一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，該裝置由階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)、設(shè)置于環(huán)形天線階梯處的環(huán)形石英微波窗口、橢球形微波諧振腔、可調(diào)節(jié)沉積臺、圓錐形上反射體和可調(diào)節(jié)圓柱形下反射體，進(jìn)出氣口，測溫孔和觀察窗等組成。此裝置利用橢球的上下焦點(diǎn)設(shè)計(jì)，圓錐形上微波反射體位于上焦點(diǎn)，沉積臺位于下焦點(diǎn)，電場分布集中，激發(fā)等離子體位置穩(wěn)定、密度高；隱藏的微波窗口避免被等離子體加熱、污染、刻蝕；可調(diào)節(jié)的微波下反射體和沉積臺實(shí)時(shí)地優(yōu)化等離子體分布；橢球形諧振腔內(nèi)壁距離高溫等離子體區(qū)較遠(yuǎn)，減弱等離子體對腔室內(nèi)壁的熱輻射，避免沉積異物；裝置各部件采用水冷。此裝置可在高功率下實(shí)現(xiàn)大面積高品質(zhì)金剛石膜的高效沉積。
【專利說明】一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波等離子體法化學(xué)氣相沉積【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種可被應(yīng)用于大面積高品質(zhì)金剛石膜制備的高功率微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石具有高的硬度、高室溫?zé)釋?dǎo)率(大于20W/cm.K)、低膨脹系數(shù)、高化學(xué)惰性、高光學(xué)透明性等優(yōu)異的性能，其在高功率電子器件的散熱片，高功率激光和紅外窗口等工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)這些重要應(yīng)用，必須能夠高效地制備出大面積、高品質(zhì)的自支撐金剛石膜。
[0003]在各種化學(xué)氣相沉積方法中，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)以其無電極放電污染、可控性好、等離子體密度高、以及沉積面積較大、品質(zhì)較好等特性成為制備高品質(zhì)金剛石膜的首選方法。
[0004]然而，與其他CVD方法相比，MPCVD法金剛石膜的生長速率偏低，特別是制備大面積(大于2英寸)的高品質(zhì)金剛石膜時(shí)，其生長速率一般低于3 μ m/h。優(yōu)化MPCVD金剛石膜沉積裝置的設(shè)計(jì)，提高M(jìn)PCVD金剛石膜沉積裝置的微波輸入功率，是提高M(jìn)PCVD法金剛石膜沉積速率的有效手段。
[0005]自MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)出現(xiàn)以來，為使MPCVD金剛石膜沉積裝置能夠承載更高的微波輸入功率，人們研發(fā)了各種結(jié)構(gòu)的沉積裝置。從最初的石英管式[M.Kamo，Y.Sato, S.Matsumoto, J.Cryst.Growth62(1983)642]> 石英鐘罩式[P.Bachmann, D.Leers, H.Lydtin, Diamond Relat.Mater.1 (1991) I]、圓柱不鎊鋼金屬諧振腔式[P.Bachmann, Chemical&Engineering News67 (1989) 24]到后來的捕球諧振腔式[M.Funer, C.Wild, P.Koidl, Appl.Phys.Lett.72 (1998) 1149]和多模非圓柱諧振腔式[E.Pleuler, C.Wild, Diamond Relat.Mater.11(2002)467]裝置，其輸入功率已從最初的數(shù)百瓦發(fā)展到了目前數(shù)千瓦的水平。
[0006]上述各種MPCVD金剛石膜沉積裝置在結(jié)構(gòu)上的差異是導(dǎo)致其允許輸入的微波功率水平和金剛石膜的沉積速率有很大差異的主要原因。
[0007]早期的石英管式、石英鐘罩式MPCVD裝置分別以石英管和石英鐘罩作為微波窗口以此獲取真空條件。這兩種MPCVD裝置存在著一個(gè)共同的缺點(diǎn)一其石英窗口距離沉積室內(nèi)形成的等離子體太近，而石英材料極易被等離子體刻蝕并對金剛石膜的沉積過程造成污染。這一因素限制了上述兩種MPCVD裝置允許輸入的微波功率的提高。圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置是以石英平板作為微波輸入窗口的，其不足之處在于當(dāng)裝置的微波輸入功率較高時(shí)，在平板石英窗口附近會有次生等離子體被激發(fā)出來，因此圓柱金屬諧振腔式MPCVD裝置同樣不能被用在較高的微波功率下。
[0008]橢球諧振腔式MPCVD裝置的設(shè)計(jì)較為新穎，它利用了橢球體具有兩個(gè)焦點(diǎn)的特性，使微波能量從橢球體的一個(gè)焦點(diǎn)出發(fā)，匯聚于橢球體的另一個(gè)焦點(diǎn)處并激發(fā)出高密度的等離子體和進(jìn)行金剛石膜的沉積。在橢球諧振腔式MPCVD裝置中，作為沉積室的石英鐘罩的尺寸較大，這使得該裝置允許輸入的微波功率相對于前述的幾種MPCVD裝置來講有了一定程度的提高，但由于該裝置仍然使用石英鐘罩來作為微波窗口和構(gòu)成真空沉積室，裝置的可輸入功率水平提高有限。
[0009]多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置在介質(zhì)窗口的設(shè)計(jì)方面做了較大的改進(jìn)，它將環(huán)狀的石英微波窗口置于沉積臺的下方，即石英微波窗口與沉積室內(nèi)形成的等離子體之間被完全隔離。這一措施解決了長期以來存在著的MPCVD裝置的石英窗口易被等離子體刻蝕的問題。但是，多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置的外形不規(guī)則，這造成了這一裝置不能像其他具有簡單形狀的MPCVD裝置那樣被方便地調(diào)節(jié)，在高功率下運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)微波反射功率過高的問題。
[0010]在多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置的基礎(chǔ)上，專利申請JP2000-54142A和US2009/0120366A1分別提出了一種以石英環(huán)為微波窗口的設(shè)計(jì)方案，而且這兩個(gè)方案都增加了相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。然而，在專利申請JP 2000-54142A提出的裝置中，等離子體不是僅僅集中于沉積臺的上方，而是與沉積臺和微波激勵(lì)天線兩者同時(shí)相接觸，這不僅造成了微波能量被微波激勵(lì)天線大量吸收而不能被有效利用的問題，還會導(dǎo)致微波激勵(lì)天線的表面出現(xiàn)碳的沉積物。專利申請US 2009/0120366A1雖然針對這一缺點(diǎn)提出了三種改進(jìn)方案，使等離子體可以與微波激勵(lì)天線隔離開來，但這些方案存在著其微波天線部分不能調(diào)節(jié)和不能被直接水冷的缺點(diǎn)，而這兩點(diǎn)均會限制MPCVD裝置微波輸入功率的提高。
[0011]針對這種情況，專利ZL 2010 10188615.3提出了一種新的MPCVD裝置的設(shè)計(jì)方案。在該方案中，裝置的主體由兩個(gè)直徑不同的簡單圓柱體所構(gòu)成，因而很容易通過其高度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)裝置中微波電場和等離子體分布的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。而且，該裝置的各主要部件都允許被設(shè)計(jì)成直接水冷的形式，因而該裝置可以允許被輸入較高的微波功率。但該裝置諧振腔中起調(diào)節(jié)作用的小圓柱體由于突進(jìn)沉積室內(nèi)較多、距離高溫等離子體區(qū)域較近，因而在高功率時(shí)易出現(xiàn)石墨狀物質(zhì)或碳的化合物的沉積，對沉積腔室造成污染的問題。該問題使得該裝置很難在較高的功率下長時(shí)間運(yùn)行。
[0012]綜上所述，目前已有的各類高功率MPCVD金剛石膜沉積裝置都存在各自的不足，或者缺少調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或者等離子體距離微波窗口或裝置的其他部件太近而造成裝置的破壞和污染，或者裝置的部分結(jié)構(gòu)不能被直接水冷，這些因素都限制了現(xiàn)有MPCVD裝置微波輸入功率的提高。但各裝置的設(shè)計(jì)也都有各自突出的優(yōu)點(diǎn)，橢球諧振腔利用其焦點(diǎn)可以獲得穩(wěn)定的高密度等離子體；多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置有效解決了微波窗口污染的問題；專利ZL201010188615.3在微波等離子體的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和裝置水冷方面提供了有益參考。為此，有必要設(shè)計(jì)出一種具備完善的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、等離子體不會使微波窗口破壞、不會有碳及碳的化合物在裝置腔室內(nèi)沉積和造成污染、裝置的各部分均易于被直接水冷、并能夠獲得穩(wěn)定的高密度等離子體的MPCVD裝置，以便實(shí)現(xiàn)在高功率下、高效地沉積大面積高品質(zhì)的金剛石膜的目的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明的目的是要提供一種高效的高功率微波等離子體金剛石膜化學(xué)氣相沉積裝置，它將可以克服已有的各類MPCVD金剛石膜沉積裝置中微波窗口或微波天線、沉積室壁等部件距離等離子體較近、裝置不易調(diào)節(jié)和不易直接水冷等限制MPCVD裝置微波功率提高的缺點(diǎn)，并吸取各裝置的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種具備完善的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、等離子體不會使微波窗口破壞、不會有碳及碳的化合物在裝置腔室內(nèi)沉積和造成污染、裝置的各部分均易于被直接水冷、并能夠獲得穩(wěn)定的高密度等離子體的MPCVD裝置，以便實(shí)現(xiàn)在高功率下、高效地沉積大面積高品質(zhì)的金剛石膜的目的。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:將橢球諧振腔與環(huán)形天線的設(shè)計(jì)相結(jié)合，并融合調(diào)節(jié)機(jī)制和金屬水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將微波反射體設(shè)置于橢球腔的上焦點(diǎn)處，將環(huán)形微波石英窗口設(shè)置于階梯狀微波耦合天線的階梯處，將沉積臺設(shè)置于橢球的下焦點(diǎn)處，使裝置具有高的微波耦合效率，激發(fā)等離子體位置穩(wěn)定，密度高，裝置水冷和真空密封性能好，可高效地應(yīng)用于高品質(zhì)金剛石膜的化學(xué)氣相沉積。
[0015]該裝置由階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)、設(shè)置于環(huán)形天線階梯處的環(huán)形石英微波窗口、橢球形微波諧振腔、可調(diào)節(jié)沉積臺、圓錐形上反射體和可調(diào)節(jié)圓柱形下反射體，進(jìn)出氣口，測溫孔和觀察窗等組成；
[0016]所述階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)由同軸微波饋入口、階梯狀環(huán)形外腔壁、內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線組成；其中微波饋入口由同軸外導(dǎo)體、同軸內(nèi)導(dǎo)體組成；階梯狀環(huán)形外腔壁由直徑不同的上下兩個(gè)圓柱形外腔壁固接而成；內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線由直徑不同的上下兩個(gè)圓柱形內(nèi)腔壁固接而成；
[0017]所述橢球形微波諧振腔由下半橢球體、上半橢球體、圓柱形下反射體、可調(diào)節(jié)圓柱形沉積臺、圓錐形上反射體組成；
[0018]所述進(jìn)出氣口包括進(jìn)氣口、進(jìn)氣管道、外側(cè)出氣口和內(nèi)側(cè)出氣口 ；
[0019]所述測溫孔包括外測溫孔，內(nèi)測溫孔；
[0020]其中，所述同軸外導(dǎo)體、同軸內(nèi)導(dǎo)體組成的微波饋入口設(shè)置于裝置的頂部中心處；所述上圓柱形外腔壁的下端設(shè)置下圓柱形外腔壁，上端與同軸外導(dǎo)體相連，所述上圓柱形內(nèi)腔壁的下端設(shè)置下圓柱形內(nèi)腔壁，上端與同軸內(nèi)導(dǎo)體相連；所述環(huán)形石英微波窗口設(shè)置于所述階梯狀環(huán)形外腔壁和內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線之間的階梯處，并對階梯狀環(huán)形微波耦合天線起支撐作用；所述上半橢球體設(shè)置在所述階梯狀環(huán)形微波耦合天線下部內(nèi)偵牝所述下半橢球體設(shè)置于圓柱形外腔壁的下部，所述上半橢球體與所述下半橢球體處在同一橢圓上，并且上下呈對稱分布，上半橢球終止在與圓錐形微波上反射體連接處，圓錐形微波上反射體處在橢球的上焦點(diǎn)位置，下半橢球體終止在與圓柱形微波下反射體連接處，圓柱形沉積臺位于圓柱形微波下反射體的中間，而圓柱形微波下反射體與圓柱形沉積臺的上表面處在橢球的下焦點(diǎn)處，并可在下焦點(diǎn)附近上下移動(dòng)；所述進(jìn)氣口設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體的頂部中心，所述進(jìn)氣管道內(nèi)嵌于同軸內(nèi)導(dǎo)體和圓錐形微波上反射體的內(nèi)部中心，所述外側(cè)出氣口和內(nèi)側(cè)出氣口設(shè)置于圓柱形微波下反射體的外側(cè)和內(nèi)側(cè)；所述外測溫孔設(shè)置在圓柱形外腔頂部外側(cè)，所述內(nèi)測溫孔傾斜貫穿于上半橢球體內(nèi)部，所述外測溫孔和內(nèi)測溫孔的中心軸線在同一直線上，并延伸至放置于圓柱形沉積臺上方的樣品托中心處，觀察窗設(shè)置在所述下橢球體處的側(cè)壁上。
[0021]進(jìn)一步，所述上橢球體、下橢球體、圓錐形微波上反射體和圓柱形微波下反射體、沉積金剛石膜的沉積臺、同軸內(nèi)導(dǎo)體和同軸外導(dǎo)體，外腔均為金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有冷卻水路，可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接的水冷，確保整個(gè)裝置在高微波功率輸入下的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0022]進(jìn)一步,與等離子體直接接觸的上橢球體、下橢球體、圓錐臺形微波上反射體內(nèi)壁距離高溫等離子體區(qū)域較遠(yuǎn)，即諧振腔內(nèi)壁任意一點(diǎn)距離基片中心點(diǎn)的距離大于6/7 λ，λ為導(dǎo)入微波的波長，以減弱對腔室內(nèi)壁的熱輻射和避免腔室內(nèi)壁沉積石墨及碳的化合物。
[0023]本發(fā)明提出的橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置可被應(yīng)用在高功率條件下，實(shí)現(xiàn)聞品質(zhì)金剛石I旲的聞效沉積，它的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0024]1、該裝置利用橢球諧振腔的聚焦效應(yīng)，具有微波諧振腔內(nèi)電場分布集中，激發(fā)等離子體位置穩(wěn)定、密度高的特點(diǎn)。
[0025]2、該裝置中環(huán)狀微波石英窗口置于階梯狀環(huán)形微波天線的階梯處，可避免石英窗口被等離子體過度加熱、污染和刻蝕而造成損壞，同時(shí)避免因刻蝕石英窗口而對沉積環(huán)境造成的污染，使得裝置可被應(yīng)用于較高功率的微波輸入。
[0026]3、該裝置底部的可調(diào)節(jié)圓柱形下反射體和圓柱形沉積臺，可以對裝置的諧振腔進(jìn)行雙重雙向調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)地優(yōu)化裝置中微波電場與等離子體的分布進(jìn)而優(yōu)化沉積工藝。
[0027]4、該裝置中與等離子體直接接觸的上橢球體、下橢球體、圓錐形微波上反射體內(nèi)壁距離高溫等離子體區(qū)域較遠(yuǎn)，即諧振腔內(nèi)壁任意一點(diǎn)距離基片中心點(diǎn)的距離大于6/7 λ，λ為導(dǎo)入微波的波長，以減弱對腔室內(nèi)壁的熱輻射和避免腔室內(nèi)壁沉積石墨及碳的化合物。。
[0028]5、該裝置的各主要組成部分，包括上橢球體、下橢球體、圓錐形微波上反射體和圓柱形微波下反射體、沉積金剛石膜的沉積臺、同軸內(nèi)導(dǎo)體和同軸外導(dǎo)體，外腔均為金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有冷卻水路，可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接的水冷，確保整個(gè)裝置在高微波功率輸入下的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0029]6、該裝置可在較高的微波輸入功率條件下(5-10kW)，用于大面積(大于2英寸)聞品質(zhì)金剛石I旲的聞效沉積。
[0030]綜上所述，本發(fā)明提出的一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置克服了以往各種MPCVD金剛石膜沉積裝置具有的缺點(diǎn)，是一種具備完善的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、微波窗口受到保護(hù)、裝置腔室內(nèi)壁不易受到污染、裝置的各部分易于被直接水冷、并能夠獲得穩(wěn)定的高密度等離子體的MPCVD裝置，具有可在高功率條件下高速地沉積高品質(zhì)金剛石膜的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明提出的一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖中:
[0033]1、上圓柱形外腔壁，2、下圓柱形外腔壁，3、下橢球體，4、上橢球體，5、石英微波窗口，6、圓柱形下反射體，7、圓柱形沉積臺，8、圓錐形上反射體、9、同軸內(nèi)導(dǎo)體，10、同軸外導(dǎo)體，11、樣品托，12、微波入口，13、激發(fā)的微波等離子體，14、進(jìn)氣口，15、外側(cè)出氣口，16、內(nèi)側(cè)出氣口，17、外部測溫孔，18、內(nèi)部測溫孔，19、觀察窗口，20、上圓柱形內(nèi)腔壁，21、下圓柱形內(nèi)腔壁，22、進(jìn)氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，該裝置由階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)、設(shè)置于環(huán)形天線階梯處的環(huán)形石英微波窗口、橢球形微波諧振腔、可調(diào)節(jié)沉積臺、圓錐形上反射體和可調(diào)節(jié)圓柱形下反射體，進(jìn)出氣口，測溫孔和觀察窗等組成；
[0036]所述階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)由同軸微波饋入口 12、階梯狀環(huán)形外腔壁、內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線組成；其中微波饋入口 12由同軸外導(dǎo)體10、同軸內(nèi)導(dǎo)體9組成；階梯狀環(huán)形外腔壁包括直徑不同的上圓柱形外腔壁1、下圓柱形外腔壁2 ;內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線由直徑不同的上圓柱形內(nèi)腔壁20、下圓柱形內(nèi)腔壁21組成；
[0037]所述橢球形微波諧振腔由下半橢球體3、上半橢球體4、圓柱形下反射體6、可調(diào)節(jié)圓柱形沉積臺7、圓錐形上反射體8組成；
[0038]所述進(jìn)出氣口包括進(jìn)氣口 14、進(jìn)氣管道22、外側(cè)出氣口 15和內(nèi)側(cè)出氣口 16;
[0039]所述測溫孔包括外測溫孔17，內(nèi)測溫孔18 ；
[0040]其中，所述同軸外導(dǎo)體10、同軸內(nèi)導(dǎo)體9組成的微波饋入口 12設(shè)置于裝置的頂部中心處；所述上圓柱形外腔壁I的下端設(shè)置下圓柱形外腔壁2，上端與同軸外導(dǎo)體10相連，所述上圓柱形內(nèi)腔壁20的下端設(shè)下圓柱形內(nèi)腔壁21，上端與同軸內(nèi)導(dǎo)體9相連；所述環(huán)形石英微波窗口 5設(shè)置于所述階梯狀環(huán)形外腔壁和內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線之間的階梯處，并對階梯狀環(huán)形微波耦合天線起支撐作用；所述上半橢球體4設(shè)置在所述階梯狀環(huán)形微波耦合天線下部內(nèi)側(cè)，所述下半橢球體3設(shè)置于圓柱形外腔壁2的下部，所述上半橢球體4與所述下半橢球體3處在同一橢圓上，并且上下呈對稱分布，其上半橢球4終止在與圓錐形微波上反射體8連接處，圓錐形微波上反射體8處在橢球的上焦點(diǎn)位置，下半橢球體3終止在與圓柱形微波下反射體6連接處，圓柱形沉積臺7位于圓柱形微波下反射體6的中部，而圓柱形微波下反射體6與圓柱形沉積臺7的上表面處在橢球的下焦點(diǎn)處，并可在下焦點(diǎn)附近上下移動(dòng)；所述進(jìn)氣口 14設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體9的頂部中心，所述進(jìn)氣管道內(nèi)嵌于同軸內(nèi)導(dǎo)體9和圓錐形微波上反射體8的內(nèi)部中心，所述外側(cè)出氣口 15和內(nèi)側(cè)出氣口 16設(shè)置于圓柱形微波下反射體6的外側(cè)和內(nèi)側(cè)；所述外測溫孔17設(shè)置在圓柱形外腔I頂部外偵牝所述內(nèi)測溫孔18傾斜貫穿于上半橢球體4內(nèi)部，所述外測溫孔17和內(nèi)測溫孔18的中心軸線在同一直線上，并延伸至放置于圓柱形沉積臺7上方的樣品托中心處，觀察窗19設(shè)置在所述下橢球體3處的側(cè)壁上。裝置中處于上焦點(diǎn)處的圓錐形微波上反射體8不限于圓錐形，也可以是半球形或其他曲面形狀。裝置中上半橢球體4、下半橢球體3、圓錐形微波上反射體8和圓柱形微波下反射體6、沉積金剛石膜的沉積臺7、同軸內(nèi)導(dǎo)體9和同軸外導(dǎo)體10，上圓柱形外腔1、下圓柱形外腔2均為金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有冷卻水路，可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接的水冷，確保整個(gè)裝置在高微波功率輸入下的穩(wěn)定運(yùn)行。與等離子體直接接觸的上橢球體4、下橢球體3、圓錐形微波上反射體8內(nèi)壁距離高溫等離子體區(qū)域較遠(yuǎn)，即諧振腔內(nèi)壁任意一點(diǎn)距離基片中心點(diǎn)的距離大于6/7 λ，λ為導(dǎo)入微波的波長，以減弱對腔室內(nèi)壁的熱輻射和避免腔室內(nèi)壁沉積石墨及碳的化合物。
[0041]實(shí)施例，
[0042]在本發(fā)明提出的橢球形MPCVD裝置內(nèi)放入5mm厚，Φ 50mm直徑的(100)取向單晶硅作為襯底。使用真空泵將裝置預(yù)抽真空至0.1Pa以下，然后通入H2和CH4兩種氣體組成的原料氣體，H2的流量為400SCCm，CH4的流量為lOsccm。調(diào)節(jié)裝置中的氣體壓力達(dá)到600Pa后，輸入頻率為2.45GHz、功率600W的微波，在裝置中的沉積臺上方激發(fā)出等離子體。此時(shí)，調(diào)節(jié)裝置中的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使等離子體在沉積臺和金剛石膜沉積基片的上方達(dá)到最佳的分布狀態(tài)。此后，調(diào)節(jié)氣體壓力和微波功率分別達(dá)到10Torr和6kW，開始進(jìn)行金剛石膜的沉積。沉積140小時(shí)之后，順序關(guān)閉氣體、微波電源以及真空泵，結(jié)束金剛石膜的沉積過程。經(jīng)酸洗去除硅襯底后得到厚度達(dá)到570 μ m的高品質(zhì)光學(xué)級透明金剛石膜。在6000W微波輸入功率下，唯一的強(qiáng)電場區(qū)域分布于基片上方，微波諧振腔內(nèi)電場分布集中。在此條件下，直徑2英寸的光學(xué)級高品質(zhì)金剛石膜的沉積速率達(dá)到了約4.1 μ m/h，相比于國際上一般不足
3μ m/h的生長速率有了很大提聞。
【權(quán)利要求】
1.一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，其特征在于，該裝置由階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)、設(shè)置于環(huán)形天線階梯處的環(huán)形石英微波窗口、橢球形微波諧振腔、可調(diào)節(jié)沉積臺、圓錐形上反射體和可調(diào)節(jié)圓柱形下反射體，進(jìn)出氣口，測溫孔和觀察窗組成； 所述階梯狀環(huán)形微波耦合系統(tǒng)由同軸微波饋入口(12)、階梯狀環(huán)形外腔壁、內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線組成；其中微波饋入口(12)由同軸外導(dǎo)體(10)、同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)組成；階梯狀環(huán)形外腔壁包括直徑不同的上圓柱形外腔壁(I)、下圓柱形外腔壁(2);內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線由直徑不同的上圓柱形內(nèi)腔壁(20)、下圓柱形內(nèi)腔壁(21)組成； 所述橢球形微波諧振腔由下半橢球體(3)、上半橢球體(4)、圓柱形下反射體(6)、可調(diào)節(jié)圓柱形沉積臺(7)、圓錐形上反射體(8)組成； 所述進(jìn)出氣口包括進(jìn)氣口(14)、進(jìn)氣管道(22)、外側(cè)出氣口(15)和內(nèi)側(cè)出氣口(16)； 所述測溫孔包括外測溫孔(17)，內(nèi)測溫孔(18)； 其中，所述同軸外導(dǎo)體(10)、同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)組成的微波饋入口(12)設(shè)置于裝置的頂部中心處；所述上圓柱形外腔壁(I)的下端設(shè)置下圓柱形外腔壁(2)，上端與同軸外導(dǎo)體(10)相連，所述上圓柱形內(nèi)腔壁(20)的下端設(shè)下圓柱形內(nèi)腔壁(21)，上端與同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)相連；所述環(huán)形石英微波窗口(5)設(shè)置于所述階梯狀環(huán)形外腔壁和內(nèi)部的階梯狀環(huán)形微波耦合天線之間的階梯處，并對階梯狀環(huán)形微波耦合天線起支撐作用；所述上半橢球體(4)設(shè)置在所述階梯狀環(huán)形微波耦合天線下部內(nèi)側(cè)，所述下半橢球體(3)設(shè)置于圓柱形外腔壁(2)的下部，所述上半橢球體(4)與所述下半橢球體(3)處在同一橢圓上，并且上下呈對稱分布，其上半橢球(4)終止在與圓錐形微波上反射體(8)連接處，圓錐形微波上反射體(8)處在橢球的上焦 點(diǎn)位置，下半橢球體(3)終止在與圓柱形微波下反射體(6)連接處，圓柱形沉積臺(7)位于圓柱形微波下反射體(6)的中部，而圓柱形微波下反射體(6)與圓柱形沉積臺(7)的上表面處在橢球的下焦點(diǎn)處，并可在下焦點(diǎn)附近上下移動(dòng)；所述進(jìn)氣口(14)設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)的頂部中心，所述進(jìn)氣管道內(nèi)嵌于同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)和圓錐形微波上反射體(8)的內(nèi)部中心，所述外側(cè)出氣口(15)和內(nèi)側(cè)出氣口(16)設(shè)置于圓柱形微波下反射體(6)的外側(cè)和內(nèi)側(cè)；所述外測溫孔(17)設(shè)置在圓柱形外腔(I)頂部外側(cè)，所述內(nèi)測溫孔(18)傾斜貫穿于上半橢球體(4)內(nèi)部，所述外測溫孔(17)和內(nèi)測溫孔(18)的中心軸線在同一直線上，并延伸至樣品托(12)中心處，觀察窗(19)設(shè)置在所述下橢球體(3)處的側(cè)壁上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，其特征在于，處于上焦點(diǎn)處的圓錐形微波上反射體(8)可以用半球形或其他曲面形狀替代。
3.如權(quán)利要求1所述的一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，其特征在于，所述上半橢球體(4)、下半橢球體(3)、圓錐形微波上反射體(8)和圓柱形微波下反射體(6)、沉積金剛石膜的沉積臺(7)、同軸內(nèi)導(dǎo)體(9)和同軸外導(dǎo)體(10)，上圓柱形外腔(I)、下圓柱形外腔(2)均為金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有冷卻水路，可以對設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接的水冷，確保整個(gè)裝置在高微波功率輸入下的穩(wěn)定運(yùn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置，其特征在于，與等離子體直接接觸的上橢球體(4)、下橢球體(3)、圓錐形微波上反射體(8)內(nèi)壁距離高溫等離子體區(qū)域較遠(yuǎn)，即諧振腔內(nèi)壁任意一點(diǎn)距離基片中心點(diǎn)的距離大于6/7 λ，λ為導(dǎo)入微波的波長，以減弱對腔室內(nèi)壁的熱輻射和避免腔室內(nèi)壁沉積石墨及碳的化合物。
【文檔編號】C23C16/27GK104164658SQ201410383700
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】唐偉忠, 李義鋒, 蘇靜杰, 劉艷青, 丁明輝, 王歌 申請人:北京科技大學(xué)