TWI602215B - 具有塑形工件支架的環形電漿處理設備 - Google Patents

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Description

具有塑形工件支架的環形電漿處理設備
本發明基本上係關於一種電漿處理設備，更精確地係關於一種具有塑形工件支架的環形電漿處理設備。
目前有許多類型的電漿放電並且操作在各種條件下。於某些應用中會使用到低如10-3陶爾的壓力。在低壓處，主要會發生肇因於電子撞擊分子的解離(dissociation)。氣體物質的加熱在解離過程中扮演算法相對不重要的角色。於其它應用中會使用更高的氣壓，其可能會從1陶爾至1大氣壓以上。分子的解離會因為電子撞擊結合氣體物質的加熱而發生。一般來說，最有效的解離發生在壓力以及氣體溫度兩者皆相對高的時候。當氣壓為1陶爾或是更大時，氣體溫度會超過攝氏數千度，並且於該電漿之中被吸收的電功率會大於10W-cm-3。於此些高氣體溫度處，熱效應在保持高度解離氣體中會開始扮演重要的角色。
本文中所使用的段落標題僅係為達組織結構性的目的，而不應被視為限制本申請案中所述的主要內容。
相關申請案之交叉參考
本申請案為2015年5月21日所提申的美國臨時專利申請案第62/165,148號的非臨時申請案，該案標題為「具有塑形工件支架的環形電漿處理設備」。本文以引用的方式將美國臨時專利申請案第62/165,148號的完整內容併入。
在一態樣中，揭露一種電漿處理設備，其包括：一環形電漿容器，其包括一製程反應室；一磁核，其包圍該環形電漿容器的一部分；一RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該磁核的輸出，該RF電源供應器供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；一工件支架，其包括至少一面用以在成長期間支撐該工件；以及一電漿導向結構，其經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路放電中的一電漿之一部分實質上垂直於在成長期間支撐一工件的該至少一面的一法線來前進。
在另一態樣中，揭露一種電漿處理設備，其包括：一環形電漿容器，其包括一製程反應室；一磁核，其包圍該環形電漿容器的一部分；一RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該磁核的輸出，該RF電源供應器供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；以及一工件支架，其包括一第一區段與一第二區段，每一個區段皆包括至少一面，該至少一面經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路放電中的一電漿之一部分實質上垂直於該至少一面的一法線來前進。
在另一態樣中，揭露一種用於成長單晶鑽石材料的方法，該方法包括：提供一環形電漿容器，其包括一製程反應室；定位一磁核使其 包圍該環形電漿容器的一部分；利用RF輻射來供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；提供一工件支架，其包括至少一面用以在成長期間支撐該工件；提供一電漿導向結構，其經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路中的一電漿之一部分實質上垂直於在成長期間支撐該工件的該至少一面的一法線來前進；以及於該工件上成長單晶鑽石材料。
100‧‧‧環形電漿源
102‧‧‧環形電漿容器
103‧‧‧內部區
104‧‧‧製程反應室
106‧‧‧磁核
106'‧‧‧第二磁核
108‧‧‧電源供應器
108'‧‧‧第二電源供應器
110‧‧‧第一進氣埠口
110'‧‧‧第二進氣埠口
110"‧‧‧第三進氣埠口
112‧‧‧工件
114‧‧‧出口
200‧‧‧環形電漿沉積系統
202‧‧‧製程反應室
203‧‧‧電漿中線
204‧‧‧電漿迴路
206‧‧‧工件支架
208‧‧‧第一區段
210‧‧‧第二區段
212‧‧‧平坦面
212'‧‧‧平坦面
212"‧‧‧平坦面
214‧‧‧平坦面
214'‧‧‧平坦面
214"‧‧‧平坦面
216‧‧‧工件
300‧‧‧工件支架區段
302‧‧‧觀視埠口
304‧‧‧觀視埠口
320‧‧‧工件支架區段
322‧‧‧氣體引進孔徑
324‧‧‧凹部區域
326‧‧‧凹部區域
328‧‧‧氣室
330‧‧‧孔徑
402‧‧‧工件支架半部
404‧‧‧工件支架半部
406‧‧‧電磁輻射
408‧‧‧埠口
500‧‧‧工件支架
502‧‧‧孔徑
504‧‧‧凹部
506‧‧‧氣室
600‧‧‧工件支架
602‧‧‧柱體
700‧‧‧平移平台
702‧‧‧冷卻元件
704‧‧‧工件支架
800‧‧‧工件支架組裝件
802‧‧‧電漿導向結構
804‧‧‧工件支架
806‧‧‧平移平台
808‧‧‧工件
在下面的詳細說明中會配合隨附的圖式來更特別說明根據較佳以及示範性實施例的本教示內容及其進一步的優點。熟習本技術的人士便會瞭解，下面所說明的圖式僅係為達解釋的目的。該些圖式未必依照比例繪製，重點大體上放在解釋教示內容的原理。該些圖式並沒有限制申請人之教示內容的範疇的意圖。
圖1所示的係根據本教示內容的其中一實施例的環形電漿源，其具有至少一磁核以及至少一電源供應器，其中，惰性氣體以及製程氣體會被引進於其中一點處或是多點處。
圖2A所示的係本教示內容的一環形電漿沉積系統的剖視圖的一實施例，其包括一製程反應室，該製程反應室為一環形結構的一部分。
圖2B所示的係圖2A中所示的環形電漿沉積系統的一部分的特寫視圖。
圖3A所示的係根據本教示內容的一工件支架區段的一實施例，其係由銅所製成。
圖3B所示的係根據本教示內容的一工件支架區段的一實施例的俯視透視圖，其係由一耐火金屬所製成。
圖3C所示的係圖3B的工件支架區段的仰視圖。
圖4所示的係一環形電漿沉積系統的一實施例的剖視圖，其包括本教示內容的一耐火金屬工件支架。
圖5A所示的係本教示內容的一工件支架的一實施例的前側。
圖5B所示的係本教示內容的一工件支架的一實施例的背側。
圖6所示的係根據本教示內容的一工件支架600的一實施例，其包含用於固持工件的多個獨特柱體。
圖7所示的係根據本教示內容的一平移平台，其被用來控制一冷卻元件、一工件支架以及一電漿導向元件的相對位置，用以達成各種製程目標。
圖8所示的係本教示內容的電漿處理設備800的一實施例，其具有一被耦合至配合圖7所述之平移平台的分離電漿導向結構以及工件支架。
說明書之中所引用的「其中一實施例」或是「一實施例」的意義為配合該實施例所述的一特殊特點、結構、或是特徵涵蓋於該教示內容的至少其中一實施例之中。出現在說明書中的各個地方的「其中一實施例」一詞未必全部表示相同的實施例。
應該瞭解的係，本教示內容的方法的獨特步驟可以任何順序及/或同步來實施，只要該教示內容仍可運作即可。再者，應該瞭解的係，本教示內容的設備以及方法亦能夠包含任何數量或是所有的已述實施例，只要該教示內容仍可運作即可。
現在將參考本教示內容的示範性實施例來更詳細說明本教示內容，如隨附圖式中所示。本教示內容雖然係配合各種實施例及範例來 作說明；不過，其並不希望本教示內容受限於此些實施例。相反地，熟習本技術的人士便會明白，本教示內容涵蓋各種替代例、修正例以及等效例。熟習本技術的人士閱讀本教示內容便會明瞭額外的施行方式、修正例、實施例以及其它使用領域，它們皆落在如本文中所述之本揭示內容的範疇裡面。
本教示內容大體上和利用電漿放電來解離分子氣體以達沉積各種材料的目的有關。本教示內容的設備及方法的其中一項觀點和利用電漿放電形成鑽石、類鑽石的碳、石墨烯以及相關材料用以解離分子氣體有關。此些材料中的一部分有時候大體上會被稱為「合成鑽石」或是「培育鑽石(lab-grown diamond)」。合成鑽石材料能夠長成各種形式，其包含單晶材料、多晶材料以及奈米結晶材料。此些合成鑽石材料有許多用途，其包含用於：切割工具、研磨、用於傳送介於UV與IR間之輻射的窗口、雷射光學元件、光譜儀光學元件、量子計算、散熱片、珠寶、電子裝置、電化學裝置以及散熱片。
許多年來合成鑽石材料已經藉由各式各樣手段被生產。早期的合成鑽石處理技術包含熱火炬(thermal torch)以及高壓高溫反應器。從1980年***始，研究人員便已開始留意以電漿技術來產生合成鑽石膜。此些合成鑽石膜通常為被沉積在基板(例如，矽、鎢以及鉬)上的薄的鑽石材料膜或是厚的鑽石材料膜。
被用來形成合成鑽石的電漿反應器通常被歸類為電漿化學氣相沉積反應器，它們亦被稱為電漿CVD反應器或是PCVD反應器(Plasma Chemical Vapor Deposition reactor)。電漿CVD鑽石沉積的大部分初始發展係 利用操作在10至100陶爾的通用壓力範圍中之基於微波電漿的反應器來實施。其它合成鑽石沉積則係利用較低壓力的電漿反應器以及非微波電漿產生器來實施。一般來說，利用較高壓力的微波電漿系統會達成較高品質的膜以及較高的沉積速率。舉例來說，請參見J.E.Bulter、Y.A.Mankelevich、A.Cheesman、Jie Ma以及M.N.R.Ashfold在IOP Publishing所出版的Journal of Physics：Condensed Matter 21(2009)364201之中所發表的「瞭解鑽石的化學氣相沉積：最新進展(Understanding the Chemical Vapor Deposition of Diamond：Recent Progress)」。另外，亦請參見F.Silva、K.Hassouni、X.Bonnin以及A.Gicquel在IOP Publishing所出版的Journal of Physics：Condensed Matter 21(2009)364202之中所發表的「用於鑽石沉積的電漿輔助式CVD反應器的微波工程(Microwave Engineering of Plasma-Assisted CVD Reactors for Diamond Deposition)」。本文以引用的方式將於本文中所述及的所有參考資料併入，其包含J.E.Bulter等人以及F.Silva等人所發表的參考資料。
用於沉積鑽石、類鑽石的碳、石墨烯以及相關材料的電漿化學主要包含加入少量含碳氣體的氫化學，例如，甲烷或是乙快。亦可以使用其它含碳與氫的氣體。此外，還會加入其它氣體，例如，氮、氧、或是鹵素物質，以便達到具有特定特性的鑽石材料。舉例來說，為成長適合特定電子、電化學以及感測器應用的鑽石材料，可能會希望在成長期間加入摻雜物氣體，其會修正被沉積的鑽石材料的電子特性、光學特性以及其它特性。以氣體形式被引入的摻雜物的範例包含硼、磷、矽、鋰以及鈉。此些以及其它摻雜物氣體能夠被用來修正該鑽石材料的電氣特徵及/或光學特徵。舉例來說，此些摻雜物氣體中的一部分會被用來增加鑽石材料的顏色。
電漿會解離氫以及含碳物質的一部分。原子氫為關鍵原料，因為它會吸附在成長中的鑽石表面上並且優先蝕除非鑽石鍵而有利於鑽石鍵。高沉積速率以及高品質膜成長兩者的關鍵因素為在工件表面處有高通量的原子氫。「工件」一詞在本文中被定義為要於其上沉積材料的物體。換言之，工件為要根據本教示內容的方法與設備來處理的樣本或裝置。
許多類型的電漿放電雖然會產生高通量原子氫所需要的條件；然而，大部分此些電漿放電在實際的應用中卻呈現嚴重的缺點。舉例來說，操作在大氣壓力處的電漿火炬雖然能夠產生非常高的氣體溫度並且可非常有效地解離各式各樣的分子氣體；然而，該些火炬電極卻有有限的壽命。另外，電漿火炬電極的腐蝕還會產生污染，這在許多應用中並無法接受。此外，電漿火炬亦很難在龐大的面積中產生均勻的放電。
誘發式RF電漿源經常被使用在半導體處理設備之中並且能夠被用來產生高通量的原子氫。誘發式RF電漿源雖然操作在通常介於2MHz與60MHz之間的頻率處；然而，當功率密度及/或壓力提高時，卻會發生嚴重的電漿反應室腐蝕。用於有效產生高通量原子氫之所希望的高電漿密度與氣體壓力很難在傳統的誘發式電漿源之中達成。另外，用於驅動誘發式耦合電漿的電源供應器以及阻抗匹配單元通常非常沒有效率。再者，在該電源供應器以及該電漿之間還會有嚴重的耦合損失，其會增加無效率性。補償此些損失實質上會增加電漿CVD系統的成本和複雜性，因為需要相對大的電源供應器，其會消耗相對大量的電力而且因為此些系統通常需要冷卻。該些較大的電源供應器及冷卻設備同樣會明顯增加此些設備所需要的無塵室空間，而使得它們的操作非常昂貴。
微波電漿放電源亦經常被用來產生用於沉積鑽石的高通量原子氫。於此些反應器中，典型的氣體物質包氫氣以及含碳氣體，例如，甲烷，並且可以包含大量的其它氣體，例如，氧、氮以及鹵素物質。亦可以使用甲烷以外的含碳物質。此些微波放電源操作在範圍從小於10-3陶爾至大於一大氣壓的壓力處。
高效能的微波鑽石CVD反應器會利用各種操作參數施加高原子氫通量至工件表面。舉例來說，此些微波鑽石CVD反應器能夠操作於相對高的壓力(10至100+陶爾)及/或相對高的中性氣體溫度(2000℃或是更大)中。
於許多高效能的微波鑽石CVD反應器中，該工件表面被定位在和會產生原子氫的電漿核心相隔相對短的距離處。希望讓該工件表面位在和該電漿核心相隔短距離處係因為，在製程反應室之中的典型壓力處，氣相再結合以及壁部反應兩者會導致原子氫的損失。於許多系統中，該工件必須被定位在和該電漿的熱核心相隔小於五公分處，以便達到將原子氫有效或最佳傳輸至工件表面的目的。於許多系統中，端視氣體壓力而定，電漿的熱核心至工件表面的最有效或最佳距離為1毫米或更小。於此些電力密度以及和電漿核心相隔緊密的工件表面距離處會顯著的加熱該工件。此加熱作用能夠有利地被用來提供該能量給該工件的成長表面，以便加熱該工件至所希望的沉積溫度。
經常被用來沉積鑽石的微波電漿反應器之中的電漿及表面化學已經過廣泛地研究，而且眾所熟知的係，於該電漿中產生原子氫及其在工件表面處的使用對該製程非常關鍵。當反應器可更有效地將分子氫解 離成原子氫並且更有效地將該原子氫傳輸至工件表面時，沉積速率以及材料品質兩者都會提高。同樣地，當原子氫撞擊在工件表面上時，該原子氫會有很高的機率再結合成分子氫，釋放會傳輸至該工件的大量能量，從而導致其溫度上升。這會有利於需要高工件溫度的製程，例如，沉積鑽石、石墨烯以及雷同的材料。藉由運用原子氫來進行工件加熱便能夠降低額外加熱的需求甚至完全避免，從而降低能量成本、設備複雜性以及設備成本。
然而，微波產生器的效率卻非常不佳。微波產生器通常僅有約50%的總效率(AC線至微波電力)。此外，此些產生器之中的磁控管通常還需要被經常性更換，這會顯著增加操作成本並且因為系統的嚴重停工時間的關係而降低產量。此外，還需要專屬並且昂貴的波導器件將電力從該微波產生器處耦合至該電漿。該些微波耦合器件以及產生器的尺寸及重量亦非常大，其會限制它們的實際應用，尤其是在無塵室環境中。
本教示內容的其中一項觀點係使用環形電漿來產生原子氫，其能夠並且有效地沉積各式各樣的材料，該些材料包含鑽石、類鑽石的碳、石墨烯以及其它基於碳的材料。本文中的環形電漿被定義為完成一封閉迴路的電漿。環形電漿已經被使用在商用材料處理應用中好幾年。用於材料處理的其中一種已知的環形電漿設備已在美國專利案第6,150,628號中說明過，本文以引用的方式將其併入。如本文中所述的環形電漿通常具有下面特徵中的一或更多項：(1)該電漿係在封閉迴路之中被產生；(2)一或更多個磁核會包圍該電漿迴路的一部分；以及(3)一RF電源供應器被連接至該磁核的一主要線圈，俾使得電力會經由該磁核被耦合至該電漿迴路，其實際上為變壓器電路的二次側。
近年來，環形電漿源已經被用來沉積鑽石。舉例來說，請參見美國專利公開案第20140272108 A1號，其已受讓給本案受讓人。本文以引用的方式將美國專利申請案第14/212,073號的完全內容併入，該案已被公開為美國專利公開案第20140272108 A1號。於此些環形電漿源之中係使用非微波電力來開始並且維持電漿放電，其能夠產生雷同於在已知微波電漿鑽石CVD反應器之中所發現的條件。有作用氣體的分壓可以為1陶爾並且於某些配置中的分壓會更大。被吸收的RF功率能夠為10W-cm3及更大。
使用環形電漿設備來沉積鑽石有許多優點。其中一項優點為，環形電漿源特別適用於使用反應氣體物質的應用，其中，電漿難以維持在狹窄侷限的電漿處理反應室裡面，且其中，該電漿或是其產物會與壁部產生明顯的反應。被用於沉積各式各樣基於碳的材料(例如，鑽石、類鑽石的碳以及石墨烯)的原子氫為反應氣體的一種範例，其難以維持在狹窄侷限的電漿處理反應室裡面，因為當被解離時其在表面上有很高的再結合率以及其很高的化學反應性。
環形電漿源特別適用於希望在電漿之中有非常高氣體溫度的應用。舉例來說，當利用氫來進行處理時會希望在該電漿區域之中有非常高的氣體溫度，以便促成從分子氫中解離出原子氫並且維持高度的解離。明確的說，經發現，希望有超過2,000℃的氣體溫度。於根據本揭示內容的許多鑽石形成製程之中，3,000℃以上的氣體溫度會造成特別有利於高沉積速率以及高沉積鑽石材料品質兩者的條件。一般來說，電漿中的氣體溫度越高便越能夠產生原子物質。
相較於其它已知設備及方法，根據本教示內容之用於成長鑽 石的環形電漿源的其中一項特點係能夠成長具有非常厚的維度的單晶鑽石材料。舉例來說，本教示內容的設備及方法能夠成長出在任意側有大於約1.5公分之維度的高品質單晶鑽石材料。其它已知設備及方法則需要將多片材料拼接在一起以便達到具有此些維度的單晶鑽石材料。然而，應該瞭解的係，本教示內容的設備及方法亦能夠被用來成長具有任何維度的高品質單晶鑽石材料。還應該瞭解的係，本教示內容的設備及方法亦能夠被用於成長多晶鑽石材料以及其它材料。
圖1所示的係一用於沉積鑽石的環形電漿源100，其包含一環形電漿容器102，該環形電漿容器102包括一內部區103以及一製程反應室104。該製程反應室能夠由絕緣材料和導體材料的組合所形成。該環形電漿源100包含至少一部分的絕緣材料，俾使得RF電力能夠經由該反應室的壁部被耦合至該電漿。製程反應室104的內壁會有彎曲的表面。一磁核106會包圍該環形電漿容器102的一部分。一電源供應器108的一輸出被電氣連接至該磁核106的主要線圈。於某些實施例中可能還希望將該磁核108被定位在該真空反應室本身裡面，其中，其會包圍該電漿迴路的一部分。於不同的實施例中，惰性氣體以及製程氣體會被引進於如下面所述的任意數量的位置處。RF電源供應器108係被用來供能給磁核106，其接著會讓一磁場被耦合至該環形電漿容器102之中，以便形成一電漿放電。
於其中一實施例中，一第二磁核106'會包圍該環形電漿容器102的一部分。於某些實施例中可能還希望將該第二磁核106'被定位在該環形電漿容器102裡面，其中，其會包圍該電漿迴路的一部分。於某些實施例中，該RF電源供應器108的一第二輸出被連接至該第二磁核106'的主要 線圈。然而，於圖1中所示的實施例中，一第二電源供應器108'的一輸出被電氣連接至該第二磁核106'的主要線圈。該第二電源供應器108'係被用來供能給第二磁核106'，其接著會讓一第二磁場被耦合至電漿放電之中。於各種其它實施例中會相依於該特殊電漿源設計的幾何形狀而使用任何數量的磁核以及任何數量的電源供應器。多個磁核以及多個電源供應器允許依照該特殊電漿源幾何形狀來修改沿著該電漿迴路的電壓以及被傳遞至該電漿的總電力。
於根據本教示內容的設備的各種配置中，惰性氣體以及製程氣體被引進於該環形電漿容器102之中的其中一個進氣埠口處或是多個進氣點處。如本文中的定義，進氣埠口能夠為任何類型的氣體輸入埠口，例如，單一孔徑或是多個孔徑、單一狹縫或是多條狹縫、或是花灑式進氣埠口。於圖1中所示的實施例中，該環形電漿源100包含一第一進氣埠口110、一第二進氣埠口110'以及一第三進氣埠口110"。
氣體會基於各種理由而被引進於該電漿反應室100之中的多個氣體輸入埠口處，其端視所使用的特殊製程而定。一般來說，利用多個進氣埠口能夠在該電漿迴路的不同部分中物理性分離有作用氣體物質以及惰性氣體物質。如本文中的用法，「有作用氣體」以及「反應氣體」係指該製程化學的一部分。相反地，惰性氣體(例如，氬)則主要係用於幫助維持電漿放電；不過，於某些製程中，它們亦可能在該些有作用氣體的解離過程中扮演重要角色。
舉例來說，氬氣會被引進於其中一個位置處，因為相較於其它氣體，利用氬氣則僅需要較少的電力以及較低的電壓來產生並且維持電 漿放電。氬氣同樣具有化學惰性，因此，相較於裸露於氫氣以及其它有作用氣體中的電漿反應室部分，裸露於氬氣放電中的電漿反應室部分會需要比較不複雜且比較不昂貴的材料及構造。
舉例來說，於其中一種配置中，在製程反應室104中被處理的工件112被定位靠近一通往真空唧筒的出口114處，如圖1中所示。於不同的其它配置中，要被處理的工件112則被移動遠離出口114。利用氬氣的許多實施例會將氬氣引進於遠離該工件112的一位置點處，而氫氣、惰性氣體以及其它製程氣體則被引進於比較靠近該工件112處。此種配置會導致在靠近該工件112處消耗較多電力，其中，其需要電力以便提供原子氫給工件112表面。
計算顯示，在各種氣體流動與壓力下會出現明顯的氣體分離。舉例來說，在200sccm或更大的惰性氣體(例如，在根據本教示內容的某些方法之中所使用的氬氣)流速、200sccm或更小的氫氣流速以及大於10陶爾的壓力中，於該電漿迴路中會出現明顯的氣體分離。於不同的設計中會包含額外的抽吸通道以及氣體輸入埠口，以便在該製程反應室104之中提供所希望的氣體分離數額。於根據本教示內容的某些設備及方法中，電漿源100的操作雖然使得製程氣體的分壓落在1陶爾至數百陶爾的壓力範圍之中；然而，應該瞭解的係，本文中所述的本教示內容並不受限於特定的氣體以及特定的壓力範圍。
在複數個氣體輸入埠口處引進氣體的另一原因係提供所希望的氣流圖樣。在複數個氣體輸入埠口處引進氣體的又一原因係針對特殊參數來最佳化流動圖樣。舉例來說，具有不同尺寸及/或分隔圖樣的複數個 氣體輸入埠口能夠被用來達成所希望的流動圖樣或是用以最佳化一特殊製程結果的氣體流動。該經最佳化的流動能夠增強固定基板以及旋轉基板兩者上的均勻性。
於不同的實施例中，工件112會部分或是完全沉浸在該電漿之中或是被定位相鄰於該電漿。於某些實施例中，工件112被引進於該環形電漿區域之中，緊靠著熱電漿核心，其會於該處接收足夠的原子氫通量用以沉積高品質膜。於其中一特定實施例中，工件112和該電漿的熱核心相隔不到5cm。於此實施例中，從該熱電漿核心至該工件表面的典型距離落在約0.1mm至5cm的範圍之中。
於根據本教示內容的不同方法中，RF電源供應器108的頻率通常介於約60Hz與100MHz之間。然而，於許多實施例中會有各種因素(其包含加諸在電源供應器上的實際限制、最小化總系統成本的期望以及磁核的重量)將實際頻率範圍限制於約20kHz與14MHz之間。此頻率範圍亦希望可以最大化從電源供應器108至電漿的電力傳輸，同時避免發生電容性耦合。
本文中配合圖1所述的環形電漿源100的其中一項特點係並不需要一微波凹腔來形成電漿。微波凹腔有許多缺點，例如，它們有形成弧光放電的傾向。另外，相較於形成電漿放電的其它手段，實際上，微波凹腔的製程參數空間會受到更多限制並且工件112能夠被定位的地方亦會會受到更多限制。微波凹腔在修改電漿形狀以適應於特殊工件類型之期望的可能範圍亦相當有限。
本文中配合圖1所述的環形電漿源100的另一項特點係通常 不需要將電源供應器108主動調諧或匹配至電漿負載，這會降低複雜性以及成本。然而，於某些情況中則會需要調諧或匹配。環形電漿源100的又一項特點係，在該裝置內的電場與電壓小於在微波源之中或是在習知的RF電漿源之中所發現的電場與電壓。相對低的電場與電壓會改良可靠性並且減少曝露於該電漿環境的內表面的腐蝕以及工件表面的破壞。
本教示內容的許多觀點雖然係配合用於沉積鑽石以及類鑽石物質的設備及方法來作說明；然而，應該瞭解的係，本教示內容並不受限於沉積鑽石以及類似的材料。本教示內容的環形電漿設備的許多其它實施例能夠用於蝕刻或清洗工件表面。蝕刻或清洗能夠藉由將該工件曝露於產生在該電漿放電之中的帶電物質中及/或藉由將該工件曝露於產生在該電漿放電之中的反應中性物質中來完成。
於本教示內容的環形電漿設備的其它實施例中，其會被配置成一反應氣體源。於此些實施例中，該電漿源被配置且***作成使得主要沒有帶電的反應氣體物質會抵達該工件表面。於本教示內容的環形電漿設備的又其它實施例中，該電漿源被配置成用以沉積及/或蝕刻基於卷對卷網板的工件。
於目前使用中的許多已知鑽石沉積系統中，該含碳氣體係被引進於該製程反應室之內和正在被處理的工件相隔明顯距離的位置處。於此些已知的系統中，該含碳氣體係被引進於該製程反應室之內和氫氣被引進處相同的位置點處。於此些配置中，該製程反應室中的電漿會解離或活化氫氣與含碳氣體兩者以及所使用的任何其它氣體。然而，在不同的物質中，用於解離的最佳電漿條件以及最佳位置會不相同。
舉例來說，氫分子會緊密鍵結並且需要高氣體溫度以維持所希望的解離程度。因為工件表面處的高通量原子氫為高品質鑽石材料之高成長速率的必要條件，所以，分子氫必須通過熱電漿區域，以便能夠被解離。經由撞擊表面或是在氣相中彼此撞擊而再結合成分子氫的原子氫會透過該製程而被回收回來，其對該反應室或沉積製程並沒有任何負面效應。
實際上有效地解離以及運用該含碳氣體(例如，甲烷)的條件並不相同。較低的電漿氣體溫度會有好處，因為甲烷分子將不會被完全解離，其會有利用於該製程。此外，當部分解離或完全解離的甲烷撞擊該反應室表面時可能會導致部分的碳材料被沉積在該些反應室表面。該些碳沉積會因剝落的材料而導致該工件的污染。
本教示內容的其中一項觀點為瞭解於發生沉積的工件附近引進含碳氣體(例如，甲烷)會提供數項優點。利用此配置，甲烷將會在該工件表面與該熱電漿核心之間的區域之中被解離，於該處的電漿氣體溫度最適合達成該目的。於此些條件下，該些碳原子以及含碳物質有較高的可能性先撞擊該工件表面，它們會於該處加入於該沉積製程，而不會撞擊反應室表面，撞擊反應室表面會留下可能造成污染的非所希望的沉積。更一般來說，本教示內容的方法會在該系統裡面的不同位置處引進製程氣體，用以改良或最佳化沉積條件並且減少或最小化該反應器壁部上非所希望的沉積。此些方法的優點已經經由在沉積之後量測沉積速率(透過膜厚度量測以及質量增益量測)、量測膜品質(透過Raman光譜儀、光學顯微鏡以及電子顯微鏡)以及量測反應室清潔度(透過光學檢查)的多個沉積實驗驗證過。
和該含碳氣體被引進的工件相隔的最佳距離會相依於該工 件的尺寸以及該些製程條件。於一範例中，對10至200陶爾的操作壓力以及0.3cm至1cm的工件尺寸來說，該含碳氣體應該被引進處和該工件的邊緣相隔的最佳距離落在0.1cm至5cm的範圍之中。
於根據本教示內容的設備的某些配置中，真空抽吸流動圖樣會影響碳以及氫兩者的已解離物質抵達工件表面的方式。被設計成使得已解離的碳物質會掃過該工件表面的真空抽吸圖樣能夠被用來增強將氣體引進至該工件表面的效果。
應該注意的係，在根據本教示內容的某些方法中可能會希望在該工件附近引進含碳氣體以外的氣體。舉例來說，於不同的實施例中，所有或是一部分的氫氣氣流可以和甲烷一起被引進於該工件附近。另外，除了被引進於該些工件表面附近之外，一部分的甲烷亦可能被引進於該反應室之中的一或更多個位置點處。另外，某些數量的氬或其它惰性氣體亦可能被引進於該些工件表面附近，用以達到各種製程目標。於某些實施例中，所有甲烷可能被引進於遠離該些工件表面附近的地方，用以達到特殊的製程目標或是可以簡化該設備。
本教示內容的另一項觀點為可以讓更多的反應氣體實際上被用於沉積鑽石材料的特殊環形電漿系統設計以及配置。更明確地說，根據本教示內容的環形電漿系統的某些實施例包含一用於一環形電漿沉積系統的工件支架設計，其具有用於侷限以及引導電漿的形狀以及材料組成。相較於先前技術的工件支架，此些工件支架設計提供下面特點中的一或更多項特點：(1)較高的沉積速率；(2)較高的沉積材料品質；(3)在一獨特的工件上有改良的沉積均勻性；(4)在多個工件之間有改良的沉積均勻性；(5)較 高的輸入氣體利用率；以及(6)較乾淨的製程反應室。
圖2A所示的係本教示內容的一環形電漿沉積系統200的剖視圖的一實施例，其包括一製程反應室202，該製程反應室202為一環形結構的一部分。圖2B所示的係圖2A中所示的環形電漿沉積系統的一部分的特寫視圖。一電漿迴路204如圖示般地進入該製程反應室202，流入或流出頁面。工件支架206被定位在該製程反應室202裡面。
於根據本教示內容的某些實施例中，該工件支架206具有固定該工件的特徵元件。於其它實施例中，該工件支架206藉由摩擦力或是重力來固持該工件，或是被設計成用以讓一熱黏接劑將該工件附接至該工件支架。又，於其它實施例中會在該工件的背表面處提供相對於前表面為低的氣體壓力，以便提供足夠的作用力將該工件固持於正確的地方。此外，於某些實施例中，該工件支架被設計成將會沉積鑽石或是特定其它材料的該工件本身。此些特點可以在沉積製程期間達成和下面有關的許多優點：被沉積材料的品質、製程控制、產量、製程速率以及整個製程反應室的清潔性。
本教示內容的環形電漿沉積系統的其中一項觀點係，於某些實施例中，其包含一電漿導向結構，該電漿導向結構經過塑形及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路中的一部分電漿實質上垂直於至少一面的法線來前進。於某些特定實施例中，該電漿導向結構為該工件支架本身。然而，於許多其它實施例中，該電漿導向結構實際上與該工件分離。於某些實施例中，該工件支架能夠被定位在該電漿導向結構上；但是，亦能夠在操作期間獨立於該電漿導向結構平移。
本文中雖然配合工件支架206來說明該電漿導向結構的許多觀點；不過，熟習本技術的人士便會明白，本教示內容並不受限於該工件本身為該電漿導向結構的特定實施例。
本教示內容的其中一項觀點係該工件支架本身會引導該電漿的一部分於該環形電漿迴路之中前進。舉例來說，該工件支架的形狀會引導該電漿的該部分通過該工件支架，俾使得該電漿的該部分於一垂直於該工件支架該面之法線的實質上筆直直線中傳播。於其中一實施例中，引導該電漿的工件支架206的形狀會使得面向該電漿的所有表面和該電漿的中線203約略等距，俾使得該電漿會保持置中。
經判定，一圓柱形工件支架能夠在許多應用中提供充分的電漿導向，前提係從該電漿的中線203至任何表面的距離不會明顯改變。實際上，此幾何特性難以達成，因為難以將多個樣本鑲嵌於一彎曲表面上。因此，圖2A與2B便顯示一種會提供良好效能的六角形工件支架206。該六角形的面呈現面向電漿為平坦或是接***坦的表面。此些平坦或是接***坦的表面可以進行簡單的樣本鑲嵌並且提供良好的效能。熟習本技術的人士便會明白，亦能夠使用許多其它幾何形狀。
本教示內容的電漿處理設備的其中一項觀點為該電漿線部分或是完全被該工件支架包圍，該工件支架經過塑形用以引導該電漿。因此，該工件支架本身會引導該電漿。相較於習知的微波反應器，於此配置中會有較大部分的電漿能夠被運用，從而提供改良的效率。該電漿處理設備的其中一項重要參數為介於該工件支架的邊緣與該電漿之間的距離。倘若該電漿太靠近該工件支架的表面的話，該電漿可能會無法點燃；或者， 即使其點燃了，其仍可能變成不穩定或者會失去大量的熱能至該工件支架的該些表面。倘若該工件支架的該些表面和該電漿相隔太遠的話，該電漿則無法相互作用，且所以，不會受到該些表面的引導，從而導致電漿飄移(plasma wandering)。舉例來說，於已知具有良好效能的某些特殊實施例中，從電漿204的中線203處所拉出的法線至該工件支架206的每一個該些面的距離介於0.5cm與2.5cm之間，並且於其中一特殊的實施例中為約1.0cm。
一般來說，電漿204的形狀會部分相依於電漿操作壓力。在相對低的操作壓力處，電漿204會相對龐大，其需要一比較遠距的導向結構。在相對高的操作壓力處，電漿204會相對狹窄，其需要一比較近距的導向結構。
工件支架206能夠為單一結構或者能夠被分割成二或更多個區段。舉例來說，於圖2A與2B中所示的實施例中，工件支架206被分割成第一區段208以及第二區段210。該些第一區段208以及第二區段210能夠為對半均分的區段。於不同的實施例中，工件支架206的任一或兩個區段208、210本身亦可以充當該工件，沉積材料(例如，鑽石材料)則直接被沉積在該工件支架上。舉例來說，本技術中眾所熟知的係，多晶鑽石能夠直接被沉積在鉬上。所以，一鉬質支架可以充當兩種用途，兼具導向與容納電漿的用途，並且還可以充當一用於沉積多晶鑽石材料的基板。於不同的實施例中，工件支架206的任一或兩個區段208、210可以固持或不固持工件。
於圖2A與2B中所示的實施例中，工件支架206包含兩個區段208、210，它們為大約對半均分的區段。工件支架206的該兩個區段 208、210中的每一者能夠由相同或不同的材料所形成。於不同的其它實施例中，該工件支架206係運用兩個以上不同的材料件所建構。舉例來說，於下面範例中進一步說明的其中一實施例中，其中一個工件支架區段208係由銅所形成，而另一個工件支架區段210則係由鉬所形成。
用於形成該工件支架的特殊材料在某些應用中非常重要。舉例來說，於某些應用中，熱負載非常高。因此，形成該工件支架的材料必須有高導熱性；或者，其必須能夠在必要的處理時間中適應高溫，或是兩者皆為必要。適合此些應用之具有相對高導熱性的材料的範例為銅、鎳、鋁以及氮化鋁。能夠在必要的處理時間中耐受高處理溫度的材料的範例為各種耐火金屬，例如：鉬以及鎢以及它們的合金；專門的高溫金屬合金(超合金)；以及某些製程中的氧化鋁或是氮化鋁。在高溫應用中，該材料還必須能夠耐受明顯的溫度誘發應力。於某些實施例中，該工件支架上的熱負載係藉由將一冷卻元件定位相鄰於該工件支架的背部、側邊、或內部或是和該工件支架的背部、側邊、或內部進行熱交換來管控，如配合圖7的說明。
此外，用於形成該工件支架的材料還必須能夠耐受所希望的的製程化學。在鑽石沉積中，用於形成該工件支架的材料必須能夠耐受高溫(其通常為700℃至1200℃)以及氫化學(其會攻擊許多材料，尤其是在此些高溫處)。舉例來說，氧化鋁為一種用以支援用於電漿處理之工件的常見材料，但是，當操作在高溫處並且曝露於原子氫時則可能不適用。於此些條件下，原子氫會有將氧從該表面處剝除的傾向。鉬、鎢、鉬與鎢的各種合金、銅以及氮化鋁因為抗熱特性以及抗化學特性的關係比較適用於此些 條件下。諸如矽的其它材料同樣適用。當該工件支架亦為該工件本身時則會使用矽。在根據本揭示內容的某些方法中則可以使用不銹鋼、鎳以及各種金屬的合金。此些材料雖然全部適用於高溫操作，但是亦可以在較低溫度操作中運用它們。
在希望工件支架206操作於較低溫度處(其遠低於用於沉積該鑽石材料的溫度)的應用中，亦可以使用其它材料，例如，銅、鋁、鎳以及此些材料的合金。諸如銅以及鋁的金屬材料具有高導熱性的優點，因此，來自電漿的熱能夠輕易地被抽出。此外，此些材料亦能夠以低於陶瓷或是耐火金屬的成本輕易地被加工或是被形成各式各樣的形狀。於任何此些示範性材料中可能會希望該工件支架被一絕緣材料塗佈，其提供化學相容性或是避免該工件支架出現電漿弧光。
於下面的範例中，工件支架區段208係由銅所形成，而另一工件支架區段210則係由鉬所形成。包圍電漿204之路線的銅質工件支架區段208組裝件的形狀與維度經過選擇，以便侷限該電漿204使其於一所希望的路徑中前進通過反應室202進入圖2A的頁面之中，並且還可以有效的沉積鑽石材料於該工件上。於某些實施例中，包圍電漿204之路線的銅質工件支架區段208組裝件的形狀與維度經過選擇，以便侷限該電漿204使其於一實質上筆直的路線中前進通過反應室202。熟習本技術的人士便會明白，本教示內容並不受限於利用該工件支架來侷限該電漿。於其它實施例中則係使用可以配合該工件支架來運作或是獨立於該工件支架來運作的其它結構來侷限該電漿。
於圖2A、2B中所示的實施例中有三個平坦面212、212'、 212"，用以形成該銅質工件支架區段208。此外，還有三個平坦面214、214'、214"，用以形成該鉬質工件支架區段210。於其它實施例中，端視製程條件以及於其上進行沉積的工件而定，亦能夠於一給定的工件支架區段上運用單獨一個或是三個以上的平坦面。此多個平坦面本身能夠為單一工件支架元件的一部分；或者，它們可以各自為一分離的實體元件，一起形成該工件支架。
於其它實施例中，該工件支架206的該些面為圓形表面。又，於其它實施例中，該工件支架206的該些面具有一管狀面。該銅質工件支架區段208組裝件的外側部分可以包含多個觀視埠口(viewport)，讓一光學高溫計能夠藉以量測該些工件以及該工件支架的溫度。
圖2A以及2B中所示的工件支架206的鉬質工件支架區段210同樣具有經過選擇的形狀，以便侷限該電漿204用以於一筆直的路線中前進，同時可以有效的沉積鑽石於工件216的表面上。於某些實施例中，該些工件216被鑲嵌於經加工於該工件支架206之中的凹部之中。於其它實施例中，工件會直接被鑲嵌於該工件支架206的表面上。該些工件216可以利用一機械裝置(例如，夾具)來固定它們、藉由重力的作用力、或是利用一高溫黏接材料來固定它們而保持在正確的地方。
於某些實施例中，一熱絕緣材料會被定位在該工件216以及該工件支架206之間。此配置可以在沉積製程期間讓該工件216比該工件支架206更高溫。於某些實施例中，一高溫黏接材料會被定位在該工件216以及該工件支架206之間，用以改良由該電漿製程所產生的熱能的熱傳輸。該高溫黏接材料可以讓一較高通量的原子氫與該工件216表面進行相互作 用，同時保持該工件216表面於所希望或最佳的溫度處。該高溫黏接材料還會導致跨越該工件216表面的溫度梯度下降，從而提供更佳的沉積均勻性。
本教示內容的其中一項觀點為該工件支架幾何形狀的特點可以進接量測儀器。圖3A所示的係根據本教示內容的一工件支架區段300的一實施例，其係由銅所製成。該工件支架區段300包含觀視埠口302、304。觀視埠口302、304可以讓一光學高溫計量測系統接收來自該製程反應室的輻射，以便提供該些工件以及該工件支架的溫度讀數。於不同的實施例中，該些觀視埠口302、304雖然有不同的尺寸以及位置；然而，應該瞭解的係，於某些實施例中，在該工件支架上僅有一個或是沒有任何觀視埠口。該些觀視埠口302、304可以用於達到其它診斷目的，例如，量測沉積速率、樣本厚度、樣本品質以及電漿光學特徵。
本教示內容的其中一項觀點為工件支架幾何形狀會經過選擇而包含支援各種流體(其包含製程氣體以及冷卻流體)之隧穿流通的各種特徵元件。圖3B所示的係根據本教示內容的一工件支架區段320的一實施例的俯視透視圖，其係由一耐火金屬所形成。舉例來說，該工件支架區段320能夠由鉬來形成。該工件支架區段320包含氣體引進孔徑322，其位於鑲嵌著工件的凹部區域324、326的近處。該些凹部區域324、326會特別被設計成用以支撐具有特殊維度的工件。再者，該些凹部區域324、326的高度亦會經過選擇，用以屏蔽該工件的邊緣，用以避免不必要的沉積及/或為該沉積提供更均勻的環境。
該工件支架區段320能夠藉由在該工件支架區段320內部循 環流動流體或氣體而直接被冷卻。該工件支架區段320亦能夠藉由定位一散熱片或是其它溫度控制結構使其親近或是緊密的實體接觸該工件支架區段320以便和該工件支架區段320進行熱交換而被冷卻。一可調整的平台能夠被用來控制一冷卻元件相對於工件的位置，以便如配合圖7所述般地精確控制該工件的溫度。
於某些實施例中，該工件支架包含一拉晶機制(crystal puller mechanism)，其會在該沉積期間抽拉該工件。此拉晶機制特別適用於成長鑽石。於其中一操作方法中，該拉晶機制被用於在成長期間讓該成長表面一直保持在實質上相同的位置處或是保持在一特殊的位置處。
圖3C所示的係圖3B中所示的工件支架區段320的仰視圖。圖3C顯示該工件支架區段320的背側。氣體在該工件支架區段320的背側被引進於一氣室328之中。該氣體會分散於整個氣室328並且通過孔徑330，該些孔徑會通往該工件支架區段320的前側。因此，氣室328可以讓該氣體均勻地分佈通過通往鑲嵌著該些工件的工件支架區段320前側的多個孔徑330。
圖3C中所示的工件支架區段320會被鑲嵌在一流體冷卻式溫度控制器上，例如，水冷式銅質支架，其會為形成該工件支架區段320的鉬或是其它材料提供冷卻作用。冷卻的程度能夠以數種不同的方式來改變。舉例來說，冷卻的程度能夠藉由該鉬質件與該銅質之間的高溫間隔填隙材來改變。另外，冷卻的程度亦能夠藉由改變鉬質上的背側接觸面積來改變。另外，冷卻的程度亦能夠藉由改變銅質上的前側接觸面積來改變。此外，冷卻的程度亦能夠經由結構化該鉬質或是經由加入一塗層至該鉬質 而藉由改變鉬質背側的發射係數來改變。冷卻的程度亦能夠藉由在該工件支架裡面的獨特工件近處加入或移除材料而於該工件支架區段320裡面被局部性地調整。於某些實施例中，該些被添加的材料有不同的導熱係數及/或不同的熱膨脹係數。冷卻的程度亦能夠藉由改變該鉬質的背側以及該銅質的前側之間的氣體壓力而加以控制。
圖4所示的係一環形電漿沉積系統400的一實施例的剖視圖，其配置具有兩個工件支架半部402、404，兩者皆係由一耐火金屬(例如，鉬)所形成。為圖解本教示內容的特點，製程反應室本身已被剖開並且沒有顯示在圖4中。位於頂端的工件支架區段402包含觀視埠口，藉以讓從一工件(圖中並未顯示)與該工件支架區段404處射出的電磁輻射406能夠通過。於此實施例中，該些觀視埠口為工件支架區段402之結構的一部分。於此特殊配置中，底部的工件支架區段404上沒有任何觀視埠口。輻射406會通過位於環形電漿沉積系統400之頂端的一埠口408並且接著通過一高溫計(圖中並未顯示)的視場，該高溫計係被用來監視工件及/或工件支架溫度。於某些配置中可能還希望使用基於纖維的溫度量測，該纖維的末端被定位成靠近要被量測的樣本的背側。
於某些實施例中，支撐工件的工件支架部分會被附接至一手動平台。於其它實施例中，支撐工件的工件支架部分會被附接至一自動平台。於此些實施例中，該自動平台能夠在處理期間使用於開放迴路或封閉迴路回授模式之中，以便達到特定的製程目標。同樣地，該工件本身亦能夠被附接至一手動平台或是被附接至一自動平台。於許多實施例中，在成長期間拉出該工件支架或是該工件本身並不會明顯改變對該電漿所呈現的 導向結構的幾何形狀。
於根據本教示內容的其中一方法中，該自動平台被配置成約略以該工件本身的成長速率來縮回支撐該工件的工件支架部分或是該工件本身。另外，於根據本教示內容的其中一方法中，該自動平台被配置成用以在處理期間移動支撐該工件的工件支架部分或是該工件本身以便控制該工件的溫度。
本教示內容的其中一項特點為製程氣體能夠被引進至非常靠近該些工件處。圖5A所示的係本教示內容的一工件支架500的一實施例的前側。該工件支架500包含多個孔徑502，它們靠近被用來固定工件的凹部504。該些孔徑502會在處理期間引導非常靠近該工件的製程氣體。
圖5B所示的係本教示內容的一工件支架500的一實施例的背側。一氣室506會將製程氣體分佈於貫穿至該工件支架500之前側的該些孔徑502之中。於某些特定的應用中可能會希望使用一具有前側氣體分佈的平坦工件支架，結合一本身亦可能為平坦的反向元件。於其它應用中可能會希望使用具有前側氣體分佈的平坦工件支架，結合一可被建構成用以幫助保持電漿方向性的反向元件。
圖6所示的係根據本教示內容的一工件支架600的一實施例，其包含用於固持工件的多個獨特柱體。此工件支架能夠被鑲嵌至配合圖2A與2B所述之工件支架區段210的一面。於某些實施例中，工件支架600包含多個柱體602，用於固定獨特的工件。該些柱體602並不受限於矩形及圓柱形柱體。該些柱體602能夠有各種尺寸以及形狀。該些柱體602中的一部分或是全部皆會被饋送製程氣體。提供製程氣體給該些柱體602 可以讓每一個樣本有非常一致的環境，同時保持沉積氣體遠離該製程反應室的其它部分。於某些實施例中，該些柱體602包含一用於額外支撐該些工件的凹部。工件支架600的維度相依於該製程反應室的維度。於其中一範例中，沿著電漿軸的製程反應室的長度為約15cm長，而該工件支架的長度則為約10cm。
圖7所示的係根據本教示內容的一平移平台700，其被用來控制一冷卻元件702、一工件支架704以及一電漿導向元件的相對位置，用以達成各種製程目標。於某些操作方法中，平移平台700係被用來控制一冷卻元件702相對於工件支架704的位置，以便精確控制工件的溫度。該平移平台700被配置成使得該冷卻元件702以及該工件支架704能夠一起或是獨立地移動，用以達成各種製程目標。於根據本揭示內容的各種方法中，冷卻元件702相對於工件支架704的位置會被調整用以將該工件支架704的溫度控制於所希望的操作溫度處。溫度控制係藉由結合輻射熱傳輸以及對流熱傳輸(其係因反應室中的氣體在熱工件支架704與該冷卻元件之間移動所造成)來達成。於某些實施例中，該冷卻元件702的位置係由手動調整。於其它實施例中，該冷卻元件702的位置係透過一在回授迴路中被控制的自動平台來調整，其會將樣本的溫度以及樣本支架的溫度中的一或兩者控制至所希望的溫度。
於本揭示內容的其中一實施例中，平移平台700會實施拉晶功能，因為其被配置成用以在成長期間移動工件支架704，用以幫助進行該成長製程。於根據本教示內容的某些方法中，該工件支架704係以約略為單晶鑽石之成長速率來平移。另外，於根據本教示內容的某些方法中，該 工件支架704會被平移俾使得在該工件上的一成長表面於該成長的至少一部分期間係位在實質上相同的位置處。於此些方法中，該冷卻元件702能夠與該工件支架704一起平移；能夠相對於該工件支架704為靜止；或者，能夠以相對於該工件支架704為不同的速率來移動，用以達成各種製程目標。
在成長期間利用平移平台700來移動工件有助於成長相對龐大的高品質單晶鑽石結構，其在任何維度中皆能夠大於1.5公分。因此，本教示內容的其中一項特點為結合平移平台700以及本文中所述的環形電漿處理設備可以在該成長製程中提供無法利用其它已知設備(例如，微波電漿設備)來達成的重要靈活性。
圖8所示的係用於本教示內容的一電漿處理設備的工件支架組裝件800的一實施例，其具有一被耦合至配合圖7所述之平移平台806的分離電漿導向結構802以及工件支架804。工件支架804支撐一用於成長的工件808。於圖8中所示的工件支架組裝件800的配置中，該工件支架804適配於該電漿導向結構802中的一狹縫內部，俾使得其能夠藉由平移平台806被任意定位。
該電漿導向結構802經過塑形，用以於一所希望的路徑中來引導該電漿。該電漿導向結構802能夠被形成為連續件，或者能夠被形成為複數個分離件。於不同的實施例中，該電漿導向結構802被形成為具有複數個半圓分段的形狀、被形成為具有複數個圓形分段的形狀、或者被形成為具有一或複數個短圓柱段的形狀。此些結構的維度被設計成夠長並且分隔距離夠緊密，俾使得該電漿受到充分的侷限而使其無法顯著地移動偏 離該環形電漿容器支中的所希望的路徑。
平移平台806能夠以各種方式來配置。舉例來說，該平移平台能夠被配置成用以相對於一固定的電漿導向結構802來移動該工件支架804。該平移平台806亦能夠被配置成獨立地同時移動該工件支架804以及該電漿導向結構802。此外，該平移平台806亦能夠被配置成用以一起或是獨立地移動該電漿導向結構802、該工件支架804以及該冷卻元件702(圖7)。
因此，於不同的實施例中，根據本揭示內容的電漿導向結構與工件支架有數個所希望的特點。該電漿導向結構經過塑形，俾使得其會改良或是最佳化電漿形狀以及原子氫傳遞至被鑲嵌於該工件支架上的工件表面中的一或兩者。該工件支架會引進含碳氣體於非常靠近該工件表面處。此些特點能夠於不同的實施例中被分開或是一起提供，端視應用而定。再者，於本教示內容的環形電漿沉積系統的某些實施例中，該工件支架被建構成用以額外充當真空壁。
等效例
本文雖然已經配合各種實施例來說明申請人的教示內容；不過，申請人的教示內容並不希望受限於此些實施例。相反地，熟習本技術的人士便會明白，申請人的教示內容還涵蓋各種替代例、修正例以及等效例，其並沒有脫離本揭示內容的精神以及範疇。
100‧‧‧環形電漿源
102‧‧‧環形電漿容器
103‧‧‧內部區
104‧‧‧製程反應室
106‧‧‧磁核
106'‧‧‧第二磁核
108‧‧‧電源供應器
108'‧‧‧第二電源供應器
110‧‧‧第一進氣埠口
110'‧‧‧第二進氣埠口
110"‧‧‧第三進氣埠口
112‧‧‧工件
114‧‧‧出口

Claims (54)

  1. 一種電漿處理設備，其包括：a)一環形電漿容器，其包括一製程反應室；b)一磁核，其包圍該環形電漿容器的一部分；c)一RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該磁核的輸出，該RF電源供應器供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；d)一工件支架，其包括至少一面用以在成長期間支撐該工件；以及e)一電漿導向結構，其經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路放電中的一電漿之一部分實質上垂直於在成長期間支撐一工件的該至少一面的一法線來前進。
  2. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架被形成為大體上圓柱形的形狀。
  3. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架被形成為大體上六角形的形狀。
  4. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該電漿導向結構被形成某個形狀並且經過尺寸設計，俾使得裸露於該電漿的多個工件表面和該電漿的一中線約略等距。
  5. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，從該電漿的一中線至支撐該工件的該至少一面的距離約略介於0.5cm與2.5cm之間。
  6. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，從該電漿的一中線至支撐該工件的該至少一面的距離約略為1.0cm。
  7. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架係由選擇自下面所組成的群之中的材料所形成：鉬、鉬的合金、銅、鋁、鎳、不鏽鋼、含有鎳的合金、鎢、含有鎢的合金、氮化鋁以及氧化鋁。
  8. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架包括一凹陷的部分，用於支撐一工件以便進行電漿處理。
  9. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，在成長期間支撐該工件的該至少一面包括至少一平坦面。
  10. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，在成長期間支撐該工件的該至少一面包括至少一圓形面。
  11. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，在成長期間支撐該工件的該至少一面包括至少一管狀面。
  12. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架的一外側部分包括一觀視埠口。
  13. 根據申請專利範圍第12項的電漿處理設備，其進一步包括一光學高溫計，其被光學耦合至該觀視埠口。
  14. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其進一步包括一電氣絕緣材料，其被定位在該工件支架上，防止該工件支架發生電漿弧光。
  15. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架進一步包括至少一氣體引進孔徑。
  16. 根據申請專利範圍第15項的電漿處理設備，其中，該至少一氣體引進孔徑被定位成靠近該工件支架之表面上的至少一樣本鑲嵌位置。
  17. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其進一步包括一被附接 至該工件支架的流體冷卻式溫度控制器。
  18. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其進一步包括一包圍該環形電漿容器的第二磁核。
  19. 根據申請專利範圍第18項的電漿處理設備，其中，該RF電源供應器有一第二輸出，其被電氣連接至該第二磁核。
  20. 根據申請專利範圍第18項的電漿處理設備，其進一步包括，一第二RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該第二磁核的輸出，該第二RF電源供應器供能給該第二磁核。
  21. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架包括至少一柱體，用以固定多個獨特工件。
  22. 根據申請專利範圍第21項的電漿處理設備，其中，製程氣體被供應至該至少一柱體近處。
  23. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架進一步包括一拉晶器，其會在沉積期間平移該工件。
  24. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架以及該電漿導向結構為相同的結構。
  25. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該工件支架以及該電漿導向結構為實體分離的結構。
  26. 根據申請專利範圍第1項的電漿處理設備，其中，該電漿導向結構被定位成用以改良原子氫傳遞至該工件的一表面。
  27. 一種電漿處理設備，其包括：a)一環形電漿容器，其包括一製程反應室； b)一磁核，其包圍該環形電漿容器的一部分；c)一RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該磁核的輸出，該RF電源供應器供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；以及d)一工件支架，其包括一第一區段與一第二區段，每一個區段皆包括至少一面，該至少一面經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路放電中的一電漿之一部分實質上垂直於該至少一面的一法線來前進。
  28. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該第一區段包括該工件支架的一第一半部，以及該工件支架的該第二區段包括該工件支架的一第二半部。
  29. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該第一區段係由一第一材料所形成，以及該第二區段係由一不同於該第一材料的第二材料所形成。
  30. 根據申請專利範圍第28項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段中的至少其中一者係由一耐火金屬所形成。
  31. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段被形成大體上圓柱形的形狀。
  32. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段被形成大體上六角形的形狀。
  33. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段被形成某個形狀並且經過尺寸設計，俾使得裸露於該電漿的多個表面和該電漿的一中線約略等距。
  34. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，從該電漿的一中線至該工件支架的該些第一區段與第二區段的該至少一面的距離約略介於0.5cm與2.5cm之間。
  35. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，從該電漿的一中線至該工件支架的該些第一區段與第二區段的該至少一面的距離約略為1.0cm。
  36. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架包括一凹陷的部分，用於支撐一工件以便進行電漿處理。
  37. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段的該至少一面包括至少一平坦面。
  38. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段的該至少一面包括至少一圓形面。
  39. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架的該些第一區段與第二區段的該至少一面包括至少一管狀面。
  40. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其中，該工件支架進一步包括位於該些第一區段與第二區段中的至少其中一者上的至少一氣體引進孔徑。
  41. 根據申請專利範圍第40項的電漿處理設備，其中，該氣體引進孔徑的至少一部分被定位成靠近該工件支架之表面上的多個凹部。
  42. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其進一步包括一高溫間隔填隙材，其被定位在該工件支架的該些第一區段與第二區段之間。
  43. 根據申請專利範圍第27項的電漿處理設備，其進一步包括一包圍該 環形電漿容器的第二磁核。
  44. 根據申請專利範圍第43項的電漿處理設備，其中，該RF電源供應器具有一被電氣連接至該第二磁核的第二輸出。
  45. 根據申請專利範圍第43項的電漿處理設備，其進一步包括一第二RF電源供應器，其具有一被電氣連接至該第二磁核的輸出，該第二RF電源供應器供能給該第二磁核。
  46. 一種用於成長單晶鑽石材料的方法，該方法包括：a)提供一環形電漿容器，其包括一製程反應室；b)定位一磁核使其包圍該環形電漿容器的一部分；c)利用RF輻射來供能給該磁核，從而在該環形電漿容器之中形成一環形電漿迴路放電；d)提供一工件支架，其包括至少一面用以在成長期間支撐該工件；e)提供一電漿導向結構，其經過塑形以及尺寸設計，用以侷限該環形電漿迴路中的一電漿之一部分實質上垂直於在成長期間支撐該工件的該至少一面的一法線來前進；以及f)於該工件上成長單晶鑽石材料。
  47. 根據申請專利範圍第46項的方法，其進一步包括於成長期間平移該工件支架。
  48. 根據申請專利範圍第47項的方法，其中，該工件支架在成長期間的平移速率約略等於該單晶鑽石的成長速率。
  49. 根據申請專利範圍第46項的方法，其進一步包括平移該工件支架，俾使得在該工件上的一成長表面於成長期間係位於實質上相同的位置處。
  50. 根據申請專利範圍第46項的方法，其進一步包括於至少一個位置將製程氣體引進該製程反應室中。
  51. 根據申請專利範圍第50項的方法，其中，該至少一個位置經過選擇，以便改良沉積條件。
  52. 根據申請專利範圍第50項的方法，其中，該至少一個位置經過選擇，以便減少該製程反應室之壁部上非所希望的沉積。
  53. 根據申請專利範圍第46項的方法，其進一步包括定位一冷卻元件相鄰於該工件支架，用以將該工件的溫度控制於一所希望的操作溫度。
  54. 根據申請專利範圍第46項的方法，其中，於該工件上成長單晶鑽石材料包括將該單晶鑽石材料成長至大於1.5公分的維度。
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