[发明专利]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

说明书

                     发明领域

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。

                     发明背景

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。