[发明专利]生产金刚石和执行实时原位分析的装置和方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

此外，单晶金刚石生长所需的CVD工艺的温度通常是950℃到1000℃，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。

美国专利No.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。

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。

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

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：

外壳，

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，

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，

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，

介电盖，所述介电盖设置在所述反应腔室的顶部上，并布置在所述辐射工具与记录工具两者和所述封闭区域之间，并且所述介电盖适于允许来自所述辐射工具的辐射波进入所述反应腔室，还适于允许所述记录工具记录所述反应腔室内金刚石的生长。

根据本发明的第二个方面，提供一种生产金刚石和执行实时原位分析的方法，包括：

提供根据权利要求1至22所述的装置，

在所述反应腔室内放置多个金刚石晶种，

将氢气供应到所述反应腔室内，

将从所述辐射工具发射的微波经由所述介电盖引导到所述反应腔室内，以形成等离子体放电，

将反应气体的混合物供应到所述反应腔室内，

使金刚石生长到预定厚度，

由所述记录工具经由所述介电盖记录所述反应腔室内金刚石的生长，

测量已生长金刚石层的一组预定特性，

基于测定结果执行实时原位分析，

根据原位分析结果调节工艺条件，

使金刚石生长，直至获得期望的厚度。

附图说明