一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置的制作方法

本实用新型涉及化学气相沉积技术领域，特别是涉及一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术：

金刚石具有高硬度、高热导率、低膨胀系数、高透光性、高电阻率以及高载流迁移率等优异性能，促使其在军事、航天航空、生物工程、计算机芯片和电子信息工程等高新领域有个广阔的应用前景。

与直流、高频、热丝发射法比较，微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）被认为是当今国际上制备高质量金刚石膜的首选、最先进方法，具有无极放电、放电区域能量集中且分布均匀、控制性能好等优点。如何高速率的制备出高质量、大面积、性能均匀的金刚石膜仍是目前科研工作者和企业面临的难题。作为MPCVD金刚石膜沉积装置的核心部件，产生微波等离子体的谐振腔的优化设计直接影响着微波输入功率的容纳量、最佳耦合以及等离子体的分布与能量密度，对金刚石膜的沉积速率、面积以及质量起着决定性的影响。

近30年来，基于新材料技术领域的高性能需求，很大程度上促进了MPCVD金刚石膜沉积装置的发展，从早期的石英管式、石英钟罩式、圆柱形不锈钢谐振腔式到后来的椭球形腔式、多模非圆柱腔式、狭缝耦合式等，其微波频率由2450MHz扩展到915MHz，微波输入功率由最初的数百瓦到75～100kW。

各种类型的MPCVD金刚石膜沉积装置中多设置调谐装置，以求实现对谐振腔内微波电场和相应产生的等离子体的实时调控。早期的石英管式、石英钟罩式、圆柱形不锈钢谐振腔式以及椭球形腔式多采用谐振腔顶部微波天线式耦合探针实现对等离子体的调节，但是这种方法容易在探针顶端产生非常强的电场区，容易激起微波放电，会在其下方产生次生等离子体，不利于谐振腔内等离子体的集中分布与长时运行稳定。此外，由于不能水冷故大大限制了其微波输入功率的提高。

专利申请JP NO 2000-54142 A中提出一种沉积台和微波激励部分做成相互平行板装结构，通过随意调节沉积台的高度实现对谐振腔的调节，但是这种方法会使得等离子体与微波激励部分相接触，微波能量损失大。

专利CN101864560 B中提出在腔体上部增加两种可升降的圆柱形反射体的措施，来实现对微波电场和等离子体的实时调控，水冷结构。实际应用中存在等离子体距离反射体较近，在较高功率条件下部分能量会分散于调节机构一种圆柱形反射体的下表面上，其表面和间隙处会出现非晶碳的沉积，不利于下方样品台上高质量金刚石膜的沉积。

专利CN103305816 B 中提出在非圆柱腔圆周天线式谐振腔顶部引入半椭球微波反射体的措施，通过其与谐振腔圆柱体之间上下平滑过渡的位置调节方式，实现对装置中微波电场和等离子体分布的实时优化调节，但是基于其半椭球面积较大，微小调节对微波电场影响较大，很难解决由于进出气方式单一引起的等离子体球偏的问题，缺少微调措施。

专利CN103668127 B中提出在圆顶圆周天线式谐振腔底部引入可调节圆环状边缘沉积台和中心沉积台，通过二者在竖直方向上的相互独立移动实现对等离子体状态的优化调节，但是由于未设计优化的排气通道，气体仅能通过二者的边缘缝隙最后从谐振腔底部单一偏孔排出，无法保证腔体中气流及基台表面气体分布的均匀性，同时也无法解决实际工作过程中出现的等离子体轻微偏移的问题。

专利CN103695865 B中提出在圆柱谐振腔顶部引入可调节的上腔体（内设微波反射板），上腔体通过两端的左右调节柱驱动实现相对微波反射板上下调节，从而实时优化调节等离子体的工作状态。虽然其仍解决了专利CN103668127中等离体子距离反射板近的的问题（谐振腔内壁任意一点距离基片台中心大于3/4*λ，λ为导入微波的波长），但是其调节措施仍为上下竖直调节，未设计优化的排气通道（气体仅能通过谐振腔底部单一偏孔排出），未能解决实际工作过程中出现的等离子体轻微偏移的问题。

专利CN104388910 A中提出在圆柱形谐振腔（圆锥形腔顶）底部设计有第一圆柱形反射体（底面为平面状、顶面向下沉陷的倒圆台状）、第二圆形反射体以及圆柱形基台，三者竖直套向同心装配，可通过各自的升降机构分别实现独自升降调节。但是存在如下问题：（一）三处可调谐设计加工精度要求较高，实际沉积金刚石膜过程中基于第二散射体距离等离子体较近容易在其上沉积非晶碳、次级金刚石膜等，降温后易剥落掉入接触缝隙之中，清扫非常困难；（二）升降圆柱体之间采用密封圈轴封的方式，也不利于高真空度的获得；（三）调节方向也仅为竖直调节，未能解决实际工作过程中会出现的等离子体轻微偏移的问题。

专利申请CN106835070 A中提出在谐振腔（上圆筒形-中圆弧形-下圆筒形，顶部同轴探针天线微波馈入，石英钟罩密封）中仅设计有可调节的圆柱形升降基台，未有其他调节措施，存在石英钟罩下方易产生次生等离子体、限制大微波功率输入、钟罩外壁易沉积非晶碳、次级金刚石膜的问题。

综上所述，目前科研工作者设计、提出的各种类型的用于MPCVD金刚石膜沉积装置的存在诸多问题，或无水冷微波输入功率较低，或微波窗口和其他部件距离等离子体太近造成沉积膜片的破坏和污染，或设计复杂、加工困难，或气流不均匀，最主要是缺少完善的调节措施，基于以上考虑，特设计出一种结构和性能完善的高功率MPCVD金刚石膜沉积装置，以满足目前高功率下、高效地沉积大面积金刚石膜的需求。

技术实现要素：

针对上述现有的技术问题，本实用新型是提供一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置。该装置可以解决现有各类装置中存在的无水冷微波输入功率较低、系统部件距离等离子体太近、设计复杂与加工困难、气流不均匀、缺少完善的调节措施、聚焦能力差、分散等问题，实现高功率下、大面积、高质量金刚石膜的高效沉积。具体技术方案为：

一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置，主要包括微波谐振腔主体、模式变换器以及微波电场调节系统。

所述的微波谐振腔主体主要由旋抛形上腔体、圆柱形中腔体、倒圆锥台下腔体、沉积基台、样品台、圆环状石英微波窗、介质环组成。上腔体为独立主体，顶部开设观察窗口、红外测温窗口。观察窗口中心水平向上倾斜角度取30°～37°，观察窗个数取3～4个（分别为竖直圆周均匀排布）。上腔体内表面为旋转抛物面，抛物线的焦点位于沉积基台上的基片表面中心，提高了微波功率的聚焦能力。抛物线方程：x² = -2py，其中p=110~115mm，x=-D/2～+D/2,D为圆柱形中腔体的内径，取400～420mm。腔体顶部设置可上下滑动调节的上调节板。圆柱形中腔体（高度取60～65mm）与倒圆锥台下腔体通过焊接相连，倒圆锥台下腔体的上圆直径等于圆柱形中腔体内径D，下圆直径与介质环外径相等，倒圆锥台斜边与水平线夹角取32°～36°。倒圆锥台下腔体中部安装圆环状石英微波窗，采用光学高纯石英玻璃材质，石英微波窗上下设置L型圆环状密封圈进行真空密封。倒圆锥台下腔体上端开设n圈出气孔，其中n为正整数，且n≥3，每圈出气孔个数取60～70个，出气孔20采取同轴圆环阵列排布，相邻3个出气孔（内圈的两个出气口与相邻的外圈上的一个出气孔）的中心轴构成等腰三角形，等腰三角形的底角取55°～65°，优选角度为60°。出气孔直径d1=2～4mm。出气孔下方设置1、2级出气缓冲仓，二者之间设置隔板，隔板上开设4个中孔，中孔直径为20～30mm，2级缓冲仓下方开设4个出气口，出气口位置与中孔错位90°，从而保证反应气体进入谐振腔后气体流动的均匀性，有效的保证沉积基台上基片表面反应气体均匀分布，有效的改善等离子体的球型，保证所制备金刚石膜片的均匀性。倒圆锥台下腔体下端设置介质环（材质为石英或者99刚玉），高度为18～22mm，实现样品台相对谐振腔的位置同轴对中，同时起到阻抗匹配的作用。样品台由位于谐振腔的中心，由直径约350～356mm的圆柱体上端和倒圆锥台下端构成，下端与模式变换器中铜轴相连，倒圆锥台斜边与水平线夹角取30～35°，此结构结合下腔体的倒圆锥台结构可有效的增强微波功率的馈入、降低反射功率。样品台上台面中心放置直径约150mm的异形沉积基台，沉积基台上可放置基片最大尺寸≥80mm，可实现3英寸以上的高质量的金刚石膜以及单晶的快速沉积。沉积基台可通过其下方的沉积基台升降机构实现其位置的上下精确可控调节。

所述的模式变化器由BJ22矩形波导、圆柱腔、门钮、空心铜轴、短路活塞组成。同轴圆柱腔通过BJ22矩形波导宽边的圆孔与其相连，空心铜轴竖直穿过同轴圆柱腔中心，下端门钮固定在BJ22矩形波导宽边上，上端与样品台下端相连。同时，BJ22矩形波导右侧设置可调短路活塞。圆柱腔的高度约3/4*λ，λ为导入微波的波长，门钮底部最大半径≈0.345*λg，λg为2450MHz微波频率下BJ22矩形波导的波导波长。

所述的微波电场调节系统主要由上调节板、环形调节板、沉积基台调节机构、短路活塞组成。上调节板位于旋抛形上腔体的内面顶部，贯穿顶部测温窗口而出且通过外部的升降机构进行上下可控调节。上调节板上下表面呈旋转抛物面结构，内置冷却水通道与进气管道。进气孔位于上调节板的中部，进气孔上设均流环。多列进气孔呈正六边形阵列布局，进气孔直径为1.5～3.0mm，孔中心竖直向内倾斜12°～21°。多个进气孔充分保证进气气流的均匀性。环形调节板为（2n+1）个弧状板组合而成，n=1、2，每个弧状板与圆柱形中腔体同心圆周均匀排列，可单独通过与其相连的外置径向调节机构30可控精确调节，可较大程度地调节微波电场，从而可以有效解决等离子体微偏的问题。沉积基台调节机构处于样品台的中心位置，贯穿样品下端的空心铜轴而出，其最下端通过磁流体装置实现真空密封。沉积基台调节机构可实现沉积基台位置的精确可控上下调节，调节机构与样品台之间采用O型橡胶圈密封。同时，沉积基台调节机构的中心设有测温模块—温度传感器，可实时监控基台的温度。短路活塞位于模式变化器中矩形波导的右侧，可实现对谐振腔内微波电场的微调。

所述的旋抛形上腔体、圆柱形中腔体、倒圆锥台下腔体、样品台、沉积基台升降结构、上调节板、环形调节板、门钮、同轴圆柱腔均通过内置中空夹层、多重管道实现多路循环冷却水直接冷却，从而使得本装置可容纳较高的微波功率（15kW）。

综上所述，本实用新型的目的在于提供一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置，可实现高功率条件下的大面积、高质量金刚石膜的快速沉积。本实用新型装置与现有技术相比具有以下优点：

（1）本实用新型提出的旋抛形上腔体采用旋转抛物面的结构，能够高效增强微波功率的耦合，极大地提高了谐振腔内微波电场的聚焦能力。下腔体采用倒圆锥台结构，可有效地提高微波功率的馈入，降低反射功率。

（2）本实用新型提出的采用上旋抛形调节板、环形调节板，有效地避免了谐振腔的失谐现象，通过二者的调节，可实时优化微波电场和等离子体的分布，实现竖直、水平、环形方向上的优化调节，仅在沉积基台上（抛物线焦点处）产生高稳定性的等离子体，避免了在其他区域易产生次生等离子体的现象发生。

（3）本实用新型中提出的微波窗口、旋抛形上腔体、圆柱形中腔体、上调节板、环形调节板距离等离子体区域较远，谐振腔内壁任意一点距离基片台中心大于λ，λ为导入微波的波长；有效低降低了辐射热和避免了谐振腔内壁沉积非晶碳等杂质的发生。

（4）本实用新型中提出的顶部进气、底部出气，均采用多孔阵列排布、均流环、缓冲仓的结构，可有效地提高谐振腔内和基片表面气体流动、分布的均匀性，进一步提高沉积金刚石膜的沉积效率和均匀性。

（5）本实用新型中提出的旋抛形上腔体、圆柱形中腔体、倒圆锥台下腔体、样品台、沉积基台升降结构、上调节板、环形调节板、模式变化器均通过内置中空夹层、多重管道实现多路循环冷却水直接冷却，从而能够保证本装置在高的微波功率条件下长时间稳定、安全的运行。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意总图；

图2为实用新型装置的谐振腔内部环形调节器布局示意图；

图3为进气孔排布示意图；

图4为出气孔排布示意图；

图5为本实用新型装置的微波电场模拟结果图；

图6为本实用新型装置制备出的金刚石膜的微观表面形貌图；

图7为本实用新型装置制备出的金刚石膜的拉曼光谱图。

图中，1、旋抛形上腔体；2、上调节板；3、进气管道；4、测温窗口；5、观察窗口；6、圆柱形中腔体；7、圆环状石英微波窗；8、出气口；9、倒圆锥台下腔体；10、短路活塞；11、门钮；12、温度传感器；13、BJ22矩形波导；14、介质环；15、样品台；16、环形调节板；17、激发的微波等离子体；18、沉积基台；19、沉积基台调节机构；20、出气孔；21、O型橡胶密封圈；22、空心铜轴；23-1、2级出气缓冲仓；24、均流环；25、同轴圆柱腔；26、L型圆环状密封圈；27、进气孔；28、微波输入端口；29、升降机构；30、径向调节机构。

具体实施方式

下面利用实施例对本实用新型进行更全面的说明。本实用新型可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

参见图1～2所示，本装置包括下述结构：

如图1～2中1至30标记所示，

一种可调谐圆抛腔式高功率微波等离子体化学气相沉积装置，主要包括微波谐振腔主体、模式变换器以及微波电场调节系统。

所述的微波谐振腔主体主要由旋抛形上腔体1、圆柱形中腔体6、倒圆锥台下腔体9、沉积基台18、样品台15、圆环状石英微波窗7、介质环14组成。旋抛形上腔体1为独立主体，顶部开设测温窗口4、观察窗口5。观察窗口中心水平向上倾斜角度取30°～37°，直径取20~24mm，可观察到直径＞150mm样品基片的表面全貌。观察窗个数取3～4个（分别为竖直圆周均匀排布）。旋抛形上腔体1内表面为旋转抛物面，抛物线的焦点位于沉积基台18上基片表面的中心，大幅提高了微波功率的聚焦能力。抛物线方程：x² = -2py，其中p= 110～115mm，x=-D/2～+D/2，D为圆柱形中腔体6的内径，取400～420mm。旋抛形上腔体1顶部设置可上下滑动调节的上调节板2。圆柱形中腔体6（高度取60～65mm）与倒圆锥台下腔体9通过焊接相连，倒圆锥台下腔体9的上圆直径等于圆柱形中腔体6内径D，下圆直径与介质环14外径相等,倒圆锥台斜边与水平线夹角取32～36°。倒圆锥台下腔体9中部安装圆环状石英微波窗7，采用光学高纯石英玻璃材质，石英微波窗7上下设置L型圆环状密封圈26进行真空密封。倒圆锥台下腔体9上端开设n圈出气孔20，其中n为正整数，且n≥3，每圈出气孔个数取60～70个，出气孔20采取同轴圆环阵列排布（排布方式见附图4），相邻3个出气孔（内圈的两个出气口与相邻外圈上的一个出气孔）的中心轴构成等腰三角形，等腰三角形的底角取55°～65°，优选角度为60°，出气孔20直径d1=2～4mm。出气孔20下方设置1、2级出气缓冲仓23，二者之间设置隔板，隔板上开设4个中孔，中孔直径为20～30mm，2级缓冲仓下方开设4个出气8，出气口8位置与中孔错位90°，从而保证反应气体进入谐振腔后气体流动的均匀性，有效的保证沉积基台18上基片表面反应气体均匀分布，有效的改善等离子体17的球型，保证所制备金刚石膜片的均匀性。下腔体9下端设置介质环14（材质为石英或者99刚玉），高度为18～22mm，实现样品台15相对谐振腔的位置同轴对中，同时起到阻抗匹配的作用。样品台15位于谐振腔的中心，由直径约350～356mm的圆柱体上端和倒圆锥台下端构成，下端与模式变换器中空心铜轴22相连，倒圆锥台斜边与水平线夹角取30～35°，此结构结合下腔体9的倒圆锥台结构可有效的增强微波功率的馈入、降低反射功率。样品台15上台面中心放置直径约150mm的异形沉积基台18，沉积基台18上可放置基片最大尺寸≥80mm，可实现3英寸以上的高质量的金刚石膜以及单晶的快速沉积。沉积基台18可通过其下方的沉积基台升降机构19实现其位置的上下精确可控调节。

所述的模式变换器由BJ22矩形波导13、同轴圆柱腔24、门钮11、空心铜轴22、短路活塞10组成。同轴圆柱腔24通过BJ22矩形波导13宽边的圆孔与其相连，空心铜轴22竖直穿过同轴圆柱腔24中心，下端门钮11固定在BJ22矩形波导13宽边上，上端与样品台15下端相连。同时BJ22矩形波导13右侧设置可调短路活塞10。同轴圆柱腔24的高度约3/4*λ，λ为导入微波的波长，门钮11底部最大半径≈0.345*λg，λg为2450MHz微波频率下BJ22矩形波导13的波导波长。

所述的微波电场调节系统主要由上调节板2、环形调节板16、沉积基台调节机构19、短路活塞10组成。上调节板2位于旋抛形上腔体1的内面顶部，贯穿顶部测温窗口4而出且通过外部的升降机构29进行上下可控精确调节。上调节板2上下表面呈旋转抛物面结构，内置冷却水通道与进气管道3。进气孔27位于上调节板1的中部，进气孔27上设均流环24。进气孔27沿旋转抛物面呈同心正六边形阵列布局（见附图3），各层正六边形的旋转角度相同；中心向外第二层起，每个进气孔为中心，周围的6个相邻的进气孔构成六边形；向外扩展构成蜂窝状排布；每个进气孔27直径为1.5～3.0mm，孔中心竖直向内倾斜12°～21°。多个进气孔27充分保证进气气流的均匀性。环形调节板16为（2n+1）个弧状板组合而成，n=1、2，每个弧状板与圆柱形中腔体6同心圆周均匀排列，可单独通过与其相连的外置径向调节机构30可控精确调节，可较大程度地调节微波电场，从而可以有效解决等离子体微偏的问题。沉积基台调节机构19处于样品台15的中心位置，贯穿样品台15下端的空心铜轴22而出，其最下端通过磁流体装置实现真空密封。沉积基台调节机构19可实现沉积基台18位置的精确可控上下调节，调节机构19与样品台15之间采用O型橡胶圈密封21。同时，沉积基台调节机构19的中心设有测温模块—温度传感器12，可实时监控沉积基台18的温度。短路活塞10位于模式变化器中矩形波导13的右侧，可实现对谐振腔内微波电场的微调。

所述的旋抛形上腔体1、圆柱形中腔体6、下腔体9、样品台15、沉积基台升降机构19、上调节板2、环形调节板16、门钮11、同轴圆柱腔24均通过内置中空夹层、多重管道实现多路循环冷却水直接冷却，从而使得本装置可容纳较高的微波功率（15kW）。

图5为本实用新型装置的微波电场模拟结果图。图中可以看出本装置仅在沉积基台18上方出现一个幅值最大的电场区，说明本装置具有很强的微波电场聚焦能力。石英微波窗7附近未出现强电场区域，可避免等离子体对其的刻蚀。本装置中其他区域电场幅值较低，避免了次生等离子体的出现。

综上结构组成本装置总体。

以下结合一个具体的实施实例对本实用新型装置进行进一步阐述说明：

1、取直径为3英寸、厚度为3mm的单晶硅片作为衬底材料。

衬底表面用粒径为W5的金刚石粉、磨砂革上均匀研磨30min，后放入乙醇+金刚石微粉的悬浊液中超声波清洗30min，进而放入去离子水中超声20-30s清洗干净，真空干燥，放置到沉积基台18上。

2、关闭抛形上腔体1，抽真空至1.0Pa以下。

3、装置中通入流量为800sccm的H2，设定工作初始压强为2000Pa，设定微波输入功率为2.0kW，达到初始压强后开启微波，在谐振腔内沉积基台上产生微波等离子体17。

4、逐步提高微波输入功率和工作压强，微波功率达到15kW、工作压强约16kPa。同时可调节上调节板2、环形调节板16、短路活塞10，使得等离子体强度达到最高，微波反射基本最低，等离子体17相对沉积基台18无偏移。衬底温度840℃±2℃。5、通入流量为24sccm CH4，形核30min；CH4流量改为8sccm，开始生长。

6、持续生长160h后，关闭CH4流量，逐步降低工作压强和微波功率，关闭微波、H2、真空泵机组，通入N2至大气压，开启抛形上腔体1取出样品。

7、采用体积比1：2的氢氟酸和硝酸混合溶液腐蚀掉单晶硅片衬底，获得厚度约1.7mm的高品质金刚石膜，沉积速率计算值约10.6μm/h，不均匀度＜6.3%。图6中为本实用新型装置制备出的金刚石膜的微观表面形貌图，从图中可以看出，所制备的金刚石膜的表面晶粒之间连续、均匀、致密。图7为本实用新型装置制备出的金刚石膜的拉曼光谱图，可以看出只有一个在1332.3cm-1附近的金刚石特征峰，并且未出现明显的石墨及其它杂质的特征峰，表明制备出优良品质的金刚石膜。

上述示例只是用于说明本实用新型，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本实用新型思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。