等离子体源单元、等离子体源装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及等离子体源单元、等离子体源装置及其应用。所述等离子体源单元包括能源供应系统和微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，所述同轴式微波谐振腔在底部和顶部分别开设有不同轴的第一开口和第二开口；所述空心金属圆柱外接所述第一开口处；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述顶部连接、另一端延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有与所述能源供应系统相连的同轴转接头。

【技术实现步骤摘要】
等离子体源单元、等离子体源装置及其应用
本专利技术属于等离子体技术以及金刚石合成
，尤其涉及一种等离子体源单元、等离子体源装置及其应用。
技术介绍
目前，对于金刚石薄膜的沉积，普遍使用热丝CVD法。这种方法通常使用钽丝或者钨丝作为电阻丝，通过加热电阻丝，裂解甲烷，并通过电阻丝加热后发射电子，形成电离度较低的等离子体，进而实现金刚石薄膜的沉积。采用这种方法合成金刚石薄膜，合成窗口的温度一般在600-1200℃之间，可以通过调整基片台与加热电阻丝之间的距离实现对金刚石薄膜温度的控制，从而实现金刚石薄膜材料的合成，其工作原理及设备结构示意图如图1所示。然而，使用热丝CVD法合成金刚石时，由于未处理的电阻丝无法承受较大的工艺电流，因此，需要预先将电阻丝进行碳化处理，增加了制备工艺的繁琐程度；且电阻丝加热过程中，容易产生变形导致短路或等离子体分布不均等问题，使得电阻丝的更换频率高；另外，由于电阻丝发射电子产生等离子体的电离度很低，导致产生的刻蚀性粒子数量不足，最终使得所合成的金刚石薄膜质量不高。此外，采用CVD法合成金刚石具有功率高、功耗大的缺点。上述一些列问题，严重制约了金刚石合成的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种等离子体源单元，旨在解决现有技术需要采用电阻丝合成金刚石、而电阻丝存在上述一系列不足导致金刚石合成发展空间受阻的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种等离子体源装置，旨在解决现有技术需要采用电阻丝合成金刚石、而电阻丝存在上述一系列不足导致金刚石合成发展空间受阻的问题。本专利技术的再一目的在于提供一种使用等离子体源装置制备金刚石薄膜的方法。本专利技术是这样实现的，一种等离子体源单元，包括能源供应系统，还包括微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，其中，所述同轴式微波谐振腔的底部同轴开设有第一开口，所述同轴式微波谐振腔的顶部开设有与所述第一开口不同轴的第二开口；所述空心金属圆柱外接于所述同轴式微波谐振腔的第一开口处，且所述空心金属圆柱与所述同轴式微波谐振腔同轴；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述同轴式微波谐振腔的顶部连接、另一端通过所述第一开口并延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有同轴转接头，且所述同轴式微波谐振腔通过所述同轴转接头与所述能源供应系统相连接。以及，一种等离子体源装置，包括真空箱和多个点状排列的上述等离子体源单元，其中，所述真空箱包括真空腔、形成所述真空腔的箱体和设置在所述箱体内的载物基台，所述箱体开设有抽气口和进气口；所述箱体的顶壁开设有与所述真空腔相通的开口，所述等离子体源单元的空心金属圆柱通过所述开口插入所述真空腔中。相应的，一种使用上述等离子体源装置制备金刚石薄膜的方法，包括以下步骤：将基底置于所述载物基台上，抽真空使所述真空腔为真空环境，并通入工作气体，开启能源供应系统，使得嵌入所述真空腔的同轴金属柱产生等离子体云；调节所述基底的温度，沉积金刚石薄膜。本专利技术提供的等离子体源单元，不需设置电阻丝，因此，等离子体环境的产生不依赖电阻丝，从而可以摆脱热丝CVD法制备金刚石在设备和方法上的不足，避免金刚石制备过程中出现的短路、沉积气体电离率低、样品质量不佳等问题。此外，更重要的是，本专利技术提供的等离子体源单元，通过所述同轴式微波谐振腔、同轴金属柱、空心金属圆柱结构设置，可以使得微波在所述同轴式微波谐振腔的边界条件作用下形成谐振，产生电场叠加，并且使得所述同轴金属柱能够将所述能源供应系统提供的微波能量聚集在所述同轴金属柱靠空心金属圆柱的一端，提供微波能量。本专利技术提供的等离子体源装置，多个所述等离子体单元点状排布，可以产生大面积均匀的等离子体，从而实现金刚石薄膜的均匀沉积，提高金刚石的质量；同时，可以根据实际生产规模的需要设置等离子体单元的个数，实现大面积金刚石的沉积涂覆，进而提高生产效率，降低生产成本，实现产业化。此外，本专利技术提供的等离子体源装置，沉积气体电离率高，在300℃的低温情况下即可实现高质量金刚石薄膜的均匀沉积，不会对电子设备造成破坏。本专利技术提供的使用上述等离子体源装置制备金刚石薄膜的方法，方法简单，生产效率高，生产成本低，且得到的金刚石薄膜质地均匀。附图说明图1是现有技术提供的热丝CVD法合成金刚石工作原理及设备结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的等离子体源单元结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的能源供应系统的组成示意图；图4是本专利技术实施例提供的等离子体源装置结构示意图；图5是本专利技术实施例提供的等离子体源单元呈矩阵式示意图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。结合图2，本专利技术实施例提供了一种等离子体源单元1，包括微波谐振腔系统11和能源供应系统12，所述微波谐振腔系统11包括同轴式微波谐振腔111、金属天线112、同轴金属柱113、空心金属圆柱114和金属陶瓷部115，其中，所述同轴式微波谐振腔111的底部同轴开设有第一开口1111，所述同轴式微波谐振腔111的顶部开设有与所述第一开口1111不同轴的第二开口1112；所述空心金属圆柱114外接于所述同轴式微波谐振腔111的第一开口1111处，且所述空心金属圆柱114与所述同轴式微波谐振腔111同轴；所述同轴金属柱113同轴插设于所述同轴式微波谐振腔111中，一端与所述同轴式微波谐振腔111的顶部连接、另一端通过所述第一开口1111并延伸出所述空心金属圆柱114外；所述金属陶瓷部115填充在所述同轴金属柱113和所述空心金属圆柱114之间；所述金属天线插112设于所述同轴式微波谐振腔111中，一端与所述同轴式微波谐振腔111的底部电连接，另一端延伸出所述第二开口1112；所述第二开口1112处外设有同轴转接头13，且所述同轴式微波谐振腔11通过所述同轴转接头13与所述能源供应系统12相连接。本专利技术实施例提供的等离子体源单元1包括两部分，提供能量的能源供应系统12和产生等离子体的微波谐振腔系统11，所述能源供应系统12的组成及工作原理为本领域常规，包括微波信号源、点位控制器、功率放大器、隔离器等，具体如图3所示。其中，所述电位控制器用于调控微波功率；所述隔离器用于防止反射功率返回所述功率放大器、从而避免功放管元器件烧坏。所述能源供应系统12的工作原理为：微波信号源产生低功率微波信号(0.1-1瓦)，经过电位控制器传输至功率放大器，经所述功率放大器放大后形成大功率微波(30-200瓦)，大功率微波经隔离器后由同轴电缆传输至微波谐振腔系统11，具体的，大功率微波通过所述金属天线112(微波传输天线)耦合至所述同轴式微波谐振腔111中，为等离子放电提供击穿能量、同时为加热维持等离子提供所需要的能量。本专利技术实施例中，所述等离子体源单元1的工作原理为：所述能源供应系统12通过外接于所述同轴式微波谐振腔111的所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体源单元，包括能源供应系统，其特征在于，还包括微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，其中，所述同轴式微波谐振腔的底部同轴开设有第一开口，所述同轴式微波谐振腔的顶部开设有与所述第一开口不同轴的第二开口；所述空心金属圆柱外接于所述同轴式微波谐振腔的第一开口处，且所述空心金属圆柱与所述同轴式微波谐振腔同轴；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述同轴式微波谐振腔的顶部连接、另一端通过所述第一开口并延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有同轴转接头，且所述同轴式微波谐振腔通过所述同轴转接头与所述能源供应系统相连接。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体源单元，包括能源供应系统，其特征在于，还包括微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，其中，所述同轴式微波谐振腔的底部同轴开设有第一开口，所述同轴式微波谐振腔的顶部开设有与所述第一开口不同轴的第二开口；所述空心金属圆柱外接于所述同轴式微波谐振腔的第一开口处，且所述空心金属圆柱与所述同轴式微波谐振腔同轴；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述同轴式微波谐振腔的顶部连接、另一端通过所述第一开口并延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有同轴转接头，且所述同轴式微波谐振腔通过所述同轴转接头与所述能源供应系统相连接。2.如权利要求1所述的等离子体源单元，其特征在于，所述同轴金属柱的长度为1/4工作波长的整数倍。3.如权利要求1所述的等离子体源单元，其特征在于，所述金属天线距离所述同轴式微波谐振腔的内壁面3-6mm；和/或所述金属天线距离所述同轴金属柱10-20mm。4.如权利要求1-3任一所述的等离子体源单...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，朱雨，牛卉卉，刘辉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44