[发明专利]一种采用微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的方法

说明书

本发明公开一种采用微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的方法，属于晶体合成技术领域。该方法中，基片台置于微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置反应腔体内的水冷台上，其结构包含用于放置沉积基底的中心凹槽、环形外凸出部、环形内凸出部、介于内外凸出部之间的环形凹槽及位于外凸出部外侧的外表面。该基片台独立于反应腔体及水冷台，用于放置沉积基底并在其上方形成均匀稳定的电场及等离子体分布，提高所制备的金刚石膜的均匀性，同时能够有效防止基片台非沉积区域生成的杂质溅射至沉积基底上污染金刚石膜。本发明具有设计制作简单、能够制备大面积金刚石膜、适合于制备不同尺寸及厚度的金刚石膜、制备的金刚石膜品质高等优点。

技术领域

本发明属于晶体合成技术领域，涉及一种采用微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的方法。

背景技术

金刚石具有极高的硬度，并在室温下具有极高热导率、低热膨胀系数、高化学惰性等优异性能，可以广泛应用于刀具、涂层、光学窗口及声学传感器、半导体和电子器件等领域。目前，金刚石的需求量大，而天然金刚石储量很少，因此，对于高速、高质量、大面积均匀生长金刚石膜的制备技术的研究尤为迫切。

微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD法）是一种质量高、易操控的人工制备金刚石的方法，其基本原理是使用微波在低分子碳烃气体（比如甲烷）与氢气的混合气体中激发等离子体，在等离子体的高温环境中，碳原子沉积到放置于基片台的沉积基底上，从而实现金刚石膜的人工生长。MPCVD法制备金刚石膜使用电磁波能量来激发反应气体，具有无电极污染、等离子体集中且不易扩散等优点，用MPCVD法制备的金刚石性能与天然金刚石接近，部分性能甚至超越了天然金刚石，非常适合用来生长高质量的金刚石，是目前合成金刚石最有前景的方法之一。

微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统、冷却系统及等离子体反应室，其中等离子体反应室是MPCVD装置的关键部件，包括微波等离子体反应腔体、水冷台、基片台等组件。在MPCVD装置中，基片台放置于微波等离子体反应腔体内的水冷台上，其设计对反应腔体内的电场和等离子体分布及均匀性有重要影响，对于制备高品质的金刚石起着重要作用。

通常的基片台设计采用简单圆盘结构，沉积基底置于圆盘的平坦支撑表面。由于边缘效应的影响，沉积基底外缘的电场强于中心区域的电场，从而影响了反应腔体内等离子体的密度分布均匀性，导致生长出来的金刚石膜厚度不均匀。另外，这种简单圆盘结构不能有效防止非沉积区域生成的杂质溅射至沉积基底上污染金刚石膜，影响金刚石膜产品的质量和品质。

中国专利CN 103911596 B公开了一种带有耐高温金属圆环的基片台，该圆环位于基片台上方等离子球内部的下半部分，靠近等离子球边界处，能够改变等离子体密度分布，从而提高金刚石膜沉积均匀性。这种结构需要在基片台四周设立耐高温的非金属支架，将耐高温金属圆环通过钨丝或钽丝与非金属支架固定连接。这种基片台结构的缺点是引入了非金属支架等额外的组件，结构变得复杂；另外，为了有效提高等离子球的均匀性，需要引入定位机构以确保对支架及固定在其上的金属圆环进行准确定位，这进一步增加了结构的复杂性，在实际应用中实现起来较为困难且难以保证定位的精度。

中国专利CN 103392218 B公开了一种基片台的改进设计，其通过绕基片台设置导电等离子体稳定环提高MPCVD装置反应腔体内等离子体的均匀性，该稳定环设置在反应腔体内部的侧壁或者端壁。这种结构的缺点是：导电等离子体稳定环成为了反应腔体的一部分，一经固定难以调节尺寸，不适合于制备不同大小规格的金刚石膜；不能有效地防止稳定环等非沉积区域生成的杂质溅射至沉积基底上污染生长的金刚石膜；该稳定环用于制备大面积金刚石膜的MPCVD装置时，由于装置的反应腔体尺寸大，不能有效地改善反应腔体内的电场分布从而提高等离子体的均匀性。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的不足，本发明提供一种采用微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的方法，目的是有效地提高MPCVD装置反应腔体内等离子体分布的均匀性，改善制备的金刚石膜的品质。