[發(fā)明專利]一種可調(diào)諧圓拋腔式高功率微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810731722.2
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN108624870B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 季天仁;劉文科;季宇
• 申請（專利權(quán)）人: 成都紐曼和瑞微波技術(shù)有限公司
• 主分類號: C23C16/511
• 分類號: C23C16/511;C23C16/27;C23C16/455
• 代理公司: 北京中創(chuàng)陽光知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11003
• 代理人: 張永革

本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧圓拋腔式高功率微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，由微波諧振腔主體、模式變換器以及微波電場調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。本發(fā)明中提出的圓拋腔式腔體、樣品臺、模式變換及其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可有效解決現(xiàn)有各類裝置中存在的微波輸入功率較低、聚焦能力差、缺少完善的調(diào)節(jié)措施、統(tǒng)部件距離等離子體太近等問題，頂部進(jìn)氣、底部出氣且采用多孔陣列排布、均流環(huán)、緩沖倉的結(jié)構(gòu)，可有效地提高諧振腔內(nèi)和基片表面氣體流動、分布的均勻性，進(jìn)一步提高沉積金剛石膜的沉積效率和均勻性。本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)高功率下、大面積、高質(zhì)量金剛石膜的高效沉積。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可調(diào)諧圓拋腔式高功率微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。

背景技術(shù)

金剛石具有高硬度、高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高透光性、高電阻率以及高載流遷移率等優(yōu)異性能，促使其在軍事、航天航空、生物工程、計(jì)算機(jī)芯片和電子信息工程等高新領(lǐng)域有個(gè)廣闊的應(yīng)用前景。

與直流、高頻、熱絲發(fā)射法比較，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）被認(rèn)為是當(dāng)今國際上制備高質(zhì)量金剛石膜的首選、最先進(jìn)方法，具有無極放電、放電區(qū)域能量集中且分布均勻、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。如何高速率的制備出高質(zhì)量、大面積、性能均勻的金剛石膜仍是目前科研工作者和企業(yè)面臨的難題。作為MPCVD金剛石膜沉積裝置的核心部件，產(chǎn)生微波等離子體的諧振腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響著微波輸入功率的容納量、最佳耦合以及等離子體的分布與能量密度，對金剛石膜的沉積速率、面積以及質(zhì)量起著決定性的影響。

近30年來，基于新材料技術(shù)領(lǐng)域的高性能需求，很大程度上促進(jìn)了MPCVD金剛石膜沉積裝置的發(fā)展，從早期的石英管式、石英鐘罩式、圓柱形不銹鋼諧振腔式到后來的橢球形腔式、多模非圓柱腔式、狹縫耦合式等，其微波頻率由2450MHz擴(kuò)展到915MHz，微波輸入功率由最初的數(shù)百瓦到75～100kW。

各種類型的MPCVD金剛石膜沉積裝置中多設(shè)置調(diào)諧裝置，以求實(shí)現(xiàn)對諧振腔內(nèi)微波電場和相應(yīng)產(chǎn)生的等離子體的實(shí)時(shí)調(diào)控。早期的石英管式、石英鐘罩式、圓柱形不銹鋼諧振腔式以及橢球形腔式多采用諧振腔頂部微波天線式耦合探針實(shí)現(xiàn)對等離子體的調(diào)節(jié)，但是這種方法容易在探針頂端產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場區(qū)，容易激起微波放電，會在其下方產(chǎn)生次生等離子體，不利于諧振腔內(nèi)等離子體的集中分布與長時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。此外，由于不能水冷故大大限制了其微波輸入功率的提高。

專利申請JP?NO?2000-54142?A中提出一種沉積臺和微波激勵(lì)部分做成相互平行板裝結(jié)構(gòu)，通過隨意調(diào)節(jié)沉積臺的高度實(shí)現(xiàn)對諧振腔的調(diào)節(jié)，但是這種方法會使得等離子體與微波激勵(lì)部分相接觸，微波能量損失大。

專利CN101864560?B中提出在腔體上部增加兩種可升降的圓柱形反射體的措施，來實(shí)現(xiàn)對微波電場和等離子體的實(shí)時(shí)調(diào)控，水冷結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中存在等離子體距離反射體較近，在較高功率條件下部分能量會分散于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一種圓柱形反射體的下表面上，其表面和間隙處會出現(xiàn)非晶碳的沉積，不利于下方樣品臺上高質(zhì)量金剛石膜的沉積。

專利CN103305816?B?中提出在非圓柱腔圓周天線式諧振腔頂部引入半橢球微波反射體的措施，通過其與諧振腔圓柱體之間上下平滑過渡的位置調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對裝置中微波電場和等離子體分布的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)，但是基于其半橢球面積較大，微小調(diào)節(jié)對微波電場影響較大，很難解決由于進(jìn)出氣方式單一引起的等離子體球偏的問題，缺少微調(diào)措施。

專利CN103668127?B中提出在圓頂圓周天線式諧振腔底部引入可調(diào)節(jié)圓環(huán)狀邊緣沉積臺和中心沉積臺，通過二者在豎直方向上的相互獨(dú)立移動實(shí)現(xiàn)對等離子體狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，但是由于未設(shè)計(jì)優(yōu)化的排氣通道，氣體僅能通過二者的邊緣縫隙最后從諧振腔底部單一偏孔排出，無法保證腔體中氣流及基臺表面氣體分布的均勻性，同時(shí)也無法解決實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的等離子體輕微偏移的問題。