一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置。该装置在密闭的壳体之间设置石英管，石英管一端外部设有依次连接的截止波导、波导、调配器、微波源，截止波导上设置冷却水出口；石英管另一端外部设有短路活塞，短路活塞所在的活塞缸上设有冷却水入口，所述石英管另一端外部与反应气体入口连通；石英管的上部设有光电温度计，下部设有真空系统、直流偏压电源；石英管内部设有基片台、基片，基片设置于基片台上，直流偏压电源通过电缆与基片台相连。本实用新型专利技术在高功率大面积微波等离子体沉积装置的基片台上加装直流负偏压系统，能够制备面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的金刚石单晶膜。

High power large area bias microwave plasma diamond film deposition device

The utility model relates to the field of diamond film growth, in particular to a high power large area bias microwave plasma diamond film deposition device. The device is arranged between the quartz sealed casing pipe, one end of the external quartz tube is provided with a turn, waveguide, cutoff waveguide tuner, microwave source connection, arranged on the cut-off waveguide cooling water outlet; the other end is provided with a short piston external quartz tube, the cooling water entrance with short piston on the piston cylinder, the quartz tube on the other one end of the external and the reactive gas entrance connected; upper quartz tube is provided with a photoelectric thermometer is arranged on the lower part of the vacuum system, the DC bias power supply; quartz tube is arranged inside the substrate, the substrate, the substrate is arranged on the substrate, the DC bias power supply is connected through cable and substrate. Add DC negative bias system of the utility model in the device of high power microwave plasma deposition of large area substrate, capable of producing a large area, good uniformity, high purity and good crystal morphology of diamond film.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置。
技术介绍
金刚石膜同时拥有许多优异的性能，如：极高的硬度和弹性模量、极高的室温热导率、相对宽的禁带和电磁波透过范围、极佳的介电和绝缘性能、优异的半导体性能、良好的化学稳定性、极高的抗辐射阈值等，因而是众多传统及高
中迫切需要的一种新材料。目前用化学气相法沉积的金刚石薄膜都是多晶膜，只有制备出金刚石单晶膜，金刚石薄膜才有可能在微电子学方面得以广泛的应用。异质外延技术是制备单晶膜的一种有效方法，外延制备单晶膜最理想的方法是层状生长，但是由于金刚石的表面能很高，只能以岛状形式形核生长，即只能通过先形成单个的呈岛状的核，然后通过晶核长大连成薄膜。因此，要实现金刚石异质外延生长首先必须获得外延取向的金刚石核。金刚石在光滑的异质衬底上的形核率很低，用金刚石微粉研磨衬底表面，可以有效地促进形核，使形核密度达107～108个/cm2。此外，在衬底上预沉积一些非金刚石碳过渡层，诸如：石墨、非晶碳、类金刚石(DLC)等，以及用金刚石悬浊液超声波处理或涂以机械泵油等，也取得了较好的效果。然而，所有上述方法，通常都产生杂乱取向的晶核，不能导致金刚石膜的异质外延。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置，在高功率大面积微波等离子体沉积装置的基片台上加装了一套直流负偏压系统，通过等离子增加前驱体的反应速率，降低反应温度，从而成功获得多晶金刚石膜的异质外延生长，制备出面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量金刚石单晶膜。本技术的技术方案：一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，其特征于，该装置设有密闭的壳体，壳体之间为石英管，石英管一端外部设有依次连接的截止波导、波导、调配器、微波源，截止波导上设置冷却水出口；石英管另一端外部设有短路活塞，短路活塞所在的活塞缸上设有冷却水入口，所述石英管另一端外部与反应气体入口连通；石英管的上部设有光电温度计，石英管的下部设有真空系统、直流偏压电源；石英管内部设有基片台、基片，基片设置于基片台上，直流偏压电源通过电缆与基片台相连。所述的高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，壳体物理接地。所述的高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，冷却水出口通过管路与外部冷水设备连接。所述的高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，反应气体入口通过管路与外部气源连接，冷却水入口通过管路与外部冷水设备连接。所述的高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，真空系统通过管路与壳体相连。与现有技术相比，本技术具有以下优点及有益效果：1、本技术MPCVD高功率(10kW)大面积(基片台直径φ300)微波等离子体沉积装置的基片台上加装了一套直流负偏压系统，采用在基片台施加负偏压的方法在抛光的单晶Si基片上获得了109～1010个/cm2的形核密度，在此基础上，成功获得多晶金刚石膜的异质外延生长。通过等离子增加前驱体的反应速率，降低反应温度，可以制备出面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量金刚石单晶膜。2、由于本技术中石英管上部设有光电温度计，石英管下部设有真空系统、可以实现在基片沉积金刚石薄膜的过程中能监控基片表面的温度和反应腔内压强，能准确控制金刚石薄膜沉积各项主要工艺参数，工艺重复性好。附图说明图1为本技术的结构示意图。图中：1—微波源；2—调配器；3—波导；4—冷却水出口；5—截止波导；6—基片台；7—基片；8—真空系统；9—直流偏压电源；10—反应气体入口；11—短路活塞；12—冷却水入口；13—壳体；14—光电温度计；15—石英管。具体实施方式：下面，结合附图和实施例对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。对于这些实施例的详细描述，应该理解为本领域的技术人员可以通过本技术来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权力要求书的精神和本技术范畴的情况下，对所示实例进行更改和/或改变。此外，虽然在实施例中公布了本技术的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本技术的功能。如图1所示，本技术高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置，该装置主要包括：微波源1、调配器2、波导3、冷却水出口4、截止波导5、基片台6、基片7、真空系统8、直流偏压电源9、反应气体入口10、短路活塞11、冷却水入口12、壳体13、光电温度计14、石英管15等，具体结构如下：密闭的壳体13之间设有石英管15，石英管15一端外部设有依次连接的截止波导5、波导3、调配器2、微波源1，截止波导5上设置冷却水出口4，冷却水出口4通过管路与外部冷水设备连接；石英管15另一端外部设有短路活塞11，短路活塞11所在的活塞缸上设有冷却水入口12，所述石英管15另一端外部与反应气体入口10连通，反应气体入口10通过管路与外部气源连接，冷却水入口12通过管路与外部冷水设备连接；石英管15的上部设有光电温度计14，石英管15的下部设有真空系统8、直流偏压电源9，真空系统8通过管路与壳体13相连；石英管15内部设有基片台6、基片7，基片7设置于基片台6上，直流偏压电源9通过电缆与基片台6相连。实施例本实施例中，先将预先清洗干净的基片7放入壳体13内部的基片台6上，然后用真空系统8将壳体13内的压强抽至10-4～10-5Pa，通过反应气体入口将外部反应气体(200sccmCH4+H2，体积比为1：1)通入壳体13内，同时调整真空系统8，将壳体13内的压强控制在2000～6000Pa；调节微波源1输出功率到10kW，微波通过波导3和截止波导5进入壳体13内部，在基片7上方产生等离子体，对反应气体加热电离，使用光电温度计14监测壳体13内热丝的温度；调整调配器2和短路活塞11，使微波的反射功率控制在5％以内，将直流偏压电源9调整至负100V。在反应过程中，只需维持通入的CH4和H2比例及反应壳体13内反应气压不变，整个沉积过程即可持续不断进行。等到生长到需求的厚度后，即可停止反应气体的通入，关闭微波源1，同时缓慢的降低直流偏压电源9的电压，直到电压降为0V，同时壳体13自然冷却，直至壳体13内基片6表面温度达到室温，即可打开壳体13，取出基片。实施例结果表明，本技术高功率大面积偏压微波等离子体金刚石薄膜沉积装置，可以实现在基片表面大面积、高均匀性、高纯度、结晶形态好的高质量金刚石薄膜沉积，可以实现在基片沉积金刚石薄膜的过程中能监控基片表面的温度和反应腔内压强，能准确控制金刚石薄膜沉积各项主要工艺参数，工艺重复性好。因此，本技术不仅可以应用于实验室在金刚石材料方面的研究，也可应用于大规模的工业化生产，就有很高的实用价值。以上所述的仅是本技术所列举的最优实施方式。需要指出，对于本
的所有技术人员，在不脱离所附权力要求书的精神和本技术所示原理的范畴情况下，还可以对所示实例进行更改和/或改变，这些改变也应被视为本技术的权利保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，其特征于，该装置设有密闭的壳体，壳体之间为石英管，石英管一端外部设有依次连接的截止波导、波导、调配器、微波源，截止波导上设置冷却水出口；石英管另一端外部设有短路活塞，短路活塞所在的活塞缸上设有冷却水入口，所述石英管另一端外部与反应气体入口连通；石英管的上部设有光电温度计，石英管的下部设有真空系统、直流偏压电源；石英管内部设有基片台、基片，基片设置于基片台上，直流偏压电源通过电缆与基片台相连。

【技术特征摘要】
1.一种高功率大面积偏压微波等离子体金刚石膜薄膜沉积装置，其特征于，该装置设有密闭的壳体，壳体之间为石英管，石英管一端外部设有依次连接的截止波导、波导、调配器、微波源，截止波导上设置冷却水出口；石英管另一端外部设有短路活塞，短路活塞所在的活塞缸上设有冷却水入口，所述石英管另一端外部与反应气体入口连通；石英管的上部设有光电温度计，石英管的下部设有真空系统、直流偏压电源；石英管内部设有基片台、基片，基片设置于基片台上，直流偏压电源通过电缆与基片台相连。2.按照权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜辛，刘鲁生，黄楠，杨兵，翟超峰，李俊豪，贾心怡，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：新型
国别省市：辽宁;21