一种TM多模微波等离子体化学气相沉积装置

发明属于微波等离子体法化学气相沉积，具体涉及一种tm多模微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术：

0、技术背景

1、微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition，mpcvd)法制备的金刚石膜具有优异的光学、电学、力学和热学性能，使其在传统和新兴行业中都具有广泛的应用前景。根据使用微波源的频率，可以将mpcvd装置分为915mhz和2.45ghz装置。目前2.45ghz装置制备的多晶金刚石膜典型尺寸为难以达到大尺寸窗口、散热器的应用要求。同时，915mhz装置制备的多晶金刚石薄膜的尺寸已达到能够满足大尺寸热沉、红外和微波窗口等应用的要求。然而，915mhz装置造价昂贵，设备成本是同类型2.45ghz装置的10倍以上，这严重限制了大尺寸金刚石膜在上述领域中的大规模应用。

2、另一方面，为了发挥金刚石在紫外探测器、辐照探测器和场效应晶体管等关键领域的应用优势，需要英寸级大尺寸单晶金刚石。异质外延生长是一种制备高质量大尺寸单晶金刚石的有效技术。在异质外延单晶金刚石生长过程中，偏压技术起到了关键作用。偏压加速等离子体中的带电粒子轰击非金刚石衬底，引发金刚石的高密度形核，进而在ir(100)衬底上制备出大尺寸的异质外延单晶金刚石。因此，在考虑2.45ghz装置的研发设计时，有必要考虑偏压电极部件。

3、综上所述，为了实现大尺寸多晶金刚石膜与大尺寸单晶金刚石的低设备成本制备及产业化应用，通过设备结构设计与优化，开发一种带有偏压电极结构的多模耦合式2.45ghz mpcvd装置，将可沉积的金刚石膜尺寸由扩大至乃至对mpcvd技术的发展是很有意义的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种tm多模微波等离子体化学气相沉积装置，该装置可实现高微波输入功率条件下，高品质、大面积金刚石膜的均匀制备，薄膜沉积速率高、大面积均匀性好，装置结构简单、真空性好、可稳定运行和参数易于控制。该装置另外配有偏压电极，用于在异质外延单晶金刚石形核的形核过程。由于该装置非圆柱形微波谐振腔由两个不同直径的圆柱体构成，这两个特定直径的圆柱结构用于产生不同模式的电磁场分布。上部圆柱结构直径较小，用于在微波谐振腔产生tm01模；下部圆柱结构直径较大，用于在微波谐振腔产生tm02模。tm01/tm02多模混合不仅可以增强微波电场和提升等离子体密度，而且可使等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。腔室侧面采用了斜面结构，使得微波在衬底处聚焦，增强了衬底表面的电场。相较于典型tm01或tm02单模装置的2英寸有效沉积面积，本多模装置可实现更大尺寸的等离子体放电，可将有效沉积面积拓广至4英寸。

2、此外，该装置用于真空密封的石英介质窗口位于衬底台下方，解决了氢等离子体刻蚀石英环造成的杂质污染的问题，因此该装置可用于制备电子级金刚石膜或单晶。制备的电子级金刚石作为超宽禁带半导体材料可广泛应用于半导体领域，如高频电子器件、毫米波器件等。本发明的技术方案是：

3、一种tm多模微波等离子体化学气相沉积装置，包括2.45ghz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形石英窗、非圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、沉积台、可升降式衬底台调谐结构、偏压电极，其特征在于：

4、非圆柱形谐振腔、环形石英窗和沉积台组成完整的真空腔室；环形石英窗位于沉积台下方，通过胶圈密封与沉积台和非圆柱形谐振腔形成真空腔室；进气口位于非圆柱形谐振腔上方处，且沿轴向每隔90°设置一进气口，共有4个进气口；排气口位于沉积台径向中心位置，且沿轴向每隔60°设置一排气口，共有6个排气口；可升降式衬底台调谐结构可上下运动，用于微波电场及等离子体的实时调谐。

5、位于谐振腔下方的微波电源产生频率为2.45ghz的微波，微波由矩形波导经同轴转换器由te模式转换为tm模式，经过环形石英窗后进入谐振腔内。在非圆柱形谐振腔内形成稳定驻波，并于沉积台上方形成强电场区域。反应气体在强电场的作用下电离激发形成等离子体，偏压电极为衬底提供偏压电场，增强在衬底上的金刚石形核，实现异质外延单晶金刚石的生长。

6、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔为不锈钢材质，由两个不同直径的圆柱体构成。上部圆柱直径较小，用于在微波谐振腔产生tm01模；下部圆柱直径较大，用于在微波谐振腔产生tm02模。两个圆柱的直径比用以满足产生多种谐振模式的要求。tm01/tm02多模混合不仅可以增强微波电场和提升等离子体密度，而且可使等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。

7、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔上方中间处设有1个偏压电极，用于在异质外延单晶金刚石生长过程中提供偏压电场，增强金刚石形核。

8、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔、同轴线模式转换器材料为不锈钢，环形石英窗口所用材料为相对介电常数为4.2的石英玻璃，可升降式衬底台调谐结构材料为铜。

9、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔上方设有4个进气口，在沉积台径向中心位置沿轴向方向设有6个排气口，保证金刚石生长过程中反应气体在腔室内分布的均匀性。

10、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔通过同轴线模式转换器与矩形波导相连。

11、进一步地，所述环形石英窗安置于沉积台下方，远离等离子体区域，避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。

12、进一步地，所述环形石英窗与不锈钢非圆柱谐振腔、沉积台连接处开有密封槽，环形石英窗放置在密封槽之中，环形石英窗和不锈钢非圆柱谐振腔内壁、沉积台结构内壁之间设有固定橡胶圈。

13、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔、沉积台、可升降式衬底台调谐结构全部采用水冷却，避免局部过热，保证设备长时间运行。

14、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔，上部圆柱体与下部圆柱体采用斜面连接，斜面与水平线夹角为167±1°，以对微波进行反射使其在衬底处汇集。

15、进一步地，所述非圆柱形微波谐振腔最外侧斜面与水平线夹角为75±1°，以对微波进行反射使其在衬底处汇集。

16、进一步地，所述可升降式衬底台调谐结构采用可上下移动调节设计，进行微波电场和等离子体调谐，增强微波电场及等离子体密度，并优化两者在衬底上方分布，实现金刚石的均匀沉积。

17、本发明实施过程的关键在于：

18、本发明提出一种tm多模微波等离子体化学气相沉积装置。主要包括2.45ghz微波电源、矩形波导、三销钉调配器、短路活塞、同轴线模式转换器、环形石英窗、非圆柱形微波谐振腔、测温窗口、观察窗口、进气口、排气口、冷却水口、沉积台、可升降式衬底台调谐结构、偏压电极。非圆柱形微波谐振腔由两个不同直径的圆柱体构成，这两个特定直径的圆柱结构用于产生不同模式的电磁场分布。上部圆柱直径较小，用于在微波谐振腔产生tm01模；下部圆柱直径较大，用于在微波谐振腔产生tm02模。两个圆柱的直径比用以满足产生多种谐振模式的要求。tm01/tm02多模混合不仅可以增强微波电场和提升等离子体密度，而且可使等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。偏压电极在异质外延生长单晶金刚石过程中提供偏压电场，增强金刚石形核。腔室侧面采用了斜面结构，使得微波在衬底处聚焦，增强了衬底表面的电场。相较于典型tm01或tm02单模装置的2英寸有效沉积面积，本多模装置可实现更大尺寸的等离子体放电，可将有效沉积面积拓广至4英寸。

19、环形石英窗安置于沉积台下方，远离等离子体，避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。可升降式衬底台调谐结构可上下运动，用于实时调谐微波电场和等离子体。本装置主要用于制备异质外延单晶金刚石和多晶金刚石膜，可实现高功率、高腔压下金刚石单晶或大面积薄膜的高质量均匀沉积。

20、产生等离子体并进行异质外延单晶金刚石沉积的关键之处在于：将衬底放于可升降式衬底台上，腔室抽真空至1.0×10-1pa，抽至预定真空后向腔室中通入氢气和甲烷，保持腔压为3000-16000pa。开启2.45ghz微波电源，调节输出功率至0.6-5kw。偏压电极为衬底在形核过程中提供偏压电场。调节三销钉调配器、短路活塞、可升降式衬底台调谐结构使微波反射系数最小。达到薄膜沉积过程理想的等离子体放电状态。薄膜沉积完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。

21、本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：

22、本发明利用提出一种tm多模微波等离子体化学气相沉积装置，相对于传统的微波等离子体化学沉积装置，本发明中非圆柱形微波谐振腔由两个不同直径的圆柱体构成，这两个特定直径的圆柱用于产生不同模式的电磁场分布。上部圆柱直径较小，用于在微波谐振腔产生tm01模；下部圆柱直径较大，用于在微波谐振腔产生tm02模。两个圆柱的直径比用以满足产生多种谐振模式的要求。tm01/tm02多模混合不仅可以增强微波电场和提升等离子体密度，而且可使等离子体在衬底表面上方分布更加均匀。钨制偏压电极位于反应器腔室上部，用于在异质外延单晶金刚生长过程中提供偏压电场，增强金刚石在异质衬底(如ir，ysz，或蓝宝石)上的形核。腔室侧面采用了斜面结构，使得微波在衬底处聚焦，增强了衬底表面的电场。相较于典型tm01或tm02单模装置的2英寸有效沉积面积，本多模装置可实现更大尺寸的等离子体放电，可将有效沉积面积拓广至4英寸。

23、环形石英窗安置于沉积台下方，远离等离子体区域，避免了等离子对石英介质窗口的刻蚀。薄膜沉积速率高、大面积均匀性好，装置结构简单、真空性好、可稳定运行和参数易于控制。另外在谐振腔侧面采用了斜面结构，使得微波在衬底处聚焦，增强了衬底表面的电场强度。同时，由于该装置引入了偏压电极，偏压电极在异质外延生长单晶金刚石过程中提供偏压电场，增强衬底处金刚石的形核，因此该装置可用于大尺寸异质外延单晶金刚石的制备。制备的异质外延单晶金刚石作为超宽禁带半导体材料可广泛应用于半导体领域，如紫外探测器、辐照探测器、场效应晶体管等。