[发明专利]一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置

说明书

一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置。包括：2.45GHz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形阶梯同轴天线、环形石英窗、圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、可升降式衬底台结构、可升降式基台调谐结构。环形阶梯同轴天线由从上至下分别由三个不同直径的环形阶梯凹槽构成，对微波电场和等离子体具有压缩效应，使微波电场和等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。环形石英窗安置于环形阶梯同轴天线下方，远离等离子体，提升设备真空性的同时避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。本装置用于制备单晶金刚石和多晶金刚石膜，可实现高功率、高腔压下金刚石单晶或大面积薄膜的高质量均匀沉积。

技术领域

发明属于微波等离子体法化学气相沉积技术领域，具体涉及一种环形阶梯同轴天线式微波等离子体化学气相沉积装置。

技术背景

金刚石膜具有优异的光学、电学、力学和热学性能，使其在传统和新兴行业中都具有广泛的应用前景。特别是，金刚石膜的高击穿电场、高饱和载流子速度、高载流子迁移率、低介电常数、宽带隙、高光学透明性和高热导率使其成为当前和未来电子领域应用中理想的半导体材料。1976年Deryagin等人率先使用热解方法在低温低压条件下同质外延合成了金刚石，此后世界范围内出现了一系列基于等离子辅助沉积制备金刚石的方法。在这些方法中最主要的是热丝CVD法(HFCVD)、直流电弧等离子体喷射CVD法(DC Plasma-jet CVD)、微波等离子体CVD法(MPCVD)三种，其中微波等离子体CVD法以其等离子体密度高、可控性好、无电极放电污染等优点被公认为是研究和制备高品质金刚石的理想方法。

在MPCVD法制备高品质、大面积金刚石膜的过程当中，需要关注的是设备的真空性、金刚石膜沉积过程中等离子体分布的均匀性。最早期的石英管式MPCVD装置[M.Kamo,Y.Sato,S.Matsumoto.Journal of Crystal Growth,1983,62:642]，使用直径为40-55mm的石英管垂直穿透2.45GHz的矩形波导，最大可以在1inch的硅片上沉积金刚石薄膜，但在大多数情况下，只此装置使用小于1cm²的硅片作为衬底。美国ASTeX型MPCVD装置可以在更大面积上进行金刚石薄膜涂层沉积[Y.Ando,T.Tachibana,K.Kobashi.Diamond and RelatedMaterials,2001,10(3-7):312-315.]，均匀的涂层区域直径为2inch，最大微波功率为1.5kW。德国AIXTRONAG公司的生产6kW MPCVD装置具有一个非常独特的椭圆形微波腔，这种装置是在Fraunhofer研究所开发的[M.Füner,C.Wild,P Koidl.Applied PhysicsLetters,1998,72(10):1149-1151.]，可以容纳3inch的基板。然而以上装置都存在等离子体刻蚀石英介质窗口，难以实现在高功率条件下制备高品质金刚石膜的目的。

1996年美国Besen等人在专利中，提出了一种非圆柱形圆周天线式MPCVD装置[US1996/05556475A]，这种装置创造性地使用了圆盘状的基片台同时作为同轴天线，安装在基片台下方的石英环作为介质窗口将真空反应腔与大气隔离。这种结构彻底解决了因介质窗口的刻蚀问题对高功率微波功率输入的限制。此类设备可实现2inch金刚石膜的均匀沉积，但是该装置的石英环窗口安放于沉积台下方，不利于谐振腔室内真空度的保持，即不利于高品质金刚石膜的沉积。

综上所述，为了实现在高功率下使用微波等离子体方法制备高品质、大面积金刚石膜的目的，设计一种同时满足真空性要求和避免等离子体刻蚀石英介质窗口的MPCVD装置是很有意义的。

发明内容