CN106987827B - 等离子体化学气相沉积微波谐振腔及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种等离子体化学气相沉积微波谐振腔，达到了提高谐振腔聚焦能力和配置灵活性的目的。该谐振腔包括两个顶部相交的等腰三角形布尔并集运算后形成的回转体，其中等腰三角形的底边边长为2nλ~（2n+0.5）λ，底角为50°~75°，两个等腰三角形的底边长相等或相差nλ，上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~4/5λ，其中λ为微波波长。本发明利用了电磁波的反射和干涉原理，通过调节上、下等腰三角形的底边长、底边角度以及二者之间的中心距离形成强聚焦电场。同时，该谐振腔能够根据具体的应用选择不同的介质窗口、微波耦合方式以及反应气体进出方式，具有结构简单、方便灵活等特点。

Description

等离子体化学气相沉积微波谐振腔及装置
技术领域
本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别是一种用于等离子体化学气相沉积的微波谐振腔及采用该微波谐振腔的等离子体化学气相沉积装置。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积（CVD）法是利用微波能量来激发等离子体，实现对材料（金刚石、石墨烯等）的制备。由于其等离子体产生涉及的是一种无电极放电过程，所以这种等离子体比较纯净，能够避免热丝CVD法、直流喷射CVD法制备材料时因热丝金属或钨电极蒸发对材料造成的污染。与射频CVD法相比较，微波等离子体CVD法具有放电区域相对集中，能量密度高，沉积速率快的特点。因此，这种方法受到人们的广泛关注，并在研究和制备高品质金刚石材料等领域得到了广泛的应用。
谐振腔是微波等离子体CVD装置的主要部件。目前使用的微波等离子体CVD装置的谐振腔结构一方面大多存在聚焦能力较低的问题，为了实现材料的快速沉积，人们从如何提高聚焦能力，以此形成强聚焦电场和高密度等离子体入手，不断探索新的谐振腔结构。另一方面，谐振腔灵活性较差，均需要搭配特定的耦合机构和介质窗口才能够制造成微波等离子体CVD装置，如椭球谐振腔需要配置同轴探针天线作为耦合机构，使用石英钟罩作为介质窗口；圆柱谐振腔一般配置同轴探针作为耦合机构，使用石英板作为介质窗口；蝶形谐振腔需要配置同轴圆周天线作为耦合机构，使用石英环作为介质窗口。
基于以上问题，本发明专利利用电磁波的反射和干涉原理提出了一种具有电场聚焦能力强，能够使用不同耦合机构和介质窗口的新型谐振腔。
发明内容
本发明提供一种等离子体化学气相沉积微波谐振腔及装置，以达到提高谐振腔聚焦能力和配置灵活性的目的。
为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种等离子体化学气相沉积微波谐振腔，其特征在于：该微波谐振腔包括两个顶部相交的等腰三角形布尔并集运算后形成的回转体，该回转体内部形成上腔体和下腔体，其中等腰三角形的底边边长为2nλ~（2n+0.5）λ，其中，n为整数，λ为微波波长，底角为50°~75°，两个等腰三角形的底边长相等或相差nλ，其中，n为整数，上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~4/5λ。
进一步地，所述的回转体的中部设置有上圆柱腔，下腔体底部设有下圆柱腔。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种等离子体化学气相沉积装置，它包括微波耦合机构、介质窗口、基台、调谐机构、进出气孔和上述的微波谐振腔。
进一步地，本发明所述的一种等离子体化学气相沉积装置，形成微波谐振腔的两个等腰三角形的底边边长相等，上腔体顶部设置有同轴探针耦合天线，下腔体底部设置有频率调谐板，频率调谐板与下腔体的腔壁接触处设有微波屏蔽弹片，石英钟罩介质窗口的脚部放置在频率调谐板上，并与之密封，石英钟罩介质窗口顶部弧面高于上下腔体的分界面，所述基台设置在频率调谐板中部，基台两侧的频率调谐板上开有进气孔和出气孔。
进一步地，本发明所述的一种等离子体化学气相沉积装置，形成上腔体的等腰三角形的底边边长大于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体顶部设置有同轴圆周耦合天线， 上腔体顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线适配并密封的石英环介质窗口，同轴圆周耦合天线内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔，下腔体底部设置有频率调谐板，频率调谐板与下腔体的腔壁接触处设有微波屏蔽弹片，所述基台设置在频率调谐板中部，基台两侧的频率调谐板上开有出气孔。
进一步地，本发明所述的一种等离子体化学气相沉积装置，形成上腔体的等腰三角形的底边边长小于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体顶部设置有同轴探针耦合天线， 上腔体中部横置并与之密封的石英板介质窗口，石英板介质窗口下方的上腔体壁开有进气孔，下腔体底部设置有频率调谐板，频率调谐板与下腔体的腔壁接触处设有微波屏蔽弹片，所述基台设置在频率调谐板中部，基台两侧的频率调谐板上开有出气孔，下腔体底部开有总出气孔。
进一步地，在包括上圆柱腔和下圆柱腔的结构中，本发明提供的一种等离子体化学气相沉积装置，包括微波耦合机构、介质窗口、基台、调谐机构、进出气孔和权利要求2所述的微波谐振腔，上腔体顶部设置有同轴圆周耦合天线，上腔体顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线适配并密封的石英环介质窗口，同轴圆周耦合天线内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔，下圆柱腔中部设有横置的第一频率调谐板，第一频率调谐板中部设置基台，基台两侧设置垂直于第一频率调谐板的第二频率调谐板，第二频率调谐板中部开有出气孔，下圆柱腔底部开有总出气孔。
微波从上部耦合进微波谐振腔后，能够在腔体底部中心处形成强度高、均匀分布的聚焦电场，本发明利用了电磁波的反射和干涉原理，通过调节上、下等腰三角形的底边长、底边角度以及二者之间的中心距离形成强聚焦电场。同时，该谐振腔能够根据具体的应用选择不同的介质窗口、微波耦合方式以及反应气体进出方式，具有结构简单、方便灵活等特点。
附图说明
图1是本发明微波谐振腔的结构示意图。
图2是本发明微波谐振腔的微波电场模拟效果图。
图3是实施例1的装置示意图。
图4是实施例2的装置示意图。
图5是实施例3的装置示意图。
图6是实施例4的装置示意图。
图中，1-上腔体，2-下腔体，3-上圆柱腔，4-下圆柱腔，5-同轴探针耦合天线，6-频率调谐板，7-石英钟罩介质窗口，8-基台，9-进气孔，10-出气孔，11-同轴圆周耦合天线，12-石英环介质窗口，13-石英板介质窗口，14-总出气孔，15-基台升降机构，16-频率调谐板升降机构，61-第一频率调谐板，62-第二频率调谐板，161-第一频率调谐板升降机构，162第二频率调谐板升降机构。
具体实施方式
在本发明一种典型的实施方式中，参考图1，一种等离子体化学气相沉积微波谐振腔，该微波谐振腔包括两个顶部相交的等腰三角形布尔并集运算后形成的回转体，该回转体内部形成上腔体1和下腔体2，其中等腰三角形的底边边长为2nλ~（2n+0.5）λ，其中，n为整数，λ为微波波长，底角为50°~75°，两个等腰三角形的底边长相等或相差nλ（n为整数），上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~4/5λ。
以上实施方式形成的微波电场模拟效果图参考图2，由图2可以看出，微波由上腔体耦合后能够在下腔体底部中心处形成唯一的强聚焦电场。
在一种优选的实施方案中，所述的回转体的中部设置有上圆柱腔3，下腔体2底部设有下圆柱腔4。
在以上微波谐振腔的基础上，配合微波耦合机构、介质窗口、基台、调谐机构、进出气孔可构成等离子体化学气相沉积装置。
使用本发明的一种优选实施方案制造的等离子体化学气相沉积装置制备出的金刚石膜的微观表面形貌图，从图中可以看出所制备的金刚石膜表面的晶粒之间连续、致密，金刚石晶界间没有明显的间隙，也不存在明显的二次形核颗粒等缺陷。使用本发明装置制备出的金刚石膜的拉曼谱线，从图中可以看出金刚石膜的拉曼光谱中只有1332.5cm-1附近的一个金刚石特征峰，而且没有明显的石墨及其它杂质的特征峰出现，金刚石拉曼特征峰的半高宽为2.3cm-1，这表明所制备的金刚石膜具有优良的品质。
以下结合具体实施例对本发明所述的微波谐振腔及等离子体化学气相沉积装置的结构，以及技术效果作进一步说明。
需要说明的一点是，在本技术领域中，常见的工业用微波频率有两种，分别是2.45GHz和915MHz，其中，频率为2.45GHz的微波对应的波长λ1=122.4mm，频率为915MHz的微波对应的波长λ2=327.9mm。在本实施方式中，申请人采用122.4mm的微波波长λ（波长允许的偏差范围为±10 mm）进行举例说明。对于实施例中的微波谐振腔，等腰三角形的底边边长为2nλ~（2n+0.5）λ，其中，n取1，λ取122.4mm，即等腰三角形的底边边长为244.8~306mm；两个等腰三角形的底边长相等或相差nλ（n取1），即两个等腰三角形的底边长相等或相差122.4mm（允许偏差范围为±10 mm）；上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~4/5λ，即上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~97.92mm。
实施例1
参考图3。本实施例中形成微波谐振腔的两个等腰三角形的底边边长相等，上腔体顶部设置有同轴探针耦合天线5，下腔体2底部设置有频率调谐板6，石英钟罩介质窗口7的脚部放置于频率调谐板6上并与之密封，石英钟罩介质窗口7顶部弧面高于上下腔体的分界面，所述基台8设置在频率调谐板6中部，基台8两侧的频率调谐板6上开有进气孔9和出气孔10。与基台配合的有基台升降机构15，以及与频率调谐板配合的频率调谐板升降机构16。
具体实施时，对于上述微波谐振腔，两个等腰三角形的底边边长为245±5 mm；上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心重合，即重心间距为0；两个等腰三角形的底角取50°。
实施例2
参考图4。本实施例中形成上腔体的等腰三角形的底边边长大于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体1顶部设置有同轴圆周耦合天线11， 上腔体1顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线11适配的石英环介质窗口12，同轴圆周耦合天线11内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔9，下腔体2底部设置有频率调谐板6，所述基台8设置在频率调谐板6中部，基台8两侧的频率调谐板6上开有出气孔10。与基台配合的有基台升降机构15，以及与频率调谐板配合的频率调谐板升降机构16。
具体实施时，对于上述微波谐振腔，上等腰三角形的底边边长为735±5mm、底角为55°；下等腰三角形的底边边长为490±5mm、底角为60°；上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心的间距为55±5mm。
实施例3
参考图5。本实施例中形成上腔体的等腰三角形的底边边长小于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体1顶部设置有同轴探针耦合天线5， 上腔体1中部横置石英板介质窗口13，石英板介质窗口13下方的上腔体1壁开有进气孔9，下腔体2底部设置有频率调谐板6，所述基台8设置在频率调谐板6中部，基台8两侧的频率调谐板6上开有出气孔10，下腔体底部开有总出气孔14。与基台配合的有基台升降机构15，以及与频率调谐板配合的频率调谐板升降机构16。
具体实施时，对于上述微波谐振腔，上等腰三角形的底边边长为790±5mm、底角为75°；下等腰三角形的底边边长为1035±5mm、底角为55°；上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心的间距为95±5mm。
实施例4
参考图6。本实施例中回转体的中部设置有上圆柱腔3，下腔体2底部设有下圆柱腔4。上腔体的等腰三角形的底边边长大于形成下腔体的等腰三角形的底边边长。上腔体1顶部设置有同轴圆周耦合天线11，上腔体1顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线11适配的石英环介质窗口12，同轴圆周耦合天线11内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔9，下圆柱腔4中部设有横置的第一频率调谐板61，第一频率调谐板61中部设置基台8，基台8两侧设置垂直于第一频率调谐板61的第二频率调谐板62，第二频率调谐板62中部开有出气孔10，下圆柱腔4底部开有总出气孔14。与基台配合的有基台升降机构15，以及与第一频率调谐板配合的第一频率调谐板升降机构161、与第二频率调谐板配合的第二频率调谐板升降机构162。
具体实施时，对于上述微波谐振腔，上等腰三角形的底边边长为1244±5mm、底角为65°；上圆柱腔3的直径为1110±5mm、高度为290±5mm；下等腰三角形的底边边长为1000±5mm、底角为55°；下圆柱腔4的直径为850±5mm、高度为165±5mm；上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心的间距为35±5mm。

Claims (7)

1.一种等离子体化学气相沉积微波谐振腔，其特征在于：该微波谐振腔包括两个顶部相交的等腰三角形布尔并集运算后形成的回转体，该回转体内部形成上腔体（1）和下腔体（2），其中等腰三角形的底边边长为2nλ~（2n+0.5）λ，其中，n为整数，λ为微波波长，底角为50°~75°，两个等腰三角形的底边长相等或相差nλ，n为整数，上等腰三角形的重心与下等腰三角形的重心间距为0~4/5λ。
2.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积微波谐振腔，其特征在于：所述的回转体的中部设置有上圆柱腔（3），下腔体（2）底部设有下圆柱腔（4）。
3.一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：包括微波耦合机构、介质窗口、基台、调谐机构、进出气孔和权利要求1所述的微波谐振腔。
4.根据权利要求3所述的等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：形成微波谐振腔的两个等腰三角形的底边边长相等，上腔体顶部设置有同轴探针耦合天线（5），下腔体（2）底部设置有频率调谐板（6），石英钟罩介质窗口（7）的脚部放置在频率调谐板（6）上，石英钟罩介质窗口（7）顶部弧面高于上下腔体的分界面，所述基台（8）设置在频率调谐板（6）中部，基台（8）两侧的频率调谐板（6）上开有进气孔（9）和出气孔（10）。
5.根据权利要求3所述的等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：形成上腔体的等腰三角形的底边边长大于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体（1）顶部设置有同轴圆周耦合天线（11）， 上腔体（1）顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线（11）适配的石英环介质窗口（12），同轴圆周耦合天线（11）内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔（9），下腔体（2）底部设置有频率调谐板（6），所述基台（8）设置在频率调谐板（6）中部，基台（8）两侧的频率调谐板（6）上开有出气孔（10）。
6.根据权利要求3所述的等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：形成上腔体的等腰三角形的底边边长小于形成下腔体的等腰三角形的底边边长，上腔体（1）顶部设置有同轴探针耦合天线（5）， 上腔体（1）中部横置石英板介质窗口（13），石英板介质窗口（13）下方的上腔体（1）壁开有进气孔（9），下腔体（2）底部设置有频率调谐板（6），所述基台（8）设置在频率调谐板（6）中部，基台（8）两侧的频率调谐板（6）上开有出气孔（10），下腔体底部开有总出气孔（14）。
7.一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：包括微波耦合机构、介质窗口、基台、调谐机构、进出气孔和权利要求2所述的微波谐振腔，上腔体（1）顶部设置有同轴圆周耦合天线（11），上腔体（1）顶部内侧设置有与所述同轴圆周耦合天线（11）适配的石英环介质窗口（12），同轴圆周耦合天线（11）内部中心开有贯通微波谐振腔内部的进气孔（9），下圆柱腔（4）中部设有横置的第一频率调谐板（61），第一频率调谐板（61）中部设置基台（8），基台（8）两侧设置垂直于第一频率调谐板（61）的第二频率调谐板（62），第二频率调谐板（62）中部开有出气孔（10），下圆柱腔（4）底部开有总出气孔（14）。
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