[发明专利]等离子体源单元、等离子体源装置及其应用

说明书

本发明涉及等离子体源单元、等离子体源装置及其应用。所述等离子体源单元包括能源供应系统和微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，所述同轴式微波谐振腔在底部和顶部分别开设有不同轴的第一开口和第二开口；所述空心金属圆柱外接所述第一开口处；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述顶部连接、另一端延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有与所述能源供应系统相连的同轴转接头。

技术领域

本发明属于等离子体技术以及金刚石合成技术领域，尤其涉及一种等离子体源单元、等离子体源装置及其应用。

背景技术

目前，对于金刚石薄膜的沉积，普遍使用热丝CVD法。这种方法通常使用钽丝或者钨丝作为电阻丝，通过加热电阻丝，裂解甲烷，并通过电阻丝加热后发射电子，形成电离度较低的等离子体，进而实现金刚石薄膜的沉积。采用这种方法合成金刚石薄膜，合成窗口的温度一般在600-1200℃之间，可以通过调整基片台与加热电阻丝之间的距离实现对金刚石薄膜温度的控制，从而实现金刚石薄膜材料的合成，其工作原理及设备结构示意图如图1所示。

然而，使用热丝CVD法合成金刚石时，由于未处理的电阻丝无法承受较大的工艺电流，因此，需要预先将电阻丝进行碳化处理，增加了制备工艺的繁琐程度；且电阻丝加热过程中，容易产生变形导致短路或等离子体分布不均等问题，使得电阻丝的更换频率高；另外，由于电阻丝发射电子产生等离子体的电离度很低，导致产生的刻蚀性粒子数量不足，最终使得所合成的金刚石薄膜质量不高。此外，采用CVD法合成金刚石具有功率高、功耗大的缺点。上述一些列问题，严重制约了金刚石合成的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体源单元，旨在解决现有技术需要采用电阻丝合成金刚石、而电阻丝存在上述一系列不足导致金刚石合成发展空间受阻的问题。

本发明的另一目的在于提供一种等离子体源装置，旨在解决现有技术需要采用电阻丝合成金刚石、而电阻丝存在上述一系列不足导致金刚石合成发展空间受阻的问题。

本发明的再一目的在于提供一种使用等离子体源装置制备金刚石薄膜的方法。

本发明是这样实现的，一种等离子体源单元，包括能源供应系统，还包括微波谐振腔系统，所述微波谐振腔系统包括同轴式微波谐振腔、金属天线、同轴金属柱、空心金属圆柱和金属陶瓷部，其中，所述同轴式微波谐振腔的底部同轴开设有第一开口，所述同轴式微波谐振腔的顶部开设有与所述第一开口不同轴的第二开口；所述空心金属圆柱外接于所述同轴式微波谐振腔的第一开口处，且所述空心金属圆柱与所述同轴式微波谐振腔同轴；所述同轴金属柱同轴插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述同轴式微波谐振腔的顶部连接、另一端通过所述第一开口并延伸出所述空心金属圆柱外；所述金属陶瓷部填充在所述同轴金属柱和所述空心金属圆柱之间；所述金属天线插设于所述同轴式微波谐振腔中，一端与所述底部电连接，另一端延伸出所述第二开口；所述第二开口处外设有同轴转接头，且所述同轴式微波谐振腔通过所述同轴转接头与所述能源供应系统相连接。

以及，一种等离子体源装置，包括真空箱和多个点状排列的上述等离子体源单元，其中，所述真空箱包括真空腔、形成所述真空腔的箱体和设置在所述箱体内的载物基台，所述箱体开设有抽气口和进气口；所述箱体的顶壁开设有与所述真空腔相通的开口，所述等离子体源单元的空心金属圆柱通过所述开口插入所述真空腔中。

相应的，一种使用上述等离子体源装置制备金刚石薄膜的方法，包括以下步骤：

将基底置于所述载物基台上，抽真空使所述真空腔为真空环境，并通入工作气体，开启能源供应系统，使得嵌入所述真空腔的同轴金属柱产生等离子体云；

调节所述基底的温度，沉积金刚石薄膜。