【技术实现步骤摘要】
专利技术属于微波等离子体法化学气相沉积，具体涉及一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置。
技术介绍
0、技术背景
1、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。在制备金刚石得到众多方法中，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。
2、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、以及可容纳的微波功率。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40-55mm的石英管垂直穿透2.45ghz的矩形波导，但在大多数情况下，只此装置使用小于1cm2的硅片作为衬底，可容纳的微波功率也仅有几百瓦特的水平。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 relatedmaterials,2001,10(3-7):312-315.]，均匀的涂层区域直径为2inch，最大微波功率为1.5kw。
3、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
4、综上所述，为了实现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、避免等离子体刻蚀石英介质窗口同时能容纳更多微波能量输入的mpcvd装置是很有意义的。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提出一种双椭球腔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。由于该装置采用了密封效果更好的平板石英窗作为真空窗口，同时独特的双椭球结构设计使得该装置避免了典型的tm01模式微波谐振腔存在的寄生等离子体刻蚀石英窗的问题，因此该装置可用于制备电子级金刚石。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。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：
4、包括微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、不锈钢微波谐振腔外壳、平板石英窗、观察窗口、测温窗口、进气口、排气口、可升降式衬底台结构；所述不锈钢微波谐振腔为双椭球腔式结构，平板石英窗安置于下椭球结构上焦点的下方，进气口位于平板石英窗下方，排气口位于可升降式衬底台结构边缘处；可升降式衬底台结构可上下运动，用于微波电场及等离子体的实时调谐。
5、进一步地，所述微波电源频率为2.45ghz，位于微波谐振腔上方，所述的双椭球腔式不锈钢微波谐振腔通过同轴线模式转换器与矩形波导相连；微波由矩形波导经同轴转换器由te模式转换为tm模式，进入双椭球微波谐振腔，经过平板石英窗后进入真空腔室内，并于沉积台上方形成强电场区域；反应气体在强电场的作用下电离激发形成等离子体，实现金刚石膜的沉积。
6、进一步地，所述的不锈钢微波谐振腔，由从上至下分别由两个不同大小的椭球结构组成，上椭球长轴与短轴比为1.1～1.2，下椭球长轴与短轴比为1.125，其中上椭球结构的上焦点与同轴天线位置重合，上椭球结构下焦点与下椭球的上焦点位置重合，而下椭球结构下焦点与衬底台位置重合；采用如此的结构设计是为了利用椭球结构对微波聚焦的原理增强衬底处的微波电场强度，改善分布均匀性；其次，这种构造减小了石英板下方的微波电场强度，避免此处产生寄生等离子体。
7、进一步地，所述排气口沿轴向每隔60°设置一排气口，共有6个排气口。
8、进一步地，所述的不锈钢微波谐振腔外壳、平板石英窗、可升降式衬底台结构组成完整的真空腔室。
9、进一步地，所述的平板石英窗安置于下椭球结构上焦点的下方是为了避免强电场产生的寄生等离子体的刻蚀。
10、进一步地，所述的平板石英窗与不锈钢谐振腔腔体连接处开有密封槽，平板石英窗放置在密封槽之中，平板石英窗和不锈钢内壁之间设有固定橡胶圈。
11、进一步地，所述平板石英窗相对介电常数为4.2，且观察窗口、测温窗口设置在平板石英窗的下方，避免受到石英窗的干扰。
12、进一步地，所述的双椭球腔式微波谐振腔、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。
13、进一步地，所述的可升降式衬底台结构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。
14、进一步地，本专利技术所述的一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其平板石英窗相对介电常数为4.2，且观察窗口、测温窗口设置在平板石英窗的下方，避免受到石英窗的干扰。
15、进一步地，本专利技术所述的一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其双椭球腔式微波谐振腔、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。
16、进一步地，本专利技术所述的一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其可升降式衬底台结构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。
17、本专利技术实施过程的关键在于：
18、本专利技术提出一种双椭球腔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、不锈钢谐振腔外壳、平板石英窗、观察窗口、测温窗口、进气口、排气口、可升降式衬底台结构。其中微波谐振腔由从上至下分别由两个不同大小的椭球结构组成，其中上椭球结构的上焦点与同轴天线位置重合，上椭球结构下焦点与下椭球的上焦点位置重合，而下椭球结构下焦点与衬底台位置重合。采用如此的结构设计是为了利用椭球结构对微波聚焦的原理增强衬底处的微波电场强度，改善分布均匀性。其次，这种构造减小了石英板下方的微波电场强度，避免此处产生寄生等离子。平板石英窗安置于下椭球结构上焦点的下方，避免强电场产生的寄生等离子体的刻蚀。可升降式衬底台结构可上下运动，用于实时调谐微波电场和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：
2.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波电源频率为2.45GHz，位于谐振腔上方，所述的双椭球腔式不锈钢微波谐振腔通过同轴线模式转换器与矩形波导相连；微波由矩形波导经同轴转换器由TE模式转换为TM模式，进入双椭球微波谐振腔，经过平板石英窗后进入真空腔室内，并于沉积台上方形成强电场区域；反应气体在强电场的作用下电离激发形成等离子体，实现金刚石膜的沉积。
3.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的不锈钢微波谐振腔，由从上至下分别由两个不同大小的椭球结构组成，上椭球长轴与短轴比为1.1～1.2，下椭球长轴与短轴比为1.125，其中上椭球结构的上焦点与同轴天线位置重合，上椭球结构下焦点与下椭球的上焦点位置重合，而下椭球结构下焦点与衬底台位置重合；采用如此的结构设计是为了利用椭球结构对微波聚焦的原理增强衬底处的微波电场强度，改善分布均匀性；其次，这种构造减小了石英板下方的微波电场强度，避免此处产生寄生等离子体。
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5.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的不锈钢微波谐振腔外壳、平板石英窗、可升降式衬底台结构组成完整的真空腔室。
6.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的平板石英窗安置于下椭球结构上焦点的下方是为了避免强电场产生的寄生等离子体的刻蚀。
7.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的平板石英窗与不锈钢谐振腔腔体连接处开有密封槽，平板石英窗放置在密封槽之中，平板石英窗和不锈钢内壁之间设有固定橡胶圈。
8.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述平板石英窗相对介电常数为4.2，且观察窗口、测温窗口设置在平板石英窗的下方，避免受到石英窗的干扰。
9.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的双椭球腔式微波谐振腔、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。
10.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的可升降式衬底台结构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。
...【技术特征摘要】
1.一种双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：
2.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波电源频率为2.45ghz，位于谐振腔上方，所述的双椭球腔式不锈钢微波谐振腔通过同轴线模式转换器与矩形波导相连；微波由矩形波导经同轴转换器由te模式转换为tm模式，进入双椭球微波谐振腔，经过平板石英窗后进入真空腔室内，并于沉积台上方形成强电场区域；反应气体在强电场的作用下电离激发形成等离子体，实现金刚石膜的沉积。
3.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的不锈钢微波谐振腔，由从上至下分别由两个不同大小的椭球结构组成，上椭球长轴与短轴比为1.1～1.2，下椭球长轴与短轴比为1.125，其中上椭球结构的上焦点与同轴天线位置重合，上椭球结构下焦点与下椭球的上焦点位置重合，而下椭球结构下焦点与衬底台位置重合；采用如此的结构设计是为了利用椭球结构对微波聚焦的原理增强衬底处的微波电场强度，改善分布均匀性；其次，这种构造减小了石英板下方的微波电场强度，避免此处产生寄生等离子体。
4.如权利要求1所述的双椭球腔式微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述排气口沿轴向每隔60°设置一排气口，共有6个排气口。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，杨志亮，郭之健，刘宇晨，魏俊俊，陈良贤，刘金龙，张建军，欧阳晓平，李建林，郭明明，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
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