生產(chǎn)金剛石的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及生產(chǎn)金剛石及執(zhí)行用于金剛石原位(in situ)生長的實時原位分析的實時測量的裝置和方法。特別地，本發(fā)明涉及通過微波等離子體增強的化學氣相沉積(MPCVD)生產(chǎn)金剛石以及執(zhí)行用于金剛石原位生長分析的實時測量的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]金剛石，諸如單晶金剛石，具有大范圍的科學、工業(yè)和商業(yè)應用的可能性，諸如寶石、散熱設備、半導體設備、光學窗口、電磁波導、粒子探測器、量子計算設備等等。隨著多年來單晶金剛石商業(yè)需求的增加，有必要在不降低單晶金剛石品質的條件下提高光學和科學級單晶金剛石的產(chǎn)量。然而，缺陷、夾雜物、微觀晶界、其它取向是必須詳細地表征的單晶金剛石中通常發(fā)現(xiàn)的主要缺陷。
[0003]存在許多不同的用于生產(chǎn)單晶金剛石的化學氣相沉積(CVD)裝置和方法。例如，微波等離子體增強的化學氣相沉積(MPCVD)方法可用于生產(chǎn)高品質單晶金剛石。目前，在完成金剛石的生長后通過各種測量儀器，諸如顯微鏡、分光鏡等表征單晶金剛石的性質。金剛石的晶體結構和金剛石的晶體表面性質可以通過分析技術，諸如X-射線衍射(XRD)、反射高能電子衍射(RHEED)等測量。然而，這種非原位分析只能在生長的金剛石從CVD反應腔室移出時執(zhí)行。即使這些測量儀器和分析技術可以識別金剛石中的缺陷、污染物和夾雜物，也很難在隨后的工藝中去除它們。
[0004]此外，單晶金剛石生長所需的CVD工藝的溫度通常是950°C到1000°C，這導致石英拱頂(dome)的過度加熱。石英拱頂不能高效地消散單晶金剛石生長過程中在反應體系(regime)內(nèi)生成的熱量。因此，石英拱頂?shù)臏囟缺仨氃趲讉€位置監(jiān)控以得到平均溫度的估值，從而需要在不同的位置處的多個高溫計。此外，由于在傳統(tǒng)的CVD裝置中僅對石英拱頂提供空氣冷卻，因此石英拱頂不能高效地被冷卻以控制其溫度。高的石英拱頂溫度可能導致O型圈故障，這導致污染氣體泄漏進入反應腔室內(nèi)。最終，由于反應腔室內(nèi)污染氣體的存在，生長的金剛石晶體品質可能下降。
[0005]美國專利N0.6837935公開了一種形成金剛石膜的方法和膜形成裝置。具體地，它教導了使用分光鏡測量從等離子體放電發(fā)出的光的光譜。然而，它沒有提出任何在金剛石生長表面上原位執(zhí)行表征的方法。有必要在早期提供前述的分析并確定缺陷。本發(fā)明的一個目的是提供一種不中斷生產(chǎn)工藝而在生產(chǎn)工藝過程中獲得金剛石生長表面的實時特性的裝置和方法。更具體地，可在能夠運行CVD工藝的腔室中在金剛石的生長過程中實時原位進行缺陷的表征，以使得CVD工藝能夠及時優(yōu)化，以提高高品質金剛石的產(chǎn)量。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是提供一種冷卻反應體系和準確地控制反應腔室溫度的方法。
[0007]本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點通過結合附圖的如下描述將會是顯而易見的，其中，通過說明和舉例的方式，公開了本發(fā)明的實施方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種用于生產(chǎn)金剛石和執(zhí)行實時原位分析的裝置，包括:
[0009]外殼，
[0010]反應腔室，所述反應腔室在結構上連接到所述外殼，所述反應腔室包括適于容納金剛石生長的封閉區(qū)域，
[0011]輻射工具，所述輻射工具在所述外殼內(nèi)安裝在所述反應腔室上方，所述輻射工具適于發(fā)射微波到所述反應腔室內(nèi)，以實現(xiàn)所述反應腔室內(nèi)金剛石的生長，
[0012]介電蓋，所述介電蓋設置在所述反應腔室的頂部處，并適于允許來自所述輻射工具的輻射波進入所述反應腔室。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種用于生產(chǎn)金剛石和執(zhí)行實時原位分析的裝置，包括:
[0014]外殼，
[0015]反應腔室，所述反應腔室在結構上連接到所述外殼，所述反應腔室包括適于容納金剛石生長的封閉區(qū)域，
[0016]輻射工具，所述輻射工具在所述外殼內(nèi)安裝在所述反應腔室上方，所述輻射工具適于發(fā)射微波到所述反應腔室內(nèi)，以實現(xiàn)所述反應腔室內(nèi)金剛石的生長，
[0017]介電蓋，所述介電蓋設置在所述反應腔室的頂部處，并適于允許來自所述輻射工具的輻射波進入所述反應腔室，
[0018]記錄工具，所述記錄工具安裝在環(huán)形外殼內(nèi)，且安裝在所述反應腔室上方，
[0019]測量機構，所述測量機構設置在所述反應腔室的周邊處，所述測量機構包括發(fā)射分析束的工具和接收分析束的工具，
[0020]顯微鏡，所述顯微鏡鄰近設置在所述反應腔室的外側上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種生產(chǎn)金剛石和執(zhí)行實時原位分析的方法，包括:
[0022]提供根據(jù)權利要求1至22所述的裝置，
[0023]在所述反應腔室內(nèi)放置多個金剛石晶種，
[0024]將氫氣供應到所述反應腔室內(nèi)，
[0025]將從所述輻射工具發(fā)射的微波引導到所述反應腔室內(nèi)，以形成等離子體放電，
[0026]將反應氣體的混合物供應到所述反應腔室內(nèi)，
[0027]使金剛石生長到預定厚度，
[0028]測量已生長金剛石層的一組預定特性，
[0029]基于測定結果執(zhí)行實時原位分析，
[0030]根據(jù)原位分析結果調(diào)節(jié)工藝條件，
[0031]使金剛石生長，直至獲得期望的厚度。
【附圖說明】
[0032]通過參照附圖閱讀以下優(yōu)選實施方案的詳細描述，本領域的普通技術人員可以更全面地理解本發(fā)明，在這些附圖中:
[0033]圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的生產(chǎn)金剛石的裝置的示意圖。
[0034]圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的生產(chǎn)金剛石的裝置的示意圖。
[0035]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方案在金剛石的生產(chǎn)過程中執(zhí)行實時原位分析。
[0036]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明其它實施方案在金剛石的生產(chǎn)過程中執(zhí)行實時原位分析。
[0037]圖5圖解了圖4中沿虛線A-A的反應腔室的俯視圖。
[0038]圖6圖解了依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案用于生產(chǎn)金剛石和執(zhí)行實時原位分析的方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0039]這些附圖是示意性的，且并不按比例繪制。在這些附圖中，對應于已描述元件的元件具有相同的附圖標記。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種能夠運行生產(chǎn)金剛石的化學氣相沉積的裝置。該裝置包括外殼，該外殼具有結構上連接到該外殼的反應腔室。該反應腔室包括適于在其中容納金剛石生長的封閉空間。
[0041]輻射工具在外殼內(nèi)安裝在反應腔室上方。該輻射工具適于發(fā)射微波到反應腔室中，以實現(xiàn)反應腔室內(nèi)金剛石的生長。
[0042]反應腔室的頂部提供有介電蓋，其適于允許來自輻射工具的輻射波進入反應腔室并同樣允許記錄工具(將在后面描述)記錄反應腔室內(nèi)金剛石生長的圖像和視頻。
[0043]要指出的是，圖1的概述將足以描述圖2至4中同樣命名的部件。
[0044]圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的能夠運行化學氣相沉積(CVD)工藝的裝置100的示意圖。該CVD工藝包括微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)或任何其它合適的CVD工藝。如圖所示，裝置100包括外殼102，其安裝在反應腔室112的頂部上。
[0045]圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的能夠運行化學氣相沉積(CVD)工藝的裝置100