大面積的光學(xué)性能合成多晶金剛石窗口的制作方法
【專利摘要】一種多晶化學(xué)氣相沉積（CVD)金剛石晶片包括：等于或大于125mm的最大線性尺寸；等于或大于200ym的厚度;以及在室溫下（標(biāo)稱298K)在多晶CVD金剛石晶片的至少中心區(qū)域上測量的以下特性中的一個或兩個，所述中心區(qū)域是圓形的，以多晶CVD金剛石晶片的中心點為中心，并且所述中心區(qū)域的直徑是多晶CVD金剛石晶片的最大線性尺寸的至少70%:在10.6ym處，吸收系數(shù)彡0.Scnf1;以及在145GHz時介電損耗系數(shù)為tanS彡2X1CT4。
【專利說明】大面積的光學(xué)性能合成多晶金剛石窗口

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用化學(xué)氣相沉積（CVD)技術(shù)制造光學(xué)性能合成多晶金剛石窗口。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)在本領(lǐng)域眾所周知用于合成金剛石材料的化學(xué)氣相沉積（CVD)過程。關(guān)于金 剛石材料的化學(xué)氣相沉積的有用背景信息可在Journal of Physics的專題：Condensed Matter, Vol. 21，No. 36(2009)中找到，其專門講述金剛石相關(guān)技術(shù)。例如R. S Balmer等 人的綜述文章給出了 CVD金剛石材料、技術(shù)和應(yīng)用的全面概述（見"Chemical vapour deposition synthetic diamond:materials,technology and applications" J. Phys. : Condensed Matter, Vol. 21, No. 36(2009)364221)。
[0003] 在金剛石相比石墨處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的范圍內(nèi)，在CVD條件下的金剛石合成由表面 動力學(xué)而非容積熱力學(xué)驅(qū)動。通常利用在過量的分子氫中的少量碳（通常< 50% )執(zhí)行經(jīng) 由CVD的金剛石合成，碳通常是甲烷形式，但可采用其它含碳氣體。如果分子氫被加熱到超 過2000K的溫度，則分子氫大量分解。當(dāng)存在合適的基底材料時，可沉積合成金剛石材料。
[0004] 原子氫對于過程是重要的，因為它從基底選擇性地蝕刻掉非金剛石碳，從而可以 生長金剛石。許多方法都可用于加熱含碳氣體和分子氫，以便產(chǎn)生CVD金剛石生長所需的 可反應(yīng)的含碳自由基和原子氫，包括電弧噴射、熱燈絲、直流電弧、氧乙炔火焰和微波等離 子體。
[0005] 涉及電極的方法，諸如直流電弧等離子體，可能由于電極侵蝕和將材料摻入到金 剛石中而具有缺點。燃燒方法避免了電極侵蝕問題，但依賴于必須提純至與高品質(zhì)的金剛 石生長相一致的水平的相對昂貴的供給氣體。此外，火焰的溫度，即使在燃燒氧乙炔混合體 時，也不足以實現(xiàn)氣體流中的大部分原子氫并且該方法依賴于將氣體流量集中在局部區(qū)域 以達到合適的生長速率。也許，燃燒未廣泛用于大塊金剛石生長的主要原因是可提取的以 kWh為單位的能量的成本。與電相比，高純度的乙炔和氧氣是一種昂貴的產(chǎn)生熱量的方式。 熱燈絲反應(yīng)器盡管表面上顯得簡單，但具有受限于在較低的氣體壓力下使用的缺點，該氣 體壓力用于確保它們的有限量的原子氫被相對有效地傳輸?shù)缴L表面。
[0006] 根據(jù)以上，鑒于功率效率、生長速率、生長面積和可獲得的產(chǎn)品純度，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微 波等離子體是驅(qū)動CVD金剛石沉積的最有效方法。
[0007] 微波等離子體激活式CVD金剛石合成系統(tǒng)通常包括聯(lián)接到源氣體供應(yīng)裝置和微 波功率源兩者的等離子體反應(yīng)器容器。等離子體反應(yīng)器容器被配置為形成支持駐波微波的 共振腔。包括碳源和分子氫的源氣體被供給到等離子體反應(yīng)器容器中，并可被駐波微波激 活，以在高場區(qū)中形成等離子體。如果在緊鄰等離子體處提供合適的基底，則反應(yīng)性含碳自 由基可從等離子體擴散到基底并沉積在其上。原子氫也從等離子體擴散到基底并從基底上 選擇性地蝕刻掉非金剛石碳，從而可生長金剛石。
[0008] 在本領(lǐng)域已知利用CVD過程生長合成金剛石薄膜的可用的微波等離子體反應(yīng)器 的范圍。這類反應(yīng)器具有各種不同的設(shè)計。共有特征包括：等離子體室；位于等離子體室 中的基底保持件；用于形成等離子體的微波發(fā)生器；用于將微波從微波發(fā)生器供給到等離 子體室中的耦合結(jié)構(gòu)；用于將生產(chǎn)氣體供給到等離子體室并從其中移除它們的氣體流動系 統(tǒng)；以及用于控制基底保持件上的基底的溫度的溫度控制系統(tǒng)。
[0009] 在上述 Journal of Physics (見 "Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition"J.Phys. :Condens. Matter, Vol. 21，No. 36(2009)364202)中給出了 Silva等人的有用的綜述性文章，總結(jié)了各 種可行的反應(yīng)器設(shè)計。關(guān)于專利文獻，US6645343 (Fraunhofer)公開了被配置為用于經(jīng)由化 學(xué)氣相沉積過程生長金剛石薄膜的微波等離子體反應(yīng)器的例子。在此描述的反應(yīng)器包括具 有安裝在其底部上的基底保持件的圓柱形等離子體室。在基底保持件下方設(shè)置冷卻裝置， 以便控制基底保持件上的基底的溫度。此外，在等離子體室的底部中設(shè)置氣體入口和氣體 出口，以便供應(yīng)和移除生產(chǎn)氣體。微波發(fā)生器經(jīng)由高頻共軸線聯(lián)接到等離子體腔，高頻共軸 線的傳送端在等離子體室的上方被劃分并且在等離子體室的周緣指向大體環(huán)形的微波窗 口，微波窗口是被安裝在等離子體室的側(cè)壁中的石英環(huán)。
[0010] 利用微波等離子體反應(yīng)器，諸如現(xiàn)有技術(shù)中公開的那些，可以通過化學(xué)氣相沉積 在合適的基底上（諸如硅晶片或碳化物形成的難熔金屬盤）生長多晶金剛石晶片。這種多 晶CVD金剛石晶片在它們的生長形式下通常是不透明的，但是可通過拋光晶片的相反表面 使其透明，以生產(chǎn)用于光學(xué)應(yīng)用的透明多晶金剛石窗口。
[0011] 金剛石材料可用作光學(xué)部件，因為它具有從紫外到紅外的寬的光學(xué)透明度。金剛 石材料相比其它可用的窗口材料的額外優(yōu)點是它機械強度高、化學(xué)惰性并且生物可相容。 例如，金剛石材料的惰性使得它成為在其它光學(xué)窗口不適用的反應(yīng)化學(xué)環(huán)境中使用的極佳 選擇。此外，金剛石材料具有很高的熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)。這樣，金剛石材料可在部件傾 向于被加熱的高能量束應(yīng)用中用作光學(xué)部件。金剛石材料可快速地傳導(dǎo)走熱量，以冷卻升 溫區(qū)域，從而防止熱量在特定點（例如，高能量束穿過材料的位置）處積累。就材料被加熱 來說，金剛石材料的低熱膨脹系數(shù)確保部件不會過度變形，過度變形可導(dǎo)致使用中的光學(xué) 和/或機械問題。
[0012] 制造多晶CVD金剛石光學(xué)部件的一個問題是在CVD生長過程中諸如氮、硅和非金 剛石碳化物的雜質(zhì)被摻入金剛石材料中，如下所述。
[0013] 大氣氮通常作為源生產(chǎn)氣體中的雜質(zhì)出現(xiàn)，并且還可以作為CVD反應(yīng)器部件內(nèi)的 剩余雜質(zhì)出現(xiàn)，這是由于例如不完美的真空密封和/或被吸收到CVD反應(yīng)器的內(nèi)部表面上 的剩余雜質(zhì)（在使用期間可釋放）。此外，在合成金剛石生長過程中，氮氣通常被故意地 引入CVD合成氣氛中，因為已知氮可提高合成金剛石材料的生長速率。盡管氮有利于達到 商業(yè)有益的生長速率，但是將氮摻入合成金剛石材料中會不利地影響材料的光學(xué)和熱學(xué)性 能。因此，可在CVD合成氣氛內(nèi)提供足夠的氮以達到可接受的生長速率和限制摻入生長的 固態(tài)CVD金剛石材料中的氮量之間取得平衡。設(shè)備和過程條件可影響在CVD合成氣氛內(nèi)氮 被摻入生長的固態(tài)CVD金剛石材料中的速率。
[0014] 硅雜質(zhì)可來自CVD反應(yīng)器內(nèi)基于硅的部件。例如，石英出口或鐘形玻璃容器通常 用于將微波耦合到等離子體室中和/或限制基底生長表面附近的等離子體和生產(chǎn)氣體，以 實現(xiàn)CVD金剛石生長。這種含硅石英部件在使用時暴露于等離子體的極高溫度并且這會導(dǎo) 致來自這些部件的硅摻入合成金剛石材料。設(shè)備和過程條件可影響隨摻入正在生長的固態(tài) CVD金剛石材料中的速率。
[0015] 在CVD金剛石生長過程中，非金剛石碳（例如，sp2混合石墨碳）不可避免地沉積 在基底的生長表面上。如上所述，原子氫是CVD金剛石生長過程必不可少的，因為它從基底 選擇性地蝕刻掉非金剛石碳，從而可以生長金剛石。但是，這種選擇性蝕刻過程不總是去除 所有沉積的非金剛石碳，因此這種材料摻入CVD金剛石材料中。設(shè)備和過程條件可影響非 金剛石碳摻入正在生長的固態(tài)CVD金剛石材料的速率。
[0016] 根據(jù)以上，顯然必須謹慎地選擇和控制設(shè)備配置和過程條件，以確保對于高性能 光學(xué)部件，在CVD生長期間摻入合成金剛石材料的雜質(zhì)水平極小。
[0017] 除了控制絕對雜質(zhì)水平之外，確保雜質(zhì)攝入的均勻性受到控制也是至關(guān)重要的， 從而獲得性能一致的產(chǎn)品。均勻性問題在空間上是橫跨生長表面攝入雜質(zhì)的比率變化，在 時間上是生長期間攝入雜質(zhì)的速率變化。例如，在生長表面上物理和/或化學(xué)過程參數(shù)的 不均勻分布可導(dǎo)致橫跨合成多晶金剛石晶片攝入的雜質(zhì)的比率的空間變化。此外，當(dāng)合成 多晶金剛石晶片生長時，合成多晶金剛石晶片內(nèi)的晶粒邊界的大小增加。在合成多晶金剛 石晶片生長時的晶粒邊界大小增加會導(dǎo)致攝入變大的晶粒邊界內(nèi)的雜質(zhì)比率增加，這會致 使貫穿合成多晶金剛石晶片的厚度的雜質(zhì)濃度增加。
[0018] 除上述問題之外，橫跨合成多晶金剛石晶片的生長速率變化可導(dǎo)致雜質(zhì)攝入變 化。例如，當(dāng)生長速率增加時，可用于從生長表面（在其未被封入合成多晶金剛石晶片內(nèi)之 前）蝕刻掉非金剛石碳的時間減少。此外，生長速率變化還導(dǎo)致厚度變化，這會致使在CVD 生長過程完成之后進行冷卻時拉緊合成多晶金剛石晶片并使其破裂。生長速率的變化可以 是由橫跨生長表面的等離子體不均勻和在其上生長合成多晶金剛石晶片的基底的溫度不 均勻?qū)е碌摹?br> [0019] 即使存在以上問題，目前已經(jīng)可以制造直徑高達約IOOmm的高光學(xué)性能的多晶金 剛石晶片。但是，難以生產(chǎn)更大的高光學(xué)性能多晶金剛石晶片。盡管已經(jīng)可以制造更大的 多晶金剛石晶片，但這些晶片具有較低的光學(xué)性能，尤其是朝向晶片的周緣。這類晶片不滿 足某些商業(yè)應(yīng)用的要求，這些應(yīng)用需要相對厚、直徑相對大的極高光學(xué)性能的合成多晶金 剛石窗口。例如，某些功率非常高的激光束應(yīng)用需要直徑> 120mm的通光孔徑，能夠處理所 涉及的極高功率密度的光學(xué)等級多晶金剛石激光窗口?？色@得較小尺寸的具有相關(guān)光學(xué)性 質(zhì)的多晶金剛石激光窗口。但是這些尺寸對于某些應(yīng)用不夠大。這類多晶金剛石窗口也被 要求用作防輻射窗口。
[0020] 本發(fā)明的某些實施例的目的是提供合適的微波等離子體反應(yīng)器配置和合適的CVD 過程條件，以便制造橫跨基本整個窗口面積（例如，至少80%)具有極高光學(xué)性能的大（例 如，直徑至少120mm)合成多晶金剛石窗口。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種多晶化學(xué)氣相沉積（CVD)金剛石晶片，包括：
[0022] 等于或大于125mm的最大線性尺寸；
[0023] 等于或大于200 iim的厚度；以及
[0024] 在室溫下（標(biāo)稱298K)在多晶CVD金剛石晶片的至少中心區(qū)域上測量的以下特性 中的一個或兩個，所述中心區(qū)域是圓形的，以多晶CVD金剛石晶片的中心點為中心，并且所 述中心區(qū)域的直徑是多晶CVD金剛石晶片的最大線性尺寸的至少70% :
[0025] (1)在10. 6 ii m處，吸收系數(shù)彡0? 2cm-1 ;以及
[0026] (2)在145GHz時介電損耗系數(shù)為tan S彡2X 10_4。
[0027] 優(yōu)選地，多晶CVD金剛石晶片在至少中心區(qū)域上還包括以下特征中的一個或多 個：
[0028] (3)受拉力的多晶CVD金剛石晶片的成核面的拉伸斷裂強度：對于200至500 ii m 的厚度，彡760MPaXn ;對于500至750 ii m的厚度，彡700MPaXn ;對于750至1000 ii m的厚 度，彡650MPaXn ;對于1000至1250 ii m的厚度，彡600MPaXn ;對于1250至1500 ii m的厚 度，彡550MPaXn ;對于1500至1750 ii m的厚度，彡500MPaXn ;對于1750至2000 ii m的厚 度，彡450MPaXn ;或?qū)τ卺?000iim的厚度，彡400MPaXn，其中，乘數(shù)n是I. 0、1. 1、L 2、 I. 4、1. 6、1. 8 或 2 ;
[0029] (4)受拉力的多晶CVD金剛石晶片的生長面的拉伸斷裂強度：對于200至500 ii m 的厚度，彡330MPaXn ;對于500至750 ii m的厚度，彡300MPaXn ;對于750至1000 ii m的厚 度，彡275MPaXn ;對于1000至1250 ii m的厚度，彡250MPaXn ;對于1250至1500 ii m的厚 度，彡225MPaXn ;對于1500至1750 ii m的厚度，彡200MPaXn ;對于1750至2000 ii m的厚 度，彡175MPaXn ;或?qū)τ卺?000iim的厚度，彡150MPaXn，其中，乘數(shù)n是I. 0、1. 1、L 2、 I. 4、1. 6、1. 8 或 2 ;
[0030] (5)表面平坦度 < 5iim、<4iim、<3iim、<2iim、<liim、<0.5iim、<0.2iim 或< 0? I U m。
[0031] 優(yōu)選地，多晶CVD金剛石晶片在至少中心區(qū)域上還包括以下特征中的一個或多 個：
[0032] (6)平均黑點密度不大于lmm'O. 5mnT2或0? ImnT2 ;
[0033] (7)黑點分布為使得在任何3mm2面積內(nèi)不多于4、3、2或1個黑點；
[0034] (8)當(dāng)用在2760CHT1至3030CHT1范圍內(nèi)的修正線性背景下（background)測量時， 單位厚度的積分吸光度不大于〇. 20cnT2、0. 15cnT2、0. IOcnT2或0. 05cnT2 ;
[0035] (9)熱導(dǎo)率不小于 1900伽1-1、2000伽1-1、2100伽1-1 或 2200伽1-1 ;
[0036] (10)對于前表面和后表面被拋光為均方根粗糙度小于15nm的0. 7mm的樣品厚度， 在10. 6iim處，在前半球中的全積分散射不多于1%、0. 5%或0. 1% ;以及
[0037] (11)通過二次離子質(zhì)譜法測量的硅濃度不大于1017cnT3、5X10 16cnT3、1016cnr3、 5 X 1015cm 3 或 1015cm 3。
[0038] 實施例可包括上述優(yōu)選特征的任何組合。但是，在以上給出的11個所述特征中， 多晶CVD金剛石晶片優(yōu)選包括2、3、4、5、6、7、8、9、10個，或更優(yōu)選地包括所有11個所述特 征。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于制造如上所述的多晶CVD金剛石晶片的微 波等離子體反應(yīng)器，所述微波等離子體反應(yīng)器包括：
[0040] 等離子體室，其包括底部、頂板和從所述底部延伸到所述頂板的側(cè)壁，從而限定 用于支持微波共振模式的共振腔，其中，共振腔具有從底部延伸到頂板的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸 線.
[0041] 微波耦合結(jié)構(gòu)，其包括環(huán)形電介質(zhì)窗口，以用于經(jīng)由環(huán)形電介質(zhì)窗口通過頂板沿 朝向等離子體室的底部的方向?qū)⑽⒉ǜ袘?yīng)耦合到等離子體室中；
[0042] 氣體流動系統(tǒng)，用于經(jīng)由一個或多個氣體入口噴嘴通過頂板沿朝向等離子體室的 底部的方向?qū)⑸a(chǎn)氣體供給到等離子體室中；
[0043] 基底保持件，其位于等離子體室的底部中并且包括用于支撐基底的支撐表面，在 使用時多晶CVD金剛石晶片能夠生長在基底上；以及
[0044] 基底溫度控制系統(tǒng)，其包括用于向基底保持件供應(yīng)液體和/或氣體冷卻劑的冷卻 劑傳送系統(tǒng)，以在使用時控制基底保持件的支撐表面上的溫度曲線圖，
[0045] 其中，至少環(huán)形電介質(zhì)窗口是旋轉(zhuǎn)對稱的，具有位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線 的0. 2mm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。
[0046] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于利用如上限定的微波等離子體反應(yīng)器制造 多晶CVD金剛石晶片的方法，所述方法包括：
[0047] 將基底放置在基底保持件上，基底是旋轉(zhuǎn)對稱的并且當(dāng)位于基底保持件上時具有 位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的I. Omm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線；
[0048] 以15至40kW范圍內(nèi)的功率通過環(huán)形電介質(zhì)窗口將微波供給到等離子體室中；
[0049] 通過一個或多個氣體入口噴嘴將生產(chǎn)氣體供給到等離子體室中，生產(chǎn)氣體包括原 子濃度在98至99%范圍內(nèi)的氫、原子濃度在0. 3至I. 1 %范圍內(nèi)的碳和原子濃度在30至 270ppm范圍內(nèi)的氮，其中，生產(chǎn)氣體的總流量處于2000至15000sccm范圍內(nèi)并且等離子體 室內(nèi)的壓力處于140至235托范圍內(nèi)；
[0050] 以在775至950°C范圍內(nèi)的基底溫度使多晶CVD金剛石晶片在基底上生長；
[0051] 從微波等離子體反應(yīng)器移出多晶CVD金剛石晶片；以及
[0052] 拋光多晶CVD金剛石晶片。
[0053] 通過以下方式實現(xiàn)本發(fā)明的某些實施例：（i)研制特定的微波等離子體反應(yīng)器配 置；（ii)將微波等離子體反應(yīng)器的配置進一步修改至極度精確的設(shè)計容差；以及（iii)研 制用于操作微波等離子體反應(yīng)器配置的合適的方法條件，以實現(xiàn)制造具有極高光學(xué)性能的 大的合成多晶金剛石窗口。
[0054] 關(guān)于要點（i)，微波等離子體反應(yīng)器被配置為經(jīng)由一個或多個氣體入口噴嘴耦合 生產(chǎn)氣體并經(jīng)由環(huán)形電介質(zhì)窗口耦合微波，生產(chǎn)氣體和微波通過等離子體室的頂板，朝向 被安裝在等離子體室的底部中的溫度被合適地控制的基底，從而使得生產(chǎn)氣體和微波都以 旋轉(zhuǎn)對稱的方式被耦合到等離子體室中并朝向基底的生長表面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種配置對于 允許高氣體流速、高過程壓力和高微波功率過程條件方面有用，這些過程條件用于在合適 地控制氮濃度的情況下實現(xiàn)以高生長速率生長良好品質(zhì)的合成金剛石。此外，當(dāng)與諸如使 用鐘形玻璃容器、橫跨等離子體室的中心部分使用窗口或位于等離子體室的側(cè)壁中的環(huán)形 電介質(zhì)窗口的替代方案相比較時（這些替代方案都增加了電介質(zhì)窗口材料對室內(nèi)的等離 子體區(qū)域的暴露），在等離子體室的頂板的周圍區(qū)域附近設(shè)置環(huán)形電介質(zhì)窗口可減少在生 長期間傳遞到合成金剛石材料中的硅。
[0055] 關(guān)于要點（ii)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使采用這種配置，也不能制造具有極高光學(xué)性能且不 破裂的大面積的（直徑彡120mm)、厚的（彡200 iim)合成多晶金剛石窗口。此問題已經(jīng)追 溯到微波耦合結(jié)構(gòu)、氣體傳送系統(tǒng)和基底安裝和溫度控制系統(tǒng)相對于等離子體室的中心旋 轉(zhuǎn)對稱軸線的很微小的不對齊。盡管未證明微小的不對齊會顯著降低生長了較小面積（例 如，直徑< 100mm)的合成金剛石材料的品質(zhì)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制造大面積（直徑彡120mm) 的合成金剛石材料時，即使部件之間的很微小的不對齊也會不利地影響材料的品質(zhì)，尤其 是合成多晶金剛石晶片的周圍區(qū)域附近的品質(zhì)。這樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，部件，尤其是環(huán)形電介 質(zhì)窗口，應(yīng)該旋轉(zhuǎn)對稱，并且每個部件的旋轉(zhuǎn)對稱軸線位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的 0. 2mm內(nèi)。優(yōu)選地，其它部件，諸如基底保持件和一個或多個氣體入口噴嘴，也應(yīng)該被精確地 配置和對齊。這種精確對齊連同沿軸向方向朝向基底生長表面將生產(chǎn)氣體和微波兩者耦合 到等離子體室中的上述配置，允許在高度旋轉(zhuǎn)對稱的情況下實現(xiàn)高氣流速率和高微波功率 條件，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高度旋轉(zhuǎn)對稱對于實現(xiàn)制造具有極高光學(xué)性能的大面積的、厚的合成多晶 金剛石窗口是至關(guān)重要的。
[0056] 關(guān)于要點（iii)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使采用上述精確對齊的微波等離子體反應(yīng)器配置，多 晶金剛石晶片的周圍區(qū)域附近的多晶金剛石材料的品質(zhì)也不能滿足極高的光學(xué)性能要求。 具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在較大面積的晶片的周圍區(qū)域處諸如非金剛石碳的雜質(zhì)的水平會增加。 當(dāng)還生長至較大厚度時，這問題加重，因為當(dāng)合成多晶CVD金剛石晶片生長時，晶粒邊界的 尺寸增大并且這導(dǎo)致晶粒邊界內(nèi)的雜質(zhì)比率增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可通過增加氫氣流速來緩解此 問題。從基底選擇性地蝕刻掉非金剛石碳所需的原子氫濃度被認為在相當(dāng)大的直徑處較 低，并且因此降低非金剛石碳的蝕刻效率。相信增加噴向生長表面的氫氣流速會向多晶金 剛石晶片的周圍區(qū)域推動更多的原子氫，由此增加從生長表面蝕刻掉非金剛石碳的速率并 提高生長晶片的周圍區(qū)域中的材料品質(zhì)。替代性的或額外的方案是提供具有多個氣體入口 噴嘴的氣體入口噴嘴陣列，多個氣體入口噴嘴朝向基底的生長表面并且位于足夠大的區(qū)域 上，足以確保在生長期間在多晶金剛石晶片的周圍區(qū)域中提供濃度足夠高的原子氫。另一 替代性的或額外的方案是降低多晶CVD金剛石晶片的生長速率，以允許使用更多時間來從 生長表面上蝕刻掉非金剛石碳。例如，通過例如降低使多晶CVD金剛石晶片在基底上生長 期間的碳的原子濃度和/或氮的原子濃度，生長速率可隨多晶CVD金剛石晶片的增加而降 低。
[0057] 通過結(jié)合對發(fā)生器設(shè)計、工程容差控制和過程設(shè)計的研究，已經(jīng)可以實現(xiàn)制造具 有極高光學(xué)性能的大的合成多晶金剛石窗口。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0058] 為了更好地理解本發(fā)明以及示出如何實現(xiàn)本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖僅以舉例方式 描述本發(fā)明的實施例，其中：
[0059] 圖1圖示被配置為用以制造大面積光學(xué)性能的多晶CVD金剛石晶片的微波等離子 體反應(yīng)器；
[0060] 圖2(a)、2(b)和3圖示用于將微波耦合到等離子體室中的微波耦合結(jié)構(gòu)的部件； [0061] 圖4(a)至4(c)示出微波等離子體反應(yīng)器中對于不同基底高度的電場分布圖；
[0062] 圖5 (a)至5 (c)示出如何相對于圍繞基底的表面的平均高度計算基底的生長表面 的高度；
[0063] 圖6(a)和6(b)圖示大面積的光學(xué)性能的多晶CVD金剛石晶片；以及
[0064] 圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的從直徑140mm的母晶片上提取的用于激光量熱的 四個直徑20mm的測試樣本。

【具體實施方式】
[0065] 圖1所示的微波等離子體反應(yīng)器包括以下部件：等離子體室2 ;基底保持件4 ;基 底5 ;微波發(fā)生器6 ;等離子體8,其被產(chǎn)生用于生長具有成核面9'和生長面9"的多晶CVD 金剛石晶片9 ;微波耦合結(jié)構(gòu)10 ;電介質(zhì)窗口 12 ;源氣體容器系統(tǒng)14 ;一個或多個氣體入口 16 ;-個或多個氣體出口 18 ;用于限定基底保持件4的支撐表面和基底5的后表面之間的 氣隙22的間隔線或間隔墊；以及基底溫度控制裝置，其包括經(jīng)由供應(yīng)管26聯(lián)接到氣隙22 的氣體供應(yīng)系統(tǒng)24和用于冷卻基底保持件的冷卻液供應(yīng)系統(tǒng)28。
[0066] 微波等離子體反應(yīng)器可被認為包括三個子系統(tǒng)：(A)氣體和微波傳送系統(tǒng)，其被 配置為通過等離子體室的頂板將生產(chǎn)氣體和微波傳送到等離子體室；(B)等離子體室，包 括底部、頂板和側(cè)壁，側(cè)壁從底部延伸到頂板，限定用于支持微波共振模式的共振腔，共振 腔包括從底部延伸到頂板的對稱的中心旋轉(zhuǎn)軸線S ;以及（C)基底安裝結(jié)構(gòu)，其包括基底保 持件和基底溫度控制系統(tǒng)，基底保持件位于等離子體室的底部上，提供用于支撐基底的支 撐表面，在使用時可使多晶CVD金剛石晶片在基底上生長，基底溫度控制系統(tǒng)包括用于向 基底保持件供應(yīng)液體和/或氣體冷卻劑的冷卻劑傳送系統(tǒng)，以在使用時控制基底保持件的 支撐表面上的溫度曲線圖。
[0067] 下面將更詳細地描述每個子系統(tǒng)。
[0068] (A)氣體和微波傳送系統(tǒng)
[0069] 微波耦合結(jié)構(gòu)10包括共軸波導(dǎo)，共軸波導(dǎo)被配置為將微波從矩形波導(dǎo)供給到環(huán) 形電介質(zhì)窗口 12。共軸波導(dǎo)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體。環(huán)形電介質(zhì)窗由在等離子體室的頂部 中形成真空密封窗口的微波可穿透材料（諸如石英）制成。微波發(fā)生器6和微波耦合結(jié)構(gòu) 10被配置為產(chǎn)生合適波長的微波并將微波感應(yīng)耦合到等離子體室中，以在等離子體室內(nèi)形 成在使用時具有位于基底5正上方的高能波腹的駐波。
[0070] 微波耦合結(jié)構(gòu)10還包括波導(dǎo)板13。圖2(a)、2(b)和3更詳細地圖示了波導(dǎo)板13 及其安裝結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)板13包括放置為環(huán)形配置的多個缺口 32,每個缺口形成用于通過環(huán)形 電介質(zhì)窗口 12將微波從共軸波導(dǎo)耦合到等離子體室的波導(dǎo)。波導(dǎo)板還可包括在缺口之間 延伸的適于將冷卻劑和/或生產(chǎn)氣體從外周區(qū)域供應(yīng)到內(nèi)軸線區(qū)域的多個通道34。
[0071] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此配置是有利的，因為它允許微波功率經(jīng)由環(huán)形電介質(zhì)窗口耦合到等離 子體室中，同時還允許將冷卻劑和/或生產(chǎn)氣體提供到被波導(dǎo)結(jié)構(gòu)封閉的等離子體室區(qū) 域。
[0072] 除上述之外，波導(dǎo)板可被配置為支撐共軸波導(dǎo)的中心導(dǎo)體。因此，盡管圖1所示的 中心導(dǎo)體是接地柱，但在一個替代性布置中，中心導(dǎo)體可形成為電浮動柱，其不需要相對于 微波發(fā)生器將矩形波導(dǎo)的上壁接地。在波導(dǎo)中電浮動的內(nèi)導(dǎo)體在許多方面是將功率從矩形 波導(dǎo)傳遞到共軸波導(dǎo)的更簡單更方便的方法。這具有失去接地點的缺點，在該點處可通過 如圖1所示的中心導(dǎo)體引入諸如冷卻水和生產(chǎn)氣體的服務(wù)物質(zhì)。但是，本發(fā)明的某些實施 例提供經(jīng)由波導(dǎo)板中的通道供應(yīng)這類服務(wù)物質(zhì)的替代性路徑。
[0073] 此外，波導(dǎo)板可被配置為將等離子體室的上部和下部聯(lián)接在一起并避免在使用時 大的壓應(yīng)力作用在環(huán)形電介質(zhì)窗口上，而不使用通過共軸波導(dǎo)的中心導(dǎo)體的機械錨定點。 此外，環(huán)形電介質(zhì)窗口可包括兩個相對的表面，微波通過它們被耦合到等離子體室中并且 可在所述兩個相對的表面上設(shè)置密封件。這允許在等離子體室的上部和下部之間以及電介 質(zhì)窗口處形成可靠的密封。
[0074] 圖3示出微波等離子體反應(yīng)器的一部分的剖視圖，圖示了環(huán)形電介質(zhì)窗口 12和波 導(dǎo)板13如何被安裝在反應(yīng)器中的例子。在所示布置中，波導(dǎo)板13的外周部分位于共軸波 導(dǎo)38的外導(dǎo)體36和等離子體室的側(cè)壁40之間。環(huán)形電介質(zhì)窗口 12的外周部分位于波導(dǎo) 板13和等離子體室的側(cè)壁40之間。環(huán)形電介質(zhì)窗口 12的內(nèi)部被承托在波導(dǎo)板13的內(nèi)部 和另一板42之間。波導(dǎo)板中的缺口 32與環(huán)形電介質(zhì)窗口 12及通道34對齊，以便穿過缺 口之間將冷卻劑和/或生產(chǎn)氣體供應(yīng)到波導(dǎo)板13的內(nèi)部。環(huán)形電介質(zhì)窗口 12可利用彈性 體0形環(huán)44被安裝到波導(dǎo)板。在此布置中，另一板42可附接到波導(dǎo)板13,其中，電介質(zhì)窗 口 12的一部分經(jīng)由彈性體0形環(huán)44被放置和承托在其間。
[0075] 如上所述的波導(dǎo)板實現(xiàn)若干有利功能：
[0076] (i)它允許噴射冷卻劑和/或生產(chǎn)氣體；
[0077] (ii)它支撐中心共軸導(dǎo)體；
[0078] (iii)它在等離子體室的上部和下部之間形成聯(lián)接；
[0079] (iv)它朝向基底沿軸向方向?qū)⑽⒉◤墓草S波導(dǎo)供給到等離子體室；并且
[0080] (V)它支撐環(huán)形電介質(zhì)窗口。
[0081] 在所示實施例中，波導(dǎo)板中的多個缺口被配置為沿與等離子體室的中心軸線平行 的方向?qū)⑽⒉詈系降入x子體室中。在此布置中，波導(dǎo)板位于與等離子體室的中心軸線垂 直的平面內(nèi)并且形成等離子體室中的上壁的一部分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，沿與室的軸線平行的方向 將微波耦合到等離子體室中更有效并且不需要更復(fù)雜的共軸供給配置。這樣，即使在波導(dǎo) 板中不提供用于冷卻劑和/或生產(chǎn)氣體的通道，和/或不提供浮動柱，根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)板 也有利于以簡單有效的方式將微波耦合到等離子體室中。
[0082] 多個缺口優(yōu)選被配置為具有周期性旋轉(zhuǎn)對稱。例如，如果設(shè)置n個缺口，則缺口圍 繞圓對稱地配置，以具有n次折疊旋轉(zhuǎn)對稱。優(yōu)選對稱布置，以避免由于缺口不對稱而形成 的等離子體室內(nèi)的電場不對稱。
[0083] 如上所述的環(huán)形電介質(zhì)窗口由單個完整的電介質(zhì)材料環(huán)形成。但是，在替代性布 置中，環(huán)形電介質(zhì)窗口可由多個分開的弧形區(qū)段形成，每個區(qū)段橫跨波導(dǎo)板的相應(yīng)缺口被 密封。本發(fā)明的實施例的重要特征是環(huán)形電介質(zhì)窗口旋轉(zhuǎn)對稱并且具有位于共振腔的中心 旋轉(zhuǎn)對稱軸線的〇. 2mm、0. 15mm、0. IOmm或0. 05mm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。
[0084] 在一個配置中，在波導(dǎo)板中的缺口之間延伸的一個或多個通道包括被配置為將生 產(chǎn)氣體供應(yīng)到一個或多個噴射口的至少一個通道，一個或多個噴射口與基底保持件相對布 置，以便朝向基底保持件噴射生產(chǎn)氣體。此配置允許軸向氣體流動裝置與微波耦合結(jié)構(gòu)一 樣位于室的同一端處。
[0085] 波導(dǎo)板的中心部分可支撐與基底保持件相對放置的傳導(dǎo)表面46。傳導(dǎo)表面可由波 導(dǎo)板形成或者可由連接到波導(dǎo)板的中心部分的單獨的金屬主體形成。一個或多個氣體入口 噴嘴16可位于傳導(dǎo)表面中，用于朝向基底保持件噴射生產(chǎn)氣體。在一個配置中，傳導(dǎo)表面 是彎曲的并朝向等離子體室的中心區(qū)域延伸。例如，傳導(dǎo)表面可形成錐形主體。這種傳導(dǎo) 表面是有用的，因為它可幫助防止等離子體形成在等離子體室的上部區(qū)域中。實際上，在使 用時傳導(dǎo)表面可屏蔽高電場區(qū)域。就是說，傳導(dǎo)表面可放置為封閉高電場波腹區(qū)域，該區(qū)域 可存在于不包括朝向等離子體室的中心區(qū)域延伸的傳導(dǎo)表面的相應(yīng)室中。
[0086] 波導(dǎo)板可包括2、3、4、5、6、7或更多個缺口。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)笨诘臄?shù)量可影響微 波耦合到等離子體室中的效率。根據(jù)某些布置，波導(dǎo)板包括奇數(shù)個缺口，更優(yōu)選地包括質(zhì)數(shù) 個缺口。例如，波導(dǎo)板可包括3、5或7個缺口。
[0087] 每個缺口實際上相當(dāng)于矩形波導(dǎo)。三向缺口可幫助最大化缺口的長度。四或六 向替代方案都被發(fā)現(xiàn)在模式穩(wěn)定性方面存在缺陷。盡管存在若干缺口，但在TMtlnm模式下功 率可主要被耦合到腔中。缺口的對稱性具有影響，在產(chǎn)生更高階模式，即TM lm(其中1不等 于零），的形式中可見。因此，其中全部三個缺口都同相地被激發(fā)的三向缺口將耦合到TM3mn 系列模式，而四和六向缺口預(yù)期可與更高階的TM8im^P TM12nm模式耦合。然而，實際上，四和 六向缺口傾向于寄生模式。因此，四或六向缺口可產(chǎn)生等離子體中的不對稱，這會導(dǎo)致等離 子體移開中心或向兩個方向分開。三向缺口給出比伴隨其它配置產(chǎn)生的更重要的單向和雙 向分散模式更可取的穩(wěn)定的三向牽引效應(yīng)（pulling effect)?？衫媚Ｊ较龎K處理不 穩(wěn)定，模式消除塊基本上是金屬主體，其向局部電場產(chǎn)生意在消除缺口產(chǎn)生的三向模式的 擾動。可憑借經(jīng)驗確立這些金屬塊的位置。通過將金屬塊放置在高壁電流的區(qū)域中（即， H場高之處），塊可用于中斷不希望的模式。這樣，在一個布置中，多個模式消除塊被放置在 等離子體室的內(nèi)壁上，例如，室的側(cè)壁上或底部上，模式消除塊被配置為補償由多個缺口導(dǎo) 致的電磁擾動。模式消除塊分隔開，從而與缺口結(jié)構(gòu)對稱地相關(guān)。例如，模式消除塊的數(shù)量 可等于設(shè)置在波導(dǎo)板中的缺口的數(shù)量，模式消除塊被放置為具有與缺口布置相對應(yīng)的對稱 性。例如，如果三個缺口被設(shè)置在波導(dǎo)板中，則可圍繞等離子體室壁在等離子體室的下部中 安裝和對稱地布置三個模式消除塊，從而消除由缺口導(dǎo)致的電場中的擾動。替代性地，模式 消除塊的數(shù)量可以是缺口數(shù)量的整數(shù)倍，同時仍被布置為與缺口結(jié)構(gòu)對稱地相關(guān)。模式消 除塊可粘附到等離子體室的內(nèi)壁或者可以由等離子體室的壁一體形成。三向缺口的另一個 可行的替代方案是使用五或七向缺口。由于這些是質(zhì)數(shù)，因此它們不會與較低階的雙向模 式等模式重疊（over-moding)。在此情形中，可不需要模式消除塊。
[0088] 更有利的是經(jīng)由具有特定的徑向?qū)挾鹊娜笨趯⑽⒉芰抗?yīng)到等離子體室。由波 導(dǎo)板中的缺口提供的環(huán)形間隙（沿徑向方向）與等離子體室的直徑之比可在1/10至1/50、 1/20至1/40、1/25至1/35的范圍內(nèi)，或可選地約為1/30?？赏ㄟ^以下方式設(shè)置此環(huán)形間 隙，即，鄰近等離子體室的側(cè)壁放置缺口，其中共軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體的直徑與等離子體的共振 腔的直徑接近，并且內(nèi)導(dǎo)體僅稍小于外導(dǎo)體，以實現(xiàn)與環(huán)形間隙的以上指定比率相同的比 率。通過改變著兩個導(dǎo)體的直徑之比，可找到實現(xiàn)與室匹配的最佳點。在替代性布置中，缺 口可遠離等離子體室的側(cè)壁放置，例如，放置在頂板的中心和邊緣之間的中間位置處。有利 地，室和微波耦合組件的部件應(yīng)該高精確度地被配置，例如，使得部件的尺寸和定位在規(guī)定 規(guī)格的〇. 1%以內(nèi)。
[0089] 氣體供應(yīng)系統(tǒng)包括源氣體容器系統(tǒng)14、一個或多個氣體入口 16和一個或多個氣 體出口 18。在圖1中圖示了在等離子體室的頂板（其也形成上述波導(dǎo)板13)的中心中的一 個軸向放置的氣體入口?？蛇x地，氣體入口可被修改為橫跨等離子體室的頂板的一區(qū)域提 供一陣列氣體入口噴嘴。
[0090] 氣體入口位于等離子體室的上部、基底保持件的正上方，并且被配置為朝向基底 直接高速供給氣體。生產(chǎn)氣體在等離子體室的底部中或附近的一個或多個出口處被移除。 可選地，利用泵可將生產(chǎn)氣體再次循環(huán)到入口。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是朝向基底噴出的高速氣 體流通過對流將激活的氣體從等離子體傳輸?shù)交住＿@與依賴于將激活氣體從等離子體擴 散到基底的系統(tǒng)相比有助于增加生長速率。此外，如上所述，通過利用這種布置增加氫氣流 速，可以向多晶金剛石晶片的周圍區(qū)域推動更多的原子氫，由此增加從生長表面蝕刻掉非 金剛石碳的速率并提1?生長的晶片的周圍區(qū)域中材料的品質(zhì)。
[0091] 替代的方案或額外的方案是提供具有多個氣體入口噴嘴的氣體入口噴嘴陣列，多 個氣體入口噴嘴指向基底的生長表面并且位于足夠大的區(qū)域上，以確保足夠大濃度的原子 氫在生長期間被提供到多晶金剛石晶片的周圍區(qū)域中。對此，數(shù)量相對多的噴嘴可密集地 間隔開，以確保相對均勻的氣體流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在陣列中提供數(shù)量密度相對高的噴嘴在使用 時會提高朝向基底的氣流的均勻性并允許相對于基底均勻地平整和塑形等離子體，以實現(xiàn) 在相對大的區(qū)域上高速形成均勻的金剛石薄膜。還發(fā)現(xiàn)有用的是，提供相對小面積的噴嘴， 從而使得噴嘴陣列的面積主要由噴嘴之間的間隔而非噴嘴出口自身的面積組成。這樣，雖 然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對于噴嘴入口陣列的面積提供數(shù)量密度相對大的噴嘴是有利的，但是同樣已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)，噴嘴入口的面積除以噴嘴陣列的整體面積的比率小是有利的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，小的噴嘴 對于提供高速噴出的氣體流是有利的。但是，還期望在相對大的面積上具有相對均勻的氣 體流，以便在相對大的面積上均勻地沉積金剛石薄膜。因此，相對小的入口噴嘴尺寸和這類 噴嘴的相對高的數(shù)量密度的結(jié)合被發(fā)現(xiàn)有利于實現(xiàn)高速噴出的氣體流和在相對大的面積 上的氣體流的均勻性之間的平衡。
[0092] 根據(jù)以上，修改的氣體流系統(tǒng)可包括氣體入口噴嘴陣列，該陣列包括與基底保持 件相對放置的用于朝向基底保持件噴出生產(chǎn)氣體的多個氣體入口噴嘴，氣體入口噴嘴陣列 包括：相對于等離子體室的中心軸線沿基本平行或發(fā)散方向放置的至少六個氣體入口噴嘴 (基本平行指的是至少在完全平行布置的10°、5°、2°、1°內(nèi)）；等于或大于0. 1個噴嘴/ cm2(但對于某些應(yīng)用優(yōu)選更高）的氣體入口噴嘴的數(shù)量密度，其中，通過將噴嘴投影到法線 與等離子體室的中心軸線平行的平面上并在所述平面上測量氣體入口的數(shù)量密度，來測量 氣體入口噴嘴的數(shù)量密度；以及等于或大于1〇(但對于某些應(yīng)用優(yōu)選更高）的噴嘴面積比， 其中，通過將噴嘴投影到法線與等離子體室的中心軸線平行的平面上、在所述平面上測量 氣體入口噴嘴面積的總面積、用總面積除以噴嘴的總數(shù)量以給出與每個噴嘴相關(guān)的面積、 用與每個噴嘴相關(guān)的面積除以每個噴嘴的實際面積，來測量噴嘴的面積比。
[0093] 根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，一個或多個氣體入口噴嘴具有位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn) 對稱軸線的 I. 0mm、0. 5mm、0. 25mm、0. 2mm、0. 15mm、0. 10mm 或 0. 05mm 內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。 [0094] (B)等離子體室
[0095] 等離子體室被配置為在使用時形成支持駐波的共振腔。根據(jù)一個配置，等離子體 室被配置為在使用時支持TMoln微波駐波，例如，TMtlll模式。操作頻率可在400至500MHz或 800至1000MHz的范圍內(nèi)。
[0096] 同樣已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有利的是，提供被配置為具有滿足以下條件的直徑的圓柱形共振 腔，即，共振腔的高度/共振腔的直徑之比在0. 3至1. 0、0. 4至0. 9或0. 5至0. 8的范圍內(nèi)。 這樣的比率構(gòu)成與現(xiàn)有技術(shù)的布置相比直徑相對小的腔。盡管看起來違背常理，但是已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)有利的是使用具有相對小的直徑的等離子體反應(yīng)器室來形成均勻、穩(wěn)定的大面積等離 子體，以便實現(xiàn)在大的面積上的均勻CVD金剛石生長。直徑相對小的腔可提供以下有益技 術(shù)效果：
[0097] (i)提高室內(nèi)的共振模式純度并在CVD金剛石合成所需的長時間尺度內(nèi)避免操作 期間各種模式之間的復(fù)雜相互作用。例如，小直徑的室可減少CVD金剛石生長表面中的輕 微溫度不穩(wěn)定的問題，該輕微溫度不穩(wěn)定會刺激不受歡迎的較高階模式。
[0098] (ii)在特定的相對小的直徑范圍內(nèi)形成的腔被認為允許在基底處形成局部較高 階軸對稱模式，使得橫跨基底的E場更加均勻，而不會在基底的頂部角落處形成很強的徑 向E場。
[0099] (iii)具有相對低的品質(zhì)因數(shù)的小直徑腔更易于開始和調(diào)諧，并且對微波源頻率 的改變不那么敏感。
[0100] 這種直徑相對小的腔還有助于緩解在室內(nèi)形成的導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定的相互作 用的復(fù)雜的氣體對流問題。就是說，本發(fā)明的發(fā)明人認為直徑小的腔可更簡單更容易地控 制系統(tǒng)的等離子體室內(nèi)的氣流和微波功率，從而可以形成和保持更均勻、穩(wěn)定的大面積等 離子體以實現(xiàn)大面積的均勻CVD金剛石生長。同時，腔的直徑不應(yīng)該太小，以致橫跨基底的 等離子體變得壓縮和不均勻。
[0101] 例如，從等離子體室的底部到頂板測量的共振腔高度可在300mm至600mm、300mm 至500mm或400mm至500mm的范圍內(nèi)，微波頻率f在400MHz至500MHz的范圍內(nèi)；或在150mm 至300mm、150mm至250mm或200mm至250mm的范圍內(nèi)，微波頻率f在800MHz至1000MHz的 范圍內(nèi)。共振腔直徑可在400mm至1000mm、500mm至900mm或600mm至800mm的范圍內(nèi)，微 波頻率f在400MHz至500MHz的范圍內(nèi)；或在200mm至500mm、250_至450_或300_至 400mm的范圍內(nèi)，微波頻率f?在800MHz至1000MHz的范圍內(nèi)。共振腔的體積可在0.018m 3 至 0. 530m3、0. 062m3 至 0. 350m3、0. 089m3 至 0. 270m3 或 0. 133m3 至 0. 221m3 的范圍內(nèi)，微波頻 率 f 在 400MHz 至 500MHz 的范圍內(nèi)；或在 0. 002m3 至 0. 06m3、0. 007m3 至 0. 04m3、0. Olm3 至 0. 03m3或0. 015m3至0. 025m3的范圍內(nèi)，微波頻率f在800MHz至1000MHz的范圍內(nèi)。
[0102] 使用如上所述的小腔布置時的一個潛在問題是室的壁部件的過熱。但是，已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)有利的是，提供在使用時共振腔的壁暴露于等離子體的布置，即，等離子體不容納在鐘形 玻璃容器內(nèi)，以避免硅污染。等離子體反應(yīng)器容器通常由焊接的不銹鋼制造，因為這是超高 真空（UHV)室可接收的材料選擇。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這會產(chǎn)生界面處的電弧作用、熱表面上 的煙灰形成和總體差的熱傳遞的問題。此外，建造這些室花費大量金錢。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋁是較 好的熱材料并且易于加工。因此，雖然不銹鋼是用于真空室的良好材料，但是其非常差的熱 性能使得它不很適合用于高功率密度的區(qū)域。雖然傳統(tǒng)上不認為諸如鋁的材料適用于高真 空，但是實際上諸如鋁的材料很適合在相當(dāng)高的真空下使用，此時可使用常規(guī)的彈性體密 封件。
[0103] 根據(jù)以上，共振腔可包括被配置為在使用時暴露出共振腔內(nèi)形成的等離子體的內(nèi) 壁，內(nèi)壁包括形成共振腔內(nèi)的內(nèi)壁的總表面積的至少75%、80%、85%、90%或95%的金屬 表面。金屬表面可由鋁或包括至少80 %、90 %、95 %或98 %重量百分比的鋁的鋁合金制 成。此外，內(nèi)壁的由環(huán)形電介質(zhì)窗口形成的部分優(yōu)選不多于共振腔內(nèi)的內(nèi)壁的總表面積的 25%、20%、15%、10%或 5%。
[0104] 雖然圖1圖示了基本圓柱形的室配置，但是可提供額外的可選特征。例如，在某些 例子中可提供從室壁突起的突起。這些突起可被提供用以修改基底附近形成的電場、引入 堅直不對稱，這種不對稱相對于等離子體室的相對端處（在此處不需要形成等離子體）的 電場增大基底上方的電場。此外，這類突起可用作模式過濾器，有助于驅(qū)動等離子體的電場 的穩(wěn)定和/或純度。這類突起還可被提供用以改變等離子體的熱性能，這有助于提高CVD 金剛石生長的均勻性，用作限定使用中的等離子體并防止等離子體偏離基底上方的軸向中 心位置的物理邊界，和/或阻斷沿等離子體室的側(cè)壁向上流動的氣體，由此減少氣體夾帶 和否則會使入口氣流和/或等離子體不穩(wěn)定的室內(nèi)的不希望的對流。在這類情形中，應(yīng)該 確保設(shè)置在等離子體室內(nèi)的任何額外的結(jié)構(gòu)都具有高度旋轉(zhuǎn)對稱性并且與等離子體室的 旋轉(zhuǎn)對稱軸線對齊，以實現(xiàn)大直徑的良好光學(xué)性能的材料。
[0105] (C)基底安裝結(jié)構(gòu)
[0106] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將基底引入共振腔中時電場分布明顯被擾亂，如通過模擬或經(jīng)驗磁 測量可示出的。對此，圖4(a)至4(c)圖示電場分布圖，示出了電場如何隨著等離子體反應(yīng) 器的共振腔內(nèi)的基底的不同高度而變化。分布圖示出了對應(yīng)于橫跨基底上方的共振腔的直 徑的橫向X位置，Y軸上的電場E z的大小。
[0107] 圖4(a)圖示了當(dāng)基底S的生長表面位于共振腔C的底部B的正上方時的電場分 布。電場分布被空的室的分布控制，其是用于TM tlln的零階貝塞爾函數(shù)?；椎纳暇墝﹄妶?大小的貢獻很小，形成建立在基底和室壁之間的共軸模式。在此布置中，電場在基底的中心 區(qū)域上方很高并且朝向基底的邊緣顯著降低。這樣，此電場分布導(dǎo)致在基底生長表面的周 圍區(qū)域的CVD金剛石生長不良。
[0108] 圖4(b)圖示了當(dāng)基底S的生長表面位于共振腔C的底部B上方高處時的電場 分布?，F(xiàn)在電場分布被建立在基底和室壁之間的共軸模式控制，其向室的中心區(qū)域中 (into?)短暫地衰減。在此布置中，電場在基底周圍區(qū)域高，并且朝向基底的中心區(qū)域降 低。這樣，此電場分布導(dǎo)致在基底生長表面的中心區(qū)域的CVD金剛石生長不良。
[0109] 圖4(c)圖示了當(dāng)基底S的生長表面位于共振腔C內(nèi)的周圍表面上方正確高度處 時的電場分布?？资业碾妶龇植寂c被建立在基底和室壁之間的共軸模式平衡，以在大部分 基底上形成基本均勻的電場，并且一圈較高的電場位于基底邊緣周圍。電場的中心區(qū)域基 本均勻，但是在位于基底邊緣周圍的一圈較高電場的剛好內(nèi)側(cè)處具有稍低的電場區(qū)域。此 較低電場區(qū)域可能被認為將導(dǎo)致在生長表面的此區(qū)域處的不良的CVD金剛石生長。但是， 實際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，剛好在較低電場區(qū)域外側(cè)的較高電場圈有助于向外牽引等離子體，補償 中心區(qū)域的輕微不均勻并在大部分基底上產(chǎn)生大、平坦、均勻的等離子體，確保大面積的均 勻的CVD金剛石生長。實際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)基底直徑/基底生長表面的高度之比在10至 14、11至13. 5或11. 0至12. 5的范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)確保大面積的均勻CVD金剛石生長的在 大部分基底上的大、平坦、均勻的等離子體，其中，基底生長表面的高度是相對于圍繞基底 的表面的平均高度。
[0110] 根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，基底保持件具有位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的 I. 0_、0. 5mm、0. 25mm、0. 2mm、0. 15mm、0. 10mm 或 0. 05mm 內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。此外，在使用 時，基底可被放置和對齊在基底保持件上，從而使得當(dāng)位于基底保持件上時基底的旋轉(zhuǎn)對 稱軸線位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的I. 〇mm、0. 5mm或0. 2mm內(nèi)。
[0111] 對于基底保持件的直徑與基底的直徑相同的布置，基底保持件將完全位于基底下 并且圍繞基底的表面可由等離子體室的底部形成。這樣，在此情形中，圍繞基底的表面的平 均高度將等于等離子體室C的底部B的高度，并且基底的生長表面的高度Hgs將從圍繞基底 S和基底保持件SH的等離子體室的底部測量，如圖5(a)所示。替代性地，對于基底保持件 遠大于基底，因此形成圍繞基底的大的平坦表面的布置，圍繞基底的表面的平均1?度將等 于基底保持件的頂表面。這樣，在此情形中，基底的生長表面的高度H gs將從圍繞基底S的 基底保持件SH的頂表面測量，如圖5(b)所示。對于基底保持件從基底向外延伸，并且具有 圍繞基底的傾斜、彎曲或臺階狀頂表面的布置，則局部圍繞表面H lss的平均高度可由在Rs 處的基底邊緣和距基底邊緣約二倍基底厚度的距離2XTs之間的沿徑向方向X截取的剖面 的平均高度H ltrcal限定：

【權(quán)利要求】
1. 一種多晶化學(xué)氣相沉積（CVD)金剛石晶片，包括： 等于或大于125mm的最大線性尺寸； 等于或大于200 ii m的厚度；以及 在室溫下（標(biāo)稱298K)，在多晶CVD金剛石晶片的至少中心區(qū)域上測量的以下特性中的 一個或兩個，所述中心區(qū)域是圓形的，以多晶CVD金剛石晶片的中心點為中心，并且所述中 心區(qū)域的直徑是多晶CVD金剛石晶片的最大線性尺寸的至少70% : 在10. 6 ii m處，吸收系數(shù)彡0. 2CHT1 ;以及 在145GHz時介電損耗系數(shù)為tan S彡2X 10_4。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶片在至少中心 區(qū)域上還包括以下特征中的一個或多個： 受拉力的多晶CVD金剛石晶片的成核面的拉伸斷裂強度：對于200至500 ii m的厚度， 彡760MPaXn ;對于500至750iim的厚度，彡700MPaXn ;對于750至IOOOiim的厚度， 彡650MPaXn ;對于1000至1250 ii m的厚度，彡600MPaXn ;對于1250至1500 ii m的厚度， 彡550MPaXn ;對于1500至1750 ii m的厚度，彡500MPaXn ;對于1750至2000 ii m的厚度， 彡 450MPaXn ;或?qū)τ卺?2000iim 的厚度，彡 400MPaXn，其中，乘數(shù) n 是 I. 0、1. 1、1. 2、1. 4、 I. 6、1. 8 或 2 ; 受拉力的多晶CVD金剛石晶片的生長面的拉伸斷裂強度：對于200至500 y m的厚度， 彡330MPaXn ;對于500至750iim的厚度，彡300MPaXn ;對于750至IOOOiim的厚度， 彡275MPaXn ;對于1000至1250 ii m的厚度，彡250MPaXn ;對于1250至1500 ii m的厚度， 彡225MPaXn ;對于1500至1750 ii m的厚度，彡200MPaXn ;對于1750至2000 ii m的厚度， 彡 175MPaXn ;或?qū)τ卺?2000iim 的厚度，彡 150MPaXn，其中，乘數(shù) n 是 I. 0、1. 1、1. 2、1. 4、 I. 6、1. 8 或 2 ; 表面平坦度< 5 ^ 0. I U m〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶片在至少 中心區(qū)域上還包括以下特征中的一個或多個： 平均黑點密度不大于lmm'O. 5mnT2或0. ImnT2 ; 黑點分布為使得在任何3mm2面積內(nèi)不多于4、3、2或1個黑點； 當(dāng)用在2760CHT1至3030CHT1范圍內(nèi)的修正線性背景下測量時，單位厚度的積分吸光度 不大于 0? 20cm 2、0. 15cm 2、0. IOcm 2 或 0? 05cm 2 ; 熱導(dǎo)率不小于 IgOOWnr1Ir1 JOOOWnr1Ir1 JlOOWnr1Ir1 或 2200?^!^ ; 對于前表面和后表面被拋光為均方根粗糙度小于15nm的0. 7mm的樣品厚度，在 10.6iim處，在前半球中的全積分散射不多于1%、0.5%或0. 1% ;以及 通過二次離子質(zhì)譜法測量的硅濃度不大于1017cnT3、5 X 1016cnT3、1016cnT3、5 X IO15CnT3或 1015cm 3〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶 片包括所述特征的2、3、4、5、6、7、8、9、10個，或所有11個。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，最大線性尺寸等于 或大于 130mm、135mm、140mm、145mm 或 1 SOmnin
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，中心區(qū)域的直徑是 所述最大線性尺寸的至少75%、80%、85%、90%、95%或99%。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶片 包括等于或大于125mm、130mm、135mm、140mm. 145mm. 150mm或160mm的至少兩個正交的線性 尺寸。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，厚度等于或大于 250 u m、350 u m、450 u m、500 u m、750 u m、1000 u m、1500 u m 或 2000 u m。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，在10.6 iim處，在室 溫下測量的吸收系數(shù)彡0. IcnT1或彡0. 05〇11'
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，在145GHz時在室溫 下測量的介電損耗系數(shù)七8116彡10_ 4、彡5\10_5、彡10_5、彡5\10_6或彡10_ 6。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶 片具有氧終止表面。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，多晶CVD金剛石晶 片的表面粗糖度不大于200nm、150nm、100nm、80nm、60nm或40nm。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片，其中，抗反射結(jié)構(gòu)形成在 多晶CVD金剛石晶片的表面中或多晶CVD金剛石晶片的表面上。
14. 一種用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片的微波等離 子體反應(yīng)器，所述微波等離子體反應(yīng)器包括： 等離子體室，其包括底部、頂板和從所述底部延伸到所述頂板的側(cè)壁，從而限定用于支 持微波共振模式的共振腔，其中，共振腔具有從底部延伸到頂板的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線； 微波耦合結(jié)構(gòu)，其包括環(huán)形電介質(zhì)窗口，以用于經(jīng)由環(huán)形電介質(zhì)窗口通過頂板沿朝向 等離子體室的底部的方向?qū)⑽⒉ǜ袘?yīng)耦合到等離子體室中； 氣體流動系統(tǒng)，其用于經(jīng)由一個或多個氣體入口噴嘴通過頂板沿朝向等離子體室的底 部的方向?qū)⑸a(chǎn)氣體供給到等離子體室中； 基底保持件，其位于等離子體室的底部中并且包括用于支撐基底的支撐表面，在使用 時多晶CVD金剛石晶片能夠生長在基底上；以及 基底溫度控制系統(tǒng)，其包括用于向基底保持件供應(yīng)液體和/或氣體冷卻劑的冷卻劑傳 送系統(tǒng)，以在使用時控制基底保持件的支撐表面上的溫度曲線圖， 其中，至少環(huán)形電介質(zhì)窗口是旋轉(zhuǎn)對稱的，具有位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的 0.2mm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的微波等離子體反應(yīng)器，其中，環(huán)形電介質(zhì)窗口具有位于共 振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的〇. 15mm、0. IOmm或0. 05mm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的微波等離子體反應(yīng)器，其中，基底保持件和一個或 多個氣體入口噴嘴中的至少一個具有位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的l.〇mm、0. 5mm、 0. 25mm、0. 2mm、0. 15mm、0. IOmm 或 0. 05mm 內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。
17. -種用于利用根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的微波等離子體反應(yīng)器制造根 據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的多晶CVD金剛石晶片的方法，所述方法包括： 將基底放置在基底保持件上，基底是旋轉(zhuǎn)對稱的并且當(dāng)位于基底保持件上時具有位于 共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的I. Omm內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱軸線； 以15至40kW范圍內(nèi)的功率通過環(huán)形電介質(zhì)窗口將微波供給到等離子體室中； 通過一個或多個氣體入口噴嘴將生產(chǎn)氣體供給到等離子體室中，生產(chǎn)氣體包括原子濃 度在98至99%范圍內(nèi)的氫、原子濃度在0. 3至I. 1 %范圍內(nèi)的碳和原子濃度在30至270ppm 范圍內(nèi)的氮，其中，生產(chǎn)氣體的總流量處于2000至15000sccm范圍內(nèi)并且等離子體室內(nèi)的 壓力處于140至235托范圍內(nèi)； 以在775至950°C范圍內(nèi)的基底溫度使多晶CVD金剛石晶片在基底上生長； 從微波等離子體反應(yīng)器移出多晶CVD金剛石晶片；以及 拋光多晶CVD金剛石晶片。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，當(dāng)位于基底保持件上時基底的旋轉(zhuǎn)對稱軸線 位于共振腔的中心旋轉(zhuǎn)對稱軸線的0. 5mm或0. 2mm內(nèi)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，以20至35kW或25至30kW范圍內(nèi)的功 率通過環(huán)形電介質(zhì)窗口將微波供給到等離子體室中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項所述的方法，等離子體室內(nèi)的壓力處于160至215 或180至205托的范圍內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17至20中任一項所述的方法，其中，基底的溫度處于800至900°C 或825至875°C的范圍內(nèi)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17至21中任一項所述的方法，其中，多晶CVD金剛石晶片的生長速 率隨著多晶CVD金剛石晶片厚度的增加而降低。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17至22中任一項所述的方法，其中，通過使多晶CVD金剛石晶片在 基底上生長期間降低碳的原子濃度和/或氮的原子濃度，多晶CVD金剛石晶片的生長速率 隨著多晶CVD金剛石晶片厚度的增加而降低。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17至23中任一項所述的方法，還包括在拋光之后的等離子體或化學(xué) 處理，以在多晶CVD金剛石晶片上產(chǎn)生氧終止表面。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項所述的方法，還包括將多晶CVD金剛石晶片切割成 較小的晶片，以便使用。
【文檔編號】C23C16/455GK104220635SQ201280068267
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】P·N·英格利斯, J·R·布萊頓, J·M·多德森, T·P·莫拉特 申請人:六號元素技術(shù)有限公司