[發明專利]一種橢球形高功率微波等離子體金剛石膜沉積裝置

有效

• 申請號: 201410383700.3
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104164658A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 唐偉忠;李義鋒;蘇靜杰;劉艷青;丁明輝;王歌
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/511
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明屬于微波等離子體法化學氣相沉積技術領域，特別是提供了一種可被應用于大面積高品質金剛石膜制備的高功率微波等離子體化學氣相沉積裝置。

背景技術

金剛石具有高的硬度、高室溫熱導率(大于20W/cm﹒K)、低膨脹系數、高化學惰性、高光學透明性等優異的性能，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領域具有巨大的應用價值。為實現這些重要應用，必須能夠高效地制備出大面積、高品質的自支撐金剛石膜。

在各種化學氣相沉積方法中，微波等離子體化學氣相沉積法(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、品質較好等特性成為制備高品質金剛石膜的首選方法。

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)的高品質金剛石膜時，其生長速率一般低于3μm/h。優化MPCVD金剛石膜沉積裝置的設計，提高MPCVD金剛石膜沉積裝置的微波輸入功率，是提高MPCVD法金剛石膜沉積速率的有效手段。

自MPCVD金剛石膜沉積技術出現以來，為使MPCVD金剛石膜沉積裝置能夠承載更高的微波輸入功率，人們研發了各種結構的沉積裝置。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)1]、圓柱不銹鋼金屬諧振腔式[P.Bachmann,Chemical&Engineering?News67(1989)24]到后來的橢球諧振腔式[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百瓦發展到了目前數千瓦的水平。

上述各種MPCVD金剛石膜沉積裝置在結構上的差異是導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。

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裝置存在著一個共同的缺點——其石英窗口距離沉積室內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，其不足之處在于當裝置的微波輸入功率較高時，在平板石英窗口附近會有次生等離子體被激發出來，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。

橢球諧振腔式MPCVD裝置的設計較為新穎，它利用了橢球體具有兩個焦點的特性，使微波能量從橢球體的一個焦點出發，匯聚于橢球體的另一個焦點處并激發出高密度的等離子體和進行金剛石膜的沉積。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成真空沉積室，裝置的可輸入功率水平提高有限。

多模非圓柱諧振腔式MPCVD裝置在介質窗口的設計方面做了較大的改進，它將環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節，在高功率下運行時會出現微波反射功率過高的問題。