CN107858667B - 一种小型椭球式等离子反应腔及其制造方法 - Google Patents

一种小型椭球式等离子反应腔及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种小型椭球式等离子反应腔及其设计方法，包括腔体、设置在腔体内的沉积室以及同轴天线，腔体为下部切边的椭球状金属腔体，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝430～440mm，短轴半径R＝160～170mm，沉积室是由沉积基台与石英钟罩组成，其中沉积基台与椭球体短轴平行，密封设置在腔体的下部切边位置，石英钟罩同轴罩盖在沉积基台上方，同轴天线采用圆柱状铜材料，设置于腔体的上端缺口处，等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033。使用本发明的等离子反应腔的微波等离子体CVD装置与传统的“TM036”式装置有着相同的微波聚焦能力，但体积是传统“TM036”椭球式装置体积的一半，具有结构合理紧凑、成本低、加工难度低的优点，具有较好的应用前景。

Description

一种小型椭球式等离子反应腔及其制造方法
技术领域
本发明属于微波等离子化学气相沉积薄膜技术领域，涉及一种小型椭球式等离子反应腔及其设计方法。
背景技术
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，而且掺杂之后的金刚石还具有优异的半导体特性。正是金刚石的这些优异性能的组合，使它在现代技术的各个领域中有着广泛的应用前景。
微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)一直是国际上被用于高品质金刚石膜制备的首选方法，其优点是其可控性和洁净性好，可沉积的金刚石膜的质量高。
我国高功率MPCVD技术的发展相对滞后，另外，由于MPCVD技术相对复杂，因而世界各国在发展高功率MPCVD技术的过程中都借助了数值模拟技术。我国在MPCVD装置模拟技术方面研究的不足，也是造成我国在高功率MPCVD金刚石膜沉积技术上落后的一个主要原因。在这一背景之下，系统开展MPCVD装置模拟技术的研究，并在此基础上发展新型MPCVD装置设计，对促进高品质金刚石膜沉积技术的发展起到十分重要的推动作用。
在微波等离子化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜技术中，等离子反应腔是微波等离子体化学气相沉积装置的核心构件，其结构设计对于微波等离子化学气相沉积技术的发展起到至关重要的作用。
MPCVD装置等离子反应腔的类型包括石英管式、石英钟罩式、圆柱谐振腔式、椭球谐振腔式、圆周天线谐振腔式和非圆柱谐振腔式等。其中，椭球谐振腔式微波等离子反应腔微波输入功率相对较高，但由于目前使用的“TM036”式的椭球谐振腔体积较大，尤其是对工作在915MHz的微波等离子体CVD装置来说更是如此，因此设计出一种相对尺寸较小，并具有相对较高的微波聚焦能力的椭球形微波等离子反应腔，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理紧凑的小型椭球式等离子反应腔，具有加工难度低、生产成本低的特点。
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理紧凑的小型椭球式等离子反应腔的制造方法，可降低微波等离子化学气相沉积(MPCVD)设备中等离子反应腔加工难度及生产成本，利于产业化。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种小型椭球式等离子反应腔，包括腔体、设置在腔体内的沉积室以及同轴天线，其特征在于：所述腔体为下部切边的椭球状金属腔体，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝430～440mm，短轴半径R＝160～170mm，沉积室是由沉积基台与石英钟罩组成，其中沉积基台平行与椭球体短轴密封设置在腔体的下部切边位置，石英钟罩同轴罩盖在沉积基台上方，同轴天线设置于腔体的上端缺口处，等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033。
作为优选，所述腔体采用不锈钢材料，同轴天线采用圆柱状铜材料，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝435mm，短轴半径R＝165mm。
作为优选，所述沉积基台的高度z4＝64～68mm，石英钟罩半径Rsy＝115～125mm，石英钟罩高度Hsy＝230～250mm；同轴天线的内半径r1＝8～10mm，外半径r2＝26～28mm；同轴天线的高度z1＝58～62mm。
再优选，所述沉积基台的高度z4＝66mm；石英钟罩半径Rsy＝120mm，石英钟罩高度Hsy＝240mm；同轴天线的内半径r1＝9mm，外半径r2＝27mm；同轴天线的高度z1＝60mm。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种小型椭球式等离子反应腔的制造方法，其特征包括：
1)腔体设计：腔体为下部切边的椭球状金属腔体，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝430～440mm，短轴半径R＝160～170mm；
2)沉积室设计：沉积室是由沉积基台与石英钟罩组成，其中沉积基台平行与椭球体短轴密封设置在腔体的下部切边位置，石英钟罩同轴罩盖在沉积基台上方，沉积基台的高度z4＝64～68mm，石英钟罩半径Rsy＝115～125mm，石英钟罩高度Hsy＝230～250mm；
3)同轴天线设计：同轴天线采用圆柱状铜材料，设置于腔体的上端，同轴天线的内半径r1＝8～10mm，外半径r2＝26～28mm，同轴天线的高度z1＝58～62mm；
4)等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033，即微波电场在等离子反应腔内径向和轴向的驻波数均为3。
进一步，等离子反应腔中的最大电场强度出现于沉积基台上方的中心处，电场强度的最大值约为6×104V·m-1；
进一步，等离子反应腔内的等离子体密度的最大值可达1.5×1017/m3。
作为优选，所述腔体采用不锈钢材料，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝435mm，短轴半径R＝165mm。
再优选，所述沉积基台的高度z4＝66mm；石英钟罩半径Rsy＝120mm，石英钟罩高度Hsy＝240mm。
进一步优选，所述同轴天线的内半径r1＝9mm，外半径r2＝27mm，同轴天线的高度z1＝60mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过数值模拟计算，优化设计出一种小型椭球式等离子反应腔，并加以制造，使用此种等离子反应腔的微波等离子体CVD装置与传统的“TM036”式装置有着相同的微波聚焦能力，因为两者产生的微波电场以及它们所能够提供的等离子体密度都相仿。本发明设计制造的小型椭球形等离子反应腔的体积是传统“TM036”椭球式装置体积的一半，因此使得制作成本和加工难度都将大幅降低，具有结构合理紧凑、成本低、加工难度低的优点，具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的小型椭球式等离子反应腔的结构示意图；
图2是本发明提供的小型椭球式等离子反应腔中的电场分布图；
图3是本发明提供的小型椭球式等离子反应腔中的等离子体密度图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种小型椭球式等离子反应腔，包括腔体1，腔体1为下部切边的椭球状真空腔体，腔体采用不锈钢材料，椭球体长轴直径Z＝435mm，短轴半径R＝165mm，腔体1内设有沉积室和同轴天线2，沉积室是由沉积基台3与石英钟罩4组成，其中沉积基台3平行与椭球体短轴密封设置在腔体1的下部切边位置，石英钟罩4同轴罩盖在沉积基台3上方，沉积基台3是用于放置沉积金刚石膜的基体材料，石英钟罩4的作用是等离子在石英钟罩4内激发后沉积金刚石膜，沉积基台3的高度z4＝66mm；石英钟罩4半径Rsy＝120mm，石英钟罩4高度Hsy＝240mm；同轴天线2用于微波传输及转换，同轴天线2采用圆柱状铜材料，同轴设置于腔体1的上端缺口处，同轴天线2的内半径r1＝8～10mm，外半径r2＝26～28mm；同轴天线2的高度z1＝58～62mm；等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033；
等离子反应腔中的最大电场强度出现于沉积基台3上方的中心处，电场强度的最大值约为6×104V·m-1，如图2所示，经由同轴天线2馈入的微波，在经过椭球形腔体的内壁反射之后，在椭球的下焦点区域形成了一个强场区，正好也位于沉积基台3中心处。
等离子反应腔内的等离子体密度的最大值可达1.5×1017/m3，如图3所示，当输入谐振腔中的微波能量达到一定水平后，将使气体发生放电击穿而形成等离子体。
本发明的等离子反应腔用于沉积金刚石膜的具体操作过程为：
一，预抽真空。首先用真空泵对沉积室预抽真空至0-5Pa；
二，金刚石膜沉积实验所用的工作气体为氢气和甲烷，经小型椭球式等离子反应腔的顶端气体通道输入沉积室；
三，调节排气阀门，使沉积室气体的压力升至1kPa以上，以防止在沉积室内出现次生的等离子体；
四，打开微波电源，观察到在等离子反应腔石英钟罩内出现等离子体，在沉积基台上方实现薄膜沉积；
五，逐渐增加输入MPCVD装置的微波功率，并在此过程中不断提高沉积室的气体压力，以抑制在沉积室内可能出现的次生等离子体。
本发明的等离子反应腔设计呈椭球状，能对进入等离子反应腔内的微波起反射作用，它对确定谐振电场的场型有着至关重要的作用，本发明的等离子反应腔的微波等离子体CVD装置与传统的“TM036”式装置有着相同的微波聚焦能力。此外，本发明的小型椭球形等离子反应腔的体积是传统“TM036”椭球式装置体积的一半。因此，小型椭球形谐振腔式微波等离子体CVD装置的成本和加工难度都将较低，它将在金刚石膜沉积技术中有实际应用价值。
本专利所发明的一种新型等离子反应腔设计制造方法，为2.45GHz或915MHz新型MPCVD等离子反应腔设计制造及结构改进提供参考。

Claims (9)

1.一种小型椭球式等离子反应腔，包括腔体、设置在腔体内的沉积室以及同轴天线，其特征在于：所述腔体为下部切边的椭球状金属腔体，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝430～440mm，短轴半径R＝160～170mm，沉积室是由沉积基台与石英钟罩组成，其中沉积基台平行与椭球体短轴密封设置在腔体的下部切边位置，石英钟罩同轴罩盖在沉积基台上方，同轴天线设置于腔体的上端缺口处，等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033；
所述沉积基台的高度z4＝64～68mm，石英钟罩半径Rsy＝115～125mm，石英钟罩高度Hsy＝230～250mm；同轴天线的内半径r1＝8～10mm，外半径r2＝26～28mm；同轴天线的高度z1＝58～62mm。
2.根据权利要求1所述的小型椭球式等离子反应腔，其特征在于：所述腔体采用不锈钢材料，同轴天线采用圆柱状铜材料，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝435mm，短轴半径R＝165mm。
3.根据权利要求1所述的小型椭球式等离子反应腔，其特征在于：所述沉积基台的高度z4＝66mm；石英钟罩半径Rsy＝120mm，石英钟罩高度Hsy＝240mm；同轴天线的内半径r1＝9mm，外半径r2＝27mm；同轴天线的高度z1＝60mm。
4.一种小型椭球式等离子反应腔的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)腔体设计：腔体为下部切边的椭球状金属腔体，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝430～440mm，短轴半径R＝160～170mm；
2)沉积室设计：沉积室是由沉积基台与石英钟罩组成，其中沉积基台平行与椭球体短轴密封设置在腔体的下部切边位置，石英钟罩同轴罩盖在沉积基台上方，沉积基台的高度z4＝64～68mm，石英钟罩半径Rsy＝115～125mm，石英钟罩高度Hsy＝230～250mm；
3)同轴天线设计：同轴天线采用圆柱状铜材料，设置于腔体的上端缺口处，同轴天线的内半径r1＝8～10mm，外半径r2＝26～28mm；同轴天线的高度z1＝58～62mm；
4)等离子反应腔内的微波耦合方式为天线耦合，微波谐振模式为TM033。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述等离子反应腔中的最大电场强度出现于沉积基台上方的中心处，电场强度的最大值达到6×104V·m-1。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述等离子反应腔内的等离子体密度的最大值达到1.5×1017/m3。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述腔体采用不锈钢材料，椭球状金属腔体的长轴直径Z＝435mm，短轴半径R＝165mm。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述沉积基台的高度z4＝66mm；石英钟罩半径Rsy＝120mm，石英钟罩高度Hsy＝240mm。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述同轴天线的内半径r1＝9mm，外半径r2＝27mm，同轴天线的高度z1＝60mm。
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