本发明专利技术为一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置由阶梯状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球形微波谐振腔、可调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温孔和观察窗等组成。此装置利用椭球的上下焦点设计，圆锥形上微波反射体位于上焦点，沉积台位于下焦点，电场分布集中，激发等离子体位置稳定、密度高；隐藏的微波窗口避免被等离子体加热、污染、刻蚀；可调节的微波下反射体和沉积台实时地优化等离子体分布；椭球形谐振腔内壁距离高温等离子体区较远，减弱等离子体对腔室内壁的热辐射，避免沉积异物；装置各部件采用水冷。此装置可在高功率下实现大面积高品质金刚石膜的高效沉积。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术为一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置由阶梯状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球形微波谐振腔、可调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温孔和观察窗等组成。此装置利用椭球的上下焦点设计，圆锥形上微波反射体位于上焦点，沉积台位于下焦点，电场分布集中，激发等离子体位置稳定、密度高；隐藏的微波窗口避免被等离子体加热、污染、刻蚀；可调节的微波下反射体和沉积台实时地优化等离子体分布；椭球形谐振腔内壁距离高温等离子体区较远，减弱等离子体对腔室内壁的热辐射，避免沉积异物；装置各部件采用水冷。此装置可在高功率下实现大面积高品质金刚石膜的高效沉积。【专利说明】一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置
本专利技术属于微波等离子体法化学气相沉积
，特别是提供了一种可被应用于大面积高品质金刚石膜制备的高功率微波等离子体化学气相沉积装置。
技术介绍
金刚石具有高的硬度、高室温热导率(大于20W/cm.K)、低膨胀系数、高化学惰性、高光学透明性等优异的性能，其在高功率电子器件的散热片，高功率激光和红外窗口等工业领域具有巨大的应用价值。为实现这些重要应用，必须能够高效地制备出大面积、高品质的自支撑金刚石膜。 在各种化学气相沉积方法中，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)以其无电极放电污染、可控性好、等离子体密度高、以及沉积面积较大、品质较好等特性成为制备高品质金刚石膜的首选方法。 然而，与其他CVD方法相比，MPCVD法金刚石膜的生长速率偏低，特别是制备大面积(大于2英寸)的高品质金刚石膜时，其生长速率一般低于3 μ m/h。优化MPCVD金刚石膜沉积装置的设计，提高MPCVD金刚石膜沉积装置的微波输入功率，是提高MPCVD法金刚石膜沉积速率的有效手段。 自MPCVD金刚石膜沉积技术出现以来，为使MPCVD金刚石膜沉积装置能够承载更高的微波输入功率，人们研发了各种结构的沉积装置。从最初的石英管式> 石英钟罩式、圆柱不镑钢金属谐振腔式到后来的捕球谐振腔式和多模非圆柱谐振腔式装置，其输入功率已从最初的数百瓦发展到了目前数千瓦的水平。 上述各种MPCVD金刚石膜沉积装置在结构上的差异是导致其允许输入的微波功率水平和金刚石膜的沉积速率有很大差异的主要原因。 早期的石英管式、石英钟罩式MPCVD装置分别以石英管和石英钟罩作为微波窗口以此获取真空条件。这两种MPCVD装置存在着一个共同的缺点一其石英窗口距离沉积室内形成的等离子体太近，而石英材料极易被等离子体刻蚀并对金刚石膜的沉积过程造成污染。这一因素限制了上述两种MPCVD装置允许输入的微波功率的提高。圆柱金属谐振腔式MPCVD装置是以石英平板作为微波输入窗口的，其不足之处在于当装置的微波输入功率较高时，在平板石英窗口附近会有次生等离子体被激发出来，因此圆柱金属谐振腔式MPCVD装置同样不能被用在较高的微波功率下。 椭球谐振腔式MPCVD装置的设计较为新颖，它利用了椭球体具有两个焦点的特性，使微波能量从椭球体的一个焦点出发，汇聚于椭球体的另一个焦点处并激发出高密度的等离子体和进行金刚石膜的沉积。在椭球谐振腔式MPCVD装置中，作为沉积室的石英钟罩的尺寸较大，这使得该装置允许输入的微波功率相对于前述的几种MPCVD装置来讲有了一定程度的提高，但由于该装置仍然使用石英钟罩来作为微波窗口和构成真空沉积室，装置的可输入功率水平提高有限。 多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置在介质窗口的设计方面做了较大的改进，它将环状的石英微波窗口置于沉积台的下方，即石英微波窗口与沉积室内形成的等离子体之间被完全隔离。这一措施解决了长期以来存在着的MPCVD装置的石英窗口易被等离子体刻蚀的问题。但是，多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置的外形不规则，这造成了这一装置不能像其他具有简单形状的MPCVD装置那样被方便地调节，在高功率下运行时会出现微波反射功率过高的问题。 在多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置的基础上，专利申请JP2000-54142A和US2009/0120366A1分别提出了一种以石英环为微波窗口的设计方案，而且这两个方案都增加了相应的调节机构。然而，在专利申请JP 2000-54142A提出的装置中，等离子体不是仅仅集中于沉积台的上方，而是与沉积台和微波激励天线两者同时相接触，这不仅造成了微波能量被微波激励天线大量吸收而不能被有效利用的问题，还会导致微波激励天线的表面出现碳的沉积物。专利申请US 2009/0120366A1虽然针对这一缺点提出了三种改进方案，使等离子体可以与微波激励天线隔离开来，但这些方案存在着其微波天线部分不能调节和不能被直接水冷的缺点，而这两点均会限制MPCVD装置微波输入功率的提高。 针对这种情况，专利ZL 2010 10188615.3提出了一种新的MPCVD装置的设计方案。在该方案中，装置的主体由两个直径不同的简单圆柱体所构成，因而很容易通过其高度的调节实现对于整个装置中微波电场和等离子体分布的实时调节。而且，该装置的各主要部件都允许被设计成直接水冷的形式，因而该装置可以允许被输入较高的微波功率。但该装置谐振腔中起调节作用的小圆柱体由于突进沉积室内较多、距离高温等离子体区域较近，因而在高功率时易出现石墨状物质或碳的化合物的沉积，对沉积腔室造成污染的问题。该问题使得该装置很难在较高的功率下长时间运行。 综上所述，目前已有的各类高功率MPCVD金刚石膜沉积装置都存在各自的不足，或者缺少调节机构，或者等离子体距离微波窗口或装置的其他部件太近而造成装置的破坏和污染，或者装置的部分结构不能被直接水冷，这些因素都限制了现有MPCVD装置微波输入功率的提高。但各装置的设计也都有各自突出的优点，椭球谐振腔利用其焦点可以获得稳定的高密度等离子体；多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置有效解决了微波窗口污染的问题；专利ZL201010188615.3在微波等离子体的实时调节和装置水冷方面提供了有益参考。为此，有必要设计出一种具备完善的调节机构、等离子体不会使微波窗口破坏、不会有碳及碳的化合物在装置腔室内沉积和造成污染、装置的各部分均易于被直接水冷、并能够获得稳定的高密度等离子体的MPCVD装置，以便实现在高功率下、高效地沉积大面积高品质的金刚石膜的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种高效的高功率微波等离子体金刚石膜化学气相沉积装置，它将可以克服已有的各类MPCVD金刚石膜沉积装置中微波窗口或微波天线、沉积室壁等部件距离等离子体较近、装置不易调节和不易直接水冷等限制MPCVD装置微波功率提高的缺点，并吸取各装置的优点，设计出一种具备完善的调节机构、等离子体不会使微波窗口破坏、不会有碳及碳的化合物在装置腔室内沉积和造成污染、装置的各部分均易于被直接水冷、并能够获得稳定的高密度等离子体的MPCVD装置，以便实现在高功率下、高效地沉积大面积高品质的金刚石膜的目的。 本专利技术的技术方案是:将椭球谐振腔与环形天线的设计相结合，并融合调节机制和金属水冷结构的设计，将微波反射体设置于椭球腔的上焦点处，将环形微波石英窗口设置于阶梯状微波耦合天线的阶梯本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，该装置由阶梯状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球形微波谐振腔、可调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温孔和观察窗组成；所述阶梯状环形微波耦合系统由同轴微波馈入口(12)、阶梯状环形外腔壁、内部的阶梯状环形微波耦合天线组成；其中微波馈入口(12)由同轴外导体(10)、同轴内导体(9)组成；阶梯状环形外腔壁包括直径不同的上圆柱形外腔壁(1)、下圆柱形外腔壁(2)；内部的阶梯状环形微波耦合天线由直径不同的上圆柱形内腔壁(20)、下圆柱形内腔壁(21)组成；所述椭球形微波谐振腔由下半椭球体(3)、上半椭球体(4)、圆柱形下反射体(6)、可调节圆柱形沉积台(7)、圆锥形上反射体(8)组成；所述进出气口包括进气口(14)、进气管道(22)、外侧出气口(15)和内侧出气口(16)；所述测温孔包括外测温孔(17)，内测温孔(18)；其中，所述同轴外导体(10)、同轴内导体(9)组成的微波馈入口(12)设置于装置的顶部中心处；所述上圆柱形外腔壁(1)的下端设置下圆柱形外腔壁(2)，上端与同轴外导体(10)相连，所述上圆柱形内腔壁(20)的下端设下圆柱形内腔壁(21)，上端与同轴内导体(9)相连；所述环形石英微波窗口(5)设置于所述阶梯状环形外腔壁和内部的阶梯状环形微波耦合天线之间的阶梯处，并对阶梯状环形微波耦合天线起支撑作用；所述上半椭球体(4)设置在所述阶梯状环形微波耦合天线下部内侧，所述下半椭球体(3)设置于圆柱形外腔壁(2)的下部，所述上半椭球体(4)与所述下半椭球体(3)处在同一椭圆上，并且上下呈对称分布，其上半椭球(4)终止在与圆锥形微波上反射体(8)连接处，圆锥形微波上反射体(8)处在椭球的上焦点位置，下半椭球体(3)终止在与圆柱形微波下反射体(6)连接处，圆柱形沉积台(7)位于圆柱形微波下反射体(6)的中部，而圆柱形微波下反射体(6)与圆柱形沉积台(7)的上表面处在椭球的下焦点处，并可在下焦点附近上下移动；所述进气口(14)设置在同轴内导体(9)的顶部中心，所述进气管道内嵌于同轴内导体(9)和圆锥形微波上反射体(8)的内部中心，所述外侧出气口(15)和内侧出气口(16)设置于圆柱形微波下反射体(6)的外侧和内侧；所述外测温孔(17)设置在圆柱形外腔(1)顶部外侧，所述内测温孔(18)倾斜贯穿于上半椭球体(4)内部，所述外测温孔(17)和内测温孔(18)的中心轴线在同一直线上，并延伸至样品托(12)中心处，观察窗(19)设置在所述下椭球体(3)处的侧壁上。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：唐伟忠，李义锋，苏静杰，刘艳青，丁明辉，王歌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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