用于金刚石单晶生长的MPCVD装置，本发明专利技术属于微波等离子体辅助化学气相沉积领域，它要解决现有MPCVD装备沉积面积小、沉积速率低、难以长时稳定生长的问题。本发明专利技术MPCVD装置中微波谐振腔下方设置有矩形波导和同轴波导，矩形波导的一端连接有微波产生系统，同轴波导的下部与矩形波导管相连通，同轴波导的上端与微波谐振腔相通，同轴天线与水冷台一体化结构同轴套设在同轴波导内，同轴天线与水冷台一体化结构由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，在微波谐振腔的顶部开有匀气腔。本发明专利技术微波等离子体化学气相沉积装置，最大程度优化了多模等离子体谐振腔，有效增加了沉积面积，提高了功率密度和沉积速率。密度和沉积速率。密度和沉积速率。
【技术实现步骤摘要】
用于金刚石单晶生长的MPCVD装置
[0001]本专利技术属于微波等离子体辅助化学气相沉积领域，具体涉及一种用于金刚石单晶大面积、高速率、长时间生长的微波等离子体辅助化学气相沉积装置。
技术介绍
[0002]微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)法是当前最为流行，也是最有前景的大尺寸高品质金刚石单晶外延生长方法。该方法是通过将微波发生器产生的微波经过波导管导入特殊设计的反应腔体中发生谐振，产生频率和强度分布的电磁场，以此将反应腔体内的气体原料(通常为H2和CH4混合气体)进行激发，在样品台上产生均匀且稳定的等离子体。离化后的气体分子在衬底材料上进行沉积，从而实现金刚石的外延生长。相比于早期的热丝CVD法(HFCVD)和直流电弧等离子体喷射CVD法(DC Arc Jet CVD)，MPCVD法具有设备可靠性高、工作稳定性强、控制精确且操作简便等优点，可以实现长达百小时的连续稳定运行。同时，该方法的气体离化率高、沉积温度和气体流速较低、生长工艺条件温和且可控性强，能够实现在极低的掺杂浓度下(ppb级别)进行高速沉积生长。
[0003]MPCVD设备整体是一个相当复杂的系统，为实现需要的功能，现有的CVD设备不仅结构复杂，体积庞大而且出错率高，稳定运行时间短。目前普遍应用的单模直筒上馈式MPCVD设备需要模式转换天线才能在谐振腔中产生需要的电场模式，作为一种单模谐振腔，谐振腔内的微波分布模式极大程度地限制了微波等离子体的体积，2.45GHz的频率下能够耦合进谐振腔内的功率水平已经接近于极限值，进一步提高金刚石沉积面积和沉积速率的需求受到限制。同时，在沉积生长过程中，制备的金刚石单晶厚度不断增加，开始出现边缘效应和二次形核，极大地影响了金刚石的品质，此时必须中断生长过程并对样品进行一定处理才能继续生长。
[0004]综上所述，兼具大面积、高速率，能够长时间稳定生长的高集成度微波等离子体辅助化学气相沉积装置对于金刚石单晶生长具有十分重要的意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是为了解决现有MPCVD装备沉积面积小、沉积速率低、难以长时稳定生长的问题，而提供一种用于金刚石单晶生长的微波等离子体辅助化学气相沉积装置。
[0006]本专利技术用于金刚石单晶生长的MPCVD装置包括微波产生系统、矩形波导、同轴波导、同轴天线与水冷台一体化结构、支撑环、微波谐振腔、匀气腔、环形进气间隙和抽气缓冲腔；
[0007]微波谐振腔下方设置有矩形波导和同轴波导，矩形波导水平设置，矩形波导的一端连接有微波产生系统，同轴波导竖直设置，同轴波导的下部与矩形波导管相连通，同轴波导的上端与微波谐振腔相通，支撑环设置在微波谐振腔的底板上；
[0008]同轴天线与水冷台一体化结构同轴套设在同轴波导内，同轴天线与水冷台一体化结构由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台的下部连接有
天线杆体，升降水冷件是在可升降水冷台的下部连接有连杆，固定水冷台搭设在支撑环的上沿，天线杆体从矩形波导穿出；
[0009]在微波谐振腔的顶部开有匀气腔，匀气腔内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔的腔壁之间留有环形进气间隙；
[0010]微波谐振腔底部的中空结构为抽气缓冲腔，微波谐振腔的底部板面上开有排气孔并与抽气缓冲腔相通。
[0011]本专利技术用于金刚石单晶生长的MPCVD装置主要包括谐振腔体、配气系统、真空系统、水冷系统、微波系统和电控系统六大部分。其中谐振腔是整个设备的核心，微波在腔体内谐振，并在衬底上激发等离子体；配气系统提供等离子体激发和金刚石生长所需的气体源，主要为氢气、甲烷等；真空系统可控地保证腔体内部合适的真空度；水冷系统为整套装置进行散热，包括谐振腔夹层中的冷却水通路和同轴天线与样品台内部的冷却水通路；微波系统作为能量源，通过矩形波导和同轴波导将微波能量馈入谐振腔，同轴波导末端进入谐振腔并连接有一体化设计的样品台，等离子体将在此处被激发使金刚石沉积生长；电控系统是人机交互的窗口，使操作简单高效。
[0012]所述MPCVD装置为下馈式微波输入方式，同轴天线与水冷采用一体化结构，中心位置的水冷台与腔体内壁共同充当微波输入天线，最大程度地简化设备结构，减小体积，同时对样品台、同轴天线、支撑环进行有效冷却，并能够通过调节可升降水冷台的轴向高度实现金刚石单晶长时间生长。经过下馈式微波输入方式、同轴天线及凸型谐振腔协同设计使得多种模式的微波在腔体内叠加谐振，提高了微波耦合效率，减少了次生等离子体的产生，有效扩大了沉积面积，在2.45GHz微波频率下，目标域平均电场强度达105～106V/m量级，等离子体密度达10
17
m
‑3量级，极大提高了金刚石单晶生长速率，可沉积2
‑
3英寸金刚石薄膜。
[0013]本专利技术微波等离子体化学气相沉积装置，最大程度优化了多模等离子体谐振腔，有效增加了沉积面积，提高了功率密度和沉积速率，在保证系统功能地前提下更加紧凑、可靠、高效。
附图说明
[0014]图1是本专利技术用于金刚石单晶生长的MPCVD装置的整体结构示意图；
[0015]图2是利用本专利技术用于金刚石单晶生长的MPCVD装置进行金刚石单晶生长过程状态图；
[0016]图3是利用本专利技术用于金刚石单晶生长的MPCVD装置生长的金刚石单晶拉曼测试图。
具体实施方式
[0017]具体实施方式一：本实施方式用于金刚石单晶生长的MPCVD装置包括微波产生系统1、矩形波导2、同轴波导3、同轴天线与水冷台一体化结构4、支撑环5、微波谐振腔6、匀气腔7、环形进气间隙8和抽气缓冲腔9；
[0018]微波谐振腔6下方设置有矩形波导2和同轴波导3，矩形波导2水平设置，矩形波导2的一端连接有微波产生系统1，同轴波导3竖直设置，同轴波导3的下部与矩形波导管2相连通，同轴波导3的上端与微波谐振腔6相通，支撑环5设置在微波谐振腔6的底板上；
[0019]同轴天线与水冷台一体化结构4同轴套设在同轴波导3内，同轴天线与水冷台一体化结构4由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台4
‑
1的下部连接有天线杆体4
‑
3，升降水冷件是在可升降水冷台4
‑
2的下部连接有连杆4
‑
4，固定水冷台4
‑
1搭设在支撑环5的上沿，天线杆体4
‑
3从矩形波导2穿出；
[0020]在微波谐振腔6的顶部开有匀气腔7，匀气腔7内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔7的腔壁之间留有环形进气间隙8；
[0021]微波谐振腔6底部的中空结构为抽气缓冲腔9，微波谐振腔6的底部板面上开有排气孔10并与抽气缓冲腔9相通。
[0022]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是支撑环5的材质为石英。
[0023]具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是微波谐振腔6的腔体呈凸字本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.用于金刚石单晶生长的MPCVD装置，其特征在于该用于金刚石单晶生长的MPCVD装置包括微波产生系统(1)、矩形波导(2)、同轴波导(3)、同轴天线与水冷台一体化结构(4)、支撑环(5)、微波谐振腔(6)、匀气腔(7)、环形进气间隙(8)和抽气缓冲腔(9)；微波谐振腔(6)下方设置有矩形波导(2)和同轴波导(3)，矩形波导(2)水平设置，矩形波导(2)的一端连接有微波产生系统(1)，同轴波导(3)竖直设置，同轴波导(3)的下部与矩形波导管(2)相连通，同轴波导(3)的上端与微波谐振腔(6)相通，支撑环(5)设置在微波谐振腔(6)的底板上；同轴天线与水冷台一体化结构(4)同轴套设在同轴波导(3)内，同轴天线与水冷台一体化结构(4)由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台(4
‑
1)的下部连接有天线杆体(4
‑
3)，升降水冷件是在可升降水冷台(4
‑
2)的下部连接有连杆(4
‑
4)，固定水冷台(4
‑
1)搭设在支撑环(5)的上沿，天线杆体(4
‑
3)从矩形波导(2)穿出；在微波谐振腔(6)的顶部开有匀气腔(7)，匀气腔(7)内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔(7)的腔壁之间留有环形进气间隙(8)；微波谐振腔(6)底部的中空结构为抽气缓冲腔(9)，微波谐振腔(6)的底...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱嘉琦，郝晓斌，李一村，代兵，刘雪冬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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