【技術分野】 【0001】 優先権 本特許出願は、2020年2月24日に出願された、「PLASMA SHAPING FOR DIAMOND GROWTH」と題し、発明者としてJohn CiraldoおよびJonathan Levine-Milesが名を連ねる米国仮特許出願第62/980,673号からの優先権を主張し、その開示は、全体を参照により本明細書に援用するものとする。 【0002】 発明の分野 本発明の例示的な実施形態は、概して、基板上のダイヤモンドの形成に関し、より詳細には、本発明の例示的な実施形態は、目標とするダイヤモンド成長のためのプラズマ成形に関する。 【0003】 発明の背景 ダイヤモンドは、様々な用途に使用されている。例えば、集積回路の製造、またはレーザシステムのレンズとして使用されることがある。また、ダイヤモンドは、単に宝石として使用されることもある。しかしながら、ダイヤモンドの製造には多くの技術的な課題がある。 【0004】 化学気相蒸着(CVD)とは、基板の表面で化学物質を分解することによって気相から材料の膜を蒸着させるプロセスである。最も頻繁には、このプロセスは熱的に駆動されるが、光やプラズマを利用した方法も使用される。膜の蒸着は化学反応によって制御される。 【0005】 様々な実施形態の概要 本発明の一実施形態によれば、システムがダイヤモンドを成長させる。本システムは、マイクロ波チャンバを有する化学気相蒸着反応器を含む。本システムはさらに、チャンバ内に位置決めされるように構成された単結晶シードを含む。本システムはまた、前駆体ガスも含む。マイクロ波源が、前駆体ガスにエネルギーを与えてプラズマプルームを生成するように構成されている。システムの電磁波源が、チャンバ内のプラズマプルームの位置を調整するための、かつ/またはプラズマプルームの形状を調整するための誘導外場(steering field)を発生させるように構成されている。 【0006】 マイクロ波源は、マイクロ波放射を放出する。マイクロ波源は、ガスにエネルギーを与える第1の電場を生成してもよい。帯電したガスは、メタンおよび水素を含んでいてもよい。第1の電場と誘導外場とは、少なくとも部分的に重畳していてもよい。電磁波源は、とりわけ、磁気コイル、帯電したリング、および/または電気的にバイアスされた機械的な支持体を含んでいてもよい。 【0007】 本システムはさらに、単結晶シードが位置決めされた機械的な支持体を含んでいてもよい。本システムはさらに、ダイヤモンドから形成された複数の単結晶シードを含んでいてもよい。加えて、本システムは、蒸着フィードバックシステムを含んでいてもよい。蒸着フィードバックシステムは、1つまたは複数のシードの温度を決定し、1つまたは複数の成長したダイヤモンドの寸法を測定し、かつ/またはプラズマプルームの形状を決定するように構成されている。蒸着フィードバックの結果として、1つまたは複数の電磁波源の外場強度および/または他の特性が調整されてもよい。 【0008】 別の実施形態によれば、方法が、チャンバ内にプラズマプルームを発生させる。チャンバは、プラズマプルームが不安定または準安定であるように構成されている。したがって、プラズマプルームは、第1の位置と第2の位置との間で移動する。本方法は、プラズマプルームを第1の位置に向けてバイアスする。 【0009】 本方法はまた、チャンバ内に単結晶シードを提供してもよい。チャンバは、円筒形のチャンバであってもよい。プラズマプルームからの炭素は、一連の反応を通じて、単結晶シード上に蒸着されてダイヤモンドを形成する。例示的な実施形態では、単結晶シードは、機械的な支持体上に位置決めされている。幾つかのチャンバでは、第1の位置は単結晶シードの上方にあり、第2の位置はチャンバの頂部にある。しかしながら、プラズマプルームの他の位置も可能である。 【0010】 本方法は、プラズマプルームにバイアスするための電場を発生させてもよい。追加的または代替的に、本方法は、プラズマプルームにバイアスするための磁場を発生させてもよい。幾つかの実施形態は、バイアスされたプラズマプルームの形状を修正するための第2の磁場または第2の電場を発生させる。 【0011】 さらに別の実施形態によれば、方法が、ダイヤモンド成長を制御する。本方法は、成長環境に単結晶シードを提供する。炭素を含有するガスにエネルギーが与えられてプラズマプルームを生成する。本方法は、プラズマプルームの蒸着特性を調節するための誘導外場を作り出す。 【0012】 誘導外場は、プラズマプルームの形状を変化させるように構成されている。例示的な実施形態では、本方法は、シードに面するプラズマプルームの境界の形状を、より大きな曲率半径を有するように変化させる。追加的または代替的に、本方法は、プラズマプルームの形状をより広く変化させることによって蒸着面積を増加させてもよい。誘導外場は、1つまたは複数の磁場、電場、および/または電磁場を用いることによって発生させてもよい。 【0013】 本発明の一実施形態によれば、プラズマプルームの位置および/または形状が、ダイヤモンドを成長させるために使用される。本方法は、成長環境に単結晶シードを提供する。単結晶シードは、ダイヤモンドから形成される。本方法は、炭素を含有するガスにエネルギーを与えて、単結晶シード上に遊離炭素原子を蒸着させるプラズマプルームを生成する。本方法はまた、プラズマプルームの炭素原子蒸着特性を調節するための誘導外場を作り出す。 【0014】 幾つかの実施形態では、成長環境は、化学気相蒸着チャンバ内にある。さらに、ガスはメタンを含んでいてもよい。プラズマプルームの炭素原子蒸着特性は、プラズマプルームの形状を変化させること、および/またはプラズマプルームの少なくとも一部の密度を変化することによって調節されてもよい。 【0015】 誘導外場は、プラズマプルームの形状および/または密度を変化させてもよい。例えば、誘導外場は、シードに面するプラズマプルームの部分の形状を、より大きな曲率半径を有するように(すなわち、より平面的になるように)変化させてもよい。追加的または代替的に、誘導外場は、プラズマプルームの形状をより広く変化させることによって蒸着面積を増加させてもよい。 【0016】 誘導外場は、1つまたは複数の磁場、電場、および/または電磁場によって作り出されてもよい。例えば、誘導外場は、1つまたは複数の永久磁石によって作り出されてもよい。磁石は、蒸着領域に隣接して位置決めされていてもよい。誘導外場は、1つまたは複数の電磁コイルを用いて作り出されてもよい。電磁コイルは、蒸着領域および/またはチャンバを包んでいてもよい。誘導外場はまた、電気的に(電圧)バイアスされたリングまたはプレートを介して作り出されてもよい。幾つかの実施形態では、電磁コイルは、シードに隣接して、かつ/またはチャンバの外部に位置決めされ、誘導結合プラズマを生成する。 【0017】 当業者は、すぐ下に要約された図面を参照して論じられる以下の「例示的な実施形態の説明」から、本発明の様々な実施形態の利点をより完全に理解するはずである。 【図面の簡単な説明】 【0018】 【図1】本発明の例示的な実施形態に従った、ダイヤモンド成長プロセスの開始時におけるダイヤモンド成長環境を概略的に示す図である。 【図2】本発明の例示的な実施形態に従った、ダイヤモンド成長環境におけるダイヤモンド成長を概略的に示す図である。 【図3A】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3B】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3C】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3D】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3E】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3F】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図3G】本発明の例示的な実施形態に従った、異なるタイプの電場、磁場、および/または電磁場を用いたプラズマプルームの調節を概略的に示す図である。 【図4】本発明の例示的な一実施形態に従った、ダイヤモンドを成長させるプロセスを示す図である。 【0019】 例示的な実施形態の説明 例示的な実施形態は、プラズマプルームの位置および/または形状を調整して、化学気相蒸着を用いたダイヤモンドの蒸着を向上させる。特に、例示的な実施形態は、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着を使用する。プラズマプルームは、プルーム内のイオンの分布によって大きく規定される形状を有する。一般に、プルームは、CVDチャンバの内部で予測可能な形状および位置を有する。例示的な実施形態は、磁場および/または電場を使用して、プルームの位置および/または形状を有利に調節する。 【0020】 図1は、本発明の例示的な実施形態に従ったダイヤモンド成長環境10を概略的に示す。例示的な実施形態では、成長環境10は、化学気相蒸着(CVD)のために使用されるチャンバ15の内部である。一般に、プラズマ16(プラズマプルーム16とも言う)は、ガス32をイオン化する(例えば、マイクロ波30を用いてメタンにエネルギーを与える)ことによって生成される。ガス32は、チャンバ15に注入されてもよく、とりわけ、様々な濃度の水素、メタン、アルゴン、窒素、および/または酸素を含んでいてもよい。 【0021】 チャンバ15の内部には、耐火性金属支持体11上に(例えば、直接)配置された1つまたは複数のダイヤモンドシード12がある。耐火性金属支持体11は、それ自体が、温度制御された成長ステージ13上に位置決めされていてもよい。代替的に、ダイヤモンドシード12は、成長ステージ13上に直接位置決めされていてもよい。 【0022】 CVD成長プロセスの間、チャンバ15は、高温プラズマ16内に形成されるガス32の前駆体で満たされる。先に説明したように、プラズマ16は、メタン(CH₄)などの帯電したガス32にエネルギーを与える(例えば、マイクロ波30を用いる)ことによって形成されてもよい。特定の理論に拘束されることを望むものではないが、本発明者らは、プラズマ16にエネルギーを与えると、ガス32の原子がばらばらになり、遊離炭素原子が一連の反応を通じてシード12結晶に付着することを可能にすると考えている。したがって、ダイヤモンド14(または他の結晶14)の成長は、成長界面26で起こる。 【0023】 図2は、本発明の例示的な実施形態に従ったダイヤモンド成長環境10におけるダイヤモンド14の成長を概略的に示している。プラズマプルーム16に対するダイヤモンド成長界面26の位置および/または方向は、CVDを介したダイヤモンド14の成長に影響を及ぼす。例えば、図1では、ダイヤモンド成長界面26は、ダイヤモンドシード12の露出した表面である。しかしながら、図2では、ダイヤモンド成長界面26は、新しいダイヤモンド14の成長によって画定される表面を含む。 【0024】 プラズマプルーム16は、蒸着プロセスのためにフリーラジカルと熱エネルギーとの両方を提供する。したがって、ダイヤモンド成長界面26(例えば、ダイヤモンドシード12)に対するプルーム16の位置は、成長メカニズムにとって重要である。プルーム16は、明確に画定された境界を有さず、ひいては正確な形状を有しないが、議論を簡単にするために、プラズマ16を形状を有するものとして扱うのが典型的であることを理解されたい。例えば、プラズマプルーム16の形状を、強い光放射の領域として視覚化することが可能である。 【0025】 典型的なRFまたはマイクロ波プラズマ反応器の場合、プルーム16は、成長界面26の近くで丸みを帯びる傾向があり、これは、(例えば、図2に示すように)複数のダイヤモンド14を同時に成長させるときに、均一な成長条件を維持することを困難にし得る。個々のダイヤモンド14は、典型的には、単一の平面(例えば、シード12によって画定される)に沿って整列されるが、プラズマ16の形状(例えば、成長界面26に最も近いプルーム16の部分)は、本質的に非平面的なものである。例えば、ダイヤモンドシード12Aは、ダイヤモンドシード12Bよりもプラズマプルーム16の「境界」からさらに遠く離れている。ここで、境界34は、成長界面26に面するプラズマプルーム16部分の一部または全部を含むと言うことができる。こうしたプルーム16の境界34からの距離の違いにより、様々なシード12(例えば、端部に向かうシード12Aと比較して、中央部に向かうシード12B)の温度および成長条件に差が生じる。したがって、図2に示すように、ダイヤモンド14の成長は、シード12Bと比較して、シード12Aで不均一になる可能性がある。 【0026】 プラズマプルーム16の非平面形状から生じる不均一な成長条件の結果には、成長するダイヤモンド14を横切る大きな熱勾配が含まれる。これらの不均一な成長条件は、成長ダイヤモンド14を横切る熱勾配(すなわち、プラズマ16自体から)、ならびに成長界面26の様々な部分がプラズマプルーム16(例えば、境界34)から異なる距離にあることに起因した成長条件の変動によって引き起こされる。 【0027】 例示的な実施形態は、手順の最適化および/または不活性ガス種の注入によるものを含む、成長中のプラズマ16の形状を修正してもよく、その両方が、プラズマプルーム16内の動力学を変化させ得る。以下で議論されるように、これらの技術は、プルーム16の形状を修正することができる。本発明者らは、圧力、温度またはガス化学などのプロセス条件を大幅に修正する必要なしに、プラズマ16の形状または位置をin-situで修正するために、能動的な手段を利用できることを見出した。 【0028】 プルーム16の修正には、例えば、標的領域においてプルーム16をより密にすること、成長界面26の形状に対応するようにプルーム16の境界34を修正すること(例えば、境界34と成長界面26との間の距離を正規化すること)、および/または境界34を実質的により平面状にすることが含まれ得る。これらの様々な修正は、成長速度を向上させ、最終的には、ダイヤモンド14材料の成長速度および最終品質を向上させることができる。別の例として、プルーム16を広くして、蒸着面積を増加させることができる。したがって、成長したダイヤモンド14の量および品質が向上し得る。 【0029】 図3A~3Cは、本発明の例示的な実施形態に従った、プラズマプルーム16を再付形および/または再位置決めするための様々な技術を概略的に示す。具体的には、本発明者らは、電場および/または磁場を用いてプラズマプルーム16を付形(誘導するとも言う)できることを見出した。これらの技術は、プラズマ16を、(任意に、圧力およびガス化学を含むプロセス条件を修正することなく)外場によって再付形されたプラズマ16A(例えば、再付形された境界34Aを含む)へと能動的に再付形することを可能にする。 【0030】 プラズマプルーム16を再付形することによって、成長環境10は、より均質化され、成長のばらつきおよび不安定性を低減することができる。加えて、プラズマ16は、関心領域においてより密にされ得、成長速度を向上させ、最終的には、成長したダイヤモンド14材料の成長速度および最終品質を向上させることができる。幾つかの実施形態では、再付形された境界16Aが実質的に平面とみなされ得る(例えば、プラズマプルーム16Aが、ダイヤモンド成長界面26に面する大きな曲率半径を有する)ように、プルーム16は広げられてもよい。幾つかの実施形態では、プラズマ16は、境界34において曲率半径を有すると言われてもよい。例示的な実施形態は、プルーム16Aを付形して曲率半径を大きくすることができ、それによって境界34Aの丸みを減らし、より平面的なものにする。 【0031】 例示的な実施形態は、成長界面26の端部付近で成長した結晶14Aが、中心部付近で成長した結晶14Cと実質的に同じ成長条件を経験するように、プラズマプルーム16を有利に修正する。プルーム16を修正しなければ、端部付近の結晶14Aは、中心部付近の結晶14Cとは異なる化学的性質および温度を見る。一般に、実質的に境界34の部分が大きければ大きいほど、より多くのシード12をチャンバ15内に位置決めして、均質な成長を同時に行うことができる。例えば、幾つかの実施形態は、シード12の3×3配置に対して実質的に均質な成長条件を提供するプルーム16を有していてもよい(例えば、9個の結晶14を成長させるために)。幾つかの実施形態は、シード12の4×4配置が均質に成長し得るように(すなわち、16個の結晶14)、プルーム16の形状を調整してもよい。したがって、例示的な実施形態は、有利には、他の点では同一の成長環境10について、均質な結晶14の数の2倍近く、または2倍を超える成長を可能にする。さらに、プルーム16は、シード結晶12が5×5配置で均質な成長条件を有することができるように、平坦化する(すなわち、境界34またはその一部で実質的により平面状にする)ことができる。幾つかの実施形態は、5×5よりも大きい(例えば、10×10まで)シード12配置の均質な成長を可能にする。 【0032】 均質な成長条件を提供するために、プルーム16の境界34の形状は、成長界面26の形状に実質的に対応する。形状の正確な対応が望ましいが、当業者であれば、プルーム16の形状(例えば、境界34)と成長界面26の形状との対応におけるわずかな改善であっても、本明細書に記載される様々な利点を提供し得ることを理解する。 【0033】 一般に、シード12は、実質的に平面である支持体11および/またはステージ13上に位置決めされている。例示的な実施形態は、プルーム16の形状を実質的に平面であるように修正してもよい(すなわち、同じく実質的に平面である成長界面26の形状に対応する)。成長界面26が不連続部分(例えば、シード12の間)、またはシード12および/もしくはダイヤモンド14上のわずかな角度のミスカットを有することがあるが、成長界面26が依然として実質的に平面であると考えられることが理解されるべきである。プルーム16の形状が成長界面26の形状に正確に対応する可能性は低い。しかしながら、プルーム16の形状と成長界面26との間の正確な対応は理論的には理想的であるが、本発明者らは、プルーム16の形状を成長界面26の形状により密接に対応するように調整するだけで、本明細書に記載される様々な利点が提供されることを見出した。別の言い方をすれば、プルーム16の形状を調整して、成長界面26におけるダイヤモンド14の成長条件を均質化することで、様々な利点が提供される。 【0034】 プルーム16の形状(例えば、イオンの変位)を制御するために、例示的な実施形態は、磁場および/または電場を使用してもよい。本発明者らは、両方のタイプの外場が、プルーム16の形状を調整できることを見出した。これは、プラズマプルーム16が、電場に対して高い応答性を有する導電性のガスと類似しているからである。プラズマ16のイオンは運動しているので、プルーム16の形状は、磁場に対しても応答性を有する。したがって、例示的な実施形態は、磁場および/または電場を使用して荷電粒子を誘導し得、それによってプルーム16の形状を調整する。様々な実施形態では、磁気および/または電気バイアスは、シード12および/またはプルーム16に印加されてもよい。さらに、プルーム16の様々な部分が荷電されていてもよい(例えば、プルーム16の中心部を下に誘導することなく、プルーム16の外縁が下に誘導されてもよい)。 【0035】 図3Aに示すように、誘導外場が本質的に磁性を持つ場合、蒸着領域に隣接して(例えば、成長界面26に隣接して)位置決めされている永久磁石20(例えば、希土類磁石20)などの1つまたは複数の電磁波源を含んでいてもよい。代替的に、図3Bに示すように、外場は、電磁コイル22などの1つまたは複数の電磁波源によって生成されてもよい。磁気コイル22は、例えば、チャンバ15の外部に位置決めされて、誘導結合プラズマ16Aを生成してもよい(例えば、チャンバ15の周囲に巻き付けられる)。代替的または追加的に、磁気コイル22は、チャンバ15の壁に内蔵されてもよい。 【0036】 図3Cは、本発明の例示的な実施形態に従って、チャンバ15を取り囲む電磁コイル22を概略的に示す。上述したように、電気および/または磁気の誘導外場は、より良好なプラズマ16の均一性を提供する。しかしながら、例示的な実施形態はまた、特定のタイプの反応器においてより良好なプロセス安定性を提供し得る。例えば、幾つかの反応器では、プラズマ16は、(例えば、2つの安定した位置の間で)移動する傾向を有することがある。 【0037】 図3Dは、本発明の例示的な実施形態に従った、チャンバ15内のプラズマプルーム16の2つの異なる位置161および162を概略的に示す。チャンバ15におけるプラズマ16の相対位置161および162の説明をよりし易くするために、チャンバ15の壁62が示されている。加えて、石英窓60も示され、それを通ってマイクロ波源64がマイクロ波放射30を放出する。加えて、チャンバ15内にガス32を投入するように構成されたガス注入器66が示されている。壁62、窓60、マイクロ波源64、およびガス注入器66は他の図には示されていないが、当業者は、これらの構成要素のすべてが他の図全体に存在し得ることを理解すべきである。しかしながら、これらの構成要素は、様々な図面から省略される。さらに、壁62、窓60、マイクロ波放射源64、およびガス注入器66の形状、配置、および位置は、単に例示であり、様々な実施形態を制限することを意図していないことを理解されたい。 【0038】 好ましい実施形態では、チャンバ15は、マイクロ波に対して高い反射率を有する定在波型チャンバ15である。したがって、波は、比較的低い損失によりチャンバ内でバウンスする。したがって、例示的な実施形態は、(RF電極を有するプラズマ強化CVDと比較して)電極を有しない。一般に、RF電極を有するシステムのプラズマの形状は、電極によって規定される。これに対し、マイクロ波チャンバ15のプラズマ16の形状は、定在波によって規定される。さらに、マイクロ波チャンバ15では、一般に、試料(例えば、基板)が位置決めされるステージにバイアスがない。 【0039】 本発明者らは、マイクロ波場が有利にダイヤモンド成長促進を提供することを見出した。ダイヤモンド14はRF場で成長するが、成長速度は一桁低くなる可能性がある。不利なことに、マイクロ波場におけるプラズマプルーム16は、不所望にも小さく、球状である。これに対し、RF場は、典型的には、有利に大きくかつ比較的平坦であるプラズマプルームを生成する。したがって、例示的な実施形態は、有利には、第2の外場(例えば、電気、磁気、および/または電磁)を用いてプラズマ16のサイズおよび/または形状を調整し、それによって、成長品質および/または成長したダイヤモンド14の数を向上させる。 【0040】 ダイヤモンド14の成長プロセスを開始するために、チャンバ15のガス32にエネルギーを与えることによって(例えば、マイクロ波源64から石英窓60を通してマイクロ波放射30を放出することによって)、プラズマ16に衝突させる。マイクロ波30は電磁波であるので、ガス32をプラズマ16に変換するように構成された第1の電場を生成する。その後、当業者によって知られているように、マイクロ波放射30は、プラズマ16を維持するために成長プロセス中に放出され続ける。プラズマ16に衝突させた後、一般に、プラズマ16は位置161に落ち着く。しかしながら、プラズマ16の位置161は不安定または準安定であってもよく、プラズマ16は第2の位置162(例えば、石英窓60によって囲まれたチャンバ15の頂部)に移動してもよい。例示的な実施形態では、第1の位置161は、第2の位置162よりもダイヤモンド14の成長にとってより望ましい場合がある。 【0041】 したがって、プラズマ16にエネルギーが与えられると、(例えば、チャンバ15の設計に依存して)1つまたは複数の安定したかつ/または不安定な静止位置を有することができる。両方の位置が不安定または準安定である場合、プラズマ16は、経時的に第1の位置161と第2の位置162との間で移動することができる。第1の位置161および第2の位置162の場所は、チャンバ15の形状の関数である。したがって、幾つかのチャンバ15は、プラズマプルーム16が静止する単一の安定位置161を有するように設計され、他のチャンバ15は、プラズマプルーム16が間を移動する2つ以上の位置161,162を有していてもよい。例えば、幾つかのチャンバ16は、対称的な位置(例えば、第1の位置161はプラットフォーム11の上方にあり、第2の位置162はチャンバ15の頂部で第1の位置161の上方にある)を有していてもよい。特に、本発明者らは、円筒形のチャンバ15が、チャンバの頂部(例えば、マイクロ波放射30がチャンバ15に入るのに通る石英窓60によって囲まれた)に第2の位置162を有する傾向があることを見出した。 【0042】 所与の時間において、プルーム16が第1の位置161にある一定の確率と、プルーム16が第2の位置162にある一定の確率とが存在する。さらに、プルーム16が他の位置にもあり得るという減少する確率も存在し得る。例示的な実施形態は、本明細書に記載される誘導外場を使用して、プラズマプルーム16を単一の安定した位置に向けてバイアスし、プラズマプルーム16が所望の位置161にある確率を有利に高めることができる。 【0043】 例示的な実施形態は、プラズマ16に衝突する前、間、および/または後に、第2の電場または第1の磁場(位置決め外場と言う)を活性化してもよい。位置決め外場は、プラズマ16を特定の位置161または162に電気的および/または磁気的にバイアスする。有利には、これにより、異なる位置161または162で点火することができるプラズマ16の位置の制御が可能になる。さらに、プラズマが所望の位置161で始まったとしても、プラズマ16が衝突後に第2の不安定または準安定な位置162に移動することが可能である。当業者であれば、プラズマ16は、望ましい位置161でダイヤモンド14を成長させ得るが、望ましくない位置162でチャンバ15の一部を破壊し得ることを理解するであろう。 【0044】 有利には、例示的な実施形態は、位置決め外場(例えば、リング24からの電気バイアスまたはコイル22からの磁気バイアスによって発生させられる)を使用して、プラズマプルーム16を第1のダイヤモンド14成長位置161に位置決めする。したがって、幾つかの実施形態は、電場および/または磁場の重畳(例えば、プラズマを点火するための第1の電場と、プラズマを位置決めするための第1の磁場と)を提供する。 【0045】 上述したように、チャンバ15のサイズおよび形状は、プルーム16の安定した位置に影響を及ぼす。しかしながら、チャンバ15のサイズおよび形状がプルーム16の安定性および移動傾向に及ぼす影響についての議論は、本議論の範囲外である。一般に、RFエンジニアは、チャンバ15を共振空洞になるように設計する。CVDで一般的に採用される2つの周知のチャンバ設計には、クラムシェルチャンバ15および円筒形のチャンバ15が含まれる。本発明者らは、クラムシェルチャンバ15は単一の安定位置161を有する傾向があり、一方、円筒形のチャンバ15はプルーム16を少なくとも2つの位置161および162の間で移動させる傾向があることを見出した。 【0046】 図3Eは、プルーム16が第1の位置161にバイアスされている図3Cのチャンバ15の構成を概略的に示す。図3Eに示されるように、プラズマ16は、電磁コイル22をチャンバ15の周囲に位置決めすることによって誘導結合されていてもよい。コイル22は、その内部に層流でコイル22に平行な位置決め外場を生成する。当業者には知られているように、コイル22の内部に生成される電場は均一であり、単一方向を向いている。したがって、コイル22は、電流の方向に応じて、プルーム16を上または下のいずれかにバイアスする。したがって、コイル22を使用して、プルーム16の形状を変化することに加えて、またはその代わりに、プルーム16をその第1の位置161にバイアスすることができる。 【0047】 さらに、例示的な実施形態では、金属ステージ11は、金属ステージ11が帯電しているときに反発力を作り出すことによって、プラズマ16の境界条件を作り出す。したがって、プラズマ16がステージに向かって進むほど、電磁力によってプラズマ16が遠ざけられる。したがって、プラズマ16の中心部はステージ11によって反発され得、一方、プラズマ16の端部は押し下げられる可能性がある。 【0048】 図3Fは、例示的な実施形態に従って、プルーム16を第1の位置161にバイアスするための代替的な配置を概略的に示す。リング24が、ダイヤモンド14の成長領域および/または成長界面26の外側の周囲に位置決めされていてもよい。リング24は、電気的にバイアスされていてもよい。図3Eでは、リング24は、蒸着表面より低い高さで示されている。しかしながら、幾つかの実施形態では、リングは、蒸着表面と同じ高さであってもよい。リング24全体がバイアスされていてもよい。代替的に、例示的な実施形態は、個々のシード間の高低差などの物理的なばらつきを補償するために、例えば、多くの個々のシードの各々の下に、局所的なバイアス点を生成してもよい。 【0049】 リング24をバイアスすることによって、プルーム16の端部16Bは、中心部16Cを下方に誘導することなく、下方に引っ張られることができる。例示的な実施形態は、リング24を、中心部16Cよりもプルームの外側端部16Bに近くなるように、成長の周りに配置する。リング24についての様々な寸法および位置を使用してもよい。当業者であれば、外場強度が1/r²に比例することを知っている。したがって、ここで説明されている位置では、外側端部16B(これはリング24により近い)は、プルーム16の中心部16Cに対してより大きな誘導力を経験する。したがって、プラズマ16は、プラズマ16の中心部16Cにほとんど影響を及ぼさない一方で、端部16Bで平坦になるように誘導される(例えば、誘導されたプラズマ16Aで示されるように)。 【0050】 図3Gは、本発明の例示的な実施形態に従った、プルーム16を所望の位置および/または形状にバイアスするためのさらに別の実施形態を示す。図3Gでは、ステージ11自体が電気的にバイアスされている(例えば、ステージ11に電圧を印加することによって)。先に議論された実施形態と同様に、バイアスプレートによって生成される誘導力を使用して、プラズマを所望の形状および/または位置に誘導する。 【0051】 幾つかの実施形態では、ステージは、目標とする場所でバイアスすることができる。例えば、バイアスは、シード12の各々の位置で起こり得る。したがって、シード12は、ステージ11の周りに互いに間隔を空けて配置することができ、各シード12は独立してバイアスすることができる。かかるバイアス構成は、プラズマ16を誘導するためのより大きな特異性(例えば、プラズマ16が行くべき場所と、プラズマ16が行ってほしくない場所)を提供する。これは、シード12が常に同じ速度で成長するわけではない状況において、特に有利であり得る。したがって、1つのシード12が別のシード12よりも速い速度で成長しているように見える場合、減少した成長を有するシード12は、より多くのプラズマ16をそれに向かって引き寄せることができる。代替的に、より速い成長を経験しているシード12は、それに向かって誘導されるプラズマ16の量を停止または減少させることができる。さらに、1つまたは複数のシードは、プラズマ16をさらに遠ざけるようにバイアスされていてもよく、一方、他のシード12はプラズマ16を引き寄せてもよい。このようにして、成長プロセスの必要性に基づいて再付形する非常に特異的なプラズマ16を作り出すことが可能である。 【0052】 幾つかの実施形態は、各シード12における温度を検出するように構成された温度センサを含んでいてもよい。例えば、各シード12は、そこに印加される固有の電圧を有し得る別個のパッド上にあってもよい。各パッドはまた、別個の温度センサを有していてもよい。しかしながら、プロセス条件に起因して、パッドはおそらくセンサを有しないであろう。その代わりに、例示的な実施形態は、パイロメータまたはIRカメラを用いるなどして、温度を光学的に測定してもよい。一般に、プラズマ16が成長界面26の特定の部分に近いほど、その場所での温度はより高温である。したがって、温度フィードバックを使用して、特定の場所に誘導されるプラズマ16の量を自動的に調整することができる。例えば、1つのシード12が他のシードよりも高温である場合、より高温のシード12の温度は、マイクロコントローラをトリガしてバイアス電圧を変化させ、そのシード12に向かうプラズマの誘導を減らすことができる。ここでは、1つのシードに対する簡単な例を説明したが、この温度フィードバックが複数のシードに対して同時に使用されてもよいことは明らかであろう。 【0053】 追加的または代替的に、光学的フィードバックを使用して誘導外場を調整することができる。例えば、カメラは、プラズマ16を撮像し、光の強度の関数としてプルーム16の形状をマッピングするコントローラと通信することができる。光の強度を使用してプラズマプルーム16の様々な部分の高さを調整することができる。 【0054】 フィードバックは図3Fを参照して議論されるが、本明細書で議論されるフィードバック機構は、本明細書に開示される様々な電磁バイアス構成のいずれか、およびその変形と共に採用され得ることが、当業者には明らかであろう。 【0055】 図4は、本発明の一実施形態に従った、1つまたは複数のダイヤモンドを成長させるプロセス400を示す。この方法は、通常使用され得るより長いプロセスから実質的に簡略化されていることに留意されたい。したがって、図4の方法は、当業者がおそらく使用するであろう多くの他のステップを有していてもよい。さらに、ステップの幾つかは任意であり(例えば、ステップ410)、かつ/または示されているものとは異なる順序で(例えば、ステップ406はステップ404の前に開始してもよい)、もしくは同時に行われてもよい。したがって、当業者はプロセスを適宜修正することができる。 【0056】 さらに、上述および後述するように、言及される材料および構造の多くは、使用され得る多種多様な異なる材料および構造のうちの1つでしかない。当業者であれば、用途および他の制約に応じて、適切な材料および構造を選択することができる。したがって、特定の材料および構造に関する議論は、すべての実施形態を限定することを意図するものではない。 【0057】 プロセス400は、所定の圧力、温度、および環境ガスなどの環境条件が注意深く制御されたチャンバ15を有する炉、反応器、または他の装置(図示せず)の内部で実行されてもよい。一例として、プロセス400は、CVD法を用いて実施されてもよい。 【0058】 プロセスは、ステップ402で始まり、ダイヤモンドシード12を成長環境10(例えば、図1に示すように真空密閉されたCVDチャンバ15内)において位置決めする。具体的には、ダイヤモンドシード12は、耐火性金属支持体11上に位置決めされてもよく、それ自体は、温度制御された成長ステージ13上にあってもよい。例示的な実施形態はダイヤモンド14の成長に言及しているが、とりわけ、シード12は、例えば、酸化マグネシウム、イリジウム、シリコン、イットリウム安定化ジルコニウム、チタン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、またはこれらの組み合わせから形成されてもよい。当業者は、シード12についてさらに別の材料を選択してもよい。好ましくは、シード12は、単結晶/モノクリスタル構造を有する。シード12がダイヤモンドから形成される例示的な実施形態では、シード12の成長表面は、約±5度の範囲のミスカット/方位を有する(100)結晶配向を有していてもよい。 【0059】 様々な実施形態では、1つまたは複数のダイヤモンドシード12が、チャンバ15内に位置決めされていてもよい。さらに、ダイヤモンドシード12は、平面表面上に整列されているように示されているが、幾つかの実施形態では、ダイヤモンドシード12は、(例えば、プルーム16の予想される「形状」に合わせて)別様に位置決めされていてもよい。 【0060】 次いで、プロセスはステップ404に進み、プラズマ16を生成する(プラズマ16に衝突させるとも言う)。先に説明したように、成長環境10は、(例えばマイクロ波によって)エネルギーを与えられる30とプラズマ16になるメタン(CH₄)などのガス32を含む。ガス32は、チャンバ15内に注入されてもよい。幾つかの実施形態では、ガス32は、水素、メタン、アルゴン、窒素、および/または酸素を含んでいてもよい。プラズマ16は、シード12(例えば、ダイヤモンドシード12)上に蒸着される炭素の供給源を提供する。このようして、ダイヤモンド14の成長プロセスが開始される。 【0061】 次いで、プロセスはステップ406に進み、プルーム16からの材料(例えば、炭素含有イオン)の蒸着をガイドするために、かつ/またはプルーム16をある位置に向けてバイアスするためにプルーム16を再付形するように構成された誘導外場を作り出す。そのために、例示的な実施形態は、磁石20(例えば、図3Aに示されるような)または電磁コイル22(例えば、図3Bに示されるような)を含んでいてもよい。図3Bは、コイル22が蒸着領域を包み、かつ/または取り囲むことを示しているが、これは単に例示のためであり、様々な実施形態を制限することを意図していないことを理解されたい。実際、幾つかの実施形態では、コイル22は、蒸着領域を包み、かつ/または取り囲む。幾つかの他の実施形態では、例えば、コイル22は、チャンバ15全体を包んでいてもよい(例えば、コイル22は、チャンバ15の外周に沿って位置決めされていてもよい)。 【0062】 誘導外場が電気的である場合、結果は2つの外場の重畳、すなわち、RFまたはDC場と結合した交互のマイクロ波場である。外場は、所与の電圧を有する電気的にバイアスされたリングまたはプレート24を介して、蒸着領域に隣接して生成されてもよい。代替的に、バイアスは、蒸着領域を包含しかつ蒸着表面(例えば、プラテン)の高さと同様またはそれよりも低めに位置決めされるリング24に印加されていてもよい。また、個々のシード間の高低差などの物理的なばらつきを補償するために、例えば、多くの個々のシードの各々の下に、局所的なバイアス点を生成することが望ましい場合がある。PID制御で行われるような自動化されたプロセスではあるが、外場強度を、局所的にまたは外場の形成を通して制御することがさらに有利である場合がある。したがって、外場強度は、成長速度または温度などの独立した変数を介して調節され得る。 【0063】 先に説明したように、誘導外場を使用してプラズマプルーム16の形状を変化させることができる(例えば、図3A~3Bの再付形プラズマ16Aを参照されたい)。例えば、プラズマプルーム16は、より多くのシード12に良好に到達するように広げられてもよい。追加的または代替的に、プラズマプルーム16の形状は、より均質な成長特性を提供するように調整されてもよい。追加的または代替的に、誘導外場を使用してプラズマプルーム16の位置を変化させることができる。 【0064】 次いで、プロセスはステップ408に進み、これによりダイヤモンド14を蒸着させる。ステップ406の後に起こるように示されているが、ダイヤモンド14の蒸着プロセスは、プラズマプルーム16が生成されるときに起こってもよいことを理解されたい。しかしながら、蒸着されたダイヤモンド14の密度および位置は、誘導外場が作り出されたときに変化されてもよい。永久磁石が利用される場合など、幾つかの実施形態では、反応器が使用されていないときでさえ、外場が常に存在する場合がある。したがって、プルーム16の「蒸着プロファイル」は変化される。 【0065】 ステップ409において、プロセスは、ダイヤモンド14の成長フィードバックを受け取る。フィードバックは、1つまたは複数のシード12の温度に関連するものであってもよい。フィードバックはまた、プラズマプルーム16を側面から見て、特定のシード12に対するプルーム16の距離を決定する視覚モニタリング/検査システム(例えば、カメラ)からのものであってもよい。追加的または代替的に、光学および/またはレーザ測定システムが、成長したダイヤモンド14の高さを測定してもよい。本明細書に記載される様々なタイプのフィードバックは例示であり、本発明の様々な実施形態を限定することを意図していない。 【0066】 プロセスは、ステップ409で受け取ったフィードバックに基づいて誘導外場を調整するステップ406に戻ってもよい。例えば、特定のシード12が他のシード12よりも高い温度を有する場合、システムは、プラズマプルーム16をそのシード12に向かって引き寄せる誘導力を低減させることができる。別の例として、特定のダイヤモンド14が他のダイヤモンド14ほど速く成長していない場合、より短いダイヤモンド14の高さは、プラズマプルームをそのダイヤモンドに近く引き寄せるためのフィードバックとして使用され得る(例えば、プルーム16をダイヤモンド14に近く引き下げること、および/またはプルームを広げることのいずれかによって)。当業者であれば、誘導外場を調整するためにフィードバックが使用され得る様々な方法を想定することができる。例示的な実施形態では、誘導外場は、成長した様々なダイヤモンド14の成長速度がより均一になるように調整される。 【0067】 プロセスはステップ410で終了し、これによりダイヤモンド14を後加工する。例えば、プロセスは、その最終的な用途に応じて、得られたダイヤモンド14の片面または両面を研磨またはアニールしてもよい。例えば、ダイヤモンド14の片面は研磨されてもよく、かつ/または成長したダイヤモンド14は、何らかの下流の用途のためにドープされてもよい。他の後加工は、成長したバルクダイヤモンド14を所定のサイズまたは形状のウェハに切断してもよい。 【0068】 上記の議論はCVDプロセスに言及しているが、例示的な実施形態は、物理気相蒸着(PVD)プロセスでも動作し得ることを理解されたい。例えば、パルスレーザ蒸着法(PLD)は、高出力パルスレーザービームを真空チャンバ内で集束させて、蒸着させるべき材料のターゲットに当てるPVD技法である。この材料は、プラズマプルーム内でターゲットから蒸発し、これは材料を基板(ターゲットに面するシリコンウェハなど)上に薄膜として蒸着させる。したがって、例示的な実施形態は、プラズマプルームを生成する様々な蒸着タイプに適用され得る。 【0069】 上述した本発明の実施形態は、単に例示的であることを意図しており、多数の変形および修正が当業者には明らかであろう。かかる変形および修正は、様々な実施形態の範囲内であることが意図される。