专利名称：利用热灯丝直流等离子体进行金刚石成核和沉积的设备及方法
技术领域：
本发明涉及金刚石薄膜的化学汽相沉积(CVD)，尤其是涉及利用热灯丝DC等离子体CVD进行金刚石薄膜的成核和生长的方法及设备。
背景技术：
热灯丝化学汽相沉积(HFCVD)早已广泛地被研究者用来在各种基底上沉积多晶金刚石，在J.Materials Science(材料科学杂志)17，3106(1998)中，由Matusumoto等人发表的题为“由甲烷—氢气生长金刚石颗粒”一文中详细描述了用于金刚石HFCVD的技术和典型的反应器设计。自该技术公开之后，许许多多的研究人员都试图改进HFCVD技术。在J.Am.Ceram.Soc.72(2)171(1989)中发表的C.E.Spear的题为“未来的金刚石—陶瓷敷层”的综述中，可以看到这一发展。反应器一般包括一根电阻式加热灯丝(resistively heated filament)和一个可被加热或被冷却的基底基座，该基座固定在具有抽吸和压力监控设施的反应室内。灯丝是由高熔点的耐熔金属制成的，它是用来离解通常含有氢和烃的混合物的供气中的氢和其它分子。原子氢和其他离解产物随后与供气反应，生成导致金刚石形成的前体。然后，前体扩散到并冷凝在基底上形成多晶金刚石。灯丝和基底之间的距离一般为0.5～5cm，以这样小的距离，保证生长的足够量的前体在再结合成更稳定分子之前扩散到基底上。
相对于金刚石薄膜生长的其他方法，象微波等离子体CVD(MWCVD)、射频CVD和等离子体射流CVD，金刚石薄膜的HFCVD的一个主要优点是装备投资费用低，对大面积基底很容易按比例扩大生产。利用HFCVD，金刚石生长速率通常不超过5μm/hr，典型的是约1μm/hr(例如，参看PCT国际专利公开WO 91/14798，Garg等人，发明名称为“一种改进的热灯丝化学汽相沉积反应器”)，对于经济上具有生存力的厚膜生产，这是很不够的。当与其他已知的金刚石生长方法相比较时，HFCVD的一个主要缺点是它要求对基底表面进行涂擦或接种金刚石，才能引发金刚石成核。这种预处理导致在基底表面上的浓度相当不足，因此，通常阻碍了获得金刚石异相外延生长的可能性。这种预处理又增加了VCD生产金刚石的费用。
在Applied Physics Letters(应用物理通讯)58(10)，1036-1038(1991)中刊登的Yugo等人的题为“在等离子体化学汽相沉积中由电场生成金刚石晶核”一文中，公开了提高获得成核的方法，提议在进行常规的金刚石CVD生长之前，在硅镜面上先进行金刚石晶核的预沉积。Yugo等人报道金刚石晶核生长要求在氢中高的甲烷含量，低于5％时，晶核生长不发生，只有高于10％甲烷时，才出现高密度的晶核。Yugo等人还报道了相对于CVD等离子体的偏压应当小于200伏，以避免溅射，典型的偏压为70伏。总共的预处理时间限制在2至15分钟的范围内。
最近，Stoner等人(参见国际专利#93/13242，题为“用于金刚石化学汽相沉积的成核增强方法”)和Jiang等人(参见“在硅基底上(001)的外延金刚石薄膜”)，Applied Physics Letters(应用物理通讯)62(26)，3438-3440(1993)各自独立地公开了在硅上进行金刚石薄膜的MWCVD时通过相对于CVD等离子体对基底实施负向偏压来增强金刚石成核。更为重要的是，两个研究组都显示，由于排出了涂擦/金刚石接种的任何预处理，所以维持了其结晶性，伴随着成核的增强，使得金刚石(100)晶核在Si(100)上能形成异相外延生长。在Jiang等人描述的方法中，利用CH4/H2，金刚石MWCVD的典型制法是，相对于微波等离子体，向基底施加-100～-300V的偏压。在Stoner等人描述的方法中，要求保护为提高成核所要求的基底的负偏压不能低于250V。使用改进的HFCVD-DC等离子体法和装置使金刚石成核和金刚石异相外延成核，所需要的设备投资远远小于MWCVD法，这是下文所要讨论的本发明的一大优点。
A.Ikegaya和T.Masaaki在JP 713366(1986)，JP 75282(1987)，和欧洲专利公开0254312A1中早已提出常规HFCVD的改进，使它与DC等离子体CVD相结合。在该方法中，使用热灯丝组作热电子发射体，将栅电极装嵌在热灯丝组和基底之间。为了形成两个DC等离子体区，一个在灯丝组和栅电极之间，另一个在栅电极和基底之间，所以对灯丝组和基底均施加相对于栅电极的负偏压。在这两个等离子体区域内，在栅极—灯丝区域中的等离子体密度要远高于栅极—基底区域内的密度，这是因为从热灯丝发射出热电子。在栅极—灯丝区域内，离子被抽取(extracted)出朝向灯丝，即，进一步远离基底。通过汽相碰撞，这种抽取也将使产生的反应物移动到灯丝附近，而远离基底，而不是向着基底。Ikegaya等人报导利用氢中含1％甲烷，热灯丝和栅极之间40W/cm2的功率密度，栅极和基底之间20W/cm2，约2000℃的热灯丝温度，980～1010℃的基底温度，90乇的压力，在碳化钨基底上的生长速率为2μm/hr。也报导了使用氢中含2％(CH3)2CN的气体混合物，灯丝和栅极之间60W/cm2的功率密度，栅极和基底之间40W/cm2的功率密度，生长速率为12.5μm/hr。Ikegaya等人还报道了，当栅极和基底之间的DC等离子体功率密度大于200W/cm2时，会导致基底遭受溅射腐蚀。Ikegaya等人报导，这种问题的产生是因为在基底上施加了相对于栅极的负偏压将离子吸引到了基底上。高功率密度的DC等离子体产生高的轰击能量和高的电流密度，所诱导的能量粒子轰击引起有损害的溅射腐蚀。
排除溅射问题的理论办法是将基底连接到栅极上或者简单地除掉栅极。通过向灯丝施加相对于基底的负偏压仍能保持DC等离子体。事实上，A.Ikegaya和N.Fujimori在JP176762和PCT专利公开WO92/01828中都公开了这样一种结构。然而，这样两种设计的缺点是在成核和生长时，都不能使任何离子抽取出朝向基底。
因此，仍然存在一种对HFCVD法和设备进行改进的要求，以便提供一种经济可行的办法去控制能量粒子轰击，来改进金刚石的成核和生长。
发明概述本发明公开了一种以高密度在基底上使金刚石成核的方法和设备，而不需要任何涂擦或接种金刚石，并能以高的生长速率有效地使金刚石敷层生长。该方法和设备的设计要考虑到上述热灯丝DC等离子体装置和方法的局限性。
本发明提供一种通过热灯丝放电使金刚石薄膜生长的方法，包括将具有沉积表面的基底固定在汽相沉积室中的基底夹持器上，与基底沉积表面间隔设置一个栅电极，并在该栅电极和该基底沉积表面之间设置灯丝组电极。该方法包括将包含氢和含碳气体的气体混合物通入到汽相沉积室内，并以电阻方式(resistively)将灯丝组电极加热到约1800℃～约2600℃的温度，同时将基底加热到约600℃～约1100℃的温度范围。该方法包括通过向灯丝组电极施加偏压是其相对于基底夹持器为正电压，使基底成核，向栅极施加偏压使其相对于灯丝组电极为正电压。此后，向栅电极施加偏压使其相对于灯丝组电极为正电压，以使沉积表面上的金刚石薄膜生长。
在使基底成核的步骤中，基底被偏置为地电位，灯丝组电极被施以偏压使其相对于基底夹持器形成约20～约300V的电位。对栅极施以偏压使其相对于灯丝组电极形成约20～约300V的电压。
在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤中，基底夹持器和灯丝组电极都被偏置为地电位，对栅电极施以偏压使其相对于灯丝组电极形成约20-300V的电压。
作为选择，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤中，基底夹持器被偏置为地电位，对灯丝组电极施以偏压使其相对于基底夹持器为负电压，其中，相对于基底夹持器，该负电压为约-20～约-300V。
本发明的另一个方面是提供一种为合成金刚石薄膜的热灯丝DC放电等离子体设备。该设备包括具有气体入口的沉积室，反应物气体从入口流入沉积室内；具有用于夹持基底的表面的导电基底夹持器，以及用于加热和冷却该基底夹持器的装置。该设备包括与该基底表面间隔的栅电极；插入该栅电极和该基底夹持器表面之间的一个灯丝组电极，还包括电阻式加热该灯丝组电极的装置。该设备还包括用以向栅电极、灯丝组电极和基底夹持器施加偏压以产生热灯丝DC放电等离子体的装置。施加偏压的装置包括相对于基底夹持器调节栅电极和灯丝组电极的偏压以及它们彼此之间的偏压的装置。
本发明的另一方面是为合成金刚石薄膜，而提供一种热灯丝DC放电等离子体设备，包括具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入沉积室；间隔的第一和第二导电基底夹持器，每一个都适合于支承具有合成金刚石薄膜表面的基底，和用于加热和冷却该第一、第二基底夹持器的装置。本发明还包括位于该第一和第二基底夹持器之间的栅电极；插入该第一基底夹持器和该栅电极之间的第一灯丝组电极，和插入该第二基底夹持器和该栅电极之间之间的第二灯丝组电极。该设备包括用于电阻式加热该第一和第二灯丝组电极的装置。该设备还装有电源装置，用以对栅电极、第一和第二灯丝组电极和第一、第二基底夹持器施加偏压，以产生热灯丝DC放电等离子体，并包括分别相对于第一、第二基底夹持器，调节施加于该栅电极和该第一、第二灯丝组电极上的偏压的装置。
本发明的另一方面是提供一种用于合成金刚石薄膜的热灯丝放电等离子体设备，包括具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入沉积室内；间隔的第一和第二导电基底夹持器，每一个都适合于支承基底，该基底具有一个要在其上合成金刚石薄膜的表面，以及用于加热和冷却该第一和第二基底夹持器的装置。该设备包括与第一基持夹持器相间隔的第一灯丝组电极，和插入该第一灯丝组电极和该第二基底夹持器之间的第二灯丝组电极，和用于电阻式加热该第一和该第二灯丝组电极的装置。该设备还包括向该第一和该第二灯丝组电极以及该第一、第二基底夹持器施加偏压以产生热灯丝放电等离子体的装置，还包括分别相对于该第一和该第二基底夹持器，调节施加于该第一和该第二灯丝组电极上的偏压的装置。
尤其是，本发明中，是将热灯丝放置在栅电极和基底之间。该栅极的平面平行于灯丝的平面。栅极可以是平行的导线，也可以是棒、筛网、或带孔的平板。栅极可以是被冷却的，也可以是被加热的。栅极元件(线或棒)的方向可以是垂直的，也可以是平行的，或者是与灯丝的方向呈一定的角度。热灯丝和基底之间的距离优选小于2cm，并且，热灯丝和栅极之间的距离优选小于5cm。当热灯丝和栅极间的距离设定为0时，热灯丝和栅极处于同一平面上。在系统的通常操作中，优选将生长基底夹持器偏置为地电位。电阻式加热灯丝的功率密度约为20-500W/cm2。在金刚石成核时，相对于基底夹持器，对灯丝施加20-300V的正偏压，相对于灯丝组，对栅电极施加20-300V的正偏压。正因为如此，才能在栅极和灯丝组之间保持DC等离子体。等离子体中的离子被抽取出朝向基底形成有助于成核的粒子轰击。成核过程一般低于10分钟。在金刚石成核期间，在灯丝和栅极之间由来自热灯丝阴极的热离子辐射保持等离子体，以提高等离子体密度。本发明的基底—热灯丝—栅极这一独特的结构可以使基底保持在甚至比热灯丝阴极更负的电位，可导引有效离子抽取出超向基底以提高金刚石成核。
在金刚石生长期间，基底夹持器可以被偏置为地电位。灯丝组或者不被施加偏压，或者相对于基底夹持器被施以负的偏压。在灯丝组上所施加的负偏压通常为-20至-300V。栅极被施以相对于灯丝组的正偏压，为20-300V。典型的等离子体能量密度约为1-300W/cm2。当灯丝不被施以偏压时，DC等离子体主要保持在栅极和灯丝组之间。大的阴极电压降低至接近于灯丝时，将使一些离子从等离子体拉向灯丝。在加工压力下，由于碰撞平均自由程很小(在50乇和1500K下约0.01mm)，这样的超向基底的离子抽取将致使离子能量分出一部分形成动能，给碰撞级(collision cascades)中的中性物质。接着，这些被加速的中性物质向着基底具有一个净平均速率，并具有一个高于系统中平均热能的平均能量，因此提高了朝向金刚石生长的反应概率。但是平均能量远远小于几个电子伏特，这时不足以在基底上导致明显的溅射作用。中性物质超向基底的运动提高了前体的到达速率，这超出了单一扩散所产生的效果。因此，可提高金刚石的生长速率。
对灯丝组施加偏压，使其相对于基底夹持器为负电位，也可以在灯丝组和基底之间维持DC等离子体。然而，在这种操作模式中，高的DC功率输入可导致基底表面温度升高而超出金刚石生长窗(window)，这个生长窗是其他现有的热灯丝DC等离子体技术所共有的一个极限。因此，在本发明的通常操作下，栅极和灯丝组之间的等离子体功率输入要高于灯丝组和基底之间的功率输入。
附图的简要说明参照附图并仅以实施例的方法，对根据本发明利用热灯丝DC等离子体法，使金刚石敷层生长的方法和设备进行描述。
图1是现有技术典型结构的常规HFCVD反应器原理图。
图2是现有技术的、具有典型灯丝—栅极—基底结构的热灯丝DC等离子体CVD反应器原理图。
图3是本发明设备的原理图。
图4是本发明的使金刚石敷层沉积在多个基底上的设备的原理图。
图5是用于沉积金刚石敷层的设备的另一个实施方案的原理图。
图6a是按本发明的以低成核密度模式生产的在Si上异相处延生长金刚石(金刚石(100)//Si(100)，金刚石[110]//Si[110])的光学显微照片；且图6b是按本发明以高成核模式生产的在Si上异相外延生长金刚石(金刚石(100)//Si(100)，金刚石[110]//Si[110])的光学显微照片。
本发明的详细描述现有技术图1示出了在现有技术的金刚石生长方法中所使用的典型HFCVD反应器的原理图。反应器10包括一个反应室12，内装有电阻式加热的灯丝14和加热/冷却的基底夹持器16，其上放置有基底17。还包括泵和压力监控装备(未示出)。反应物气体混合物通过气体扩散单元18送入反应室内。灯丝14是由耐高熔点金属制成，如钨或钽，将其加热到1800-2300℃，以离解反应物气体混合物中的氢和其他分子，这种气体混合物通常含有氢和烃的混合物。原子氢和其他离解产物随即与反应物气体混合物反应，产生导致金刚石形成前体。然后，该前体扩散到基底17并在其上冷凝形成多晶金刚石。灯丝和基底之间的间距通常为0.5～5cm。基底的温度一般保持在700～1000℃。沉积速率和反应效率，可通过灯丝附近反应物产生速度、反应物向基底的扩散速率和金刚石在基底上形成概率的综合情况来确定。
图2说明由A.Ikegaya和T.Masaaki在JP 173366(1986)，JP 75282(1987)和欧洲专利0254312 A1中提出的与直流(DC)等离子体CVD相配合的常规HFCVD的几种改进。参照图2，在该方法中，使用热灯丝20作为热电子发射体，将栅电极22插入在热灯丝20和基底24之间。为了在灯丝20和栅极22之间、以及栅极22与基底24之间形成DC等离子体，利用电源26，对灯丝20和基底24均施加相对于栅电极22的负偏压。本发明图3是按照本发明实施金刚石成核和生长方法的设备40的原理图。将反应物气体混合物通过气体喷射单元44送入沉积反应室42内。将在其上要沉积金刚石薄膜的基底46放置在基底夹持器48上，该夹持器48可通过流经管道50的热交换流体进行加热或冷却。该基底夹持器48安装有感应基底夹持器温度的热电偶52，并与基底温度控制器54连接，以控制热交换流体的温度。
灯丝组58安装在导电棒60上，并在基底夹持器48之上与其形成间隔。栅极64安装在导电棒66上，并在灯丝组58之上与其形成间隔，这样形成一个顺序的栅极—灯丝—基底组合件。灯丝58与基底46的顶部间距优选小于2cm。栅电极64与灯丝组58的间距优选小于5cm。在图3中栅电极64示为导线栅极，但也可以由导线网、金属棒、或能够承受运行温度的开孔金属板所构成。
灯丝组58包括多个具有高熔点的导电金属灯丝，如Ta和W。灯丝组58可承受电阻式加热，至2000℃以上的温度，优选是能离解反应物气体中氢的温度范围。栅电极64和灯丝组58在反应室42内显示基本上是平行的，但也可以理解到这些组件并不需要相互间平行。
在基底成核和金刚石敷层生长时，利用DC电源72和74来提供所需要的DC偏压。尤其是利用电源74来保持灯丝组58和基底46之间所要求的偏压，利用电源72来提供栅极64和灯丝组58之间的所要求的偏压。也应理解，要在其上沉积金刚石薄膜的基底，一般是导电的，这样基底也被施加了与基底夹持器相同电位的偏压。在金刚石沉积期间，利用电源78、优选是AC电源，使灯丝组58保持在1800～2600℃的温度范围内。功率密度约为20-500W/cm2。在生长期间，等离子体功率密度约为1-300W/cm2。在金刚石薄膜沉积期间，栅电极64可以被加热，也可以被冷却。栅电极64可以被电阻式加热和/或利用等离子体能量加热。栅极64可以包括空心棒，并且可以通过流经该电极棒中心的热交换流体进行冷却。
灯丝组58和栅电极64的温度可以由位于沉积室42之外的光学高测计(未示出)、并且通过真空室的窗70集中在灯丝组58上，进行监控。利用通常的流量计和控制器、真空泵和计量计(未示出)来控制气体流量和压力。
反应物气体混合物包括氢、至少一种碳源包括烃类，含氧和/或氮的烃类，含卤素、碳蒸汽、CO、CO2的烃类，和选择性的其他气体，如O2，F2，和H2O。反应物气体压力设定为10-500乇。功率密度约为20-500W/cm2。在生长期间，等离子体功率密度约为1-300W/cm2。
参照图3，在系统的正常运行中，在成核和金刚石生长的步骤中，都将生长基底46保持在地电位。用于电阻式加热灯丝组58的功率密度约为20-500W/cm2。在金刚石薄膜成核的步骤中，灯丝组58被施加了相对于基底的正偏压，优选在相对于基底为正的20-300V的范围内。应当理解的是，优选将基底保持在地电位，但是，只要使灯丝组58处于比基底夹持器更高的正电位，也可以保持基底接近于地电位。栅电极64被施加了相对于灯丝组的正偏压，优选相对于灯丝组58为20-300V，这样，在成核期间，栅电极64维持在高于灯丝组的正电压。因此，在金刚石成核期间，维持在灯丝组电极58和栅极64之间的等离子体，并且，来自被加热灯丝组58的热电子辐射提高了等离子体的密度。使DC等离子体中的离子被抽取出朝向基底46以形成有助于成核的粒子轰击。根据本发明方法，这里所公开的有利的成核过程所需要的时间少于10分钟。本发明的独特结构允许基底46保持在在比被加热灯丝组58更负的电位，从而能引起离子抽取并朝向基底46，以获得增强的金刚石成核。
在金刚石生长步骤中，灯丝组58或者与基底夹持器48导电连接，或者被施加了相对于基底夹持器48的负偏压，优选为-20～-300V。栅极64被施加了相对于灯丝组58的正偏压，优选相对于灯丝组58为20-300V，不管灯丝组是否接地。典型的等离子体能量密度约为1-300W/cm2。当没有向灯丝组58施加相对于基底夹持器48的偏压时(即两者处于相同电位)，也能在栅电极64和灯丝组58之间维持DC等离子体。大的阴极电压降低接近灯丝组58时，将使一些离子从等离子体中抽取出朝向灯丝。在工作压力下，由于碰撞的平均自由程很小(在50乇和1500K下约0.01mm)，这种朝向基底46的离子抽取将导致使离子能量分出一部分成为碰撞级中的中性物质的动能。接着，这些被加速的中性物质以一个净平均速度朝向基底46，并具有一个高于系统中平均热能的平均能量，由此导致反应概率的提高。然而，平均能量将远小于几个电子伏特，这种能量不能足以导致对基底46产生明显地溅射作用。中性物质朝向基底46的运动，提高了前体生长的到达速率，这超出了仅由单一扩散所产生的效果，因此提高了金刚石生长速率。
在可选择的另一种情况下，对灯丝组58施加相对于基底夹持器48的负电位的偏压，这也可以在灯丝组58和基底46之间保持DC等离子体。然而，在这种操作模式中，高的DC功率输入可导致基底表面温度的提高，而超出金刚石生长窗(window)，这是现有的热灯丝DC等离子体生长技术所共有的一种限制。因此，按照本发明的正常操作，在栅电极64和灯丝组58之间的等离子体功率输入要高于灯丝组和基底46之间的功率输入。
图4显示基底—热相丝—栅极—热灯丝—基底的结构90，用于在两片基底46′上沉积金刚石敷层，两片基底固定在相对的基底夹持器48中。灯丝组90可以如图所示垂直地安装在真空室42内，或者将整个组合件在该室内旋转90°，呈水平位置。两个热灯丝组92和94可以使用单独的DC电源加热，也可以使用AC电源加热，或者共享一个共同的DC或AC电源加热(未示出)。两个灯丝组92和94，每一个都装有DC电源，对灯丝组施加相对于地电势(未示出)的偏压。栅电极96位于灯丝组92和94之间，并利用DC电源(未示出)提供偏压，所施加的偏压使其相对于灯丝组92和94为正电位，优选为20～300V。在成核步骤中，灯丝组92和94被施加了相对于相邻的伴随基底46′以正电位的偏压。在成核步骤之后的金刚石生长期间，灯丝组92和94或者完全不被施加偏压，或者相对于伴随基底46′被施加负偏压，这类似于以上图3设备的描述方法。运行范围与图3有关讨论相同。
图5显示了根据本发明的另一个使金刚石敷层生长的结构100。利用单独的AC或DC电源(未示出)，电阻式加热两个灯丝组102和104。两组热灯丝组102和104都可起到栅电极的作用，这样，在操作中，两个灯丝组都采用或者AC或者DC电源、优选使用AC电源(未示出)，被施以适当的偏压，以保持在两个灯丝组之间的等离了体放电。
以下利用非限定性实施例进一步说明本发明。
实施例1光滑镜面石英上的成核利用图3的设备装置，采用对灯丝组58以89V施加偏压，并将其加热到约2160℃的温度，并且，对栅极64施加200V偏压，甚至可在光滑镜面石英上实现金刚石成核。反应物气体混合物是甲烷/H2的混合物，各自的流速为甲烷每分钟6.5标准立方厘米(sccm)，氢300sccm，总压力为30乇。成核过程持续约10分钟。然而关掉在灯丝组58上的偏压，将对栅电极64所施加的偏压调到120V，使金刚石生长。获得相干性(coherent)和均匀性良好的小面状金刚石薄膜。在相同的生长条件下，但没有成核步骤，在光滑镜面石英上只形成厚度不均的碎片状金刚石。后来的试验表明成核时间可以在2-5分钟的范围内。
实施例2在硅上的金刚石异相外延生长(参看图6)利用图3的方法和设备，在用HF溶液预先净化的硅的Si(100)上使定向结晶的金刚石生长，用约2200℃的灯丝温度，219V的栅极偏压和130V的灯丝偏压，进行成核。反应物气体混合物是甲烷/H2的混合物，各自的流速为甲烷6sccm，氢300sccm，总压力为50乇。成核时间约10分钟。然后对灯丝组施以OV的偏压，使金刚石生长。在此过程中，将栅极偏压变成112V。图6a清楚地显示金刚石(100)立方晶体，其(100)面与Si(100)对准，金刚石方位面[110]与Si[110]的方位面对准。当金刚石以高成核密度生长时，将形成具有金刚石(100)//Si(100)，和金刚石[110]//Si[110]的相干膜(coherent film)，如图6b所示。
实施例3金刚石薄膜的快速沉积利用图3的装置，使金刚石敷层生长160小时，达到2.5mm厚，和2″直径。金刚石生长的压力为30乇，对栅电极施加的偏压相对于灯丝组为45V。灯丝功率密度约为170W/cm2，等离子体功率密度为40W/cm2。生长速率为16μm/hr。拉曼和X射线光电子谱都表明样品是纯金刚石，没有杂质(数据未列出)。
实施例4金刚石薄膜的更快速沉积利用图3的装置，使金刚石敷层在基底上生长44小时，达到0.93mm厚、2″直径。金刚石生长的压力为30乇，对栅电极施加的偏压相对于灯丝组为50V。生长速率为21μm/hr。拉曼和X射线光电子谱都表明样品是纯金刚石，没有杂质(未列出数据)。灯丝功率密度约为170W/cm2，等离子体功率密度约为50W/cm2。
本发明方法的优点超过了EP0254560中公开的金刚石薄膜生长方法的优点，这是因为在后者中有助于金刚石成核步骤的离子抽取无法进行，其原因是这样一个事实，即热灯丝是有效的电子发射体，因而可最有效地用作DC等离子体构造中的阴极。在EP0254560中，基底只能被有效地用作阳极，等离子体中的离子被吸引到阴极上，而不是到阳极上。
本发明方法的优点超过了EP0254312中公开的金刚石薄膜生长方法的优点。因为在EP0254312中，栅电极位于灯丝和基底之间，总是对灯丝施加正偏压来保持DC等离子体。在栅极和灯丝之间离子从等离子体中抽取出朝向阴极热灯丝，将降低离子—中性物质碰撞级中的中性物质的净流量，而远离基底。正因为如此，在热灯丝附近和其上所产生的许多生长反应物，和等离子体中产生的那些反应物，都不能得到有利的使用，因此被浪费掉。尽管当基底被施加了相对于栅极的负偏压，来自等离子体的一些离子可以被抽取出而朝向基底，但是，这些离子是从灯丝和栅极之间DC等离子体的阳极(栅极)抽取出来的。因此，这种抽取是无效的，这是与本申请中所公开的技术相比较而言的。
虽然利用基底作阴极和栅极作阳极，事实上可以保持DC等离子体，在典型的金刚石生长压力50乇下，从两个相隔1cm的平行电极产生的DC灼热放电将要求DC电压远远高于图3所示的装置，才能在基底上获得相同的离子流密度。这是因为在二个冷电极之间保持的DC等离子体取决于第二个电子辐射。因此阴极的离子轰击和更高阴极电压会产生更高的电子辐射，而利用热电子辐射，它与阴极电压没有直接关系，但有利于用热灯丝作阴极来保持DC等离子体。而且，热灯丝CVD系统中，灯丝和被涂敷基底顶部之间的典型距离为约0.5-1cm。因此，为均匀沉积将栅极插入到这样一个空间内，从技术角度考虑是困难的。灯丝和基底间距的增加会降低热灯丝金刚石CVD的效率。
在WO92/01828中描述的金刚石生长方法中，介绍了一种电阻式加热位于两个生长基底间的灯丝组的灯丝架，这样可引发在灯丝组和基底之间进行DC放电。这样一种安排非常类似于EP254560中描述的技术。这种方案和本文公开技术之间的主要区别是该方案缺乏灵活性，并且它不能进行离子抽取，和导致金刚石成核和生长的粒子轰击。进而，对于EP254560和WO92/01828两篇文献中公开的技术而言，DC等离子体流是直接从基底抽取的。所以，问题是基底温度限制了最大功率密度，该温度是不可能高于金刚石的生长温度范围的。在本专利所公开的技术中，在超出灯丝—基底区域以外也能保持DC等离子体，这样，直接沉积在基底表面上的总能量密度将不会过高，而且仍能产生被激活的反应物，并输送到基底上。
结论是，这里所公开的金刚石生长新方法，由于将DC等离子体结合到具有电极结构的金刚石的热灯丝CVD中(基底—热灯丝—栅极)而得以提供增强的成核密度和生长速率，这种结构在金刚石成核和生长期间，能有效地将抽取的离子和生长的前体输送到基底上，这是与灯丝—栅极—基底结构和基底—灯丝—基底结构相比较而言的。此外，本发明方法，为减小基底过热，在保持DC等离子体远离基底表面这个方面，提供了极大的灵活机动性。
以上对本发明优选实施方案的描述是用来说明本发明的原理的，而不是将本发明限制于所描述的特定实施方案。应当指出，本发明的范围可由以下权利要求中包含的所有方案和它们的同等方案来限定。
权利要求
1.一种通过热灯丝放电使金刚石薄膜生长的方法，包括a)将具有沉积表面的基底设置于在汽相沉积室中的基底夹持器上，与基底的沉积表面相间隔地提供一个栅电极，提供一个插入所述的栅电极和所述的基底沉积表面之间的灯丝组电极；b)将含有氢和含碳气体的气体混合物流入所述的汽相沉积室内，并电阻式加热灯丝组电极到约1800℃至约2600℃的温度范围内，所述的基底被加热到约600℃至约1100℃的温度范围内；c)通过对灯丝组电极施以相对于基底夹持器为正电极的偏压、以及对栅电极施加相对于灯丝组电极的电压为正电压的偏压，使基底成核；随后d)对栅电极施以相对于灯丝组电极的电压为正电压的偏压，使沉积表面上的金刚石薄膜生长。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在成核步骤期间，将该基底偏置以地电位，对该灯丝组电极施加相对于地电位为约20至约300V范围内的电位的偏压，对该栅电极施以相对于该灯丝组电极为约20至约300V范围内的电位的偏压。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤期间，将该基底夹持器和该灯丝组电极都偏置以地电位，并且，对该栅电极施以相对于该灯丝组电极为20-300V范围内的电压的偏压。
4.根据权利要求1，2或3的方法，其特征在于，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤期间，将该基底夹持器偏置以地电位，并且对该灯丝组电极施以相对于基底夹持器以负电压的偏压，所述的相对于基底夹持器的负电压在约-20至约-300V的范围内。
5.根据权利要求1，2，3或4的方法，其特征在于，所述的含碳气体选自烃类，含氧和/或氮的烃类，和含卤素、碳蒸汽、CO和CO2的烃类。
6.根据权利要求1，2，3，4或5的方法，其特征在于，所述的气体混合物还含有O2，F2，H2O中的任一种，和惰性气体，和它们任意组合。
7.根据权利要求1，2，3，4，5或6的方法，其特征在于，所述的气体混合物的压力保持在约10至约500乇的范围。
8.根据权利要求1，2，3，4，5，6或7的方法，其特征在于，所述的灯丝组电极由选自交流电源或直流电源中的任何电源以电阻式加热。
9.根据权利要求1，2，3，4，5，6，7或8的方法，其特征在于，所述的基底是一种工具。
10.一种利用热灯丝DC放电等离子体使金刚石薄膜敷层生长的设备，包括a)具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入所述的沉积室内；b)具有用于夹持基底的表面的导电基底夹持器，和用于加热和冷却所述基底夹持器的装置；c)与所述基底表面相间隔的栅电极；d)插入所述栅电极和所述基底夹持器表面之间的灯丝组电极，以及用于电阻式加热所述灯丝组电极的装置；e)对所述栅电极、所述灯丝组电极和所述基底夹持器施以偏压以产生热灯丝DC放电等离子体的装置，包括用于调节施加于所述栅极和所述灯丝组电极相对于所述基底夹持器、以及它们相互之间的偏压的装置。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述的基底位于所述的基底夹持器上，所述的灯丝组电极与其上要合成所述金刚石薄膜的基底的表面相间隔，其间距小于或等于约2cm，所述的灯丝组电极与所述的栅电极相间隔，其间距小于或等于约5cm。
12.根据权利要求10或11的设备，其特征在于，所述的栅电极选自间距棒、导线组、导线网或具有多个孔的金属板。
13.根据权利要求10、11或12的设备，包括用于加热和冷却所述栅电极的加热和冷却装置。
14.根据权利要求10，12，或13的设备，其特征在于，所述的用于电阻式加热所述灯丝组电极的装置，选自交流或直流电源。
15.根据权利要求10，12，13或14的设备，其特征在于，所述的用于加热和冷却所述基底夹持器的装置包括附加到所述基底夹持器上并与温度控制器相连的热电偶。
16.一种用于沉积金刚石敷层的设备，包括a)具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入所述的沉积室；b)相距的第一和第二导电基底夹持器，每一个都适合支承具有在其上合成金刚石薄膜的表面的基底，用于加热和冷却该第一和第二基底夹持器的装置；c)位于所述第一和第二基底夹持器之间的栅电极；d)插入所述的第一基底夹持器和所述栅电极之间的第一灯丝组电极，和插入所述的第二基底夹持器和所述栅电极之间的第二灯丝组电极，以及用于电阻式加热所述第一和第二灯丝组电极的装置；和e)对所述栅电极和所述第一和第二灯丝组电极、以及所述的第一和第二基底夹持器施加偏压，以产生热灯丝DC放电等离子体的装置，包括用于调节对所述栅电极和所述第一和第二灯丝组电极上施加的相对于所述的第一和第二基底夹持器的偏压的装置。
17.根据权利要求16的设备，其特征在于，当所述的基底位于所述的基底夹持器上时，所述的第一灯丝组电极与在其上要合成金刚石薄膜的所述表面相间隔，其间距小于或等于约2cm，所述第一灯丝组电极与所述栅电极相间隔，其间距小于或等于约5cm，并且，所述的第二灯丝组电极与要在其上合成金刚石薄膜的第二基底的表面相间隔，其间距小于或等于约2cm，所述的第二灯丝组电极与所述的栅电极相间隔，间距小于或等于约5cm。
18.根据权利要求16或17的设备，其特征在于，所述的用于电阻式加热所述第一和第二灯丝组电极的装置选自交流或直流电源。
19.根据权利要求16，17或18的设备，其特征在于，所述的用于加热和冷却所述第一和第二基底的装置，包括附加在所述基底夹持器上并与温度控制器相连接的热电偶。
20.根据权利要求16，17，18或19的设备，其特征在于，所述的栅电极选自间隔棒、导线组、导线网或具有多个孔的金属板。
21.根据权利要求16，17，18，19或20的设备，包括用于加热和冷却所述栅电极的加热和冷却装置。
22.一种沉积金刚石敷层的设备，包括a)具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入所述的沉积室内；b)间隔的第一和第二导电基底夹持器，其每一个适用于支承具有在其上要合成金刚石薄膜的表面的基底，和用于加热和冷却第一和第二基底夹持器的装置；c)与所述的第一基底夹持器相间隔的第一灯丝组电极，和插入所述的第一灯丝组电极和所述的第二基底夹持器之间的第二灯丝组电极，以及用于电阻式加热所述第一和第二灯丝组电极的装置；和d)用于对所述的第一和第二灯丝组电极以及所述的第一和第二基底夹持器施加偏压，以产生热灯丝放电等离子体的装置，包括用于调节所述的第一和第二灯丝组电极分别相对于所述的第一和第二基底夹持器的偏压的装置。
23.根据权利要求22的设备，其特征在于，所述的放电等离子体是AC等离子放电或DC等离子体放电。
24.根据权利要求22或23的设备，其特征在于，所述的第一和第二基底夹持器相对设置，所述的第一灯丝组电极与第一基底夹持器上的基底表面相间隔，间距小于或等于约2cm，所述的第二灯丝组电极与第二基底夹持器上的基底表面相间隔，间距小于或等于约2cm，并且，所述的第一和第二灯丝组电极彼此之间的间距小于或等于约5cm。
25.根据权利要求22，23或24的设备，其特征在于，所述的用于电阻式加热所述的第一和第二灯丝组电极的装置选自交流或直流电源。
26.根据权利要求22，23，24或25的设备，其特征在于，所述的用于加热和冷却所述第一和第二基底的装置包括附加在所述基底夹持器上并与温度控制器相连的热电偶。
全文摘要
利用热灯丝DC等离子体沉积使金刚石成核和生长的方法和设备。该设备采用电阻式加热的灯丝组离解反应物气体中的氢。对于二面的金刚石生长,使用基底－热灯丝－栅极－热灯丝－基底的结构,或基底－热灯丝－热灯丝－基底的结构。对于后一种结构,用两个独立的灯丝组作为热灯丝和栅极,并保持灯丝组之间的AC或DC等离子体。对于这种和其他电极结构,对栅电极施加相对于热灯丝的正偏压,以保持等离体。等离子体的电位梯度跨越栅极,热灯丝将从等子体中抽取的离子超向灯丝。为进一步提高沉积速度,对灯丝组施加相对于基底夹持器的负偏压,使得在基底和灯丝组之间的DC等离子体也得以保持。在成核期间,对与基底夹持器相邻的灯丝施加相对于基底的正偏压,使得离子被加速朝向基底,接着,又提高了生长前体流向基底,导致在基底上产生高的金刚石成核密度,而不需要涂擦或接种金刚石的预处理。这种成核方法简化了生长过程,并提供了一种在单晶基底,如Si(100)上,既方便又经济地进行金刚石晶核异相外延生长的方法。
文档编号C30B29/04GK1261927SQ98806931
公开日2000年8月2日 申请日期1998年7月7日 优先权日1997年7月7日
发明者孙碧武, 刘焕明 申请人:Cvd金刚石公司