用于散熱應(yīng)用的厚聚晶合成金剛石晶片以及微波等離子體化學(xué)氣相沉積合成技術(shù)的制作方法
【專利說明】用于散熱應(yīng)用的厚聚晶合成金剛石晶片以及微波等離子體 化學(xué)氣相沉積合成技術(shù) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及使用化學(xué)氣相沉積（CVD)技術(shù)制造用于散熱應(yīng)用的厚聚晶合成金剛 石晶片。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 化學(xué)氣相沉積（CVD)工藝用于合成金剛石材料現(xiàn)在是本領(lǐng)域眾所周知的。關(guān)于 金剛石材料的化學(xué)氣相沉積的有用背景信息可見于特刊Journal of Physics Condensed Matter，Vol. 21，No. 36(2009)，其專注于金剛石相關(guān)技術(shù)。例如，R. S Balmer等人的綜 述文章全面概述了 CVD金剛石材料、技術(shù)和應(yīng)用（參見"Chemical vapour deposition synthetic diamond materials, technology and applications " J. Phys. ：Condensed Matter，VoL 21，No. 36(2009)364221)。
[0004] 與石墨相比，處在金剛石為亞穩(wěn)的區(qū)域中，在CVD條件下金剛石的合成由表面動 力學(xué)驅(qū)動而不是體熱力學(xué)。CVD金剛石合成通常是在過量的分子氫中利用小分率的碳來進(jìn) 行（典型的小于5%)，典型為甲烷形式，然而可以利用其他含碳?xì)怏w。如果分子氫被加熱 到超過2000K的溫度，會顯著分離成原子氫。在合適基底材料的存在下，能夠沉積合成金剛 石材料。
[0005] 原子氫對所述過程是重要的，因為它選擇性地腐蝕掉基底上的非金剛石碳，使得 金剛石生長能夠發(fā)生?？衫酶鞣N方式來加熱含碳?xì)怏w物質(zhì)和分子氫以產(chǎn)生CVD金剛石生 長所需要的含有自由基和原子氫的反應(yīng)性碳，這些方式包括電弧噴射，熱絲，直流電弧，氧 炔焰和微波等離子體。
[0006] 涉及電極的方法，比如直流電弧等離子體，由于電極燒蝕和向金剛石中納入材料 而具有缺陷。燃燒方法避免電極燒蝕的問題，但是依賴于相對昂貴的原料氣體，所述氣體必 須純化至符合高品質(zhì)金剛石生長的水平。此外，火焰的溫度，即使當(dāng)燃燒氧-乙炔的混合物 時，也不足以在氣體流中實現(xiàn)大分率的原子氫，并且這種方法依賴于使氣體通量（flux)集 中在局部區(qū)域內(nèi)以實現(xiàn)合理的生長速率。也許燃燒法不能廣泛應(yīng)用于塊體金剛石生長的主 要原因是就kWh可獲取能量的成本。與電力相比，高純度的乙炔和氧氣是產(chǎn)生熱量的昂貴 方式。熱絲反應(yīng)器盡管表面上看起來簡單，但具有受限于在較低氣體壓力下使用的缺陷，要 求所述較低氣體壓力以確保其有限量的原子氫有效傳輸?shù)缴L表面。
[0007] 鑒于以上，已發(fā)現(xiàn)微波等離子體是用于驅(qū)動CVD金剛石沉積的在功率效率、生長 速率、生長區(qū)域、以及可獲得的產(chǎn)品純度方面最有效的方法。
[0008] 微波等離子體激勵的CVD金剛石合成系統(tǒng)典型包括與源氣體供應(yīng)和微波電源兩 者連接的等離子體反應(yīng)容器。配置所述等離子體反應(yīng)容器以形成支持駐波微波的諧振腔。 使包括碳源和分子氫的源氣體供入等離子體反應(yīng)容器中，并且能夠通過駐波微波激勵所述 源氣體從而在高場區(qū)域中形成等離子體。如果接近等離子體提供合適的基底，那么含自由 基的反應(yīng)性碳能夠從等離子體擴散到基底并沉積在其上。原子氫也可從等離子體擴散到基 底并且選擇性地蝕刻掉基底上的非金剛石碳，使得金剛石生長能夠發(fā)生。
[0009] 采用CVD工藝生長合成金剛石膜的一系列可能的微波等離子體反應(yīng)器在本領(lǐng)域 是公知的。這樣的反應(yīng)器具有多種不同的設(shè)計。常見的特征在于包括：等離子體室；設(shè)置在 等離子體室中的基底托架；形成等離子體的微波發(fā)生器；用于從微波發(fā)生器向等離子體室 供入微波的連接構(gòu)造；用于向等離子體室供入工藝氣體以及由等離子體室除去它們的氣體 流動系統(tǒng)；以及用于控制基底托架上的基底溫度的溫度控制系統(tǒng)。
[0010] Silva等人的有用的綜述文章總結(jié)了在前述Journal of Physics中給出的各種可 能反應(yīng)器設(shè)計（參見"Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition"J.Phys. :Condens. Matter，VoL 21，No. 36 (2009) 364202)。關(guān)于專利 文獻(xiàn)，US6645343 (Fraunhofer)公開了用于通過化學(xué)氣相沉積工藝的金剛石薄膜生長的微 波等離子體反應(yīng)器的實例。其中所述的反應(yīng)器包含圓柱形等離子體室，在其底部安裝有基 底托架。在基底托架下方提供冷卻裝置用于控制基底托架上的基底溫度的溫度。此外，在 等離子體室的底部提供氣體進(jìn)口和氣體出口用于供應(yīng)和去除工藝氣體。微波發(fā)生器通過高 頻同軸線與等離子體室相連，該同軸線在其輸送端在等離子體室上方細(xì)分，并且在等離子 體室的周邊處朝向石英環(huán)形式的基本上環(huán)狀的微波窗口，其安裝在等離子體室的側(cè)壁中。
[0011] 采用微波等離子體反應(yīng)器，諸如現(xiàn)有技術(shù)中公開的那些，通過化學(xué)氣相沉積在合 適的基底上生長聚晶金剛石晶片是可能的，所述基底是例如硅晶片或形成碳化物的難熔金 屬盤片。這樣的聚晶CVD金剛石晶片在它們的生長原態(tài)形式下通常是不透明的，但是通過 拋光所述晶片的相對面以產(chǎn)生用于光學(xué)應(yīng)用的透明聚晶金剛石窗口從而可以成為透明的。
[0012] 金剛石材料因其具有高的導(dǎo)熱性而適合作為散熱部件。例如，一種此類應(yīng)用是作 為盤形激光器中的散熱基底，如圖1中示意所示。盤形激光器包含散熱基底S，在其上設(shè)置 激光增益材料LGM的薄盤片。所述薄盤片通常也被稱為主動鏡（active mirror)，因為其充 當(dāng)具有激光增益的鏡子。所述散熱基底可經(jīng)受冷卻劑C，以由其提取并去除熱量。輸出耦合 器〇設(shè)置于主動鏡對面以形成光學(xué)諧振腔0C。用例如激光二極管DL泵浦所述主動鏡并且 從輸出耦合器發(fā)射出高功率的激光LL。
[0013] 已知采用聚晶CVD合成金剛石晶片作為用于安裝盤形激光器的主動鏡的散熱基 底。已發(fā)現(xiàn)金剛石材料因其極高的導(dǎo)熱性而適用于此類應(yīng)用。此外，金剛石材料具有非常 低的熱膨脹系數(shù)，從而熱畸變小。
[0014] 聚晶CVD合成金剛石晶片的熱性能取決于所述晶片的物理維度（直徑和厚度）以 及形成該晶片的金剛石材料的品質(zhì)。例如，厚的大面積的晶片的散熱性功能性將往往好于 薄的小面積晶片。此外，已知導(dǎo)熱性受下述因素影響：晶粒尺寸、雜質(zhì)和/或缺陷，例如在生 長過程中納入到金剛石材料中的非金剛石碳。另外，材料品質(zhì)與晶片的幾何結(jié)構(gòu)和生長速 度緊密相關(guān)。例如，使晶片生長至增加的厚度趨于使雜質(zhì)和/或缺陷納入聚晶CVD合成金 剛石晶片的速率增加。此外，使晶片生長到增加的直徑趨于使雜質(zhì)和/或缺陷納入聚晶CVD 合成金剛石晶片（特別是在晶片的周邊處）的速率。進(jìn)一步，以增加的生長速率生長晶片 趨于使雜質(zhì)和/或缺陷納入聚晶CVD合成金剛石晶片的速率增加。另外，使晶片生長到增 加的晶片厚度、直徑和/或生長速率也可能導(dǎo)致合成過程期間的晶片開裂的問題。
[0015] 對于諸如高性能盤形激光器的應(yīng)用，希望提供具有20_的直徑、至少2_的厚度， 和至少ZOOOWnr 1Ir1的熱導(dǎo)率的聚晶CVD合成金剛石晶片。典型的熱級別聚晶CVD合成金剛 石晶片往往具有小于ZOOOWm^T 1的熱導(dǎo)率。從而，對于這樣的高性能的熱應(yīng)用，目前采用了 較高品質(zhì)的電介質(zhì)級或光學(xué)級的聚晶CVD合成金剛石晶片。然而，這樣的較高級別的聚晶 CVD合成金剛石材料通常是以較低的生長速率生長，以便得到較好品質(zhì)的材料，但這導(dǎo)致增 加的費用。
[0016] 鑒于上述，本發(fā)明的一些實施方案的目的在于提供一種低成本的微波等離子體 CVD金剛石合成方法，以便制造具有高熱導(dǎo)率的厚聚晶CVD合成金剛石晶片，所述晶片用于 散熱應(yīng)用例如盤形激光器。
[0017] 發(fā)明概沐
[0018] 解決上述問題的一種方法是開發(fā)新的更大面積聚晶CVD合成金剛石晶片的生長 工藝，使得在每次生長操作中產(chǎn)生更多的材料。然后可將這樣的較大面積的生長原態(tài)晶片 切割成若干較小的晶片產(chǎn)品，使得每次生長操作產(chǎn)生多個產(chǎn)品晶片，從而降低每個產(chǎn)品晶 片的成本。但是，如前面所討論的，可能成問題的是生長聚晶CVD合成金剛石晶片至較大面 積而不顯著降低在周邊區(qū)域附近的材料的品質(zhì)和熱性能。這可通過降低生長速率而得到部 分補償，但是這抵消了由在單一生長操作中生長較大面積材料而帶來的任何經(jīng)濟效益，因 為其增加了每個單獨生長操作的時間以及相關(guān)費用。
[0019] 解決上述問題的替代方案是開發(fā)一種新的較高生長速率的合成方法，該方法不會 過度減少每次操作所生長的材料面積，從而減少每次生長操作的時間和相關(guān)的費用。已確 定這是用于制造高性能、厚、大面積熱級別聚晶CVD金剛石晶片材料的改良經(jīng)濟工藝的更 可行的途徑。然而，利用這一途徑實現(xiàn)成功的技術(shù)方案已證明是困難的。
[0020] 可以通過調(diào)整工藝氣體組成以具有提高濃度的甲烷和提高濃度的氮來增加現(xiàn)有 高熱級別材料的生長速率。但是，這導(dǎo)致材料品質(zhì)的降低和相關(guān)的熱導(dǎo)率的降低。這一問 題可以通過如下方式補償：在生長過程期間增加等離子體室中的功率密度以便在生長期間 "清理"(clean-up)材料。可以通過如下方式實現(xiàn)增加功率