用于金刚石单晶生长的MPCVD装置

用于金刚石单晶生长的mpcvd装置
技术领域
1.本发明属于微波等离子体辅助化学气相沉积领域，具体涉及一种用于金刚石单晶大面积、高速率、长时间生长的微波等离子体辅助化学气相沉积装置。


背景技术：

2.微波等离子体辅助化学气相沉积(mpcvd)法是当前最为流行，也是最有前景的大尺寸高品质金刚石单晶外延生长方法。该方法是通过将微波发生器产生的微波经过波导管导入特殊设计的反应腔体中发生谐振，产生频率和强度分布的电磁场，以此将反应腔体内的气体原料(通常为h2和ch4混合气体)进行激发，在样品台上产生均匀且稳定的等离子体。离化后的气体分子在衬底材料上进行沉积，从而实现金刚石的外延生长。相比于早期的热丝cvd法(hfcvd)和直流电弧等离子体喷射cvd法(dc arc jet cvd)，mpcvd法具有设备可靠性高、工作稳定性强、控制精确且操作简便等优点，可以实现长达百小时的连续稳定运行。同时，该方法的气体离化率高、沉积温度和气体流速较低、生长工艺条件温和且可控性强，能够实现在极低的掺杂浓度下(ppb级别)进行高速沉积生长。
3.mpcvd设备整体是一个相当复杂的系统，为实现需要的功能，现有的cvd设备不仅结构复杂，体积庞大而且出错率高，稳定运行时间短。目前普遍应用的单模直筒上馈式mpcvd设备需要模式转换天线才能在谐振腔中产生需要的电场模式，作为一种单模谐振腔，谐振腔内的微波分布模式极大程度地限制了微波等离子体的体积，2.45ghz的频率下能够耦合进谐振腔内的功率水平已经接近于极限值，进一步提高金刚石沉积面积和沉积速率的需求受到限制。同时，在沉积生长过程中，制备的金刚石单晶厚度不断增加，开始出现边缘效应和二次形核，极大地影响了金刚石的品质，此时必须中断生长过程并对样品进行一定处理才能继续生长。
4.综上所述，兼具大面积、高速率，能够长时间稳定生长的高集成度微波等离子体辅助化学气相沉积装置对于金刚石单晶生长具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有mpcvd装备沉积面积小、沉积速率低、难以长时稳定生长的问题，而提供一种用于金刚石单晶生长的微波等离子体辅助化学气相沉积装置。
6.本发明用于金刚石单晶生长的mpcvd装置包括微波产生系统、矩形波导、同轴波导、同轴天线与水冷台一体化结构、支撑环、微波谐振腔、匀气腔、环形进气间隙和抽气缓冲腔；
7.微波谐振腔下方设置有矩形波导和同轴波导，矩形波导水平设置，矩形波导的一端连接有微波产生系统，同轴波导竖直设置，同轴波导的下部与矩形波导管相连通，同轴波导的上端与微波谐振腔相通，支撑环设置在微波谐振腔的底板上；
8.同轴天线与水冷台一体化结构同轴套设在同轴波导内，同轴天线与水冷台一体化结构由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台的下部连接有
天线杆体，升降水冷件是在可升降水冷台的下部连接有连杆，固定水冷台搭设在支撑环的上沿，天线杆体从矩形波导穿出；
9.在微波谐振腔的顶部开有匀气腔，匀气腔内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔的腔壁之间留有环形进气间隙；
10.微波谐振腔底部的中空结构为抽气缓冲腔，微波谐振腔的底部板面上开有排气孔并与抽气缓冲腔相通。
11.本发明用于金刚石单晶生长的mpcvd装置主要包括谐振腔体、配气系统、真空系统、水冷系统、微波系统和电控系统六大部分。其中谐振腔是整个设备的核心，微波在腔体内谐振，并在衬底上激发等离子体；配气系统提供等离子体激发和金刚石生长所需的气体源，主要为氢气、甲烷等；真空系统可控地保证腔体内部合适的真空度；水冷系统为整套装置进行散热，包括谐振腔夹层中的冷却水通路和同轴天线与样品台内部的冷却水通路；微波系统作为能量源，通过矩形波导和同轴波导将微波能量馈入谐振腔，同轴波导末端进入谐振腔并连接有一体化设计的样品台，等离子体将在此处被激发使金刚石沉积生长；电控系统是人机交互的窗口，使操作简单高效。
12.所述mpcvd装置为下馈式微波输入方式，同轴天线与水冷采用一体化结构，中心位置的水冷台与腔体内壁共同充当微波输入天线，最大程度地简化设备结构，减小体积，同时对样品台、同轴天线、支撑环进行有效冷却，并能够通过调节可升降水冷台的轴向高度实现金刚石单晶长时间生长。经过下馈式微波输入方式、同轴天线及凸型谐振腔协同设计使得多种模式的微波在腔体内叠加谐振，提高了微波耦合效率，减少了次生等离子体的产生，有效扩大了沉积面积，在2.45ghz微波频率下，目标域平均电场强度达105～106v/m量级，等离子体密度达10
17
m-3
量级，极大提高了金刚石单晶生长速率，可沉积2-3英寸金刚石薄膜。
13.本发明微波等离子体化学气相沉积装置，最大程度优化了多模等离子体谐振腔，有效增加了沉积面积，提高了功率密度和沉积速率，在保证系统功能地前提下更加紧凑、可靠、高效。
附图说明
14.图1是本发明用于金刚石单晶生长的mpcvd装置的整体结构示意图；
15.图2是利用本发明用于金刚石单晶生长的mpcvd装置进行金刚石单晶生长过程状态图；
16.图3是利用本发明用于金刚石单晶生长的mpcvd装置生长的金刚石单晶拉曼测试图。
具体实施方式
17.具体实施方式一：本实施方式用于金刚石单晶生长的mpcvd装置包括微波产生系统1、矩形波导2、同轴波导3、同轴天线与水冷台一体化结构4、支撑环5、微波谐振腔6、匀气腔7、环形进气间隙8和抽气缓冲腔9；
18.微波谐振腔6下方设置有矩形波导2和同轴波导3，矩形波导2水平设置，矩形波导2的一端连接有微波产生系统1，同轴波导3竖直设置，同轴波导3的下部与矩形波导管2相连通，同轴波导3的上端与微波谐振腔6相通，支撑环5设置在微波谐振腔6的底板上；
19.同轴天线与水冷台一体化结构4同轴套设在同轴波导3内，同轴天线与水冷台一体化结构4由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台4-1的下部连接有天线杆体4-3，升降水冷件是在可升降水冷台4-2的下部连接有连杆4-4，固定水冷台4-1搭设在支撑环5的上沿，天线杆体4-3从矩形波导2穿出；
20.在微波谐振腔6的顶部开有匀气腔7，匀气腔7内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔7的腔壁之间留有环形进气间隙8；
21.微波谐振腔6底部的中空结构为抽气缓冲腔9，微波谐振腔6的底部板面上开有排气孔10并与抽气缓冲腔9相通。
22.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是支撑环5的材质为石英。
23.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是微波谐振腔6的腔体呈凸字形。
24.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是微波谐振腔体6的底部板面均布4个排气孔10。
25.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是抽气缓冲腔9通过管路与真空系统相连通。
26.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是天线杆体4-3从矩形波导2穿出，在矩形波导2与同轴波导3之间设置有微波堵头11。
27.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是固定水冷台4-1台面与天线杆体4-3之间采用锥形或半球形过渡。
28.本实施方式通过圆弧过渡以减少微波传输损耗。
29.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是衬底12放置在升降水冷台4-2上。
30.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是升降水冷台4-2能沿轴线上下调节高度。
31.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是升降水冷件的内部为液冷空腔。
32.实施例：本实施例用于金刚石单晶生长的mpcvd装置包括微波产生系统1、矩形波导2、同轴波导3、同轴天线与水冷台一体化结构4、支撑环5、微波谐振腔6、匀气腔7、环形进气间隙8、抽气缓冲腔9和微波堵头11，微波谐振腔体6内外腔壁与底部有相互配合的法兰，通过这种装配方式进行限位，提高装配精度与相互之间的同轴度和平行度，从而提高谐振舱体的电场耦合效率，减少次生等离子体的形成；
33.微波谐振腔6下方设置有矩形波导2和同轴波导3，矩形波导2水平设置，矩形波导2的一端连接有微波产生系统1，矩形波导2用于从微波产生系统1导入微波并将微波能量耦合至同轴波导3，同轴波导3竖直设置，同轴波导3的下部与矩形波导管2相连通，同轴波导3的上端与微波谐振腔6相通，支撑环5设置在微波谐振腔6的底板上，以维持谐振腔内低气压工作环境，同时兼具耐高温和透微波的功能；
34.同轴天线与水冷台一体化结构4同轴套设在同轴波导3内，同轴天线与水冷台一体化结构4由天线组件和升降水冷件同轴套设组成，其中天线组件是在固定水冷台4-1的下部连接有天线杆体4-3，升降水冷件是在可升降水冷台4-2的下部连接有连杆4-4，固定水冷台
4-1搭设在支撑环5的上沿，天线杆体4-3从矩形波导2穿出；
35.在微波谐振腔6的顶部开有匀气腔7，匀气腔7内通过连接杆连接有圆形平板，圆形平板与匀气腔7的腔壁之间留有环形进气间隙8；
36.微波谐振腔6底部的中空结构为抽气缓冲腔9，微波谐振腔6的底部板面上开有排气孔10并与抽气缓冲腔9相通。
37.本实施例微波谐振腔体6的水冷系统为贯通式。本实施例用于金刚石单晶生长的mpcvd装置简化了结构，提高冷却效率及设备运行的可靠性。同轴天线与水冷台一体化结构4同时还作为模式转换天线，即采用了微波天线与水冷一体化结构，同轴天线与水冷台一体化结构4在冷却上方衬底的同时还能通过调节可升降水冷台4-2的轴向高度实现金刚石单晶长时间生长。金刚石生长一定时间后，由于厚度增加，温度会明显升高，超过最佳生长温度区间，此时可通过降低水冷台增加生长表面与等离子体核心的距离，使得生长表面温度保持在合适范围内，达到长时间生长的目的。
38.应用本实施例用于金刚石单晶生长的mpcvd装置能实现面积为2～3英寸的金刚石单晶快速沉积，沉积速率可达到50～150μm/h。
39.本实施例提供的一种用于金刚石单晶生长的mpcvd装置，实现多种模式同时存在于等离子体谐振腔，在保证系统功能的前提下进行合理优化，解决了现有mpcvd设备沉积面积小、沉积速率低、难以长时稳定生长的问题。