無機材料、制作其的方法和裝置、及其使用的制作方法
【專利摘要】公開了用于產(chǎn)生例如氮化物之類的材料的PVD和HPHT方法和裝置。
【專利說明】無機材料、制作其的方法和裝置、及其使用
[0001]本發(fā)明涉及無機材料、制作其的方法和裝置、及其使用；并且特別地但不排它地適合于制作陶瓷材料，諸如II1-V半導體。
[0002]下面，參考制作II1-V半導體(特別地但不排它地，氮化物)，但是對于本領域技術人員將清楚的是，公開的方法和裝置可以用于其它材料的產(chǎn)生，并且作為示例，例示了金剛石的制造。
【背景技術】
[0003]II1-V 半導體
II1-V半導體是基于二元II1-V化合物的材料，其中III族元素與V族元素相匹配。
[0004]雖然已知道GaAs達長的時間，但是當前的關注在于II1-V氮化物化合物GaN、InN和A1N，以及Ga、Al和In的三元和四元氮化物。諸如AlN和GaN之間、或InN和GaN之間的二元合金(三元化合物)分別通常被稱為AlGaN和InGaN。這些常規(guī)名稱AlGaN和InGaN不是化學上正確的分子式并且下面使用術語(Al、Ga、In) N。
[0005]“(Al、Ga、In) N”意圖被廣泛地解釋為意指Al、Ga和In的氮化物(AIN、GaN、InN)及其合金，并且包含合成物(Alp GajInk) N (其中i+j+k=l)連同非化學計量合成物(其中i+j+k Φ I)和摻雜合成物的材料。
[0006]GaN> AlN和InN合乎六邊形(纖維鋅礦)和立方體(閃鋅礦)晶體結構兩者。六邊形形式在室溫和壓強下是穩(wěn)定形式，但立方體形式可以通過在合適襯底上薄膜的外延生長來制作。六邊形和立方體的GaN和AlN兩者已知作為用于半導體器件的襯底。GaN、AlN和InN的纖維鋅礦多形體形成具有從InN的0.78eV，通過GaN的3.42eV，到AlN的6.2eV變動的帶隙的連續(xù)的合金系，因此潛在地允許在從紅到紫外中變動的波長下有效的光學器件的制造。
[0007]II1-V半導體或被摻雜II1-V半導體已被提出用于許多應用或在用于許多應用的使用中，包括:
電子器件，例如且不限于:高電子遷移率晶體管(HEMT)，也被稱為異質(zhì)結構FET (HFET)或調(diào)制摻雜FET (MODFET);金屬半導體場效應晶體管(MESFET);雙極(結型)晶體管(BJT)；異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)；肖特基二極管；晶閘管；整流器；RF/微波發(fā)射器；高壓功率電子裝置；氣體傳感器；致動器；
光電子器件，例如且不限于:發(fā)光二極管(LED);激光二極管(LD);深紫外光源(http://en.wikipedia.0rg/wiki/Deep_ultrav1let);光探測器；光學存儲介質(zhì)中的電介質(zhì)；
壓電器件，例如可以在超過400°C中操作的高溫壓電器件。
[0008]電聲器件，例如但不限于:表面聲波(SAW)器件(http://en.wikipedia.0rg/wiki/Surface_acoustic_wave)；
MEMS器件，例如但不限于:薄膜體聲共振器(FBAR或TFBAR)(
hnp;//cii,uikipediii)rg/*ikLn..h3n...film hulk acuysiix- a'otiakir)；自旋電子器件(hiip:/fcnAviipAtb—rtrg>\viki/Spimr_ics)
器件襯底和封裝，特別是在高熱傳導率是重要的情況下。
[0009]可以在各種地方發(fā)現(xiàn)當前制造技術和應用的回顧，包括:Handbook ofNitride Semiconductors and Devices, ed.Hadis Morkoc,2008, Wiley-VCH, ISBN978-23-527-40837—5; Substrates for GaN-Based Devices: Performance Comparisons andMarket Assessment, Strategies Unlimited report SC-27, 2006，以及后續(xù)報告 SC-29，2009。
[0010]在半導體應用中用作襯底的材料要求高純度和低缺陷水平。缺陷可以合乎許多種類，并且在襯底上生長的材料的缺陷的共用源是晶格失配。
[0011]發(fā)光二極管可以包含在襯底上生長的GaN及其與InN和AlN的合金(通常稱為InGaN和AlGaN)的層。通常使用的襯底包括但不限于硅、藍寶石(Al2O3);碳化硅；氮化鎵；和氮化鋁。藍寶石和硅具有不昂貴的優(yōu)勢(藍寶石是硅的大約兩倍昂貴)，但是具有與GaN的大的晶格失配。晶格失配是重要的，因為它在襯底上生長的材料中導致應變和缺陷。為了克服應變，通常使用間層來提供漸進的改變，但這增加了制造的復雜性和成本。
[0012]單晶體碳化娃具有與GaN更好的晶格匹配，并且具有聞熱傳導率，這對聞功率應用是有用的，但是適合于用作半導體襯底的材料成本是藍寶石襯底成本的10倍還多。工業(yè)正在尋求的是用作襯底的高質(zhì)量的GaN和Α1Ν。雖然襯底是可獲得的，但是質(zhì)量不定并且成本非常高(大約是碳化硅襯底成本的10倍或更多倍)。
[0013]由于高帶隙，G aN是制造藍光LED和激光二極管的優(yōu)選材料。AlN是用于制造紫外激光二極管的優(yōu)選材料。由于其高熱傳導率和低介電常數(shù)，AlN還是用于非常高功率高頻率器件的優(yōu)選材料。
[0014]制造方法
隨著時間的過去，已提出了用于制造II1-V半導體的各種方法。
[0015]化學反應方法
體氮化鋁粉末通常通過諸如在氮環(huán)境下碳熱還原氧化鋁的方法來制作[例如US4618592]。然而，這產(chǎn)生如下粉末:該粉末要求燒結助劑來產(chǎn)生密體，并且具有太多的雜質(zhì)而不允許用作半導體的襯底。
[0016]已提出直接將鋁粉末氮化來作為產(chǎn)生供隨后燒結的AlN的手段。
[0017]JP63095103 [根據(jù)英文摘要(來自espacenet)]涉及一種工藝，其中鋁金屬粉末和NH3/H2通過N2/Ar等離子體并且在下游收集所得到的粉末。
[0018]JP63095103 [根據(jù)英文摘要(來自espacenet)]涉及類似的工藝，其中包含N2/NH3/H2和惰性氣體的氣體被激發(fā)以形成等離子體，工藝的末尾部分沖擊金屬Al以使其熔化和蒸發(fā)，并且由此形成超細的AlN粒子。
[0019]物理蒸汽沉積
物理蒸汽沉積(PVD)是如下工藝:其中通過物理手段產(chǎn)生蒸汽，并且涂覆被沖擊蒸汽的襯底。蒸汽通常由蒸發(fā)工藝(通過加熱)或由濺射來產(chǎn)生。在稱為反應沉積的工藝中，可以引入氣體以與蒸汽在襯底表面處反應。有時可以使用電子束來轟擊沉積表面并且?guī)椭练e。
[0020]US4997673涉及如下物理蒸汽沉積方法(反應蒸發(fā)):通過把襯底放置在真空中，并且使襯底經(jīng)受鋁并且經(jīng)受氮離子照射而形成氮化鋁膜。使用鋁的電子束加熱來使鋁蒸發(fā)，其中電子束由容納在真空室內(nèi)的電子槍提供。所述室中的壓強是10_5到10_7Torr[l.33mPa到 13.3 μ Pa]。
[0021]US7494546涉及用于在系統(tǒng)中產(chǎn)生氮化物薄膜和涂層的反應蒸發(fā)工藝，該系統(tǒng)操作在 KT1 到 KT8Torr [13.3Pa 到 1.33 μ Pa]，其中在 1(T4 Torr [13.3mPa]的 GaN 的最佳生長速率僅是 3-4A.S4 [1.08-1.44 μ m/ 小時]。
[0022]反應蒸發(fā)工藝未被展示具有?10 μ m/小時以上的沉積速率，并且因此已被用于膜的產(chǎn)生而不是體材料的制造。低沉積速率不僅具有制造的速度和能量成本的缺點，而且它們冒著在生長材料中俘獲雜質(zhì)的風險。
[0023]US5534314討論了正常PVD工藝的缺點[高真空要求和低沉積速率]并且涉及用于把蒸發(fā)物蒸汽沉積到襯底上的工藝，該工藝包括:把襯底呈現(xiàn)到沉積室，其中所述沉積室具有從0.0OlTorr [133mPa]到大氣壓強的操作壓強并且在操作壓強下已將其耦合到提供載體流的裝置和提供電子束的裝置，并且進一步包含蒸發(fā)物源；用電子束沖擊蒸發(fā)物源以生成蒸發(fā)物；在載體氣流中夾帶蒸發(fā)物；以及用包含夾帶的蒸發(fā)物的載體流涂覆襯底。
[0024]與PVD工藝期望的所述?10 μ m/小時相比，US5534314宣稱>100 μ m/分鐘的沉積速率，并且聲稱氮化物是可以使用電子束蒸發(fā)的材料。然而US5534314沒有設想蒸發(fā)物與載氣流的反應并且不是反應蒸發(fā)工藝。 申請人:不知道這個工藝將用于II1-V半導體的產(chǎn)生。
[0025]濺射通常被認為提供比蒸發(fā)PVD更高的沉積速率。在濺射中，用通常來自等離子體的離子轟擊靶(target)，并且來自靶的原子行進到襯底。
[0026]US6692568和相關的US6784085 (等等)公開了一種方法，該方法被宣稱通過濺射工藝產(chǎn)生單晶體ΜΠΙΝ，在濺射工藝中Ar/N2混合物與磁控管裝置和中空陰極等離子體注射器組合使用以在靶上方形成等離子體，并且從靶濺射的原子被用于反應地涂覆襯底。在這個布置中，靶和等離子體注射器用作陰極并且襯底作為陽極。在這個工藝的實施例中的一個中，提供環(huán)形密封罩和磁體來把濺射材料聚焦到襯底上。
[0027]與使用用于反應沉積的濺射工藝相關聯(lián)的主要問題是難以控制反應物比例。例如，當產(chǎn)生AlN時，將需要小心地控制Ar中N2的比率。氣體混合物中太少的N2意味著到達襯底的Al原子的比例將太高，并且因此沉積材料將是AlN和Al金屬的混合物。太多的N2引起Al靶變得被AlN的薄膜涂覆，在靶表面上引起電弧。這個電弧可以引起靶表面在Al的小的微滴中爆炸，其不能與被電離的氮充分反應，再次形成AlN和Al金屬的混合物。US6692568公開了用于接近濺射靶濺射的氣體的插入和等離子體的生成。
[0028]由于其缺陷，發(fā)明人知道蒸發(fā)和濺射PVD工藝兩者當前不在商業(yè)使用中用于制造針對微電子裝置的體II1-V半導體；然而PVD工藝(諸如分子束外延(MBE)及其它)被用于在襯底上產(chǎn)生氮化物膜和層。
[0029]W02009/066286涉及通過反應蒸發(fā)方法產(chǎn)生附著到襯底的無定形II1-V材料。
[0030]例如，用于制作體高純度II1-V半導體襯底的當前的商業(yè)方法顯現(xiàn)為集中在其它技術上。
[0031]化學蒸汽沉積
化學蒸汽沉積是如下工藝:在工藝中汽相反應物組合以在襯底上產(chǎn)生沉積。[0032]商業(yè)上使用的方法被稱為氫化物汽相外延，其中載氣離解從而形成沉積和易揮發(fā)氣體，例如氯化氫。通常，氨被用作氮的載體，并且氯化物物種作為III族元素的載體，然而可以使用有機金屬材料。
[0033]這樣的化學工藝易于導致來自化合物材料源或來自工藝中使用的安全殼的污染[例如氧、鹵化物和碳]。氧是尤其普遍的污染物，并且針對這些材料的典型純度水平是“3個九” (99.9%)純凈[忽略任何氧]，其中氧污染在1_5%。氧污染極大地減小了 AlN的熱傳導率，并且把缺陷引入到材料中。
[0034]US7655197涉及“微電子器件質(zhì)量”的(Al、Ga、In) N單晶體物品，聲稱具有小于17缺陷cm_2的頂表面缺陷密度，并且可通過公開的方法實現(xiàn)宣稱的小于14.cm-2的缺陷密度[但是沒有公開示出這樣缺陷水平的示例]。通過高生長速率汽相外延(VPE)方法使用III族前體(諸如鹵化物、氫化物和有機金屬)來制作這些物品。
[0035]相關的US6596079涉及(Al、Ga、In) N剛玉的制造，(Al、Ga、In) N剛玉通過由汽相外延在(Al、Ga、In) N晶種上生長來制作。
[0036]US7576372涉及通過VPE方法制作的獨立六邊形AlGaN晶片。
[0037]US7075111涉及通過氫化物汽相外延(HVPE)制作的氮化物半導體襯底。
[0038]US6616757涉及通過VPE方法制作GaN單晶體剛玉的方法。
[0039]相關的US6936357涉及以類似方式制作的AlGaN晶體。
[0040]US2006/280668涉及獨立AlN單晶體，其中獨立AlN單晶體無裂紋，至少5毫米厚，至少2英寸的直徑，并且具有小于17.cm-2的缺陷密度。提到了氫化物汽相外延方法。
[0041]US2009/0092815涉及獨立AlN單晶體晶片，其無裂紋，具有至少100μπι的厚度，至少2英寸(-5αιι)的直徑和大于3.2W/K cm的熱傳導率。提到了氫化物汽相外延方法。
[0042]物理蒸汽傳輸
物理蒸汽傳輸(PVT)，其中材料源[例如AlN]被保持在熱梯度的較熱部分以使源材料升華，然后源材料在梯度的較冷部分中凝聚而形成單晶體。凝聚可以是無種子凝聚或者在材料的種子上進行。
[0043]US2007/0169689涉及氮化鋁晶體，其具有14.cm_2或更少的缺陷密度，但是通過
將包括顯著氧污染[至少0.1%]的高溫汽相方法制作。
[0044]US6296956涉及單晶體A1N，其具有低于450ppm的雜質(zhì)水平并且通過高溫汽相方
法產(chǎn)生。
[0045]US2007/0101932涉及氮化鋁晶體，其具有14.cm—2或更少的缺陷密度，再次通過
高溫汽相方法制作。
[0046]W02007/062250涉及氮化鋁晶體，其具有14.cm—2的位錯密度，通過包括Al和N2蒸汽的高溫汽相方法，在該方法中努力保持氧和氫的濃度為低[分別小于300ppm和0.5%],因為這些氣體已被示出為在AlN材料中創(chuàng)建微孔。
[0047]其它工藝
GaN晶體由諸如TopGaN之類的公司商售，其通過以下工藝制作:在該工藝中Ga或GaN粉末被用作鎵源以與N2或從NH3導出的氮在升高的溫度和壓強下(在認為是在600°C到2400°C范圍中的溫度下的認為在大約75000psi到900000psi范圍中)反應。
[0048]US7642122涉及在超臨界流體中在高于大約550°C的溫度和高于大約2kbar的壓強下的制作氮化物晶體的方法。
[0049]各種公司采取“熱氨”工藝用于在種子上生長六邊形GaN。在這個工藝中，在密封裝置的一部分中Ga或GaN提供原料，該原料溶解在氨中并且由溫度梯度驅(qū)動到裝置的另一部分，在那里它在種子上結晶。典型的條件是在0.1-0.5GPa下的500°C _700°C。
[0050]熱氨工藝也用于AlN的產(chǎn)生。
[0051]還已通過納熔劑(flux)方法制作GaN，其包括在壓強下在暴露到氮氣的鎵-納熔化物中的GaN的生長。
[0052]還已通過在大約1155°C下的NH3環(huán)境下把Ga蒸汽從分解的GaN粉末傳輸?shù)椒N子來生長GaN。
[0053]討論由II1-V半導體制作半導體襯底的其它專利包括EP1743961、US5993699、US5954874、US5858086、US5972109 和 US6066205。
[0054]制作具有低污染物(例如氧)含量和/或低缺陷密度的(Al、Ga、In) N材料的新方法將是有用的。
[0055]此外，對于高壓方法，要求新的壓力機。制造合成金剛石的高壓高溫(HPHT)機器已被使用達多年。第一個成功的機器由H.T.Hall在1958年發(fā)明[US2947610]，并且被稱為壓帶機。自從制造合成金剛石起，已使用壓帶機(及其變型)。第二類型的壓力機也由Hall博士發(fā)明。稱為四面頂壓機(anvil press)，這在1959年被授予專利為US2918699。它是六方頂壓機的基礎，六方頂壓機可能是今天用在金剛石合成中的最廣泛使用類型的HPHT壓力機。這個的變型也被授予專利，并且在1969年第一個六方頂壓機被授予專利為US3440687。雖然六方頂壓機具有比壓帶機更小的工藝室，但是操作成本比壓帶機低得多。六方頂壓機的更多的專利包括US5744170。
[0056]除了在合成金剛石的合成中使用這樣壓力機之外，更近期的壓力機已被用在天然金剛石的凈化中和低缺陷單晶體氮化鎵的制造中。這兩個工藝都要求比金剛石合成所要求的更高得多的溫度和更長的時間。當使用鐵-鎳催化劑時，金剛石合成通常要求大約1500°C的溫度達大約40分鐘的時間，然而要求的溫度強烈依賴于選擇的催化劑并且可以低于 1300。。。
[0057]為了凈化金剛石并合成單晶體氮化鎵和氮化鋁，要求溫度遠超1500°C，并且這要求在熱工藝室和被接合碳化鎢壓力機部件之間附加的工藝絕緣(insulat1n)，更多通常是在帶壓機或六方頂壓機中，并且要求每個特別設計維持碳化鎢在600°C之下，這是重要的，因為碳化鎢的強度在這個溫度之上迅速退化。
[0058]本發(fā)明供給新的壓力機設計，其能夠?qū)崿F(xiàn)高溫度和壓強并且能被用在用于金剛石合成的低成本HPHT工藝中。其還能夠?qū)崿F(xiàn)針對金剛石凈化和單晶體氮化鎵和氮化鋁合成以及針對其它HPHT工作所要求的更極端的條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0059]在第一方面中，本發(fā)明提供如本文中描述和要求保護的離子束發(fā)生器。
[0060]在第二方面中，本發(fā)明提供了用于通過蒸汽沉積、使用所述離子束發(fā)生器制造材料的裝置，如本文中描述和要求保護的。
[0061]在第三方面中，本發(fā)明提供了如本文中描述和要求保護的坩堝(其可以適合于在用于通過蒸汽沉積制造材料的裝置中使用)。
[0062]在第四方面中，本發(fā)明提供了使用第二方面的裝置制造合成物或包括合成物的物品的方法，如本文中描述和要求保護的。
[0063]在第五方面中，本發(fā)明提供了至少部分包括由第四方面的方法制作的合成物的電、光電、光學、壓電和聲學器件。
[0064]在第六方面中，本發(fā)明提供了用于高壓處理材料的壓力機。
[0065]在第七方面中，本發(fā)明提供了使用第六方面的壓力機制作合成物的方法。
[0066]在第八方面中，本發(fā)明提供了使用第六方面的壓力機處理通過第四方面的方法形成的合成物來制作合成物的方法。
[0067]在第九方面中，本發(fā)明提供了至少部分包括由第七方面和第八方面的方法制作的合成物的電、光電、光學、壓電和聲學器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]在下面的非限制性描述中參考附圖，其中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的裝置的示意圖；
圖2是可在圖1的裝置中使用的等離子體發(fā)生器的示意圖；
圖3是可在圖1的裝置中使用的蒸汽發(fā)生器的示意圖；
圖4是圖1的裝置和相關裝備的不意圖；
圖5是典型的常規(guī)壓帶機的截面；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的方面的壓力機的截面；
圖7是描繪圖6的壓力機的主部件的截面；
圖8是在本發(fā)明中使用的工藝室和熱絕緣層的詳細截面；
圖9是在本發(fā)明中使用的替代工藝室和熱絕緣層的視圖；
圖10是用于金剛石產(chǎn)生的工藝室的視圖；
圖11是用于金剛石凈化的工藝室的視圖；
圖12是用于單晶體GaN產(chǎn)生的工藝室的視圖；
圖13是在AlN產(chǎn)生中使用的工藝室和相關的壓強轉(zhuǎn)移部分的視圖；
圖14是鉭坩堝與AlN涂覆的鉭坩堝相比較的照片；
圖15是示出由本發(fā)明產(chǎn)生的AlN的XRD跡線；
圖16是根據(jù)本發(fā)明在HPHT裝置中產(chǎn)生的AlN的TEM照片；
圖17是被熱循環(huán)到110CTC的具有5 μ m AlN涂層的石墨襯底的照片；
圖18是被加熱到1100°C的金剛石涂覆硅襯底上的15 μ m涂層的照片 圖19是根據(jù)本發(fā)明的層疊產(chǎn)品的示意圖 圖20和21是例不圖18的層置廣品的使用的不意圖。
【具體實施方式】[0069]定義
在下面:
相對位置術語(諸如“上”、“下”和“之下”)意圖指示在圖中示出的關系但不暗示對本發(fā)明范圍的限制。
[0070]“凝聚相”要解釋為指示固體、液體或其混合。
[0071]“離子束”要被認為是意指包括離子的氣態(tài)/等離子體材料的流動，但其也可以包含中性物種。
[0072]PVD方法和裝置的一般描述 PVD裝置的整體概念是要提供:
?一個或多個蒸汽發(fā)生器，能夠由一個或多個凝聚相材料源形成蒸汽；
?一個或多個等離子體發(fā)生器，包括一個或多個陰極，該陰極具有延伸通過其的一個或多個開端通道，該通道包括一個或多個通道壁并且具有從通道一端延伸到通道另一端以限定一個或多個空間的長度，并且能夠在所述一個或多個空間內(nèi)形成等離子體；
一個或多個蒸汽發(fā)生器和一個或多個等離子體發(fā)生器由此被布置為在操作中:由一個或多個蒸汽發(fā)生器生成的蒸汽可以通過由一個或多個等離子體發(fā)生器形成的等離子體橫跨一個或多個空間。
[0073]一些蒸汽將作為中性物種橫跨等離子體；而一些在橫跨等離子體時將被電離，添加到等離子體。
[0074]在橫跨等離子體后，蒸汽可以沖擊襯底以在其上形成合成物。 [0075]圖1-4的示例PVD裝置
裝置100在圖1中示出并且具有在圖4中的相關聯(lián)的設備，并且其由上室101和通過隔板103分開的下室102構成，隔板103具有在上室101和下室102之間連通的孔104。上室101和下室102可以被分開以允許對內(nèi)部訪問，但是真空【技術領域】的普通技術人員可以容易地設想訪問的替代手段[例如門或端口]。
[0076]在孔104之下是蒸汽發(fā)生器105 (在圖3中更詳細地示出)。
[0077]在上室101中是等離子體發(fā)生器106 (等離子體發(fā)生器106的有用形式在圖2中更詳細地示出)和襯底底座107，襯底108可以安裝到襯底底座107。
[0078]等離子體發(fā)生器106包括空間110，在空間110內(nèi)在操作中生成等離子體111，等離子體111可以延伸到空間110的界限的外部。示出的等離子體發(fā)生器106在形式上是環(huán)形的，但是可以容易意識到的是，可以使用其它布置[例如相對板陰極、螺旋陰極-參見Rad1 frequency hollow cathodes for the plasma processing technology, 1.Bdrdos ,Surface and Coatings Technology 86-87 (1996) 648-656]來提供在其內(nèi)可以生成等離子體的空間。
[0079]在W02009/092097中，參考同心中空陰極器件，其中中空陰極的環(huán)形核心用作濺射靶。W02009/092097的器件不適合于在本發(fā)明中使用，因為它在一端是封閉的。
[0080]由被引入到上室101中[例如通過氣體進口 112]的氣體生成等離子體?？蛇x的氣體清潔器113可以被提供在所述室內(nèi)以減小室中的氧和/或水蒸氣的含量。依賴于使用的氣體，氣體清潔器113可以包括冷阱和/或氧吸氣劑。冷阱的示例包括邁斯納(Meissner)阱，其中液氮被用于收集氧和/或水。[然而當氨是氮源時，邁斯納阱通常不是有用的]。氧吸氣劑的示例包括例如反應金屬的磁控管濺射源，其用于從工藝室對氧和濕氣吸氣。合適的反應金屬包括T1、Zr、Hf或Y。
[0081]蒸汽發(fā)生器105和等離子體發(fā)生器106被布置為使得當兩者正操作時由蒸汽發(fā)生器105生成的蒸汽114橫跨等離子體111。
[0082]圖2示出了等離子體發(fā)生器106的有用形式，但是本發(fā)明不限于示出的特定幾何形狀。水冷卻(未示出水冷卻)環(huán)形陰極背襯115容納環(huán)形陰極覆面116，環(huán)形陰極覆面116限定在其內(nèi)生成等離子體的空間110。如示出的，空間110是具有長度(從通道的一個開端到另一個)和直徑的形式上的圓柱形。陰極覆面116可以是任何適合的材料，但是優(yōu)選選擇與正在制作的材料具有相同的元素，使得從陰極覆面116濺射的任何材料較少可能污染正在制作的材料。例如，當制作AlN時，對于陰極覆面能夠有用的是鋁，例如6個九純的Al。
[0083]兩行磁體117被容納在陰極背襯115和陰極覆面116之間。一行磁體具有向內(nèi)面對的北極，并且另一行具有向內(nèi)面對的南極。所得到的磁通118對于空間110的長度的相當大的部分與陰極覆面116平行對準。磁軛[未示出]可以連接遠離陰極覆面116的磁體117的末端,使得磁體117形成具有磁軛和空間110中的磁通118的磁路的一部分。將明顯的是，一個或多個電磁體可以提供相同的效果。
[0084]陰極外殼119與陰極背襯115和陰極覆面116電隔尚，并且充當相對于陰極背襯115和陰極覆面116的陽極，用來防止等離子體在陰極背襯115的外面上形成。合宜地，陰極外殼119與陰極背襯115分開以形成所謂的暗區(qū)120。與在操作壓強下的電子平均自由路徑相比，“暗區(qū)”是狹窄的小空間，從而導致在外殼119和陰極115之間沒有等離子放電。等離子體僅被限制到陰極覆面116的表面，使得不存在氣體的電離:在暗區(qū)中不激發(fā)放電的情況下，來自陰極的電子到達陰極外殼。省去陰極外殼并且使用上室101的壁作為陽極是可能的，但是除非所述室的壁可以被用于暗區(qū)屏蔽，這將導致雜散等離子體和在其不需要的地方的沉積材料的過度生成。
[0085]圖3示出了在本發(fā)明中可使用的蒸汽發(fā)生器105。蒸汽發(fā)生器105可以包括電子束發(fā)生器，可操作用于指引電子束到凝聚相材料源，例如將被沉積在襯底108上的合成物的第一成分。蒸汽發(fā)生器包括在其頂面上的凹陷134用以接收可選的坩堝135。電子槍(未示出)位于蒸汽發(fā)生器的下側(cè)上，并且磁體(未示出)可操作用于使來自電子槍的電子束136彎曲以沖擊保持在坩堝135中的材料。這樣的蒸汽發(fā)生器是已知的，并且合適的裝置是Temescal 公司模型 SFIH-270-2。
[0086]圖4示出了具有關聯(lián)設備的圖1的裝置。下室102具有經(jīng)由門閥121連接到真空泵122 (例如Edwards模型30)的導管109。低溫泵可以是優(yōu)選的。為了測量系統(tǒng)中的壓強，壓強計137和138分別連接到下和上室102、101。壓強計137和138可以是適合于要經(jīng)歷的壓強和氣體的任何類型。通常，對于壓強計137，可以使用離子氣壓計，因為可能經(jīng)歷大約10_6到KT3Torr的壓強(該計可以例如由Granville飛利浦模型270來控制)。對于壓強計138，通?？梢允褂帽∧る娙菔秸婵諌毫τ?&以廿011)(例如MKS模型125AA)，因為經(jīng)歷的壓強可能比下室中的更高。本發(fā)明不限于任何特定的壓強測量方法。
[0087]這樣的布置(其中下室中的壓強比上室中的壓強更低)具有以下優(yōu)點:電子束源在低壓強下工作得最好，并且在下室中維持低壓防止從細絲到地的高壓形成電弧，而允許上室101中足夠的氣壓來允許中空等離子體發(fā)生器高效地將含氮氣體電離。
[0088]如果確定在施加氣體和等離子體生成之前金屬蒸汽正在用金屬涂覆中空陰極的表面，則閘門可以被安裝在上和下室之間用于選擇操作。[0089]等離子體發(fā)生器106的陰極背襯115 (圖2中示出)被附著到電壓供應，該電壓供應在描繪的實施例中是通過匹配網(wǎng)絡124 (例如Dressier模型Cesar)附著的RF發(fā)生器123 (例如 Dressier 模型 Cesar)。
[0090]隔板103可以是鋼或類軟磁材料，并且可選地可以被連接到陰極外殼119(圖2中示出)，以提供磁屏蔽來禁止等離子體發(fā)生器的磁場與蒸汽發(fā)生器105的磁場的相互作用，并且更具體地禁止等離子體發(fā)生器106的磁場與電子束136的相互作用。
[0091]襯底底座107采用被供應有來自電源125 (例如Eurotherm SCR 40)的功率的電阻加熱塊的形式，電源125由連接到熱電偶127的功率控制器126 (例如Eu1therm模型1226e)控制，熱電偶127測量襯底底座107的溫度。加熱的襯底底座、電源和電源控制器的這種布置使得襯底底座以及因此的襯底的溫度能夠維持在期望的值。
[0092]對襯底表面溫度的測量[例如通過襯底108的表面的高溫測量法]可以提供更大的控制，尤其當襯底為厚的時侯。襯底108通過三個彈性負載管腳[未示出]被持靠襯底底座，但是可以使用任何其它適合的手段。
[0093]第二 RF發(fā)生器128 ( 例如Dressier模型Cesar)通過第二匹配網(wǎng)絡129 (例如Dressier模型Cesar)被附著到襯底底座107。
[0094]質(zhì)量流控制器130 (例如單元儀器模型UFC 1000)控制到氣體進口 112 (在圖1中示出)的氣體131的供應。
[0095]閘門132被提供在等離子體發(fā)生器106和襯底底座107之間。通過閘門132禁止或防止污染物和蒸汽在襯底108上的沉積。閘門還用于:在沉積之前對襯底的等離子體蝕刻清潔期間禁止從襯底到中空陰極上的沉積，以及在中空陰極等離子體達到平衡時禁止從中空陰極到襯底上的沉積。
[0096]閘門132可以被提供有展望鏡(未示出)用于如下面描述的對裝置的內(nèi)部檢查。
[0097]蒸汽發(fā)生器電源133向蒸汽發(fā)生器105供應功率。
[0098]替代布置
在圖1到4的示例性裝置中，描述了單一蒸汽發(fā)生器，以及具有單一空間的單一等離子體發(fā)生器，但是本發(fā)明不被如此限制。例如:
?單一蒸汽發(fā)生器可以對具有多于一個空間的等離子體發(fā)生器饋送 ?單一蒸汽發(fā)生器可以對具有一個或多個空間的多于一個的等離子體發(fā)生器饋送 ?多于一個蒸汽發(fā)生器可以對具有一個或多個空間的單一等離子體發(fā)生器饋送 ?多于一個蒸汽發(fā)生器可以對具有一個或多個空間的多于一個的等離子體發(fā)生器饋送。
[0099]在圖1到4的示例性裝置中，單一襯底被示出為安裝在單一和固定的襯底底座上，但是本發(fā)明不被如此限制，本發(fā)明設想:
?多個襯底被安裝在單一襯底底座上；
?可移動的襯底底座[例如可以被旋轉(zhuǎn)或滑動的底座]
?可移動的襯底底座和氣閘以允許襯底從裝置去除同時仍在真空下。
[0100]在半導體處理領域中已開發(fā)了襯底處理方面的大量專門技術，并且本發(fā)明設想了能夠有用地應用于本發(fā)明的任何和所有已知技術的使用。
[0101]圖1到4的裝置的典型操作可以按下面的一般步驟來操作所述裝置，要認識到可以在步驟和程序中作出修改并且仍然完成本發(fā)明的目的/特征。襯底108可以安裝在襯底底座107上并且凝聚相材料源[例如鎵或鋁，其合金，或其它期望的成分]可以放置在坩堝135中。閘門132將在蒸汽發(fā)生器105和襯底108之間的適當位置。系統(tǒng)將被抽氣以排空上室和下室101、102。在這個階段，室中的典型壓強將是大約KT6Torr,但是可以使用高于和低于這個的其它壓強。
[0102]一旦降至壓強，并且可以按任一順序進行以下各項:
?電源125將被接通以把熱供應到襯底108，從而使它達到針對期望產(chǎn)品的適當溫度。例如，對于結晶AlN的沉積，可以使用850°C，但是可以使用其它溫度，并且適當溫度可以依賴于襯底和沉積的材料。
?RF發(fā)生器128將被接通以把RF供應到襯底108 (導致DC偏置，如常規(guī)已知的)，并且氬將通過一個或多個氣體進口 112被引入到室中。在上室中該氬(或其它惰性氣體)壓強可以是5xl(T3到KT3Torr并且施加的RF功率可以是~50-100瓦，導致250-300伏特的襯底偏置，但是可以使用在300-400V范圍中的電壓。
[0103]這用于使襯底108達到合適的沉積溫度，并且通過Ar轟擊來清潔襯底。轟擊通?？梢赃M行達5到10分鐘。除了氬的惰性氣體[例如Ne、Kr或Xe]可以用在清潔步驟中，也可以是惰性氣體的混合物。
[0104]然后將關斷氬供應并且關斷RF發(fā)生器128。
[0105]然后蒸汽發(fā)生器電源133將被接通并且電子束電流被增加從而開始對凝聚相材料源加熱。通常，目的是把凝聚相材料源增加到這樣的溫度，即在該溫度下它被熔化并且具有用于沉積的有用地高的蒸汽壓強，而不通過過度沸騰而使材料飛濺或者對雜質(zhì)或殘存氣體除氣?？梢杂杏玫氖牵軌蛴^測凝聚相材料源以確保適當?shù)募訜?。例如，如果蒸汽發(fā)生器是電子束器件[例如如圖3中示出的]，則可以有用的是，觀測凝聚相材料源上的電子束入射以確保合適的對準。閘門中或位于下室102中的展望鏡可以用于這個目的。
[0106]在這個加熱工藝期間，凝聚相材料源上的表面污染物可以被蒸發(fā)。通過閘門132禁止或防止污染物和蒸汽沉積在襯底108上。
[0107]一旦凝聚相材料源被熔化，在凝聚相材料源上產(chǎn)生的污染物被蒸發(fā)或者下沉或漂浮到被熔化材料的邊緣。
[0108]氬或任何其它惰性氣體(諸如Ne、Kr、Xe或其它)可以被注入在材料上方從而在電子束中被蒸發(fā)。氬或其它惰性氣體減小反應氣體與熔化的表面材料反應的可能性。通常，在熔化金屬表面上方?jīng)]有這個氬掩蓋的情況下，AlN形成在表面上防止Al蒸汽離開熔化表面，并且該表面上的AlN被電子束濺射，引起A1+A1N粒子從電子束源被噴射到襯底上?？梢杂萌绫疚闹忻枋龅钠渌床牧蠈嵤┻@些相同的程序，以在熔化和蒸發(fā)期間保護源材料。
[0109] 一個或多個反應氣體[例如針對氮化物產(chǎn)生，N2, NH3> N2H2或其它氮氫化物或包含化合物的氮；針對氧化物產(chǎn)生，包含氧的氣體；針對氟化物產(chǎn)生，包含氣體的氟；針對混合產(chǎn)品[例如氮氧化物]，包括要求的元素的單一氣體或氣體的混合物可以被使用]可以通過一個或多個氣體進口 112被引入到上室中。一些氬也可以被引入到反應室中以幫助對襯底108的轟擊，因為這可以改進被沉積材料的特性。上室101中的典型壓強將是大約10_4到ICT2 Torr [例如，IxlCT3 到 5xlCT3 Torr ； IxlCT3 到 2xlCT3 Torr ;或 3xlCT3 到 5xlCT3 Torr]。在下室102中經(jīng)歷的壓強將通常更小，例如對于上室101的壓強的大約一半或在五分之一和十分之一之間。例如,壓強可以在上室中在1χ10-3到2xl(T3Torr的范圍中并且在下室中在3xl0_4到5χ10_4Τοπ.的范圍中。但是可以使用其它壓強和兩個室之間的壓強差。
[0110]蒸汽發(fā)生器的操作壓強可以小于5xl0_4TOrr，并且等離子體發(fā)生器的操作溫度可以是I到2xlO_3Torr，具有>1000 Ι/min的排空速率。反應氣體饋送速率(如果使用)可以是2-5 sccm (或在這個范圍之上或之下)，并且掩蓋熔化物(源材料)的惰性氣體饋送速率可以例如是10 sccm或更小。這些是示例并且其它數(shù)量可以被用于任何這些范圍。
[0111]一旦上室101處于壓強，RF發(fā)生器128可以被接通以供應15_25瓦，導致對襯底108的80-150伏特的RF偏置；并且RF發(fā)生器123被接通以把RF供應到等離子體發(fā)生器106的陰極。RF發(fā)生器123的典型的偏置是~350伏特。
[0112]施加到蒸汽發(fā)生器的RF開啟空間110中的等離子體放電111，導致存在的氣體電離，并且放電可以朝向蒸汽發(fā)生器105或襯底108中的任一個或兩者延伸到空間110的界限之外。
[0113]來自蒸汽發(fā)生器105的蒸汽114可以與等離子體111中的被電離氣體反應。例如，在Al作為源材料并且氮作為反應氣體的情況中，AlN開始在閘門132上形成。在去除閘門132時，蒸汽114和/或等離子體111可以到達襯底108并且開始在襯底上沉積。對襯底的RF偏置的施加導致局部等離子體生成并且?guī)椭Z擊沉積材料的表面。對于無定形沉積，優(yōu)選的是不對襯底施加偏置。
[0114]沉積速率可以被測量[例如通過使用沉積監(jiān)控器，例如Inficon模型U200]。依賴于襯底材料，已使用了由400-1100°C的沉積溫度，并且沉積速率已是每小時從0.1到60 μ m，通常每小時 40-60 μ m，但是本發(fā)明不限于這些溫度或沉積速率。
[0115]一旦沉積的材料已達到要求的厚度或深度，則可以進行以下各項:
?封閉閘門132
?對襯底底座107以及等離子體發(fā)生器106的RF供應被關斷 ?所有氣體被關斷 ?對襯底底座107的加熱器被關斷
?對蒸汽發(fā)生器的功率被關斷[這最好慢慢地進行以避免在凝固材料中形成空隙]
?氮被注入到真空室中達大氣壓強 ?當襯底溫度低于500°C時真空室被開放 ?去除襯底108[可選地在冷卻達適當時間之后]。
[0116]上面用示出的裝置描述了程序。將明顯的是，依賴于要沉積的材料的性質(zhì)，可以按不同的方式使用該裝置。例如，在該工藝期間，氣體的構成可以變化，并且蒸汽的構成可以例如通過在替代蒸汽源之間切換來被改變。工藝的控制可以例如通過計算機控制(諸如國家儀器實驗室VIEW)是自動化的，。
[0117]沉積工藝的具體示例 示例I
通過把純Al (5個九純度)放置在圖1到4的裝置的坩堝中來制作氮化鋁。硅襯底被固定到襯底底座。襯底108 (其可以是Si或其它材料)被安裝到卡盤107并且通常被加熱到 850 0C ο
[0118][通常，并且不限于或者通過這個示例，襯底被加熱到低于襯底材料的熔化或沉積溫度的溫度，該溫度有用地可以是遠低于熔化溫度以在襯底和膜的膨脹系數(shù)顯著不同(諸如多于20%或多于30%)的情況下避免彎曲。
[0119]通常，依賴于襯底材料和沉積材料[例如AlN]要求的結晶度，典型的襯底溫度是根據(jù)250-1000°C的任何溫度。用于在各種襯底上沉積AlN的典型溫度包括但不限于針對在銅和鋁上沉積的300°C ±50°C和針對在Si，SiC和氧化鋁(藍寶石)上沉積的800°C ±50°C。
[0120]本發(fā)明不限于這些溫度范圍或材料并且下面給出合適材料的更多示例。]。
[0121]NH3、NjPAr氣體通過氣體進口 112被引入到上室101(典型比例是50% NH3, 35% N2和15% Ar )。上室1I中的壓強被觀測為近似3-5x1 (T3 Torr，并且下室中近似3-5x10_4 Torr，然而已觀測到上室101中的近似l-5xl(T3Torr以及下室中近似3-7xl(T4Torr的壓強。
[0122]示出的生長速率是>40 μ m/小時并且偶爾>80 μ m/小時,并且沉積材料的XRD示出六邊形A1N。圖15是X射線衍射[XRD]跡線，示出了在33度處的2theta峰值，指示結晶的六邊形A1N。
[0123]這些程序之后，AlN已被成功地沉積在S1、Al、藍寶石、Mo、W、Nb、Ta、SiC、金剛石、石墨、Cu和Ta上，而在機器中沒有剝離或裂紋。沉積的AlN膜是透明的。
[0124]示例 2
金屬或石墨或金剛石薄片或者坩堝被附著到相同真空室中的電子束爐床上的卡盤。卡盤面向下朝向電子束爐床。真空室被抽氣，通常<5xl(T6Torr,并且用Ar回填到3xl(T3Torr。具有任何范圍(例如13.56MHz)的RF發(fā)生器被附著到卡盤并且被接通，通常在100W，達10分鐘，以清潔襯底。RF發(fā) 生器被關斷并且真空室再次抽氣到〈5χ10_6Τοπ.?？ūP溫度被增加到800°C。電子束被接通以熔化Al并且將沉積速率帶到~0.3nm/sec0通過增加電子束的功率,這個速率可以被增加到本文中描述的速率。Ar以~3 sccm被接通，并且NH3以~10 sccm被接通，導致如在下室中所測量的飛XlO-4Torr的真空壓強。
[0125]附著到中空陰極的RF發(fā)生器被接通，其創(chuàng)建等離子體并且將N2電離。附著到卡盤的RF發(fā)生器也被接通，其在卡盤上創(chuàng)建通常120-140伏特的自偏置。這個偏置引起Ar離子轟擊正被沉積的A1N，產(chǎn)生非常密集的、結晶的膜。
[0126]然后電子束槍和坩堝之間的閘門被開放。通常閘門被開放達15分鐘，導致~15 μ m的AlN沉積。閘門被封閉并且電子束被關斷，RF發(fā)生器被關斷并且氣體被關斷?？ūP加熱器被關斷。當卡盤達到500°C時，真空室被回填隊達大氣壓強。真空室被開放并且金屬或石墨或金剛石薄片或者坩堝被去除。
[0127]產(chǎn)生的AlN涂層對金屬、石墨和金剛石具有極好的粘附，使得所涂覆的襯底被熱循環(huán)到1100°c，而沒有AlN的裂紋或剝離。被熱循環(huán)到1100°c的、具有5μπι的AlN涂層的石墨襯底未示出AlN膜的退化。被加熱到1100°C的金剛石涂覆的硅襯底上的15μπι膜未示出AlN膜退化。這中AlN涂覆的、高熱傳導率材料可以被用在熱管理中，由本發(fā)明的方法產(chǎn)生的其它產(chǎn)品也可以。熱管理應用包括熱導體、熱擴散器以及散熱器。針對這樣的應用的襯底可以是但不限于Cu、Al、金剛石、石墨、熱解石墨或碳化硅。
[0128]遵循基本上相同的程序，
?AlN已被沉積到Cu上達15 μ m厚，而AlN沒有裂紋或剝離。
?AlN已被沉積到金剛石上達15 μ m厚，而AlN沒有裂紋或剝離。
?AlN已以從10nm變動到150 μ m的厚度被沉積到硅晶片上，而沒有裂紋或剝離。[0129]更大的厚度是可容易地實現(xiàn)的。
[0130]在這些測試中，通過“膠帶剝離測試”來測量粘附，其中用金剛石劃片以足夠的壓強刮擦沉積的AlN膜以穿透沉積的A1N。然后粘附膠帶被按壓到刮擦區(qū)域上。然后膠帶被剝離離開表面并且用以10x的顯微鏡檢查刮擦區(qū)域以查看是否任何沉積膜已剝離離開襯底。這個測試已在沉積在S1、Ta和Cu上的AlN上進行，并且已示出使用膠帶剝離測試不存在AlN的剝離。
[0131]圖17是具有5 μ m AlN涂層的石墨襯底的照片，并且圖18是金剛石涂覆娃襯底上的15μπιΑ1Ν涂層的照片。在兩種情況中，在加熱到1100°C之后，涂層未示出退化，示出了AlN涂層的粘附性質(zhì)。
[0132]AlN已被沉積到難熔材料(諸如SiC)上，具有極好的粘附并且沒有AlN的裂紋或剝離。
[0133]利用本發(fā)明，在沉積的材料和襯底之間可以存在中間區(qū)。這個中間區(qū)可以具有與沉積的材料或襯底自身不同的組分或結構。中間區(qū)可以是形成沉積材料的一個或多個成分以及形成襯底的一個或多個成分的反應產(chǎn)品。
[0134]例如，當?shù)X被直接沉積在硅上并且硅襯底隨后溶解掉時，看到變黑層未溶解掉并且這個變黑層與形成在頂上的透明的氮化鋁不同，因此確認了推測是硅和氮化鋁之間的反應物產(chǎn)品的中間層的存在。
[0135]這個中間區(qū)可以通過在沉積初始階段中的反應來發(fā)生，其中沉積材料的剩余厚度形成在頂上；或者它可以通過沉積材料與襯底的隨后的反應來發(fā)生；或者它確實可以是分開施加的層，其可選地可以在化學組分上與襯底或沉積的材料[如舉例說明的，例如，在形成在圖17的金剛石涂覆的硅襯底上的AlN涂層中]具有明顯的差異。
[0136]圖19示出了分層設計的示例。在圖19中(不按比例)，示出了層疊400。例如，襯底401可以具有粘附到襯底的表面的層402,如圖19中不出的。層402可以具有夾在沉積層405和襯底401之間的中間區(qū)403。中間403可以具有與沉積層405不同的組分或化學組成。中間區(qū)403可以是形成層405的一個或多個成分和形成襯底401的一個或多個成分的反應產(chǎn)品。
[0137]作為示例，在不限制本發(fā)明的情況下，襯底401可以例如是銅或藍寶石或硅，并且層405可以是A1N，其中中間區(qū)403將包括鋁、氮和/或氮化鋁與包括襯底(即藍寶石、硅或銅)的一個或多個成分的反應產(chǎn)品。
[0138]本發(fā)明構思了通過與襯底反應形成的中間層以及故意形成的中間層兩者。這樣的層疊可以用作針對熱管理的散熱器。
[0139]作為示例，由于氮化鋁的特性，作為被沉積在金屬襯底或陶瓷襯底或玻璃襯底上的層的氮化鋁可以提供極好的熱管理特性。例如，該層可以具有210W/mK到319W/mK(諸如從210到275W/mK，或者210到250W/mK)的熱傳導率。
[0140]位于襯底上的氮化鋁可以具有下列附加特性中的一個或多個:
【權利要求】
1.一種離子束發(fā)生器，包括 a)第一室，容納一個或多個蒸汽發(fā)生器，所述蒸汽發(fā)生器能夠由一個或多個凝聚相材料源形成蒸汽； b)鄰接第一室的第二室，容納一個或多個等離子體發(fā)生器，所述等離子體發(fā)生器包括: 一個或多個陰極，具有通過其延伸的一個或多個開端通道，所述通道包括一個或多個通道壁并且具有從通道的一端延伸到通道另一端的長度以限定一個或多個空間， 并且能夠在所述一個或多個空間內(nèi)形成等離子體； c)在第一和第二室之間的一個或多個孔，被布置為允許在第一室中生成的蒸汽進入第二室， 一個或多個蒸汽發(fā)生器和一個或多個等離子體發(fā)生器由此被布置為在操作中:由一個或多個蒸汽發(fā)生器生成的蒸汽可以通過由一個或多個等離子體發(fā)生器形成的等離子體橫跨一個或多個空間。
2.根據(jù)權利要求1中所述的離子束發(fā)生器，其中蒸汽發(fā)生器能夠由一個或多個凝聚相材料源蒸發(fā)形成蒸汽。
3.根據(jù)權利要求2中所述的離子束發(fā)生器，其中蒸汽發(fā)生器包括至少一個電子束發(fā)生器，能操作用于指引電子束到一個或多個凝聚相材料源。
4.根據(jù)權利要求3中所述的離子束發(fā)生器，其中至少一個電子束發(fā)生器能操作用于把來自電子束發(fā)生器的電子磁力地彎曲到一個或多個凝聚相材料源。
5.根據(jù)權利要求1到4的任一項中所述的離子束發(fā)生器，其中等離子體發(fā)生器進一步包括與所述一個或多個陰極間隔并且電絕緣的一個或多個外殼。
6.根據(jù)權利要求1到5的任一項中所述的離子束發(fā)生器，其中等離子體發(fā)生器進一步包括被配置成針對在所述通道的長度的相當大的部分上置于基本上與一個或多個通道壁平行的磁場的源。
7.根據(jù)權利要求6中所述的離子束發(fā)生器，其中磁場的所述源包括位于蒸汽發(fā)生器鄰近的至少一個第一磁體和位于蒸汽發(fā)生器遠側(cè)的至少一個第二磁體。
8.根據(jù)權利要求6或權利要求7中所述的離子束發(fā)生器，其中磁場的所述源包括電磁體。
9.根據(jù)權利要求6到8的任一項中所述的離子束發(fā)生器，其中磁屏蔽被設置在蒸汽發(fā)生器和等離子體發(fā)生器之間。
10.一種用于通過蒸汽沉積制造材料的裝置，所述裝置包括: a)如權利要求1到9的任一項中所述的至少一個離子束發(fā)生器； b)至少一個氣體供應，能操作用于供應氣體以轉(zhuǎn)換成所述至少一個離子束發(fā)生器內(nèi)的等離子體； c)至少一個襯底底座，用于接收至少一個襯底，并且被定位成在使用中允許至少一個襯底被安裝到至少一個襯底底座以被來自所述至少一個離子束發(fā)生器的離子轟擊。
11.根據(jù)權利要求10中所述的裝置，進一步包括能操作用于向安裝在襯底底座中的襯底施加偏置的源。
12.根據(jù)權利要求11中所述的裝置，其中所述源能操作用于把射頻施加到安裝在襯底底座中的襯底。
13.根據(jù)權利要求10到12的任一項中所述的裝置，其中提供了加熱器用于加熱襯底底座。
14.根據(jù)權利要求10到13的任一項中所述的裝置，包括位于等離子體室和襯底底座之間并且能操作用于接納接近襯底底座的氣體的一個或多個出口。
15.根據(jù)權利要求10到14的任一項中所述的裝置，其中蒸汽發(fā)生器能夠由一個或多個凝聚相材料源蒸發(fā)形成蒸汽，并且包括能操作用于在蒸汽發(fā)生器的區(qū)域中注入氣體的源以禁止反應氣體和凝聚相材料源的至少表面之間的反應。
16.根據(jù)權利要求10到15的任一項中所述的裝置，能操作用于在第一室中提供比第二室中更低的壓強。
17.根據(jù)權利要求10到16的任一項中所述的裝置，包括閘門，選擇性地能操作用于禁止蒸汽從第一室到第二室的轉(zhuǎn)移。
18.根據(jù)權利要求10到17的任一項中所述的裝置，其中提供一個或多個坩堝來容納所述一個或多個凝聚相材料源。
19.根據(jù)權利要 求18中所述的裝置，并入如權利要求20到29的任一項中所述的坩堝。
20.—種坩堝,包括: 主體，由選自以下組的材料形成:金屬和碳；以及 粘附涂層，包括與所述主體的至少內(nèi)表面接觸的A1N，或由其構成。
21.根據(jù)權利要求20中所述的坩堝，其中所述主體由具有高于1850°C的熔點的金屬形成。
22.根據(jù)權利要求21中所述的坩堝，其中所述主體由具有高于2200°C的熔點的金屬形成。
23.根據(jù)權利要求21中所述的坩堝，其中所述金屬包括T1、V、Cr、Zr、Hf、Ru、Rh、Os、Ir、Nb、Mo、Ta、W、Re 或其合金。
24.根據(jù)權利要求22中所述的坩堝，其中所述金屬包括他、1103&、1、1^或其合金。
25.根據(jù)權利要求23或權利要求24中所述的坩堝，其中所述合金包括除了權利要求23或權利要求24中具體指定的那些之外的元素。
26.根據(jù)權利要求20到25的任一項中所述的坩堝，其中所述主體是壓制形式，通過由金屬薄片壓制形成。
27.根據(jù)權利要求20到26的任一項中所述的坩堝，包括開口，和允許材料獨立于開口被供應到坩堝的分開的孔。
28.根據(jù)權利要求20到27的任一項中所述的坩堝，其中包括AlN的粘附涂層至少部分被氧化。
29.根據(jù)權利要求20到28的任一項中所述的坩堝，其中由化學蒸汽沉積工藝、物理蒸汽沉積工藝或如權利要求31中所述的工藝來施加包括AlN的粘附涂層。
30.一種熔化能夠熔化的材料的方法，包括: ?把材料放置在坩堝中，所述坩堝是足以抵抗熱量的以在被熔化時保持所述材料，并且如權利要求20到29的任一項中所述的那樣；以及?加熱所述材料到足以熔化它的溫度。
31.一種制造合成物或包括合成物的物品的方法，所述方法包括以下步驟:在如權利要求10到19的任一項中所述的裝置中由至少一個離子束發(fā)生器形成離子束；以及用來自離子束的離子轟擊至少一個襯底以在所述襯底上形成沉積。
32.根據(jù)權利要求31中所述的方法，其中襯底上的所述沉積形成對襯底的粘附涂層。
33.根據(jù)權利要求32中所述的方法，其中所述襯底是具有表面涂層的被涂覆襯底，并且所述沉積形成在所述表面涂層上。
34.根據(jù)權利要求32或33中所述的方法，其中所述襯底是坩堝主體并且襯底上的所述沉積形成與所述坩堝主體的至少內(nèi)表面接觸的粘附涂層。
35.根據(jù)權利要求32到33的任一項中所述的方法，其中所述沉積以化學方式附著到所述襯底。
36.根據(jù)權利要求35中所述的方法，其中所述表面涂層包括金剛石或類金剛石碳。
37.根據(jù)權利要求31到36的任一項中所述的方法，其中在所述表面上形成所述沉積之前，所述襯底的表面被拋光。
38.根據(jù)權利要求31到37的任一項中所述的方法，其中對所述襯底的另外的轟擊來自在所述襯底的附近產(chǎn)生的離子。
39.根據(jù)權利要求31到38的任一項中所述的方法，其中所述合成物包括至少第一成分和至少第二成分，并且所述離子束包括至少所述第一成分。
40.根據(jù)權利要求39中所述的方法，其中所述離子束進一步包括所述合成物的另外的成分。
41.根據(jù)權利要求31到40的任一項中所述的方法，其中以超過40μ m/小時的速率沉積所述合成物。
42.根據(jù)權利要求31到41的任一項中所述的方法，其中沉積的合成物被沉積達到超過Imm的厚度。
43.根據(jù)權利要求31到42的任一項中所述的方法，其中沉積的合成物與所述襯底分開以形成獨立主體。
44.根據(jù)權利要求31到43的任一項中所述的方法，其中沉積的合成物被分離以形成晶片。
45.根據(jù)權利要求31到43的任一項中所述的方法，其中沉積的合成物被分離以形成襯
。
46.根據(jù)權利要求45中所述的方法，其中所述襯底供權利要求31的方法中使用。
47.根據(jù)權利要求31到43的任一項中所述的方法，其中沉積的合成物被原樣使用，或被進一步處理以形成器件中一個或多個部件，其包括以下中的一個或多個:電子部件；光電子部件；電聲部件；MEMS部件；和/或自旋電子部件。
48.根據(jù)權利要求47中所述的方法，其中所述部件是熱導體或熱擴散器。
49.根據(jù)權利要求31到47的任一項中所述的方法，其中所述合成物是(Al、Ga、In)N合成物。
50.根據(jù)權利要求49中所述的方法，其中所述合成物是結晶六邊形A1N。
51.根據(jù)權利要求50中所述的方法，其中所述襯底是或被涂覆金屬、玻璃、陶瓷、金剛石或類金剛石碳。
52.一種用于對材料進行高壓處理的壓力機，包括:具有空間的第一壓制組件，該空間具有開口并且從開口擴寬；以及安裝在第二壓制組件上的沖頭，使得第一壓制組件和第二壓制組件之間的相對運動可以把沖頭從所述開口移動到所述空間中。
53.根據(jù)權利要求52中所述的壓力機，其中所述空間被具有通孔的環(huán)和封閉所述孔的遠離所述開口的末端的封閉器限定。
54.根據(jù)權利要求52或權利要求53中所述的壓力機，其中所述空間是截頭圓錐形空間。
55.根據(jù)權利要求52到54的任一項中所述的壓力機，其中所述空間在從所述開口擴寬之后變窄。
56.根據(jù)權利要求55中所述的壓力機，其中所述空間由兩個相對的腔形成。
57.根據(jù)權利要求52到56的任一項中所述的壓力機，其中在所述空間中提供熱絕緣襯里，所述熱絕緣襯里具有被成形為符合所述空間的側(cè)表面的外表面以及被成形為接收要在壓強下被處理的工藝室容納的材料的內(nèi)表面。
58.根據(jù)權利要求57中所述的壓力機，其中所述工藝室包括電阻加熱元件，并且在所述空間中提供電導體以允許電流傳輸?shù)诫娮杓訜嵩?br> 59.根據(jù)權利要求5 2到58的任一項中所述的壓力機，其中所述第一壓制組件包括用于冷卻劑經(jīng)過的通道。
60.根據(jù)權利要求52到59的任一項中所述的壓力機，其中所述空間包括安裝在金屬包圍物中的碳化物主體。
61.根據(jù)權利要求52到60的任一項中所述的壓力機，其中所述沖頭是碳化物主體。
62.根據(jù)權利要求60或權利要求61中所述的壓力機，其中所述碳化物主體是碳化鎢主體。
63.根據(jù)權利要求58到62的任一項中所述的壓力機，其中所述熱絕緣襯里被制成不同材料的兩個或更多個部分。
64.根據(jù)權利要求63中所述的壓力機，其中所述熱絕緣襯里包括朝向所述空間的所述開口設置的第一部分和在所述空間內(nèi)鄰接所述工藝室的第二部分，其中第一部分比第二部分具有在特定溫度下的更低的抗壓強度，和在所述特定溫度下的更低的熱傳導率。
65.根據(jù)權利要求64中所述的壓力機，其中所述熱絕緣襯里包括設置在第二部分和所述空間的側(cè)表面之間的第三部分，第三部分比第二部分具有在所述特定溫度下更低的抗壓強度，和在所述特定溫度下的更低的熱傳導率。
66.根據(jù)權利要求64或權利要求65中所述的壓力機，其中所述特定溫度是1500°C、1750。?；?2000 0C ο
67.根據(jù)權利要求52到65的任一項中所述的壓力機，包括: ?第一壓制組件，具有空間，該空間具有開口并且從開口擴寬； ?沖頭，安裝在第二壓制組件上使得第一壓制組件和第二壓制組件之間的相對運動可以把沖頭從所述開口移動到所述空間中； ?所述空間內(nèi)的熱絕緣襯里，所述熱絕緣襯里具有被成形為符合所述空間的側(cè)表面的外表面以及被成形為接收要在壓強下被處理的工藝室容納的材料的內(nèi)表面，所述工藝室包括電阻加熱元件；?所述空間中的、允許電流傳輸?shù)剿鲭娮杓訜嵩碾妼w。
68.根據(jù)權利要求67中所述的壓力機，其中所述第一壓制組件包括用于冷卻劑經(jīng)過的通道。
69.一種在高壓下制作材料的方法，包括:在如權利要求52到68的任一項中所述的壓力機中，把材料或其前體暴露到壓強。
70.根據(jù)權利要求69中所述的方法，其中所述材料或其前體被暴露到超過IGPa的壓強。
71.根據(jù)權利要求69或權利要求70中所述的方法，其中所述材料或其前體在被暴露到壓強的同時被暴露到升高的溫度。
72.根據(jù)權利要求69到71的任一項中所述的方法，其中所述升高的溫度是超過1000°C的溫度。
73.根據(jù)權利要求69到72的任一項中所述的方法，其中所述材料或其前體是如權利要求31到51的任一項中所述方法的直接或間接產(chǎn)品。
74.根據(jù)權利要求69到73的任一項中所述的方法，其中在高壓下制作的所述材料被分離以形成晶片。
75.根據(jù)權利要求69到73的任一項中所述的方法，其中在高壓下制作的所述材料被分離以形成襯底供在權利要求31的方法中使用。
76.根據(jù)權利要求69到75的任一項中所述的方法，其中在高壓下制作的所述材料被原樣使用，或被進一步處理以形成器件中一個或多個部件，其包括以下中的一個或多個:電子部件；光電子部件；電聲部件;MEMS部件；和/或自旋電子部件。
77.一種器件，包括以下中的一個或多個:電子部件；光電子部件；電聲部件;MEMS部件；和/或自旋電子部件，其中所述器件是權利要求47或權利要求76的直接或間接產(chǎn)品或者包括被安裝到如權利要求48中引用的熱擴散器的所述電子部件；光電子部件；電聲部件;MEMS部件；和/或自旋電子部件。
78.根據(jù)權利要求77中所述的器件，其中所述器件包括由權利要求31到50或者權利要求69到76的方法形成的，在其上沉積半導體層的一個或多個襯底。
79.一種由權 利要求31到51的任一項的工藝形成的襯底和沉積層的層疊。
80.根據(jù)權利要求79中所述的層疊，其中所述層或襯底或兩者具有超過210V/mK的熱傳導率。
【文檔編號】C23C14/32GK104040675SQ201280058733
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權日:2011年9月29日
【發(fā)明者】D.布羅爾斯, R.E.德馬雷, D.斯盧茨 申請人:氮化物處理股份有限公司