发明背景
热灯丝化学汽相沉积(HFCVD)早已广泛地被研究者用来在各种基底
上沉积多晶金刚石，在J.Materials Science(材料科学杂志)17，3106(1998)
中，由Matusumoto等人发表的题为“由甲烷—氢气生长金刚石颗粒”
一文中详细描述了用于金刚石HFCVD的技术和典型的反应器设计。自
该技术公开之后，许许多多的研究人员都试图改进HFCVD技术。在J.Am.
Ceram.Soc.72(2)171(1989)中发表的C.E.Spear的题为“未来的金刚石
—陶瓷敷层”的综述中，可以看到这一发展。反应器一般包括一根电阻
式加热灯丝(resistively heated filament)和一个可被加热或被冷却的基底
基座，该基座固定在具有抽吸和压力监控设施的反应室内。灯丝是由高
熔点的耐熔金属制成的，它是用来离解通常含有氢和烃的混合物的供气
中的氢和其它分子。原子氢和其他离解产物随后与供气反应，生成导致
金刚石形成的前体。然后，前体扩散到并冷凝在基底上形成多晶金刚石。
灯丝和基底之间的距离一般为0.5～5cm，以这样小的距离，保证生长
的足够量的前体在再结合成更稳定分子之前扩散到基底上。
相对于金刚石薄膜生长的其他方法，象微波等离子体CVD
(MWCVD)、射频CVD和等离子体射流CVD，金刚石薄膜的HFCVD
的一个主要优点是装备投资费用低，对大面积基底很容易按比例扩大生
产。利用HFCVD，金刚石生长速率通常不超过5μm/hr，典型的是约
1μm/hr(例如，参看PCT国际专利公开WO 91/14798，Garg等人，发
明名称为“一种改进的热灯丝化学汽相沉积反应器”)，对于经济上
具有生存力的厚膜生产，这是很不够的。当与其他已知的金刚石生长方
法相比较时，HFCVD的一个主要缺点是它要求对基底表面进行涂擦或
接种金刚石，才能引发金刚石成核。这种预处理导致在基底表面上的浓
度相当不足，因此，通常阻碍了获得金刚石异相外延生长的可能性。这
种预处理又增加了VCD生产金刚石的费用。
在Applied Physics Letters(应用物理通讯)58(10)，1036-1038(1991)中
刊登的Yugo等人的题为“在等离子体化学汽相沉积中由电场生成金刚
石晶核”一文中，公开了提高获得成核的方法，提议在进行常规的金刚
石CVD生长之前，在硅镜面上先进行金刚石晶核的预沉积。Yugo等人
报道金刚石晶核生长要求在氢中高的甲烷含量，低于5％时，晶核生长
不发生，只有高于10％甲烷时，才出现高密度的晶核。Yugo等人还报
道了相对于CVD等离子体的偏压应当小于200伏，以避免溅射，典型
的偏压为70伏。总共的预处理时间限制在2至15分钟的范围内。
最近，Stoner等人(参见国际专利#93/13242，题为“用于金刚石化
学汽相沉积的成核增强方法”)和Jiang等人(参见“在硅基底上(001)
的外延金刚石薄膜”)，Applied Physics Letters(应用物理通讯)62(26)，
3438-3440(1993)各自独立地公开了在硅上进行金刚石薄膜的MWCVD
时通过相对于CVD等离子体对基底实施负向偏压来增强金刚石成核。
更为重要的是，两个研究组都显示，由于排出了涂擦/金刚石接种的任
何预处理，所以维持了其结晶性，伴随着成核的增强，使得金刚石(100)
晶核在Si(100)上能形成异相外延生长。在Jiang等人描述的方法中，利
用CH4/H2，金刚石MWCVD的典型制法是，相对于微波等离子体，向
基底施加-100～-300V的偏压。在Stoner等人描述的方法中，要求保
护为提高成核所要求的基底的负偏压不能低于250V。使用改进的
HFCVD-DC等离子体法和装置使金刚石成核和金刚石异相外延成核，
所需要的设备投资远远小于MWCVD法，这是下文所要讨论的本发明
的一大优点。
A.Ikegaya和T.Masaaki在JP 713366(1986)，JP 75282(1987)，和欧
洲专利公开0254312A1中早已提出常规HFCVD的改进，使它与DC等
离子体CVD相结合。在该方法中，使用热灯丝组作热电子发射体，将
栅电极装嵌在热灯丝组和基底之间。为了形成两个DC等离子体区，一
个在灯丝组和栅电极之间，另一个在栅电极和基底之间，所以对灯丝组
和基底均施加相对于栅电极的负偏压。在这两个等离子体区域内，在栅
极—灯丝区域中的等离子体密度要远高于栅极—基底区域内的密度，这
是因为从热灯丝发射出热电子。在栅极—灯丝区域内，离子被抽取
(extracted)出朝向灯丝，即，进一步远离基底。通过汽相碰撞，这种抽
取也将使产生的反应物移动到灯丝附近，而远离基底，而不是向着基底。
Ikegaya等人报导利用氢中含1％甲烷，热灯丝和栅极之间40W/cm2的
功率密度，栅极和基底之间20W/cm2，约2000℃的热灯丝温度，980～
1010℃的基底温度，90乇的压力，在碳化钨基底上的生长速率为
2μm/hr。也报导了使用氢中含2％(CH3)2CN的气体混合物，灯丝和栅极
之间60W/cm2的功率密度，栅极和基底之间40W/cm2的功率密度，生
长速率为12.5μm/hr。Ikegaya等人还报道了，当栅极和基底之间的DC
等离子体功率密度大于200W/cm2时，会导致基底遭受溅射腐蚀。Ikegaya
等人报导，这种问题的产生是因为在基底上施加了相对于栅极的负偏压
将离子吸引到了基底上。高功率密度的DC等离子体产生高的轰击能量
和高的电流密度，所诱导的能量粒子轰击引起有损害的溅射腐蚀。
排除溅射问题的理论办法是将基底连接到栅极上或者简单地除掉栅
极。通过向灯丝施加相对于基底的负偏压仍能保持DC等离子体。事实
上，A.Ikegaya和N.Fujimori在JP176762和PCT专利公开WO92/01828
中都公开了这样一种结构。然而，这样两种设计的缺点是在成核和生长
时，都不能使任何离子抽取出朝向基底。
因此，仍然存在一种对HFCVD法和设备进行改进的要求，以便提
供一种经济可行的办法去控制能量粒子轰击，来改进金刚石的成核和生
长。
发明概述
本发明公开了一种以高密度在基底上使金刚石成核的方法和设备，
而不需要任何涂擦或接种金刚石，并能以高的生长速率有效地使金刚石
敷层生长。该方法和设备的设计要考虑到上述热灯丝DC等离子体装置
和方法的局限性。
本发明提供一种通过热灯丝放电使金刚石薄膜生长的方法，包括：
将具有沉积表面的基底固定在汽相沉积室中的基底夹持器上，与基底沉
积表面间隔设置一个栅电极，并在该栅电极和该基底沉积表面之间设置
灯丝组电极。该方法包括将包含氢和含碳气体的气体混合物通入到汽相
沉积室内，并以电阻方式(resistively)将灯丝组电极加热到约1800℃～约
2600℃的温度，同时将基底加热到约600℃～约1100℃的温度范围。该
方法包括：通过向灯丝组电极施加偏压是其相对于基底夹持器为正电
压，使基底成核，向栅极施加偏压使其相对于灯丝组电极为正电压。此
后，向栅电极施加偏压使其相对于灯丝组电极为正电压，以使沉积表面
上的金刚石薄膜生长。
在使基底成核的步骤中，基底被偏置为地电位，灯丝组电极被施以
偏压使其相对于基底夹持器形成约20～约300V的电位。对栅极施以偏
压使其相对于灯丝组电极形成约20～约300V的电压。
在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤中，基底夹持器和灯丝组电
极都被偏置为地电位，对栅电极施以偏压使其相对于灯丝组电极形成约
20-300V的电压。
作为选择，在成核步骤之后的金刚石薄膜生长步骤中，基底夹持器
被偏置为地电位，对灯丝组电极施以偏压使其相对于基底夹持器为负电
压，其中，相对于基底夹持器，该负电压为约-20～约-300V。
本发明的另一个方面是提供一种为合成金刚石薄膜的热灯丝DC放
电等离子体设备。该设备包括：具有气体入口的沉积室，反应物气体从
入口流入沉积室内；具有用于夹持基底的表面的导电基底夹持器，以及
用于加热和冷却该基底夹持器的装置。该设备包括与该基底表面间隔的
栅电极；插入该栅电极和该基底夹持器表面之间的一个灯丝组电极，还
包括电阻式加热该灯丝组电极的装置。该设备还包括用以向栅电极、灯
丝组电极和基底夹持器施加偏压以产生热灯丝DC放电等离子体的装
置。施加偏压的装置包括相对于基底夹持器调节栅电极和灯丝组电极的
偏压以及它们彼此之间的偏压的装置。
本发明的另一方面是为合成金刚石薄膜，而提供一种热灯丝DC放
电等离子体设备，包括具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流
入沉积室；间隔的第一和第二导电基底夹持器，每一个都适合于支承具
有合成金刚石薄膜表面的基底，和用于加热和冷却该第一、第二基底夹
持器的装置。本发明还包括位于该第一和第二基底夹持器之间的栅电
极；插入该第一基底夹持器和该栅电极之间的第一灯丝组电极，和插入
该第二基底夹持器和该栅电极之间之间的第二灯丝组电极。该设备包括
用于电阻式加热该第一和第二灯丝组电极的装置。该设备还装有电源装
置，用以对栅电极、第一和第二灯丝组电极和第一、第二基底夹持器施
加偏压，以产生热灯丝DC放电等离子体，并包括分别相对于第一、第
二基底夹持器，调节施加于该栅电极和该第一、第二灯丝组电极上的偏
压的装置。
本发明的另一方面是提供一种用于合成金刚石薄膜的热灯丝放电等
离子体设备，包括：具有气体入口的沉积室，使反应物气体由入口流入
沉积室内；间隔的第一和第二导电基底夹持器，每一个都适合于支承基
底，该基底具有一个要在其上合成金刚石薄膜的表面，以及用于加热和
冷却该第一和第二基底夹持器的装置。该设备包括与第一基持夹持器相
间隔的第一灯丝组电极，和插入该第一灯丝组电极和该第二基底夹持器
之间的第二灯丝组电极，和用于电阻式加热该第一和该第二灯丝组电极
的装置。该设备还包括向该第一和该第二灯丝组电极以及该第一、第二
基底夹持器施加偏压以产生热灯丝放电等离子体的装置，还包括分别相
对于该第一和该第二基底夹持器，调节施加于该第一和该第二灯丝组电
极上的偏压的装置。
尤其是，本发明中，是将热灯丝放置在栅电极和基底之间。该栅极
的平面平行于灯丝的平面。栅极可以是平行的导线，也可以是棒、筛网、
或带孔的平板。栅极可以是被冷却的，也可以是被加热的。栅极元件(线
或棒)的方向可以是垂直的，也可以是平行的，或者是与灯丝的方向呈
一定的角度。热灯丝和基底之间的距离优选小于2cm，并且，热灯丝和
栅极之间的距离优选小于5cm。当热灯丝和栅极间的距离设定为0时，
热灯丝和栅极处于同一平面上。在系统的通常操作中，优选将生长基底
夹持器偏置为地电位。电阻式加热灯丝的功率密度约为20-500W/cm2。
在金刚石成核时，相对于基底夹持器，对灯丝施加20-300V的正偏压，
相对于灯丝组，对栅电极施加20-300V的正偏压。正因为如此，才能
在栅极和灯丝组之间保持DC等离子体。等离子体中的离子被抽取出朝
向基底形成有助于成核的粒子轰击。成核过程一般低于10分钟。在金
刚石成核期间，在灯丝和栅极之间由来自热灯丝阴极的热离子辐射保持
等离子体，以提高等离子体密度。本发明的基底—热灯丝—栅极这一独
特的结构可以使基底保持在甚至比热灯丝阴极更负的电位，可导引有效
离子抽取出超向基底以提高金刚石成核。
在金刚石生长期间，基底夹持器可以被偏置为地电位。灯丝组或者
不被施加偏压，或者相对于基底夹持器被施以负的偏压。在灯丝组上所
施加的负偏压通常为-20至-300V。栅极被施以相对于灯丝组的正偏
压，为20-300V。典型的等离子体能量密度约为1-300W/cm2。当灯
丝不被施以偏压时，DC等离子体主要保持在栅极和灯丝组之间。大的
阴极电压降低至接近于灯丝时，将使一些离子从等离子体拉向灯丝。在
加工压力下，由于碰撞平均自由程很小(在50乇和1500K下约0.01mm)，
这样的超向基底的离子抽取将致使离子能量分出一部分形成动能，给碰
撞级(collision cascades)中的中性物质。接着，这些被加速的中性物质向
着基底具有一个净平均速率，并具有一个高于系统中平均热能的平均能
量，因此提高了朝向金刚石生长的反应概率。但是平均能量远远小于几
个电子伏特，这时不足以在基底上导致明显的溅射作用。中性物质超向
基底的运动提高了前体的到达速率，这超出了单一扩散所产生的效果。
因此，可提高金刚石的生长速率。
对灯丝组施加偏压，使其相对于基底夹持器为负电位，也可以在灯
丝组和基底之间维持DC等离子体。然而，在这种操作模式中，高的DC
功率输入可导致基底表面温度升高而超出金刚石生长窗(window)，这个
生长窗是其他现有的热灯丝DC等离子体技术所共有的一个极限。因此，
在本发明的通常操作下，栅极和灯丝组之间的等离子体功率输入要高于
灯丝组和基底之间的功率输入。
本发明的详细描述
现有技术
图1示出了在现有技术的金刚石生长方法中所使用的典型HFCVD
反应器的原理图。反应器10包括一个反应室12，内装有电阻式加热的
灯丝14和加热/冷却的基底夹持器16，其上放置有基底17。还包括泵
和压力监控装备(未示出)。反应物气体混合物通过气体扩散单元18
送入反应室内。灯丝14是由耐高熔点金属制成，如钨或钽，将其加热
到1800-2300℃，以离解反应物气体混合物中的氢和其他分子，这种
气体混合物通常含有氢和烃的混合物。原子氢和其他离解产物随即与反
应物气体混合物反应，产生导致金刚石形成前体。然后，该前体扩散到
基底17并在其上冷凝形成多晶金刚石。灯丝和基底之间的间距通常为
0.5～5cm。基底的温度一般保持在700～1000℃。沉积速率和反应效率，
可通过灯丝附近反应物产生速度、反应物向基底的扩散速率和金刚石在
基底上形成概率的综合情况来确定。
图2说明由A.Ikegaya和T.Masaaki在JP 173366(1986)，JP 75282
(1987)和欧洲专利0254312 A1中提出的与直流(DC)等离子体CVD相配
合的常规HFCVD的几种改进。参照图2，在该方法中，使用热灯丝20
作为热电子发射体，将栅电极22插入在热灯丝20和基底24之间。为
了在灯丝20和栅极22之间、以及栅极22与基底24之间形成DC等离
子体，利用电源26，对灯丝20和基底24均施加相对于栅电极22的负
偏压。
本发明
图3是按照本发明实施金刚石成核和生长方法的设备40的原理图。
将反应物气体混合物通过气体喷射单元44送入沉积反应室42内。将在
其上要沉积金刚石薄膜的基底46放置在基底夹持器48上，该夹持器48
可通过流经管道50的热交换流体进行加热或冷却。该基底夹持器48安
装有感应基底夹持器温度的热电偶52，并与基底温度控制器54连接，
以控制热交换流体的温度。
灯丝组58安装在导电棒60上，并在基底夹持器48之上与其形成
间隔。栅极64安装在导电棒66上，并在灯丝组58之上与其形成间隔，
这样形成一个顺序的栅极—灯丝—基底组合件。灯丝58与基底46的顶
部间距优选小于2cm。栅电极64与灯丝组58的间距优选小于5cm。在
图3中栅电极64示为导线栅极，但也可以由导线网、金属棒、或能够
承受运行温度的开孔金属板所构成。
灯丝组58包括多个具有高熔点的导电金属灯丝，如Ta和W。灯丝
组58可承受电阻式加热，至2000℃以上的温度，优选是能离解反应物
气体中氢的温度范围。栅电极64和灯丝组58在反应室42内显示基本
上是平行的，但也可以理解到这些组件并不需要相互间平行。
在基底成核和金刚石敷层生长时，利用DC电源72和74来提供所
需要的DC偏压。尤其是利用电源74来保持灯丝组58和基底46之间
所要求的偏压，利用电源72来提供栅极64和灯丝组58之间的所要求
的偏压。也应理解，要在其上沉积金刚石薄膜的基底，一般是导电的，
这样基底也被施加了与基底夹持器相同电位的偏压。在金刚石沉积期
间，利用电源78、优选是AC电源，使灯丝组58保持在1800～2600℃
的温度范围内。功率密度约为20-500W/cm2。在生长期间，等离子体
功率密度约为1-300W/cm2。在金刚石薄膜沉积期间，栅电极64可以
被加热，也可以被冷却。栅电极64可以被电阻式加热和/或利用等离子
体能量加热。栅极64可以包括空心棒，并且可以通过流经该电极棒中
心的热交换流体进行冷却。
灯丝组58和栅电极64的温度可以由位于沉积室42之外的光学高
测计(未示出)、并且通过真空室的窗70集中在灯丝组58上，进行监
控。利用通常的流量计和控制器、真空泵和计量计(未示出)来控制气
体流量和压力。
反应物气体混合物包括氢、至少一种碳源包括烃类，含氧和/或氮的
烃类，含卤素、碳蒸汽、CO、CO2的烃类，和选择性的其他气体，如
O2，F2，和H2O。反应物气体压力设定为10-500乇。功率密度约为20
-500W/cm2。在生长期间，等离子体功率密度约为1-300W/cm2。
参照图3，在系统的正常运行中，在成核和金刚石生长的步骤中，
都将生长基底46保持在地电位。用于电阻式加热灯丝组58的功率密度
约为20-500W/cm2。在金刚石薄膜成核的步骤中，灯丝组58被施加了
相对于基底的正偏压，优选在相对于基底为正的20-300V的范围内。
应当理解的是，优选将基底保持在地电位，但是，只要使灯丝组58处
于比基底夹持器更高的正电位，也可以保持基底接近于地电位。栅电极
64被施加了相对于灯丝组的正偏压，优选相对于灯丝组58为20-
300V，这样，在成核期间，栅电极64维持在高于灯丝组的正电压。因
此，在金刚石成核期间，维持在灯丝组电极58和栅极64之间的等离子
体，并且，来自被加热灯丝组58的热电子辐射提高了等离子体的密度。
使DC等离子体中的离子被抽取出朝向基底46以形成有助于成核的粒
子轰击。根据本发明方法，这里所公开的有利的成核过程所需要的时间
少于10分钟。本发明的独特结构允许基底46保持在在比被加热灯丝组
58更负的电位，从而能引起离子抽取并朝向基底46，以获得增强的金
刚石成核。
在金刚石生长步骤中，灯丝组58或者与基底夹持器48导电连接，
或者被施加了相对于基底夹持器48的负偏压，优选为-20～-300V。
栅极64被施加了相对于灯丝组58的正偏压，优选相对于灯丝组58为
20-300V，不管灯丝组是否接地。典型的等离子体能量密度约为1-
300W/cm2。当没有向灯丝组58施加相对于基底夹持器48的偏压时(即
两者处于相同电位)，也能在栅电极64和灯丝组58之间维持DC等离
子体。大的阴极电压降低接近灯丝组58时，将使一些离子从等离子体
中抽取出朝向灯丝。在工作压力下，由于碰撞的平均自由程很小(在50
乇和1500K下约0.01mm)，这种朝向基底46的离子抽取将导致使离
子能量分出一部分成为碰撞级中的中性物质的动能。接着，这些被加速
的中性物质以一个净平均速度朝向基底46，并具有一个高于系统中平
均热能的平均能量，由此导致反应概率的提高。然而，平均能量将远小
于几个电子伏特，这种能量不能足以导致对基底46产生明显地溅射作
用。中性物质朝向基底46的运动，提高了前体生长的到达速率，这超
出了仅由单一扩散所产生的效果，因此提高了金刚石生长速率。
在可选择的另一种情况下，对灯丝组58施加相对于基底夹持器48
的负电位的偏压，这也可以在灯丝组58和基底46之间保持DC等离子
体。然而，在这种操作模式中，高的DC功率输入可导致基底表面温度
的提高，而超出金刚石生长窗(window)，这是现有的热灯丝DC等离子
体生长技术所共有的一种限制。因此，按照本发明的正常操作，在栅电
极64和灯丝组58之间的等离子体功率输入要高于灯丝组和基底46之
间的功率输入。
图4显示基底—热相丝—栅极—热灯丝—基底的结构90，用于在两
片基底46′上沉积金刚石敷层，两片基底固定在相对的基底夹持器48中。
灯丝组90可以如图所示垂直地安装在真空室42内，或者将整个组合件
在该室内旋转90°，呈水平位置。两个热灯丝组92和94可以使用单
独的DC电源加热，也可以使用AC电源加热，或者共享一个共同的DC
或AC电源加热(未示出)。两个灯丝组92和94，每一个都装有DC
电源，对灯丝组施加相对于地电势(未示出)的偏压。栅电极96位于
灯丝组92和94之间，并利用DC电源(未示出)提供偏压，所施加的
偏压使其相对于灯丝组92和94为正电位，优选为20～300V。在成核
步骤中，灯丝组92和94被施加了相对于相邻的伴随基底46′以正电位
的偏压。在成核步骤之后的金刚石生长期间，灯丝组92和94或者完全
不被施加偏压，或者相对于伴随基底46′被施加负偏压，这类似于以上
图3设备的描述方法。运行范围与图3有关讨论相同。
图5显示了根据本发明的另一个使金刚石敷层生长的结构100。利
用单独的AC或DC电源(未示出)，电阻式加热两个灯丝组102和104。
两组热灯丝组102和104都可起到栅电极的作用，这样，在操作中，两
个灯丝组都采用或者AC或者DC电源、优选使用AC电源(未示出)，
被施以适当的偏压，以保持在两个灯丝组之间的等离了体放电。
以下利用非限定性实施例进一步说明本发明。
实施例1
光滑镜面石英上的成核
利用图3的设备装置，采用对灯丝组58以89V施加偏压，并将其
加热到约2160℃的温度，并且，对栅极64施加200V偏压，甚至可在
光滑镜面石英上实现金刚石成核。反应物气体混合物是甲烷/H2的混合
物，各自的流速为甲烷每分钟6.5标准立方厘米(sccm)，氢300sccm，
总压力为30乇。成核过程持续约10分钟。然而关掉在灯丝组58上的
偏压，将对栅电极64所施加的偏压调到120V，使金刚石生长。获得相
干性(coherent)和均匀性良好的小面状金刚石薄膜。在相同的生长条件
下，但没有成核步骤，在光滑镜面石英上只形成厚度不均的碎片状金刚
石。后来的试验表明成核时间可以在2-5分钟的范围内。
实施例2
在硅上的金刚石异相外延生长(参看图6)
利用图3的方法和设备，在用HF溶液预先净化的硅的Si(100)上使
定向结晶的金刚石生长，用约2200℃的灯丝温度，219V的栅极偏压和
130V的灯丝偏压，进行成核。反应物气体混合物是甲烷/H2的混合物，
各自的流速为甲烷6sccm，氢300sccm，总压力为50乇。成核时间约
10分钟。然后对灯丝组施以OV的偏压，使金刚石生长。在此过程中，
将栅极偏压变成112V。图6a清楚地显示金刚石(100)立方晶体，其(100)
面与Si(100)对准，金刚石方位面[110]与Si[110]的方位面对准。当金刚
石以高成核密度生长时，将形成具有金刚石(100)//Si(100)，和金刚石
[110]//Si[110]的相干膜(coherent film)，如图6b所示。
实施例3
金刚石薄膜的快速沉积
利用图3的装置，使金刚石敷层生长160小时，达到2.5mm厚，和
2″直径。金刚石生长的压力为30乇，对栅电极施加的偏压相对于灯丝
组为45V。灯丝功率密度约为170W/cm2，等离子体功率密度为40W/cm2。
生长速率为16μm/hr。拉曼和X射线光电子谱都表明样品是纯金刚石，
没有杂质(数据未列出)。
实施例4
金刚石薄膜的更快速沉积
利用图3的装置，使金刚石敷层在基底上生长44小时，达到0.93mm
厚、2″直径。金刚石生长的压力为30乇，对栅电极施加的偏压相对于
灯丝组为50V。生长速率为21μm/hr。拉曼和X射线光电子谱都表明样
品是纯金刚石，没有杂质(未列出数据)。灯丝功率密度约为170W/cm2，
等离子体功率密度约为50W/cm2。
本发明方法的优点超过了EP0254560中公开的金刚石薄膜生长方法
的优点，这是因为在后者中有助于金刚石成核步骤的离子抽取无法进
行，其原因是这样一个事实，即热灯丝是有效的电子发射体，因而可最
有效地用作DC等离子体构造中的阴极。在EP0254560中，基底只能被
有效地用作阳极，等离子体中的离子被吸引到阴极上，而不是到阳极上。
本发明方法的优点超过了EP0254312中公开的金刚石薄膜生长方法
的优点。因为在EP0254312中，栅电极位于灯丝和基底之间，总是对灯
丝施加正偏压来保持DC等离子体。在栅极和灯丝之间离子从等离子体
中抽取出朝向阴极热灯丝，将降低离子—中性物质碰撞级中的中性物质
的净流量，而远离基底。正因为如此，在热灯丝附近和其上所产生的许
多生长反应物，和等离子体中产生的那些反应物，都不能得到有利的使
用，因此被浪费掉。尽管当基底被施加了相对于栅极的负偏压，来自等
离子体的一些离子可以被抽取出而朝向基底，但是，这些离子是从灯丝
和栅极之间DC等离子体的阳极(栅极)抽取出来的。因此，这种抽取
是无效的，这是与本申请中所公开的技术相比较而言的。
虽然利用基底作阴极和栅极作阳极，事实上可以保持DC等离子体，
在典型的金刚石生长压力50乇下，从两个相隔1cm的平行电极产生的
DC灼热放电将要求DC电压远远高于图3所示的装置，才能在基底上
获得相同的离子流密度。这是因为在二个冷电极之间保持的DC等离子
体取决于第二个电子辐射。因此阴极的离子轰击和更高阴极电压会产生
更高的电子辐射，而利用热电子辐射，它与阴极电压没有直接关系，但
有利于用热灯丝作阴极来保持DC等离子体。而且，热灯丝CVD系统
中，灯丝和被涂敷基底顶部之间的典型距离为约0.5-1cm。因此，为
均匀沉积将栅极插入到这样一个空间内，从技术角度考虑是困难的。灯
丝和基底间距的增加会降低热灯丝金刚石CVD的效率。
在WO92/01828中描述的金刚石生长方法中，介绍了一种电阻式加
热位于两个生长基底间的灯丝组的灯丝架，这样可引发在灯丝组和基底
之间进行DC放电。这样一种安排非常类似于EP254560中描述的技术。
这种方案和本文公开技术之间的主要区别是该方案缺乏灵活性，并且它
不能进行离子抽取，和导致金刚石成核和生长的粒子轰击。进而，对于
EP254560和WO92/01828两篇文献中公开的技术而言，DC等离子体流
是直接从基底抽取的。所以，问题是基底温度限制了最大功率密度，该
温度是不可能高于金刚石的生长温度范围的。在本专利所公开的技术
中，在超出灯丝—基底区域以外也能保持DC等离子体，这样，直接沉
积在基底表面上的总能量密度将不会过高，而且仍能产生被激活的反应
物，并输送到基底上。
结论是，这里所公开的金刚石生长新方法，由于将DC等离子体结
合到具有电极结构的金刚石的热灯丝CVD中(基底—热灯丝—栅极)
而得以提供增强的成核密度和生长速率，这种结构在金刚石成核和生长
期间，能有效地将抽取的离子和生长的前体输送到基底上，这是与灯丝
—栅极—基底结构和基底—灯丝—基底结构相比较而言的。此外，本发
明方法，为减小基底过热，在保持DC等离子体远离基底表面这个方面，
提供了极大的灵活机动性。
以上对本发明优选实施方案的描述是用来说明本发明的原理的，而
不是将本发明限制于所描述的特定实施方案。应当指出，本发明的范围
可由以下权利要求中包含的所有方案和它们的同等方案来限定。