[发明专利]一种微波等离子体化学气相沉积设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积设备，特别是涉及一种微波等离子体化学气相沉积设备。

背景技术

金刚石是一种由碳元素组成的矿物，其具有硬度高、热导率高、热膨胀系数低、化学惰性高、透射性高等优异的力学、热学、化学、电学、声学和光学性能，因此在科学研究和工业上具有极为广阔的应用前景。由于天然金刚石数量稀少，并且人工制备相对困难，人们便开始了在低温低压条件下合成金刚石薄膜的相关研究。

目前已开发出多种利用化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法，主要包括热丝法、火焰法、直流电弧法、微波法等。热丝法存在因热金属丝蒸发而对金刚石薄膜产生污染等缺陷，火焰法无法实现大面积、稳定、均匀地沉积金刚石薄膜，而直流电弧法存在因电弧的点火和熄灭而对衬底和金刚石薄膜的巨大热冲击所造成的金刚石薄膜易从基片上脱落等缺陷。相对于这些方法，微波法既能够避免对金刚石薄膜的污染，又能高速率、高质量、大面积地沉积金刚石薄膜，因此是制备金刚石薄膜的首选方法。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)将微波发生器产生的微波用波导管传输至反应器，并向反应器中通入CH₄与H₂的混合气体，高强度的微波能激发分解基片上方的含碳气体形成活性含碳基团和原子态氢，并形成等离子体，从而在基片上沉积得到金刚石薄膜。MPCVD沉积设备按照微波与等离子体的耦合方式可分为表面波耦合式、直接耦合式、天线耦合式等。

表面波耦合式主要是使微波经过环行器和波导管，在波导短路活塞的调节下通过耦合孔进入真空室，当微波功率足够大时，在较低气压下可击穿气体放电，并在短路活塞调节下形成高密度等离子体，然而其存在微波运行功率和沉积面积受限、器壁材料对薄膜存在污染等缺陷。直接耦合式是使微波经波导管透过石英窗口进入密封的真空内，在波导管末端的短路活塞调节下直接耦合激发产生等离子体，然而其存在输出可调功率范围小、对形成的等离子体的调节具有一定难度、膜的纯净度和沉积面积受限等缺陷。

天线耦合式相对于直接耦合式存在模式转换，其先使微波沿矩形波导以TE₁₀模式传播，然后经环行器、三螺钉调配器和发射天线等的共同作用，微波传播模式转换为沿圆形波导传播的TM₀₁模式，由于其电场等势面分布为不接触谐振腔壁的同心椭球，因此能激发椭球状等离子体，从而避免了接触污染，可制备出高质量的金刚石薄膜。

天线耦合式按照真空室的形式可分为不锈钢式和石英钟罩式，不锈钢式利用不锈钢腔体约束等离子体，其虽可直接进行水冷，但是腔体的更换和维护相对困难，因此不利于金刚石薄膜的工业化生产；而石英钟罩式利用石英钟罩约束等离子体，其虽方便更换和维护，但不能进行水冷，在以高功率密度运行时，等离子容易发生跃变而击穿石英钟罩，因此存在一定的安全隐患，并且位于等离子体上方的石英钟罩会被等离子刻蚀，释放出硅元素成分，对金刚石的合成环境造成污染，此外薄膜的沉积面积仍然有待进一步提高。

发明内容

本发明提供一种微波等离子体化学气相沉积设备，用于解决现有技术的沉积设备沉积面积相对较低、腔体更换和维护困难、在制备过程中存在安全隐患等技术缺陷。

本发明提供一种微波等离子体化学气相沉积设备，包括微波源，第一波导管，微波模式转换器和谐振装置，

所述第一波导管的一端与所述微波源连接，另一端与所述微波模式转换器连接；

所述谐振装置包括一谐振腔和微波聚集单元，所述谐振腔的顶部设有介质窗口，所述微波模式转换器位于所述介质窗口的上部并且能够将来自所述微波源的微波进行模式转换并经所述介质窗口传送至所述谐振腔，在所述谐振腔的内部设有基座，在所述基座上承载有基片，且所述基座的设置能够使其上承载的所述基片位于所述介质窗口的下方，所述微波聚集单元设于所述谐振腔上并能够将传送至所述谐振腔的微波聚集于所述基片上。

进一步地，所述介质窗口为由透光材料形成的窗口，所述透光材料可以为石英或者蓝宝石等光学透过材料。所述介质窗口的设置应当使微波能够透过介质窗口进入谐振装置，并且使谐振装置密封。

进一步地，微波在所述第一波导管中的传输方式为TE模式；并且，所述微波模式转换器能够将TE模式的微波转换成TM模式。

根据本发明所提供的微波等离子体化学气相沉积设备，所述微波聚集单元为设于所述谐振腔侧壁上的倾斜部，所述倾斜部由金属材料制成，并且所述倾斜部的垂直线相交于所述基片上。