用于敷设碳层的设备和方法
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的设备。
此外，本发明还涉及一种根据权利要求13的前序部分所述的方法。
由现有技术DE 689 O9 491 T2已知一种用于通过化学气相沉积敷设金刚石层的设备，所述设备具有筒状的反应室，所述反应室在相对置的端部上被板件封闭。四个钼棒穿过上部板件延伸进反应室的内部，其中，自由端部具有相对于下部板件的间距。围绕两个钼棒具有开放的石英管，所述石英管沿轴向布置在圆筒中。在上部板件中的进气口与管形成连接，而其他的进气口则与圆筒的不被所述管占据的体积形成连接。呈加热线圈(加热丝)形式的电阻加热器被布置在每两个钼棒之间，并且借助热激发使相应的工艺气体达到为金刚石沉积所需的温度。所述棒通过独立的控制装置与电源相连。驱动轴突伸穿过底部板，所述驱动轴与转盘相连。在转盘上布置了待涂覆的基材。通过转盘的旋转由此将基材交替地布置在两个进气口的其中一个的下方，并且由此一方面与含碳的气体接触，进而使金刚石层沉积，并且另一方面与不含碳的气体接触，进而将非金刚石状的碳沉积物去除。除微波辅助方法之外，还建立了所谓的“热丝”法。
文献JP H05890 A描述了一种CVD(化学气相沉积)设备，所述设备为对氢气进行加热而使用可加热的、安置在腔室上的毛细管。所述毛细管在一个端部上是开放的，从而不会在加热时积攒压力。由此不形成碰撞激发。
由文献US 5479874 A已知另一种CVD设备，所述CVD设备利用预热器对工艺气体进行预热，随后利用加热金属丝使工艺气体达到最终起效的工作温度。而且在该现有技术中也未规定碰撞激发。
用于金刚石沉积的所述“热丝”法的弊端在于，激发比率在利用加热线圈对工艺气体热激发时确实低，并且不能对各个单独的气体种类的激发实施局部的、受控的影响。此外，金刚石在基材上的沉积大多仅能够在相对于加热丝数毫米至数厘米的距离处得以确保。鉴于较少的活性生长物质种类，生长速率相对较低。总体上所述方法不仅是费时且昂贵的，还是难以控制的。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，至少克服或至少缓解现有技术中的各个弊端。因此本发明所要达到的目的在于，提供一种设备和方法，利用所述设备和方法能够改进工艺气体、尤其氢气的激发比率，实现碳层在基材上的均匀沉积，并且优选实现尤其用于涂层面大且形状复杂的基材的涂敷工艺的更好控制。
所述技术问题通过具有权利要求1的技术特征的设备、对根据权利要求11所述的气体导入和气体活化元件的应用并通过具有权利要求12的技术特征的方法解决。优选的实施方式由从属权利要求给出。
根据本发明，设有呈空心体形式的气体导入和气体活化元件，该气体导入和气体活化元件具有用于工艺气体的流动通道、围绕所述流动通道的壁件和从流动通道通入沉积室中的排放口，并且设有用于加热气体导入和气体活化元件的壁件的加热设备。加热设备配置用于，通过碰撞激发和热激发对在气体导入和气体活化元件的流动通道中流动的工艺气体进行激发。
在一种优选的应用中，金刚石层沉积在基材上，例如沉积在硬质金属工具、硅晶片、钛植入物、宝石、传感器/CMOS构件等上。在该实施方式中通过含碳气体的激发、尤其甲烷、或者乙烯、乙炔等的激发完成所述沉积。通过激发能够将碳原子激发，并且由此构成化学自由基(例如甲基自由基)，所述化学自由基就能够在特殊制备的基材上导致金刚石生长(sp3杂化碳)。除了金刚石以外还可以形成其他碳变体、例如石墨(sp2杂化碳)或聚合物(sp杂化碳)。为了抑制或去除不期望的碳变体，需要用原子氢来蚀刻掉不期望的物质种类。为实现这一点，在该实施方式中，通过气体导入和气体活化元件解离分子氢，从而使得流出的被激发的原子氢将不期望的碳变体、例如石墨、聚合物等“蚀刻掉”，并且由此导致纯粹的金刚石结构的生成。此外，原子氢通过重组来加热待涂覆的部件并且由此成为主要的能量载体。此外，通过原子氢和含碳气体的碰撞还发生其他化学和催化反应过程。由此提高了激发的效率。由此，氢气的尽可能高的激发比率是特别有意义的。
金刚石沉积在沉积室中完成，优选在所述沉积室中具有负压、在特别优选的实施方式中具有在mbar范围内的负压。工艺气体优选是甲烷和氢气。优选地，氢气和含碳的工艺气体被分开地导入到沉积室中。在此，工艺气体被活化，以便实现随后金刚石层在基材上的沉积。作为备选，工艺气体也可以共同地、尤其以由甲烷和氢气构成的混合物的形式通过气体导入和气体活化元件被导入到沉积室中。为了有助于在基材的表面上构成金刚石层，该反应优选在降低的压力下进行。对于在现有技术中的“热丝”法而言，工艺气体的激发仅通过经由加热金属丝的热激发完成。弊端在于，由此仅能够达到例如20％的原子氢的激发比率。究其原因尤其在于，在“热丝”法中的激发仅通过热学方式并且在紧邻加热金属丝的附近完成。相反，在根据本发明的设备中，气体导入和气体活化元件的壁件优选在其整个长度上被加热。为此目的，气体导入和气体活化元件的壁件与加热设备相连，所述加热设备实现对气体导入和气体活化元件的壁件的直接加热。因此有利的是，不仅以热学方式还通过将热激发和碰撞激发结合来激发工艺气体。由此能够实现原子氢的超过80％的激发比率。这允许具有高纯度的金刚石层的生长的加速和具有高生长速率的能量高效的沉积。此外，通过所述方法还实现了与现有技术相比更高的金刚石层生长速率。
根据一种特别优选的实施方式，在流动通道的端头将封闭体安置在气体导入和气体活化元件的(纵长侧的)端部上。封闭体能够与气体导入和气体活化元件的可加热的壁件一体式或分体式构造。优选地，气体导入和气体活化元件从进入口和排放口观察封闭地构造，工艺气体、尤其氢气通过所述进入口被导引至气体导入和气体活化元件的流动通道中。通过封闭体可以在气体导入和气体活化元件内部导致分压的上升，由此有利地除了热激发以外还实现了碰撞激发。此外还可以将活化粒子的平均自由位移长度提高至数厘米，从而能够提高相对于基材的间距，这又实现了均匀的碳层。
优选地，气体导入和气体活化元件在圆形横截面的情况下具有0.1mm至15mm的内径。由此使压力大幅降低并且提高与壁件的碰撞激发。
为了本公开内容的目的，位置和方向说明、例如“上”、“下”等，是在金刚石层在基材上沉积时，针对设备的符合规定的运行状态而言的。
在一种优选的实施方式中，加热设备配置用于将气体导入元件的壁件加热至2000℃以上、尤其2200℃以上、优选2400℃以上的温度。由此使工艺气体达到必要的激发温度，从而工艺气体、尤其氢气为沉积工艺被激发。
为有效地将石墨或其他不期望的碳变体蚀刻掉，在一种优选的应用中，大量原子氢是有利的，所述原子氢能够借助气体导入和气体活化元件实现。此外，还可以通过相对大量的原子氢将晶粒尺寸保持得较小(即通过提高二次晶核形成)，并且能够沉积高度纯净的纳米级别的金刚石晶体。
在一种优选的实施方式中，加热设备具有与气体导入和气体活化元件的壁件相连的、用于气体导入和气体活化元件的电阻加热的电能供应部。在该实施方式中能够迅速且精确地控制加热过程。此外，该实施方式结构简单且成本低廉。如在现有技术中长久以来已知的，电阻加热设备具有电能供应部或者说电源，利用所述电能供应部或电源将电流导引经过气体导入和气体活化元件的壁件。在此，电流的电能转换为热能。该类型的电阻加热设备可以布置在沉积室的外侧上。借助电缆连接和必要时的真空套管也可以将电阻加热设备相对于沉积室分离地布置。
在一种特别优选的实施方式中，气体导入和气体活化元件基本上水平地布置在沉积室中。通过该布置可以确保在气体导入和气体活化元件与待涂覆的基材之间均匀的间距。有利地，在基材的整个表面上都具有均匀厚度的金刚石层的沉积因此变得优选。通过该方式可以获得高品质的层。
尤其为了进一步有助于实现沿基材表面具有尽可能相同的层厚的均匀的金刚石层，并且由此为了进一步提高金刚石层的品质，将至少一个排放口优选布置在气体导入和气体活化元件的面向基材的底侧上，工艺气体从所述排放口由气体导入和气体活化元件朝基材的方向排放。在该实施方式中，活化的工艺气体、尤其原子氢在从气体导入和气体活化元件中排出之后直接朝基材的方向流动。
根据一种优选的实施方式，恰好一个排放口的面积与气体导入和气体活化元件的横截面之间的比例为1:5至1:20、优选为1:10。
由于气体导入和气体活化元件的横截面较小且由此导致在气体导入和气体活化元件中的分压升高，因此碰撞激发进一步增强，由此又提高了工艺气体、尤其氢气的激发比率和金刚石层的品质。
根据一种特别优选的实施方式，气体导入和气体活化元件具有多个排放口。被激发的工艺气体(原子氢)由此以均匀的空间分布朝基材的方向流动，由此能够实现所期望的sp3杂化碳在基材表面上的均匀沉积。由此促进了均匀、纯净的金刚石层的生成。所述排放口能够交替地相互间成角度地安置，以便为进行涂层而覆盖较大体积范围。此外，当存在多个小面积的排放口时，工艺气体还可以在气体导入和气体活化元件与基材之间更均匀地分布。通过流动计算可以确定排放口的理想的几何形状和布置。由此能够实现金刚石层的更均匀的厚度和受控的高均匀度。
根据另一种优选的实施方式，气体导入和气体活化元件在横截面中基本上为半圆形或矩形。由此可以导致工艺气体的碰撞激发的进一步提高。
为了能够涂覆多种不同尺寸和形状的基材，优选设置多个气体导入和气体活化元件，所述气体导入和气体活化元件能够借助加热设备被加热。多个气体导入和气体活化元件可以以这样的方式布置在沉积室中，即确保金刚石层在基材上的均匀沉积。例如可以将多个气体导入和气体活化元件相互平行且相对于基材以相同的垂直间距布置。尤其有利的是，具有大的水平表面的基材、例如多个硅晶片应被覆层。优选地，可以实现对整个表面、例如硅晶片的均匀覆层。气体导入和气体活化元件的定向优选地能够根据基材的形状被调整。多种不同的气体导入和气体活化元件还能够连接在分开的进气口上，由此能够分别将多种不同的工艺气体通过各个气体导入和气体活化元件导入到沉积室中。加热设备可以设计为，气体导入和气体活化元件能够相互分离地加热或者也能够以一组或多组被共同加热。气体导入和气体活化元件的形式和布置可以任意设计，并且优选根据待涂覆的构件的形状被定向。
根据另一种优选的实施方式，设置了另外的气体导入元件，用于向沉积室中引入另外的工艺气体、尤其含碳的气体、优选甲烷。由此能够将工艺气体、尤其含碳的气体和氢气不仅在空间上而且在时间上相互独立地导入到沉积室中。由此还能够分别针对含碳的工艺气体和氢气，对温度、向沉积室的导入速度、多种不同工艺气体的时间顺序或其浓度进行单独地且局部地调整。这些参数因此能够针对具有不同要求的覆层工艺被优化。所述要求可以例如是金刚石层的厚度、其纯度、覆层过程的时长、基材的形状和材料、粒径等。
根据另一种优选的实施方式，气体导入和气体活化元件的壁件由金属、尤其钽、钼、钨、铼或陶瓷材料或石墨或热解碳或上述材料的复合材料或由优选纤维增强碳制成，尤其具有由热解碳制成的覆层。显然，本发明不应局限于上述材料。所述材料的特征在于必要的高熔点，以便能够经受为激发所需的尤其2000℃以上的高温。通过使用这种工艺稳定和形状稳定且耐高温的材料，气体导入和气体活化元件可以可靠地确保工艺气体的激发和被激发的工艺气体经由排放口在基材上的分布。
为了具有高纯度的金刚石层的均匀沉积，符合目的的是，在沉积工艺之前或期间对沉积室进行抽真空。为此目的，优选在设备外部布置真空泵，所述真空泵在沉积室中形成为沉积工艺所需的负压。
待涂覆的基材可以在沉积室内部布置在基材固持器上，所述基材固持器优选布置在气体导入和气体活化元件下方。
在另一种实施方式中，气体导入和气体活化元件可以布置在待涂覆的中空基材的内部。
基材固持器可以根据基材的要求与冷却设备相连。为此符合目的的是，用于金刚石沉积的基材材料需要例如500℃以下的温度。
在相关的方法中，气体导入和气体活化元件的壁件被加热，从而使在气体导入和气体活化元件的流动通道中流动的工艺气体通过碰撞激发和热激发被激发。为此目的，气体导入和气体活化元件的壁件可以被加热至2000℃以上、尤其2200℃以上的温度。
在所述方法中，可以使用其他工艺气体、例如氮气、氧气等，用于加速金刚石生长。此外，金刚石层还可以为形成半导体而掺杂元素、例如硼、磷、氮或硫等。这些添加剂能够以气态、固态或液态引入到沉积室中。
以下借助优选实施例对本发明进一步阐述，然而本发明不局限于所述实施例。在附图中：
图1示出用于通过化学气相沉积将金刚石层敷设在基材上的根据本发明的设备的部分剖视图，其中，工艺气体通过可加热的气体导入和气体活化元件被供应到沉积室中；
图2示出根据图1的设备的气体导入和气体活化元件的一种实施方式；
图3示出根据图1的设备的气体导入和气体活化元件的另一种实施方式。
图1示出用于将金刚石层敷设在基材2、2a上的设备1。作为备选，还可以利用设备1将其他不同的碳层、例如石墨烯敷设在基材2、2a上。在所示实施方式中，碳层一方面沉积在基材2的外侧上并且另一方面沉积在基材2a的内部。设备1具有用于容纳基材2、2a的沉积室3。此外，还设置了气体和电流供应元件4。气体和电流供应元件4具有用于供应工艺气体(在此是分子氢)的内部元件5a、尤其由不锈钢制成的内部元件，并且具有由导电材料、例如铜制成的用于输送电流的外部元件5b。在内部元件5a的顶侧上构造了气体供入口5，通过所述气体供入口将工艺气体供入沉积室3的内部。
如图1进一步所示，气体和电流供应元件4在沉积室3的内部通过卡夹螺纹连接6与在所示布局中水平布置的气体导入和气体活化元件7相连，从而使工艺气体能够通过气体和电流供应元件4的内部元件5a被导入到气体导入和气体活化元件7中。此外，设有(仅完全示意性)示出的加热设备8，在运行中利用所述加热设备将气体导入和气体活化元件7的壁件7a加热。在所示实施方式中，加热设备8具有(仅象征性示出的)电流供应部8a，其例如带有整流器，利用所述电流供应部能够将电流通过气体和电流供应元件4的外部元件5b导引至气体导入和气体活化元件7。电流基于气体导入和气体活化元件7的材料的电阻而被转换为热量，由此实现气体导入和气体活化元件7的加热。优选地，气体导入和气体活化元件7的壁件7a被加热至2000℃以上的温度。由此能够除了热激发以外还实现对工艺气体的碰撞激发。为此目的，气体导入和气体活化元件7的壁件7a优选由选自高熔点金属例如钽、钼、钨、铼，陶瓷材料，石墨或热解碳或上述材料的复合材料的材料制成或由优选纤维增强碳制成，但不限于此。在气体和电流供应元件4的外部元件5b与沉积室3的壳体之间还设置了电绝缘部9、例如由陶瓷材料制成的电绝缘部。
如图1进一步所示，在沉积室3的顶侧上布置另一个在所示实施方式中垂直的气体导入元件10，通过所述气体导入元件能够将另外的工艺气体、尤其含碳的工艺气体、优选甲烷导入到沉积室3中。上述含碳的工艺气体由于流动经过气体导入和气体活化元件7而被热激发，从而形成必要的碳自由基(例如甲基自由基)。作为备选，含碳的工艺气体还可以连同氢气一起以规定的混合比例通过加热的气体导入和气体活化元件7供应，并且由此被活化。还可以将其他工艺气体、例如氮气、氧气、氩气等通过其他的气体导入元件(未示出)供应。此外，类似于现有技术，在该过程中还可以利用元素、例如硼、磷、氮、硫等对金刚石层进行掺杂。
如图1进一步所示，在沉积室3的内部和气体导入和气体活化元件7的下方还布置了基材固持器13，基材2、2a布置在所述基材固持器上。基材固持器13能够通过(仅示意性示出的)冷却元件14被冷却。
图2示出气体导入和气体活化元件7的具有圆形的横截面的实施方式。气体导入和气体活化元件7在相互对置的端部区域上分别具有至少一个进气口15，通过所述进气口将工艺气体、尤其氢气导引至气体导入和气体活化元件7的流动通道7b中。此外，气体导入和气体活化元件7具有多个沿气体导入和气体活化元件7的纵向观察相互间隔的排放口16，被活化的原子氢通过所述排放口朝基材2或2a的方向排出。工艺气体朝基材2和2a方向的流动方向在图2中以箭头17示出。此外，在图2中还示意性示出用于在气体导入和气体活化元件7的端部对流动通道7b进行封闭的封闭体18。
在气体导入和气体活化元件的内部的分压与沉积室中的压力的比例应足够高，以便除了热激发之外还能实现碰撞激发。由此能够实现高达90％的明显更高的激发比率。此外还将活化粒子的平均自由位移长度提高至数厘米，从而能够提高相对于基材的间距，这又实现了更均匀的碳层。
图3示出气体导入和气体活化元件7的具有矩形的横截面的备选实施方式。在气体导入和气体活化元件7的顶侧上又设置了进气口15，工艺气体、尤其氢气(或多种工艺气体)通过所述进气口从气体和电流供应元件4被导入到气体导入和气体活化元件7中。在气体导入和气体活化元件7的底侧上布置了排放口16，工艺气体通过所述排放口朝基材2和2a的方向导引。
