一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置

摘要

本发明为一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置由阶梯状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球形微波谐振腔、可调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温孔和观察窗等组成。此装置利用椭球的上下焦点设计，圆锥形上微波反射体位于上焦点，沉积台位于下焦点，电场分布集中，激发等离子体位置稳定、密度高；隐藏的微波窗口避免被等离子体加热、污染、刻蚀；可调节的微波下反射体和沉积台实时地优化等离子体分布；椭球形谐振腔内壁距离高温等离子体区较远，减弱等离子体对腔室内壁的热辐射，避免沉积异物；装置各部件采用水冷。此装置可在高功率下实现大面积高品质金刚石膜的高效沉积。

说明书

技术领域

本发明属于微波等离子体法化学气相沉积技术领域，特别是提供了一种可被应用于大面 积高品质金刚石膜制备的高功率微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

金刚石具有高的硬度、高室温热导率(大于20W/cm﹒K)、低膨胀系数、高化学惰性、 高光学透明性等优异的性能，其在高功率电子器件的散热片，高功率激光和红外窗口等工业 领域具有巨大的应用价值。为实现这些重要应用，必须能够高效地制备出大面积、高品质的 自支撑金刚石膜。

在各种化学气相沉积方法中，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)以其无电极放电 污染、可控性好、等离子体密度高、以及沉积面积较大、品质较好等特性成为制备高品质金 刚石膜的首选方法。

然而，与其他CVD方法相比，MPCVD法金刚石膜的生长速率偏低，特别是制备大面积 (大于2英寸)的高品质金刚石膜时，其生长速率一般低于3μm/h。优化MPCVD金刚石膜沉 积装置的设计，提高MPCVD金刚石膜沉积装置的微波输入功率，是提高MPCVD法金刚石 膜沉积速率的有效手段。

自MPCVD金刚石膜沉积技术出现以来，为使MPCVD金刚石膜沉积装置能够承载更高 的微波输入功率，人们研发了各种结构的沉积装置。从最初的石英管式[M.Kamo,Y.Sato, S.Matsumoto,J.Cryst.Growth62(1983)642]、石英钟罩式[P.Bachmann,D.Leers,H.Lydtin, Diamond Relat.Mater.1(1991)1]、圆柱不锈钢金属谐振腔式[P.Bachmann,Chemical& Engineering News67(1989)24]到后来的椭球谐振腔式[M.Funer,C.Wild,P.Koidl,Appl.Phys.Lett. 72(1998)1149]和多模非圆柱谐振腔式[E.Pleuler,C.Wild,Diamond Relat.Mater.11(2002)467]装 置，其输入功率已从最初的数百瓦发展到了目前数千瓦的水平。

上述各种MPCVD金刚石膜沉积装置在结构上的差异是导致其允许输入的微波功率水平 和金刚石膜的沉积速率有很大差异的主要原因。

早期的石英管式、石英钟罩式MPCVD装置分别以石英管和石英钟罩作为微波窗口以此 获取真空条件。这两种MPCVD装置存在着一个共同的缺点——其石英窗口距离沉积室内形 成的等离子体太近，而石英材料极易被等离子体刻蚀并对金刚石膜的沉积过程造成污染。这 一因素限制了上述两种MPCVD装置允许输入的微波功率的提高。圆柱金属谐振腔式MPCVD 装置是以石英平板作为微波输入窗口的，其不足之处在于当装置的微波输入功率较高时，在 平板石英窗口附近会有次生等离子体被激发出来，因此圆柱金属谐振腔式MPCVD装置同样 不能被用在较高的微波功率下。

椭球谐振腔式MPCVD装置的设计较为新颖，它利用了椭球体具有两个焦点的特性，使 微波能量从椭球体的一个焦点出发，汇聚于椭球体的另一个焦点处并激发出高密度的等离子 体和进行金刚石膜的沉积。在椭球谐振腔式MPCVD装置中，作为沉积室的石英钟罩的尺寸 较大，这使得该装置允许输入的微波功率相对于前述的几种MPCVD装置来讲有了一定程度 的提高，但由于该装置仍然使用石英钟罩来作为微波窗口和构成真空沉积室，装置的可输入 功率水平提高有限。

多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置在介质窗口的设计方面做了较大的改进，它将环状的 石英微波窗口置于沉积台的下方，即石英微波窗口与沉积室内形成的等离子体之间被完全隔 离。这一措施解决了长期以来存在着的MPCVD装置的石英窗口易被等离子体刻蚀的问题。 但是，多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置的外形不规则，这造成了这一装置不能像其他具有 简单形状的MPCVD装置那样被方便地调节，在高功率下运行时会出现微波反射功率过高的 问题。

在多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置的基础上，专利申请JP2000-54142A和US 2009 /0120366A1分别提出了一种以石英环为微波窗口的设计方案，而且这两个方案都增加了相应 的调节机构。然而，在专利申请JP 2000-54142A提出的装置中，等离子体不是仅仅集中于沉 积台的上方，而是与沉积台和微波激励天线两者同时相接触，这不仅造成了微波能量被微波 激励天线大量吸收而不能被有效利用的问题，还会导致微波激励天线的表面出现碳的沉积物。 专利申请US 2009/0120366A1虽然针对这一缺点提出了三种改进方案，使等离子体可以与微波 激励天线隔离开来，但这些方案存在着其微波天线部分不能调节和不能被直接水冷的缺点， 而这两点均会限制MPCVD装置微波输入功率的提高。

针对这种情况，专利ZL 2010 10188615.3提出了一种新的MPCVD装置的设计方案。在 该方案中，装置的主体由两个直径不同的简单圆柱体所构成，因而很容易通过其高度的调节 实现对于整个装置中微波电场和等离子体分布的实时调节。而且，该装置的各主要部件都允 许被设计成直接水冷的形式，因而该装置可以允许被输入较高的微波功率。但该装置谐振腔 中起调节作用的小圆柱体由于突进沉积室内较多、距离高温等离子体区域较近，因而在高功 率时易出现石墨状物质或碳的化合物的沉积，对沉积腔室造成污染的问题。该问题使得该装 置很难在较高的功率下长时间运行。

综上所述，目前已有的各类高功率MPCVD金刚石膜沉积装置都存在各自的不足，或者 缺少调节机构，或者等离子体距离微波窗口或装置的其他部件太近而造成装置的破坏和污染， 或者装置的部分结构不能被直接水冷，这些因素都限制了现有MPCVD装置微波输入功率的 提高。但各装置的设计也都有各自突出的优点，椭球谐振腔利用其焦点可以获得稳定的高密 度等离子体；多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置有效解决了微波窗口污染的问题；专利ZL 201010188615.3在微波等离子体的实时调节和装置水冷方面提供了有益参考。为此，有必要 设计出一种具备完善的调节机构、等离子体不会使微波窗口破坏、不会有碳及碳的化合物在 装置腔室内沉积和造成污染、装置的各部分均易于被直接水冷、并能够获得稳定的高密度等 离子体的MPCVD装置，以便实现在高功率下、高效地沉积大面积高品质的金刚石膜的目的。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高效的高功率微波等离子体金刚石膜化学气相沉积装置，它 将可以克服已有的各类MPCVD金刚石膜沉积装置中微波窗口或微波天线、沉积室壁等部件 距离等离子体较近、装置不易调节和不易直接水冷等限制MPCVD装置微波功率提高的缺点， 并吸取各装置的优点，设计出一种具备完善的调节机构、等离子体不会使微波窗口破坏、不 会有碳及碳的化合物在装置腔室内沉积和造成污染、装置的各部分均易于被直接水冷、并能 够获得稳定的高密度等离子体的MPCVD装置，以便实现在高功率下、高效地沉积大面积高 品质的金刚石膜的目的。

本发明的技术方案是：将椭球谐振腔与环形天线的设计相结合，并融合调节机制和金属 水冷结构的设计，将微波反射体设置于椭球腔的上焦点处，将环形微波石英窗口设置于阶梯 状微波耦合天线的阶梯处，将沉积台设置于椭球的下焦点处，使装置具有高的微波耦合效率， 激发等离子体位置稳定，密度高，装置水冷和真空密封性能好，可高效地应用于高品质金刚 石膜的化学气相沉积。

该装置由阶梯状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球 形微波谐振腔、可调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温 孔和观察窗等组成；

所述阶梯状环形微波耦合系统由同轴微波馈入口、阶梯状环形外腔壁、内部的阶梯状环 形微波耦合天线组成；其中微波馈入口由同轴外导体、同轴内导体组成；阶梯状环形外腔壁 由直径不同的上下两个圆柱形外腔壁固接而成；内部的阶梯状环形微波耦合天线由直径不同 的上下两个圆柱形内腔壁固接而成；

所述椭球形微波谐振腔由下半椭球体、上半椭球体、圆柱形下反射体、可调节圆柱形沉 积台、圆锥形上反射体组成；

所述进出气口包括进气口、进气管道、外侧出气口和内侧出气口；

所述测温孔包括外测温孔，内测温孔；

其中，所述同轴外导体、同轴内导体组成的微波馈入口设置于装置的顶部中心处；所述上 圆柱形外腔壁的下端设置下圆柱形外腔壁，上端与同轴外导体相连，所述上圆柱形内腔壁的 下端设置下圆柱形内腔壁，上端与同轴内导体相连；所述环形石英微波窗口设置于所述阶梯 状环形外腔壁和内部的阶梯状环形微波耦合天线之间的阶梯处，并对阶梯状环形微波耦合天 线起支撑作用；所述上半椭球体设置在所述阶梯状环形微波耦合天线下部内侧，所述下半椭 球体设置于圆柱形外腔壁的下部，所述上半椭球体与所述下半椭球体处在同一椭圆上，并且 上下呈对称分布，上半椭球终止在与圆锥形微波上反射体连接处，圆锥形微波上反射体处在 椭球的上焦点位置，下半椭球体终止在与圆柱形微波下反射体连接处，圆柱形沉积台位于圆 柱形微波下反射体的中间，而圆柱形微波下反射体与圆柱形沉积台的上表面处在椭球的下焦 点处，并可在下焦点附近上下移动；所述进气口设置在同轴内导体的顶部中心，所述进气管 道内嵌于同轴内导体和圆锥形微波上反射体的内部中心，所述外侧出气口和内侧出气口设置 于圆柱形微波下反射体的外侧和内侧；所述外测温孔设置在圆柱形外腔顶部外侧，所述内测 温孔倾斜贯穿于上半椭球体内部，所述外测温孔和内测温孔的中心轴线在同一直线上，并延 伸至放置于圆柱形沉积台上方的样品托中心处，观察窗设置在所述下椭球体处的侧壁上。

进一步，所述上椭球体、下椭球体、圆锥形微波上反射体和圆柱形微波下反射体、沉积金 刚石膜的沉积台、同轴内导体和同轴外导体，外腔均为金属结构，内部设有冷却水路，可以 对设备实现直接的水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。

进一步，与等离子体直接接触的上椭球体、下椭球体、圆锥台形微波上反射体内壁距离高 温等离子体区域较远，即谐振腔内壁任意一点距离基片中心点的距离大于6/7λ，λ为导入微 波的波长，以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合物。

本发明提出的椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置可被应用在高功率条件下， 实现高品质金刚石膜的高效沉积，它的优点包括：

1、该装置利用椭球谐振腔的聚焦效应，具有微波谐振腔内电场分布集中，激发等离子体 位置稳定、密度高的特点。

2、该装置中环状微波石英窗口置于阶梯状环形微波天线的阶梯处，可避免石英窗口被等 离子体过度加热、污染和刻蚀而造成损坏，同时避免因刻蚀石英窗口而对沉积环境造成的污 染，使得装置可被应用于较高功率的微波输入。

3、该装置底部的可调节圆柱形下反射体和圆柱形沉积台，可以对装置的谐振腔进行双重 双向调节，实时地优化装置中微波电场与等离子体的分布进而优化沉积工艺。

4、该装置中与等离子体直接接触的上椭球体、下椭球体、圆锥形微波上反射体内壁距离 高温等离子体区域较远，即谐振腔内壁任意一点距离基片中心点的距离大于6/7λ，λ为导入 微波的波长，以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合物。。

5、该装置的各主要组成部分，包括上椭球体、下椭球体、圆锥形微波上反射体和圆柱形 微波下反射体、沉积金刚石膜的沉积台、同轴内导体和同轴外导体，外腔均为金属结构，内 部设有冷却水路，可以对设备实现直接的水冷，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运 行。

6、该装置可在较高的微波输入功率条件下(5-10kW)，用于大面积(大于2英寸)高品质 金刚石膜的高效沉积。

综上所述，本发明提出的一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置克服了以往 各种MPCVD金刚石膜沉积装置具有的缺点，是一种具备完善的调节机构、微波窗口受到保 护、装置腔室内壁不易受到污染、装置的各部分易于被直接水冷、并能够获得稳定的高密度 等离子体的MPCVD装置，具有可在高功率条件下高速地沉积高品质金刚石膜的能力。

附图说明

图1是本发明提出的一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置的结构示意图。

图中：

1、上圆柱形外腔壁，2、下圆柱形外腔壁，3、下椭球体，4、上椭球体，5、石英微波窗 口，6、圆柱形下反射体，7、圆柱形沉积台，8、圆锥形上反射体、9、同轴内导体，10、同 轴外导体，11、样品托，12、微波入口，13、激发的微波等离子体，14、进气口，15、外侧 出气口，16、内侧出气口，17、外部测温孔，18、内部测温孔，19、观察窗口，20、上圆柱 形内腔壁，21、下圆柱形内腔壁，22、进气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种椭球形高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置，该装置由阶梯 状环形微波耦合系统、设置于环形天线阶梯处的环形石英微波窗口、椭球形微波谐振腔、可 调节沉积台、圆锥形上反射体和可调节圆柱形下反射体，进出气口，测温孔和观察窗等组成；

所述阶梯状环形微波耦合系统由同轴微波馈入口12、阶梯状环形外腔壁、内部的阶梯状 环形微波耦合天线组成；其中微波馈入口12由同轴外导体10、同轴内导体9组成；阶梯状 环形外腔壁包括直径不同的上圆柱形外腔壁1、下圆柱形外腔壁2；内部的阶梯状环形微波耦 合天线由直径不同的上圆柱形内腔壁20、下圆柱形内腔壁21组成；

所述椭球形微波谐振腔由下半椭球体3、上半椭球体4、圆柱形下反射体6、可调节圆柱 形沉积台7、圆锥形上反射体8组成；

所述进出气口包括进气口14、进气管道22、外侧出气口15和内侧出气口16；

所述测温孔包括外测温孔17，内测温孔18；

其中，所述同轴外导体10、同轴内导体9组成的微波馈入口12设置于装置的顶部中心处； 所述上圆柱形外腔壁1的下端设置下圆柱形外腔壁2，上端与同轴外导体10相连，所述上圆 柱形内腔壁20的下端设下圆柱形内腔壁21，上端与同轴内导体9相连；所述环形石英微波 窗口5设置于所述阶梯状环形外腔壁和内部的阶梯状环形微波耦合天线之间的阶梯处，并对 阶梯状环形微波耦合天线起支撑作用；所述上半椭球体4设置在所述阶梯状环形微波耦合天 线下部内侧，所述下半椭球体3设置于圆柱形外腔壁2的下部，所述上半椭球体4与所述下 半椭球体3处在同一椭圆上，并且上下呈对称分布，其上半椭球4终止在与圆锥形微波上反 射体8连接处，圆锥形微波上反射体8处在椭球的上焦点位置，下半椭球体3终止在与圆柱 形微波下反射体6连接处，圆柱形沉积台7位于圆柱形微波下反射体6的中部，而圆柱形微 波下反射体6与圆柱形沉积台7的上表面处在椭球的下焦点处，并可在下焦点附近上下移动； 所述进气口14设置在同轴内导体9的顶部中心，所述进气管道内嵌于同轴内导体9和圆锥形 微波上反射体8的内部中心，所述外侧出气口15和内侧出气口16设置于圆柱形微波下反射 体6的外侧和内侧；所述外测温孔17设置在圆柱形外腔1顶部外侧，所述内测温孔18倾斜 贯穿于上半椭球体4内部，所述外测温孔17和内测温孔18的中心轴线在同一直线上，并延 伸至放置于圆柱形沉积台7上方的样品托中心处，观察窗19设置在所述下椭球体3处的侧壁 上。装置中处于上焦点处的圆锥形微波上反射体8不限于圆锥形，也可以是半球形或其他曲 面形状。装置中上半椭球体4、下半椭球体3、圆锥形微波上反射体8和圆柱形微波下反射体 6、沉积金刚石膜的沉积台7、同轴内导体9和同轴外导体10，上圆柱形外腔1、下圆柱形外 腔2均为金属结构，内部设有冷却水路，可以对设备实现直接的水冷，确保整个装置在高微 波功率输入下的稳定运行。与等离子体直接接触的上椭球体4、下椭球体3、圆锥形微波上反 射体8内壁距离高温等离子体区域较远，即谐振腔内壁任意一点距离基片中心点的距离大于 6/7λ，λ为导入微波的波长，以减弱对腔室内壁的热辐射和避免腔室内壁沉积石墨及碳的化合 物。

实施例,

在本发明提出的椭球形MPCVD装置内放入5mm厚，φ50mm直径的(100)取向单晶硅 作为衬底。使用真空泵将装置预抽真空至0.1Pa以下，然后通入H₂和CH₄两种气体组成的 原料气体，H₂的流量为400sccm，CH₄的流量为10sccm。调节装置中的气体压力达到600Pa 后，输入频率为2.45GHz、功率600W的微波，在装置中的沉积台上方激发出等离子体。此 时，调节装置中的调节机构，使等离子体在沉积台和金刚石膜沉积基片的上方达到最佳的分 布状态。此后，调节气体压力和微波功率分别达到100Torr和6kW，开始进行金刚石膜的沉 积。沉积140小时之后，顺序关闭气体、微波电源以及真空泵，结束金刚石膜的沉积过程。 经酸洗去除硅衬底后得到厚度达到570μm的高品质光学级透明金刚石膜。在6000W微波输 入功率下，唯一的强电场区域分布于基片上方，微波谐振腔内电场分布集中。在此条件下， 直径2英寸的光学级高品质金刚石膜的沉积速率达到了约4.1μm/h，相比于国际上一般不足 3μm/h的生长速率有了很大提高。