[發明專利]一種用于微波等離子體化學氣相沉積法制備金剛石膜的基片臺

有效

• 申請號: 201710334592.4
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN106929828B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 李文君;周霖;程云;馮真;李春霞;單李軍;鄧德榮;黎明;楊興繁
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院應用電子學研究所
• 主分類號: C23C16/458
• 分類號: C23C16/458
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 詹永斌;沈強

本發明公開一種用于微波等離子體化學氣相沉積法制備金剛石膜的基片臺，屬于晶體合成技術領域。該基片臺置于微波等離子體化學氣相沉積金剛石膜裝置反應腔體內的水冷臺上，其結構包含用于放置沉積基底的中心凹槽、環形外凸出部、環形內凸出部、介于內外凸出部之間的環形凹槽及位于外凸出部外側的外表面。該基片臺獨立于反應腔體及水冷臺，用于放置沉積基底并在其上方形成均勻穩定的電場及等離子體分布，提高所制備的金剛石膜的均勻性，同時能夠有效防止基片臺非沉積區域生成的雜質濺射至沉積基底上污染金剛石膜。本發明具有設計制作簡單、能夠制備大面積金剛石膜、易于調節尺寸以適合制備不同尺寸及厚度的金剛石膜、制備的金剛石膜品質高等優點。

技術領域

本發明屬于晶體合成技術領域，涉及一種用于微波等離子體化學氣相沉積法制備金剛石膜的基片臺。

背景技術

金剛石具有極高的硬度，并在室溫下具有極高熱導率、低熱膨脹系數、高化學惰性等優異性能，可以廣泛應用于刀具、涂層、光學窗口及聲學傳感器、半導體和電子器件等領域。目前，金剛石的需求量大，而天然金剛石儲量很少，因此，對于高速、高質量、大面積均勻生長金剛石膜的制備技術的研究尤為迫切。

微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD法）是一種質量高、易操控的人工制備金剛石的方法，其基本原理是使用微波在低分子碳烴氣體（比如甲烷）與氫氣的混合氣體中激發等離子體，在等離子體的高溫環境中，碳原子沉積到放置于基片臺的沉積基底上，從而實現金剛石膜的人工生長。MPCVD法制備金剛石膜使用電磁波能量來激發反應氣體，具有無電極污染、等離子體集中且不易擴散等優點，用MPCVD法制備的金剛石性能與天然金剛石接近，部分性能甚至超越了天然金剛石，非常適合用來生長高質量的金剛石，是目前合成金剛石最有前景的方法之一。

微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）裝置一般包括微波系統、真空系統、供氣系統、冷卻系統及等離子體反應室，其中等離子體反應室是MPCVD裝置的關鍵部件，包括微波等離子體反應腔體、水冷臺、基片臺等組件。在MPCVD裝置中，基片臺放置于微波等離子體反應腔體內的水冷臺上，其設計對反應腔體內的電場和等離子體分布及均勻性有重要影響，對于制備高品質的金剛石起著重要作用。

通常的基片臺設計采用簡單圓盤結構，沉積基底置于圓盤的平坦支撐表面。由于邊緣效應的影響，沉積基底外緣的電場強于中心區域的電場，從而影響了反應腔體內等離子體的密度分布均勻性，導致生長出來的金剛石膜厚度不均勻。另外，這種簡單圓盤結構不能有效防止非沉積區域生成的雜質濺射至沉積基底上污染金剛石膜，影響金剛石膜產品的質量和品質。

中國專利CN?103911596?B公開了一種帶有耐高溫金屬圓環的基片臺，該圓環位于基片臺上方等離子球內部的下半部分，靠近等離子球邊界處，能夠改變等離子體密度分布，從而提高金剛石膜沉積均勻性。這種結構需要在基片臺四周設立耐高溫的非金屬支架，將耐高溫金屬圓環通過鎢絲或鉭絲與非金屬支架固定連接。這種基片臺結構的缺點是引入了非金屬支架等額外的組件，結構變得復雜；另外，為了有效提高等離子球的均勻性，需要引入定位機構以確保對支架及固定在其上的金屬圓環進行準確定位，這進一步增加了結構的復雜性，在實際應用中實現起來較為困難且難以保證定位的精度。

中國專利CN?103392218?B公開了一種基片臺的改進設計，其通過繞基片臺設置導電等離子體穩定環提高MPCVD裝置反應腔體內等離子體的均勻性，該穩定環設置在反應腔體內部的側壁或者端壁。這種結構的缺點是：導電等離子體穩定環成為了反應腔體的一部分，一經固定難以調節尺寸，不適合于制備不同大小規格的金剛石膜；不能有效地防止穩定環等非沉積區域生成的雜質濺射至沉積基底上污染生長的金剛石膜；該穩定環用于制備大面積金剛石膜的MPCVD裝置時，由于裝置的反應腔體尺寸大，不能有效地改善反應腔體內的電場分布從而提高等離子體的均勻性。

發明內容

本發明的目的針對現有技術存在的不足，本發明提供一種用于微波等離子體化學氣相沉積法制備金剛石膜的基片臺，目的是有效地提高MPCVD裝置反應腔體內等離子體分布的均勻性，改善制備的金剛石膜的品質。