CN204752846U - 一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，涉及等离子体化学气相沉积领域及碳纳米管冷阴极领域，以解决现有技术中等离子体分布不均匀从而影响碳纳米管阵列薄膜生长的均匀性的问题。本实用新型系统分两部分，一部分为中心与通气管道相接的金属圆盘，金属圆盘与直流高压电源正极相接，另一部分为位于金属圆盘正下方用于装载待生长样品的金属底盘与高压电源负极相接，在进行等离子体气相沉积实验时，由于将待生长碳纳米管的硅衬底置于金属圆盘中心通气管道的正下方，从而保证待生长碳纳米管的硅衬底表面上等离子体的分布是均匀的。

Description

一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统

技术领域

本实用新型属于等离子体化学气相沉积领域，具体涉及一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统。

背景技术

目前用作高功率微波管的电子源主要是传统热阴极，热阴极需要加热至一定温度才能工作，因而热阴极具有预热延迟以及无法快速响应等缺点。相比热阴极而言，场发射冷阴极因为具有室温工作以及快速响应的优点正在逐渐取代传统的热阴极。

碳纳米管自发现以来，其优异独特的场发射特性得到广泛的研究。碳纳米管阵列具有大电流密度、低开启电压、快速响应等良好的场发射特性，碳纳米管是一种作为场发射冷阴极的理想材料，因此碳纳米管冷阴极具有取代传统热阴极用作高功率微波管电子源的趋势。

目前碳纳米管冷阴极的制备工艺还不够成熟，其中生长出的碳纳米管薄膜的均匀性是碳纳米管冷阴极制备工艺的一项重要指标，碳纳米管分布的均匀性将会直接影响碳纳米管冷阴极的场发射性能。

目前制备碳纳米管冷阴极的主要方法为PECVD(PlasmaEnhancedChemicalDeposition)技术，即等离子体增强化学气相沉积技术。等离子体增强化学气相沉积技术将用于生长碳纳米管薄膜的碳源气体利用直流辉光放电、射频放电或微波放电的方式电离为等离子体，然后在镀覆有铁催化剂层的硅衬底上沉积出碳纳米管薄膜，等离子体的活性很强使得碳纳米管的生长反应能够在较低的温度下进行。

图1为现有用于碳纳米管生长的化学气相沉积系统的结构示意图，其中反应腔中由上至下包括高功率微波或射频输入端口、RF电极、进气口、基片载物台、加热装置以及出气口。

现有用于碳纳米管生长的等离子体气相沉积技术工作过程如下：

首先将待生长碳纳米管的硅衬底置于基片载物台上，将真空腔抽至高真空状态，然后启动加热装置将真空腔内升至等离子体气相沉积反应所需要的环境温度，最后碳源气体由一侧流入反应腔内，开启微波或射频发生器让高功率微波或射频由上端的输入端口进入反应腔内使得碳源气体电离为等离子体，等离子体化学性质十分活跃使得反应温度大大降低，碳源气体变为等离子体后反应沉积在硅片上面生长为碳纳米管薄膜。

但是由于现有的等离子体气相沉积系统中反应气体由一侧进入反应腔内，在射频或高压直流作用下产生的等离子体无法保证在待生长的衬底表面上每一点都是均匀分布的，不仅如此，用于等离子体气相沉积的加热装置一般置于反应腔底部，无法保证生长碳纳米管的硅衬底上各点的反应温度相同，这样就会导致利用PECVD法生长的碳纳米管薄膜均匀性较差。

实用新型内容

本实用新型的提供一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，使得等离子体能够均匀的分布在待生长碳纳米管的硅衬底表面上，并且能够保证待生长碳纳米管的硅衬底表面上各点的反应温度基本相同，从而提高PECVD方法生长的碳纳米管薄膜的均匀性，提高碳纳米管阵列冷阴极的场发射性能，。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，其结构如图2、3、4及图5所示，包括高压电源正极接线柱1、高压电源负极接线柱2、金属底盘接线柱3、加热电源正极接线柱4、加热装置负极接线柱5、圆形金属底盘6、金属圆盘7、进气管道8、金属圆盘外围接线柱9、出气口10、绝热层11、加热装置12及固定装置13，所述绝热层11围成一个圆柱形腔体14，整个系统的其它部件位于腔体14中；

所述高压电源正极接线柱1、高压电源负极接线柱2关于腔体中轴线对称设置于所述圆柱形腔体底部并贯穿整个腔体14底壁；

所述进气管道8由圆柱形腔体的底部伸入并向上延伸至圆柱形腔体顶部后，其通道方向指向原圆柱形腔体中轴线并向下旋转180度，使得进气管道8的出口位于所述圆柱形腔体内的正上方且出气方向指向正下方；

所述圆形金属底盘6通过支脚固定于圆柱形腔体底部，并位于所述进气管道8的出气口的正下方；所述金属底盘接线柱3位于所述圆形金属底盘6上；所述接线柱3通过导线与所述高压电源负极接线柱2位于腔体14内部一端连接；

所述金属圆盘7中间开孔并水平放置于进气管道8的出气口处，且与所述圆形金属底盘6平行；所述金属圆盘7通过裹覆于进气管道8外部的金属外壁与设置于所述圆柱形腔体底部的金属圆盘外围接线柱9连接；所述金属圆盘外围接线柱9通过导线与所述高压电源正极接线柱1位于腔体14外侧的一端连接；

所述出气口10开设于所述圆柱形腔体的底壁上且位于所述圆形金属底盘6的正下方；

所述加热装置12为多个形状一致、各具有一个开口的环状非闭合电热丝由上至下等间距叠放而成，所述多个电热丝通过固定装置13固定于圆柱腔体内；所述多个环状非闭合电热丝开口的一端均与加热电源正极接线柱4连接，所述多个环状非闭合电热丝开口的另一端均与加热装置负极接线柱5连接；所述加热电源正极接线柱4、加热装置负极接线柱5均贯穿于所述圆柱形腔体14的底壁；

所述金属圆盘7、金属底盘6均位于所述加热装置内。

所述固定装置13由绝缘材料制成。

本实用新型提供的等离子体气相沉积系统采用直流辉光放电的形式产生等离子体，其中与直流高压电源正极1相接的金属圆盘7中心与通气管道8相连，与直流高压电源负极2相连的是位于金属圆盘7正下方的圆形金属底盘6；待生长碳纳米管的硅衬底置于与通气管道相连金属圆盘中心的正下方的金属底盘6上，在进行等离子体化学气相沉积实验时开启直流高压电源后反应气体经由进气管道8由金属圆盘7的中心出流入反应腔中会被迅速电离为等离子体，由于待生长碳纳米管的硅衬底置于与通气管道相连金属圆盘中心的正下方，等离子体会均匀的分布在硅衬底的表面上，不仅如此，等离子体化学气相沉积法的加热电阻丝也是关于金属圆盘中心对称的环状结构，这种结构能够保证反应腔内的温度基本相同，因而硅衬底上生长出的碳纳米管薄膜的均匀性会大大提高。

附图说明

图1为现有技术中等离子体气相沉积系统的示意图；

图2为本实用新型实例等离子体气相沉积系统的剖面图；

图3为本实用新型实例等离子体气相沉积系统的俯视图；

图4为本实用新型实例等离子体气相沉积系统的底部视图；

图5为本实用新型实例等离子体气相沉积系统的三维视图；

其中1-高压电源正极接线柱，2-高压电源负极接线柱，3-金属底盘接线柱，4-加热电源正极接线柱，5-加热装置负极接线柱，6-圆形金属底盘，7-金属圆盘，8-进气管道，9-金属圆盘外围接线柱，10-出气口，11-绝热层，12-加热装置，13-电热丝的固定装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本实例提供的等离子体发生装置包括中心与进气管道8相连通金属圆盘7，金属圆盘正下方的圆形金属底盘6，其中进气管道8与反应腔外部的反应气体流入管道相通，金属圆盘7与反应腔外部的金属圆盘外围接线柱9相连，接线柱9与反应腔底部的高压电源正极接线柱1相接，圆形金属底盘6与反应腔内的高压电源负极接线柱2相接。

本实例提供的加热装置包括加热电阻丝12、加热电阻丝的固定装置13以及加热电源正负极接线柱4、5，其中加热电阻丝的固定装置13用于将多条加热电阻丝12固定住，加热电源正负极接线柱4、5均与多条开环加热电阻丝12的两端相接。

上述等离子体发生装置以及对应的等离子体化学气相沉积系统的工作过程如下：首先将待生长碳纳米管的硅衬底置于反应腔内的圆形金属底盘6上面，将反应腔封闭之后抽离气体至高真空状态。然后打开加热电源对加热电阻丝12进行加热，将反应腔升至等离子体化学沉积反应时所需要的温度，由于加热电阻丝是关于金属圆盘中心对称的环状结构，这种结构能够保证待生长碳纳米管的硅衬底上各点温度基本相同，从而不会因为反应温度不同对生长出的碳纳米管薄膜的均匀性造成影响。最后反应气体通过进气孔8由金属圆盘7的中心进入反应腔内，打开直流高压电源后会将直流高压施加在金属圆盘7与圆形衬底6之间形成均匀电场，反应气体会被迅速电离为等离子体进入反应腔内，由于待生长碳纳米管的硅衬底置于与通气管道相连金属圆盘9中心的正下方，等离子体会均匀的分布在硅衬底的表面上，这样就会使得利用等离子体化学气相沉积法生长出的碳纳米管薄膜的均匀性大大提高。

Claims (4)

1.一种生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，包括高压电源正极接线柱(1)、高压电源负极接线柱(2)、金属底盘接线柱(3)、加热电源正极接线柱(4)、加热装置负极接线柱(5)、金属底盘(6)、金属圆盘(7)、进气管道(8)、金属圆盘外围接线柱(9)、出气口(10)、绝热层(11)、加热装置(12)及固定装置(13)，所述绝热层(11)围成一个圆柱形腔体(14)；

其特征在于，所述高压电源正极接线柱(1)、高压电源负极接线柱(2)关于腔体中轴线对称设置于所述圆柱形腔体底部并贯穿整个腔体(14)底壁；

所述进气管道(8)由圆柱形腔体的底部伸入并向上延伸至圆柱形腔体顶部后，其通道方向指向原圆柱形腔体中轴线并向下旋转180度，使得进气管道(8)的出口位于所述圆柱形腔体内的正上方且出气方向指向正下方；

所述金属底盘(6)通过支脚固定于圆柱形腔体底部，并位于所述进气管道(8)的出气口的正下方；所述金属底盘接线柱(3)位于所述金属底盘(6)上；所述接线柱(3)通过导线与所述高压电源负极接线柱(2)位于腔体(14)内部一端连接；

所述金属圆盘(7)中间开孔并水平放置于进气管道(8)的出气口处，且与所述金属底盘(6)平行；所述金属圆盘(7)通过裹覆于进气管道(8)外部的金属外壁与设置于所述圆柱形腔体底部的金属圆盘外围接线柱(9)连接；所述金属圆盘外围接线柱(9)通过导线与所述高压电源正极接线柱(1)位于腔体(14)外侧的一端连接；

所述出气口(10)开设于所述圆柱形腔体的底壁上且位于所述金属底盘(6)的正下方。

2.根据权利要求1所述的生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，其特征在于，所述加热装置(12)为多个形状一致、各具有一个开口的环状非闭合电热丝由上至下等间距叠放而成，所述多个电热丝通过固定装置(13)固定于圆柱腔体(14)内；所述多个环状非闭合电热丝开口的一端均与加热电源正极接线柱(4)连接，所述多个环状非闭合电热丝开口的另一端均与加热装置负极接线柱(5)连接；所述加热电源正极接线柱(4)、加热装置负极接线柱(5)均贯穿于所述圆柱形腔体(14)的底壁。

3.根据权利要求1所述的生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，其特征在于，所述金属底盘(6)为圆形金属底盘。

4.根据权利要求1所述的生长碳纳米管的等离子体气相沉积系统，其特征在于，所述固定装置(13)由绝缘材料制成。