[发明专利]气体内循环型热丝CVD金刚石膜生长装置

说明书

技术领域

 本发明涉及一种金刚石膜生长装置，尤其涉及气体内循环型热丝CVD金刚石膜生长装置。

背景技术

由于具有良好的光学、力学、电学和化学稳定等特性，金刚石涂层在工业以及日常生活领域有着广泛的应用。最初的金刚石合成主要是高温高压法，虽然有制备条件苛刻、合成质量不高、成本较大等诸多劣势，但是其仍然是制备金刚石的首选方法。在过去的二十年间，低温低压化学气相沉积金刚石膜的研究，倍受世界各国研究者的关注。目前，常用的制备方法主要有微波CVD、热丝CVD、直流电弧等离子体、燃烧法等，其共性是稀释在过量氢气中的低分子碳烃气体在一定能量的激发下产生的等离子体，通过适宜的沉积条件在基片上沉积金刚石膜，但是生长速率低，生长面积小，成膜质量低仍是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大面积、高速率、廉价的气体内循环型热丝CVD金刚石膜生长装置。

为解决上述问题，本发明所述的气体内循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于：该装置包括内设反应腔的密闭真空室；所述反应腔内壁顶端设有风扇，该风扇的下方设有多根并排直钨丝构成的热丝阵列；所述热丝阵列的两端接直流电，其下方设有衬底盘，该衬底盘上设有热电偶；所述风扇的侧上方的所述真空室外壁设有进气口；所述真空室外壁侧下方设有抽气口。

所述进气口的进气流量和所述抽气口的抽气流量均为0~200 sccm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于本发明中设有多根并排直钨丝构成的热丝阵列，从而形成大面积均匀温度场，相对微波CVD来说，沉积的膜面积很大，因此，可以实现金刚石膜的大面积生长。

2、由于本发明中热丝阵列上方设有风扇，因此，可以在沉积面产生高流速反应气体，使得在沉积表面有足够多的活性基团，从而实现金刚石膜的高速率生长；同时可以在反应腔内产生循环气流，使得氢气在腔内反复参与沉积，从而减少氢气的消耗。

3、常规热丝CVD的沉积速率一般在1~10μm/h，而本发明增大气流速率后其沉积速率会增加到100μm/h，是常规方法的100倍。

4、通常采用的热丝CVD中，氢气是一次性使用，浪费极大，而本发明仅需要10~50sccm的氢气流量即可保持金刚石膜的高速生长，相对于常规CVD的1000sccm来说，氢气消耗量减少了80~90%，这对于连续生长和生长膜时很有必要。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1—热丝阵列  2—衬底盘  3—热电偶  4—风扇  5—进气口  6—抽气口。

具体实施方式

气体内循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，该装置包括内设反应腔的密闭真空室。反应腔内壁顶端设有风扇4，该风扇4的下方设有多根并排直钨丝构成的热丝阵列1；热丝阵列1的两端接直流电，其下方设有衬底盘2，该衬底盘2上设有热电偶3；风扇4的侧上方的真空室外壁设有进气口5；真空室外壁侧下方设有抽气口6。

其中：进气口5的进气流量和抽气口6的抽气流量均为0~200 sccm。

工作时，先将预先清洗干净的硅片衬底放在衬底盘2上，然后用机械泵和分子泵将反应腔内的压强抽至10^-3~10^-4Pa。通过增加直流电的电压加热热丝阵列1到1800~2000℃，从进气口5将200sccm的CH₄+H₂（体积比为1：1）通入反应腔，同时开启风扇4，调整电压，使热丝阵列1温度稳定在2000℃，反应气压为3000Pa，此时风扇4所产生的气流以1000sccm以上的速度通过热丝阵列1，由于热丝阵列1的热解及离化作用，在热丝阵列1周围产生大范围的等离子体（其中含有大量的碳氢碎片），碳氢碎片在硅衬底表面逐渐吸附并外延形成金刚石膜，反应后的残余气体在温度小于500℃的地方复合为氢分子及其它碳氢化合物。由于风扇4的单向送气特性，必然在反应腔内形成循环气流，这样氢气在整个反应中将被反复利用。在反应过程中，只需维持通入的CH₄和H₂比例及反应腔内反应气压不变，整个沉积过程即可持续不断进行。 等到生长到需求的厚度后，即可停止反应气体的通入，同时缓慢的降低热丝阵列1两端的直流电电压，直到电压降为0，同时真空室自然冷却，直至反应腔内温度达到室温即可打开反应腔，取出样品。