CN116970922A - Mpcvd装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MPCVD装置及其应用，涉及微波等离子体的技术领域，包括同轴线、放大同轴线、第一渐变阻抗匹配器、第二渐变阻抗匹配器、等离子体反应室、基台，以及悬放于内部的同轴内导体；放大同轴线使同轴线中的TEM模式转换到放大同轴线中形成稳定的TEM模式；第一渐变阻抗匹配器使放大同轴线中的TEM模式转换到第一渐变阻抗匹配器腔体内形成TM01模式；等离子体反应室的腔体能放大并保持TM01模式和产生TM02模式，形成混合模式使等离子体产生区域变大。本发明解决了微波等离子体区域小、能量利用率低，以及金刚石制备尺寸小的问题，达到了操作简单、适用性广，以及产生更均匀和更大面积金刚石薄膜的效果。
Description
技术领域
本发明涉及微波等离子体的技术领域，尤其是涉及一种MPCVD装置及其应用。
背景技术
金刚石是天然物质中最硬的材料，在热学、声学、光学以及电学等方面具有优异的物理化学性能。人工合成的高品质金刚石膜具有媲美天然金刚石的高硬度、高热导率、低热膨胀系数以及高透光率等的诸多优异性能，因而在工业上有着广泛的用途，例如可以制作耐磨刀具、声学膜片、光学透过窗口以及芯片散热片等。此外，在传统的硅基半导体已经接近物理极限的情况下，金刚石以其超宽的禁带和极高的载流子迁移率，已经成为下一代新型半导体的热门选择。要实现上述应用，除对金刚石的品质有较高要求外，还需要具有较大的面积。然而，天然金刚石储量有限，大面积高品质的金刚石更是稀有且价格昂贵。因此，人工合成高品质金刚石膜一直是研究的热点。
目前，金刚石膜的制备方法主要有燃烧火焰法、热丝等离子体CVD法、直流电弧等离子体炬法、激光辅助电子增强CVD法、射频等离子体CVD法以及微波等离子体CVD法等。微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）不仅产生的等离子体密度高，运行气压范围宽，膜质量高、速度快，而且等离子产生过程中不需要电极，不会引入电极杂质，是制备高质量金刚石膜的最佳选择；工作原理是，微波源产生的微波经波导管传输至模式转换器转换或者直接耦合进谐振腔后，在基片上方中心处聚焦形成强电磁场，谐振腔和介质窗口组成的真空反应室中的反应气体在强电磁场的作用下激发产生等离子体，进而实现金刚石膜的沉积。
然而，高品质金刚石膜的制备与应用仍面临一些技术难题与挑战，例如在金刚石膜的制备过程中如何有效地改善大面积金刚石膜的均匀性，如何大幅度提升金刚石膜的沉积速率，如何降低微米级金刚石膜的表面粗糙度及缺陷等，都是急需解决的技术难题。为解决上述问题，科研工作者们先后开发出了诸多不同类型的高功率MPCVD装置，但是这些装置仍然存在一些缺点，导致限制了应用推广。因此，有必要开发性能更优异的MPCVD装置。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种MPCVD装置，具有独特的结构设计，操作简单、适用性较广，能够在任何微波频段下工作，具有TM01和TM02混合的特殊模式，能够产生更加均匀、面积更大的金刚石薄膜。
本发明的目的之二在于提供一种MPCVD装置的应用，能够解决微波等离子体区域小且产生不均匀、能量利用率低，以及金刚石制备尺寸小的问题，能够取得突出的应用效果。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，一种MPCVD装置，包括由顺次连接的同轴线1、放大同轴线2、第一渐变阻抗匹配器3、第二渐变阻抗匹配器6以及等离子体反应室7构成的装置外部，以及穿过同轴线1、放大同轴线2和第一渐变阻抗匹配器3的同轴内导体4；
其中，所述同轴内导体4悬放于装置内部；
所述放大同轴线2采用阶梯结构，用以使同轴线1中的TEM模式转换到放大同轴线2中形成稳定放大的TEM模式；
所述第一渐变阻抗匹配器3采用渐变结构，用以将放大同轴线2中的TEM模式转换到第一渐变阻抗匹配器3腔体内形成TM01模式；
所述第一渐变阻抗匹配器3和所述第二渐变阻抗匹配器6之间设置有石英板5，用以防止污染气体进入等离子体反应室7；
所述等离子体反应室7的腔体为石英板5下的渐变型结构，用以放大并保持TM01模式和产生TM02模式，最后形成混合模式使等离子体产生区域变大。
作为进一步技术方案，所述同轴内导体4悬放于第一渐变阻抗匹配器3上方，用以将TEM模式更好、更优地转换成TM01模式。
作为进一步技术方案，所述同轴内导体4采用渐变型结构。
作为进一步技术方案，所述石英板5置于腔体中间，用以将等离子体反应室7内部抽至低压，达到真空状态以使等离子体容易产生，且隔绝空气进入到等离子体反应室7中，避免等离子体被污染。
作为进一步技术方案，所述MPCVD装置的基台8设置在等离子体反应室7的中心，用于使等离子体在较强的电场分布处产生，从而沉积更大面积的金刚石薄膜。
作为进一步技术方案，所述基台8包括但不限于圆柱结构，或由至少两个圆柱上下叠加而组成的结构。
作为进一步技术方案，所述同轴内导体4随着装置内部模式的变化而更换，包括但不限于椭圆结构。
第二方面，一种上述任一项所述的MPCVD装置在金刚石薄膜制备中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的MPCVD装置，具有独特的结构设计，在各器件的协同配合下，该装置不仅具有优异的真空性能、均匀沉积的优势，而且具有TM01和TM02混合的特殊模式，从而能够产生更加均匀、面积更大的金刚石薄膜，解决了现阶段产生的微波等离子体区域小且产生不均匀、能量利用率低以及金刚石制备尺寸小的技术问题。
本发明MPCVD装置的激发原理是将传统的TEM模式和压缩TM01模式激发更换成更加均匀、功率密度更高的TM01和TM02混合模式，从而通过TM02和TM01混合模式实现大尺寸微波等离子体化学气相沉积；本发明中的等离子体源和实现方法具有操作简单和理论性较强的特点；同时，本发明MPCVD装置的适用性较广，可以在任何微波频段下工作，只是在不同频段下装置尺寸不同，而实现原理和方法却没有任何改变。
本发明提供的MPCVD装置的应用，能够避免微波等离子体区域小且产生不均匀、能量利用率低，以及金刚石制备尺寸小的问题，能够取得突出的应用效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的微波等离子体化学气相沉积装置（MPCVD装置）的结构图；
图2为本发明实施例1提供的微波等离子体化学气相沉积装置（MPCVD装置）的示意图。
图标：1-同轴线；2-放大同轴线；3-第一渐变阻抗匹配器；4-同轴内导体；5-石英板；6-第二渐变阻抗匹配器；7-等离子体反应室；8-基台。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
根据本发明的第一个方面，提供了一种MPCVD装置，包括由顺次连接的同轴线1、放大同轴线2、第一渐变阻抗匹配器3、第二渐变阻抗匹配器6以及等离子体反应室7构成的装置外部，以及穿过同轴线1、放大同轴线2和第一渐变阻抗匹配器3的同轴内导体4；
其中，同轴内导体4悬放于装置内部；
放大同轴线2，可以采用阶梯结构，其作用是同轴线1中的TEM模式转换到放大同轴线2中形成稳定放大的TEM模式；
第一渐变阻抗匹配器3采用渐变结构，用以将放大同轴线2中的TEM模式转换到第一渐变阻抗匹配器3腔体内形成TM01模式；
第一渐变阻抗匹配器3和第二渐变阻抗匹配器6之间设置有石英板5，用以防止污染气体进入等离子体反应室7，石英板5能够将等离子体反应室7与空气隔开，从而避免空气中污染气体例如氧气和氩气等进入等离子体反应室7而导致产生的金刚石薄膜不均匀的问题；石英作为耐高温材料，可以耐住等离子体产生后的等离子体温度；
渐变阻抗匹配器不仅能够消除反射，而且能够抑制模式转换过程中其他模式对工作模式的干扰；同时，圆波导与同轴线之间存在不连续性而造成微波能量反射，渐变阻抗匹配器可以高效地将同轴线的微波能量传输到圆波导中，从而实现能量的高效率利用；
等离子体反应室7，其腔体是在石英板5下进行渐变型结构，其作用是放大并保持TM01模式和产生TM02模式，最后形成混合模式使等离子体产生区域变大，从而能够在基台上沉积获得大面积的金刚石薄膜。
本发明提供的MPCVD装置，是用于金刚石沉淀的微波等离子体装置，具有独特的结构设计，在各器件的协同配合下，该装置不仅具有优异的真空性能、均匀沉积的优势，而且具有TM01和TM02混合的特殊模式，从而能够产生更加均匀、面积更大的金刚石薄膜，解决了现阶段产生的微波等离子体区域小且产生不均匀、能量利用率低以及金刚石制备尺寸小的技术问题。
在一种优选的实施方式中，同轴内导体4可以悬放于第一渐变阻抗匹配器3上方，用以将TEM模式更好、更优地转换成TM01模式。。
在一种优选的实施方式中，同轴内导体4可以使用渐变型结构，并且石英板5可以放置于腔体中间，用于将等离子体反应室7内部抽至低压，达到真空状态，从而能够更容易产生等离子体，同时能够使等离子体产生时离石英板较远，避免石英板刻蚀产生污染，从而产生品质更高的金刚石。
在一种优选的实施方式中，MPCVD装置的基台8可以设置在等离子体反应室7的中心，基台8能够让等离子体在较强的电场分布处产生，并使其更加均匀，用于沉积金刚石薄膜，使产生更大面积的金刚石薄膜。
在一种优选的实施方式中，基台8包括圆柱结构，或也可以由至少两个圆柱上下叠加而组成的结构，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，同轴内导体4可以随着装置内部模式的变化而进行更换，包括但不限于椭圆结构。
综上所述，本发明的MPCVD装置，激发原理是将圆波导中的TM01模式，通过波导同轴转换器，转换为TEM模式，然后在圆柱腔体中激发起更加均匀、面积更大、基台上方功率密度更高的TM01和TM02混合模式，通过TM02和TM01混合模式实现大尺寸微波等离子体化学气相沉积，不仅具有等离子体源和实现方法操作简单和理论性较强的特点，而且适用性较广，可以在任何微波频段下工作，只是在不同频段下装置尺寸不同，而实现原理和方法却没有任何改变。
根据本发明的第二个方面，提供了一种上述任一项所述的MPCVD装置在金刚石薄膜制备中的应用。
本发明提供的MPCVD装置的应用，能够避免微波等离子体区域小且产生不均匀、能量利用率低，以及金刚石制备尺寸小的问题，能够取得突出的应用效果。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
一种MPCVD装置，结构图见图1，示意图见图2，包括由顺次连接的同轴线1、放大同轴线2、第一渐变阻抗匹配器3、第二渐变阻抗匹配器6以及等离子体反应室7构成的装置外部，以及穿过同轴线1、放大同轴线2和第一渐变阻抗匹配器3的同轴内导体4，以及放在等离子体反应室7中心具有阶梯结构的基台8；
放大同轴线2采用阶梯结构，将同轴线1中的TEM模式转换到放大同轴线2中形成稳定放大的TEM模式；
第一渐变阻抗匹配器3采用渐变结构，将放大同轴线2中的TEM模式转换到第一渐变阻抗匹配器3腔体内形成TM01模式；
第一渐变阻抗匹配器3和第二渐变阻抗匹配器6之间设置有石英板5，石英板5能够将等离子体反应室7与空气隔开，以防止空气中污染气体例如氧气和氩气等进入等离子体反应室7；
同轴内导体4悬放于装置内部，悬放于第一渐变阻抗匹配器3上方，用以将TEM模式更好、更优地转换成TM01模式；同轴内导体4使用渐变型结构，石英板5放置于腔体中间，用以将等离子体反应室7内部抽至低压，达到真空状态以使等离子体容易产生，且隔绝空气进入到等离子体反应室7中，避免等离子体被污染；
其中，同轴内导体4随着装置内部模式的变化而进行更换，本实施例中同轴内导体4可以为椭圆结构；
等离子体反应室7，其腔体是在石英板5下进行渐变型结构，用以放大并保持TM01模式和产生TM02模式，最后形成混合模式使等离子体产生区域变大，从而能够在基台8上沉积获得大面积的金刚石薄膜；
其中，基台8设置在等离子体反应室7的中心，基台8能够让等离子体在较强的电场分布处产生，并使其更加均匀；本实施例中基台8可以是两个圆柱上下叠加而组成的结构。
本实施例提供的MPCVD装置，激发原理是将圆波导中的TM01模式，通过波导同轴转换器，转换为TEM模式，然后在圆柱腔体中激发起更加均匀、面积更大、基台上方功率密度更高的TM01和TM02混合模式，从而通过TM02和TM01混合模式实现大尺寸微波等离子体化学气相沉积，不仅具有等离子体源和实现方法操作简单和理论性较强的特点，而且适用性较广，可以在任何微波频段下工作，只是在不同频段下装置尺寸不同，而实现原理和方法却没有任何改变。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种MPCVD装置，其特征在于，包括由顺次连接的同轴线（1）、放大同轴线（2）、第一渐变阻抗匹配器（3）、第二渐变阻抗匹配器（6）以及等离子体反应室（7）构成的装置外部，以及穿过同轴线（1）、放大同轴线（2）和第一渐变阻抗匹配器（3）的同轴内导体（4）；
其中，所述同轴内导体（4）悬放于装置内部；
所述放大同轴线（2）采用阶梯结构，用以使同轴线（1）中的TEM模式转换到放大同轴线（2）中形成稳定放大的TEM模式；
所述第一渐变阻抗匹配器（3）采用渐变结构，用以将放大同轴线（2）中的TEM模式转换到第一渐变阻抗匹配器（3）腔体内形成TM01模式；
所述第一渐变阻抗匹配器（3）和所述第二渐变阻抗匹配器（6）之间设置有石英板（5），用以防止污染气体进入等离子体反应室（7）；
所述等离子体反应室（7）的腔体为石英板（5）下的渐变型结构，用以放大并保持TM01模式和产生TM02模式，最后形成混合模式使等离子体产生区域变大。
2.根据权利要求1所述的MPCVD装置，其特征在于，所述同轴内导体（4）悬放于第一渐变阻抗匹配器（3）上方，用以将TEM模式转换成TM01模式。
3.根据权利要求2所述的MPCVD装置，其特征在于，所述同轴内导体（4）采用渐变型结构。
4.根据权利要求1所述的MPCVD装置，其特征在于，所述石英板（5）置于腔体中间，用以将等离子体反应室（7）内部抽至低压，从而激发等离子体，且使等离子体反应室（7）与空气隔开，避免等离子体被污染。
5.根据权利要求1所述的MPCVD装置，其特征在于，所述MPCVD装置的基台（8）设置在等离子体反应室（7）的中心，用于使等离子体在强电场分布处产生，从而沉积更大面积的金刚石薄膜。
6.根据权利要求5所述的MPCVD装置，其特征在于，所述基台（8）包括圆柱结构。
7.根据权利要求5所述的MPCVD装置，其特征在于，所述基台（8）包括由至少两个圆柱上下叠加而组成的结构。
8.根据权利要求3所述的MPCVD装置，其特征在于，所述同轴内导体（4）包括椭圆结构。
9.一种权利要求1-8任一项所述的MPCVD装置在金刚石薄膜制备中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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