CN114438473A - 一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，包括谐振腔主体、下圆柱体、同轴波导转换器、环形石英窗口、沉积平台、测温孔、测温仪、观察窗、进气口、出气口及水冷系统，其中谐振腔主体包括抛腔，抛腔是由一段抛物线绕所述谐振腔中轴线旋转一周得到的旋转体，且谐振腔内壁任意一点距离基片中心点的距离大于6/7λ。本发明可以使谐振腔内电场分布集中，激发等离子体位置稳定、密度高，有助于提高沉积金刚石膜的品质，同时可以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合物。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石膜的化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置。
背景技术
金刚石具有高的硬度、高弹性模量、高室温热导率(大于20W/cm﹒K)、低膨胀系数、高化学惰性、高光学透明性等优异的性能，其在高功率电子器件的散热片，高功率激光和红外窗口等工业领域具有巨大的应用价值。为实现这些重要应用，必须能够高效地制备出大面积、高品质的自支撑金刚石膜。
在各种化学气相沉积方法中，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)以其无电极放电污染、可控性好、等离子体密度高、以及沉积面积较大、品质较好等特性成为制备高品质金刚石膜的首选方法。
然而，与其他CVD方法相比，MPCVD法金刚石膜的生长速率偏低，特别是制备大面积(大于2英寸)的高品质金刚石膜时，其生长速率一般低于3μm/h。优化MPCVD金刚石膜沉积装置的设计，提高MPCVD金刚石膜沉积装置的微波输入功率，是提高MPCVD法金刚石膜沉积速率的有效手段。
自MPCVD金刚石膜沉积技术出现以来，为使MPCVD金刚石膜沉积装置能够承载更高的微波输入功率，人们研发了各种结构的沉积装置。从最初的石英管式、石英钟罩式、圆柱不锈钢金属谐振腔式到后来的椭球谐振腔式和多模非圆柱谐振腔式装置，其输入功率已从最初的数百瓦发展到了目前数千瓦的水平。而各种MPCVD金刚石膜沉积装置在结构上的差异是导致其允许输入的微波功率水平和金刚石膜的沉积速率有很大差异的主要原因。
专利CN101864560B提出了一种新的MPCVD装置的设计方案。在该方案中，装置的主体由两个直径不同的简单圆柱体所构成，因而很容易通过其高度的调节实现对于整个装置中微波电场和等离子体分布的实时调节。而且，该装置的各主要部件都允许被设计成直接水冷的形式，因而该装置可以允许被输入较高的微波功率。但该装置谐振腔中起调节作用的小圆柱体由于突进沉积室内较多、距离高温等离子体区域较近，因而在高功率时易出现石墨状物质或碳的化合物的沉积，对沉积腔室造成污染的问题。该问题使得该装置很难在较高的功率下长时间运行。
针对现有技术中存在的不足，如何设计一种新型结构的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，以便于实现在高功率下、高效地沉积大面积高品质的金刚石膜的目的，成为了目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明公开了一种多样品防混料的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，旨在解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采用下述技术方案：
一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，包括：
-谐振腔主体，谐振腔主体由上到下依次包括圆顶盖、抛腔及中圆柱体；抛腔与中圆柱体相连，抛腔设置为由一段抛物线绕谐振腔主体的中轴线旋转一周得到的旋转体；
-下圆柱体，下圆柱体包括下圆柱体外壁、下圆柱体内壁及环形天线；
-同轴波导转换器，同轴波导转换器包括同轴线，同轴线包括同轴外导体和同轴内导体；
-沉积平台，沉积平台设置于谐振腔主体的底部，在沉积平台的中心设有基片；
-环形石英窗口，环形石英窗口设置于环形天线的内部。
作为优选的技术方案，抛腔的抛物线两端点处斜率大致垂直，抛物线的方程为y＝0.006x2，x＝-83.3～83.3mm。
作为优选的技术方案，谐振腔主体的内壁上任意一点距基片中心点的距离大于6/7λ，其中λ为导入微波的波长。
作为优选的技术方案，同轴线的外径与内径比例为2.3，同轴线的外径与内径分别为46mm和20mm。
作为优选的技术方案，基片包括圆形硅片，在沉积过程中产生的等离子体位于基片上方。
作为优选的技术方案，环形石英窗口包括一个厚度为6mm的石英环，石英环隐蔽于谐振腔主体的下方。
作为优选的技术方案，还包括进气口和出气口；进气口设置于圆顶盖的中心，出气口均匀设置于中圆柱体的侧壁四周。
作为优选的技术方案，还包括测温孔及测温仪，测温孔设置于抛腔的壁上，测温仪通过测温孔与抛腔连接。
作为优选的技术方案，还包括观察窗，观察窗设置于中圆柱体的侧壁上。
作为优选的技术方案，还包括水冷系统；水冷系统包括设置于谐振腔主体、沉积平台、下圆柱体、同轴外导体和同轴内导体内部的冷却水路。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
(1)本发明提供了一种抛腔式高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置的谐振腔主体内设置了一段由抛物线旋转一周得到的抛腔，且抛物线两端点处的斜率近乎垂直，这种抛腔式谐振腔的结构设计可以使谐振腔内电场分布集中，激发等离子体位置稳定、密度高，有助于提高沉积金刚石膜的品质。
(2)本发明装置中与等离子体直接接触的谐振腔内壁距离高温等离子体区域较远，尤其是谐振腔内壁任意一点距离基片中心点的距离大于6/7λ，λ为导入微波的波长，以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合物。
(3)本装置中谐振腔室内的微波能量几乎全部集中于中心沉积台的上方，避免了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。
(4)本发明装置中同轴线外径与内径分别为46mm和20mm，外径与内径之比为2.3。通过数值仿真并不断优化后可知，这个尺寸比例可以在微波输入功率尽量大的情况下使微波传输损耗较小。
(5)本发明装置中石英环窗口被隐藏于反应腔的下方，完全避免了与等离子体的接触，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。
(6)本发明装置的各个主要组成部分均为金属结构，内部设有冷却水路，可以对设备实现直接的水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。
(7)本装置可在较高的微波输入功率条件(6kw)下，用于大面积高品质金刚石膜的高效沉积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例公开的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置的仿真图。
附图标记说明：
圆顶盖1、抛腔2、中圆柱体3、下圆柱体外壁4、下圆柱体内壁5、环形天线6、同轴外导体7、同轴内导体8、微波9、进气管道10、观察窗11、出气口12、环形石英窗口13、沉积平台14、基片15、等离子体16、测温仪17、进气口18、测温孔19。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本发明在一种优选实施例中提供了一种抛腔式高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置主要包括谐振腔主体、下圆柱体、同轴波导转换器、环形石英窗口13、沉积平台14、测温孔19、测温仪17、观察窗11、进气口18、出气口12及水冷系统。
其中，谐振腔主体设置于整个沉积装置的最上方，在一种优选实施方式中，谐振腔主体包括圆顶盖1、抛腔2及中圆柱体3；圆顶盖1是一个圆形金属盖，其半径为25mm，在圆顶盖1上的中心位置设有进气口18，进气管道10与进气口18连接在一起，用于向谐振腔内输入气体；优选的，抛腔2是由一段抛物线旋转一周得到的旋转体，更优选的，抛物线的方程为y＝0.006x2，x＝-83.3～83.3mm，该段抛物线两端点处的斜率大致垂直，这种抛腔式谐振腔的结构设计可以使谐振腔内电场分布集中，激发等离子体16位置稳定、密度高，有助于提高沉积金刚石膜的品质。进一步的，抛腔式谐振腔相对于半椭球顶的谐振腔而言，优势在于：不需要在腔体内部添加金属挡板即可实现微波聚焦的效果，减少积碳现象。优选的，在抛腔2壁上还设有测温孔19，安装于谐振腔主体外的测温仪17通过测温孔19与抛腔2连接。
进一步地，中圆柱体3与抛腔2连接在一起，且处于抛腔2的下方，优选的，中圆柱体3的内径大于所述抛腔2的最大内径，也即谐振腔主体的最大内径处为中圆柱体3的内径，以保证与等离子体16直接接触的谐振腔内壁距离高温等离子体16区域均较远；优选的，谐振腔主体的内壁上任意一点距所述基片15中心点的距离大于6/7λ，或者，等离子体16的中心距离谐振腔内壁的距离均大于7/8λ。其中λ为导入2.45GHz微波的波长122mm，以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合物。
参见图2，为对整个金刚石膜沉积装置的仿真图，可见会有一个明确的强场区出现。
更进一步的，在中圆柱体3的侧壁上设有出气口12，出气口12优选设置为4个，且高度相同，均匀分布与中圆柱体3侧壁的四周，用于沉积结束后对气体的排放。
优选的，在中圆柱体3的侧壁上还设有观察窗11，用于在沉积过程中观察腔体内部的情况。
优选的，下圆柱体由下圆柱体外壁4、下圆柱体内壁5及圆柱形的环形天线6组成。
在谐振腔主体的底部，设有沉积平台14，沉积平台14中心设有用于沉积金刚石膜的基片15，在沉积过程中产生的等离子体16位于基片15的上方。优选的，沉积平台14为一个厚度为5mm的平台，基片15是一块厚度为3mm，半径为30mm的圆形硅片，可用来沉积直径60mm的金刚石膜。
进一步地，在沉积平台14下方设有同轴波导转换器，包括同轴线，同轴线由同轴外导体7和同轴内导体8组成，微波9通过同轴线和环形天线6的传输，输入到谐振腔中。在一种优选实施方式中，同轴线外径与内径分别为46mm和20mm，外径与内径之比为2.3。根据数值仿真并不断优化后可知，这个尺寸比例可以在微波9输入功率尽量大的情况下使微波9传输损耗较小。
优选的，环形石英窗口13是一个厚度6mm的石英环，位于环形天线6的内部，用于隔绝空气，保持反应腔内的真空环境。优选的，环形石英窗口13隐蔽于反应腔的下方，完全避免了与等离子体16的接触，可以保证在设备高功率运行时不会受到等离子体16的刻蚀。具体的，之所以选择石英窗，是因为该材料可以较小的阻碍微波9的传递，使用石英仅仅是最优的解决方案之一，也可以采用其他具有相同功能的材料。
在一种优选实施方式中，上述沉积装置内还设有水冷系统，具体的，上述圆顶盖1、抛腔2、中圆柱体3的外壁、沉积平台14、下圆柱体内壁5、下圆柱体外壁4、环形天线6、同轴外导体7和同轴内导体8均为金属结构，在其中均设有冷却水路，可以对沉积装置实现直接的水冷，确保整个装置在高微波9功率输入下的稳定运行。
在一种优选实施方式中，上述抛腔式高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置的运行方式如下：
1.选取3mm厚，直径60mm的单晶硅片作为基片。
2.使用真空泵将沉积装置抽至真空。
3.通入氢气和甲烷的混合气体，同时调节装置中的气体压力。
4.向装置内输入频率为2.45GHz、功率为6000W的微波，在装置中的沉积平台14上方激发出等离子体16，开始进行金刚石膜的沉积。
5.沉积一段时间后，顺序关闭气体、微波电源以及真空泵，结束金刚石膜的沉积。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，包括：
-谐振腔主体，所述谐振腔主体由上到下依次包括圆顶盖、抛腔及中圆柱体；所述抛腔与所述中圆柱体相连，所述抛腔设置为由一段抛物线绕所述谐振腔主体的中轴线旋转一周得到的旋转体；
-下圆柱体，所述下圆柱体包括下圆柱体外壁、下圆柱体内壁及环形天线；
-同轴波导转换器，所述同轴波导转换器包括同轴线，所述同轴线包括同轴外导体和同轴内导体；
-沉积平台，所述沉积平台设置于所述谐振腔主体的底部，在所述沉积平台的中心设有基片；
-环形石英窗口，所述环形石英窗口设置于所述环形天线的内部。
2.根据权利要求1所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述抛腔的抛物线两端点处斜率大致垂直，所述抛物线的方程为y=0.006x2，x= -83.3～83.3mm。
3.根据权利要求1所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述谐振腔主体的内壁上任意一点距所述基片中心点的距离大于6/7λ，其中λ为导入微波的波长。
4.根据权利要求1所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述同轴线的外径与内径比例为2.3，所述同轴线的外径与内径分别为46mm和20mm。
5.根据权利要求1所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述基片包括圆形硅片，在沉积过程中产生的等离子体位于所述基片上方。
6.根据权利要求1所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述环形石英窗口包括一个厚度为6mm的石英环，所述石英环隐蔽于所述谐振腔主体的下方。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括进气口和出气口；所述进气口设置于所述圆顶盖的中心，所述出气口均匀设置于所述中圆柱体的侧壁四周。
8.根据权利要求7所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括测温孔及测温仪，所述测温孔设置于所述抛腔的壁上，所述测温仪通过所述测温孔与所述抛腔连接。
9.根据权利要求8所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括观察窗，所述观察窗设置于所述中圆柱体的侧壁上。
10.根据权利要求9所述的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括水冷系统；所述水冷系统包括设置于谐振腔主体、沉积平台、下圆柱体、同轴外导体和同轴内导体内部的冷却水路。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115466940B (zh) * | 2022-08-15 | 2023-10-20 | 中国电子科技集团公司第十二研究所 | 一种金刚石基微波体衰减材料，制备及应用 |
| WO2024085357A1 (ko) * | 2022-10-20 | 2024-04-25 | 서울시립대학교 산학협력단 | 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치 및 이에 이용되는 디스크 어셈블리 |
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- 2021-12-27 CN CN202111613676.4A patent/CN114438473A/zh active Pending
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