[发明专利]一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，提供了一种圆顶式微波等离子体化学气相沉积装置，适用于高功率下高品质金刚石膜的沉积。

背景技术

通过反应气体的化学反应，在基体表面沉积固态材料的化学气相沉积方法是一种制备均匀薄膜材料的好方法，其中的热丝法、直流电弧喷射法、微波等离子体法已经成功应用于金刚石膜的制备。

金刚石膜材料集多种优异性能于一身，比如高硬度、高热导率、高透光率、高电阻率等，可以被用来制作耐磨涂层、声学膜片、光学窗口、集成电路高热导基片等。按照应用领域要求的不同，金刚石膜可以分为工具级、热沉级、光学级和探测器级（又称电子级）多个类别。工具级金刚石膜具有相对较高的力学性能，但内部含有大量的组织缺陷，外观上呈现黑灰色。热沉级金刚石膜具有相对较高的热导率，内部的组织缺陷较工具级金刚石膜减少。光学级金刚石膜的内部组织缺陷进一步减少，具有相对较高的光学透过率。探测器级金刚石膜的载流子的自由程较长，原则上该类金刚石膜具有最少的内部组织缺陷。上述的光学级金刚石膜和探测器级金刚石膜拥有着类似IIa型天然金刚石膜的高品质，统称之为高品质金刚石膜。

在多种金刚石膜的制备方法中，微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法是制备高品质金刚石膜的首选方法，拥有着其它制备方法无法比拟的可控性和洁净性。它的镀膜过程是依靠微波能量激发反应气体形成等离子体来完成的，既没有电极放电造成的污染，也没有金属丝蒸发造成的污染，适合于高品质金刚石膜的制备。

在过去几十年间，MPCVD方法制备高品质金刚石膜技术取得了很大发展，很大程度上得益于MPCVD金刚石膜沉积装置的发展。纵观整个MPCVD金刚石膜沉积装置发展历程，从早期的石英管式[M.Kamo, Y.Sato, S.Matsumoto, J.Cryst.Growth 62(1983)642]、石英钟罩式[P.Bachmann, D.Leers, H.Lydtin, Diamond Relat.Mater. 1(1991)1]、圆柱金属谐振腔式 [P.Bachmann, Chemical & Engineering News 67(1989)24]到现在的椭球谐振腔式[M.Funer, C.Wild, P.Koidl, Appl.Phys.Lett. 72(1998)1149]和多模非圆柱谐振腔式[E.Pleuler, C.Wild, Diamond Relat.Mater. 11(2002)467]等，MPCVD装置的微波输入功率的提高一直是装置改进的重点，致力于金刚石膜生长速率的提高。

首先，对于高功率MPCVD金刚石膜沉积装置而言，石英微波窗口的设计十分重要。在MPCVD金刚石膜沉积装置中，石英微波窗口既起到传输微波进入谐振腔室的作用，又起着谐振腔真空密封的作用。然而，如果石英微波窗口距离等离子体太近，高功率下会很容易受到等离子体的刻蚀，限制了MPCVD金刚石膜沉积装置微波输入功率的水平。为了克服石英微波窗口被刻蚀的问题，提高MPCVD金刚石膜沉积装置的微波功率输入水平，石英微波窗口的形状和大小发生着改变，出现了管状、钟罩形状、平板形状和圆环形状等多种多样的石英微波窗口。早期的石英管式MPCVD装置采用的是管状石英窗口，窗口距离等离子体很近，微波输入功率只能达到800W。与石英管式MPCVD装置相比，石英钟罩式MPCVD装置和椭球谐振腔式MPCVD装置采用的是石英钟罩窗口，窗口与等离子体的距离远很多，微波输入功率也有了大幅度的提高，可以达到6000W左右，然而，当微波输入功率继续升高时，石英钟罩依然存在被刻蚀的危险，因此，钟罩形式的石英窗口不是最佳选择。圆柱金属谐振腔式MPCVD装置采用的是平板状的石英窗口，该装置的缺点在于当微波输入功率较高时，石英窗口附近会激发出次生等离子体，装置也不适合在高功率下运行。多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置采用了环状石英窗口，并且放置于沉积台下方，使得石英环窗口与等离子体完全不接触，彻底解决了石英微波窗口被等离子体刻蚀的问题。然而，当石英环窗口位于沉积台下方时，由于谐振腔室内外压力差的作用，石英环上下胶圈的真空密封效果会变差，不利于谐振腔室真空状态的保持，不利于高品质金刚石膜的沉积。综上所述，可以看出，对于一个MPCVD装置而言，良好的石英微波窗口设计既要满足不受等离子体刻蚀的要求，又要兼顾谐振腔室的密封效果。