CN103668127B - 一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置 - Google Patents

Abstract

<b>一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置</b>，适用于高功率微波输入下高品质金刚石膜的快速制备。谐振腔主体由圆顶反射体、金属薄板反射体、石英环窗口、圆柱反射体和沉积台所组成。金属薄板反射体可以阻挡微波向谐振腔顶部的传播，使微波更多地聚集于基片上方。沉积台分为中心沉积台和边缘沉积台两部分，二者的独立上下移动功能利于实现等离子体状态的快速优化。石英环窗口隐藏于谐振腔壁形成的狭缝间，既可以躲避等离子体的刻蚀，又利于谐振腔真空性能的提高。另外，良好的水冷系统设计保证了设备在高功率下运行的安全。诸多的优点汇集到一起，使得该圆顶式微波等离子体化学气相沉积装置具备在高功率水平下高速沉积高品质金刚石膜的能力。

Description

一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，提供了一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积装置，适用于高功率下高品质金刚石膜的沉积。

背景技术

通过反应气体的化学反应，在基体表面沉积固态材料的化学气相沉积方法是一种制备均匀薄膜材料的好方法，其中的热丝法、直流电弧喷射法、微波等离子体法已经成功应用于金刚石膜的制备。

金刚石膜材料集多种优异性能于一身，比如高硬度、高热导率、高透光率、高电阻率等，可以被用来制作耐磨涂层、声学膜片、光学窗口、集成电路高热导基片等。按照应用领域要求的不同，金刚石膜可以分为工具级、热沉级、光学级和探测器级（又称电子级）多个类别。工具级金刚石膜具有相对较高的力学性能，但内部含有大量的组织缺陷，外观上呈现黑灰色。热沉级金刚石膜具有相对较高的热导率，内部的组织缺陷较工具级金刚石膜减少。光学级金刚石膜的内部组织缺陷进一步减少，具有相对较高的光学透过率。探测器级金刚石膜的载流子的自由程较长，原则上该类金刚石膜具有最少的内部组织缺陷。上述的光学级金刚石膜和探测器级金刚石膜拥有着类似IIa型天然金刚石膜的高品质，统称之为高品质金刚石膜。

在多种金刚石膜的制备方法中，微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法是制备高品质金刚石膜的首选方法，拥有着其它制备方法无法比拟的可控性和洁净性。它的镀膜过程是依靠微波能量激发反应气体形成等离子体来完成的，既没有电极放电造成的污染，也没有金属丝蒸发造成的污染，适合于高品质金刚石膜的制备。

在过去几十年间，MPCVD方法制备高品质金刚石膜技术取得了很大发展，很大程度上得益于MPCVD金刚石膜沉积装置的发展。纵观整个MPCVD金刚石膜沉积装置发展历程，从早期的石英管式[M.Kamo,Y.Sato,S.Matsumoto,J.Cryst.Growth62(1983)642]、石英钟罩式[P.Bachmann,D.Leers,H.Lydtin,DiamondRelat.Mater.1(1991)1]、圆柱金属谐振腔式[P.Bachmann,Chemical&EngineeringNews67(1989)24]到现在的椭球谐振腔式[M.Funer,C.Wild,P.Koidl,Appl.Phys.Lett.72(1998)1149]和多模非圆柱谐振腔式[E.Pleuler,C.Wild,DiamondRelat.Mater.11(2002)467]等，MPCVD装置的微波输入功率的提高一直是装置改进的重点，致力于金刚石膜生长速率的提高。

首先，对于高功率MPCVD金刚石膜沉积装置而言，石英微波窗口的设计十分重要。在MPCVD金刚石膜沉积装置中，石英微波窗口既起到传输微波进入谐振腔室的作用，又起着谐振腔真空密封的作用。然而，如果石英微波窗口距离等离子体太近，高功率下会很容易受到等离子体的刻蚀，限制了MPCVD金刚石膜沉积装置微波输入功率的水平。为了克服石英微波窗口被刻蚀的问题，提高MPCVD金刚石膜沉积装置的微波功率输入水平，石英微波窗口的形状和大小发生着改变，出现了管状、钟罩形状、平板形状和圆环形状等多种多样的石英微波窗口。早期的石英管式MPCVD装置采用的是管状石英窗口，窗口距离等离子体很近，微波输入功率只能达到800W。与石英管式MPCVD装置相比，石英钟罩式MPCVD装置和椭球谐振腔式MPCVD装置采用的是石英钟罩窗口，窗口与等离子体的距离远很多，微波输入功率也有了大幅度的提高，可以达到6000W左右，然而，当微波输入功率继续升高时，石英钟罩依然存在被刻蚀的危险，因此，钟罩形式的石英窗口不是最佳选择。圆柱金属谐振腔式MPCVD装置采用的是平板状的石英窗口，该装置的缺点在于当微波输入功率较高时，石英窗口附近会激发出次生等离子体，装置也不适合在高功率下运行。多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置采用了环状石英窗口，并且放置于沉积台下方，使得石英环窗口与等离子体完全不接触，彻底解决了石英微波窗口被等离子体刻蚀的问题。然而，当石英环窗口位于沉积台下方时，由于谐振腔室内外压力差的作用，石英环上下胶圈的真空密封效果会变差，不利于谐振腔室真空状态的保持，不利于高品质金刚石膜的沉积。综上所述，可以看出，对于一个MPCVD装置而言，良好的石英微波窗口设计既要满足不受等离子体刻蚀的要求，又要兼顾谐振腔室的密封效果。

其次，对于高功率MPCVD金刚石膜沉积装置而言，谐振腔具备可调谐功能也是十分必要的。因为当MPCVD装置的微波输入功率提高时，谐振腔内等离子体的状态会发生改变，装置具备可调谐机制有助于等离子体状态的时时优化。多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置由于外形结构复杂，不具备可调谐机制，限制了微波输入功率的提高。

再次，对于高功率MPCVD金刚石膜沉积装置而言，良好的水冷系统是保证设备高功率下正常运行的前提条件。专利US2009/0120366A1提出的MPCVD装置的微波天线部分不能调节和不能被直接水冷，这两点均限制了MPCVD装置微波输入功率的提高。

还有，对于高功率MPCVD金刚石膜沉积装置而言，为了实现高品质金刚石膜沉积的目的，微波能量最好全部集中于基片上方，在其他地方的分散能量不足以引发碳杂质的沉积。专利JP2000-54142A提出的MPCVD装置中，等离子体除集中于沉积台的上方外，同时与沉积台和微波激励天线两者相接触，这不仅会造成微波能量被微波激励天线大量吸收而不能被有效利用，还会造成在微波激励天线的表面出现碳的沉积物的问题。专利ZL201010188615.3提出的MPCVD装置也存在类似的问题，当装置在高功率下运行时，部分能量会分散于谐振腔顶部起反射作用的小圆柱体，其表面出现碳材料的沉积，不利于高品质金刚石膜的沉积。

综上所述，一个适合在高功率下运行并用于制备高品质金刚石膜的MPCVD装置，它需要同时满足以下四点：（1）石英微波窗口远离等离子体，不存在被刻蚀的危险，同时，石英微波窗口处的真空密封效果要好；（2）装置具备可调谐机制；（3）装置具有良好的水冷系统；（4）耦合进入谐振腔内的微波能量应全部集中于沉积台上方，在其他地方的分散能量不足以引发碳杂质的沉积。比如申请号为201210067224.5的专利提出的MPCVD装置虽然同时满足上述的后三点要求，可以实现在高功率水平下的正常运行，但是该MPCVD装置的石英环窗口安放于沉积台下方，不利于谐振腔室内真空度的保持，即不利于高品质金刚石膜的沉积。因此，为了实现在高功率下使用微波等离子体方法制备高品质金刚石膜的目的，设计一种同时满足上述四点要求的MPCVD装置是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是提出一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积装置，它适用于高功率微波水平下的高品金刚石膜的快速制备。该圆顶式MPCVD装置拥有合理的石英微波窗口设计、双调谐机制、良好的水冷系统，同时不存在杂质碳沉积器壁的现象，从根本上解决了已有的各类MPCVD金刚石膜沉积装置在高功率下制备高品质金刚石膜过程中出现的问题。

本发明的技术方案是：一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置，该装置包括圆柱体外壳，设置圆柱体外壳顶部的同轴波导转换器，设置在圆柱体外壳内的圆柱体环形天线，设置圆柱体外壳下端的谐振腔圆柱反射体，其中，所述谐振腔圆柱反射体内部设置可调节圆环状边缘沉积台，可调节中心沉积台设置所述可调节圆环状边缘沉积台的中间，基片设置在可调节中心沉积台的顶端，可调节中心沉积台和可调节圆环状边缘沉积台在竖直方向上相互独立移动，用于等离子体状态的优化调节；所述圆柱形环形天线的中心位置内嵌有进气管道，所述圆柱形环形天线的底部中心位置设置半球形的谐振腔圆顶反射体，所述进气管道与谐振腔圆顶反射体连通，圆环状的金属薄板反射体设置在谐振腔圆顶反射体的底部，石英环窗口设置靠近所述圆柱体环形天线外侧壁的底部和圆柱体外壳之间，距离等离子体较远；所述石英环窗口、谐振腔圆顶反射体、金属薄板反射体、谐振腔圆柱反射体、可调节中心沉积台和可调节圆环状边缘沉积台构成密闭的圆顶式微波谐振腔；出气口设置在谐振腔圆柱反射体的底部。

进一步，所述石英环窗口的上下两端均设有橡胶胶圈，当设备处于运行状态时，石英环窗口会受到来自于圆柱体环形天线的重力和一个由于谐振腔内外压力差形成的作用力，这些作用力可以很好地保证石英环窗口上下两端的橡胶胶圈的真空密封效果，有利于高品质金刚石膜的沉积。

进一步，从顶部的同轴波导转换器到中部的圆柱体环形天线再到底部的可调节中心沉积台及可调节边缘沉积台，还有整个圆柱体外壳，微波传播经过的所有部件均可以直接水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。

本发明提出的圆顶式MPCVD金刚石膜沉积装置可被应用于在高功率条件下实现高品质金刚石膜的高速沉积，它的优点包括：

（1）本发明提出的装置的石英环窗口被隐藏于谐振腔器壁间的狭缝内，既可以保证微波窗口在设备高功率运行时不会受到等离子体的刻蚀，又可以保证微波窗口上下橡胶胶圈良好的真空密封效果，有助于高品质金刚石膜的沉积。

（2）本发明提出的装置同时具备两个调节机构——可调节中心沉积台和可调节圆环状边缘沉积台，而且它们的调节功能是相互独立，通过二者的配合可以更好地完成沉积台上方等离子体状态的优化，有助于高品质金刚石膜的均匀沉积。

（3）本发明提出的装置中微波传播经过的所有部件均实现了水冷设计，包括顶部的同轴波导

转换器、中部的圆柱体环形天线、底部的沉积台和整个圆柱体外壳，为装置在高功率输入水平下的安全运行提供了可靠保证。

（4）本发明提出的装置中谐振腔室内的微波能量几乎全部集中于可调节中心沉积台的上方，不存在其他部件附近微波能量分散过高引发的表面碳杂质沉积，对金刚石膜沉积过程造成污

染的危险。

附图说明

图1是本发明提出的圆顶式MPCVD装置的结构示意图。

图2是本发明提出的圆顶式MPCVD装置制备的高品质金刚石膜的表面形貌图。

图3是本发明提出的圆顶式MPCVD装置制备的高品质金刚石膜的品质拉曼图。

图中：1、同轴波导转换器，2、圆柱体环形天线，3、圆柱体外壳，4、石英环窗口，5、谐振腔圆顶反射体，6、金属薄板反射体，7、谐振腔圆柱反射体，8、可调节中心沉积台，9、可调节圆环状边缘沉积台，10、基片，11、激发形成的等离子体，12、微波，13、进气口，14、出气口，15、橡胶胶圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置，该装置包括圆柱体外壳3，设置圆柱体外壳3顶部的同轴波导转换器1，设置在圆柱体外壳3内的圆柱体环形天线2，设置圆柱体外壳3下端的谐振腔圆柱反射体7，所述谐振腔圆柱反射体7内部设置可调节圆环状边缘沉积台9，可调节中心沉积台8设置所述可调节圆环状边缘沉积台9中间，基片10设置在可调节中心沉积台8顶端，可调节中心沉积台8和可调节圆环状边缘沉积台9在竖直方向上相互独立移动，用于激发形成的等离子体11状态的优化调节；所述圆柱体环形天线2的中心位置内嵌有进气管道13，所述圆柱体环形天线2的底部中心位置设置半球形的谐振腔圆顶反射体5，所述进气管道13与谐振腔圆顶反射体5连通，圆环状的金属薄板反射体6设置在谐振腔圆顶反射体5的底部，石英环窗口4设置靠近所述圆柱体环形天线2外侧壁的底部和圆柱体外壳3之间，距离等离子体11较远；所述石英环窗口4、谐振腔圆顶反射体5、金属薄板反射体6、谐振腔圆柱反射体7、可调节中心沉积台8和可调节圆环状边缘沉积台9构成密闭的圆顶式微波谐振腔；出气口14设置在谐振腔圆柱反射体7的底部。所述石英环窗口4的上下两端均设有橡胶胶圈17，当设备处于运行状态时，石英环窗口4会受到来自于圆柱体环形天线2的重力和一个由于谐振腔内外压力差形成的作用力，这些作用力可以很好地保证石英环窗口4上下两端的橡胶胶圈15的真空密封效果，有利于高品质金刚石膜的沉积。

从顶部的同轴波导转换器1到中部的圆柱形环形天线2再到底部的可调节中心沉积台8及可调节边缘沉积台9，还有整个圆柱体外壳3，微波传播经过的所有部件均可以直接水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。

使用时从装置顶部同轴波导转换器1处输入的微波12先经过圆柱体环形天线2的引导作用，传输至石英环窗口4并耦合进入由石英环窗口4、谐振腔圆顶反射体5、金属薄板反射体6、谐振腔圆柱反射体7、可调节中心沉积台8和可调节圆环状边缘沉积台9构成密闭的圆顶式微波谐振腔内，然后在中心沉积台8上方聚集形成强电场区，激发谐振腔内的反应气体形成高密度等离子体11，开始高品质金刚石膜在基片10上的沉积。在该装置中，圆柱体环形天线2和谐振腔圆顶反射体5是一个组合体，充分利用了装置的内部空间。圆环状金属薄板反射体6可以有效地阻止微波能量向谐振腔圆顶反射体5的聚集，而使更多的微波能量聚集于中心沉积台8的上方，有利于金刚石膜的快速沉积。此外，石英环窗口4隐藏于谐振腔室壁形成的狭缝间，这可以带来两方面的好处。一方面，石英环窗口4可以躲避高微波功率下等离子体11的刻蚀；另一方面，当谐振腔处于高真空状态时，石英环窗口4上下两端的橡胶胶圈15在内外气体压力差的作用下密封效果更好，两方面都有助于实现高品质金刚石膜的沉积。可调节中心沉积台8和可调节圆环状边缘沉积台9具有相互独立的上下调节功能，可以实现基片10上方等离子体11状态的时时优化。

实施例1

利用本发明提出的圆顶式MPCVD金刚石膜沉积装置，进行了高品质金刚石膜的沉积，实验过程如下：

（1）打开冷水机对从顶部的同轴波导转换器1到中部的圆柱体环形天线2再到底部的可调节中心沉积台8及可调节边缘沉积台9，还有整个圆柱体外壳3，微波传播经过的所有部件进行水冷；

（2）打开机械泵对谐振腔进行抽真空至1Pa以下；

（3）通入流量分别为400ml/分钟的氢气和20ml/分钟的甲烷气体到通过进气管道13，进入到谐振腔；

（4）调节机械泵阀门大小，使谐振腔室内气体压力在800Pa左右；

（5）打开微波电源，输入频率为2.45GHz，功率为600W的微波12，反应气体被激发形成等离子体11；

（6）提高微波输入功率至9kW，同步地提高气体压力至17kPa；

（7）调节可调节中心沉积台8和可调节圆环状边缘沉积台9的位置，优化沉积台上方的等离子体11分布状态；

（8）开始高品质金刚石膜的沉积，沉积时间为20h。

金刚石膜的沉积速率不仅可以达到3.5μm/小时，而且金刚石膜拥有着类似IIa型天然金刚石的高品质。扫描电镜测试结果显示金刚石膜表面形貌均匀致密，如图2所示，拉曼测试结果显示金刚石特征峰的半高宽（FWHM）仅为2.2cm^-1，如图3所示。

Claims (2)

1.一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置，该装置包括圆柱体外壳（3），设置于圆柱体外壳（3）顶部的同轴波导转换器（1），设置于圆柱体外壳（3）内的圆柱体环形天线（2），设置于圆柱体外壳（3）下端的谐振腔圆柱反射体（7），其特征在于，所述谐振腔圆柱反射体（7）内部设置可调节圆环状边缘沉积台（9）和可调节中心沉积台（8），基片（10）设置在可调节中心沉积台（8）的顶端，可调节中心调节台（8）和可调节圆环状边缘沉积台（9）在竖直方向上可相互独立移动，用于对激发形成的等离子体（11）状态的优化调节；所述圆柱形环天线（2）的底部中心位置设置有半球形的谐振腔圆顶反射体（5），在所述谐振腔圆顶反射体（5）的底部设置圆环状的金属薄板反射体（6），所述圆环状的金属薄板反射体（6）被用于阻挡已经耦合进入谐振腔内部的微波向圆顶反射体（5）方向传播，使微波能量更多地聚集于金刚石膜沉积台上方，激发反应气体形成高密度等离子体；在靠近所述圆柱体环形天线（2）外侧壁的底部和圆柱体外壳（3）之间设置石英环窗口（4），它距离等离子体（11）较远，当设备处于运行状态时，石英环窗口（4）会受到来自于圆柱体环形天线（2）的重力和一个由于谐振腔内外压力差形成的作用力，这些作用力可以很好地保证石英环窗口（4）上下两端的橡胶胶圈（15）的真空密封效果，有利于高品质金刚石膜的沉积。

2.如权利要求1所述的一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置，其特征在于，从顶部的同轴波导转换器（1）到中部的圆柱体环形天线（2）再到底部的可调节中心沉积台（8）及可调节边缘沉积台（9），还有整个圆柱体外壳（3），微波传播经过的所有部件均可以直接水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。