生产金刚石的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生产金刚石及执行用于金刚石原位(in situ)生长的实时原位分析的实时测量的装置和方法。特别地，本发明涉及通过微波等离子体增强的化学气相沉积(MPCVD)生产金刚石以及执行用于金刚石原位生长分析的实时测量的装置和方法。
【背景技术】
[0002]金刚石，诸如单晶金刚石，具有大范围的科学、工业和商业应用的可能性，诸如宝石、散热设备、半导体设备、光学窗口、电磁波导、粒子探测器、量子计算设备等等。随着多年来单晶金刚石商业需求的增加，有必要在不降低单晶金刚石品质的条件下提高光学和科学级单晶金刚石的产量。然而，缺陷、夹杂物、微观晶界、其它取向是必须详细地表征的单晶金刚石中通常发现的主要缺陷。
[0003]存在许多不同的用于生产单晶金刚石的化学气相沉积(CVD)装置和方法。例如，微波等离子体增强的化学气相沉积(MPCVD)方法可用于生产高品质单晶金刚石。目前，在完成金刚石的生长后通过各种测量仪器，诸如显微镜、分光镜等表征单晶金刚石的性质。金刚石的晶体结构和金刚石的晶体表面性质可以通过分析技术，诸如X-射线衍射(XRD)、反射高能电子衍射(RHEED)等测量。然而，这种非原位分析只能在生长的金刚石从CVD反应腔室移出时执行。即使这些测量仪器和分析技术可以识别金刚石中的缺陷、污染物和夹杂物，也很难在随后的工艺中去除它们。
[0004]此外，单晶金刚石生长所需的CVD工艺的温度通常是950°C到1000°C，这导致石英拱顶(dome)的过度加热。石英拱顶不能高效地消散单晶金刚石生长过程中在反应体系(regime)内生成的热量。因此，石英拱顶的温度必须在几个位置监控以得到平均温度的估值，从而需要在不同的位置处的多个高温计。此外，由于在传统的CVD装置中仅对石英拱顶提供空气冷却，因此石英拱顶不能高效地被冷却以控制其温度。高的石英拱顶温度可能导致O型圈故障，这导致污染气体泄漏进入反应腔室内。最终，由于反应腔室内污染气体的存在，生长的金刚石晶体品质可能下降。
[0005]美国专利N0.6837935公开了一种形成金刚石膜的方法和膜形成装置。具体地，它教导了使用分光镜测量从等离子体放电发出的光的光谱。然而，它没有提出任何在金刚石生长表面上原位执行表征的方法。有必要在早期提供前述的分析并确定缺陷。本发明的一个目的是提供一种不中断生产工艺而在生产工艺过程中获得金刚石生长表面的实时特性的装置和方法。更具体地，可在能够运行CVD工艺的腔室中在金刚石的生长过程中实时原位进行缺陷的表征，以使得CVD工艺能够及时优化，以提高高品质金刚石的产量。
[0006]本发明的另一个目的是提供一种冷却反应体系和准确地控制反应腔室温度的方法。
[0007]本发明的其它目的和优点通过结合附图的如下描述将会是显而易见的，其中，通过说明和举例的方式，公开了本发明的实施方案。
【发明内容】
[0008]根据本发明的第一个方面，提供一种用于生产金刚石和执行实时原位分析的装置，包括:
[0009]外壳，
[0010]反应腔室，所述反应腔室在结构上连接到所述外壳，所述反应腔室包括适于容纳金刚石生长的封闭区域，
[0011]辐射工具，所述辐射工具在所述外壳内安装在所述反应腔室上方，所述辐射工具适于发射微波到所述反应腔室内，以实现所述反应腔室内金刚石的生长，
[0012]介电盖，所述介电盖设置在所述反应腔室的顶部处，并适于允许来自所述辐射工具的辐射波进入所述反应腔室。
[0013]根据本发明的第二个方面，提供一种用于生产金刚石和执行实时原位分析的装置，包括:
[0014]外壳，
[0015]反应腔室，所述反应腔室在结构上连接到所述外壳，所述反应腔室包括适于容纳金刚石生长的封闭区域，
[0016]辐射工具，所述辐射工具在所述外壳内安装在所述反应腔室上方，所述辐射工具适于发射微波到所述反应腔室内，以实现所述反应腔室内金刚石的生长，
[0017]介电盖，所述介电盖设置在所述反应腔室的顶部处，并适于允许来自所述辐射工具的辐射波进入所述反应腔室，
[0018]记录工具，所述记录工具安装在环形外壳内，且安装在所述反应腔室上方，
[0019]测量机构，所述测量机构设置在所述反应腔室的周边处，所述测量机构包括发射分析束的工具和接收分析束的工具，
[0020]显微镜，所述显微镜邻近设置在所述反应腔室的外侧上。
[0021]根据本发明的第三个方面，提供一种生产金刚石和执行实时原位分析的方法，包括:
[0022]提供根据权利要求1至22所述的装置，
[0023]在所述反应腔室内放置多个金刚石晶种，
[0024]将氢气供应到所述反应腔室内，
[0025]将从所述辐射工具发射的微波引导到所述反应腔室内，以形成等离子体放电，
[0026]将反应气体的混合物供应到所述反应腔室内，
[0027]使金刚石生长到预定厚度，
[0028]测量已生长金刚石层的一组预定特性，
[0029]基于测定结果执行实时原位分析，
[0030]根据原位分析结果调节工艺条件，
[0031]使金刚石生长，直至获得期望的厚度。
【附图说明】
[0032]通过参照附图阅读以下优选实施方案的详细描述，本领域的普通技术人员可以更全面地理解本发明，在这些附图中:
[0033]图1图解了根据本发明第一实施方案的生产金刚石的装置的示意图。
[0034]图2图解了根据本发明第二实施方案的生产金刚石的装置的示意图。
[0035]图3示出了根据本发明第一实施方案在金刚石的生产过程中执行实时原位分析。
[0036]图4示出了根据本发明其它实施方案在金刚石的生产过程中执行实时原位分析。
[0037]图5图解了图4中沿虚线A-A的反应腔室的俯视图。
[0038]图6图解了依据本发明的优选实施方案用于生产金刚石和执行实时原位分析的方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0039]这些附图是示意性的，且并不按比例绘制。在这些附图中，对应于已描述元件的元件具有相同的附图标记。
[0040]根据本发明的第一个方面，提供了一种能够运行生产金刚石的化学气相沉积的装置。该装置包括外壳，该外壳具有结构上连接到该外壳的反应腔室。该反应腔室包括适于在其中容纳金刚石生长的封闭空间。
[0041]辐射工具在外壳内安装在反应腔室上方。该辐射工具适于发射微波到反应腔室中，以实现反应腔室内金刚石的生长。
[0042]反应腔室的顶部提供有介电盖，其适于允许来自辐射工具的辐射波进入反应腔室并同样允许记录工具(将在后面描述)记录反应腔室内金刚石生长的图像和视频。
[0043]要指出的是，图1的概述将足以描述图2至4中同样命名的部件。
[0044]图1图解了根据本发明第一实施方案的能够运行化学气相沉积(CVD)工艺的装置100的示意图。该CVD工艺包括微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或任何其它合适的CVD工艺。如图所示，装置100包括外壳102，其安装在反应腔室112的顶部上。
[0045]图2图解了根据本发明第二实施方案的能够运行化学气相沉积(CVD)工艺的装置100