TW201623672A - 用於製造獨立式ｃｖｄ多晶鑽石膜的設備及方法 - Google Patents

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Abstract

本案介紹生長鑽石膜之系統及方法，在該系統及方法中，冷卻氣體在電漿腔室中之基板與基板固持器之間流動，而製程氣體流入電漿腔室。在電漿腔室中存在電漿之情況下，控制基板之整個頂表面及/或正在生長的鑽石膜之整個生長表面的溫度分佈，因此，在鑽石膜生長期間，溫度分佈經控制以在溫度分佈之最高溫度與最低溫度之間具有預定溫差。剛生長的鑽石膜具有總厚度變動TTV，該總厚度變動小於10%，小於5%，或小於1%；及/或雙折射率，該雙折射率在0與100nm/cm之間、在0與80nm/cm之間、在0與60nm/cm之間、在0與40nm/cm之間、在0與20nm/cm之間、在0與10nm/cm之間，或在0與5nm/cm之間。

Description

用於製造獨立式CVD多晶鑽石膜的設備及方法 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張申請於2014年12月17日、名為「用於製造具低雙折射率之獨立式CVD多晶鑽石膜的方法(Method of Manufacture of Free Standing CVD Polycrystalline Diamond Films with Low Birefringence)」之US 62/093,128，及申請於2014年12月17日、名為「用於製造展現低厚度變動之獨立式CVD多晶鑽石膜的方法(Method of Manufacture of Free Standing CVD Polycrystalline Diamond Films Exhibiting Low Thickness Variation)」之US 62/093,031，上述兩者以引用之方式併入本案中。
本發明係關於用於鑽石膜的微波電漿化學氣相沉積生長的方法及設備。
由於具有獨特的光學性質組合，多晶鑽石膜已受到長期認可。
目前，多晶鑽石膜藉由使用被稱作化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)之技術而 以工業規模生長。先前技術中的CVD生長技術之實例包括：熱絲、直流電弧噴射、火焰，及微波電漿。
對於微波電漿CVD(Microwave Plasma CVD；MPCVD)鑽石膜生長而言，將鑽石膜生長基板(在一實例中，由W、Mo或Si製成)以與腔室冷卻板(例如生長腔室之水冷基座)相間隔之方式經由安置於基板與腔室基座之間的支座或間隔物而載入生長腔室中。經由耦接至生長腔室之微波發生器源，在生長腔室內的基板上方生成微波電漿，該生長腔室中流動有技術或製程氣體(亦即於H2中的0.1%至5%之間的CH4含量)及視需要痕量惰性氣體(如Ar或Ne)，在鑽石膜於基板上之生長期間，生長腔室內部經由真空泵而保持在10托-250托(1.33至40kPa)之間的壓力下。自微波發生器源供應之微波能在具有高埸區域及低場區域的腔室中產生持續微波。生長腔室幾何形狀可經配置以使得穩定的高電場節點形成於緊鄰基板中發生鑽石膜生長之表面之處。
在此高電場節點內，技術或製程氣體之氣體分子吸收分解為反應性自由基及原子的微波能，由此形成電漿。此電漿中最充足的反應性物種是原子氫H及甲基自由基CH3。該等氣態物種在整個氣相中擴散至基板表面，在基板表面(或在基板表面上生長的鑽石膜)上吸收，並參與多種反應，從而導致鑽石膜於基板上之成核及CVD生長。
在MPCVD鑽石膜生長期間，基板由電漿加熱至700℃-1200℃之間的溫度，且生長坩堝內側壓力維持在10托-250托(1.33kPa-40kPa)之間。在此條件範圍內，鑽石膜相處於亞穩態。甲基及其他自由基在附著至基板表面(或在基板表面上生長之鑽石膜)之後形成多種鍵，包括类鑽石膜碳-碳sp3鍵、类石墨sp2鍵，及碳-氫鍵。在MPCVD鑽石膜60之生長中，原子氫具有兩個作用：藉由提取而從正在生長之鑽石膜中移除氫，且鍵結至碳並從正在生長之鑽石膜中移除形成非鑽石膜鍵之彼等碳原子。
作為獲得均勻MPCVD鑽石膜生長之手段，溫度控制之一個實例是將冷卻氣體流至基板背側。
已經論述間隔物之使用，例如在US 8859058中，該案中間隔物被描述為間隔線或元件，該等線或元件「可導電及/或可利用Silver DAGTM之導電黏合劑安裝到位，已發現Silver DAGTM可用於確保間隔物元件與基板固持器之間的優良電接觸」。
使用導電間隔線之缺點卻有三個：(1)間隔線及/或黏合劑的電導率使基板接地，且可能導致電漿不均勻性，從而導致生長率/材料品質變動；(2)由導電材料製成的間隔線具有充分高的熱導率，該等間隔線可能導致直接位於間隔物上之基板的局部冷卻，從而在間隔物上方局部地產生高應力、低生長率的鑽石膜材料；及 (3)間隔線藉由移除向生長基板施加電偏壓的可能性而降低生長腔室靈活性。
在包含共振腔室(該共振腔室包含電漿腔室)的MPCVD反應器中，導電鑽石生長基板(在一實例中，該基板由W、Mo或Si製成)與導電基板固持器以均勻空間或間隙分隔開，該導電基板固持器經有意冷卻(在一實例中，經由例如水之冷卻流體，或經由一或更多個熱電冷卻器經由珀耳帖效應冷卻)。在一實例中，藉由利用三個例如絕緣間隔物來維持此均勻間隙，該等間隔物可在不使用黏合劑之情況下以徑向分隔120度之方式置於腔室底部或基座上。由該三個均勻間隔的間隔物形成之圓之直徑經選定以將生長基板垂墜對冷卻間隙之效應降至最低。與生長基板底表面接觸的每一間隔物之直徑(或最大尺寸)可在生長基板直徑的0.1%與2%之間。在一實例中，每一間隔物可具有相同或不同的直徑。
在另一實例中，藉由利用X個絕緣間隔物而維持均勻間隙，該等絕緣間隔物在沒有黏合劑之情況下以徑向相隔(360度/X)之方式置於腔室底部上，其中X是大於或等於3之整數。
在一實例中，陶瓷被選作用於絕緣間隔物之材料，因為陶瓷是電絕緣體且具有低熱導率，陶瓷使生長基板及由此使正在生長的鑽石盡量少經歷溫度不均勻 性，該不均勻性歸因於透過金屬間隔物之熱損失或經由電弧之局部加熱。
利用該等間隔物生長而產生的鑽石膜在整個基板展現大於90%，或大於97%，或大於99%之厚度均勻性(如定義為1減去用所有測量點處的標準偏差除以平均厚度之所得值)--該厚度均勻性提供更佳的製程可預測性(經由使最小生長率變動性減少50%)良率，及產量。
此外，藉由主動控制以下各者中兩個或兩個以上者之組合，正在生長的鑽石之中心與邊緣之間的溫度分佈或輪廓可在鑽石膜於基板上的整個生長期間維持恆定或大體上恆定(在一實例中，小於或等於5℃，小於或等於3℃，或小於或等於1℃)：(1)被輸送至共振腔室之微波功率的能量；(2)電漿腔室內側之壓力；(3)進入電漿腔室內的製程氣體之流速；(4)形成製程氣體之氣體混合物；(5)形成製程氣體之氣體的百分比組成；(6)冷卻氣體之流速；(7)形成冷卻氣體之氣體混合物；及(8)形成冷卻氣體之氣體的百分比組成。
在一實例中，藉由控制上述(1)至(8)中兩個或兩個以上者，可在鑽石膜生長期間將整個基板(或在基板上生長的鑽石膜)的溫度變動減少或維持在1%內，且所生長鑽石膜之厚度變動程度可小於5%。在一實例中，可經由一或更多個光學高溫計測量溫度變動。
在一實例中，在整個MPCVD鑽石膜生長週期達到及維持整個基板(或正在基板上生長之鑽石膜)的均勻溫度分佈產生具有空間均勻性質之獨立式多晶鑽石膜，該等性質包括低的空間均勻雙折射率。在一實例中，依據本案中所述原理生長而成的獨立式鑽石膜可具有一測得雙折射率，該雙折射率在以下各範圍中至少一個範圍內：0與100nm/cm之間；0與80nm/cm之間；0與60nm/cm之間；0與40nm/cm之間；0與20nm/cm之間；0與10nm/cm之間；或0與5nm/cm之間。
在一實例中，依據本案中所述原理生長而成的獨立式鑽石膜可不含裂紋，可具有一直徑，該直徑大於或等於120mm，或大於或等於140mm，或大於或等於160mm，或大於或等於170mm，且可具有一厚度，該厚度在150μm與約3.3mm之間。
此外，依據本案中所述原理生長而成的獨立式鑽石膜可展現低殘留應力，從而實現生長後處理期間的低變形。依據本案中所述原理生長而成的獨立式鑽石膜可適合於製造高品質拋光光學視窗，該等視窗之直徑在70mm與160mm之間，而厚度在100μm與3.0mm之間。
現將在以下編號條項中描述並闡明本發明之多種較佳及非限制性實例或態樣：
條項1：一種微波電漿反應器，用於藉由微波電漿輔助化學氣相沉積進行鑽石膜之生長，該反應器包括：由導電材料製成之共振腔室；微波發生器，經耦接用以將微波饋入共振腔室；電漿腔室，該腔室包括共振腔室內部空間之部分並藉由不透氣的介電視窗而與共振腔室之其餘部分隔離；氣體控制系統，用於供應製程氣體及冷卻氣體至電漿腔室內，從電漿腔室中移除氣態副產物，並用於將電漿腔室維持在相比於共振腔室之其餘部分而言的較低氣壓下；導電及冷卻基板固持器，該固持器安置在電漿腔室之底部；及導電基板，該基板用於在基板的背對基板固持器的頂表面上生長鑽石膜，其中該基板平行於基板固持器安置在電漿腔室中，基板藉由一間隙而與基板固持器相隔開，該間隙具有高度d，基板與基板固持器電絕緣，氣體控制系統適合於將製程氣體供應至電漿腔室內處於介電視窗與基板之間，且氣體控制系統適合於將冷卻氣體供應至間隙內。
條項2：如條項1所述之反應器，該反應器進一步包括：一或更多個高溫計，該等高溫計經定位以用於測量基板之一或更多個溫度；及製程控制系統，該系統可操作以用於基於由該一或更多個高溫計測得之基板之溫度而控制以下各者中兩個或兩個以上者：(1)輸送至共振腔室的微波功率的能量、(2)電漿腔室內側之壓力、(3)進入電漿腔室內的製程氣體之流速、(4)形成製程氣體之氣體混合物、(5)形成製程氣體之氣體的百分比組 成、(6)冷卻氣體之流速、(7)形成冷卻氣體之氣體的混合物，及(8)形成冷卻氣體之氣體的百分比組成。
條項3：如條項1或條項2所述之反應器，其中基板固持器包括電漿腔室之底部的部分，或與電漿腔室之底部隔離。
條項4：如條項1-3中任一項所述之反應器，其中氣體控制系統包括：製程氣體源；真空源，用於將電漿腔室維持在相比於共振腔室之其餘部分而言的的較低氣壓下；及冷卻氣體源。
條項5：如條項1-4中任一項所述之反應器，其中以下各者中至少一者：製程氣體包括氣態CH4與氣態H2之混合物；且冷卻氣體包括以下氣體中之一或更多個：H2、He、Ar，及Xe。
條項6：如條項1-5中任一項所述之反應器，其中該基板與基板固持器藉由不導電間隔物而相隔開。
條項7：如條項1-6中任一項所述之反應器，其中每一間隔物之一端部具有圓盤、矩形或正方形，或三角形之外形。
條項8：如條項1-7中任一項所述之反應器，其中最少有3個間隔物。
條項9：如條項1-8中任一項所述之反應器，其中每一間隔物中與基板的面對基板固持器的底表面接觸之面積小於基板之底表面之總表面面積的0.01%。
條項10：如條項1-9中任一項所述之反應器，其中間隔物中與基板的面對基板固持器的底表面接觸之總面積小於基板之底部之總表面面積的1%。
條項11：如條項1-10中任一項所述之反應器，其中分佈該等間隔物，隨後，流入基板固持器與基板之間間隙的冷卻氣體具有小於1的雷諾數，使得冷卻氣體的流動是層狀的。本案中，如該項技術中所熟知，雷諾數是用以預測任何流體之流動輪廓、流體速度及空腔尺寸的無因次變數。雷諾數定義為慣性力(流速、腔室尺寸)與黏度之間的比率。本案中。小於1之雷諾數保證基板與基板固持器之間間隙中之冷卻氣體的流動在經過間隔物周圍時保持未擾動。
條項12：如條項1-11中任一項所述之反應器，其中間隔物由一材料製成，該材料在800℃下具有大於1x105歐姆-公分之電阻率。
條項13：如條項1-12中任一項所述之反應器，其中間隔物由陶瓷製成。
條項14：如條項1-13中任一項所述之反應器，其中間隔物由一材料製成，該材料屬於以下各者中至少一者之群組：氧化物、碳化物及氮化物。
條項15：如條項1-14中任一項所述之反應器，其中間隔物由氧化鋁(Al2O3)製成。
條項16：如條項1-15中任一項所述之反應器，其中間隔物具有以下範圍中之一個範圍之間的熱傳 導性：1-50W/mK；10-40W/mK；或25-35W/mK。
條項17：如條項1-16中任一項所述之反應器，其中以下各者中之至少一者：每一間隔物定位於基板之半徑的50%與80%之間；間隔物沿基板之單個半徑的圓周分佈；且在基板之中心與基板與基板固持器之間的每一間隔物之位置之間，流經間隙之冷卻氣體之雷諾數是以下各者中之一者：小於1；或小於0.1；或小於0.01。
條項18：如條項1-17中任一項所述之反應器，其中間隔物具有總橫剖面面積，該總橫剖面面積為基板之橫剖面面積之小於1%，或小於0.1%；或小於0.01%。
條項19：如條項1-18中任一項所述之反應器，其中基板與基板固持器之間的間隙之高度d是以下各者中之一者：在基板直徑之0.001%與1%之間，或基板直徑之0.02%與0.5%之間。
條項20：一種在如條項1-19中任一項所述之電漿反應器中生長鑽石膜之方法包括：(a)向基板與基板固持器之間的間隙內提供冷卻氣體；(b)將製程氣體提供至電漿腔室內；(c)向共振腔室供應具有充足能量之微波以使得製程氣體在電漿腔室中形成一電漿，該電漿將基板之頂表面加熱至750℃與1200℃之間的平均溫度；及(d)在電漿腔室中存在電漿的情況下，回應於電漿 而主動控制基板之整個頂表面及/或在基板之頂表面上正在生長的鑽石膜之整個生長表面的溫度分佈，以使得溫度分佈具有小於溫度分佈之最高溫度與溫度分佈之最低溫度之間的預定溫差之溫差。
條項21：如條項20所述之方法，其中溫度分佈經控制以使得剛生長的鑽石膜具有以下各者中之至少一者：小於10%，小於5%，或小於1%之總厚度變動(total thickness variation；TTV)；及雙折射率，該雙折射率在0與100nm/cm之間、在0與80nm/cm之間、在0與60nm/cm之間、在0與40nm/cm之間、在0與20nm/cm之間、在0與10nm/cm之間、在0與5nm/cm之間。雙折射率可在632.8nm之波長下進行測量。
條項22：如條項20或條項21所述之方法，其中主動控制溫度分佈包括控制以下各者中至少兩者：(1)被輸送至共振腔室之微波功率的能量；(2)電漿腔室內側之壓力；(3)進入電漿腔室內的製程氣體之流速；(4)形成製程氣體之氣體類型；(5)形成製程氣體之氣體的百分比組成；(6)冷卻氣體之流速；(7)形成冷卻氣體之氣體類型；及(8)形成冷卻氣體之氣體的百分比組成。
條項23：如條項20-22中任一項所述之方法，其中以下各者之至少一者：在基板的頂表面之中心與邊緣之間及/或在正在生長之鑽石膜的生長表面之中心與邊緣之間測量溫度分佈；在基板的頂表面之中心與 邊緣處及/或在正在生長之鑽石膜的生長表面之中心與邊緣之間測量該預定溫差。
條項24：如條項20-23中任一項所述之方法，其中溫度分佈中最高溫度與溫度之間的預定溫差小於1℃。
條項25：如條項20-24中任一項所述之方法，其中溫度分佈中最高溫度與溫度之間的預定溫差小於5℃。
條項26：如條項20-25中任一項所述之方法，其中溫度分佈中最高溫度與最低溫度之間的預定溫差小於10℃。
2‧‧‧MPCVD反應器
4‧‧‧共振腔室
6‧‧‧微波發生器
8‧‧‧電漿腔室
10‧‧‧其餘部分
12‧‧‧不透氣介電視窗
14‧‧‧製程氣體
16‧‧‧製程氣體源
17‧‧‧流量控制器
18‧‧‧冷卻氣體
20‧‧‧冷卻氣體源
21‧‧‧流量控制器
22‧‧‧真空源或真空泵
24‧‧‧埠
26‧‧‧埠
28‧‧‧氣態副產物
30‧‧‧歧管
32‧‧‧噴嘴或開口
34‧‧‧基板
35‧‧‧基板固持器
36‧‧‧基板固持器
38‧‧‧間隙
40‧‧‧頂表面
42‧‧‧底表面
44‧‧‧冷卻流體
46‧‧‧冷卻流體源
48‧‧‧熱電模組
50‧‧‧直流電源
52‧‧‧絕緣間隔物
56‧‧‧電漿
58‧‧‧高溫計
60‧‧‧鑽石膜
62‧‧‧製程控制系統
64‧‧‧製程控制系統
第1圖是第一示例性MPCVD反應器，該反應器包括經流體冷卻之基板固持器，該基板固持器包括反應器基座；第2圖是第二示例性MPCVD反應器，該反應器包括藉由反應器基座支撐的流體基板固持器；第3圖是第三示例性MPCVD反應器，該反應器包括經熱電模組冷卻之基板固持器，該基板固持器包括反應器基座；第4圖是第四示例性MPCVD反應器，該反應器包括經熱電模組冷卻之基板固持器，該基板固持器藉由反應器基座支撐； 第5圖是定位在第1-4圖中任一圖所圖示的基板之假想圖下方的三個間隔物的獨立平面圖；及第6A-6C圖是不同形狀之間隔物的透視圖，該等間隔物可定位在第1-4圖中任一圖中之基板與基板固持器之間。
現將藉由參考附圖來描述多個非限制性實例，在附圖中，相似元件符號對應於相似或功能等效之元件。
第1-4圖是各個第一至第四示例性MPCVD反應器2，其中第2-4圖中圖示的第二至第四示例性MPCVD反應器2在大多數情況下分別類似於第1圖中圖示之第一示例性MPCVD反應器2。因此，除如下文中所論述以突顯第一至第四示例性MPCVD反應器2之間差異的情況之外，以下描述將：(1)特定參考第1圖中圖示的第一示例性MPCVD反應器2；(2)將分別同等適用於第2-4圖中圖示的第二至第四示例性MPCVD反應器2；及(3)將不具體描述第2-4圖中圖示的第二至第四示例性MPCVD反應器2的相似或功能等效之元件，以免無謂地重複。
一般而言，在MPCVD生長期間，可藉由利用由例如W、Mo或Si製成的生長基板而確保對溫度均勻性之精確控制，該生長基板之直徑範圍在一實例中為自100至180mm，且表面平面度範圍在一實例中在頂表 面與底表面上皆為±2.5μm。生長基板之頂表面與底表面亦可彼此平行(整個基板的頂表面與底表面之間的測量距離變動)，在一實例中具有±5μm之厚度變動。生長基板可經由絕緣(例如在不限制的情況下為陶瓷)間隔物精確偏離腔室底部，使得基板/腔室底部間隙在一實例中的整個間隙具有±5μm變動，以確保整個基板的均勻熱質量及/或均勻冷卻速率。
請參看第1圖，第一示例性MPCVD反應器2可包括由導電材料製成的共振腔室4。可耦接微波發生器6以將微波饋入共振腔室4。在一非限制性實例中，可耦接微波發生器6以將微波饋入共振腔室4之頂部。
電漿腔室8包括共振腔室4之內部空間的一部分(在一實例中，下方部分)，該部分經由不透氣介電視窗12而與共振腔室4之其餘部分10(在一實例中為上半部分)隔離。在一非限制性實例中，共振腔室4及由此電漿腔室8可能是直徑為D的圓柱形。
反應器2包括氣體控制系統，該系統用於將來自製程氣體源16之製程氣體14及來自冷卻氣體源20之冷卻氣體18供應至電漿腔室8內。製程氣體源16及冷卻氣體源20可分別包括流量控制器17及21以使得能夠單獨控制製程氣體14及冷卻氣體18之流速。
製程氣體14可經由一或更多個埠26供應至電漿腔室8內，該等埠安置在：(1)電漿腔室8(第1圖中圖示)之壁中及/或(2)介電視窗12(第1圖中未圖示) 中。在一實例中，一或更多個埠26可將製程氣體14直接饋入電漿腔室8中。在另一實例中，電漿腔室8之內部可包括位於電漿腔室8之頂部處或附近的可選配氣歧管30，該歧管與一或更多個埠26以流體連通方式耦接。配氣歧管30可包括一或更多個噴嘴或開口32，該等噴嘴及開口經定向以在電漿腔室8內側的所需方向上導引製程氣體14，例如導引製程氣體14前往電漿腔室8之基座。在一非限制性實例中，歧管30可具有環形形狀。
氣體控制系統亦包括經由一或更多個埠24耦接至電漿腔室8的真空源或真空泵22，如機械及/或渦輪分子真空泵。在一非限制性實例中，一或更多個埠24可貫穿電漿腔室8之基座。在操作中，真空泵22以該項技術中已知的方式作用以抽空電漿腔室8之內部，從電漿腔室8中移除氣態副產物28，並將電漿腔室8維持在相比於共振腔室4之其餘部分10及共振腔室4外部而言的較低氣壓下。在一實例中，真空泵22可作用以控制電漿腔室8內側之壓力，以使該壓力處於10托(1.33kPa)與300托(40kPa)的範圍中。
反應器2進一步包括基板34，該基板34在冷卻的基板固持器36上方藉由間隙38與該固持器36相隔開。在一實例中，一或更多個埠26及/或歧管30可將製程氣體14直接饋入電漿腔室8內處於介電視窗12與基板34之間。
在第1圖中圖示之第一示例性反應器2中，基板固持器36可包括電漿腔室8之基座。在第2圖中圖示之第二示例性反應器2中，基板固持器36可為與電漿腔室8之基座隔離之元件，且可位於電漿腔室8之基座上(如圖所示)或者可藉由支座與電漿腔室8之基座相隔開。在第1圖及第2圖中圖示的第一及第二示例性反應器2中，冷卻流體源46將適合之冷卻流體44(例如水)供應至基板固持器36之內部，以在鑽石膜60於基板34之頂表面40上生長期間冷卻基板固持器36。
在第3圖及第4圖中圖示之第三及第四示例性反應器2中，第1圖及第2圖中圖示的第一及第二示例性反應器2中之冷卻流體44及冷卻流體源46可替換為一或更多個熱電模組48，在從直流電源50向該一或更多個熱電模組48施加直流功率之後，該等模組經由珀耳帖效應冷卻基板固持器36。
基板固持器36在鑽石膜60於基板34上正在生長期間之冷卻協助從基板34及由此從生長於基板34上之鑽石膜60移除不需要的熱。此熱移除促進鑽石膜60的高品質CVD生長。
在一實例中，基板34可具有一直徑、一厚度，及平面度，該直徑範圍在100mm與180mm之間，該厚度範圍在8mm與14mm之間，而該平面度範圍在基板34之頂表面40及底表面42上皆為±2.5μm。基板34之頂表面40與底表面42亦為平行(整個基板42的頂 表面40與底表面42之間的測量距離變動)，相差範圍在±5μm內。
在一實例中，基板34可以高度為d之固定間隙38定位在基板固持器36上方，該高度d在50μm與1000μm之間，整體間隙38的變動為±5μm，該基板34可經由冷卻流體44(第1圖及第2圖中圖示之第一及第二示例性反應器2)或一或更多個熱電模組48(第3圖及第4圖中圖示之第三及第四示例性反應器2)而保持在所需溫度±2℃下。在冷卻流體44用以冷卻基板固持器36之情況下，可測量離開基板固持器36之冷卻流體44的溫度。基於離開基板固持器36之冷卻流體44的測得溫度，可按需調整供應至基板固持器36的冷卻流體44之體積及/或溫度，以將基板固持器36維持在固定溫度。
在一個非限制性實例中，可經由最少三個絕緣(例如陶瓷)間隔物52來獲得間隙38，該等間隔物之厚度在50μm與1000μm之間，該等間隔物安置在基板34與基板固持器36之間，且在一實例中直接接觸基板34與基板固持器36。在一實例中，所有間隔物52之高度與彼此相差可小於或等於2μm。在一實例中，間隔物52由一材料製成，該材料在800℃下具有大於1x105歐姆-公分之電阻率。可用以製造間隔物52的材料之一個實例是陶瓷。在另一實例中，間隔物52可由一材料製成，該材料屬於以下各者中至少一者之群組：氧化物、碳化物及氮化物。在另一實例中，間隔物可由氧化鋁 (Al2O3)製成。在一實例中，間隔物52可具有以下範圍中之一個範圍之間的熱傳導性：1-50W/mK；10-40W/mK；或25-35W/mK。
在另一實例中，每一間隔物52可定位於基板34的半徑之50%與80%之間；及/或間隔物52可沿基板34之單個半徑的圓周分佈；及/或在基板34之中心52與基板34與基板固持器35之間的每一間隔物52之位置之間，流經間隙38之冷卻氣體18之雷諾數是以下各者中之一者：小於1；或小於0.1；或小於0.01。
在一實例中，間隔物52可以與基板34之中心54(第5圖)等距相隔(距離x)的方式安置。可藉由利用X個間隔物52來維持間隙38，該等間隔物52在沒有黏合劑之情況下以徑向(360度/X個間隔物52)相隔之方式置於基板34與基板固持器36之間，其中X(個間隔物52)是大於或等於3之整數。在一實例中，在提供X個間隔物52之情況下，該等X個間隔物52可以彼此相隔約360度/X±2度之方式放置，且在一實例中，以與基板34之中心54等距相隔±2mm之方式放置，如所附第5圖中圖示。在另一實例中，每一間隔物52可以相隔生長基板34之半徑±2%的等距方式安置。在另一實例中，每一間隔物52可以相隔大於或等於生長基板34之半徑50%及小於或等於生長基板34之半徑80%的方式安置。每一間隔物52之橫剖面可具有圓盤(第6A圖)、矩形或正方 形(第6B圖)，或三角形(第6C圖)之外形。經由間隔物52，基板34可與基板固持器36電絕緣。
在一實例中，每一間隔物中與基板34的面對基板固持器36的底表面42接觸之面積小於基板34之底表面42之總表面面積的0.01%。在一實例中，所有間隔物52中與基板34的面對基板固持器36的底表面42接觸之總面積小於基板34之底表面42之總表面面積的1%。在另一實例中，基板34與基板固持器36之間的間隔物52之總橫剖面面積可小於基板34之橫剖面面積的1%，或小於0.1%；或小於0.01%。
在一實例中，全部間隔物52分佈在基板34與基板固持器36之間，且以一方式控制流入間隙38之冷卻氣體18，在此之後，流入基板34與基板固持器36之間的間隙38的冷卻氣體18具有小於1之雷諾數，以使得間隙38中之冷卻氣體的流動是層狀的。
在一實例中，基板34與基板固持器36之間的間隙38之高度d可為以下各者中之一者：在基板34的直徑之0.001%與1%之間，或基板34的直徑之0.02%與0.5%之間。
如圖可見，發生鑽石膜60之CVD生長之電漿腔室8是共振腔室4之子設備，該電漿腔室經配置以與微波發生器6所供應之微波頻率共同作用，以在發生鑽石膜60生長之基板34頂表面40的緊鄰之處形成穩定的高電場節點。由此，在鑽石膜60生長期間，微波可存在於共 振腔室4之其餘部分10中，該其餘部分10並不曝露於由真空泵22在電漿腔室8中產生的低壓。在不受限制之情況下，具有作為共振腔室4之子設備之電漿腔室8的益處可包括以下各者中一或更多者：(1)電漿腔室8之體積可經最佳化以用於鑽石膜60生長，(2)對電漿腔室8中的製程氣體14的流量及/或分佈之更佳控制，(3)對間隙38中的冷卻氣體18的流量及/或分佈之更佳控制，(4)在鑽石膜60生長期間對電漿腔室8內側壓力之更佳控制，及/或(5)共振腔室4之體積可經最佳化以在發生鑽石膜60生長之基板34頂表面40的緊鄰之處形成穩定的高電場節點，同時，電漿腔室8之體積可針對任何其他原因而最佳化，例如上述益處(1)-(4)中任何一或更多個益處。
現將描述在第1-4圖中圖示的第一至第四電漿反應器2中之一者中生長鑽石膜之方法。
在該方法中，可向基板34與基板固持器36之間的間隙38提供冷卻氣體18，且可向電漿腔室8提供製程氣體14。具有適合及/或合乎需要之功率與頻率的微波可被引入共振腔室4，該等微波使得製程氣體14在電漿腔室8中形成電漿56，該電漿56將基板34之頂表面40加熱至750℃與1200℃之間的平均溫度。在電漿腔室8中存在電漿56之情況下，回應於電漿56，基板34之整個頂表面40及/或在基板34之頂表面上正在生長的鑽石膜60之整個生長表面的溫度分佈可得以控制，以使得溫度分佈具有小於溫度分佈之最高溫度與溫度分佈之最 低溫度之間的預定溫差之溫差。在一實例中，溫度分佈中最高溫度與最低溫度之間的預定溫差可小於10℃，小於5℃，或小於1℃。
溫度分佈可經控制以使得剛生長的鑽石膜60可具有以下各者中之至少一者：小於10%，小於5%，或小於1%之總厚度變動(total thickness variation；TTV)；及/或雙折射率，該雙折射率在0與100nm/cm之間、在0與80nm/cm之間、在0與60nm/cm之間、在0與40nm/cm之間、在0與20nm/cm之間、在0與10nm/cm之間、在0與5nm/cm之間。在一實例中，雙折射率可在632.8nm之波長下進行測量。
主動控制溫度分佈之步驟可包括控制以下各者中至少兩者：(1)被輸送至共振腔室之微波功率的能量；(2)電漿腔室內側之壓力；(3)進入電漿腔室內的製程氣體之流速；(4)形成製程氣體之氣體類型；(5)形成製程氣體之氣體的百分比組成；(6)冷卻氣體之流速；(7)形成冷卻氣體之氣體類型；及(8)形成冷卻氣體之氣體的百分比組成。
可在基板34的頂表面40之中心與邊緣之處或之間測量溫度分佈，及/或當正在生長之鑽石膜60在基板34的頂表面40上生長之時，在該鑽石膜60之生長表面中心與邊緣處或之間測量溫度分佈。可在基板34的頂表面40之中心與邊緣處測量溫度分佈之最高溫度與 最低溫度之間的預定溫差，及/或當正在生長之鑽石膜60在基板34的頂表面40上生長之時，在該鑽石膜60之生長表面中心與邊緣之間測量該預定溫差。
更特定而言，在適當時間，可在電漿腔室8中確立及維持適合的生長條件以用於鑽石膜60之MPCVD生長。該種適合的生長條件之實例包括：在存在真空泵22之情況下將製程氣體14及冷卻氣體18引入電漿腔室8，該真空泵將電漿腔室8抽空至所需的鑽石膜60生長壓力，該壓力例如在10托(1.33kPa)與300托(40kPa)之間。在一非限制性實例中，製程氣體14可由氫及痕量惰性氣體組成，該氫具有0.1%與2%之間的甲烷，該惰性氣體在一實例中為Ar或Ne。被引入電漿腔室8的製程氣體14總流速可在1200sccm與2500sccm之間。具有300MHz與1500MHz之間範圍內之單頻的微波及10kW與30kW之間的輸送功率可由微波發生器6引入共振腔室4以在基板34之頂表面40上方利用製程氣體14形成電漿56。
冷卻氣體18可為包含不同比例之H2、He、Ar及/或Ne之氣體混合物，基於被引入間隙38的冷卻氣體18的所需熱傳導性而控制該氣體混合物，以便達到在基板34之頂表面40上及/或正在生長於基板34之頂表面40上的鑽石膜60生長表面上的適當的生長溫度。在鑽石膜60於基板34之頂表面40上之CVD生長期間，真空 泵22作用以將電漿腔室8維持在所需鑽石膜60生長壓力下。
可經由反應器2的一或更多個視窗62及介電視窗12，藉由一或更多個高溫計58測量基板34之頂表面40及/或正在生長於頂表面40上的鑽石膜60之溫度。在一實例中，一個高溫計58可測量基板34的頂表面40之中心處或中心附近的溫度，且在鑽石膜60生長期間，在基板34的頂表面40之中心處或中心附近生長的鑽石膜60部分之溫度。在一實例中，另一高溫計58可測量基板34的頂表面40之邊緣處或邊緣附近的溫度，且在鑽石膜60生長期間，測量在基板34的頂表面40之邊緣處或邊緣附近生長的鑽石膜60部分之溫度。
在鑽石膜60於基板34上藉由使用第1-4圖中圖示的示例性反應器2中之一者進行生長的期間，基板34及/或正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心溫度與邊緣溫度之間的差異可控制在小於或等於5℃、小於或等於3℃，或小於或等於1℃的範圍內。更特定而言，第1-4圖中圖示的每一示例性反應器2可包括經軟體控制之基於電腦或微處理器的製程控制系統62，在不受限制的情況下例如可編程邏輯控制器(programmable logic controller；plc)，該控制器可自例如美國威斯康辛州洛克威爾自動化公司購得。製程控制系統64可操作以用於基於基板34及/或正在生長於基板34上之鑽石膜60的一或更多個溫度來控制以下各者中之兩個或 兩個以上者，該等溫度由一或更多個高溫計58測量：(1)由微波發生器6輸送至共振腔室4之微波功率的能量；(2)電漿腔室8內側之壓力；(3)進入電漿腔室8內的製程氣體14之流速；(4)形成製程氣體14之氣體混合物；(5)形成製程氣體14之氣體的百分比組成；(6)間隙38中冷卻氣體18之流速；(7)形成冷卻氣體18之氣體混合物；及(8)形成冷卻氣體18之氣體的百分比組成。
在下文中，除非本揭示案中另有指示或顯而易見，否則將假定電漿腔室8中已建立適合生長條件(包括(i)製程氣體14之流速及/或百分比組成，及/或(ii)冷卻氣體18之流速及/或百分比組成，及/或(iii)輸送的微波功率及/或頻率)，且鑽石膜60於基板34上之生長已開始。更特定而言，除非本揭示案中另有指示或顯而易見，否則將假定生長條件已經建立，使得已經設定基板34及正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心及邊緣處溫度，該等溫度建立中心與邊緣之間的所需溫度分佈或溫度輪廓。在一實例中，基板34及正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心與邊緣之間的所需溫度分佈或溫度輪廓設定在小於或等於5℃、小於或等於3℃，或小於或等於1℃之範圍內。
在一實例中，製程控制系統64可基於基板34及正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心與邊緣處之溫度(尤其是溫差，每一溫度經由高溫計58測定)而調整經由一或更多個埠26輸送的製程氣體14之流速，以將 基板34的中心與邊緣之間的所需溫度分佈或溫度輪廓維持在小於或等於5℃、小於或等於3℃，或小於或等於1℃之範圍內。例如，如若電漿56加熱基板34或正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心至高於其邊緣的溫度，則製程控制系統64可自動調整(增大)經由埠26輸送的製程氣體14流速，以降低中心溫度，由此使中心與邊緣之間的溫差降低或降至最低。
在另一實例中，如若製程控制系統64經由一或更多個高溫計58測定出基板34或生長於基板34上之鑽石膜60之中心溫度低於其邊緣，則製程控制系統64可調整(減小)經由一或更多個埠26輸送的製程氣體14流速以增大中心溫度，由此使中心與邊緣之間的溫差降低或降至最低。
在更特定之實例中，製程控制系統64可(經由一或更多個高溫計58)連續或週期性地監測基板34或正在生長於基板34上之鑽石膜60之中心及邊緣溫度，且回應於所述監測到的中心與邊緣溫度，以一方式動態地調整或改變經由一或更多個埠26輸送的製程氣體14流速，以使得中心與邊緣之間的溫差降低或降至最低。在一實例中，經由一或更多個埠26輸送之製程氣體14可以階梯函數或連續勻變方式改變(增多及/或減少)，以便撤銷基板34及/或正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心及/或邊緣處之任何溫度變化。
在下文中，在不特定提及基板34或正在生長於基板34上之鑽石膜60之情況下，對中心溫度與邊緣溫度之提及將被理解為基板34之中心溫度與邊緣溫度，且在鑽石膜60生長於基板34上之時，正在生長之鑽石膜60的中心溫度與邊緣溫度。
在一般化實例中，降低製程氣體14的流速相對於中心溫度降低邊緣溫度，而增大製程氣體14之流速相對於中心溫度提高邊緣溫度。更特定而言，降低製程氣體14之流速提高中心及邊緣溫度，但邊緣溫度之提高程度低於中心溫度。反之，增大製程氣體14之流速降低中心及邊緣溫度，但邊緣溫度之降低程度低於中心溫度。
此外，調整所輸送之微波功率的量值可影響正在生長於基板34上之鑽石膜60中心處的溫度。在一實例中，減小輸送之微波功率的量值相對於中心溫度提高邊緣溫度，而增大輸送之微波功率的量值相對於中心溫度降低邊緣溫度。更特定而言，降低所輸送之微波功率的量值降低邊緣及中心溫度，但邊緣溫度之降低程度高於中心溫度。反之，增大所輸送之微波功率的量值提高邊緣及中心溫度，但邊緣溫度之提高程度高於中心溫度。
在另一實例中，製程控制系統64可(經由一或更多個高溫計58)連續或週期性地監測中心及邊緣溫度，且回應於所述監測到的中心與邊緣溫度，以一方式動態地調整或改變輸送的微波功率之量值，以使得中心與邊緣之間的溫差降低或降至最低。
兩個光學高溫計58的使用如上所述，用於測量正在生長於基板34上之鑽石膜60的中心及邊緣之溫度。然而，因為接下來所論述之原因，此情況不應以限制性含義解釋。
在又一實例中，已經觀察到，一旦建立中心及邊緣溫度，且由此，建立基板34及/或生長於基板34上之鑽石膜60的中心與邊緣之間的溫度分佈或輪廓，則中心(或邊緣)處之溫度及由此而生的溫度分佈或輪廓可藉由僅監測及控制中心(或邊緣)溫度而維持恆定或大體上恆定。就此而言，已觀察到，在維持中心與邊緣之間的溫度分佈或輪廓恆定或大體恆定之同時，以下各者中一或更多者之微小變更可能變更中心(或邊緣)溫度：(1)由微波發生器6輸送至共振腔室4之微波功率的能量；(2)電漿腔室8內側之壓力；(3)進入電漿腔室8內的製程氣體14之流速；(4)形成製程氣體14之氣體混合物；(5)形成製程氣體14之氣體的百分比組成；(6)間隙38中冷卻氣體18之流速；(7)形成冷卻氣體18之氣體混合物；及(8)形成冷卻氣體18之氣體的百分比組成。
在一實例中，藉由回應於在基板34上之鑽石膜60生長期間的中心(或邊緣)溫度降低而增大製程氣體14之流速，中心(或邊緣)溫度可經控制為恆定或大體恆定，且由此，中心與邊緣之間的溫度分佈或輪廓可經控制為恆定或大體恆定。如本案中所使用，如若變差 在最高溫度(以℃為單位)的±2%以內，則溫度或溫度分佈或輪廓為「大體恆定」。
在一實例中，製程控制系統64可調整形成冷卻氣體18之氣體的流速及/或百分比組成，以變更生長於基板34上之鑽石膜60的基線溫度。在一實例中，冷卻氣體18由以下氣體中兩個或兩個以上其他之混合物組成，每一氣體在不同的壓力及溫度下具有不同的熱傳導率：H2、He、Ar，及Ne。由此，冷卻氣體18在特定溫度及壓力下之熱傳導率基於形成冷卻氣體18之氣體的混合物百分比。藉由選擇性地調整形成冷卻氣體18之氣體的混合物，製程控制系統64可調整冷卻氣體18之熱傳導率，並由此調整正在生長於基板34上之鑽石膜60之基線溫度。
在一實例中，冷卻氣體18之流速可經調整以調整正在生長於基板34上之鑽石膜60之基線溫度，例如冷卻氣體18之較高的流速=較低的基線溫度，而較低的冷卻氣體18流速=較高的基線溫度。當然，可設想到調整形成冷卻氣體18之氣體混合物及冷卻氣體18流速以控制基線溫度的步驟之組合。
已經觀察到，調整冷卻氣體18之流速及/或熱傳導性可在較小程度上升高或降低相對於中心溫度之邊緣溫度。在一實例中，調整冷卻氣體18之流速及/或熱傳導性之18主要用以使整個溫度分佈或輪廓的溫度上移或下移，以作為對其他變更之回應，如隨時間經過 之鑽石膜60生長、製程氣體14流速之變更，及/或所輸送微波功率之變更。
在另一實例中，以下各者中之兩個或兩個以上者可經調整一致以控制中心及邊緣溫度，且由此控制正在生長之鑽石膜60之溫度分佈或輪廓：(1)由微波發生器6輸送至共振腔室4之微波功率的能量；(2)電漿腔室8內側之壓力；(3)進入電漿腔室8內的製程氣體14之流速；(4)形成製程氣體14之氣體混合物；(5)形成製程氣體14之氣體的百分比組成；(6)間隙38中冷卻氣體18之流速；(7)形成冷卻氣體18之氣體混合物；及(8)形成冷卻氣體18之氣體的百分比組成。
在一實例中，回應於增大製程氣體14之流速，中心及邊緣溫度降低，中心溫度之降低量值大於邊緣溫度。為了補償降低量值大於邊緣溫度之中心溫度降低，可減小冷卻氣體之熱傳導率，例如藉由升高冷卻氣體之Ar部分壓力，由此增大邊緣及中心溫度，中心溫度增大量值大於邊緣溫度。在此實例中，增大製程氣體14流速及降低冷卻氣體18熱傳導率之淨效果將用於對實際邊緣溫度及/或中心溫度，且生長鑽石膜60之邊緣與中心之間的溫度分佈或輪廓的有效控制。在一實例中，增大製程氣體14流速及降低冷卻氣體18熱傳導率之淨效果將用以維持恆定或大體恆定的實際邊緣溫度及中心溫度，且由此維持正在生長的鑽石膜60之邊緣與中心之 間的恆定或大體恆定溫度分佈或輪廓，無論製程氣體14之變更流速及冷卻氣體18之變更熱傳導性為何。
依據本案中描述之原理在第1圖中圖示的第一示例性反應器2中生長的鑽石膜60展現在整個基板上之厚度均勻性，該厚度均勻性大於90%，或大於95%，或大於97%，或大於99%(定義為1減去用所有測量點的標準偏差除以平均厚度之所得值)。低厚度變動可能導致重疊時間縮短，由此改良鑽石膜60之生長後製造的產量。
此外，依據本案中所述原理在第1圖中圖示的第一示例性反應器2中生長而成的剛生長鑽石膜60經視覺檢驗，且選擇位點進行直徑範圍從1mm到170mm直徑的樣本採集。藉由使用Nd-YAG(鋁釔鋁石榴石)雷射切割選定的位點，並進一步檢驗切割品質。然後，將樣本重疊及拋光至所需厚度，0與1.5個條紋之間的平度，及0nm與10nm之間的糙度。然後，清理樣本，且檢驗樣本的材料性質，包括雙折射率。在一實例中，在632.8nm波長下測得的樣本之雙折射率在0與100nm/cm之間、在0與80nm/cm之間、在0與60nm/cm之間、在0與40nm/cm之間、在0與20nm/cm之間、在0與10nm/cm之間，或在0與5nm/cm之間。
圖中可見，在整個MPCVD鑽石膜60生長週期(依據本案中描述原理)在基板34(或正在生長於基板34上之鑽石膜60)上實現並維持均勻溫度分佈(基板 34藉由絕緣間隔物52而與基板固持器36相間隔)可產生具有空間均勻性質的獨立式多晶鑽石膜60，該等性質包括低厚度變動及低空間均勻雙折射率。
在一實例中，依據本案所述原理生長而成之獨立式鑽石膜60可不含裂紋，可具有大於或等於120mm，或大於或等於140mm，或大於或等於160mm，或大於或等於170mm之直徑，及150μm與約3.3mm之間的厚度。
此外，依據本案中所述原理生長而成的獨立式鑽石膜60可展現低殘餘應力，從而在生長後處理期間實現低變形。依據本案所述原理生長而成之獨立式鑽石膜60可用於製造高品質拋光光學視窗，該等視窗的直徑在70mm與160mm之間，而厚度在100μm與3.0mm之間。
據觀察，在第1圖中圖示的第一示例性反應器中，在鑽石膜60於基板34上之生長期間，藉由將中心與邊緣之間的溫度分佈或輪廓自動控制為恆定或大體恆定，生長而成的鑽石膜60可具有低雙折射率，例如在0與100nm/cm之間，或在0與80nm/cm之間，或在0與40nm/cm之間，或在0與20nm/cm之間，或在0與10nm/cm之間。
使用電絕緣與熱絕緣間隔物52避免或消除電弧電勢，且由此在鑽石膜60生長期間避免或消除在基板34與基板固持器36之間的熱點，並經由與間隔物52 實體接觸而降低熱損失(冷點)。每一間隔物52中接觸基板34與基板固持器36之部分(端部)可經拋光以確保整個間隔物的±1μm之均等厚度變動，該等間隔物用以經由間隙38將基板34與基板固持器間隔開。
本案已藉由參考多個實例描述了實施例。他人在閱讀及理解前述實例之後將可設想修改及更動。因此，前述實例不被視作限制本揭示案。
2‧‧‧MPCVD反應器
4‧‧‧共振腔室
6‧‧‧微波發生器
8‧‧‧電漿腔室
10‧‧‧其餘部分
12‧‧‧不透氣介電視窗
14‧‧‧製程氣體
16‧‧‧製程氣體源
17‧‧‧流量控制器
18‧‧‧冷卻氣體
20‧‧‧冷卻氣體源
21‧‧‧流量控制器
22‧‧‧真空源或真空泵
24‧‧‧埠
26‧‧‧埠
28‧‧‧氣態副產物
30‧‧‧歧管
32‧‧‧噴嘴或開口
34‧‧‧基板
35‧‧‧基板固持器
36‧‧‧基板固持器
38‧‧‧間隙
40‧‧‧頂表面
42‧‧‧底表面
44‧‧‧冷卻流體
46‧‧‧冷卻流體源
48‧‧‧熱電模組
50‧‧‧直流電源
52‧‧‧絕緣間隔物
56‧‧‧電漿
58‧‧‧高溫計
60‧‧‧鑽石膜
62‧‧‧製程控制系統
64‧‧‧製程控制系統

Claims (20)

  1. 一種微波電漿反應器，用於藉由微波電漿輔助化學氣相沉積進行多晶鑽石膜之生長，該反應器包括：一共振腔室，由一導電材料製成；一微波發生器，經耦接以將微波饋入該共振腔室；一電漿腔室，包括該共振腔室內部空間之一部分，並藉由一不透氣介電視窗與該共振腔室之一其餘部分隔離；一氣體控制系統，用於將一製程氣體與一冷卻氣體供應至該電漿腔室內，從該電漿腔室中移除氣態副產物，並用於將該電漿腔室維持在相比於該共振腔室之該其餘部分而言的一較低氣壓下；一導電及經冷卻之基板固持器，安置在該電漿腔室之底部；及一導電基板，用於在該基板的背對該基板固持器的一頂表面上生長一鑽石膜，其中該基板平行於該基板固持器安置在該電漿腔室中，該基板藉由一間隙而與該基板固持器相隔開，該間隙具有一高度d，該基板與該基板固持器電絕緣，該氣體控制系統經調適以將該製程氣體供應至該電漿腔室內處於該介電視窗與該基板之間，且該氣體控制系統經調適以將該冷卻氣 體供應至該間隙內。
  2. 如請求項1所述之反應器，進一步包括：一或更多個高溫計，經定位以用於測量該基板之一或更多個溫度；及一製程控制系統，可操作以用於基於由該一或更多個高溫計測得之該基板之一溫度而控制以下各者中兩個或兩個以上者：(1)輸送至該共振腔室之該微波功率的能量；(2)該電漿腔室內側之一壓力；(3)進入該電漿腔室內的該製程氣體之一流速；(4)形成該製程氣體之氣體的一混合物；(5)形成該製程氣體之該等氣體的一百分比組成；(6)該冷卻氣體之一流速；(7)形成該冷卻氣體之該等氣體的一混合物；及(8)形成該冷卻氣體之該等氣體的一百分比組成。
  3. 如請求項1所述之反應器，其中該基板藉由不導電間隔物而與該基板固持器相隔開。
  4. 如請求項3所述之反應器，其中每一間隔物之一端部具有一圓盤、一矩形或正方形，或一三角形之外形。
  5. 如請求項3所述之反應器，其中最少有3個間隔物。
  6. 如請求項3所述之反應器，其中每一間隔物中與該基板的面對該基板固持器的一底表面接觸之一面積小於該基板之該底表面之一總表面面積的0.01%。
  7. 如請求項3所述之反應器，其中該等間隔物中與該基板的面對該基板固持器的一底表面接觸之一總面積小於該基板之該底部之該總表面面積的1%。
  8. 如請求項3所述之反應器，其中分佈該等間隔物，隨後，流入該基板固持器與該基板之間該間隙的一冷卻氣體具有一小於1的雷諾數，使得該冷卻氣流是層狀的。
  9. 如請求項3所述之反應器，其中該等間隔物由一材料製成，該材料在800℃下具有大於1x105歐姆-公分之一電阻率。
  10. 如請求項3所述之反應器，其中該等間隔物由陶瓷製成。
  11. 如請求項10所述之反應器，其中該等間隔物由氧化鋁(Al2O3)製成。
  12. 如請求項3所述之反應器，其中該等間隔 物由一材料製成，該材料屬於以下各者中至少一者之群組：氧化物、碳化物及氮化物。
  13. 如請求項3所述之反應器，其中該等間隔物具有一熱傳導性，該熱傳導性在以下各範圍之一範圍之間：1-50W/mK；10-40W/mK；或25-35W/mK。
  14. 如請求項3所述之反應器，其中滿足以下各者中之至少一者：每一間隔物定位在該基板之一半徑的50%-80%之間；該等間隔物沿該基板之一單個半徑的一圓周分佈；及該基板之一中心與在該基板與該基板固持器之間的每一間隔物之該位置之間，流經該間隙之該冷卻氣體之一雷諾數是以下各者中之一者：小於1；或小於0.1；或小於0.01。
  15. 如請求項1所述之反應器，其中該基板與該基板固持器之間的該間隙之該高度d是以下各者中之一者：在該基板直徑之0.001%與1%之間，或該基板直徑之0.02%與0.5%之間。
  16. 一種在如請求項1所述之該電漿反應器中生長一鑽石膜之方法，該方法包括以下步驟：(a)將該冷卻氣體提供至該基板與該基板固持器之間的該間隙內；(b)將該製程氣體提供至該電漿腔室內；(c)向該共振腔室供應具有充足能量之微波，以使得該製程氣體在該電漿腔室中形成一電漿，該電漿將該基板之一頂表面加熱至750℃與1200℃之間的一平均溫度；及(d)在該電漿腔室中存在該電漿之情況下，回應於該電漿而主動控制該基板之整個該頂表面及/或在該基板之該頂表面上正在生長的該鑽石膜之一整個生長表面上的一溫度分佈，以使得該溫度分佈具有小於該溫度分佈之一最高溫度與該溫度分佈之一最低溫度之間的一預定溫差之溫差。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該溫度分佈經控制以使得該剛生長的鑽石膜具有以下各者中之至少一者：一總厚度變動(TTV)，小於10%，小於5%，或小於1%；及一雙折射率，在0與100nm/cm之間、在0與80nm/cm之間、在0與60nm/cm之間、在0與 40nm/cm之間、在0與20nm/cm之間、在0與10nm/cm之間，或在0與5nm/cm之間。
  18. 如請求項16所述之方法，其中主動控制該溫度分佈之步驟包括以下步驟：控制以下各者中至少兩者：(1)輸送至該共振腔室之該微波功率的能量；(2)該電漿腔室內側之一壓力；(3)進入該電漿腔室內的該製程氣體之一流速；(4)形成該製程氣體之氣體的類型；(5)形成該製程氣體之該等氣體的一百分比組成；(6)該冷卻氣體之一流速；(7)形成該冷卻氣體之該等氣體的類型；及(8)形成該冷卻氣體之該等氣體的一百分比組成。
  19. 如請求項16所述之方法，其中以下各者中之至少一者：在該基板之該頂表面之一中心與一邊緣之間測量該溫度分佈，及/或在正在生長的該鑽石膜之該生長表面之一中心與一邊緣之間測量該溫度分佈；及在該基板之該頂表面之該中心與該邊緣處測量該溫度分佈中該最高溫度與該最低溫度之間的該預定溫差，及/或在正在生長之該鑽石膜之該生長表面之該中心與該邊緣之間測量該預定溫差。
  20. 如請求項16所述之方法，其中該溫度分佈中該最高溫度與該最低溫度之間的該預定溫差小於10℃，小於5℃，或小於1℃。
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