[发明专利]微波等离子体化学气相沉积金刚石反应装置

说明书

本发明为一种微波等离子体化学气相沉积金刚石反应装置，包括谐振腔体，谐振腔体由上圆筒形腔体、中间圆弧形腔体和下圆筒形腔体构成，中间圆弧形腔体的曲率半径等于微波波长；上圆筒形腔体顶盖上设有反应气体入口以及安装有石英钟罩介质窗口和同轴探针天线，同轴探针天线上设置有进风管和出风孔；下圆筒形腔体内设置有反射板和圆柱形升降基台，反射板上设有反应气体出口，下圆筒形腔体的底板上设有反应气体总出口。本发明装置具有聚焦能力强，能够容纳较高的输入功率，结构简单制造方便等优点。

技术领域

本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别是一种用于等离子体化学气相沉积的微波等离子体化学气相沉积金刚石反应装置。

背景技术

金刚石具有优异的物理化学性能，在国民经济的许多领域都具有广阔的应用前景。在众多制备金刚石的方法中，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法利用微波电磁场能量来激发等离子体，不会产生电极污染，是制备高品质金刚石首选的方法。提高金刚石的沉积速率和品质一直是科技工作者和企业追求的目标。等离子体的密度是影响金刚石沉积速率和品质的关键因素，所以为获得高密度的等离子体，需要MPCVD装置具备强的微波电磁场聚焦能力的同时，能够容纳较高的微波输入功率。

同轴探针天线与石英钟罩因结构简单、制造方便、形成的电场均匀性好，所以二者组合作为微波耦合机构和介质窗口在MPCVD装置中得到较多应用。但是石英钟罩介质窗口的使用，会限制微波功率的输入。这是因为，一方面当输入功率较高时，等离子体中的氢原子容易刻蚀石英钟罩内壁，这不但会使刻蚀出的Si元素污染金刚石，也会造成钟罩损坏；另一方面，MPCVD金刚石过程中，为保证反应气体能够到达基体及等离子体区，并得到充分的利用，一般采用反应腔上部进入，基台或腔体底部排出的方式。但是采用石英钟罩作为介质窗口时，这种进出气方式不容易实现。这是由于，在石英钟罩上设置进气管，会造成连接部分的密封件在微波电磁场的作用下老化和破坏，同时连接件和连接管也会对电场分布造成干扰。所以上述两种使用石英钟罩作为介质窗口装置，一般在钟罩内增加石英管或石英环，将反应气体由反应腔底部引到高于基片台或等离子体的位置。由于石英管或石英环距离等离子体较近，所以也会因刻蚀和对金刚石的污染。因此，为了避免石英钟罩的刻蚀问题，频率为2.45 GHz的MPCVD装置使用功率一般不超过5 kW，而频率为915 MHz的装置使用功率一般不超过30 kW。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种微波等离子体化学气相沉积金刚石反应装置，以达到避免石英钟罩污染、提高谐振腔聚焦能力、容纳高微波功率的目的。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种微波等离子体化学气相沉积金刚石反应装置，包括谐振腔体，所述的谐振腔体分为上圆筒形腔体、中间圆弧形腔体和下圆筒形腔体，其中，中间圆弧形腔体的曲率半径R等于微波波长λ（中间圆弧形腔体的腔壁为外凸的圆弧形腔壁，即，中间圆弧形腔体为一个截去上部和下部的球形腔体，其圆弧形腔壁的曲率半径R=微波波长λ），上圆筒形腔体的直径大于中间圆弧形腔体的直径（即，上圆筒形腔体的直径大于中间圆弧形腔体的最大直径），中间圆弧形腔体的直径大于下圆筒形腔体的直径（即，中间圆弧形腔体的最大直径大于下圆筒形腔体的直径）；上圆筒形腔体的顶盖上安装有石英钟罩介质窗口和同轴探针天线，石英钟罩介质窗口位于同轴探针天线的正下方，石英钟罩介质窗口与上圆筒形腔体顶盖的连接处为密封设置；同轴探针天线的空心内导体设置为进风管，同轴探针天线的外导体侧壁上设置有出风孔；上圆筒形腔体的顶盖上还设置有与谐振腔体内部空间相通的反应气体入口；下圆筒形腔体内设置有反射板，反射板上设置有反应气体出口，反射板的中部安装有圆柱形升降基台；下圆筒形腔体的底板上设置有反应气体总出口；上圆筒形腔体、中间圆弧形腔体、下圆筒形腔体、石英钟罩介质窗口、同轴探针天线、反射板及圆柱形升降基台都位于同一轴线上。