МИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ РЕАКТОРЫ И ПОДЛОЖКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА Российский патент 2015 года по МПК H01J37/32 C23C16/27 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к микроволновому плазменному реактору для производства синтетического алмазного материала, используя методики химического осаждения из газовой фазы. Некоторые варианты реализации относятся к подложкам для использования в микроволновом плазменном реакторе для производства синтетического алмаза.

Уровень техники

Процессы химического осаждения из газовой фазы (CVD) для синтеза алмазного материала уже хорошо известны в данной области техники. Основная полезная информация, относящаяся к химическому осаждению из газовой фазы алмазных материалов, может быть найдена в специальном выпуске журнала Journal of Physics: Condensed Matter, Vol.21, No.36 (2009), который посвящен связанной с алмазами технологии. Например, обзорная статья R.S.Balmer и др. дает всесторонний обзор CVD алмазных материалов, технологии и приложений (см. "Химическое осаждение из газовой фазы синтетического алмаза: материалы, технология и применения" J. Phys: Condensed Matter, Vol.21, No.36 (2009), 364221).

В области, где алмаз метастабилен, по сравнению с графитом, синтез алмаза в CVD условиях определяется кинетикой поверхностных процессов, а не объемной термодинамикой. Алмазный синтез посредством CVD обычно выполняется с использованием малой доли углерода (обычно <5%), обычно в форме метана, хотя могут быть использованы другие содержащие углерод газы, при избытке молекулярного водорода. Если молекулярный водород нагревается до температур выше 2000 K, то имеется значительная диссоциация до атомарного водорода. При наличии подходящего материала подложки может быть осажден алмаз.

Атомарный водород важен для процесса, поскольку он выборочно вытравливает неалмазный углерод из подложки так, что может возникнуть рост алмаза. Имеются различные способы для нагрева содержащих углерод газовых соединений и молекулярного водорода, чтобы создать реакционные, содержащие углерод радикалы и атомарный водород, требуемый для роста CVD алмаза, включающие в себя плазменно-дуговой нагрев, горячую нить накала, разрядную дугу постоянного тока, кислородно-ацетиленовое пламя, и микроволновую плазму.

Способы, которые включают в себя в себя электроды, например, для плазменной электрической дуги постоянного тока, могут иметь недостатки вследствие эрозии электродов и внедрения материала в алмаз. Способы сжигания позволяют избежать проблемы эрозии электрода, но связаны с относительно дорогостоящими рабочими газами, которые должны быть очищены до уровней, совместимых с ростом высококачественных алмазов. Кроме того, температура пламени, даже при сжигании кислородно-ацетиленовой смеси, недостаточна для достижения существенной доли атомарного водорода в газовой струе, и способы зависят от концентрирования потока газа на локализованной площади для достижения разумных скоростей роста. Возможно, основная причина того, почему сжигание не используется для выращивания объемных алмазов, - это стоимость в выражении кВт·час энергии, которая может быть реализована. По сравнению с электричеством высокочистые ацетилен и кислород представляют собой дорогостоящий вариант создания нагрева. Реакторы с нитью накала, простые на первый взгляд, имеют недостаток в том, что ограничены для использования при низких давлениях газа, которые требуются для гарантии относительно эффективной транспортировки ограниченных количеств атомарного водорода к поверхности роста.

В связи с вышеупомянутым было установлено, что микроволновая плазма представляет собой наиболее эффективный способ для выполнения CVD технологии для осаждения алмазов в отношении комбинации эффективности использования энергии, скорости роста, площади роста и чистоты получаемого продукта.

Система CVD синтеза алмазов с активизацией микроволновой плазмой обычно содержит корпус плазменного реактора, связанный и с подачей исходных газов, и с источником микроволн. Корпус плазменного реактора сконфигурирован для формирования объемного резонатора, поддерживающего стоячую микроволну. Исходные газы, включающие в себя углеродный источник и молекулярный водород, подаются в корпус плазменного реактора и могут быть активизированы стоячей микроволной, чтобы сформировать плазму в областях сильного поля. Если предоставлена подходящая подложка в непосредственной близости к плазме, реакционный углерод, содержащий радикалы, может диффундировать из плазмы к подложке и осаждаться на ней. Атомарный водород может также диффундировать из плазмы к подложке и выборочно вытравливать неалмазный углерод из подложки так, что может возникнуть рост алмаза.

В данной области техники известен ряд возможных микроволновых плазменных реакторов для выращивания алмазных пленок посредством технологии химического осаждения из газовой фазы (CVD). Такие реакторы имеют самые разнообразные конструкции. Общие признаки включают в себя: плазменную камеру; держатель подложки, расположенный в плазменной камере; микроволновый генератор для формирования плазмы; конфигурацию связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру; систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; и систему управления температурой для управления температурой подложки на держателе подложки.

Авторы считают, что, проектируя технологию с микроволновым плазменным реактором для выращивания алмазной пленки, для достижения успешного производственного процесса требуется оценка ряда соображений, включая в себя: камеру и конфигурацию связи микроволновой мощности; характеристики газового потока; и конструкцию подложки и управление температурой. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения прежде всего относятся к аспектам конструкции подложки и управлению температурой.

Наиболее часто используемая подложка для выращивания CVD алмаза - это кремний. Одна из проблем с использованием кремния в качестве подложки для выращивания CVD алмаза в микроволновой плазменной технологии выращивания заключается в поглощении энергии кремнием при высоких температурах, приводя к термической нестабильности и разрушению. Другая проблема заключается в том, что кремний легко внедряется в CVD алмаз во время выращивания и, в частности, оказывается видимым как дефект Si-V на длине волны 737 нм. В этом случае использование кремниевой подложки может отрицательно влиять на чистоту CVD алмазного продукта. Еще одна проблема заключается в том, что после выращивания CVD алмазной пластины на кремниевой подложке, может требоваться восстановление CVD алмазной пластины, например или механическое, или кислотное удаление. Эти дополнительные технологические этапы увеличивают время и затраты при промышленном осуществлении технологии.

В свете вышеупомянутого очевидно, что было бы желательно найти альтернативный материал подложки, который позволяет избежать этих проблем.

Одна из возможностей для материала подложки - это карбидообразующие тугоплавкие металлы, например вольфрам, молибден, ниобий, или их сплавы. Такие подложки были уже предложены в данной области техники. Например, Патент США 5261959 предлагает тугоплавкий металлический материал подложки, такой как молибден, в виде плоского круглого диска. Альтернативно, Whitfield и др. предлагают использование вольфрамовой подложки (см. "Nucleation and growth of diamond films on single crystal and polycrystalline tungsten substrates", Diamond and Related Materials, Volume 9, Issues 3-6, April-May 2000, Pages 262-268). Конкретно, Whitfield и др. раскрывают использование поликристаллического вольфрамового диска толщиной 6,3 мм и диаметром 50 мм и монокристаллического вольфрамового диска толщиной 6,3 мм и диаметром 8 мм в микроволновом плазменном реакторе на 2,45 ГГц. Подложки были подвергнуты подготовительным этапам, включающим в себя полировку до зеркального уровня с алмазным абразивом 1-3 мкм и очистку с помощью ультразвуковой промывки и с помощью in-situ плазменного травления. Во время выращивания CVD алмаза температуры подложек контролировались с использованием оптического пирометра и встроенной термопары. Также раскрыто спонтанное отслаивание CVD алмазной пластины от вольфрамовой подложки при охлаждении после выращивания, чтобы получить отдельную алмазную пластину вследствие различий в коэффициенте теплового расширения между CVD алмазной пластиной и вольфрамовой подложкой. Whitfield и др. отмечают, что обычно в их экспериментах подложки не использовались многократно, но в немногих случаях, где многократное использование действительно происходило, подложки были отшлифованы и полировались в течение, по меньшей мере, 24 часов, чтобы удалить тонкий слой карбида, сформированный во время предыдущего цикла роста.

В свете вышеупомянутого очевидно, что карбидообразующие тугоплавкие металлы могут предоставить привлекательную альтернативу кремниевым подложкам. Несмотря на это, авторы настоящего изобретения имели ряд проблем, используя такие подложки. Они включают в себя: неоднородный рост CVD алмаза по подложке; отслаивание CVD алмазной пластины от подложки во время выращивания CVD алмаза; и инициирование и распространение трещинообразования во время охлаждения после выращивания CVD алмазной пластины. Эти проблемы возрастают, когда используются большие подложки для выращивания поликристаллических алмазных дисков большой площади (например, диаметром 80 мм или более) или при выращивании множества монокристаллических алмазов в единственном цикле роста, выполняемом на множестве монокристаллических алмазных подложек, прикрепленных к тугоплавкой металлической подложке по относительно большой площади (например, диаметром 80 мм или более). Это особенно проблематично, когда имеется потребность увеличить площадь, по которой может выращиваться высококачественный и однородный CVD алмаз. Кроме того, эти проблемы возрастают, когда подложки многократно используются в последующих циклах роста. Это проблематично, в частности, потому, что подложки дороги и их многократное использование желательно в экономически конкурентоспособном производственном процессе.

Цель некоторых вариантов реализации настоящего изобретения заключается, по меньшей мере, в частичном обращении к одной или более из этих проблем. В частности, цель некоторых вариантов реализации настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить более однородные и/или более твердые CVD алмазные продукты.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предоставляется микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы, причем микроволновый плазменный реактор содержит:

микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f; плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор, для поддержания микроволновой резонансной моды между основанием и верхней пластиной;

конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;

систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда;

держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки; и

подложку, расположенную на поддерживающей поверхности, причем подложка имеет поверхность роста, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании,

причем размеры и местоположение подложки в пределах объемного резонатора выбираются для создания профиля локализованного осесимметричного электрического поля Ez поперек поверхности роста при ее использовании, причем профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez содержит по существу плоский центральный участок, опоясанный кольцом большего электрического поля, при этом по существу плоский центральный участок простирается, по меньшей мере, по 60% площади поверхности роста подложки и имеет вариацию электрического поля Ez не больше чем ±10% напряженности центрального электрического поля Ez и кольцо большего электрического поля располагается вокруг центрального участка и имеет максимальную напряженность электрического поля Ez в пределах от 10% до 50% выше напряженности центрального электрического поля Ez.

В соответствии с альтернативным определением первого аспекта настоящего изобретения предоставляется микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы, причем микроволновый плазменный реактор содержит:

микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f; плазменная камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор, для поддержания микроволновой резонансной моды между основанием и верхней пластиной;

конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;

систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда;

держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки; и

подложку, расположенную на поддерживающей поверхности, причем подложка имеет поверхность роста, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании,

причем отношение диаметр подложки/высота поверхности роста подложки находится в пределах 10-14, 11-13,5 или 11,0-12,5, причем высота поверхности роста подложки является относительной для средней высоты поверхности, окружающей подложку.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предоставляется подложка для использования в микроволновом плазменном реакторе в соответствии с первым аспектом изобретения, причем подложка содержит:

цилиндрический диск из карбидообразующего тугоплавкого металла, имеющий плоскую поверхность роста, на которой выращивается CVD алмаз, и плоскую поддерживающую поверхность, противостоящую упомянутой поверхности роста,

причем цилиндрический диск имеет диаметр 80 мм или более,

причем поверхность роста имеет вариацию плоскостности не больше чем 100 мкм, и причем поддерживающая поверхность имеет вариацию плоскостности не больше чем 100 мкм.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предоставляется способ производства синтетического алмазного материала, используя технологию химического осаждения из газовой фазы, причем способ содержит:

предоставление реактора, сконфигурированного для производства синтетического алмазного материала;

размещение подложки на держателе подложки в пределах реактора, причем подложка содержит поверхность роста, на которой выращивается синтетический алмазный материал;

подачу технологических газов в реактор; и

выращивание синтетического алмазного материала на поверхности роста подложки, причем способ дополнительно содержит:

выполнение, по меньшей мере, двух измерений температуры, включающих в себя одно или более измерений в центральной области поверхности роста подложки и одно или более измерений в периферийной области поверхности роста подложки во время роста синтетического алмазного материала; и

управление разностью температур между центральной областью и периферийной областью поверхности роста подложки во время роста синтетического алмазного материала на основании, по меньшей мере, двух измерений температуры,

причем температура поверхности роста подложки во время роста синтетического алмазного материала управляется для выполнения условия 5°C<Tc-Te<120°C, где Tc - температура в центральной области поверхности роста подложки и Te - температура в периферийной области поверхности роста подложки.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предоставляется способ производства синтетического алмазного материала, используя технологию химического осаждения из газовой фазы, причем способ содержит:

предоставление реактора, сконфигурированного для производства синтетического алмазного материала;

размещение подложки на держателе подложки в пределах реактора, причем подложка содержит поверхность роста, на которой выращивается синтетический алмазный материал;

подачу технологических газов в реактор; и

выращивание синтетического алмазного материала на поверхности роста подложки, причем синтетический алмазный материал выращивается для формирования поликристаллической алмазной пластины, имеющей диаметр, по меньшей мере, 120 мм,

и причем поликристаллическая алмазная пластина спонтанно отслаивается от подложки при охлаждении после того, как процесс химического осаждения из газовой фазы завершен, чтобы привести к отдельной поликристаллической алмазной пластине, которая является по существу свободной от трещин, по меньшей мере, в центральной ее области, причем центральная область составляет, по меньшей мере, 70% от полной площади отдельной поликристаллической алмазной пластины и причем центральная область не имеет трещин, которые пересекают обе внешние главные грани отдельной поликристаллической алмазной пластины и простираются больше чем на 2 мм по длине.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения и демонстрации того, как оно может быть осуществлено, ниже в качестве примера рассматриваются варианты реализации настоящего изобретения в связи с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1(a)-1(c) изображают графики профиля электрического поля для варьирующихся высот подложки в пределах микроволнового плазменного реактора;

Фиг.2(a)-2(c) - демонстрация того, как высота поверхности роста подложки рассчитывается относительно средней высоты поверхности, окружающей подложку;

Фиг.3 - вид сечения микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

Фиг.4 - вид в плане участка микроволнового плазменного реактора, более подробно показывающий держатель подложки и разделительные провода;

Фиг.5 - вид сечения другого микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для включения в себя модифицирующего температуру кольца, расположенного поверх держателя подложки и вокруг подложки;

Фиг.6 - более подробное изображение модифицирующего температуру кольца;

Фиг.7 - подложка в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; и

Фиг.8(a)-8(d) - различные возможные альтернативные конфигурации подложки.

Осуществление изобретения

Представляется желательным предоставить микроволновый плазменный реактор, который сконфигурирован для формирования однородной плазмы по большой площади над подложкой, чтобы обеспечить однородный рост CVD алмаза поверх большой площади подложки. Интуитивно, можно было бы ожидать, что микроволновый плазменный реактор должен быть сконфигурирован так, чтобы поддерживать однородное электрическое поле выше подложки для формирования такой однородной плазмы. Первый объект настоящего изобретения основан на вероятном, противоположном интуитивному, обнаружении того, что неоднородное электрическое поле специфической формы может произвести более однородную плазму по большей площади, чем соответствующее однородное исходное электрическое поле, и что это может привести к росту более однородного CVD алмаза на больших площадях. В частности, авторы установили, что предпочтительно сформировать электрическое поле, имеющее осесимметричный профиль Ez, содержащий по существу плоский центральный участок, опоясанный кольцом большего электрического поля, по существу плоский центральный участок, простирающийся, по меньшей мере, по 60% площади поверхности роста подложки и имеющий вариацию электрического поля Ez не больше чем ±10%, 8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2% или 1% от напряженности центрального электрического поля Ez. Кольцо большего электрического поля расположено вокруг центрального участка и имеет максимальную напряженность электрического поля Ez в пределах от 10% до 50%, от 10% до 40%, от 15% до 30% или от 15% до 25% выше напряженности центрального электрического поля Ez. Было установлено, что кольцо большего электрического поля может способствовать вытягиванию плазмы наружу, чтобы сформировать плоскую плазму по большой площади над подложкой. Кроме того, поскольку края плазмы имеют более высокие излучающие и конвективные потери, кольцо большего электрического поля считается предпочтительным для компенсации таких потерь. Однородная плазма может тогда обеспечить однородный поток тепла к лежащей ниже подложке и однородную транспортировку активных частиц к поверхности роста подложки, чтобы обеспечить рост однородного CVD алмаза по большим площадям.

Было установлено, что профиль электрического поля, как предварительно описано, может быть сформирован выбором подходящих размеров подложки и корректным позиционированием подложки в пределах объемного резонатора плазменного реактора. В этом отношении оказывается возможным моделировать электрическое поле для конкретных конфигураций камеры, чтобы определить профиль электрического поля выше поверхности роста подложки. Профиль электрического поля может быть смоделирован, выполняя расчеты электромагнитного поля для объемного резонатора заданных размеров в условиях резонанса (не обязательно на частоте возбуждения). Расчеты могут быть выполнены, используя программу определения собственного значения дифференциального уравнения. Профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez может варьироваться в соответствии с высотой, для которой он рассчитывается относительно поверхности роста подложки. В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez рассчитывается для высоты над поверхностью роста подложки: 4 мм, 6 мм или 8 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц; 2 мм, 3 мм или 4 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц; или 0,7 мм, 1,0 мм или 1,5 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц.

Было установлено, что профиль электрического поля значительно возмущается, когда подложка вводится в объемный резонатор, как можно показать посредством моделирования или опытного измерения. В связи с этим на Фиг.1(a)-1(c) показаны графики профиля электрического поля, иллюстрирующие изменение электрического поля с изменением высоты подложки в пределах объемного резонатора плазменного реактора. Графики на оси Y показывают величину электрического поля Ez относительно бокового положения X поперек диаметра объемного резонатора над подложкой.

На Фиг.1(a) показан профиль электрического поля, когда поверхность роста подложки S расположена непосредственно над основанием B объемного резонатора C. Профиль электрического поля превышает таковой для пустой камеры в соответствии с функцией Бесселя J₀ для TM_01n камеры. Имеется только небольшой вклад в величину электрического поля от верхнего края подложки, формирующий коаксиальную моду, устанавливаемую между подложкой и стенкой камеры. В этой конфигурации электрическое поле велико над центральной областью подложки и значительно понижается к краю подложки. При этом этот профиль электрического поля приводит к неудовлетворительному росту CVD алмазов в периферийной области поверхности роста подложки.

На Фиг.1(b) показан профиль электрического поля, когда поверхность роста подложки S расположена высоко над основанием B объемного резонатора C. Профиль электрического поля теперь главным образом имеет геометрию коаксиальной моды, устанавливаемой между подложкой и стенкой камеры, которая быстро затухает в центральной области камеры. В этой конфигурации электрическое поле велико над периферийной областью подложки и понижается к центральной области подложки. При этом этот профиль электрического поля приводит к неудовлетворительному росту CVD алмазов в центральной области поверхности роста подложки.

На Фиг.1(c) показан профиль электрического поля, когда поверхность роста подложки S расположена на правильной высоте выше окружающей поверхности в пределах объемного резонатора C. Профиль электрического поля пустой камеры сбалансирован с коаксиальной модой, устанавливаемой между подложкой и стенкой камеры для формирования по существу области однородного электрического поля по большей части подложки с кольцом большего электрического поля, локализованного вокруг края подложки. Центральная область электрического поля по существу однородна, но имеет область несколько меньшего электрического поля именно внутри кольца большего электрического поля, локализованного вокруг края подложки. Можно было предполагать, что эта область меньшего электрического поля приведет к неудовлетворительному росту CVD алмазов в этой области поверхности роста. Однако практически было установлено, что кольцо большего электрического поля, непосредственно вне области меньшего электрического поля, способствует вытягиванию плазмы наружу, компенсируя небольшую неоднородность в центральной области и приводя к большой, плоской, однородной плазме по большей части подложки, позволяя осуществить однородный рост CVD алмаза по большим площадям.

Следует отметить, что, хотя профиль электрического поля представляет собой свойство, проявляющееся при ее использовании микроволнового плазменного реактора, оно также однозначно определяется и не при ее использовании, а моделированием профиля электрического поля микроволнового плазменного реактора или на его резонансных частотах или моделированием как присутствующего эффекта при возбуждении данной частотой. Любая из этих моделей может быть применена к микроволновому плазменному реактору для определения его профиля электрического поля без чрезмерных усилий.

Хотя первый объект настоящего изобретения был описан выше в связи с профилем электрического поля, определение которого требует моделирования (например, моделирования в резонансе) или опытного измерения, более упрощенное определение можно дать с помощью простых размерных данных для подложки и ее местоположения в пределах объемного резонатора плазменного реактора. Практически авторы настоящего изобретения установили, что протяженная, плоская, однородная плазма по большей части подложки, позволяющая вырастить однородные CVD алмазы по большим площадям, может быть достигнута, когда отношение диаметр подложки/высота поверхности роста подложки находится в пределах от 10 до 14, от 11 до 13,5 или от 11,0 до 12,5, причем высота поверхности роста подложки относительна для средней высоты окружающей подложку поверхности. Соответственно, это альтернативное определение первого объекта изобретения может использоваться без моделирования или опытного измерения. Однако если конфигурация попадает вне этих пределов, то представляется, что, используя несколько иную геометрию камеры, все же оказывается возможным сформировать профиль электрического поля, как описано предварительно. В этом случае могут потребоваться моделирование или опытные измерения для подтверждения того, действительно ли конфигурация соответствует первому объекту данного изобретения. И напротив, если конфигурация оказывается вне определения первого объекта изобретения, основанного на профиле электрического поля, она может попадать в пределы альтернативного определения, основанного на отношении диаметр подложки/высота поверхности роста подложки. Это может быть в случае, когда размеры и местоположение подложки в пределах плазменной камеры выбраны для формирования профиля электрического поля, как описано, но некоторый дополнительный элемент или элементы предоставляются для изменения профиля электрического поля выше подложки. Например, как описано ниже, вокруг подложки может быть расположено металлическое кольцо, чтобы понизить величину кольца большого электрического поля, расположенного выше края подложки. Альтернативно или дополнительно, держатель подложки может быть профилирован для возмущения электрического поля, чтобы понизить величину кольца большого электрического поля, расположенного выше края подложки. Другие элементы, модифицирующие электрическое поле, также предусматриваются. Например, дополнительные металлические тела, которые возмущают профиль электрического поля, могут быть расположены на держателе подложки, например металлические вставки, расположенные под подложкой. При этом эти конфигурации могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь правильное отношение диаметр подложки/высота поверхности роста, при наличии профиля электрического поля без существенного кольца большого электрического поля, расположенного выше края подложки.

Для конфигурации, в которой держатель подложки имеет тот же самый диаметр, что и подложка, держатель подложки располагается целиком под подложкой и поверхность, окружающая подложку, может быть сформирована основанием плазменной камеры. Также в этом случае средняя высота поверхности, окружающей подложку, равна высоте основания B плазменной камеры C и высота поверхности роста подложки, H_gs, измеряется от основания плазменной камеры, окружающей подложку S и держатель подложки SH, как показано на Фиг.2(a). Альтернативно, для конфигурации, в которой держатель подложки намного больше подложки, таким образом формируя большую плоскую поверхность, которая окружает подложку, средняя высота поверхности, окружающей подложку, равна верхней точке поверхности держателя подложки. Также в этом случае высота поверхности роста подложки, H_gs, измеряется от верхней точки поверхности держателя подложки SH, окружающей подложку S, как показано на Фиг.2(b). Для конфигурации, в которой держатель подложки выходит за пределы подложки с наклонной, изогнутой или ступенчатой верхней поверхностью, окружающей подложку, средняя высота локальной окружающей поверхности, H_lss, может быть определена средней высотой, H_local, поперечного сечения между краем подложки в Rs и расстоянием, приблизительно удвоенной толщины подложки, 2×Ts, от края подложки, отсчитанным в радиальном направлении, X:

$$$$ $$H_{lss}=\frac{1}{2Rs}{\displaystyle {\int }_{Rs}^{Rs+2Ts}{H}_{local}dX}$$

Такая конфигурация показана на Фиг.2(c) для наклонного держателя подложки. Например, для держателя подложки, имеющего верхнюю поверхность, наклоненную в сторону от подложки под углом 45° до расстояния 2×Ts от подложки в радиальном направлении, средняя высота поверхности, окружающей подложку, равна половине высоты держателя подложки SH. Также в этом случае высота поверхности роста подложки, H_gs, измеряется от половины высоты держателя подложки SH.

В связи с вышеупомянутым было установлено, что обеспечение шага специфической высоты между поверхностью роста подложки и локальной окружающей поверхностью возмущает профиль электрического поля плазменной камеры таким образом, что профиль электрического поля пустой камеры сбалансирован коаксиальной модой, устанавливающейся между подложкой и стенкой камеры для формирования по существу однородной области электрического поля по большей части подложки с кольцом большего электрического поля, локализованным вокруг края подложки, как предварительно описано.

Варианты реализации настоящего изобретения подходят, в частности, для применения в резонансных камерах TM_01n. Конкретная геометрия, требуемая для осуществления первого объекта изобретения, зависит также от рабочей частоты плазменного реактора. Примеры подходящих конфигураций представлены ниже.

Диаметр подложки может быть выбран так, чтобы находиться в пределах: от 165 мм до 415 мм, от 185 мм до 375 мм, от 205 мм до 375 мм, от 205 мм до 330 мм или от 240 мм до 330 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц; от 80 мм до 200 мм, от 90 мм до 180 мм, от 100 мм до 180 мм, от 100 мм до 160 или от 115 мм до 160 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или от 30 мм до 75 мм, от 33 мм до 65 мм, от 37 мм до 65 мм, от 37 мм до 58 мм или от 42 мм до 58 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц.

Высота поверхности роста подложки выше средней высоты окружающей поверхности может быть выбрана так, чтобы находиться в пределах: от 10 мм до 30 мм или от 14 мм до 27 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц; от 5 мм до 15 мм или от 7 мм до 13 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или от 2,0 мм до 5,5 мм или от 2,5 мм до 5,0 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц.

В частности, полезные комбинации высот и диаметров для ряда диапазонов рабочих частот приводятся ниже.

Если микроволновая частота f находится в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц, диаметр подложки и высоте поверхности роста подложки выше средней высоты окружающей поверхности в пределах объемного резонатора могут быть при необходимости выбраны так, что:

если диаметр подложки находится в пределах от 180 мм до 230 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 14 мм до 20 мм;

если диаметр подложки находится в пределах от 230 мм до 270 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 20 мм до 24 мм; или

если диаметр подложки находится в пределах от 270 мм до 310 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 22 мм до 27 мм.

Если микроволновая частота f находится в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц, диаметр подложки и высота поверхности роста подложки выше средней высоты окружающей поверхности в пределах объемного резонатора могут быть при необходимости выбраны так, что:

если диаметр подложки находится в пределах от 90 мм до 110 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 7 мм до 10 мм;

если диаметр подложки находится в пределах от 110 мм до 130 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 9,5 мм до 11,5 мм; или

если диаметр подложки находится в пределах от 130 мм до 150 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 11 мм до 13 мм.

Если микроволновая частота f находится в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц, диаметр подложки и высота поверхности роста подложки выше средней высоты окружающей поверхности в пределах объемного резонатора могут быть выбраны так, что:

если диаметр подложки находится в пределах от 30 мм до 40 мм, то высота поверхности роста находится в пределах от 2,5 мм до 3,7 мм;

если диаметр подложки находится в пределах от 40 мм до 48 мм, то высота поверхности роста находится в пределах от 3,5 мм до 4,2 мм; или

если диаметр подложки находится в пределах от 48 мм до 55 мм, то высота поверхности роста находится в пределах от 4,0 мм до 4,8 мм.

В связи с вышеупомянутым следует отметить, что возможно инвертировать реактор при ее использовании. Например, в стандартном использовании подложка будет поддерживаться основанием камеры, которая формирует нижнюю стенку камеры относительно земли. Однако возможно инвертировать реактор так, что основание камеры, поддерживающее подложку, сформирует верхнюю стенку камеры относительно земли. В этой конфигурации высота поверхности роста выше средней высоты окружающей поверхности измеряется в нисходящем направлении. В инвертированной ориентации поток газа к подложке может быть параллельным принципиальным тепловым конвективным потокам (которые пребывают в восходящем направлении вследствие большого количества тепла, создаваемого ниже, внизу плазменной камеры). Эта инвертированная конфигурация может иметь некоторые преимущества для некоторых приложений.

Амплитуда коаксиальной моды, устанавливаемой между подложкой и стенкой камеры, может также зависеть от отношения диаметр объемного резонатора/диаметр подложки. Соответственно, в некоторых конфигурациях может оказаться предпочтительным предоставить конфигурацию, в которой отношение диаметр объемного резонатора/диаметр подложки находится в пределах от 1,5 до 5, от 2,0 до 4,5, или от 2,5 до 4,0, причем диаметр объемного резонатора измеряется на высоте, меньшей чем 50%, 40%, 30% или 20% от высоты объемного резонатора. В одной, в частности, предпочтительной конфигурации вышеупомянутые отношения поддерживаются, когда диаметр объемного резонатора измеряется на высоте поверхности роста подложки.

Варианты реализации первого объекта изобретения, таким образом, ориентированы на предоставление такой конфигурации плазменного реактора, которая дает возможность достижения роста однородного CVD алмаза по большим площадям. Кроме того, однородная плазма, достигаемая такими конфигурациями, также предоставляет относительно однородный поток тепла к подложке, которая, как было установлено, способствует облегчению проблемы раскалывания CVD алмаза, когда CVD алмаз охлаждается после выращивания. В этом отношении баланс напряжений в CVD алмазной пластине в значительной степени определяется вариацией температур роста по алмазной пластине. Более горячие области при выращивании сокращаются больше во время остывания и поэтому оказываются растянутыми; охлаждаемые области сжимаются меньше и поэтому остаются сжатыми. Вариации напряжения в пределах CVD алмазной пластины во время охлаждения могут привести к раскалыванию. Поэтому большие вариации температуры подложки не желательны.

Как уже упомянуто, одна потенциальная проблема использования предварительно описанной конфигурации заключается в том, что кольцо большого электрического поля, расположенное вокруг края подложки, может привести к более высоким температурам подложки на краю подложки, и это потенциально может привести к раскалыванию подложки, когда CVD алмазный материал охлаждается после выращивания. Действительно, вместо того, чтобы иметь полностью однородную температуру поперек поверхности роста подложки, как может интуитивно казаться желательным, авторы настоящего изобретения полагают, что фактически желательно гарантировать, что температура края поверхности роста подложки ниже, чем температура в центральной области поверхности роста подложки. Причина для такой конфигурации заключается в том, что распространение трещины может быть минимизировано обеспечением того, что сжимающие области в пределах CVD алмазного материала оказываются рядом с тем местом, где трещины могут возникнуть, то есть вблизи края CVD алмазной пластины. Соответственно, сохранение края поверхности роста подложки во время выращивания несколько более охлажденным, чем центральная область, представляется предпочтительным для формирования сжимающей области вблизи края образующейся CVD алмазной пластины. Если трещина инициализирована на краю CVD алмазной пластины во время охлаждения, сжимающая область вблизи края CVD алмазной пластины препятствует распространению трещины к центру CVD алмазной пластины. При этом любые возникающие трещины имеют тенденцию оставаться короткими и расположенными на внешнем краю CVD алмазной пластины, который может быть впоследствии обработан, чтобы удалить какое-либо незначительное повреждение края.

Соответственно, было установлено как предпочтительное при определенных обстоятельствах изменить микроволновый плазменный реактор так, чтобы он содержал одно или более устройств измерения температуры, сконфигурированных для выполнения, по меньшей мере, двух измерений температуры, включая в себя одно или более измерений (при необходимости два или более) в центральной области поверхности роста подложки и одного или более измерений (при необходимости два или более) в периферийной области поверхности роста. Кроме того, система управления температурой подложки может быть предоставлена и сконфигурирована для управления разностью температур между центральной областью и периферийной областью поверхности роста подложки во время выращивания на ней CVD алмаза на основании измерений температуры. Измерения центральной температуры могут быть выполнены в пределах центральной области, имеющей внешний диаметр не больше чем 50%, 40%, 30%, 20% или 10% от диаметра поверхности роста. Измерения периферийной температуры могут быть выполнены в периферийной области поверхности роста подложки, имеющей внутренний диаметр больше чем 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95% от диаметра поверхности роста.

Система управления температурой подложки может быть сконфигурирована для управления температурой поверхности роста подложки во время выращивания на ней CVD алмаза при выполнении условия: 5°C<Tc-Te<120°C; 10°C<Tc-Te<100°C; 10°C<Tc-Te<80°C; 20°C<Tc-Te<80°C; или 20°C<Tc-Te<60°C, где Tc - температура в центральной области поверхности роста и Te - температура в периферийной области поверхности роста. Если величина Tc-Te становится слишком большой, то может быть создано чрезмерное напряжение в центральной области CVD алмазной пластины во время охлаждения, приводя к раскалыванию в центральной области CVD алмазной пластины. Если величина Tc-Te станет слишком малой, то сжимающие области не будут формироваться вблизи края CVD алмазной пластины и какие-либо трещины, которые возникают на краю пластины, с большей вероятностью будут распространяться поперек CVD алмазной пластины, приводя к очень протяженным трещинам, включая в себя полный разлом пластины. Система предпочтительно полностью автоматизирована для выполнения измерений температуры и соответственной регулировки температуры подложки. Альтернативно или дополнительно, система может быть сконфигурирована так, чтобы ручные регулировки температуры подложки могли быть выполнены на основании измерений температуры.

Потенциально имеется множество других вариантов конфигурации системы управления температурой подложки для управления разностью температур между центральной областью и периферийной областью поверхности роста подложки во время выращивания CVD алмаза. Одна из возможностей заключается в том, чтобы использовать газовый зазор, расположенный под подложкой. В такой конфигурации подложка располагается над поддерживающей поверхностью держателя подложки и отделена разделительными элементами для формирования газового зазора, имеющего высоту h между поддерживающей поверхностью держателя подложки и нижней поверхностью подложки. Система управления температурой подложки может при этом содержать систему подачи газа для подачи газа в газовый зазор. Разделительными элементами могут быть сконфигурированы для задания центральной полости газового зазора под подложкой, в которую может быть закачан газ из системы подачи газа, изменяющий теплопроводность газового зазора, таким образом позволяя управлять относительной температурой центральных и периферийных областей подложки. Система подачи газа для подачи газа в полость газового зазора под подложкой, может подавать количество газа, которое равно или меньше чем 5%, 4%, 3%, 2% или 1% от полного газового потока в плазменную камеру. То есть газ, подаваемый под подложку, представляет собой только малую долю общего газа, подаваемого в плазменную камеру, большая часть которого является технологическим газом, подаваемым через главный газовый впуск в плазменную камеру, которая предпочтительно располагается в противоположном конце плазменной камеры относительно подложки. Было установлено, что такого количества газа, подаваемого в полость газового зазора, достаточно для закачки под подложку в газовый зазор и для управления температурой подложки так, как описано здесь, без ненужного разрыва главного потока технологического газа в направлении и вокруг подложки к газовым выпускам. То есть система подачи газа для подачи газа в полость газового зазора для управления температурой подложки сконфигурирована так, что она не оказывает вредного влияния на газовый поток из первичного впуска технологического газа.

На Фиг.3 показан пример микроволнового плазменного реактора, содержащего такую систему управления температурой подложки. Микроволновый плазменный реактор содержит следующие основные компоненты: плазменную камеру 2; держатель 4 подложки, расположенный в плазменной камере для поддержания подложки 5; микроволновый генератор 6 для формирования плазмы 8 в пределах плазменной камеры 2; конфигурацию микроволновой связи 10 для подачи микроволн от микроволнового генератора 6 в плазменную камеру 2 через диэлектрические окна 11; и систему газового потока, содержащую один или более газовых впусков 12 и один или более газовых выпусков 14 для подачи технологических газов в плазменную камеру 2 и удаления их оттуда.

Плазменная камера сконфигурирована для формирования объемного резонатора, поддерживающего стоячую микроволну при ее использовании. В соответствии с одной конфигурацией плазменная камера сконфигурирована для поддержания стоячей микроволны типа TM_01n при ее использовании, например, моды TM₀₁₁. Рабочая частота может быть в диапазоне 400-500 МГц, 800-1000 МГц, или 2300-2600 МГц. Исходные газы, включающие в себя исходный углерод и молекулярный водород, подаются в резервуар плазменного реактора и могут быть активизированы стоячей микроволной для формирования плазмы в областях большого электрического поля. Если подходящая подложка предоставляется в непосредственной близости к плазме, реактивный углерод, содержащий радикалы, может диффундировать от плазмы к подложке и может быть осажден на ней. Атомарный водород также может диффундировать от плазмы к подложке и выборочно вытравить неалмазный углерод из подложки так, что может возникнуть рост алмаза.

Подложка 5 отделена от держателя 4 подложки разделительными проводами, или разделительными прокладками 16, чтобы задать газовый зазор 18 между поддерживающей поверхностью 20 держателя 4 подложки и поддерживающей поверхностью 22 подложки 5. Высота h газового зазора может быть в пределах от 25 мкм до 2000 мкм, от 50 мкм до 1000 мкм или от 100 мкм до 750 мкм в зависимости от конкретных условий синтеза. Например, для некоторых технологий высокотемпературного синтеза алмазов было установлено, что предпочтительна высота газового зазора в пределах от 500 мкм до 750 мкм или от 600 мкм до 650 мкм. Для некоторых технологий низкотемпературного синтеза алмазов было установлено, что предпочтительна высота газового зазора в пределах от 100 мкм до 300 мкм или от 150 мкм до 250 мкм. Кроме того система 24 подачи газа связывается с газовым зазором 18 через подающий трубопровод 26, который простирается от системы 24 подачи газа через держатель 4 подложки и сконфигурирована для подачи газа в газовый зазор 18 через один или более выпусков в поддерживающей поверхности держателя подложки. Для охлаждения держателя 4 подложки также предоставляется система 28 подачи жидкого охладителя.

Следует также отметить, что, хотя показанный на Фиг.3 микроволновый плазменный реактор имеет отдельный держатель подложки, расположенный в плазменной камере, держатель подложки может быть сформирован основанием плазменной камеры. Использование термина "держатель подложки" предполагает охват таких вариаций. Кроме того, держатель подложки может содержать плоскую поддерживающую поверхность, которая имеет тот же самый диаметр (как показано) или больший, чем подложка. Например, держатель подложки может формировать большую плоскую поверхность, сформированную основанием камеры или отдельным компонентом, расположенным по основанию камеры, и подложка может быть тщательно установлена в центральную область плоской поддерживающей поверхности. В одной конфигурации плоская поддерживающая поверхность может иметь дополнительные элементы, например выступы или углубления для выравнивания и, при необходимости, поддержки подложки. Альтернативно, такие дополнительные элементы могут не предоставляться, и только держатель подложки предоставляет плоскую поддерживающую поверхность, поверх которой располагается подложка.

Система подачи охлаждающей жидкости обеспечивает первоначальное основное охлаждение держателя подложки. Однако эта система, как было установлено, оказывается недостаточно точной для тонкого управления температурой подложки, которое, как полагают авторы настоящего изобретения, требуется для получения высококачественного, однородного осаждения CVD алмаза по большим площадям. Соответственно, система подачи газа предоставляется для получения более точного управления температурой подложки. Система подачи газа может быть сконфигурирована для инжекции, по меньшей мере, двух газов, имеющих различные теплопроводности, в газовый зазор ниже подложки и варьирования отношения, по меньшей мере, двух газов для управления температурой подложки на держателе подложки. Например, система подачи газа может использовать смесь легкого газа, например водорода, и тяжелого газа, например аргона, который является менее теплопроводящим. Предпочтительно газы, используемые для управления температурой подложки, используются также в основном химическом процессе так, чтобы дополнительные газовые источники не требовались. Если температура края подложки слишком высока относительно центральной области подложки, пропорция тяжелого газа относительно легкого газа может быть увеличена, чтобы понизить теплопроводность газа под центральной областью подложки, тем самым приводя к тому, что центральная область подложки нагревается относительно края подложки. И наоборот, если температура края подложки слишком низка относительно центральной области подложки, пропорция легкого газа относительно тяжелого газа может быть увеличена, чтобы повысить теплопроводность газа под центральной областью подложки, тем самым приводя к тому, что центральная область подложки охлаждается относительно края подложки. Абсолютная температура подложки, а также относительная температура различных областей подложки, может также управляться варьирующимся газовым потоком и газовым составом в пределах газового зазора под подложкой.

На Фиг.4 показан более подробно вид в плане участка микроволнового плазменного реактора, иллюстрирующий поддерживающую поверхность 20 держателя подложки и разделительные провода 16, расположенные на ней. Поддерживающая поверхность 20 держателя подложки имеет, по меньшей мере, один газовый впуск 30 для подачи газа в газовый зазор. По меньшей мере, один газовый впуск 30 предпочтительно располагается центросимметрично на поддерживающей поверхности 20. Разделительные провода 16 могут быть сконфигурированы для задания центральной полости газового зазора под подложкой так, чтобы газ втягивался в центральную полость газового зазора. В показанном варианте реализации разделительные провода 16, каждый, имеют дугообразную форме и сконфигурированы в кольцо с зазорами 32 между ними, через которые может протекать газ. Разделительные элементы могут быть электрически проводящими и/или могут быть установлены на месте с электрически проводящей пастой, типа Silver DAG™, что, как было установлено, оказывается полезным для обеспечения хорошего электрического контакта между разделительными элементами и держателем подложки. Это способствует предотвращению проблемы искрения под подложкой, что может отрицательно влиять на управление температурой. Было также отмечено, что положения зазоров между кольцевыми секциями разделительных проводов может привести к вариации толщины алмазной пластины. Если желательно, число и положение могут быть отрегулированы так, чтобы компенсировать другие неоднородности, присущие алмазным пластинам, произведенным данным реактором.

Микроволновый плазменный реактор дополнительно содержит одно или более устройств измерения температуры, сконфигурированных для выполнения, по меньшей мере, двух измерений температуры, включающих в себя одно или более измерений в центральной области поверхности роста подложки и одно или более измерений в периферийной области поверхности роста подложки, как предварительно описано. Измерения температуры могут быть выполнены одновременно или в пределах короткого интервала времени между измерениями, и система управления температурой подложки может быть использована для гарантии того, что температурный градиент не выходит за описанные ранее пределы. Устройство измерения температуры может содержать пирометр 13, как показано на Фиг.3. Могут быть предоставлены два пирометра - один для выполнения измерения центральной температуры и один для выполнения измерения периферийной температуры. Альтернативно, в подложку может быть введено множество термопар. Следует отметить, что введение термопар, как было установлено, затруднительно и может оказаться ненадежным. В этом случае множество пирометрических измерений можно считать лучшим решением. В связи с этим следует отметить, что, если поликристаллические алмазные материалы формируются поверх поверхности роста подложки, пирометрические измерения могут сконцентрироваться на температуре роста CVD алмазного материала. Однако поскольку материал находится в хорошем тепловом контакте с нижележащей подложкой, то температура поликристаллического алмазного материала сравнивается с температурой нижележащей поверхности роста подложки. Для роста монокристаллического алмаза измерения температуры предпочтительно выполняются между растущими монокристаллами. Поскольку алмаз может быть прозрачным для некоторых пирометрических длин волн, то пирометрические измерения могут сконцентрироваться через алмаз на нижележащую поверхность роста подложки, если для пирометрических измерений выбрана подходящая длина волны.

Система управления температурой подложки может дополнительно содержать изменяющее температуру кольцо, расположенное вокруг подложки для охлаждения периферийной области поверхности роста подложки. Изменяющее температуру кольцо может быть сформировано предоставлением профиля в поддерживающей поверхности держателя подложки вокруг подложки или предоставлением отдельного компонента, расположенного поверх держателя подложки.

На Фиг.5 показан вид сечения другого микроволнового плазменного реактора, сконфигурированного для включения в себя такого изменяющего температуру кольца 500, расположенного поверх держателя 4 подложки и вокруг подложки 5. Изменяющее температуру кольцо 500 расположено на разделителях подобным же образом к подложке или поддерживается на держателе подложки с помощью поддерживающих опор, которые могут быть встроены в нижнюю поверхность изменяющего температуру кольца для обеспечения контактных точек с держателем подложки. В других отношениях показанная на Фиг.5 конфигурация та же самая, что и показанная на Фиг.3.

На Фиг.6 более подробно показано изменяющее температуру кольцо. Кольцо должно быть нечувствительным к контрастному тепловому окружению, имеющемуся в плазменной камере. Предпочтительно кольцо должно иметь точку плавления выше 500°C и коэффициент теплопроводности, больший чем 10 Вт·м^-1·K^-1, Кольцо предпочтительно является металлическим. Кроме того, кольцо может иметь электрическую проводимость, большую чем 1·10⁵Ом^-1см^-1. Примеры подходящих материалов включают в себя тантал, молибден, вольфрам и их сплавы.

Кольцо предпочтительно представляет собой полное кольцо, хотя возможно также использование сегментированного кольца, содержащего множество дугообразных сегментов. Предпочтительно кольцо имеет наклонную внешнюю поверхность 502, например, под углом между 20° и 80°, более предпочтительно 40-60°, относительно центральной оси кольца. Было установлено, что если кольцо имеет широкую верхнюю секцию, то это может понизить полную подаваемую плотность мощности. При этом ширина верхнего участка кольца может быть равной или меньшей, чем 5 мм, 3 мм или 2 мм. В одной конфигурации кольцо может быть сформировано из вертикальной танталовой полосы шириной 1 мм. Однако желательно, чтобы нижний участок кольца имел большую ширину, чтобы поглощать мощность и нагреваться приблизительно до температуры выращивания алмаза. При этом наклонная конфигурация сечения, как показано и описано выше, оказывается предпочтительной. Температура кольца может поддерживаться высокой, гарантируя, что площадь контакта кольца с держателем подложки мала, например большая часть нижней поверхности кольца может быть отделена от держателя подложки и/или основания камеры. Зазор приблизительно 0,5 мм под кольцом может быть, таким образом, обеспечен, чтобы имелась небольшая теплопроводность между кольцом и поверхностью, поверх которой расположено кольцо.

Изменяющее температуру кольцо выполняет две функции: оно смещает кольцо большого электрического поля от края подложки; и, будучи отдельно нагреваемым (плазмой) и охлаждаемым (основанием камеры) элементом, оно непосредственно изменяет температуру края подложки. При этом кольцо может функционировать для охлаждения края подложки, уменьшая величину каких-либо растягивающих напряжений и делая раскалывание CVD алмаза менее вероятным.

В свете вышеупомянутого должно быть очевидно, что использование такой кольцевой структуры, смонтированной на держателе подложки вокруг подложки, может быть предпочтительным для использования в комбинации с вариантами реализации настоящего изобретения, как предварительно описано. Предпочтительные эффекты такой кольцевой структуры могут также быть очевидными с альтернативными конфигурациями плазменных реакторов.

Даже при использовании таких конфигураций, как описанные выше, все же могут возникать некоторые проблемы, хотя они могут быть существенно смягчены в соответствии с предварительно описанными конфигурациями. Например, в некоторых случаях могут все же возникать проблемы выращивания неоднородного CVD алмаза поперек подложки, отслаивание алмазной пластины от подложки во время выращивания CVD алмаза и возникновение и/или распространение трещин во время охлаждения после выращивания CVD алмазной пластины, в частности когда большие подложки используются для выращивания поликристаллических алмазных дисков больших площадей (например, диаметром 80 мм или более) или при выращивании множества монокристаллических алмазов в единственном цикле роста, выполняемом на множестве монокристаллических алмазных подложек, приклеенных к поддерживающей подложке поверх относительно большой площади (например, диаметром 80 мм или больше). Это, в частности, оказывается проблематичным, если имеется потребность увеличить площадь, поверх которой может быть выращен высококачественный и однородный CVD алмаз. Кроме того, эти проблемы могут возрасти, когда подложки многократно используются в последующих циклах роста. Это, в частности, оказывается проблематичным для подложек из тугоплавкого металла, которые являются дорогостоящими и их многократное использование желательно в экономически конкурентоспособном производственном процессе.

Одно из возможных решений, рассматриваемых авторами, заключалось в том, что качество поверхности роста некоторым образом влияло на высвобождение CVD алмазной пластины при охлаждении после выращивания, таким образом обуславливая раскалывание. Однако было установлено, что обработка поверхности роста для получения более точно заданной плоскостности и шероховатости сама по себе не решала проблемы. После тщательного исследования этих проблем авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что наблюдаемые проблемы представляют собой результат малых вариаций температуры поперек поверхности роста подложки, вызванные очень незначительными вариациями высоты газового зазора под подложкой. В частности, авторы настоящего изобретения установили, что, хотя цилиндрические подложки из тугоплавкого металла, предоставленные их поставщиком, имеют номинально плоские переднюю и заднюю поверхности, эти поверхности не являются плоскими в достаточной степени. Незначительные вариации плоскостности на задней поверхности подложки приводят к незначительным вариациям высоты газового зазора, и было установлено, что это приводит к различающемуся локальному охлаждению поперек подложки. Вариации температуры, вызванные вариациями высоты газового зазора, приводят к вариациям напряжения в CVD алмазе при охлаждении после выращивания CVD алмаза, что может привести к расколу алмазной пластины, по меньшей мере, пропорционально циклам роста, приводя к сокращению выхода продукции.

Хотя в предварительно описанных конфигурациях возможно управление вариациями температуры, которые симметричны относительно окружности, может оказаться более затруднительным управлять вариациями температуры, которые не симметричны относительно окружности, например вариациями температуры, вызванными вариациями высоты газового зазора. Например, тугоплавкие металлические подложки могут прогибаться и выпучиваться во время использования (несмотря на удаление от их точки плавления). Однородный прогиб главным образом изменяет Tc-Te, что может контролироваться, как предварительно описано. Однако выпучивание привносит неоднородности в температуре вокруг края подложки, которые не являются симметричными. Поэтому непросто поддержать весь край в сжатом состоянии. Типичные величины выпучивания могут быть больше чем 20 микрон (от максимума до минимума). Для газового зазора приблизительно 200 микрон, это соответствует 10%-ной вариации по толщине, и соответствующей вариации температуры. Это может привести до 60°C вариации по температуре вокруг края подложки.

Для решения этой проблемы авторы настоящего изобретения установили, что предпочтительно гарантировать, чтобы высота h газового зазора изменялась не больше чем на 200 мкм, 150 мкм, 100 мкм, 80 мкм, 60 мкм, 40 мкм, 20 мкм, 10 мкм или 5 мкм. Этого можно достичь, например, дополнительной обработкой задней поверхности подложек, предоставленных поставщиками, чтобы иметь очень точно заданный профиль, который дополняет профиль поддерживающей поверхности держателя подложки. Например, если поддерживающая поверхность держателя подложки является плоской, то задняя поверхность подложки должна быть обработана так, чтобы гарантировать, что она является плоской с большой точностью.

Соответственно, контроль формы задней поверхности подложки механическими средствами (предпочтительно однородная, ненаправленная обработка, например притирка вместо шлифовки), как было установлено, оказывается предпочтительным. Кроме того, поддерживающая поверхность держателя подложки может также быть обработана так, чтобы иметь точно заданный профиль, сопряженный с задней поверхностью подложки. Наиболее удобно сделать ее плоской, хотя могут использоваться и другие формы, если только профиль поддерживающей поверхности держателя подложки и задней поверхности подложки сопрягаются, чтобы очень точно поддержать заданную высоту газового зазора. Кроме того, для задания профиля, по меньшей мере, участка поддерживающей поверхности подложки или задней поверхности подложки имеется возможность обеспечить контролируемую вариацию высоты газового зазора, например иметь меньший газовый зазор вокруг периферии подложки для предпочтительного охлаждения периферийной области и/или для предоставления структур, модифицирующих электрическое поле. Соответственно, высота h газового зазора может варьироваться не больше чем на 200 мкм, 150 мкм 100 мкм, 80 мкм, 60 мкм, 40 мкм, 20 мкм, 10 мкм или 5 мкм поперек, по меньшей мере, центральной области подложки, имеющей центрированный диаметр, равный или больший чем 60%, 70%, 80%, 90%, 95% или 99% от полного диаметра подложки. Кроме того, газовый зазор может иметь центральную область с первой высотой газового зазора и периферийную область со второй высотой газового зазора, причем первая высота газового зазора больше чем вторая высота газового зазора.

Вышеприведенное рассмотрение также объясняет, почему проблемы раскалывания алмазной пластины возрастают при повторном использовании подложки. Подложка может выпучиваться во время цикла выращивания CVD алмаза и поэтому утерять плоскостность. В этом случае, как было установлено, предпочтительно подвергнуть вторичной обработке подложку между использованиями, чтобы восстановить желательный профиль поверхности. Поскольку толщина подложки уменьшается при такой вторичной обработке, высота держателя подложки может варьироваться, чтобы гарантировать, что при последующем цикле выращивания поверхность роста подложки остается на оптимальной высоте.

Аналогично, поддерживающая поверхность держателя подложки может также быть подвергнута вторичной обработке между циклами роста, чтобы поддержать желательный профиль, хотя было установлено, что выпучивание этой поверхности составляет меньшую проблему, чем формирующиеся в подложке вариации. Чтобы получить возможность доступной вторичной обработки поддерживающей поверхности держателя подложки, желательно сконфигурировать конструкцию камеры так, чтобы держатель подложки мог быть легко снят и измерен для определения плоскостности поддерживающей поверхности, подвергнут вторичной обработке при необходимости, чтобы поддержать плоскостность поддерживающей поверхности, и быть заменен в плазменной камере.

В свете вышеупомянутого один из способов для вторичного использования той же самой подложки для множества циклов выращивания синтетического алмаза включает в себя регулировку высоты подложки в пределах реактора, если это необходимо, между циклами выращивания синтетического алмаза для учета материала, удаленного из подложки и/или держателя подложки посредством вторичной обработки, и поддержание по существу постоянной высоты поверхности роста во время последующих циклов выращивания синтетического алмаза. Высота поверхности роста может быть поддержана в пределах 2 мм, 1 мм, 0,8 мм, 0,5 мм, 0,3 мм или 0,2 мм от задаваемой высоты для поверхности роста подложки в пределах реактора. Этот способ может быть использован для продления срока эксплуатации подложек, которые подвергаются вторичной обработке между циклами и поэтому становятся более тонкими, при поддержании поверхности роста на оптимальной высоте для выращивания CVD алмаза в пределах реактора, как обсуждалось ранее. Высота поверхности роста может быть отрегулирована, предоставляя держатель подложки, который имеет возможность регулироваться по высоте. Альтернативно, если используется держатель подложки с фиксированной высотой, как только толщина подложки становится ниже допустимых пределов для толщины, как определено в цифровом выражении выше, держатель подложки может быть заменен на держатель со ступенью, соответствующей диаметру подложки, чтобы вернуть высоту поверхности роста в ее допустимые пределы. Хотя держатель подложки с регулируемой высотой может казаться лучшей возможностью в принципе, практически держатели подложки с фиксированной высотой могут быть более надежными при достижении точного и воспроизводимого местоположения поверхности роста подложки в пределах плазменного реактора при упрощении конфигурации реактора так, чтобы иметь меньше подвижных частей.

В свете вышеупомянутого второй объект настоящего изобретения предоставляет подложку, подходящую для использования в ранее описанных микроволновых плазменных реакторах, подложку, содержащую:

цилиндрический диск карбидообразующего тугоплавкого металла, имеющий плоскую поверхность роста, на которой выращивается CVD алмаз, и плоскую поддерживающую поверхность, противостоящую упомянутой поверхности роста,

причем цилиндрический диск имеет диаметр 80 мм или более,

причем поверхность роста имеет вариацию плоскостности не больше чем 100 мкм и причем поддерживающая поверхность имеет вариацию плоскостности не больше чем 100 мкм.

В дополнение к вышеупомянутому, авторы настоящего изобретения также установили, что некоторые цилиндрические тугоплавкие металлические подложки, предоставленные поставщиками, не приводят к однородным, высококачественным CVD алмазным пластинам, даже если и передняя, и задняя поверхности были обработаны так, как отмечено выше. После тщательного дополнительного исследования, сосредоточенного на этой проблеме, авторы настоящего изобретения снова установили, что проблема заключается в качестве подложки. В частности, авторы установили, что коммерчески доступные тугоплавкие металлы часто содержат малые количества формирующих графит примесей, например железа и никеля. Даже очень малые пропорции таких примесей, как было установлено, влияли на рост CVD алмаза на поверхности роста такой подложки. Соответственно, авторы настоящего изобретения установили, что в дополнение к применению точной обработки и передней, и задней поверхностей подложки, как ранее описано, предпочтительно использовать карбидообразующие подложку из тугоплавкого металла, которая имеет очень высокую химическую чистоту с содержанием формирующих графит примесей менее чем 0,1%, по меньшей мере, на поверхности роста подложки.

На Фиг.7 показана такая подложка. Подложка содержит переднюю поверхность 102 роста, заднюю поддерживающую поверхность 104 и цилиндрическую боковую стенку 106. Подложка сформирована из монолитного карбидообразующего тугоплавкого металла. При необходимости, карбидообразующий тугоплавкий металл выбирается как одно из молибдена, вольфрама, ниобия или их сплавов. Цилиндрический диск предпочтительно содержит не больше чем 0,5%, 0,1%, 0,075%, 0,05%, 0,025%, 0,01%, 0,005% или 0,001% по весу формирующих графит примесей на поверхности роста подложки. Цилиндрический диск наиболее предпочтительно сформирован, по меньшей мере, из 99%, 99,5%, 99,9%, 99,95% или 99,99% по весу карбидообразующего тугоплавкого металла (он может состоять из единственного карбидообразующего тугоплавкого металла или сплава карбидообразующих тугоплавких металлов, например, сплава вольфрама и молибдена). Конечно, хотя никакие примеси не были бы идеальными, некоторые очень незначительные уровни примесей все же обычно имеются в зависимости от пределов процессов для изготовления и обработки карбидообразующего тугоплавкого металла и стоимости получения более чистого материала. Соответственно, нижний предел 0,01 ppm (частей на миллион) по весу для формирующих графит примесей на поверхности роста может быть применен практически.

В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения вариация плоскостности поверхности роста и поддерживающей поверхности подложки может быть настолько низкой, насколько возможно. Например, вариация плоскостности поверхности роста и/или поддерживающей поверхности может быть не больше чем 75 мкм, 50 мкм, 40 мкм, 30 мкм, 20 мкм, 10 мкм, 5 мкм или 1 мкм. Конечно, хотя никакие вариации плоскостности не были бы идеальными, некоторые очень незначительные вариации все же обычно имеются в зависимости от пределов методик обработки поверхности, используемых для удаления вариаций плоскостности и продолжительности обработки, требуемой для достижения лучшей плоскостности, что обуславливает дополнительные затраты в производственном процессе. Соответственно, нижний предел для вариаций плоскостности 0,001 мкм или 0,01 мкм может быть применен.

При необходимости, диаметр цилиндрического диска имеет пределы, как ранее описано относительно первого объекта изобретения. Было установлено, что CVD алмазные пластины могут быть успешно выращены поверх подложек, находящихся в этих пределах, без какого-либо существенного раскалывания пластин, происходящего при охлаждении и снятии пластины от подложки после выращивания. Следует отметить, что термин "цилиндрический диск" также предполагает включение в себя дисков, которые являются приблизительно цилиндрическими, например имеющими сечение в пределах округлости ±10 мм, 5 мм или 1 мм от средней окружности. Также предполагается охват модификаций краев, например закругленных кромок краев и углублений, а также ошибок разрезов.

При необходимости, для микроволнового плазменного реактора с рабочей частотой 400-500 МГц цилиндрический диск может иметь глубину в пределах от 10 мм до 30 мм или от 15 мм до 25 мм. Альтернативно, для микроволнового плазменного реактора с рабочей частотой в диапазоне 800-1000 МГц цилиндрический диск может иметь глубину в пределах от 5 мм до 15 мм или от 7 мм до 13 мм. Также альтернативно, для микроволнового плазменного реактора с рабочей частотой 2300-2600 МГц цилиндрический диск может иметь глубину в пределах от 2,0 мм до 5,5 мм или от 2,5 мм до 4,5 мм. Глубина подложки, как было установлено, оказывается важной, поскольку процесс роста CVD алмаза очень чувствителен к высоте поверхности роста относительно средней высоты окружающей поверхности в пределах плазменной камеры, как ранее описано.

При необходимости, поверхность роста имеет поверхностную шероховатость R_a в пределах от 1 нм до 1 мкм. Было установлено, что шероховатость поверхности роста может влиять и на кристаллическую структуру выращиваемого на ней CVD алмаза, и на степень адгезии CVD алмаза к подложке. Лучшая определенная поверхностная шероховатость для выращивания CVD алмаза будет, до некоторой степени, зависеть от типа желаемого CVD алмазного материала. Однако было установлено, что поверхностная шероховатость R_a в пределах от 1 нм до 1 мкм, в частности, полезна для обеспечения достаточной адгезии к CVD алмазу во время выращивания, чтобы предотвратить раннее отслаивание во время выращивания, при том, что достаточно низкая адгезия обеспечивает снятие алмазного материала с подложки при охлаждении после CVD выращивания без раскалывания материала. Определенная выбранная поверхностная шероховатость может зависеть от типа выращиваемого CVD алмазного материала. Соответственно, предпочтительные пределы поверхностной шероховатости могут быть от 1 нм до 500 нм, от 10 нм до 500 нм, от 10 нм до 200 нм, от 10 нм до 100 нм, от 10 нм до 50 нм, от 20 нм до 100 нм или от 50 нм до 100 нм. Например, для тонких (меньше чем 500 микрон толщиной) CVD алмазных пластин может быть использована задаваемая поверхностная шероховатость R_a приблизительно в 10 нм. Для более толстых CVD алмазных пластин (500-5000 микрон толщиной) может быть использовано большее задаваемое значение R_a в пределах от 10 нм до 200 нм.

Для выращивания монокристаллического алмаза, когда монокристаллические алмазные подложки устанавливаются на тугоплавкой металлической подложке до осаждения, поверхностная шероховатость от 100 нм до 500 нм может быть предоставлена до прикрепления монокристаллических подложек и последующего CVD выращивания на ней. Поверхностная шероховатость, плоскостность и температура нижележащей металлической подложки, на которой устанавливаются монокристаллические алмазные подложки, важны, несмотря на то, что монокристаллический CVD материал растет на монокристаллических алмазных подложках, а не непосредственно на нижележащей металлической подложке, которая поддерживает монокристаллические алмазные подложки. Это так потому, что во время выращивания монокристаллического алмаза поликристаллический алмазный материал растет поверх нижележащей поддерживающей подложки между монокристаллами. Если этот поликристаллический алмазный материал отслаивается во время выращивания CVD алмаза, то цикл роста может быть нарушен. Кроме того, если этот поликристаллический алмазный материал раскалывается при охлаждении, то это может привести и к раскалыванию имеющегося здесь же монокристаллического алмазного материала. В этом случае проблемы, касающиеся роста поликристаллических пластин, могут также относиться к росту монокристаллического материала. В этом смысле, когда идет речь о подложке и поверхности роста подложки, в контексте настоящего изобретения подразумевается нижележащая подложка, а не монокристаллические подложки, которые устанавливаются на ней для выращивания монокристаллического CVD алмаза. Эта нижележащая подложка иногда обозначается как несущая подложка, поскольку она несет на себе дополнительные монокристаллические алмазные подложки. Кроме того, когда идет речь о температуре поверхности роста подложки, подразумевается температура поверхности роста нижележащей подложки, а не температуры поверхности роста монокристаллических алмазных подложек.

Как правило, тугоплавкие металлические диски сначала шлифуются на чугунном шлифовальном круге, используя алмазную крошку, взвешенную в шлифовальной жидкости. Обычно процесс шлифовки используется для удаления объема материала и также для достижения необходимой плоскостности для данного процесса. Имеется несколько процессов, где используется только что отшлифованная поверхность. Типичное значение R_a для финишного шлифования составляет от 100 нм до 500 нм. Однако обычно отшлифованная поверхность затем дополнительно обрабатывается, используя, например, машину для притирки/полировки и используя более тонкую крошку для получения меньшего значения поверхностной шероховатости. До выращивания CVD алмаза тугоплавкие металлические подложки могут быть очищены, чтобы гарантировать, что все загрязнение от процесса шлифовки было удалено и/или оставлено в качестве затравок, чтобы способствовать зародышеобразованию для последующего выращивания на них алмазов.

Хотя методики шлифовки и полировки известны в данной области техники, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения корректные методики в соответствующей комбинации выбраны для конкретного CVD алмазного продукта, учитывая не только желаемую чистоту поверхности для CVD алмазного продукта, но также и гарантию того, что корректное значение плоскостности и адгезии предоставляется так, чтобы CVD алмазный продукт был снят с тугоплавкой металлической подложки при охлаждении после выращивания CVD алмаза без раскалывания.

Дополнительные модификации могут быть сделаны для подложки для контролирования раскалывания и снятия выращенного на ней CVD алмазного материала. На Фиг.8(a)-8(d) показаны различные возможные конфигурации подложек. На Фиг.8(a) показана цилиндрическая подложка, имеющая острый верхний край 400 вокруг поверхности роста. На Фиг.8(b) и 8(c) показаны измененные варианты реализации, в которых верхний край скошен 402 или скруглен 404. Эти модификации основаны на предпосылке, что намного проще расширить существующую трещину, чем инициализировать новую (критерий разлома Гриффита). Большинство трещин в алмазных пластинах простирается от края диска. Поэтому если маленькие радиальные трещины могут быть минимизированы, то имеется больше вероятности получения свободной от трещин пластины. Главная причина их появления заключается в побочном эффекте от оптимизированной высоты подложки. Имеется локальная область большего электрического поля вокруг края подложки, приводящая к более высоким температурам края во время роста. Поэтому CVD алмазная пластина имеет напряженный край, что приводит к большей вероятности разлома во время охлаждения. Эта напряженная область может контролироваться или может быть минимизирована скашиванием кромок или закруглением верхнего края подложки. Дополнительная возможная модификация заключается в предоставлении круговой канавки 406 вокруг периферии поверхности роста, как показано на Фиг.8(d). Канавка 406 отделяет край поверхности роста подложки от центральной области. Эта конфигурация может привести к раскалываемой алмазной кромке такой, что центральная область формирует свободную от трещин CVD алмазную пластину.

Подложка может быть расположена в пределах плазменной камеры и отделена от поддерживающей поверхности разделительными элементами, как ранее описано в соответствии с вариантами реализации первого объекта изобретения. Идеальный газовый зазор для конкретного цикла роста будет зависеть от плотности мощности и/или используемой температуры роста. Когда плотности мощности ниже и/или ростовая температура подложки выше, пределы допуска плоскостности могут быть снижены и газовый зазор может быть сделан большим, например газовый зазор в 500 микрон может допустить неплоскостность до 50 микрон и все еще приводить к достаточно однородному распределению температуры/напряжения, чтобы достичь высокого уровня выхода пластин. Для выращивания при более высоких температурах увеличение допуска на неоднородности в газовом зазоре может быть связано с большей степенью излучения при охлаждении, которое не столь чувствительно к размеру зазора. Когда давление и/или плотность мощности в пределах плазменной камеры увеличены или ростовая температура подложки снижена, газовый зазор делается меньшим и однородность газового зазора становится очень важной. Таким образом, варианты реализации настоящего изобретения особенно полезны в случае работы при большем давлении и/или мощности, когда допуски для подложки, как было установлено, очень важны. Например, микроволновый плазменный реактор может работать при плотности мощности в пределах от 0,05 до 10 Вт/мм² или от 1 до 5 Вт/мм² для поверхности роста подложки. Кроме того, микроволновый плазменный реактор может работать при давлении, равном или большем чем: 140, 150, 180 или 200 Торр на микроволновой частоте в диапазоне 2300-2600 МГц; 80, 100, 120, 140 или 160 Торр на микроволновой частоте в диапазоне 800-1000 МГц; или 30, 40, 50, 60 или 70 Торр на микроволновой частоте в диапазоне 400-500 МГц. Эти давления таковы для стандартного плазменного выращивания алмаза с типичным содержанием 1-5% CH₄, растворенного в водороде. Специалисты в данной области техники увидят, что эти пределы давления могут быть изменены в случае добавления в плазменную камеру других газов, например кислорода.

Подложка, как было установлено и как описано выше, была предпочтительной для использования в способе производства синтетической алмазной пленки с помощью химического осаждения из газовой фазы, в частности, в способах, которые используют микроволновый плазменный реактор, описанный в соответствии с первым объектом этого изобретения. Однако, в принципе, подложка может также использоваться в других типах CVD алмазного реактора.

До сих пор микроволновый плазменный реактор был описан в соответствии с первым объектом настоящего изобретения и подложка, подходящая для использования с микроволновым плазменным реактором, была описана в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения. Третий объект настоящего изобретения относится к подходящему способу для работы реактора, сконфигурированного для производства синтетического алмазного материала. Способ третьего объекта изобретения основан на ранее описанной концепции управления относительной температурой центральной области и периферийной области поверхности роста подложки, чтобы гарантировать, что периферийная область остается при несколько меньшей температуре, чем центральная область во время выращивания CVD алмаза. Как ранее описано, было установлено, что предпочтительно минимизировать проблему раскалывания CVD алмазной пластины во время охлаждения и снятия с подложки. Таким образом, в соответствии с третьим объектом настоящего изобретения предоставляется способ производства синтетического алмазного материала с использованием технологии химического осаждения из газовой фазы, причем способ, содержащий:

предоставление реактора, сконфигурированного для производства синтетического алмазного материала;

размещение подложки на держателе подложки в пределах реактора, подложки, содержащей поверхность роста, на которой выращивается синтетический алмазный материал;

подачу технологических газов в реактор; и

выращивание синтетического алмазного материала на поверхности роста подложки, причем способ дополнительно содержит:

выполнение, по меньшей мере, двух измерений температуры, включая в себя одно или более измерений в центральной области поверхности роста подложки и одно или более измерений в периферийной области поверхности роста подложки во время выращивания синтетического алмазного материала; и

контролирование разности температур между центральной областью и периферийной областью поверхности роста подложки во время выращивания синтетического алмазного материала, на основании, по меньшей мере, двух измерений температуры,

причем температура поверхности роста подложки во время роста синтетического алмазного материала контролируется для выполнения условия 5°C<Tc-Te<120°C, где Tc - температура в центральной области поверхности роста подложки и Te - температура в периферийной области поверхности роста подложки.

Этот способ предпочтительно может быть осуществлен, используя микроволновый плазменный реактор, например микроволновый плазменный реактор в соответствии с первым объектом изобретения. Способ может также предпочтительно быть осуществлен, используя подложку в соответствии со вторым объектом изобретения. Таким образом, все три объекта изобретения относятся к общей концепции изобретения достижения однородных и твердых CVD алмазных продуктов посредством улучшения однородности осаждения и избегая проблем раскалывания.

Некоторые варианты реализации изобретения включают в себя выращивание поликристаллической алмазной пластины, имеющей диаметр в пределах: от 165 мм до 415 мм, от 185 мм до 375 мм, от 205 мм до 375 мм, от 205 мм до 330 мм или от 240 мм до 330 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц; от 80 мм до 200 мм, от 90 мм до 180 мм, от 100 мм до 180 мм, от 100 мм до 160 или от 115 мм до 160 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или от 30 мм до 75 мм, от 33 мм до 65 мм, от 37 мм до 65 мм, от 37 мм до 58 мм или от 42 мм до 58 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц. Поликристаллическая алмазная пластина спонтанно отслаивается от подложки при охлаждении после того, как процесс химического осаждения из газовой фазы завершен, чтобы получить отдельную поликристаллическую алмазную пластину, которая по существу свободна от трещин, по меньшей мере, в ее центральной области, причем центральная область составляет, по меньшей мере, 70%, 80%, 90% или 95% от полной площади отдельной поликристаллической алмазной пластины и причем центральная область не имеет трещин, которые и пересекают внешние главные грани отдельной поликристаллической алмазной пластины, и простираются больше чем на 2 мм по длине. Поликристаллическая алмазная пластина может быть выращена до толщины, по меньшей мере, 100 мкм, 300 мкм, 500 мкм, 700 мкм, 1,0 мм, 1,2 мм, 1,5 мм, 2,0 мм или 2,5 мм при получении по существу свободного от трещин спонтанного отслаивания. Достижение спонтанного отслаивания для толстых, большого диаметра поликристаллических алмазных пластин ранее было затруднительно вследствие больших механических напряжений, возникающих в пластине во время выращивания, а также во время охлаждения и отслаивания. Варианты реализации настоящего изобретения теперь дают возможность спонтанного отслаивания толстых, большого диаметра поликристаллических алмазных пластин от подложки, избегая проблем раскалывания. Соответственно, четвертый объект настоящего изобретения предоставляет способ производства синтетического алмазного материала, используя технологию химического осаждения из газовой фазы, причем способ, содержащий:

предоставление реактора, сконфигурированного для производства синтетического алмазного материала;

размещение подложки поверх держателя подложки в пределах реактора, подложки, содержащей поверхность роста, на которой выращивается синтетический алмазный материал;

подачу технологических газов в реактор; и

выращивание синтетического алмазного материала на поверхности роста подложки, причем синтетический алмазный материал выращивается для формирования поликристаллической алмазной подложки, имеющей диаметр, по меньшей мере, 120 мм, 140 мм, 160 мм, 200 мм или 250 мм,

и причем поликристаллическая алмазная пластина спонтанно отслаивается от подложки при охлаждении после того, как процесс химического осаждения из газовой фазы завершен, чтобы получить отдельную поликристаллическую алмазную пластину, которая по существу свободна от трещин, по меньшей мере, в ее центральной области, и причем центральная область составляет, по меньшей мере, 70%, 80%, 90% или 95% от полной площади отдельной поликристаллической алмазной пластины, и причем центральная область не имеет трещин, которые и пересекают внешние главные грани отдельной поликристаллической алмазной пластины, и простираются больше чем на 2 мм по длине.

Поликристаллические алмазные пластины в соответствии с вариантами реализации могут иметь диаметр не больше чем 400 мм или 300 мм в зависимости от конкретного используемого процесса. Поликристаллическая алмазная пластина может быть выращена до толщины, по меньшей мере, 1,0 мм, 1,2 мм, 1,5 мм, 2,0 мм или 2,5 мм, избегая проблемы раскалывания во время спонтанного отслаивания от подложки. Предпочтительно для высокой чистоты поликристаллических алмазных пластин используется микроволновый плазменный реактор. Этот вариант реализации позволяет экономичным образом изготовить толстые, большой площади, высокой чистоты поликристаллические алмазные пластины. Как практический пример, толщины обычно не превышают 10 или 20 мм.

Четвертый объект настоящего изобретения может быть предпочтительно осуществлен, используя любой один или более с первого до третьего объекта изобретения, описанных ранее. Например, управление положением подложки, чтобы создать профиль электрического поля, как описано относительно первого объекта изобретения, использование точно заданного газового зазора и точно профилированной подложки в соответствии со вторым объектом изобретения и/или управление разностью температур между центральными и периферийными областями поверхности роста в соответствии с третьим объектом изобретения позволяет спонтанное отслаивание больших, толстых алмазных пластин при снижении проблемы раскалывания.

Варианты реализации настоящего изобретения могут обеспечить CVD выращивание по большим площадям, лучшую однородность, лучшую воспроизводимость и лучший выпуск продукции в смысле числа алмазных пластин, которые успешно выращиваются и снимаются с подложки без раскалывания. Улучшение однородности может быть измерено по одному или более из следующих параметров: однородность толщины или CVD алмазной пленки (поперек площади осаждения); однородность одного или более качественных параметров алмазного материала (например, цвет, оптические свойства, электронные свойства, накопление азота, накопление бора и/или уровень активации бора); в поликристаллическом алмазном материале однородность текстуры, поверхностная морфология, размер зерен и т.д.; или в монокристаллическом алмазном материале, где рост имеет место на матрице монокристаллических алмазных подложек на несущей подложке, однородность толщины, морфология, краевое двойникование, боковой рост и т.д., между каждым монокристаллом.

Хотя это изобретение было, в частности, показано и описано в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники будет ясно, что различные изменения по форме и в деталях могут быть сделаны, не отступая от объема притязаний изобретения, как это определено в соответствии с приложенной формулой изобретения.

Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы содержит: микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f; плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор для поддержания микроволновой резонансной моды между основанием и верхней пластиной; конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру; систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки; и подложку, расположенную на поддерживающей поверхности. Подложка имеет поверхность роста, на которую осаждается синтетический алмазный материал при ее использовании, причем размеры и местоположение подложки в пределах объемного резонатора выбираются для создания профиля локализованного осесимметричного электрического поля Ez поперек поверхности роста при ее использовании. Профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez содержит по существу плоский центральный участок, опоясанный кольцом большего электрического поля. Технический результат - повышение однородности и твердости алмазных продуктов. 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы, причем способ содержит:
предоставление микроволнового плазменного реактора, содержащего:
микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f;
плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор, для поддержания микроволновой резонансной моды между основанием и верхней пластиной;
конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру;
систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда;
держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки;
расположение подложки поверх поддерживающей поверхности держателя подложки, причем подложка имеет поверхность роста, на которую осаждается синтетический алмазный материал,
подачу технологических газов в плазменную камеру, и
подачу микроволн в плазменную камеру для формирования плазмы поверх поверхности роста подложки и выращивание синтетического алмазного материала на поверхности роста подложки,
причем размеры и местоположение подложки в пределах объемного резонатора выбираются для создания профиля локализованного осесимметричного электрического поля Ez поперек поверхности роста при ее использовании, причем профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez содержит по существу плоский центральный участок, опоясанный кольцом большего электрического поля, при этом по существу плоский центральный участок простирается, по меньшей мере, по 60% площади поверхности роста подложки и имеет вариацию электрического поля Ez не больше чем ±10% напряженности центрального электрического поля Ez и кольцо большего электрического поля располагается вокруг центрального участка и имеет максимальную напряженность электрического поля Ez в пределах от 10% до 50% выше, чем напряженность центрального электрического поля Ez.

2. Способ по п.1, в котором по существу плоский центральный участок профиля локализованного осесимметричного электрического поля Ez имеет вариацию электрического поля не больше, чем ±8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2% или 1% от напряженности центрального электрического поля Ez.

3. Способ по п.1 или 2, в котором кольцо большего электрического поля имеет максимальную напряженность электрического поля Ez в пределах от 10% до 40%, от 15% до 30% или от 15% до 25% выше, чем напряженность центрального электрического поля Ez.

4. Способ по п.1, в котором профиль локализованного осесимметричного электрического поля Ez рассчитывается выше поверхности роста подложки на высоте:
4 мм, 6 мм или 8 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц;
2 мм, 3 мм или 4 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц; или
0,7 мм, 1,0 мм или 1,5 мм для микроволновой частоты f в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц.

5. Способ по п.1,
в котором отношение диаметр подложки/высота поверхности роста подложки выше основания плазменной камеры находится в пределах от 10 до 14, от 11 до 13,5 или от 11,0 до 12,5.

6. Способ по п.5, в котором диаметр подложки находится в пределах:
от 165 мм до 415 мм, от 185 мм до 375 мм, от 205 мм до 375 мм, от 205 мм до 330 мм или от 240 мм до 330 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц;
от 80 мм до 200 мм, от 90 мм до 180 мм, от 100 мм до 180 мм, от 100 мм до 160 или от 115 мм до 160 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или
от 30 мм до 75 мм, от 33 мм до 65 мм, от 37 мм до 65 мм, от 37 мм до 58 мм или от 42 мм до 58 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц.

7. Способ по п.5 или 6, в котором высота поверхности роста подложки выше основания плазменной камеры находится в пределах:
от 10 мм до 30 мм или от 14 мм до 27 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 400-500 МГц;
от 5 мм до 15 мм или от 7 мм до 13 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 800-1000 МГц; или
от 2,0 мм до 5,5 мм или от 2,5 мм до 5,0 мм для микроволновой частоты f в диапазоне 2300-2600 МГц.

8. Способ по п.7, в котором микроволновая частота f в диапазоне от 400 МГц до 500 МГц и диаметр подложки и высота поверхности роста подложки в пределах объемного резонатора выбираются так, что:
если диаметр подложки находится в пределах от 180 мм до 230 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 14 мм до 20 мм;
если диаметр подложки находится в пределах от 230 мм до 270 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 20 мм до 24 мм; или
если диаметр подложки находится в пределах от 270 мм до 310 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 22 мм до 27 мм.

9. Способ по п.7, в котором микроволновая частота f в диапазоне от 800 МГц до 1000 МГц и диаметр подложки и высота поверхности роста подложки в пределах объемного резонатора выбираются так, что:
если диаметр подложки находится в пределах от 90 мм до 110 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 7 мм до 10 мм;
если диаметр подложки находится в пределах от 110 мм до 130 мм, высота поверхности роста может находиться в пределах от 9,5 мм до 11,5 мм; или
если диаметр подложки находится в пределах от 130 мм до 150 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 11 мм до 13 мм.

10. Способ по п.7, в котором микроволновая частота f в диапазоне от 2300 МГц до 2600 МГц и диаметр подложки и высота поверхности роста подложки в пределах объемного резонатора выбираются так, что:
если диаметр подложки находится в пределах от 30 мм до 40 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 2,5 мм до 3,7 мм;
если диаметр подложки находится в пределах от 40 мм до 48 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 3,5 мм до 4,2 мм; или
если диаметр подложки находится в пределах от 48 мм до 55 мм, высота поверхности роста находится в пределах от 4,0 мм до 4,8 мм.

11. Способ по п.1, в котором отношение диаметр объемного резонатора/диаметр подложки находится в пределах от 1,5 до 5, от 2,0 до 4,5 или от 2,5 до 4,0, причем диаметр объемного резонатора измеряется на высоте, меньшей чем 50%, 40%, 30% или 20% от высоты объемного резонатора.

12. Способ по п.11, в котором диаметр объемного резонатора измеряется на высоте поверхности роста подложки.

13. Способ по п.1, дополнительно содержащий:
выполнение, по меньшей мере, двух измерений температуры, используя одно или более устройств измерения температуры, включая в себя одно или более измерений в центральной области поверхности роста подложки и одно или более измерений в периферийной области поверхности роста; и
управление разностью температур между центральной областью и периферийной областью поверхности роста подложки во время выращивания на ней CVD алмаза на основании, по меньшей мере, двух измерений температуры, используя систему управления температурой подложки.

14. Способ по п.13, в котором система управления температурой подложки используется для управления температурой поверхности роста подложки во время выращивания на ней CVD алмаза для выполнения условия: 5°C<Tc-Te<120°C; 10°C<Tc-Te<100°C; 10°C<Tc-Te<80°C; 20°C<Tc-Te<80°C или 20°C<Tc-Te<60°C, где Tc - температура в центральной области поверхности роста и Te - температура в периферийной области поверхности роста.

15. Способ по п.13 или 14, в котором центральная область поверхности роста имеет внешний диаметр не больше чем 50%, 40%, 30%, 20% или 10% от диаметра поверхности роста, и периферийная область поверхности роста имеет внутренний диаметр больше чем 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95% от диаметра поверхности роста.

16. Способ по п.1, в котором подложка расположена поверх поддерживающей поверхности держателя подложки и отделена разделительными элементами для формирования газового зазора, имеющего высоту h между поддерживающей поверхностью держателя подложки и задней поверхностью подложки, и микроволновый плазменный реактор дополнительно содержит систему подачи газа для подачи газа в упомянутый газовый зазор, причем разделительные элементы сконфигурированы для задания центральной полости газового зазора под подложкой, в которую может втягиваться газ из системы подачи газа.

17. Способ по п.16, в котором высота h газового зазора находится в пределах от 25 мкм до 2000 мкм, от 50 мкм до 1000 мкм, от 100 мкм до 750 мкм, от 500 мкм до 750 мкм, от 600 мкм до 650 мкм, от 100 мкм до 300 мкм или от 150 мкм до 250 мкм.

18. Способ по п.16 или 17, в котором высота h газового зазора варьируется на не больше чем 200 мкм, 150 мкм, 100 мкм, 80 мкм, 60 мкм, 40 мкм, 20 мкм, 10 мкм или 5 мкм поперек, по меньшей мере, центральной области подложки, имеющей центрированный диаметр, равный или больший чем 60%, 70%, 80%, 90%, 95% или 99% от полного диаметра подложки.

19. Способ по п.18, в котором газовый зазор имеет центральную область с первой высотой газового зазора и периферийной областью со второй высотой газового зазора, причем первая высота газового зазора больше, чем вторая высота газового зазора.