[發明專利]氣體內循環型熱絲CVD金剛石膜生長裝置

無效

• 申請號: 201210224334.8
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN102719804A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 謝二慶;滕鳳;龔成師;張鵬;張國志
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/48
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 李艷華

技術領域

?本發明涉及一種金剛石膜生長裝置，尤其涉及氣體內循環型熱絲CVD金剛石膜生長裝置。

背景技術

由于具有良好的光學、力學、電學和化學穩定等特性，金剛石涂層在工業以及日常生活領域有著廣泛的應用。最初的金剛石合成主要是高溫高壓法，雖然有制備條件苛刻、合成質量不高、成本較大等諸多劣勢，但是其仍然是制備金剛石的首選方法。在過去的二十年間，低溫低壓化學氣相沉積金剛石膜的研究，倍受世界各國研究者的關注。目前，常用的制備方法主要有微波CVD、熱絲CVD、直流電弧等離子體、燃燒法等，其共性是稀釋在過量氫氣中的低分子碳烴氣體在一定能量的激發下產生的等離子體，通過適宜的沉積條件在基片上沉積金剛石膜，但是生長速率低，生長面積小，成膜質量低仍是目前亟需解決的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種大面積、高速率、廉價的氣體內循環型熱絲CVD金剛石膜生長裝置。

為解決上述問題，本發明所述的氣體內循環型熱絲CVD金剛石膜生長裝置，其特征在于：該裝置包括內設反應腔的密閉真空室；所述反應腔內壁頂端設有風扇，該風扇的下方設有多根并排直鎢絲構成的熱絲陣列；所述熱絲陣列的兩端接直流電，其下方設有襯底盤，該襯底盤上設有熱電偶；所述風扇的側上方的所述真空室外壁設有進氣口；所述真空室外壁側下方設有抽氣口。

所述進氣口的進氣流量和所述抽氣口的抽氣流量均為0~200?sccm。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、由于本發明中設有多根并排直鎢絲構成的熱絲陣列，從而形成大面積均勻溫度場，相對微波CVD來說，沉積的膜面積很大，因此，可以實現金剛石膜的大面積生長。

2、由于本發明中熱絲陣列上方設有風扇，因此，可以在沉積面產生高流速反應氣體，使得在沉積表面有足夠多的活性基團，從而實現金剛石膜的高速率生長；同時可以在反應腔內產生循環氣流，使得氫氣在腔內反復參與沉積，從而減少氫氣的消耗。

3、常規熱絲CVD的沉積速率一般在1~10μm/h，而本發明增大氣流速率后其沉積速率會增加到100μm/h，是常規方法的100倍。

4、通常采用的熱絲CVD中，氫氣是一次性使用，浪費極大，而本發明僅需要10~50sccm的氫氣流量即可保持金剛石膜的高速生長，相對于常規CVD的1000sccm來說，氫氣消耗量減少了80~90%，這對于連續生長和生長膜時很有必要。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為本發明的結構示意圖。

圖中：1—熱絲陣列??2—襯底盤??3—熱電偶??4—風扇??5—進氣口??6—抽氣口。

具體實施方式

氣體內循環型熱絲CVD金剛石膜生長裝置，該裝置包括內設反應腔的密閉真空室。反應腔內壁頂端設有風扇4，該風扇4的下方設有多根并排直鎢絲構成的熱絲陣列1；熱絲陣列1的兩端接直流電，其下方設有襯底盤2，該襯底盤2上設有熱電偶3；風扇4的側上方的真空室外壁設有進氣口5；真空室外壁側下方設有抽氣口6。

其中：進氣口5的進氣流量和抽氣口6的抽氣流量均為0~200?sccm。

工作時，先將預先清洗干凈的硅片襯底放在襯底盤2上，然后用機械泵和分子泵將反應腔內的壓強抽至10^-3~10^-4Pa。通過增加直流電的電壓加熱熱絲陣列1到1800~2000℃，從進氣口5將200sccm的CH₄+H₂（體積比為1：1）通入反應腔，同時開啟風扇4，調整電壓，使熱絲陣列1溫度穩定在2000℃，反應氣壓為3000Pa，此時風扇4所產生的氣流以1000sccm以上的速度通過熱絲陣列1，由于熱絲陣列1的熱解及離化作用，在熱絲陣列1周圍產生大范圍的等離子體（其中含有大量的碳氫碎片），碳氫碎片在硅襯底表面逐漸吸附并外延形成金剛石膜，反應后的殘余氣體在溫度小于500℃的地方復合為氫分子及其它碳氫化合物。由于風扇4的單向送氣特性，必然在反應腔內形成循環氣流，這樣氫氣在整個反應中將被反復利用。在反應過程中，只需維持通入的CH₄和H₂比例及反應腔內反應氣壓不變，整個沉積過程即可持續不斷進行。?等到生長到需求的厚度后，即可停止反應氣體的通入，同時緩慢的降低熱絲陣列1兩端的直流電電壓，直到電壓降為0，同時真空室自然冷卻，直至反應腔內溫度達到室溫即可打開反應腔，取出樣品。