專利名稱：微波等離子體cvd系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于一種微波等離子體CVD裝置，該微波等離子體 CVD裝置用于形成例如金剛石薄膜、類金剛石碳薄膜和碳納米管這樣 的碳薄膜以及例如氧化硅薄膜、氮化硅薄膜和非晶硅薄膜這樣的硅薄 膜，該微波等離子體CVD裝置特別用于形成金剛石薄膜。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)廣泛用于碳薄膜、特別是金剛石薄膜的形 成。以例如甲垸和氫氣為原料，通過如微波、熱絲、高頻或直流放電 這樣的原料氣體活化設(shè)備而形成作為金剛石前體的自由基，并且將金 剛石沉積在基材上。
由于在天然存在的材料中金剛石具有最高的硬度，因此它們被用 于切割工具等，而它們作為半導(dǎo)體材料也具有非常優(yōu)異的物理性質(zhì)。 它們的帶隙(band gap)非常大，約為5.5eV;并且它們在室溫下對電 子和空穴的載流子遷移率高，為2000cmVVs。而且，它們的介電常數(shù)小， 為5.7;并且它們的擊穿電場大，為5Xl(^V/cm。而且，當(dāng)真空能級在 導(dǎo)帶下端或低于導(dǎo)帶下端時，它們具有罕見的負(fù)電子親和力特性。由 于這個原因，期望能實際應(yīng)用積極利用金剛石優(yōu)異的半導(dǎo)體物理性質(zhì) 的半導(dǎo)體裝置，例如即使在高溫環(huán)境和空間環(huán)境下也能運行的耐環(huán)境 性裝置、能在高頻和高輸出下運行的電源裝置、能夠進(jìn)行紫外線發(fā)光 的發(fā)光裝置、或能夠在低壓下驅(qū)動的電子發(fā)射裝置。
用于半導(dǎo)體裝置制造的金剛石薄膜需要具有高品質(zhì)。作為合成高 品質(zhì)金剛石薄膜的裝置，使用微波等離子體CVD裝置，該裝置可通過 沒有混入電極材料的無極放電產(chǎn)生高密度的等離子體，該等離子體可制造結(jié)晶性良好的金剛石。
作為在金剛石薄膜的合成中廣泛使用的微波等離子體CVD裝置，
有(1)如非專利文獻(xiàn)1中的通過矩形波導(dǎo)從石英管室側(cè)生成入射TE 模式微波而產(chǎn)生等離子體的裝置；(2)如專利文獻(xiàn)l中的通過圓柱波 導(dǎo)從金屬室的正上方導(dǎo)入TM模式微波而產(chǎn)生等離子體的裝置；以及 (3)如專利文獻(xiàn)2中的通過同軸波導(dǎo)將TEM模式微波導(dǎo)入金屬室而產(chǎn) 生等離子體的裝置。
然而，為了合成半導(dǎo)體裝置制造所需的大面積高品質(zhì)金剛石薄膜 (具體而言，具有均勻的膜厚度并在整個大面積上具有均勻的雜質(zhì)濃 度的金剛石薄膜)，各上述裝置均具有需要解決的問題。為了合成大 面積高品質(zhì)金剛石薄膜，微波等離子體CVD裝置所產(chǎn)生的等離子體的 尺寸必須大，但是在上述(1)的合成裝置的情況中，微波波導(dǎo)和石英 管的尺寸限制了等離子體的尺寸。例如，當(dāng)使用2.45GHz微波時，等離 子體的尺寸小，為約4)1英寸，連獲得的膜厚度和雜質(zhì)濃度均勻的區(qū)域 也很小。進(jìn)一步地，當(dāng)增加等離子體尺寸時，該等離子體接觸石英管， 因此存在石英管由等離子體直接加熱而破損的可能性。為了獲得大面 積高品質(zhì)金剛石薄膜，合成速率為約l 2Mtn/h，且當(dāng)需要約10/mi的薄膜 時，難以進(jìn)行長時間的持續(xù)運轉(zhuǎn)。
在上述(2)的合成裝置的情況中，當(dāng)增加等離子體尺寸并進(jìn)行合 成時，長時間的持續(xù)運轉(zhuǎn)也是困難的。在上述(3)的合成裝置的情況 中，由于不能從微波導(dǎo)入窗看見等離子體，因此不存在上述問題。然 而，由于在產(chǎn)生等離子體的同時難以調(diào)節(jié)電極和頂板之間的距離，因 此難以調(diào)節(jié)等離子體形狀，所述等離子體形狀根據(jù)基材的尺寸、氣體 導(dǎo)入條件、壓力條件和微波功率條件而不同，而為了獲得預(yù)期的高品 質(zhì)金剛石薄膜，需要大量的時間和勞力。
為了解決上述(3)的問題，已經(jīng)如專利文獻(xiàn)3提出了使基材支持
4設(shè)備能相對于等離子體產(chǎn)生設(shè)備以無級方式升降從而以無級方式調(diào)節(jié) 等離子體形狀的裝置。然而，當(dāng)基材支持設(shè)備和等離子體產(chǎn)生設(shè)備釆
取專利文獻(xiàn)3所述的平行板結(jié)構(gòu)時，在已導(dǎo)入微波的真空腔中的電場強 度強且處于穩(wěn)態(tài)的區(qū)域與這些設(shè)備相互連接，因此等離子體在接觸基 材支持設(shè)備和等離子體產(chǎn)生設(shè)備時消失?；蛘?，電場強度強的區(qū)域在 基材支持設(shè)備和等離子體產(chǎn)生設(shè)備二者間分裂，因此等離子體在二者 間分裂產(chǎn)生時也消失。
這些等離子體分布趨勢在10至200托(形成高品質(zhì)金剛石薄膜的真 空腔的壓力區(qū)域)下是明顯的。等離子體局部化的趨勢非常不同于在 壓力區(qū)中通過高頻產(chǎn)生等離子體時的分布趨勢，在該壓力區(qū)，于半導(dǎo) 體工藝如干蝕刻裝置等中產(chǎn)生幾托以下的氣體所需的能量，例如離子 化所需的能量相對較小。并且，由于是相對高壓區(qū)域的等離子體，氣 體溫度也高，且當(dāng)?shù)入x子體接觸除基材以外的部分時，發(fā)生大的能量 損耗并使等離子體尺寸變小。B卩，難以說是可令人滿意地進(jìn)行能制造 大面積高品質(zhì)金剛石薄膜條件下的等離子體位置控制。
非專利文獻(xiàn)l: M. Kamo， et al,: J. Cryst. Growth, 62， p.642 (1983) 專利文獻(xiàn)l: US 5,153,406 專利文獻(xiàn)2: US 5，556，475 專利文獻(xiàn)3: JP No. 2000-54142A

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題
因此，本發(fā)明的目的是提供能在以下條件下進(jìn)行等離子體位置控 制的微波等離子體CVD裝置即使當(dāng)由以TE， TM和TEM模式導(dǎo)入的微
波得到的等離子體的尺寸增加時，該等離子體和介電材料之間也沒有 接觸，g卩，能夠長時間合成大面積高品質(zhì)金剛石薄膜等并能夠制造高 品質(zhì)金剛石薄膜等的條件。解決該問題的方法
為了解決該問題，本發(fā)明人經(jīng)過細(xì)致的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過 以下方法實現(xiàn)了前述目的在微波等離子體CVD裝置中的天線部的末 端上給予尺寸等于或大于介電窗尺寸的電極部，并且在電極部面對真 空腔中心的表面中形成預(yù)定尺寸的凹部。
艮P，根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置至少包括真空腔，其 具有用于導(dǎo)入微波的開口部；波導(dǎo)，其用于將微波導(dǎo)入至該開口部； 介電窗，其用于將微波導(dǎo)入至該真空腔內(nèi)；天線部，其用于將微波導(dǎo) 入至該真空腔內(nèi)，其末端上形成有電極部；以及基材支持臺，其用于 支持真空腔內(nèi)基材，具有夾持在真空腔的內(nèi)表面與電極部之間的介電 窗，其中所述電極部的端面形成為寬于所述介電窗的端面，使得介電 窗被遮蔽，在所述電極部面對所述真空腔中心的表面上形成凹部，并 且在面對所述真空腔中心的表面處的所述凹部的直徑在導(dǎo)入微波的1/3 至5/3波長范圍內(nèi)，且所述凹部從面對所述真空腔中心的表面到該凹部 的最深部的深度在導(dǎo)入微波的l/20至3/5波長范圍內(nèi)。
而且，根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置中的所述凹部的表面 可為扁球形?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置中的所述凹 部的表面可為球形。
本發(fā)明的效果
依照根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置，該微波等離子體CVD
裝置能夠長時間合成金剛石等并能夠適當(dāng)?shù)刂圃齑竺娣e高品質(zhì)半導(dǎo)體 金剛石等，因為即使當(dāng)合成條件如合成壓力和入射微波功率變化時， 它也能在基材的正上方簡便而穩(wěn)定地產(chǎn)生大尺寸的等離子體。


圖1示出屬于本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置的實施方式的截面圖。圖2示出另一實施方式的截面圖。 圖3示出又一實施方式的截面圖。
附圖標(biāo)記描述
1 真空腔
2 圓形開口部
3 真空腔內(nèi)部
4 視窗
5 端口
10 底基材
11 基材支持臺
20 微波
21 (圓柱)波導(dǎo)
22 介電窗
23 圓棒部
24、 34、 44 電極部
25 天線部
26、 27、 28 凹部
40 原料氣體供給管
41 排氣管
42 等離子體
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明屬于本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置的 優(yōu)選實施方式的實施例。在附圖的說明中，對相同的要素賦予相同的 附圖標(biāo)記并且省略重復(fù)說明。而且，附圖中的尺寸比例并不必與說明
中的一致。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置的實施方式的截 面圖。真空腔l由金屬制成且優(yōu)選由不銹鋼、鉬或鋁制成。真空腔l在其上部中心處具有圓形開口部2，并且在其側(cè)面還具有視窗4用于觀察 真空腔內(nèi)部3。視窗4的端口5設(shè)計成具有使微波不從視窗4泄漏的直徑 和長度。例如石英或科瓦鐵鎳鈷合金(Kovar)此類的可見光透明材料 對于視窗4而言是優(yōu)選的。在真空腔1的下部設(shè)有用于保持底基材10的 基材支持臺ll，所述底基材10用于生長金剛石?；闹С峙_ll與真空 腔類似，由金屬制成，其上下位置能夠調(diào)節(jié)，內(nèi)部裝有冷卻水管和加 熱器，并且它可調(diào)節(jié)底基材10的溫度。
圓形開口部2的正上方設(shè)有將微波20導(dǎo)入至圓形開口部2的圓柱波 導(dǎo)21。對于微波20，適合使用2.45GHz頻段或915MHz頻段波長，但微 波20不限于上述頻段，只要它們具有能產(chǎn)生等離子體的波長。對于(圓 柱)波導(dǎo)21，適合使用金屬如不銹鋼、鉬或鋁，但為了減少微波20的 傳輸損耗，內(nèi)表面優(yōu)選鍍有電阻率小的金屬，如金、銀或銅。在圓形 開口部2周圍設(shè)有將微波20導(dǎo)入至該真空腔內(nèi)部3的環(huán)狀介電窗22。適 合使用氧化鋁等作為環(huán)狀介電窗22的材料。
圓棒部23位于波導(dǎo)21、圓形開口部2和介電窗22的中心，并且圓棒 部23與盤狀電極部24相連，電極部24將環(huán)狀介電窗22夾持在其與真空 腔l上表面的內(nèi)側(cè)部分之間以保持微波導(dǎo)入部為真空。圓棒部23和電極 部24形成將微波20導(dǎo)入至真空腔1的天線部25。對于天線部25的材料， 適合使用與波導(dǎo)21相同的金屬，并且天線部25與波導(dǎo)21—起構(gòu)成同軸 波導(dǎo)，以將TEM模式的微波導(dǎo)入至真空腔內(nèi)部3。微波20通常通過微波 振蕩器和微波組件傳輸?shù)接?圓柱)波導(dǎo)21和圓棒部23構(gòu)成的同軸波 導(dǎo)，所述微波組件包含絕緣體、功率監(jiān)視器、匹配箱和矩形同軸變換 器。原料氣體通過原料氣體供給管40供給至真空腔內(nèi)部3。
當(dāng)氣相生長金剛石時，使用如氫氣、甲烷、丙烯或乙炔這樣的碳 源作為原料氣體，并且當(dāng)通過摻雜制造半導(dǎo)體金剛石時，使用雜質(zhì)源 如磷化氫或乙硼垸。當(dāng)制造高品質(zhì)金剛石時，通過調(diào)節(jié)排氣管41的壓 力調(diào)節(jié)閥將真空腔3保持在10 200托的壓力，并且通過導(dǎo)入的微波所產(chǎn)生的等離子體中的活性物質(zhì)在底基材10上生長金剛石，底基材10的溫 度通過基材支持臺11控制在700至120(TC。
本發(fā)明對能夠于微波等離子體CVD裝置內(nèi)在以下情況中進(jìn)行等離 子體位置控制的措施進(jìn)行了細(xì)致的研究，在該情況中，即使當(dāng)?shù)入x子 體尺寸增加時，等離子體與介電材料之間也沒有接觸，g卩，能夠長時 間合成大面積高品質(zhì)金剛石薄膜并能夠制造高品質(zhì)金剛石薄膜的條 件。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過以下方法實現(xiàn)了上述目的在天線部25 的末端給予直徑等于或大于環(huán)狀介電窗2的電極部24，并且在該電極部 24的下部形成一個凹部26，其中面對真空腔中心的表面的直徑(L。處 于所導(dǎo)入微波的l/3到5/3波長范圍內(nèi)，且其中從面對真空腔中心的表面 到凹部的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo)入微波的l/20到3/5波長范圍內(nèi)。
在該微波等離子體CVD裝置中，通過在天線部25的末端給予直徑 等于或大于介電窗22的電極部24，介電窗22不能由等離子體42直接見 到，因此它們相互沒有接觸。進(jìn)一步地，盡管微波在介電窗22附近通 過真空腔，但是其電場強度弱并且不會導(dǎo)致在真空腔處產(chǎn)生等離子體。 進(jìn)一步地，雖然視窗4使用介電材料，如石英，但是由于端口5的直徑 和長度選擇成使微波不從視窗4泄漏，因此視窗4附近的電場強度基本 等于O且未在此處產(chǎn)生等離子體。從而，即使當(dāng)?shù)入x子體尺寸增加時， 由于該等離子體不與構(gòu)成該裝置的介電材料接觸，因此長時間合成大 面積高品質(zhì)的金剛石薄膜(具體而言，具有均勻的膜厚度并在整個大 面積上具有均勻的雜質(zhì)濃度的金剛石薄膜)成為可能。而且，幾乎沒 有因等離子體濺射介電材料而發(fā)生的雜質(zhì)在金剛石薄膜中的無意混 入。
進(jìn)一步地，通過在電極部24的下部形成一個凹部26，其中面對真 空腔中心的表面處的直徑(L。處于所導(dǎo)入微波的l/3到5/3波長范圍內(nèi)， 且其中從面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo) 入微波的l/20到3/5波長范圍內(nèi)，即使當(dāng)基材支持臺ll的上部與電極部24的下部之間的距離變化時，具有產(chǎn)生等離子體程度的電場強度的部 分也不會橫跨基材支持臺11和電極部24分布，并且也不會分裂地分布 在基材支持臺11的上部附近與電極部24的下部附近之間。
雖然使微波震蕩的磁控管的振蕩頻率因運轉(zhuǎn)條件(如輸出和運行 時間)而變化，但是這通過使用波動在標(biāo)稱頻率的2%以內(nèi)的磁控管， 即，通常可得到的磁控管得以實現(xiàn)。g卩，具有產(chǎn)生等離子體程度電場 強度的部分變得恰好集中在基材支持臺ll的上部附近，因此即使在能 制造大面積高品質(zhì)金剛石薄膜的條件下，大尺寸的等離子體也能穩(wěn)定 地在基材支持臺ll的上部附近產(chǎn)生，并且常規(guī)微波等離子體CVD裝置 所具有的位置控制問題不再發(fā)生。
在凹部26中，優(yōu)選的是，面對真空腔中心的表面處的直徑(L。 處于所導(dǎo)入微波的l/2到3/2波長范圍內(nèi)，且從面對真空腔中心的表面到 凹部的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo)入微波的l/10到l/2波長范圍內(nèi)。 當(dāng)該直徑和該深度在這些范圍內(nèi)時，即使對于在標(biāo)稱頻率的5%以內(nèi)波 動的相對不穩(wěn)定的磁控管，大尺寸的等離子體也能穩(wěn)定地在基材支持 臺ll的上部附近產(chǎn)生。當(dāng)面對真空腔中心的表面處的直徑(L,)在所導(dǎo) 入微波的l/3至5/3波長范圍外時，或者當(dāng)面對真空腔中心的表面到凹部 的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo)入微波的l/20到3/5波長范圍外時，具 有產(chǎn)生等離子體程度的電場強度的部分變得更容易橫跨基材支持臺ll 的上部與電極部24的下部之間的區(qū)域分布，或者分裂地分布在基材支 持臺11的上部附近與電極部24的下部附近之間。
而且，如圖2所示，通過將形成在電極部34下表面中的凹部的表面 設(shè)定為扁球形凹部27，使具有產(chǎn)生等離子體42程度的電場強度的部分 恰好集中在基材支持臺ll的上部附近的效果變得更明顯，即使在相同 的等離子體產(chǎn)生條件下，在具有扁球形凹部27的裝置中也會產(chǎn)生更大 的等離子體，并且高品質(zhì)金剛石的成膜面積擴(kuò)大。進(jìn)一步地，在面對真空腔中心的電極部34的凹部27表面處的直徑 (LP處于所導(dǎo)入微波的l/3至5/3波長范圍內(nèi)，且從面對真空腔中心的 表面到凹部的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo)入微波的l/20至3/5波長范 圍內(nèi)。
或者，如圖3所示，通過將形成在電極部44下表面中的凹部的表面 構(gòu)成為球形凹部28，與將形成在電極部下表面中的凹部的表面構(gòu)成為 扁球形凹部27的情形相似，使具有產(chǎn)生等離子體42程度的電場強度的 部分恰好集中在基材支持臺ll的上部附近的效果變得更明顯，即使在 相同的等離子體產(chǎn)生條件下，在具有球形凹部28的裝置中也會產(chǎn)生更 大的等離子體，并且高品質(zhì)金剛石的成膜面積擴(kuò)大。
進(jìn)一步地，在面對真空腔中心的電極部44的凹部28表面處的直徑 (L。處于所導(dǎo)入微波的l/3至5/3波長范圍內(nèi)，且從面對真空腔中心的 表面到凹部的最深部的深度(L2)處于所導(dǎo)入微波的l/20至3/5波長范 圍內(nèi)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體CVD裝置能夠長時間合成 大面積高品質(zhì)金剛石薄膜且能夠適當(dāng)?shù)刂圃齑竺娣e高品質(zhì)半導(dǎo)體金剛 石等，因為即使當(dāng)合成條件，例如合成壓力和入射微波功率變化時， 它也能簡便而穩(wěn)定地在基材正上方產(chǎn)生大尺寸的等離子體。
實例
下面，參照

本發(fā)明的實施例。 實施例l
制造圖1所示的微波等離子體CVD裝置，并嘗試合成半導(dǎo)體金剛 石。微波20為2.45 GHz頻段(band)，并且對于凹部26的尺寸，相 對于2.45GHz微波的1波長122mm，將面對真空腔中心的表面處的直 徑(LO制成等于1波長的長度，并且將從面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)制成等于1/5波長。作為裝置構(gòu)成部分的材料，將 不銹鋼用于金屬部分并將石英用于介電部分。作為基材10，使用包含 呈正方形放置于中心的2x2x0.3 mmt高溫高壓合成IIa(lll)單晶基板和 作為外圍部分的5Omm0x2mmt鉬盤的基材。將氫氣、甲烷和磷化氫 從原料氣體供給管40導(dǎo)入真空腔內(nèi)部3，所述氫氣、甲垸和磷化氫的 流速通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)。該氣體流速為氫氣1 slm、甲烷0.5 sccm、磷化氫(氫氣稀釋的l，OOOppm)l sccm。調(diào)節(jié)排氣管41的壓力調(diào) 節(jié)閥，并將真空腔內(nèi)部3的壓力保持在IOO托。微波20的功率為3kW 以產(chǎn)生等離子體42。
當(dāng)調(diào)節(jié)基材支持臺11的上下位置時，所有五個配置的單晶基板均 被半球形等離子體42所覆蓋。五個基材的溫度從視窗4通過輻照溫度 計保持在900±10°C，并且進(jìn)行金剛石薄膜的合成6小時。在合成時觀 察等離子體的行為，而其在基材的正上方是穩(wěn)定的。當(dāng)檢查合成后單 晶基板的表面時，在所有五個中均證實了良好品質(zhì)的均相外延薄膜的 生長。當(dāng)測量膜厚度時，所有五個均為3士0.05/xm。當(dāng)進(jìn)行霍爾效應(yīng)測 量時，證實在所有五個中均生長了高品質(zhì)的n型外延薄膜，該薄膜的 室溫遷移率為600-700 cm2/Vs。當(dāng)通過SIMS進(jìn)行雜質(zhì)測量時，該膜中 磷的濃度在所有五個中均為7xl018 cm—3~8xl018 cm人
在上述條件下，不放置基材10時，將真空腔內(nèi)部3的壓力調(diào)節(jié)為 10~200托，微波功率調(diào)節(jié)為0.5 5kW，產(chǎn)生等離子體42，而通過調(diào)節(jié) 基材支持臺11的上下位置，可在基材支持臺11的正上方穩(wěn)定地產(chǎn)生 約50 mm0的半球形等離子體42。
實施例2
進(jìn)行與實施例1相同的實驗，不同之處在于對于凹部26，使用通 過如下制造的凹部選擇l/3波長、1/2波長、1波長、3/2波長和5/3 波長中的任一尺寸作為面對真空腔中心的表面處的直徑(LO，且選擇 1/20波長、1/10波長、1/3波長、1/2波長和3/5波長中的任一尺寸作為從面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)，獲得與實施例1
基本相同的結(jié)果。特別是在使用如下凹部的實驗中，可實現(xiàn)穩(wěn)定的半
導(dǎo)體金剛石合成，而未觀察到任何等離子體閃爍在所述凹部中面對
真空腔中心的表面處的直徑(")在1/2至3/2波長范圍內(nèi)，且從面對真 空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)為1/10至1/2波長。
對比例l
嘗試與實施例l相同的實驗，不同之處在于對于凹部26的尺寸， 使用通過如下制造的凹部選擇1/5波長作為面對真空腔中心的表面處 的直徑(Li)且選擇1/25波長作為從面對真空腔中心的表面到凹部的最 深部的深度(L2)，但是半導(dǎo)體金剛石合成失敗。
實施例3
用如圖2所示的包括扁球形凹部27的電極部34代替如圖1所示 的微波等離子體CVD裝置的天線部25。對于凹部27的尺寸，將面對 真空腔中心的表面處的直徑(U)制成等于1波長的長度并且將從面對真 空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)制成等于1/5波長。作為基 材10，使用包含呈正方形放置于中心的2x2x0.3 mmt高溫高壓合成IIa (lll)單晶基板和作為外圍部分的6Omm0x2mmt鉬盤的基材，進(jìn)行與 實施例1相同的實驗。微波20的功率為3kW以產(chǎn)生等離子體42，并 且當(dāng)調(diào)節(jié)基材支持臺11的上下位置時，所有五個配置的單晶基板均被 半球形等離子體42所覆蓋。五個基材的溫度從視窗4通過輻照溫度計 保持在900士10。C，并且進(jìn)行金剛石薄膜的合成6小時。在合成時觀察 等離子體的行為，其在基材的正上方是穩(wěn)定的。
當(dāng)檢査合成后單晶基板的表面時，在所有五個中均證實了良好品 質(zhì)的均相外延薄膜的生長。當(dāng)測量膜厚度時，所有五個均為3±0.05/mi。 當(dāng)進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量時，證實在所有五個中均生長了高品質(zhì)的n型外 延薄膜，該薄膜的室溫遷移率為600~700cm2/Vs。當(dāng)通過SIMS進(jìn)行雜 質(zhì)測量時，該膜中磷的濃度在所有五個中均為7xl0lsCm—3~8xl018Cm-3。在上述條件下，不放置基材10時，將真空腔內(nèi)部3的壓力調(diào)節(jié)為 10~200托，微波功率調(diào)節(jié)為0.5~5kW，產(chǎn)生等離子體42，而通過調(diào)節(jié) 基材支持臺11的上下位置，可在基材支持臺11的正上方穩(wěn)定地產(chǎn)生 約60 mm0的半球形等離子體42。
實施例4
進(jìn)行與實施例3相同的實驗，不同之處在于對于凹部27，使用通 過如下制造的凹部選擇1/3波長、1/2波長、1波長、3/2波長和5/3 波長中的任一尺寸作為面對真空腔中心的表面處的直徑(LD且選擇 1/20波長、1/10波長、1/3波長、1/2波長和3/5波長中的任一尺寸作為 從面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)，獲得與實施例3 基本相同的結(jié)果。特別是在使用如下凹部的實驗中，可實現(xiàn)穩(wěn)定的半 導(dǎo)體金剛石合成，而未觀察到任何等離子體閃爍在所述凹部中面對 真空腔中心的表面處的直徑(Lt)在1/2至3/2波長范圍內(nèi)，且從面對真 空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)為1/10至1/2波長。
對比例2
嘗試與實施例3相同的實驗，不同之處在于對于凹部27的尺寸， 使用通過如下制造的凹部選擇1/5波長作為面對真空腔中心的表面處 的直徑(Li)且選擇1/25波長作為從面對真空腔中心的表面到凹部的最 深部的深度(L2)，但是該等離子體橫跨基材支持臺11的上部與電極部 34的下部之間的區(qū)域分布，并且半導(dǎo)體金剛石合成失敗。
實施例5
用如圖3所示的包括球形凹部28的電極部44代替如圖1所示的 微波等離子體CVD裝置的天線部25。對于凹部28的尺寸，將面對真 空腔中心的表面處的直徑(LO制成等于1波長的長度并且將從面對真空 腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)制成等于1/5波長。作為基材 10，使用包含呈正方形放置于中心的2x2x0.3 mmt高溫高壓合成IIa(lll)單晶基板和作為外圍部分的7Omni0x2mmt鉬盤的基材，進(jìn)行與 實施例1相同的實驗。微波20的功率為3kW以產(chǎn)生等離子體42，且 當(dāng)調(diào)節(jié)基材支持臺11的上下位置時，所有五個配置的單晶基板均被半 球形等離子體42所覆蓋。五基材的溫度從視窗4通過輻照溫度計保持 在900ilO。C，并且進(jìn)行金剛石薄膜的合成6小時。在合成時觀察等離 子體的行為，而其在基材的正上方是穩(wěn)定的。
當(dāng)檢査合成后單晶基板的表面時，在所有五個中均證實了良好品 質(zhì)的均相外延薄膜的生長。當(dāng)測量膜厚度時，所有五個均為3±0.05/mi。 當(dāng)進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量時，證實在所有五個中均生長了高品質(zhì)的n型外 延薄膜，該薄膜的室溫遷移率為600-700 cm2/Vs。當(dāng)通過SIMS進(jìn)行雜 質(zhì)測量時，該膜中磷的濃度在所有五個中均為7xl018Cm-3~8xl018Cm—3。 在上述條件下，不放置基材10時，將真空腔內(nèi)部3的壓力調(diào)節(jié)為10~200 托，微波功率調(diào)節(jié)為0.5~5kW，產(chǎn)生等離子體42，而通過調(diào)節(jié)基材支 持臺11的上下位置，可在基材支持臺11的正上方穩(wěn)定地產(chǎn)生約70 mm0 的半球形等離子體42。
實施例6
進(jìn)行與實施例5相同的實驗，不同之處在于對于凹部28，使用通 過如下制造的凹部選擇l/3波長、1/2波長、l波長、3/2波長和5/3 波長中的任一尺寸作為面對真空腔中心的表面處的直徑(LO且選擇 1/20波長，1/10波長、1/3波長、1/2波長和3/5波長中的任一尺寸作為 從面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)，并且獲得與實施 例5基本相同的結(jié)果。特別是在使用如下凹部的實驗中，可實現(xiàn)穩(wěn)定 的半導(dǎo)體金剛石合成，而未觀察到任何等離子體閃爍在所述凹部中 面對真空腔中心的表面處的直徑(")在1/2到3/2波長范圍內(nèi)，且其從 面對真空腔中心的表面到凹部的最深部的深度(L2)為1/10到1/2波長。
對比例3
嘗試與實施例5相同的實驗，不同之處在于對于凹部28的尺寸，使用通過如下制造的凹部選擇1/5波長作為面對真空腔中心的表面處 的直徑(L!)且選擇1/25波長作為從面對真空腔中心的表面到凹部的最 深部的深度(L2)，但是該等離子體橫跨基材支持臺11的上部與電極部 34的下部之間的區(qū)域分布，并且半導(dǎo)體金剛石合成失敗。
權(quán)利要求
1.一種微波等離子體CVD裝置，至少包括真空腔，其具有用于導(dǎo)入微波的開口部；波導(dǎo)，其用于將所述微波導(dǎo)入至所述開口部；介電窗，其用于將所述微波導(dǎo)入至所述真空腔內(nèi)；天線部，其末端上形成有電極部，該天線部用于將微波導(dǎo)入至所述真空腔內(nèi)；以及基材支持臺，其用于支持所述真空腔內(nèi)的基材，所述介電窗夾持在所述真空腔的內(nèi)表面與所述電極部之間，其中，所述電極部的端面形成為寬于所述介電窗的端面，使得介電窗被遮蔽，在所述電極部的面對該真空腔的中心的表面中形成凹部，并且所述凹部在面對所述真空腔中心的表面處的直徑處于導(dǎo)入的微波的1/3至5/3波長范圍內(nèi)，且所述凹部從面對所述真空腔中心的表面到所述凹部的最深部的深度處于導(dǎo)入的微波的1/20至3/5波長范圍內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的微波等離子體CVD裝置，其中，所述凹部 的表面為扁球形。
3. 如權(quán)利要求1所述的微波等離子體CVD裝置，其中，所述凹 部的表面為球形。
全文摘要
一種微波等離子體CVD系統(tǒng)，其在可沉積大面積高品質(zhì)金剛石薄膜的條件下可以令人滿意地進(jìn)行等離子體的位置控制。該微波等離子體CVD系統(tǒng)包括真空腔(1)，其上部中心具有導(dǎo)入微波(20)的開口部(2)；基材支持臺(11)，用于支持真空腔內(nèi)基材；波導(dǎo)，用于將微波導(dǎo)入至開口部；介電窗(22)，用于將微波導(dǎo)入至真空腔；以及天線部(25)，用于將微波導(dǎo)入至真空腔，該天線部由圓棒部(23)和電極部(24)構(gòu)成，該圓棒部(23)位于波導(dǎo)、開口部和介電窗的中心，該電極部(24)與該真空腔的上部結(jié)合以夾持介電窗從而保持真空。該電極部(24)的端面形成為寬于介電窗以遮蔽該介電窗，并且在真空腔中心側(cè)的電極部(24)的表面上形成預(yù)定尺寸的凹部(26)。
文檔編號C30B29/04GK101410549SQ20078001111
公開日2009年4月15日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者今井貴浩, 山本喜之, 植田曉彥, 目黑貴一, 西林良樹 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社