專利名稱：一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金剛石膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，它提供了一種利用微波能量激發(fā) 等離子體，進(jìn)而沉積金剛石膜的設(shè)備。
背景技術(shù)：
金剛石膜材料具有眾多的優(yōu)異性能，包括極高的硬度和彈性模量、極高的室溫?zé)?導(dǎo)率、寬的光譜透過(guò)范圍、極高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高的載流子遷移率等等。因此，金剛石膜在 現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，而以較高的速率沉積高品質(zhì)的金剛石膜材料 是工業(yè)界長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。利用微波產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而沉積金剛石膜的方法是目前被用來(lái)沉積高品質(zhì)金剛 石膜的主要方法。而為了能夠以較高的速率沉積高品質(zhì)的金剛石膜材料，第一需要設(shè)法提 高微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備的輸入功率，第二需要通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，特別是通過(guò)實(shí)時(shí) 調(diào)節(jié)獲得微波諧振腔對(duì)輸入微波功率的最佳耦合。經(jīng)過(guò)20年左右的努力，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種微波等離子體金剛石膜沉 積設(shè)備，這其中包括石英管式[M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto, N. Setaka, J. Cryst. Growth 62(1983)642.[P. Bachmann, D. Leers, H. Lydtin, Diamond Relat. Mater. 1 (1991) 1.]、不銹鋼圓柱諧振腔式[P. Bachmann, Chemical & Engineering News, 67 (1989) 24.],橢球諧振腔式[M. Funer，C. Wild，P. Koidl，Appl. Phys. Lett. 72(1998) 1149.]以及不銹鋼非圓柱諧振腔式[SekiTechnotron Corp.，http: //www, sikitech. biz/. 1等多種微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備。在上述的各種微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備中，多數(shù)設(shè)備都將起輸入微波能量 作用的石英管、石英罩以及石英窗設(shè)計(jì)在了等離子體附近。這樣做帶來(lái)的問(wèn)題是這些設(shè)備 允許輸入的微波功率不能太高，否則就會(huì)造成微波激發(fā)的等離子體的體積增加，其與石英 管、石英罩或石英窗接觸之后很容易造成后者損壞的問(wèn)題。在上述各種類型的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備中，不銹鋼非圓柱諧振腔式的 微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備巧妙地將石英窗設(shè)計(jì)在了遠(yuǎn)離等離子體的位置處，因而這 種設(shè)備可以允許輸入較高的微波功率。但另一方面，其諧振腔的形狀較為復(fù)雜，因而對(duì)這種 諧振腔不能象對(duì)其他簡(jiǎn)單形狀的諧振腔那樣方便地予以調(diào)節(jié)。因此，這種設(shè)備對(duì)諧振腔中 微波電場(chǎng)和相應(yīng)產(chǎn)生的等離子體缺乏實(shí)時(shí)的調(diào)控手段。為了既能使石英窗遠(yuǎn)離等離子體，又能對(duì)諧振腔進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，研究者們提出 了如下的兩種解決方案。專利申請(qǐng)JP No. 2000-54142A提出了將沉積臺(tái)和微波激勵(lì)部分做成相互平行的板 狀結(jié)構(gòu)的方法，使沉積臺(tái)的高度能夠隨意調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔的調(diào)節(jié)。但這種方法使其所 產(chǎn)生的等離子體與微波激勵(lì)部分相接觸，引起的微波能量損失較大。專利申請(qǐng)US 2009/0120366A1提出了將微波激勵(lì)部分做成有一定尺寸Lp L2的凹 面形狀，既使等離子體不與微波激勵(lì)部分接觸，又可改變沉積臺(tái)的高度而實(shí)現(xiàn)對(duì)于諧振腔的調(diào)節(jié)。但這一設(shè)計(jì)仍存在兩個(gè)缺陷。第一，該設(shè)計(jì)使呈凹面狀的微波激勵(lì)部分不能再被 直接水冷，而這又會(huì)妨礙微波輸入功率的提高。第二，該設(shè)計(jì)只能做到調(diào)節(jié)沉積臺(tái)的高度， 因而對(duì)諧振腔的調(diào)節(jié)作用有限
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，它既具有石英窗 遠(yuǎn)離等離子體、冷卻方便的優(yōu)點(diǎn)，因而可以允許輸入的微波功率較高，又具有設(shè)備的形狀相 對(duì)簡(jiǎn)單，因而易于對(duì)諧振腔進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，由微波諧振腔的上圓柱體1、微波諧 振腔的下圓柱體2、金剛石膜沉積臺(tái)3、微波反射體4、石英窗5、等離子體6、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一 8和 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二 9組成。微波諧振腔的主體由兩個(gè)直徑不同、形狀簡(jiǎn)單的上圓柱體1、下圓柱體 2所組成；上圓柱體1、微波諧振腔的下圓柱體2、微波反射體4均為圓柱體結(jié)構(gòu)。金剛石膜 沉積臺(tái)3、微波反射體4在上圓柱體1和下圓柱體2內(nèi)部，石英窗5設(shè)置在金剛石膜沉積臺(tái) 3的下方。微波反射體4通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一 8調(diào)節(jié)微波反射體4的高度，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二 9調(diào)節(jié)上 圓柱體1的高度，微波反射體4對(duì)微波電場(chǎng)起反射和增強(qiáng)作用。本發(fā)明提出的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備的形狀簡(jiǎn)單。設(shè)備的主要部分均為 不同直徑的圓柱體，因而很容易通過(guò)其各自高度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)微波諧振腔的調(diào)節(jié)。第二，在該設(shè)備中，其尺寸、與其相連接的部件等都允許將其設(shè)計(jì)成直接水冷的形 式，能接觸到等離子體的所有部分(包括圓柱形微波諧振腔的上圓柱體1、下圓柱體2、金剛 石膜沉積臺(tái)3、微波反射體4、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一 8和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二 9)都可實(shí)現(xiàn)直接水冷，因而整個(gè) 設(shè)備可以允許有更高的微波功率輸入。第三，它保留了石英窗遠(yuǎn)離等離子體的特點(diǎn)，因此它適于在高功率條件下運(yùn)行。第四，設(shè)備中激發(fā)出的等離子體只與沉積臺(tái)表面相接觸，因而其造成的微波能量 損失較小。正是由于本發(fā)明提出的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備不僅可以在較高的微波 功率下運(yùn)行，有效地提高金剛石膜的沉積速率，也可以對(duì)諧振腔的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，因 而可以很容易地優(yōu)化金剛石膜的沉積條件，而這將大大有助于提高所沉積的金剛石膜的品 質(zhì)。向設(shè)備內(nèi)通入含有氫、碳元素的混合氣體，并使混合氣體的壓力處于1 25kPa的 壓力范圍后，即可通過(guò)設(shè)置于沉積臺(tái)下部的石英窗，向設(shè)備中輸入微波能量7。當(dāng)輸入的微 波功率達(dá)到一定水平之后，即可在圓柱形諧振腔中激發(fā)出一半球狀的等離子體6。一般來(lái) 說(shuō)，這時(shí)，不論是等離子體的密度還是其分布一般都不處在最佳狀態(tài)，因?yàn)檎麄€(gè)的諧振腔的 諧振狀態(tài)還未得到調(diào)節(jié)。利用上述設(shè)備中的各圓柱部分容易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，可分別調(diào)節(jié)下圓柱體2和微波反 射體4的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)微波諧振腔進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)好了之后，形成的等離子體 6的強(qiáng)度應(yīng)最強(qiáng)，而其所處的位置應(yīng)處于沉積臺(tái)3的上方，并只與沉積臺(tái)表面相接觸。這樣 的等離子體強(qiáng)度和分布將最有效地吸收所輸入的微波功率，而被浪費(fèi)掉的功率也最小，因 而最適于高品質(zhì)金剛石膜的高速沉積。由于上述的調(diào)節(jié)都可以在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下實(shí)時(shí)地進(jìn)行，因而這些調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)不僅優(yōu)化了金剛石膜的沉積條件，更大大提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。綜上所述，本發(fā)明的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備具有如下的優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)備的主要部分都具有簡(jiǎn)單的圓柱體形狀，因而很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔的實(shí)時(shí)調(diào) 節(jié)。2.設(shè)備的各主要部位都可以被直接水冷，因而可確保設(shè)備在高功率條件下穩(wěn)定運(yùn) 行。3.石英窗被設(shè)置在了遠(yuǎn)離等離子體的位置處，不會(huì)發(fā)生在較高的輸入功率下石英 窗損壞的問(wèn)題。由于具有了上述的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因而本發(fā)明提出的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備 將可顯著地提高設(shè)備的使用效率，優(yōu)化金剛石膜的沉積條件。而這對(duì)于高速沉積高品質(zhì)的 金剛石膜是必不可少的。


圖1是本發(fā)明提出的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，1是圓柱形微波諧振腔的上圓柱體，2是圓柱形微波諧振腔的下圓柱體， 3是設(shè)備的金剛石膜沉積臺(tái)，4是諧振腔內(nèi)圓柱形的微波反射體，5是石英窗，6是諧振腔內(nèi) 激發(fā)出的等離子體，7是輸入設(shè)備的微波，8和9分別是對(duì)諧振腔圓柱體高度進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī) 構(gòu)。圖2為利用本發(fā)明的微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備獲得的(a)表面(b)斷面金 剛石膜的微觀形貌照片
具體實(shí)施例實(shí)施例11.用真空泵對(duì)微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備抽真空至lPa以下后，向設(shè)備內(nèi)通 入由98%氫氣和2%甲烷組成的混合氣體，并調(diào)整氣體壓力至5kPa。2.對(duì)設(shè)備的所有需要冷卻的部分通入冷卻水。3.向設(shè)備輸入2.45GHz、lkW的微波功率，在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體。4.調(diào)節(jié)諧振腔的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使等離子體的強(qiáng)度最強(qiáng)，且其位置處于沉積臺(tái)之上。這 時(shí)，由諧振腔反射回來(lái)的微波功率也達(dá)到最小值。5.逐步增加輸入設(shè)備的微波功率以及氣體的壓力至10kW、20kPa。6.與此同時(shí)，逐步調(diào)節(jié)諧振腔的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使等離子體的強(qiáng)度最強(qiáng)，且其位置處于 沉積臺(tái)之上，而由諧振腔反射回來(lái)的微波功率達(dá)到最小值。7.將設(shè)備的功率、氣壓等條件固定，在沉積臺(tái)上的樣品表面沉積金剛石膜。金剛石 膜的具體時(shí)間長(zhǎng)短取決于所需要的金剛石膜的厚度。8.降低微波輸入功率和氣體壓力，結(jié)束金剛石膜的沉積過(guò)程。由此得到的金剛石膜的沉積速率可以達(dá)到3-5 u m/小時(shí)。金剛石膜的微觀形貌如 圖2所示。
權(quán)利要求
一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，其特征是沉積設(shè)備由微波諧振腔的上圓柱體(1)、微波諧振腔的下圓柱體(2)、金剛石膜沉積臺(tái)(3)、微波反射體(4)、石英窗(5)、等離子體(6)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一(8)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二(9)組成；微波諧振腔的主體由兩個(gè)直徑不同、形狀簡(jiǎn)單的上圓柱體(1)、下圓柱體(2)所組成；上圓柱體(1)、下圓柱體(2)、微波反射體(4)均為圓柱體結(jié)構(gòu)；金剛石膜沉積臺(tái)(3)、微波反射體(4)在上圓柱體(1)和下圓柱體(2)內(nèi)部，石英窗(5)設(shè)置在金剛石膜沉積臺(tái)(3)的下方；微波反射體(4)通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一(8)調(diào)節(jié)微波反射體(4)的高度，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二(9)調(diào)節(jié)上圓柱體(1)的高度，微波反射體(4)對(duì)微波電場(chǎng)起反射和增強(qiáng)作用。
2.如權(quán)利要求1所述一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，其特征是圓柱形 微波諧振腔的上圓柱體(1)、下圓柱體(2)、金剛石膜沉積臺(tái)(3)、微波反射體(4)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 一 (8)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二(9)都能實(shí)現(xiàn)直接的水冷，確保整個(gè)設(shè)備能在高輸入微波功率條件下 穩(wěn)定運(yùn)行。
3.如權(quán)利要求1所述一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，其特征是通過(guò)分 別調(diào)節(jié)下圓柱體(2)和微波反射體(4)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)微波諧振腔進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，使 得形成的等離子體(6)的強(qiáng)度最強(qiáng)，而且等離子體(6)所處的位置要處于沉積臺(tái)(3)的上 方，只與沉積臺(tái)表面相接觸。
全文摘要
一種高功率微波等離子體金剛石膜沉積設(shè)備，屬于金剛石膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域。包括微波諧振腔的上圓柱體、微波諧振腔的下圓柱體、金剛石膜沉積臺(tái)、微波反射體、石英窗、等離子體、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二。金剛石膜沉積臺(tái)、微波反射體在上圓柱體和下圓柱體內(nèi)部，石英窗在金剛石膜沉積臺(tái)的下方；微波反射體通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一調(diào)節(jié)微波反射體的高度，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二調(diào)節(jié)上圓柱體的高度，微波反射體對(duì)微波電場(chǎng)起反射和增強(qiáng)作用。上圓柱體、下圓柱體、金剛石膜沉積臺(tái)、微波反射體、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)二都能實(shí)現(xiàn)直接的水冷。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是能在高功率下，以較高速率沉積高品質(zhì)的金剛石膜，設(shè)備具有可靠、方便調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C16/513GK101864560SQ20101018861
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者于盛旺, 唐偉忠, 李曉靜, 王鳳英 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)