CN115605638A - 用于金刚石生长的等离子体成形 - Google Patents

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Abstract

一种系统生长金刚石。所述系统包括具有微波腔室的化学气相沉积反应器。所述系统还包括被配置成定位在所述腔室中的单晶晶种。所述系统还包括前体气体。微波源被配置成激发所述前体气体以产生等离子体羽流。所述系统的电磁源被配置成产生转向场，以调节所述等离子体羽流在所述腔室中的位置和/或调节所述等离子体羽流的形状。

Description

用于金刚石生长的等离子体成形
优先权
本专利申请要求于2020年2月24日提交的标题为“PLASMA SHAPING FOR DIAMONDGROWTH”的美国临时专利申请62/980,673号的优先权，发明人为John Ciraldo和JonathanLevine-Miles，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的示例性实施方式总体涉及在基板上形成金刚石，更具体而言，本发明的示例性实施方式涉及用于目标金刚石生长的等离子体成形。
背景技术
金刚石广泛用于各种应用中。例如，它们可用于生产集成电路，或者用作激光系统的透镜。它们也可以简单地用作宝石。然而，制造金刚石可产生许多技术挑战。
化学气相沉积(CVD)是一种工艺，其中通过在基板表面上分解化学物质而从气相中沉积材料膜。最频繁地，该工艺是热驱动的，但是也使用光和等离子体辅助的方法。膜的沉积由化学反应控制。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，一种系统生长金刚石。该系统包括具有微波腔室的化学气相沉积反应器。该系统还包括被配置成定位在腔室中的单晶晶种。该系统还包括前体气体。微波源被配置成激发前体气体以产生等离子体羽流。该系统的电磁源被配置成产生转向场(steering field)，以调节等离子体羽流在腔室中的位置和/或调节等离子体羽流的形状。
微波源发射微波辐射。微波源可产生激发气体的第一电场。带电气体可包括甲烷和氢气。第一电场和转向场可至少部分叠加。电磁源特别可包括电磁线圈、带电环和/或电偏置(electrically biased)的机械支撑件。
该系统还可包括机械支撑件，单晶晶种定位在该机械支撑件上。该系统还可包括由金刚石形成的多个单晶晶种。额外地，该系统可包括沉积反馈系统。该沉积反馈系统被配置成确定一个或多个晶种的温度，测量一个或多个生长的金刚石的尺寸，和/或确定等离子体羽流的形状。作为沉积反馈的结果，可调节一个或多个电磁源的场强和/或其他性质。
根据另一个实施方式，一种方法在腔室中产生等离子体羽流。该腔室被配置成使得等离子体羽流不稳定或亚稳定。因此，等离子体羽流在第一位置和第二位置之间移动。该方法使等离子体羽流朝向第一位置偏置。
该方法还可在腔室中提供单晶晶种。该腔室可以是圆柱形腔室。来自等离子体羽流的碳通过一系列反应被沉积到单晶晶种上以形成金刚石。在示例性实施方式中，单晶晶种定位在机械支撑件上。在一些腔室中，第一位置在单晶晶种上方，并且第二位置在腔室的顶部处。然而，等离子体羽流的其他位置是可能的。
该方法可产生用于偏置等离子体羽流的电场。额外地或作为另选，该方法可产生用于偏置等离子体羽流的磁场。一些实施方式产生第二磁场或第二电场以修改偏置的等离子体羽流的形状。
根据又一个实施方式，一种方法控制金刚石生长。该方法在生长环境中提供单晶晶种。激发含碳气体以产生等离子体羽流。该方法产生转向场，以调节等离子体羽流的沉积特性。
转向场被配置成改变等离子体羽流的形状。在示例性实施方式中，该方法改变面向晶种的等离子体羽流的边界的形状，以具有更大的曲率半径。额外地或作为另选，该方法可通过改变等离子体羽流的形状使其更宽来增加沉积面积。转向场可通过使用一个或多个磁场、电场和/或电磁场来产生。
根据本发明的一个实施方式，用于生长金刚石的等离子体羽流的位置和/或形状。该方法在生长环境中提供单晶晶种。单晶晶种由金刚石形成。该方法激发含碳气体以产生将游离碳原子沉积到单晶晶种上的等离子体羽流。该方法还产生转向场以调节等离子体羽流的碳原子沉积特性。
在一些实施方式中，生长环境在化学气相沉积腔室内。此外，气体可包括甲烷。等离子体羽流的碳原子沉积特性可通过将等离子体羽流再成形和/或改变等离子体羽流的至少一部分的密度来调节。
转向场可改变等离子体羽流的形状和/或密度。例如，转向场可改变面向晶种的等离子体羽流的一部分的形状，以具有更大的曲率半径(即，变得更平坦)。额外地或作为另选，转向场可通过改变等离子体羽流的形状使其更宽来增加沉积面积。
转向场可由一个或多个磁场、电场和/或电磁场产生。例如，转向场可由一个或多个永磁体产生。磁体可被定位成与沉积区域相邻。转向场可使用一个或多个电磁线圈来产生。电磁线圈可包封(envelop)沉积区域和/或腔室。转向场也可经由电(电压)偏置的环或板产生。在一些实施方式中，电磁线圈被定位成与晶种相邻和/或在腔室的外部，从而产生电感耦合等离子体。
附图说明
本领域的技术人员将从下面参考附图讨论的“具体实施方式”中更充分地理解本发明的各种实施方式的优点。
图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的金刚石生长过程开始时的金刚石生长环境。
图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的金刚石生长环境中的金刚石生长。
图3A-3G示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式使用不同类型的电场、磁场和/或电磁场调节等离子体羽流。
图4示出了根据本发明的一个示例性实施方式生长金刚石的过程。
具体实施方式
示例性实施方式调节等离子体羽流的位置和/或形状以改善使用化学气相沉积的金刚石的沉积。特别是，示例性实施方式使用微波等离子体化学气相沉积。等离子体羽流具有很大程度上由羽流内的离子分布限定的形状。通常，羽流在CVD腔室内部具有可预测的形状和位置。示例性实施方式使用磁场和/或电场来有利地调节羽流的位置和/或形状。
图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的金刚石生长环境10。在示例性实施方式中，生长环境10是用于化学气相沉积(CVD)的腔室15的内部。通常，等离子体16(也称为等离子体羽流16)由电离气体32产生(例如，使用微波30来激发甲烷)。气体32可注入到腔室15中，并且特别可包括各种浓度的氢气、甲烷、氩气、氮气和/或氧气。
腔室15内部有一个或多个金刚石晶种12(例如直接)布置在耐火金属支撑件11上。耐火金属支撑件11本身可定位在温度控制的生长台级(stage)13上。作为另选，金刚石晶种12可直接定位在生长台级13上。
在CVD生长过程期间，腔室15填充有形成热等离子体16的气体32前体。如前所述，等离子体16可通过激发(例如，通过使用微波30)带电气体32(例如甲烷(CH4))来形成。不希望受任何具体理论的束缚，发明人相信，当激发等离子体16时，气体32原子分裂，从而允许游离碳原子通过一系列反应附着于晶种12晶体。因此，金刚石14(或其他晶体14)生长发生在生长界面26处。
图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的金刚石生长环境10中的金刚石14生长。金刚石生长界面26相对于等离子体羽流16的位置和/或取向影响经由CVD的金刚石14的生长。例如，在图1中，金刚石生长界面26是金刚石晶种12的暴露表面。然而，在图2中，金刚石生长界面26包括由新金刚石14生长限定的表面。
等离子体羽流16为沉积过程提供自由基和热能。因此，羽流16相对于金刚石生长界面26(例如金刚石晶种12)的位置是生长机制的关注点。应当理解，虽然羽流16不具有良好限定的边界，并因此不具有精确的形状，但是为了简化讨论，通常将等离子体16视为具有形状。例如，可将等离子体羽流16的形状可视化为强烈的光学发射的区域。
对于一般的RF或微波等离子体反应器，羽流16倾向于在生长界面26附近被圆形化，这可能使得难以在同时生长多个金刚石14(例如，如图2所示)时保持均匀的生长条件。各个金刚石14通常沿单个平面(例如，由晶种12限定)对齐，而等离子体16的形状(例如，最靠近生长界面26的羽流16的部分)固有地是非平面的。例如，金刚石晶种12A比金刚石晶种12B更远离等离子体羽流16的“边界”。在此，可以说边界34包括面向生长界面26的一些或全部等离子体羽流16部分。与羽流16的边界34的距离的这种差异导致各种晶种12(例如，与朝向边缘的晶种12A相比，晶种12B朝向中间)的温度和生长条件的差异。因此，如图2所示，与晶种12B相比，晶种12A上的金刚石14生长可能不均匀。
由等离子体羽流16的非平面形状产生的非均匀生长条件的结果包括生长的金刚石14上的较大热梯度。这些非均匀生长条件是由生长的金刚石14上的热梯度(即，来自等离子体16本身)以及由于生长界面26的各个部分与等离子体羽流16(例如，边界34)的距离不同而导致的不同的生长条件造成的。
示例性实施方式可在生长期间修改等离子体16的形状，包括通过优化程序和/或注入惰性气态物质，其两者均可改变等离子体羽流16内的动力学。如下文所述，这些技术可修改羽流16的形状。发明人发现，可利用主动措施来原位修改等离子体16的形状或位置，而不需要对工艺条件(诸如压力、温度或气体化学)进行显著修改。
对羽流16的修改可包括例如使羽流16在目标区域中更密集，修改羽流16的边界34以对应于生长界面26的形状(例如，以使边界34与生长界面26之间的距离标准化)，和/或使边界34基本上是平面的。这些各种修改可改善生长动力学，并最终改善金刚石14材料的生长速率和最终质量。作为另一实例，羽流16可以变宽，从而允许增加沉积面积。因此，可提高生长的金刚石14的数量和质量。
图3A-3C示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的用于再成形和/或再定位等离子体羽流16的各种技术。具体而言，发明人发现，等离子体羽流16可使用电场和/或磁场来成形(也称为转向)。这些技术允许等离子体16通过场主动地再成形为再成形的等离子体16A(例如，包括再成形的边界34A)(可选地，不修改工艺条件，包括压力和气体化学)。
通过将等离子体羽流16再成形，生长环境10可以变得更均匀，从而减少生长变化和不稳定性。额外地，等离子体16可在感兴趣的区域中变得更致密，从而改善生长动力学，并最终改善生长的金刚石14材料的生长速率和最终质量。在一些实施方式中，羽流16可以变宽，使得再成形的边界16A可以被认为基本上是平面的(例如，等离子体羽流16A具有面向金刚石生长界面26的大曲率半径)。在一些实施方式中，可以说等离子体16在边界34处具有曲率半径。示例性实施方式可使羽流16A成形以增加曲率半径，从而使边界34A较不圆并且更平坦。
示例性实施方式有利地修改等离子体羽流16，使得生长界面26的边缘附近生长的晶体14A经历与在中心附近生长的晶体14C基本上相同的生长条件。在不修改羽流16的情况下，边缘附近的晶体14A看到与中心附近的晶体14C不同的化学性质(chemistry)和温度。通常，基本上边界34的部分越大，越多的晶种12可被定位在腔室15内，以便同时均匀生长。例如，一些实施方式可具有羽流16，其为3x3布置的晶种12提供基本上均匀的生长条件(例如，以生长9个晶体14)。一些实施方式可调节羽流16的形状，使得4x4布置的晶种12可以均匀地生长(即，16个晶体14)。因此，示例性实施方式有利地实现了用于其他相同生长环境10的均匀晶体14的数量的接近2x或大于2x的生长。此外，羽流16可被平坦化(即，在边界34或其部分处基本上是平面的)，使得晶种晶体12可在5x5布置中具有均匀的生长条件。一些实施方式实现了大于5x5(例如，高达10x10)的晶种12布置的均匀生长。
为了提供均匀的生长条件，羽流16的边界34的形状基本上对应于生长界面26的形状。虽然形状的精确对应是期望的，但是本领域技术人员理解，即使是羽流16的形状(例如边界34)与生长界面26的形状对应的微小改进也可提供本文所述的各种优点。
通常，晶种12定位在支撑件11和/或台级13上，支撑件11和/或台级13基本上是平面的。示例性实施方式可将羽流16的形状修改为基本上是平面的(即，对应于也基本上是平面的生长界面26的形状)。应当理解，虽然生长界面26可在晶种12和/或金刚石14上具有不连续性(例如，在晶种12之间)或微小角度错切(miscut)，但是生长界面26仍然可以被认为基本上是平面的。羽流16的形状不太可能精确地对应于生长界面26的形状。然而，虽然羽流16的形状与生长界面26之间的精确对应在理论上是理想的，但是发明人已经发现，仅调节羽流16的形状以更紧密地对应于生长界面26的形状提供了本文所述的各种优点。换句话说，调节羽流16的形状以使生长界面26处的金刚石14生长条件均匀化提供了各种优点。
为了控制羽流16的形状(例如，离子的位移)，示例性实施方式可使用磁场和/或电场。发明人已经发现这两种类型的场都能够调节羽流16的形状。这是因为等离子体羽流16类似于导电的气体，其高度响应于电场。因为等离子体16的离子是运动的，所以羽流16的形状也响应于磁场。因此，示例性实施方式可使用磁场和/或电场来使带电粒子转向，从而调节羽流16的形状。在各种实施方式中，可将磁和/或电偏置施加到晶种12和/或羽流16。此外，羽流16的各个部分可以是带电的(例如，羽流16的外边缘可以向下转向，而不会使羽流16的中心向下转向)。
如图3A所示，当转向场本质上是磁性的时，其可包括一个或多个电磁源，例如永磁体20(例如，稀土磁体20)，其被定位成与沉积区域相邻(例如，与生长界面26相邻)。作为另选，如图3B所示，场可由诸如电磁线圈22等一个或多个电磁源产生。电磁线圈22可被定位在例如腔室15的外部，以产生电感耦合等离子体16A(例如，缠绕在腔室15周围)。作为另选或额外地，电磁线圈22可构建到腔室15的壁中。
图3C示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的围绕腔室15的电磁线圈22。如上所述，电和/或磁转向场提供更好的等离子体16均匀性。然而，示例性实施方式还可在某些类型的反应器中提供更好的工艺稳定性。例如，在一些反应器中，等离子体16可具有移动的趋势(例如，在两个稳定位置之间)。
图3D示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的等离子体羽流16在腔室15内的两个不同位置161和162。为了更好地帮助说明等离子体16在腔室15中的相对位置161和162，示出了腔室15的壁62。额外地，还示出了微波源64发射微波辐射30的石英窗60。额外地，示出了被配置成将气体32输入到腔室15中的气体喷射器66。虽然在其他附图中未示出壁62、窗60、微波源64和气体喷射器66，但是本领域技术人员应当理解，在所有其他附图中可存在所有这些部件。然而，这些部件从各种附图中发出。此外，应当理解，壁62、窗60、微波辐射源64和气体喷射器66的形状、布置和位置仅仅是示例性的，并不旨在限制各种实施方式。
在优选实施方式中，腔室15是驻波腔室15，其对微波具有高反射率。因此，波以相对低的损耗在腔室内回弹。因此，示例性实施方式不具有电极(与具有RF电极的等离子体增强CVD相比)。通常，具有RF电极的系统的等离子体的形状由电极限定。相比之下，微波腔室15中的等离子体16的形状由驻波限定。此外，在微波腔室15中，样品(例如，基板)定位在其上的台级通常不会被偏置。
发明人已经发现，微波场有利地提供增强的金刚石生长。当金刚石14在RF场中生长时，生长速率可以是较低的数量级。不利的是，微波场中的等离子体羽流16是不期望的小和球形的。相比之下，RF场通常产生有利地大且相对平坦的等离子体羽流。因此，示例性实施方式有利地使用第二场(例如电、磁和/或电磁)来调节等离子体16的尺寸和/或形状，从而改善生长的金刚石14的生长质量和/或数量。
为了使金刚石14生长过程开始，通过激发腔室15中的气体32(例如通过从微波源64通过石英窗60发射微波辐射30)来撞击等离子体16。因为微波30是电磁波，所以它们产生被配置成将气体32转换成等离子体16的第一电场。此后，如本领域技术人员所知，微波辐射30在生长过程期间继续发射以维持等离子体16。在等离子体16被撞击之后，其通常稳定在位置161中。然而，等离子体16的位置161可能不稳定或亚稳定，并且等离子体16可移动到第二位置162(例如，在由石英窗60界定的腔室15的顶部)。在示例性实施方式中，第一位置161可比第二位置162更适合于金刚石14生长。
因此，当激发等离子体16时，其可具有一个或多个稳定和/或不稳定的静止位置(例如，取决于腔室15的设计)。如果两个位置都不稳定或亚稳定，则等离子体16可随时间在第一位置161和第二位置162之间移动。第一位置161和第二位置162的位置随腔室15的形状而变化。因此，一些腔室15被设计成使得它们具有使等离子体羽流16停留的单个稳定位置161，并且其他腔室15可具有等离子体羽流16在其间移动的两个或多个位置161、162。例如，一些腔室16可具有对称的位置(例如，第一位置161在平台级(platform)11上方，并且第二位置162在腔室15的顶部处的第一位置161上方)。特别是，发明人已经发现，圆柱形腔室15倾向于在腔室的顶部具有第二位置162(例如，由石英窗60界定，微波辐射30通过石英窗60进入腔室15)。
在任何给定时间，有一定的概率羽流16处于第一位置161，并且有一定的概率羽流16处于第二位置162。此外，还可能有递减的概率羽流16也可处于其他位置。示例性实施方式可使用本文所述的转向场来使等离子体羽流16朝向单个稳定位置偏置，从而有利地增加等离子体羽流16处于期望位置161的概率。
示例性实施方式可在撞击等离子体16之前、期间和/或之后激活第二电场或第一磁场(称为定位场(positioning field))。定位场将等离子体16电和/或磁偏置到具体位置161或162。有利地，这允许控制可在不同位置161或162中点燃的等离子体16的位置。此外，即使等离子体在期望位置161开始，可能的是等离子体16也可在撞击之后移动到第二不稳定或亚稳定位置162。本领域技术人员将了解，等离子体16可在期望位置161生长金刚石14，但可在不期望位置162破坏腔室15的部分。
有利地，示例性实施方式使用定位场(例如，由来自环24的电偏置或来自线圈22的磁偏置产生)来将等离子体羽流16定位在第一金刚石14生长位置161中。因此，一些实施方式提供电场和/或磁场的叠加(例如，用于点燃等离子体的第一电场和用于定位等离子体的第一磁场)。
如上所述，腔室15的尺寸和形状影响羽流16的稳定位置。然而，腔室15的尺寸和形状对羽流16的稳定性和移动趋势的影响的讨论超出了本讨论的范围。通常，RF工程师将腔室15设计成谐振腔。CVD中常用的两种众所周知的腔室设计包括蛤壳式腔室15和圆柱形腔室15。发明人已经发现，蛤壳式腔室15倾向于具有单个稳定位置161，而圆柱形腔室15倾向于使羽流16在至少两个位置161和162之间移动。
图3E示意性地示出了图3C的腔室15配置，其中羽流16偏置在第一位置161中。如图3E所示，等离子体16可通过围绕腔室15的周边定位电磁线圈22来电感耦合。线圈22在其内部产生定位场，该定位场是层流的(laminar)且平行于线圈22。如本领域技术人员所知，线圈22内部产生的电场是均匀的并且指向单个方向。因此，线圈22根据电流的方向将羽流16向上或向下偏置。因此，除了改变羽流16的形状之外或作为改变羽流16的形状的替代方案，线圈22可用于将羽流16偏置在其第一位置161中。
此外，在示例性实施方式中，当金属台级11带电时，金属台级11通过产生排斥力而创建等离子体16的边界条件。因此，等离子体16朝台级推动的越近，电磁力将等离子体16推离的越远。因此，等离子体16的中心可被台级11排斥，而等离子体16的边缘可被向下推动。
图3F示意性地示出了根据示例性实施方式的用于将羽流16偏置在第一位置161中的替代布置。环24可围绕金刚石14生长区域和/或生长界面26的外部定位。环24可以是电偏置的。在图3E中，环24以低于沉积表面的高度示出。然而，在一些实施方式中，环可处于与沉积表面相同的高度处。整个环24可被偏置。作为另选，示例性实施方式可例如在许多单独的晶种中的每一个下方产生局部偏置点，以便补偿各个晶种之间的物理变化，例如高度差。
通过偏置环24，羽流16的边缘16B可向下拉动，而不会使中心16C向下转向。示例性实施方式围绕生长定位环24，使得环24比中心16C更靠近羽流的外边缘16B。对于环24可采用各种尺寸和位置。本领域技术人员知晓场强与1/r2成比例。因此，在当前描述的位置中，外边缘16B(其更靠近环24)相对于羽流16的中心16C经历更大的转向力。因此，等离子体16被转向以在边缘16B处变平，同时对等离子体16的中心16C具有非常小的影响(例如，如转向等离子体16A所示)。
图3G示出了根据本发明的示例性实施方式的用于将羽流16偏置到期望位置和/或形状的又一个实施方式。在图3G中，台级11本身被电偏置(例如，通过将电压施加到台级11)。类似于先前讨论的实施方式，由偏置板产生的转向力用于将等离子体转向到期望的形状和/或位置。
在一些实施方式中，台级可被偏置在目标位置中。例如，偏置可发生在每个晶种12的位置处。因此，晶种12可围绕台级11彼此间隔开地布置，并且每个晶种12可被独立地偏置。这种偏置配置提供了用于转向等离子体16的更大的特异性(例如，等离子体16应当去之处，以及不期望等离子体16所去之处)。这在晶种12不总是以相同速率生长的情况下可能是特别有利的。因此，如果一个晶种12看起来比另一个晶种12以更快的速率生长，则生长减慢的晶种12可吸引更多的等离子体16朝向它。作为另选，经历较快生长的晶种12可停止或减少朝向其转向的等离子体16的量。此外，一个或多个晶种可被偏置以进一步推动等离子体16远离，而其他晶种12则吸引等离子体16。因此，可基于生长工艺的需要创建非常具体的等离子体16再成形。
一些实施方式可包括被配置成检测每个晶种12处的温度的温度传感器。例如，每个晶种12可位于离散垫上，该离散垫可具有施加到其上的唯一电压。每个垫也可具有离散温度传感器。然而，由于工艺条件，垫可能不具有传感器。相反，示例性实施方式可以光学地测量温度，例如利用高温计或IR相机。通常，等离子体16离生长界面26的具体部分越近，温度在该位置越热。因此，可使用温度反馈来自动调节转向到具体位置的等离子体16的量。例如，如果一个晶种12比另一个更热，则较热的晶种12的温度可触发微控制器来改变偏置电压并减少等离子体朝向该晶种12的转向。虽然这里描述了一个晶种的简单实例，但是应当显而易见的是，该温度反馈可同时用于多个晶种。
额外地或作为另选，可使用光学反馈来调节转向场。例如，相机可对等离子体16成像并且与控制器通信，该控制器根据光的强度来映射出羽流16的形状。光的强度可用于调节等离子体羽流16的各个部分的高度。
虽然参考图3F讨论了反馈，但是对于本领域技术人员而言应当显而易见的是，本文所讨论的反馈机制可与本文所公开的各种电磁偏置配置中的任何一种及其变体一起使用。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的生长一个或多个金刚石的过程400。应当注意，此方法由通常可使用的较长过程大幅简化。因此，图4的方法可具有本领域技术人员可能使用的许多其他步骤。另外，一些步骤是可选的(例如，步骤410)和/或可以以与所示不同的顺序进行(例如，步骤406可在步骤404之前开始)或同时进行。因此，本领域技术人员可酌情修改该过程。
此外，如上文和下文所述，所指出的许多材料和结构只是可使用的多种不同材料和结构中的一种。本领域技术人员可根据应用和其他约束来选择适当的材料和结构。因此，具体材料和结构的讨论并不旨在限制所有实施方式。
该过程400可在炉、反应器或具有腔室15的其他装置(未示出)内部进行，该腔室具有仔细控制的环境条件，例如规定的压力、温度和环境气体。作为实例，该过程400可使用CVD方法进行。
该过程开始于步骤402，其将金刚石晶种12定位在生长环境10中(例如，如图1所示的真空密封CVD腔室15内部)。具体而言，金刚石晶种12可被定位在耐火金属支撑件11上，该耐火金属支撑件11本身可位于温度控制的生长台级13上。虽然示例性实施方式涉及金刚石14生长，但除此之外，晶种12可由例如氧化镁、铱、硅、钇稳定的锆、钛、碳化硅、金刚石或其组合形成。本领域技术人员可选择用于晶种12的又一不同材料。优选地，晶种12具有单晶/单晶结构。在晶种12由金刚石形成的示例性实施方式中，晶种12生长表面可具有(100)晶体取向，其中错切/错取向(misorientation)在约±5度的范围内。
在各种实施方式中，一个或多个金刚石晶种12可被定位在腔室15内。此外，虽然金刚石晶种12被示出为在平坦表面上对齐，但是在一些实施方式中，金刚石晶种12可不同地定位(例如，以匹配羽流16的预期“形状”)。
然后，该过程进行到步骤404，其产生等离子体16(也称为撞击等离子体16)。如前所述，生长环境10包括气体32，例如甲烷(CH4)，当它被激发30(例如，通过微波)时，它变成等离子体16。气体32可被注入到腔室15中。在一些实施方式中，气体32可包括氢气、甲烷、氩气、氮气和/或氧气。等离子体16提供沉积到晶种12(例如，金刚石晶种12)上的碳源。因此，金刚石14生长过程开始。
然后，该过程进行到步骤406，其产生转向场，该转向场被配置成将羽流16再成形以引导来自羽流16的材料(例如，含碳离子)的沉积和/或使羽流16朝向某个位置偏置。为此，示例性实施方式可包括磁体20(例如，如图3A所示)或电磁线圈22(例如，如图3B所示)。虽然图3B示出线圈22包封和/或围绕沉积区域，但是应当理解，这仅仅是为了说明的目的，而不旨在限制各种实施方式。实际上，在一些实施方式中，线圈22包封和/或围绕沉积区域。在一些其他实施方式中，例如，线圈22可包封整个腔室15(例如，线圈22可沿着腔室15的周边定位)。
在转向场是电的情况下，结果是两个场的叠加，即交变微波场与RF或DC场相结合。场可通过具有给定电压的电偏置环或板24与沉积区域相邻地产生。作为另选，可将偏置施加到环24，其包围沉积区域并且定位在类似于或小于沉积表面(例如，压板)的高度的高度处。还可希望例如在许多单独的晶种中的每一个下方产生局部偏置点，以便补偿各个晶种之间的物理变化，例如高度差。可进一步有利的是通过例如用PID控制完成的自动化过程来控制场强(局部地或通过使场成形)。因此，场强可经由诸如生长速率或温度等独立变量来调节。
如前所述，转向场可用于改变等离子体羽流16的形状(例如，参见图3A-3B中的再成形的等离子体16A)。例如，等离子体羽流16可以变宽以更好地到达更多晶种12。额外地或作为另选，可调节等离子体羽流16的形状以提供更均匀的生长特性。额外地或作为另选，转向场可用于改变等离子体羽流16的位置。
然后，该过程进行到步骤408，其沉积金刚石14。虽然显示为在步骤406之后发生，但是应当理解，金刚石14沉积过程可在产生等离子体羽流16时发生。然而，当产生转向场时，沉积的金刚石14的密度和定位可能会改变。在一些实施方式中，例如当利用永磁体时，即使反应器不在使用中时，也可以始终存在场。因此，改变了羽流16的“沉积轮廓”。
在步骤409，该过程接收金刚石14生长反馈。反馈可与一个或多个晶种12的温度相关。反馈还可来自视觉监测/检查系统(例如，相机)，该视觉监测/检查系统从侧面观察等离子体羽流16，并且确定羽流16与具体晶种12的距离。额外地或作为另选，光学和/或激光测量系统可测量生长的金刚石14的高度。本文描述的各种类型的反馈是示例性的，并且不旨在限制本发明的各种实施方式。
该过程可返回到步骤406，其基于在步骤409中接收的反馈来调节转向场。例如，如果具体晶种12具有比其他晶种12更高的温度，则系统可减少吸引等离子体羽流16朝向该晶种12的转向力。作为另一实例，如果具体金刚石14没有与其他金刚石14一样快速生长，则较短的金刚石14的高度可用作反馈以吸引等离子体羽流更靠近该金刚石(例如，通过将羽流16向下拉动以更靠近金刚石14和/或加宽羽流)。本领域技术人员可设想可使用反馈来调节转向场的各种方式。在示例性实施方式中，调节转向场以使各种生长的金刚石14的生长速率更均匀。
该过程结束于步骤410，其对金刚石14进行后处理。例如，该过程可根据其最终应用而将所得金刚石14的一侧或两侧抛光或退火。例如，可抛光金刚石14的一侧，和/或可掺杂生长的金刚石14以用于一些下游应用。其他后处理可将生长的成块金刚石(bulkdiamond)14切割成规定尺寸或形状的晶片。
应当理解，虽然上述讨论涉及CVD工艺，但是示例性实施方式也可以与物理气相沉积(PVD)工艺一起工作。例如，脉冲激光沉积(PLD)是PVD技术，其中高功率脉冲激光束聚焦在真空腔室内部以撞击待沉积的材料的目标(target)。该材料在等离子体羽流中从目标蒸发，该等离子体羽流将其沉积为基板(诸如面向目标的硅晶片)上的薄膜。因此，示例性实施方式可应用于产生等离子体羽流的各种沉积类型。
上面描述的本发明的实施方式旨在仅仅是示例性的；许多变化和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。此类变化和修改旨在在各种实施方式的范围内。

Claims (25)

1.一种用于生长金刚石的系统，所述系统包括：
化学气相沉积反应器，所述反应器包括微波腔室；
单晶晶种，其被配置成定位在所述腔室中；
前体气体；
微波源，其被配置成激发所述前体气体以产生等离子体羽流；
电磁源，其被配置成产生转向场，以调节所述等离子体羽流在所述腔室中的位置和/或调节所述等离子体羽流的形状。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述微波源产生激发所述气体的第一电场，所述第一电场和所述转向场至少部分叠加。
3.如权利要求1所述的系统，还包括机械支撑件，所述单晶晶种定位在所述机械支撑件上。
4.如权利要求1所述的系统，还包括多个单晶晶种，所述单晶晶种由金刚石形成。
5.如权利要求1所述的系统，其中带电气体包括甲烷和氢气。
6.如权利要求1所述的系统，其中能量源发射微波辐射。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述电磁源包括电磁线圈和/或带电环。
8.如权利要求3所述的系统，其中所述电磁源包括电偏置的机械支撑件。
9.如权利要求1所述的系统，还包括沉积反馈系统。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述沉积反馈系统确定一个或多个晶种的温度，测量一个或多个生长的金刚石的尺寸，和/或确定等离子体羽流的形状。
11.一种生长金刚石的方法，所述方法包括：
在腔室中产生等离子体羽流，所述腔室被配置成使得所述等离子体羽流不稳定或亚稳定，使得所述等离子体羽流在第一位置和第二位置之间移动；并且
使所述等离子体羽流朝向所述第一位置偏置。
12.如权利要求11所述的方法，还包括产生用于偏置所述等离子体羽流的电场。
13.如权利要求11所述的方法，还包括产生用于偏置所述等离子体羽流的磁场。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
在所述腔室中提供单晶晶种；
将来自所述等离子体羽流的碳沉积到所述单晶晶种上以形成金刚石。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述单晶晶种位于机械支撑件上。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一位置在所述单晶晶种上方，并且所述第二位置在所述腔室的顶部处。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述腔室是圆柱形腔室。
18.如权利要求11所述的方法，还包括产生第二磁场或电场以修改所述偏置的等离子体羽流的形状。
19.一种控制金刚石生长的方法，所述方法包括：
在生长环境中提供单晶晶种；
激发含碳气体以产生等离子体羽流；并且
产生转向场，以调节所述等离子体羽流的碳原子沉积特性。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述生长环境在化学气相沉积腔室内。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述气体是甲烷。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述转向场改变所述等离子体羽流的形状。
23.如权利要求22所述的方法，还包括改变面向所述晶种的所述等离子体羽流的边界的形状，以具有更大的曲率半径。
24.如权利要求22所述的方法，还包括通过改变所述等离子体羽流的形状使其更宽来增加沉积面积。
25.如权利要求19所述的方法，其中所述转向场使用一个或多个磁场、电场和/或电磁场来产生。
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Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5203959A (en) * 1987-04-27 1993-04-20 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Microwave plasma etching and deposition method employing first and second magnetic fields
US5145711A (en) * 1987-08-10 1992-09-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Cyclotron resonance chemical vapor deposition method of forming a halogen-containing diamond on a substrate
US5370912A (en) * 1988-10-31 1994-12-06 Norton Company Diamond film deposition with a microwave plasma
US5704976A (en) * 1990-07-06 1998-01-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High temperature, high rate, epitaxial synthesis of diamond in a laminar plasma
US6161499A (en) * 1997-07-07 2000-12-19 Cvd Diamond Corporation Apparatus and method for nucleation and deposition of diamond using hot-filament DC plasma
US20060018820A1 (en) * 2004-07-20 2006-01-26 Little Reginald B Magnetic stimulated nucleation of single crystal diamonds
EP1907320A4 (en) * 2005-05-25 2010-05-05 Carnegie Inst Of Washington COLORLESS CRYSTALLINE CVD DIAMOND WITH FAST GROWTH RATE
GB201021853D0 (en) * 2010-12-23 2011-02-02 Element Six Ltd A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
GB201410703D0 (en) * 2014-06-16 2014-07-30 Element Six Technologies Ltd A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US20150367418A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 Velo3D, Inc. Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing

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