[发明专利]一种制备金刚石膜的装置及方法

说明书

本发明提供一种制备金刚石膜的装置，其采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上设置一个衬底材料，衬底材料靠近外缘有一个环形凹坑，凹坑中填充一种金属材料，该金属材料高出衬底材料表面，形成一个环形金属凸起。本发明的优点在于，通过对衬底材料的改进，使成膜基底材料表面在沉积金刚石膜时具有比较合适的气流分布和等离子体分布。

技术领域

本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法。

背景技术

金刚石具有极高的硬度，并在室温下具有极高热导率、低膨胀系数、高化学惰性等优异性能，可用来制作切削工具和耐磨部件，在机械加工领域应用广泛。另外，它还是制作表面压力传感器、抗辐射半导体器件、大功率半导体激光器级高密度防腐耐磨红外光学窗口等器件的理想材料。然而天然金刚石数量稀缺、价格昂贵且难于加工的缺点制约了金刚石的广泛使用。上世纪50年代发展起来的高温高压(HTHP)法合成的金刚石为粉末状，生长大颗粒的金刚石成本很高，应用受到限制并且含金属催化剂杂质。自从Matsumto等人于1982年发明了化学气相沉积(CVD)法制备金刚石膜后，人们看见了金刚石膜应用研究的曙光。今天，人们关于CVD金刚石的研究更具现实性，国内外关于高速、高质量、大面积均匀生长金刚石膜的制备技术已成为研究人员当前所迫切解决的课题。

采用CVD法制备金刚石膜的工艺，目前已经开发出很多种，其中主要有：热丝法(HFCVD)、微波法(MPCVD)、直流等离子体炬法和氧-乙炔燃烧火焰法等。其中微波法是用电磁波能量来激发反应气体，由于是无电极放电，等离子体纯净，同时微波的放电区域集中而不扩展，能激活产生各种原子基团如原子氢等，产生的离子的最大动能低，不会腐蚀已生成的金刚石。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备金刚石的性能与天然金刚石十分接近甚至部分性能超越了天然金刚石，这使得MPCVD金刚石膜的制备成为各个科研机构的研究热点。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个自旋转基片台，制备金刚石的过程中，微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜基底材料表面，sp3结构含碳基团在成膜基底材料表面沉积成为金刚石膜。由于等离子体反应室中间区域的自旋转基片台上方微波能量最强，等离子体球中能量密度分布不同，从而生长出来的大面积金刚石膜层厚度均匀性不好，中间厚而边缘薄。金刚石膜中间区域与边缘区域厚度差一般在10-20％左右，这对金刚石膜的抛光加工造成困难且对金刚石是一种极大的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法，工艺简单，所制备的金刚石膜面积大且厚度均匀。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该制备金刚石膜的装置采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，在自旋转基片台上方有一个衬底材料，衬底材料靠近边缘处有一个圆形的凹坑，凹坑里面填充有具备催石墨化的金属单质或者合金。

按上述方案，衬底材料优选为金属钨或者金属钼。这些金属材料耐高温且物理化学稳定性好。

按上述方案，衬底材料靠近外圆处有一个环形的凹坑，凹坑宽度2.0-3.0mm，深度1.0-2.0mm。

按上述方案，环形凹坑中填充的金属材料优选为Fe，Co或者Ni，或者是这些材料组成的合金，以金属丝状填入为优选方式，填入凹坑后金属丝上部要高出衬底材料表面。