[发明专利]一种微波等离子体化学气相沉积装置

说明书

本发明公布了一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括上部腔体、下部腔体、中心轴、样品台、密封绝缘件、绝缘支撑件、进气口和出气口。中心轴设置在反应腔上方，并和反应腔形成微波馈入的同轴波导。设置在反应腔下方的样品台用于放置衬底，面对样品台一侧的中心轴设置有凹陷结构表面。密封绝缘件和绝缘支撑件设置在同轴波导内，同时中心轴的下端面低于密封绝缘件的下端面和绝缘支撑件的下端面，密封绝缘件和绝缘支撑件远离等离子体从而避免被等离子体刻蚀。进气口和出气口采用水平进气和出气方式，有利于在衬底上形成高质量、高均匀性的外延生长。本发明解决了反应腔中大功率微波馈入问题，并实现稳定可靠的真空密封，同时保证反应气体的均匀性。

技术领域

本发明属于微波等离子体法化学气相沉积技术领域，特别是提供了一种可被应用于金刚石膜制备的高功率微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

金刚石膜具有硬度高、导热性好、热膨胀系数小、高透光率、电学性能优异、介电性能好等众多优点，使它在诸如红外光学窗口、高性能导热基板、大功率器件、高频器件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。

微波等离子体化学气相沉积是利用微波产生的活性等离子体实现化学气相沉积的一种工艺装置，具有质量高、工艺可控的优点。原理如下：微波在谐振腔内谐振，在局部位置形成强的电磁场区域，此区域的气体被电离，形成等离子体，活性分子在衬底表面沉积形成固态薄膜。

微波等离子体化学气相沉积是制备高质量金刚石的首选方法，具备良好的可控性和最好的洁净性。微波等离子体化学气相沉积，通过微波形成等离子体，既没有电极放电造成的无法，也没有热阴极蒸发带来的污染，非常适合高质量金刚石薄膜的生长制备。

早期的石英管式MPCVD装置，微波聚焦能力很差，石英管直径小，使用过程中会被刻蚀，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，圆柱金属谐振腔式 MPCVD 装置[P.Bachmann, Chemical Engineering News67(1989)24]可以承载相对较高功率，但平板石英玻璃附近会产生次生等离子体，石英依然会被刻蚀，且能量被分散；石英钟罩式MPCVD装置[P.Bachmann, D.Leers, H.Lydtin,Diamond Relat.Mater.1 (1991) I]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，石英罩距离等离子体他距离较远，功率可以达到6000W，但是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，反应气体的均匀性不好。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，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，非常不利于金刚石膜品质的提高。