一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備，特別是涉及一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石是一種由碳元素組成的礦物，其具有硬度高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、化學(xué)惰性高、透射性高等優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)性能，因此在科學(xué)研究和工業(yè)上具有極為廣闊的應(yīng)用前景。由于天然金剛石數(shù)量稀少，并且人工制備相對困難，人們便開始了在低溫低壓條件下合成金剛石薄膜的相關(guān)研究。
[0003]目前已開發(fā)出多種利用化學(xué)氣相沉積制備金剛石薄膜的方法，主要包括熱絲法、火焰法、直流電弧法、微波法等。熱絲法存在因熱金屬絲蒸發(fā)而對金剛石薄膜產(chǎn)生污染等缺陷，火焰法無法實(shí)現(xiàn)大面積、穩(wěn)定、均勻地沉積金剛石薄膜，而直流電弧法存在因電弧的點(diǎn)火和熄滅而對襯底和金剛石薄膜的巨大熱沖擊所造成的金剛石薄膜易從基片上脫落等缺陷。相對于這些方法，微波法既能夠避免對金剛石薄膜的污染，又能高速率、高質(zhì)量、大面積地沉積金剛石薄膜，因此是制備金剛石薄膜的首選方法。
[0004]微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)將微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波用波導(dǎo)管傳輸至反應(yīng)器，并向反應(yīng)器中通入CH4與H2的混合氣體，高強(qiáng)度的微波能激發(fā)分解基片上方的含碳?xì)怏w形成活性含碳基團(tuán)和原子態(tài)氫，并形成等離子體，從而在基片上沉積得到金剛石薄膜。MPCVD沉積設(shè)備按照微波與等離子體的耦合方式可分為表面波耦合式、直接耦合式、天線耦
I=I 寸 O
[0005]表面波耦合式主要是使微波經(jīng)過環(huán)行器和波導(dǎo)管，在波導(dǎo)短路活塞的調(diào)節(jié)下通過耦合孔進(jìn)入真空室，當(dāng)微波功率足夠大時，在較低氣壓下可擊穿氣體放電，并在短路活塞調(diào)節(jié)下形成高密度等離子體，然而其存在微波運(yùn)行功率和沉積面積受限、器壁材料對薄膜存在污染等缺陷。直接耦合式是使微波經(jīng)波導(dǎo)管透過石英窗口進(jìn)入密封的真空內(nèi)，在波導(dǎo)管末端的短路活塞調(diào)節(jié)下直接耦合激發(fā)產(chǎn)生等離子體，然而其存在輸出可調(diào)功率范圍小、對形成的等離子體的調(diào)節(jié)具有一定難度、膜的純凈度和沉積面積受限等缺陷。
[0006]天線耦合式相對于直接耦合式存在模式轉(zhuǎn)換，其先使微波沿矩形波導(dǎo)以TEltl模式傳播，然后經(jīng)環(huán)行器、三螺釘調(diào)配器和發(fā)射天線等的共同作用，微波傳播模式轉(zhuǎn)換為沿圓形波導(dǎo)傳播的TM01模式，由于其電場等勢面分布為不接觸諧振腔壁的同心橢球，因此能激發(fā)橢球狀等離子體，從而避免了接觸污染，可制備出高質(zhì)量的金剛石薄膜。
[0007]天線耦合式按照真空室的形式可分為不銹鋼式和石英鐘罩式，不銹鋼式利用不銹鋼腔體約束等離子體，其雖可直接進(jìn)行水冷，但是腔體的更換和維護(hù)相對困難，因此不利于金剛石薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)；而石英鐘罩式利用石英鐘罩約束等離子體，其雖方便更換和維護(hù)，但不能進(jìn)行水冷，在以高功率密度運(yùn)行時，等離子容易發(fā)生躍變而擊穿石英鐘罩，因此存在一定的安全隱患，并且位于等離子體上方的石英鐘罩會被等離子刻蝕，釋放出硅元素成分，對金剛石的合成環(huán)境造成污染，此外薄膜的沉積面積仍然有待進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，用于解決現(xiàn)有技術(shù)的沉積設(shè)備沉積面積相對較低、腔體更換和維護(hù)困難、在制備過程中存在安全隱患等技術(shù)缺陷。
[0009]本發(fā)明提供一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，包括微波源，第一波導(dǎo)管，微波模式轉(zhuǎn)換器和諧振裝置，
[0010]所述第一波導(dǎo)管的一端與所述微波源連接，另一端與所述微波模式轉(zhuǎn)換器連接；
[0011]所述諧振裝置包括一諧振腔和微波聚集單元，所述諧振腔的頂部設(shè)有介質(zhì)窗口，所述微波模式轉(zhuǎn)換器位于所述介質(zhì)窗口的上部并且能夠?qū)碜运鑫⒉ㄔ吹奈⒉ㄟM(jìn)行模式轉(zhuǎn)換并經(jīng)所述介質(zhì)窗口傳送至所述諧振腔，在所述諧振腔的內(nèi)部設(shè)有基座，在所述基座上承載有基片，且所述基座的設(shè)置能夠使其上承載的所述基片位于所述介質(zhì)窗口的下方，所述微波聚集單元設(shè)于所述諧振腔上并能夠?qū)魉椭了鲋C振腔的微波聚集于所述基片上。
[0012]進(jìn)一步地，所述介質(zhì)窗口為由透光材料形成的窗口，所述透光材料可以為石英或者藍(lán)寶石等光學(xué)透過材料。所述介質(zhì)窗口的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使微波能夠透過介質(zhì)窗口進(jìn)入諧振裝置，并且使諧振裝置密封。
[0013]進(jìn)一步地，微波在所述第一波導(dǎo)管中的傳輸方式為TE模式；并且,所述微波模式轉(zhuǎn)換器能夠?qū)E模式的微波轉(zhuǎn)換成TM模式。
[0014]根據(jù)本發(fā)明所提供的微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，所述微波聚集單元為設(shè)于所述諧振腔側(cè)壁上的傾斜部，所述傾斜部由金屬材料制成，并且所述傾斜部的垂直線相交于所述基片上。
[0015]進(jìn)一步地，所述微波聚集單元可以通過使所述諧振腔的側(cè)壁傾斜而形成。例如，可以使所述諧振腔的至少部分側(cè)壁形成圓臺，并且該圓臺的側(cè)面構(gòu)成所述微波聚集單元。
[0016]根據(jù)本發(fā)明所提供的微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在所述諧振腔內(nèi)，環(huán)繞所述基座設(shè)有凸臺，且所述凸臺與所述基座之間相對設(shè)有能夠上下移動的金屬部件。
[0017]在本發(fā)明中，所述凸臺和所述金屬部件構(gòu)成微波微調(diào)單元。微波在所述凸臺的上方區(qū)域形成近似TM模式，在所述凸臺和所述基座之間形成TEM模式。
[0018]具體地，所述凸臺可以為環(huán)設(shè)在所述基座外部的環(huán)形凸臺，所述金屬部件可以為設(shè)置在所述凸臺與所述基座之間環(huán)形金屬塊(金屬環(huán))，并且所述環(huán)形金屬塊的內(nèi)面與所述基座的側(cè)面接觸，外面與所述環(huán)形凸臺的內(nèi)面接觸。進(jìn)一步地，所述諧振腔為微波等離子混合多模諧振腔。具體地，所述諧振腔可以為具有TM模式和TEM模式微波的微波等離子混合多1吳諧振腔。
[0019]根據(jù)本發(fā)明所提供的微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，所述諧振腔由金屬材料制成。所述金屬材料例如鋁、銅等。
[0020]進(jìn)一步地，在所述諧振腔的內(nèi)部還設(shè)有等離子體約束單元，其由透光材料制成，并且設(shè)置在所述基片的外部。
[0021 ] 進(jìn)一步地，所述透光材料為石英或者藍(lán)寶石。
[0022]本發(fā)明對所述等離子體約束單元的形狀不作嚴(yán)格限定，其可以呈管狀或鐘罩狀，例如其可以為石英管或石英鐘罩，特別優(yōu)選為直徑為120-250mm的石英管，其能夠減小等離子體對諧振腔壁的污染，并且利于更換和維護(hù)。
[0023]進(jìn)一步地，所述等離子體約束單元的底部設(shè)置在所述凸臺上，并且所述等離子體約束單元的設(shè)置能夠使其內(nèi)部形成真空。此外，所述等離子體約束單元可以設(shè)置在距離等離子放電區(qū)域相對較遠(yuǎn)的位置上，從而減少其材料中的元素對薄膜合成所造成的污染。
[0024]根據(jù)本發(fā)明所提供的微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，所述微波模式轉(zhuǎn)換器包括適配器、第二波導(dǎo)管和模式轉(zhuǎn)換天線，
[0025]所述適配器分別與所述第一波導(dǎo)管和第二波導(dǎo)管連接；
[0026]所述第二波導(dǎo)管與所述諧振腔連接并且相對所述第一波導(dǎo)管垂直設(shè)置；
[0027]所述模式轉(zhuǎn)換天線設(shè)置在所述第二波導(dǎo)管內(nèi)，并且其一端伸入所述適配器中，另一端伸入所述諧振裝置中。
[0028]進(jìn)一步地，所述諧振裝置還包括位于所述介