[发明专利]用于化学气相沉积金刚石膜的高功率微波等离子体反应装置

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积金刚石膜技术领域，具体是一种用于化学气相沉积金刚石膜的高功率微波等离子体反应装置。

背景技术

化学气相沉积（CVD）金刚石膜具有硬度高、导热性好、热膨胀系数小、光学和电学性能优异、声传播速度快、介电性能好等众多优点，使它在诸如红外光学窗口、高功率LED、高功率及高频率电子和光电子器件与系统的散热器、高性能抗辐射探测器和传感器等领域有着广泛的应用前景。目前，人们最常用的制备金刚石膜的方法有热丝化学气相沉积法(HFCVD)、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积(DC arc plasma jet CVD)法以及微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法三种。在这三种方法中，MPCVD 法的特点在于金刚石膜沉积过程的控制性好、无放电电极的污染，是国际上用于制备高品质金刚石膜的首选方法。但是，MPCVD 法的主要缺点是制备高品质金刚石膜时沉积速率低，导致金刚石膜成本高、价格昂贵，限制了其在多个领域的推广和应用。

在MPCVD金刚石膜的制备过程中，等离子体中氢原子的浓度对金刚石膜的品质和沉积速率起着决定性的作用，通过增加功率密度能够提高等离子体中氢原子的浓度。但是，单纯的依靠提高沉积压强，压缩等离子体体积的方法来提高功率密度，会减小所制备的金刚石膜的面积。因此，要兼顾沉积速率和面积就需要在升高沉积压强的同时，增加输入功率，这就需要研究开发能容纳高微波功率的MPCVD装置。

早期的石英管式MPCVD装置，微波聚焦能力较差，同时因使用的石英管直径较小，石英管的刻蚀问题导致其所容许的功率仅为800W左右。在目前人们常使用的几种类型的MPCVD装置中，圆柱谐振腔式MPCVD装置[P.Bachmann, Chemical & Engineering News 67(1989)24]可以容纳较高的功率，但是其主要缺点在于高功率时平板石英玻璃介质窗口附近会产生次生等离子体，造成石英玻璃的刻蚀及能量的分散；石英钟罩式MPCVD装置[P.Bachmann,D.Leers, H.Lydtin, Diamond Relat.Mater. 1(1991)1]和椭球谐振腔式MPCVD装置[M.Funer,C.Wild, P.Koidl, Appl.Phys.Lett. 72(1998)1149]都使用了石英钟罩作为介质窗口，等离子体被约束在石英钟罩内，在较高的功率条件下也无法避免等离子体对钟罩的刻蚀。此外，石英钟罩的使用使装置的反应气体的进、出孔必须设置在沉积基台上，导致气体分布的均匀性较差。

非圆柱腔圆周天线式MPCVD装置(SekiTechnotron Corp.，http://www.sikitech.biz/.)使用石英环作为介质窗口，圆周天线同时作为基片台，石英环设置在基片台的下方，可以彻底避免等离子体对该窗口的刻蚀。然而，该装置仍存在以下几个缺点：第一，装置在上盖设置了四个进气孔，为使反应气体能够在基片表面均匀分布，在实际中使用了另外一只石英环套在基片台（圆周天线）外侧，由于石英环高于基片台，等离子体仍会对石英环造成刻蚀污染，这成为限制装置提高微波输入功率的因素之一。第二，腔体的高度和基片台（圆周天线）的位置都是固定的，均无法进行调节，缺乏对谐振腔中微波电场和相应产生的等离子体的实时调控手段，而且在使用不同高度的基片沉积时，金刚石膜的均匀性很难保证。第三，由于腔体的结构较复杂，仅能在基片台（圆周天线）和等离子体上方腔体的局部区域设置水冷结构，在进行金刚石膜沉积时过高的腔体温度也成为限制其容纳高微波功率的另一重要因素。第四，石英环窗口安置在沉积台下方，不利于反应腔室内真空度的保持，即不利于金刚石膜品质的提高。

专利JP 2000-54142A、US20090120366采用了与非圆柱腔圆周天线式MPCVD装置类似的环形介质窗口和圆周天线结构，为增强聚焦能力，圆周天线面对真空腔体的部分设计成凹槽，基台可以通过调节机构上、下移动实现对等离子体的实时调整。这两种装置的缺点是：仅通过升降基台对等离子体进行调整，限制了所使用的基片高度；装置反应气体的进、出孔均设置在腔体底部，导致基片表面的气体分布不均匀，影响金刚石膜的均匀性；装置也存在非圆柱腔圆周天线式MPCVD装置的第四个缺点，即石英环的安放位置不利于反应腔室内真空度的保持。