CN114645263A - 微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置与方法 - Google Patents

微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置与方法，属于半导体材料制备领域。具体包括极板一、极板二、极板三、进气口、抽气口、排气口、冷却水口、底座以及各极板对应的电源，其中极板一与电源一、极板二与电源二、极板三与电源三的负极连接，所有电源正极接地，另外极板一和极板三用于固定样品且均设置有循环冷却水。将基片固定在极板一、极板三上后关闭腔室，向腔室中通入氢气，随后调节电源输出电压，并通入甲烷气体，在极板上沉积大尺寸金刚石薄膜。该装置利用来自微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光耦合，促使气体分子剧烈离化，极大的提高气体离化效率，有利于实现快速、高效的沉积大面积金刚石散热板。

Description

微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置与方法
技术领域
本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置与方法。
技术背景
金刚石具有优异的热学性质，使其在半导体激光器、集成电路、固体微波器件等领域获得了非常重要的应用，然而要实现大规模工业化应用则必须要解决成本高、质量低和面积小等问题。传统热沉金刚石自支撑膜采用热丝CVD法、微波等离子体CVD法、直流电弧等离子体喷射CVD法等来制备，但以上各种方法或面临着设备昂贵、工艺复杂的问题，或面临着产品质量低下、面积有限等问题，这些问题严重限制了金刚石散热领域的发展。其中，热丝CVD法面临着热丝碳化、热丝变形甚至热丝断裂等问题(Carbon,187(2022),396-403)，微波等离子体CVD法面临着设备昂贵、工艺复杂，而且存在所得金刚石膜尺寸有限、沉积速率低下等问题，直流电弧等离子体喷射CVD法面临着工艺和设备极其复杂、成本高昂等问题(Diamond and Related Materials,20,1287-1301.(2011))。本发明设计更加合理的装置与方法，利用来自微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光耦合，促使气体分子剧烈离化，极大的提高气体离化效率，实现快速、高效的沉积大面积金刚石散热板。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置与方法，该装置利用来自微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光耦合，促使气体分子剧烈离化，极大的提高气体离化效率，快速、高效的沉积大面积金刚石散热板。为了达成上述目的，本发明的技术方案为：
一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置，其特征在于该装置横向轴线方向布置有极板一、极板二、极板三。极板一、极板二、极板三依次与电源一、电源二、电源三负极连接，所有电源均可为直流电源、射频电源或脉冲电源，且所有电源正极均与腔室导电连接，腔室接地，其中极板一和极板三还可左右移动，以调节与极板二之间的距离。在放电过程中极板二阵列分布的贯穿微单元产生的空心阴极效应和极板一与极板二之间、极板三与极板二间产生的空心阴极效应共同给极板一和极板三加热，气体经过微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光被剧烈地离化，在极板一和极板三上实现快速、高效的沉积大面积金刚石散热板。
进一步地，所述极板二厚度为5-15mm，其表面阵列分布有贯穿微单元，微单元图案除图1所示船形以外，还可以为椭圆形、圆形、方形等，本发明以图1所示船形为例：微单元横向最小间距和纵向最小间距均为5-15mm，船形两头半圆直径5-15mm，船形中间为正方形。
进一步地，所述极板一和极板三均为钼制且设置有水冷层，这两个极板参与放电过程并用于基片的固定，且这两个极板在轴向位置可调；极板二所用材料为金属钽。
进一步地，所述极板一连接电源一负极，极板二连接电源二负极，极板三连接电源三负极，电源正极均连接腔室，腔室接地，其中三个电源均可为直流电源、射频电源或脉冲电源。
本发明采用如上所述装置微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积的方法，其特征在于主要工作过程如下：
极板二通孔为两头半圆直径为5-15mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为5-15mm，安装极板二，并调节极板间距至5-25mm；将基片固定在极板一、极板三上后关闭腔室，抽至预定真空度后向腔室中通入300sccm氢气，稳定腔压至1-5kPa；随后调节电源二输出电压至400-1200V对极板二进行预热。调节电源一和电源三的输出电压至100-500V，并通入3-15sccm甲烷气体，此时基片温度为700-1100℃，进行薄膜沉积过程。
本发明实施过程的关键在于：
本发明提出一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置与方法。主要包括极板一、极板二、极板三、进气口、抽气口、排气口、冷却水口以及各极板对应的电源，其中极板均与电源负极连接，电源正极接地。本发明利用来自微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光耦合，促使气体分子剧烈离化，极大的提高气体离化效率，有利于实现快速、高效的沉积大面积金刚石散热板。
薄膜沉积时关键之处在于极板二通孔为两头半圆直径为5-15mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距为5-15mm，极板间距至5-25mm，CH4:H2＝(3-15)：300sccm，腔压为1-5kPa，电源二输出电压范围为0-2000V，电源一和电源三的输出电压范围为至0-1500V，来自极板二的高温辐射加上极板间的空心阴极效应共同促使气体分子离化，加上极板二发射的热电子和离化粒子在衬底之间往复振荡、碰撞过程，极大的提高了气体离化效率，最终在基片温度为700-1100℃下进行薄膜沉积过程。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
本发明设计一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置，该装置利用来自微单元阵列产生的空心阴极辉光和双边极板产生的空心阴极辉光耦合，促使气体分子剧烈离化，极大的提高气体离化效率；而且该装置结构简单、操作方便，极大地降低了生产成本，有利于实现快速、高效的规模化生产大面积金刚石散热板。
附图说明
图1是一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置结构示意图；其中：1-极板一；2-极板二；3-极板三；4-进气口；5-电源一；6-电源二；7-电源三；8-排气口；9-接地；10-冷却水；11-腔室；12-底座；13-抽气口。
图2是所述装置极板二示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
如图所示，本发明提出一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极化学气相沉积装置与方法，包括水冷极板一(1)、极板二(2)、水冷极板三(3)、进气口(4)；电源一(5)、电源二(6)、电源三(7)、排气口(8)、接地(9)、冷却水(10)、腔室(11)、底座(12)、抽气口(13)。腔室(11)内轴线方向上设置有水冷极板一(1)、极板二(2)、水冷极板三(3)，其中水冷极板一(1)、水冷极板三(3)可左右移动。极板二(2)均布有特殊结构的通孔，通过高温和自身空心阴极效应产生的辉光放电来离化气体，结合极板间的空心阴极效应，气体离化效率进一步增强。其中，水冷极板一(1)、极板二(2)、水冷极板三(3)分别与电源一(5)、电源二(6)、电源三(7)负极连接，电源正极接地。
实施例1
本发明的微单元阵列和对电极耦合空心阴极化学气相沉积装置，通过调节电源参数、电极位置、电极结构，实现金刚石的高速率高质量生长。该装置使用方法按照以下步骤实施：
首先安装极板二(2)，并调节各极板间间距至5mm，其中极板二(2)通孔为两头半圆直径为15mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为15mm；然后将基片固定在极板一(1)、极板三(3)上后关闭腔室(11)，抽至8×10-5Pa后向腔室(11)中通入300sccm氢气，稳定腔压至5kPa；随后调节电源二(6)输出电压至1200V对极板二(2)进行预热；最后调节电源一(5)和电源三(7)的输出电压至100V并通入3sccm甲烷气体，此时基片温度为700℃，进行薄膜沉积过程。
实施例2
本发明的微单元阵列和对电极耦合空心阴极化学气相沉积装置，通过调节电源参数、电极位置、电极结构，实现金刚石的高速率高质量生长。该装置使用方法按照以下步骤实施：
首先安装极板二(2)，并调节各极板间间距至10mm，其中极板二(2)通孔为两头半圆直径为12mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为12mm；然后将基片固定在极板一(1)、极板三(3)上后关闭腔室(11)，抽至8×10-5Pa后向腔室(11)中通入300sccm氢气，稳定腔压至4kPa；随后调节电源二(2)输出电压至1000V对极板二(2)进行预热；最后调节电源一(5)和电源三(7)的输出电压至200V，并通入6sccm甲烷气体，此时基片温度为800℃，进行薄膜沉积过程。
实施例3
本发明的微单元阵列和对电极耦合空心阴极化学气相沉积装置，通过调节电源参数、电极位置、电极结构，实现金刚石的高速率高质量生长。该装置使用方法按照以下步骤实施：
首先安装极板二(2)，并调节各极板间间距至15mm，其中极板二(2)通孔为两头半圆直径为10mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为10mm；然后将基片固定在极板一(1)、极板三(3)上后关闭腔室(11)，抽至8×10-5Pa后向腔室(11)中通入300sccm氢气，稳定腔压至3kPa；随后调节电源二(2)输出电压至800V对极板二(2)进行预热；最后调节电源一(5)和电源三(7)的输出电压至300V，并通入9sccm甲烷气体，此时基片温度为900℃，进行薄膜沉积过程。
实施例4
本发明的微单元阵列和对电极耦合空心阴极化学气相沉积装置，通过调节电源参数、电极位置、电极结构，实现金刚石的高速率高质量生长。该装置使用方法按照以下步骤实施：
首先安装极板二(2)，并调节各极板间间距至20mm，其中极板二(2)通孔为两头半圆直径为8mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为8mm；然后将基片固定在极板一(1)、极板三(3)上后关闭腔室(11)，抽至8×10-5Pa后向腔室(11)中通入300sccm氢气，稳定腔压至2kPa；随后调节电源二(2)输出电压至600V对极板二(2)进行预热；最后调节电源一(5)和电源三(7)的输出电压至400V，并通入12sccm甲烷气体，此时基片温度为1000℃，进行薄膜沉积过程。
实施例5
本发明的微单元阵列和对电极耦合空心阴极化学气相沉积装置，通过调节电源参数、电极位置、电极结构，实现金刚石的高速率高质量生长。该装置使用方法按照以下步骤实施：
首先安装极板二(2)，并调节各极板间间距至25mm，其中极板二(2)通孔为两头半圆直径为5mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为5mm；然后将基片固定在极板一(1)、极板三(3)上后关闭腔室(11)，抽至8×10-5Pa后向腔室(11)中通入300sccm氢气，稳定腔压至1kPa；随后调节电源二(2)输出电压至400V对极板二(2)进行预热；最后调节电源一(5)和电源三(7)的输出电压至500V，并通入15sccm甲烷气体，此时基片温度为1100℃，进行薄膜沉积过程。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置，其特征在于所述装置包括：极板一、极板二、极板三、进气口、电源一、电源二、电源三、抽气口、排气口、冷却水、腔室、底座；所述腔室架设在所述底座上，所述腔室设置有进气口、排气口、抽气口；所述极板一、极板二、极板三依次与电源一、电源二、电源三负极连接，所述电源一、电源二和电源三均可以是直流电源、射频电源或脉冲电源，且所述电源正极与腔室导电连接、腔室接地，其中所述电源二电压在0-2000V范围内连续可调，电源一和电源三电压在0-1500V范围内连续可调；所述装置通过以上设计实现高质量金刚石薄膜的沉积。
2.如权利要求1所述的一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置，其特征在于，所述极板二以钽、钨或钼高熔点金属及其合金制成，厚度为5-15mm，其表面阵列分布有贯穿空心阴极微单元。
3.如权利要求2所述的一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置，其特征在于，所述贯穿空心阴极微单元图案除船形以外，还可以为椭圆形、圆形、方形；以船形为例：微单元横向最小间距和纵向最小间距均为5-15mm，船形两头半圆直径5-15mm，船形中间为正方形。
4.如权利要求1所述的一种微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积装置，其特征在于，所述极板一和极板三均为钼制、且均设置有水冷层，所述极板一和极板三参与放电过程并用于基片的固定，且极板一和极板三横向位置可左右调节。
5.采用如权利要求1所述装置微单元阵列和双边极板耦合空心阴极气相沉积方法，其特征在于实验过程为：
极板二通孔是两头半圆直径为5-15mm、中间为正方形的船形设计，通孔横向和纵向最大间距均为5-15mm；安装极板二，并调节极板间距至5-25mm；将基片固定在极板一、极板三上后关闭腔室，抽至预定真空度后向腔室中通入300sccm氢气，稳定腔压至1-5kPa；随后调节电源二输出电压至400-1200V对极板二进行预热；调节电源一和电源三的输出电压至100-500V，并通入3-15sccm甲烷气体，此时基片温度为700-1100℃，在极板一和极板三上沉积大尺寸金刚石薄膜。
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