[发明专利]TM021模式的高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置

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.Growth 62(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 News 67(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。