一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置制造方法及图纸

一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置。包括：2.45GHz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构。环形阶梯同轴天线由从上至下分别由三个不同直径的环形阶梯凹槽构成，对微波电场和等离子体具有压缩效应，使微波电场和等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。环形石英窗安置于环形阶梯同轴天线下方，远离等离子体，提升设备真空性的同时避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。本装置用于制备单晶金刚石和多晶金刚石膜，可实现高功率、高腔压下金刚石单晶或大面积薄膜的高质量均匀沉积。大面积薄膜的高质量均匀沉积。大面积薄膜的高质量均匀沉积。

【技术实现步骤摘要】
一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置


[0001]专利技术属于微波等离子体法化学气相沉积
，具体涉及一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置。
技术背景
[0002]金刚石膜具有优异的光学、电学、力学和热学性能，使其在传统和新兴行业中都具有广泛的应用前景。特别是，金刚石膜的高击穿电场、高饱和载流子速度、高载流子迁移率、低介电常数、宽带隙、高光学透明性和高热导率使其成为当前和未来电子领域应用中理想的半导体材料。1976年Deryagin等人率先使用热解方法在低温低压条件下同质外延合成了金刚石，此后世界范围内出现了一系列基于等离子辅助沉积制备金刚石的方法。在这些方法中最主要的是热丝CVD法(HFCVD)、直流电弧等离子体喷射CVD法(DC Plasma
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jet CVD)、微波等离子体CVD法(MPCVD)三种，其中微波等离子体CVD法以其等离子体密度高、可控性好、无电极放电污染等优点被公认为是研究和制备高品质金刚石的理想方法。
[0003]在MPCVD法制备高品质、大面积金刚石膜的过程当中，需要关注的是设备的真空性、金刚石膜沉积过程中等离子体分布的均匀性。最早期的石英管式MPCVD装置[M.Kamo,Y.Sato,S.Matsumoto.Journal of Crystal Growth,1983,62:642]，使用直径为40
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55mm的石英管垂直穿透2.45GHz的矩形波导，最大可以在1inch的硅片上沉积金刚石薄膜，但在大多数情况下，只此装置使用小于1cm2的硅片作为衬底。美国ASTeX型MPCVD装置可以在更大面积上进行金刚石薄膜涂层沉积[Y.Ando,T.Tachibana,K.Kobashi.Diamond and Related Materials,2001,10(3
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7):312
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315.]，均匀的涂层区域直径为2inch，最大微波功率为1.5kW。德国AIXTRON AG公司的生产6kW MPCVD装置具有一个非常独特的椭圆形微波腔，这种装置是在Fraunhofer研究所开发的[M.F
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ner,C.Wild,P Koidl.Applied Physics Letters,1998,72(10):1149
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1151.]，可以容纳3inch的基板。然而以上装置都存在等离子体刻蚀石英介质窗口，难以实现在高功率条件下制备高品质金刚石膜的目的。
[0004]1996年美国Besen等人在专利中，提出了一种非圆柱形圆周天线式MPCVD装置[US 1996/05556475A]，这种装置创造性地使用了圆盘状的基片台同时作为同轴天线，安装在基片台下方的石英环作为介质窗口将真空反应腔与大气隔离。这种结构彻底解决了因介质窗口的刻蚀问题对高功率微波功率输入的限制。此类设备可实现2inch金刚石膜的均匀沉积，但是该装置的石英环窗口安放于沉积台下方，不利于谐振腔室内真空度的保持，即不利于高品质金刚石膜的沉积。
[0005]综上所述，为了实现在高功率下使用微波等离子体方法制备高品质、大面积金刚石膜的目的，设计一种同时满足真空性要求和避免等离子体刻蚀石英介质窗口的MPCVD装置是很有意义的。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提出一种环形阶梯同轴天线式微波等离子
体化学气相沉积装置，该装置可实现高微波输入功率条件下，高品质、大面积金刚石膜的均匀制备，薄膜沉积速率高、大面积均匀性好，装置结构简单、真空性好、可稳定运行和参数易于控制。由于该装置同时解决了H等离子体刻蚀石英环与石英环位置不合理造成的杂质污染和真空度较差的问题，因此该装置可用于制备电子级金刚石膜。制备的电子级金刚石作为超宽禁带半导体材料可广泛应用于半导体领域，如高频电子器件、毫米波器件等。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：包括2.45GHz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构。
[0009]圆柱形谐振腔、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构组成完整的真空腔室；进气口位于环形阶梯同轴天线下方中心处，出气口位于可升降式基台调谐结构径向中心位置，在可升降式基台调谐结构径向中心位置沿轴向方向每隔60
°
设置一出气口，共有6个出气口；可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构均可上下运动，用于微波电场及等离子体的实时调谐。
[0010]进一步地，所述的圆柱形微波谐振腔、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线材料为不锈钢，环形石英窗口所用材料为相对介电常数为4.2的石英玻璃，可升降式基台调谐结构、可升降式衬底台结构材料均为铜。
[0011]进一步地，所述的环形阶梯同轴天线由上至下分别为三个不同直径的环形阶梯凹槽构成，特殊构造使得其对微波电场和等离子体具有压缩效应，可使微波电场和等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。
[0012]进一步地，所述的圆柱形微波谐振腔通过同轴线模式转换器与矩形波导相连。
[0013]进一步地，所述的环形石英窗位于环形阶梯同轴天线下方，通过胶圈密封与环形阶梯同轴天线和圆柱形谐振腔形成真空腔；环形石英窗安置于环形阶梯同轴天线下方，远离等离子体区域，提升设备真空性的同时避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。
[0014]进一步地，所述的环形石英窗与不锈钢谐振腔腔体、环形阶梯同轴天线连接处开有密封槽，环形石英窗放置在密封槽之中，环形石英窗和不锈钢内壁、环形阶梯同轴天线内壁之间设有固定橡胶圈。
[0015]进一步地，所述环形石英窗相对介电常数为4.2，且观察窗口设置在环形石英窗的外侧。
[0016]进一步地，所述的圆柱形微波谐振腔、环形阶梯同轴天线、可升降式基台调谐结构、可升降式衬底台结构全部采用水冷却，避免局部过热，保证设备长时间运行。
[0017]进一步地，可升降式基台调谐结构、可升降式衬底台结构均采用可上下移动调节设计，进行微波电场和等离子体调谐，强化微波电场及等离子体强度，并优化两者分布，实现金刚石的均匀沉积。
[0018]本专利技术实施过程的关键在于：
[0019]本专利技术提出一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置。主要包括2.45GHz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、可
升降式基台调谐结构、可升降式衬底台结构。其中环形阶梯同轴天线由从上至下分别由三个不同直径的环形阶梯凹槽构成，特殊构造使得其对微波电场和等离子体具有压缩效应，可使微波电场和等离子体在衬底表面上方分布本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：包括2.45GHz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构，圆柱形谐振腔、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构组成完整的真空腔室；进气口位于环形阶梯同轴天线下方中心处，出气口位于可升降式基台调谐结构径向中心位置，在可升降式基台调谐结构径向中心位置沿轴向方向每隔60
°
设置一出气口，共有6个出气口；可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构均可上下运动，用于微波电场及等离子体的实时调谐。2.如权利要求1所述的环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的圆柱形微波谐振腔、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线材料为不锈钢，环形石英窗口所用材料为相对介电常数为4.2的石英玻璃，可升降式基台调谐结构、可升降式衬底台结构材料均为铜。3.如权利要求1所述的环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的环形阶梯同轴天线由上至下分别为三个不同直径的环形阶梯凹槽构成，特殊构造使得其对微波电场和等离子体具有压缩效应，可使微波电场和等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。4.如权利要求1所述的环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，杨志亮，任飞桐，魏俊俊，陈良贤，刘金龙，张建军，安康，郑宇亭，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：