一种大面积微波等离子体化学气相沉积系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于微波等离子体化学气相沉积系统的领域，主要是涉及一种用于制备高质量大面积金刚石膜的微波等离子体化学气相沉积系统。本系统主要包括真空部分和微波导入部分，真空部分包括真空腔和真空腔上盖，真空腔上盖的中心侧表面形成不同特定尺寸的两个凹部，使得真空腔体为多模式腔体，在基片台上方形成由两个模式产生的大面积能量均匀的等离子体球；微波导入部分由下到上主要包括波导、石英环、模式转换天线，基片台与腔体的下部结合以夹持石英环从而保持真空，模式转换天线将微波导入至真空腔内，同时真空腔、模式转换天线以及带水冷的基片台由陶瓷环固定以保持严格的对中。
【专利说明】一种大面积微波等离子体化学气相沉积系统
【技术领域】
[0001]本发明属于微波等离子体化学气相沉积系统的领域，主要是涉及一种用于制备高质量大面积金刚石膜的微波等离子体化学气相沉积系统。
【背景技术】
[0002]金刚石膜具有宽禁带、高导热率、高硬度和高红外透过率等特性，在高功率半导体、热沉、红外探测窗口等领域具有极好的应用前景。在这些应用中，对所制备的金刚石膜的要求主要集中在高纯度、高均匀性和大面积等方面，其中金刚石膜的大面积沉积可以极大地降低成本，进一步促进金刚石膜的工业化应用。微波等离子化学气相沉积具有无极放电，放电区域能量集中且分布均匀等优点，可以实现高纯度金刚石膜的快速沉积，是目前制备高质量金刚石膜的最佳方法。
[0003]为了制备高质量的薄膜需要尽量的避免污染物对基片表面的污染，同时位于基片表面的等离子体球能量分布要尽可能的均匀。我国已于1993年和1997年分别成功研制出800W天线耦合石英钟罩式MPCVD装置和5kW天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD装置。上述装置都存在模式转换，即沿矩形波导传输的TEltl模式的微波，经环形器、三销钉阻抗调配器和模式转换天线等的共同作用，将微波转换成在圆柱形波导中传输的TM01模式，并耦合到真空腔体(单模腔)中，在基片表面激发等离子体球。由于石英钟罩离等离子体球较远或者TMtll驻波模式的电场等势面分布不接触谐振腔壁，因此上述装置可在一定程度上提高膜的质量和面积。经过数十年的发展和改进，目前国内最好的天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD装置(工作频率为2.45GHz)，可耦合进真空腔内的微波功率水平已经接近极限，使得在高功率和高气压下进行大面积膜的沉积显得颇为困难。同时由于石英窗位于等离子体球的正上方，当气压较低，功率较大时，会 使等离子体球稳定于石英窗处，从而对石英窗造成损坏，因此长时间的在上述装置上进行大功率运行将显得尤为困难。为了进一步的提高成膜质量和面积，需要进一步对成膜装置进行研究，以达到现今对成膜质量和面积的要求。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种在用化学气相沉积进行膜的制备时，等离子体球的半径可保持稳定，并能均匀的覆盖整个基片，同时在整个成膜过程中，始终保持装置可以稳定运行，并不对装置和基片本身造成损害的大面积微波等离子体化学气相沉积系统。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:该大面积微波等离子体化学气相沉积系统包括:真空腔，真空腔上盖设有进气管道接口，真空腔上盖的顶部顶部和真空腔四周设有观察窗，真空腔下部斜面出设有真空抽气口，同时，真空腔下部设有与圆柱形波导相连接的微波开口部，真空腔上盖的中心侧表面形成不同特定尺寸的两个凹部；波导，用于将微波导入至开口部；石英环，用于将微波导入至真空腔；带水冷的基片台，其上可放置用于沉积大面积膜的基片，该基片台与腔体的下部结合以夹持石英环从而保持真空；以及模式转换天线，用于将微波导入至真空腔，其上部以喇叭口的形状与基片台焊接，并由陶瓷环将其与真空腔，真空腔上盖和带水冷的基片台严格对中。
[0006]依照本发明的微波等离子体化学气相沉积系统，该系统能完成长时间合成大面积膜，特别是大面积金刚石膜，因此即使在较高的气压和较高的微波功率下，系统也可以在基片上方产生稳定而能量均匀分布的大面积等离子体球。
【专利附图】
【附图说明】[0007]图1为微波等离子体化学沉积系统的主腔体的结构示意图。
[0008]图中符号说明:观察窗1、进气口 2、上盖3、产生TMtll驻波模式电场等势面的凹部
4、产生TMtl2驻波模式电场等势面的凹部5、真空腔体6、基片7、基片台8、石英环9、抽气口
10、水冷管11、模式转换天线12、陶瓷环13、与圆柱形波导相连接的微波开口部14、(矩形)波导15。
【具体实施方式】
[0009]现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。
[0010]水冷真空腔体6由不锈钢等不易受热变形的优选金属制成。真空腔体6具有带水冷的真空腔上盖3，其材料由不锈钢等不易受高温变形的优选金属制成，真空腔上盖3顶端设有用于进气的进气口 2和用于观察工作状态的观察窗I，同时在真空腔体6四周也设有四个观察窗I对工作状态进行观测，真空腔体上盖3内部分别设有两个不同尺寸的凹部4和凹部5，凹部4的作用在于使基片上方能产生TMtll驻波模式的电场等势面，凹部5的作用在于使基片上方产生TMtl2驻波模式的电场等势面，由上述两种模式驻波模式产生的等离子体球将会在基片上方形成一个能量均匀分布的大面积等离子体球。基片7置于水冷基片台8的中央，基片7的材料可为钨板、钥板、硅片等金属或非金属材料，水冷基片台8的下部与真空腔体6将石英环9夹持住，其目的在于透射微波和对真空腔体进行密封。模式转换天线12位于水冷基片台8的正中下方，用于将横向传播的TE模转换成TM模，并由石英环透射入真空腔体6中。在真空腔体6下部喇叭口处设有与真空腔体6中心线对中的陶瓷环13，用于夹持模式转换天线12使其与水冷基片台8的中心线对中。与圆柱形波导相连接的微波开口部14位于真空腔体下部并与矩形波导15正交连接，用于传播TM模式的微波，微波从矩形波导的一端输入，另一端可设置短路活塞。
[0011]上述各特征要素中需要保证真空腔体，基片台，模式转换天线，陶瓷环的中心对准并保证其具有严格的中心对称性，同时需要基片台与真空腔体上盖保持水平平行。
【权利要求】
1.一种大面积微波等离子体化学气相沉积系统，该系统包括:真空腔体、上盖、波导、模式转换天线、基片、基片台，其特征在于:所述的真空腔体下部具有导入微波的开口部和抽真空的抽气口，上部具有进气管道的接口 ；所述的上盖顶部和真空腔四周设有观察窗；上盖上设置有不同尺寸的凹部；微波通过夹持于基片台下方和真空腔体之间的石英环导入真空腔体内；所述的基片台与所述上盖水平平行，其上设置有水冷装置。
2.根据权利要求书I所述的大面积微波等离子体化学沉积系统，其特征在于:所述的真空腔为多模式腔体，由不锈钢等不易受高温发生变形的材料制成。
3.根据权利要求书I所述的大面积微波等离子体化学沉积系统，其特征在于:所述的基片为钨板、钥板或硅片。
4.根据权利要求书2所述的大面积微波等离子体化学沉积系统，其特征在于:所述的模式转换天线上端以喇叭口的形状与水冷基片台下端焊接，同时其与水冷基片台和真空腔体中心对中。
5.根据权利要求 书4所述的大面积微波等离子体化学沉积系统，其特征在于:所述的真空腔体下部设有与真空腔体中心线对中的陶瓷环。
【文档编号】C23C16/511GK103526187SQ201310474811
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】熊礼威, 龚国华, 汪建华, 翁俊, 崔晓慧 申请人:武汉工程大学