杂气体的喷射和掺杂基团在支托表面的均匀分布,同时控制气流对微波等离子体球的形成与稳定性的影响，实现掺杂的稳定性生长。
根据此实施例发明，采用双气路设备生长硼掺杂金刚石的速率达到10um/h左右，比单气路速率提高了两倍多，所生长薄膜的掺杂浓度较单气路设备提高了2个数量级以上，薄膜质量和均匀性也得到明显改善。
对于本领域的技术人员来说，可根据本发明所述的技术方案和构思，做出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，包括反应室和气体输入结构，所述气体输入结构包括两路反应气体管道，第一路管道连接的分配器将气体均匀输运道到反应室中，气体出口位于反应室顶部附近，将反应气体均匀地输运到反应室中，该气体分配器位于腔室的顶部区域；第一路管道用于传输第一反应物，第二路管道通过一圆环气体分配器即输气环将掺杂反应气体均匀地输入到衬底表面，所述第二管道输气环水平高度和衬底支托保持一致，所述输气环放置于中心位置，和支托呈内同心结构，所述输气环或放置于支托周围，和支托呈现外同心结构。
2.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，第二路管道输气环水平高度和衬底支托基本保持一致，水平高度差控制在0.5厘米范围之内；用于传输掺杂反应物，将其均匀引入到衬底支托表面。
3.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，第二路管道气体出口接衬底支托较好匹配的圆环结构分配器将气体输入到反应室中，该圆环结构即输气环可以采用不锈钢或金属钼来制作，或者采用适合于微波环境下的石英或刚玉来制作。
4.根据权利要求2所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，第二管道输气环可以放置于支托的中心，掺杂气体可由中心向四周辐射；第二路输气环也放置于支托的四周，圆环紧贴支托放置，或与支托边缘保持一定的距离。
5.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，所述第二管道输气环上开若干小孔，数量在8至72个之间，以取得待成膜基片上反应物的均匀分布。
6.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，第二路圆形环结构距离支托平面的水平高度差在0.5厘米到-0.5厘米之间。
7.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，所述小孔直径控制在0.1厘米以下，以利于实现气体的喷射输送。
8.根据权利要求1所述的可实现有效掺杂的MPCVD设备，其特征是，所述输气环小孔喷射角即小孔气体出口和水平面的夹角在-15度到15度范围之内；输气环上的喷气孔沿环以β角均匀分布，其大小范围在45度到5度之间，以利于实现支托表面掺杂气体的较均匀分布。
CN202210197268.3A 2022-03-02 2022-03-02 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备 Active CN114561632B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210197268.3A CN114561632B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备
US18/116,270 US20230279549A1 (en) 2022-03-02 2023-03-01 Mpcvd device capable of realizing effective doping

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210197268.3A CN114561632B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114561632A true CN114561632A (zh) 2022-05-31
CN114561632B CN114561632B (zh) 2022-12-27

Family

ID=81715921

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210197268.3A Active CN114561632B (zh) 2022-03-02 2022-03-02 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230279549A1 (zh)
CN (1) CN114561632B (zh)

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5449880A (en) * 1992-07-21 1995-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Process and apparatus for forming a deposited film using microwave-plasma CVD
JPH11271553A (ja) * 1998-03-23 1999-10-08 Hitachi Cable Ltd 光導波路用ガラス膜の形成方法及びその装置
JP2005298293A (ja) * 2004-04-14 2005-10-27 Sumitomo Electric Ind Ltd マイクロ波プラズマｃｖｄ装置およびダイヤモンド膜を成長する方法
CN102575341A (zh) * 2009-10-09 2012-07-11 国立大学法人东北大学 薄膜及其形成方法以及具备该薄膜的半导体发光元件
WO2013121538A1 (ja) * 2012-02-15 2013-08-22 三菱電機株式会社 半導体製膜装置、半導体装置の製造方法、および半導体装置
CN103590015A (zh) * 2013-11-08 2014-02-19 蚌埠玻璃工业设计研究院 一种p型掺杂非晶硅薄膜的制备方法及装置
CN103628048A (zh) * 2013-11-19 2014-03-12 王宏兴 一种微波等离子体化学气相沉积装置
US20150132929A1 (en) * 2012-05-01 2015-05-14 Tokyo Electron Limited Method for injecting dopant into substrate to be processed, and plasma doping apparatus
CN105925953A (zh) * 2011-04-22 2016-09-07 应用材料公司 用于将材料沉积在基板上的设备
CN108103571A (zh) * 2018-01-11 2018-06-01 宁波晶钻工业科技有限公司 一种单晶金刚石制备装置以及方法
JP2019169743A (ja) * 2019-06-28 2019-10-03 昭和電工株式会社 ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法
US20200123653A1 (en) * 2018-10-18 2020-04-23 Diamond Foundry Inc. Axisymmetric material deposition from plasma assisted by angled gas flow
CN111519248A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 上海征世科技有限公司 用微波等离子体技术生长单晶钻石的基片台及生长方法
CN213951415U (zh) * 2019-12-12 2021-08-13 上海征世科技股份有限公司 一种用微波等离子体技术生长单晶钻石的基片台

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5449880A (en) * 1992-07-21 1995-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Process and apparatus for forming a deposited film using microwave-plasma CVD
JPH11271553A (ja) * 1998-03-23 1999-10-08 Hitachi Cable Ltd 光導波路用ガラス膜の形成方法及びその装置
JP2005298293A (ja) * 2004-04-14 2005-10-27 Sumitomo Electric Ind Ltd マイクロ波プラズマｃｖｄ装置およびダイヤモンド膜を成長する方法
CN102575341A (zh) * 2009-10-09 2012-07-11 国立大学法人东北大学 薄膜及其形成方法以及具备该薄膜的半导体发光元件
CN105925953A (zh) * 2011-04-22 2016-09-07 应用材料公司 用于将材料沉积在基板上的设备
WO2013121538A1 (ja) * 2012-02-15 2013-08-22 三菱電機株式会社 半導体製膜装置、半導体装置の製造方法、および半導体装置
US20150132929A1 (en) * 2012-05-01 2015-05-14 Tokyo Electron Limited Method for injecting dopant into substrate to be processed, and plasma doping apparatus
CN103590015A (zh) * 2013-11-08 2014-02-19 蚌埠玻璃工业设计研究院 一种p型掺杂非晶硅薄膜的制备方法及装置
CN103628048A (zh) * 2013-11-19 2014-03-12 王宏兴 一种微波等离子体化学气相沉积装置
CN108103571A (zh) * 2018-01-11 2018-06-01 宁波晶钻工业科技有限公司 一种单晶金刚石制备装置以及方法
US20200123653A1 (en) * 2018-10-18 2020-04-23 Diamond Foundry Inc. Axisymmetric material deposition from plasma assisted by angled gas flow
JP2019169743A (ja) * 2019-06-28 2019-10-03 昭和電工株式会社 ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法
CN213951415U (zh) * 2019-12-12 2021-08-13 上海征世科技股份有限公司 一种用微波等离子体技术生长单晶钻石的基片台
CN111519248A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 上海征世科技有限公司 用微波等离子体技术生长单晶钻石的基片台及生长方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20230279549A1 (en) 2023-09-07
CN114561632B (zh) 2022-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9945031B2 (en) Gas shower device, chemical vapor deposition device and method
EP0637058B1 (en) Method of supplying reactant gas to a substrate processing apparatus
US5819684A (en) Gas injection system for reaction chambers in CVD systems
US5304247A (en) Apparatus for depositing compound semiconductor crystal
EP2656373B1 (en) A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US9855575B2 (en) Gas injector and cover plate assembly for semiconductor equipment
US20100199914A1 (en) Chemical vapor deposition reactor chamber
KR20070100120A (ko) 균일한 가스 전달을 반응기에 제공하기 위한 방법 및 장치
JP2008537976A (ja) 高温化学気相蒸着装置
KR20020096980A (ko) 화학증착 장치 및 화학증착 방법
EP3223301B1 (en) Film-forming apparatus
WO1990010092A1 (en) A modified stagnation flow apparatus for chemical vapor deposition providing excellent control of the deposition
US20190242016A1 (en) Chemical Vapor Deposition Reactor to Grow Diamond Film by Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition
TW200847243A (en) Apparatus and method for forming film
JP2002110564A (ja) 気相成長装置及び気相成長方法
CN114561632B (zh) 一种可实现有效掺杂的mpcvd设备
CN103628048A (zh) 一种微波等离子体化学气相沉积装置
CN110998793B (zh) 用于外延沉积工艺的注入组件
CN113699509A (zh) 一种半导体生长设备及其工作方法
KR100944186B1 (ko) 화학기상증착 반응기의 가스분사장치
US10689759B2 (en) Film forming apparatus
CN203602711U (zh) 一种微波等离子体化学气相沉积装置
US5175019A (en) Method for depositing a thin film
CN117604494B (zh) 一种化学气相沉积设备
CN115537768A (zh) 一种碳化硅化学气相沉积方法及多热源水平壁热式反应器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant