微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。微波等離子體是利用微波在真空狀態(tài)下將氣體電離形成的一種等離子體，在電離作用下形成由原子、原子團(tuán)、離子和電子共存的混合物。
[0003]化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposit1n，簡(jiǎn)稱CVD)是制備各種薄膜材料的重要和普遍使用的技術(shù)，利用這一技術(shù)可以在各種基片上制備元素及化合物薄膜。在各種金剛石薄膜的化學(xué)氣相沉積方法中，微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)方法不僅應(yīng)用廣泛，而且是制備高品質(zhì)金剛石膜的首選方法。
[0004]微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)中的石英管式MPCVD裝置因其構(gòu)造簡(jiǎn)單而在金剛石CVD技術(shù)發(fā)展的初期得到了廣泛的應(yīng)用，此類MPCVD裝置具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉和操作方便的優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有的石英管式MPCVD裝置依靠微波等離子體作為加熱源，輸入的微波功率過(guò)大會(huì)使石英管軟化，這樣就限制了輸入的微波功率，并且不能系統(tǒng)控制襯底的溫度，影響微波等離子體的生成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能準(zhǔn)確、大范圍的控制基板溫度的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，提高微波等離子體的生成質(zhì)量，縮短了微波等離子體的生成時(shí)間。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，包括微波源、中頻感應(yīng)加熱器和呈啞鈴結(jié)構(gòu)的石英管反應(yīng)室，所述微波源與導(dǎo)入微波的矩形波導(dǎo)管連接；矩形波導(dǎo)管套在石英管反應(yīng)室的細(xì)頸處，使所述矩形波導(dǎo)管與石英管反應(yīng)室的細(xì)頸之間形成微波諧振腔；石英管反應(yīng)室的上粗頸通過(guò)原料氣進(jìn)氣裝置與原料氣源連接；石英管反應(yīng)室的下粗頸的下方設(shè)有栗；所述中頻感應(yīng)加熱器的線圈圍設(shè)在石英管反應(yīng)室的下粗頸處；
所述石英管反應(yīng)室的下粗頸內(nèi)設(shè)有底座，底座通過(guò)可升降的粗陶瓷管與熱電偶連接，所述熱電偶上設(shè)有基板座，基板座上設(shè)有基板；所述底座通過(guò)細(xì)陶瓷管與石墨臺(tái)連接。
[0007]更進(jìn)一步的方案是:在微波諧振腔的一側(cè)設(shè)有短路活塞，所述短路活塞可以水平移動(dòng)，使微波能量可以集中到啞鈴型石英管反應(yīng)室的細(xì)頸處，在微波諧振腔內(nèi)的石英管反應(yīng)室內(nèi)激勵(lì)氣體形成軸對(duì)稱的等離子體球，通常條件下，在石英管反應(yīng)室中產(chǎn)生Φ30-50mm的微波等離子球。
[0008]更進(jìn)一步的方案是:所述基板位于石英管反應(yīng)室的細(xì)頸內(nèi)，以便于形成微波等離子體。
[0009]更進(jìn)一步的方案是:所述原料氣進(jìn)氣裝置包括至少2根進(jìn)氣管，優(yōu)選為3根，每根進(jìn)氣管上依次設(shè)有氣體流量計(jì)、閥門，所有進(jìn)氣管通過(guò)進(jìn)氣裝置與石英管反應(yīng)室的上粗頸連接。
[0010]更進(jìn)一步的方案是:所述石英管反應(yīng)室的細(xì)頸的內(nèi)徑為40-50mm，優(yōu)選為45mm，內(nèi)徑太大無(wú)法形成等離子球，內(nèi)徑太小，等離子球接觸石英管反應(yīng)室內(nèi)壁，克制了石英管反應(yīng)室，不利于等離子球的形成。
[0011]更進(jìn)一步的方案是:所述粗陶瓷管包括上粗陶瓷管和與上粗陶瓷管套接的下粗陶瓷管，上粗陶瓷管和下粗陶瓷管通過(guò)螺栓固定，可上下移動(dòng)從而調(diào)節(jié)(石墨)基板座的高度，從而用于調(diào)節(jié)基板與等離子體之間的距離。
[0012]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:將石英管反應(yīng)室設(shè)計(jì)成啞鈴結(jié)構(gòu)(兩頭大中間小)，中間小(石英管反應(yīng)室細(xì)頸)以便于等離子球的形成，上部(石英管反應(yīng)室上粗頸)大便于原料氣的進(jìn)氣，下部(石英管反應(yīng)室下粗頸)大便于中頻感應(yīng)加熱器的銅線圈纏繞，有利于石墨的加熱；采用中頻感應(yīng)加熱器能方便控制基板加熱溫度，準(zhǔn)確的對(duì)基板進(jìn)行溫度控制，提高了微波等離子體的形成質(zhì)量，縮短了微波等離子體的形成時(shí)間；石英管反應(yīng)室的細(xì)頸與矩形波導(dǎo)管之間形成微波諧振腔，便于產(chǎn)生等離子體球；在石英管反應(yīng)室下粗頸外圍繞中頻感應(yīng)加熱器中的銅線圈，用于感應(yīng)石墨臺(tái)加熱產(chǎn)生熱量。
【附圖說(shuō)明】
[0013]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:11 一中頻感應(yīng)加熱器，12—啞鈴型石英管反應(yīng)室，13—進(jìn)氣裝置，14一微波源，15—矩形波導(dǎo)管，16—微波諧振腔，17—短路活塞，2—基板，3—基板座，41 一熱電偶，42—粗陶瓷管，43—底座，51—石墨臺(tái)，52—細(xì)陶瓷管，61、62、63—原料氣，71—第一氣體流量計(jì)，72—第二氣體流量計(jì)，73—第三氣體流量計(jì)，81—第一閥門，82—第二閥門，83—第三閥11，9一栗。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0015]本發(fā)明是對(duì)傳統(tǒng)石英管型MPCVD裝置進(jìn)行改進(jìn)，用中頻感應(yīng)加熱器對(duì)基板進(jìn)行系統(tǒng)加熱，用啞鈴型石英管反應(yīng)室代替?zhèn)鹘y(tǒng)直臂型石英管，克服傳統(tǒng)石英管式一微波等離子化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)不能系統(tǒng)、準(zhǔn)確、大范圍控制基板溫度的問(wèn)題。
[0016]參見(jiàn)圖1，一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，包括微波源14、中頻感應(yīng)加熱器11和呈啞鈴結(jié)構(gòu)的石英管反應(yīng)室12，微波源14與導(dǎo)入微波的矩形波導(dǎo)管15連接；矩形波導(dǎo)管15套在石英管反應(yīng)室12的細(xì)頸處，使矩形波導(dǎo)管15與石英管反應(yīng)室12的細(xì)頸之間形成微波諧振腔16，在微波諧振腔16的一側(cè)設(shè)有短路活塞17，該短路活塞17可以水平移動(dòng)，使微波能量可以集中到啞鈴型石英管反應(yīng)室的細(xì)頸處，在微波諧振腔16內(nèi)的石英管反應(yīng)室內(nèi)激勵(lì)氣體形成軸對(duì)稱的等離子體球，通常條件下，在石英管反應(yīng)室12中產(chǎn)生Φ30-50_的微波等離子球；石英管反應(yīng)室12的上粗頸通過(guò)原料氣進(jìn)氣裝置與原料氣源連接；石英管反應(yīng)室12的下粗頸的下方設(shè)有栗9 ;中頻感應(yīng)加熱器11的線圈圍設(shè)在石英管反應(yīng)室12的下粗頸處；
石英管反應(yīng)室12的下粗頸內(nèi)設(shè)有底座43，底座43通過(guò)可升降的粗陶瓷管42與熱電偶41連接，熱電偶41上設(shè)有基板座3，基板座3上設(shè)有基板2 ;底座43通過(guò)細(xì)陶瓷管52與圓柱形的石墨臺(tái)51連接。
[0017]本實(shí)施例中，為了便于形成微波等離子體，所述基板2位于石英管反應(yīng)室12的細(xì)頸內(nèi)。所述原料氣進(jìn)氣裝置包括3根進(jìn)氣管，每根進(jìn)氣管上依次設(shè)有氣體流量計(jì)、閥門，以便于準(zhǔn)確控制原料氣進(jìn)氣量，所有進(jìn)氣管通過(guò)進(jìn)氣裝置13與石英管反應(yīng)室12的上粗頸連接(即原料氣61依次通過(guò)第一氣體流量計(jì)71和第一閥門81與進(jìn)氣裝置13連接，原料氣62依次通過(guò)第二氣體流量計(jì)72和第二閥門82與進(jìn)氣裝置13連接，原料氣63依次通過(guò)第三氣體流量計(jì)73和第三閥門83與進(jìn)氣裝置13連接；第一氣體流量計(jì)71、第二氣體流量計(jì)72和第三氣體流量計(jì)73用于控制石英管反應(yīng)室12內(nèi)各氣體的濃度)。所述石英管反應(yīng)室的細(xì)頸的內(nèi)徑為45mm。所述粗陶瓷管42包括上粗陶瓷管和與上粗陶瓷管套接的下粗陶瓷管，上粗陶瓷管和下粗陶瓷管通過(guò)螺栓固定，可上下移動(dòng)從而調(diào)節(jié)(石墨)基板座的高度，從而用于調(diào)節(jié)基板與等離子體之間的距離。
[0018]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，包括微波源和石英管反應(yīng)室，其特征在于:所述微波源與導(dǎo)入微波的矩形波導(dǎo)管連接；所述石英管反應(yīng)室呈啞鈴結(jié)構(gòu)，所述矩形波導(dǎo)管套在石英管反應(yīng)室的細(xì)頸處，使所述矩形波導(dǎo)管與石英管反應(yīng)室的細(xì)頸之間形成微波諧振腔；石英管反應(yīng)室的上粗頸通過(guò)原料氣進(jìn)氣裝置與原料氣源連接；石英管反應(yīng)室的下粗頸的下方設(shè)有栗； 所述微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置還包括中頻感應(yīng)加熱器，所述中頻感應(yīng)加熱器的線圈圍設(shè)在石英管反應(yīng)室的下粗頸處； 所述石英管反應(yīng)室的下粗頸內(nèi)設(shè)有底座，底座通過(guò)可升降的粗陶瓷管與熱電偶連接，所述熱電偶上設(shè)有基板座，基板座上設(shè)有基板；所述底座通過(guò)細(xì)陶瓷管與石墨臺(tái)連接。2.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:在微波諧振腔的一側(cè)設(shè)有短路活塞。3.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述基板位于石英管反應(yīng)室的細(xì)頸內(nèi)。4.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述原料氣進(jìn)氣裝置包括至少2根進(jìn)氣管，每根進(jìn)氣管上依次設(shè)有氣體流量計(jì)、閥門，所有進(jìn)氣管通過(guò)進(jìn)氣裝置與石英管反應(yīng)室的上粗頸連接。5.如權(quán)利要求4所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述進(jìn)氣管有三根。6.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述石英管反應(yīng)室的細(xì)頸的內(nèi)徑為40-50mm。7.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述石英管反應(yīng)室的細(xì)頸的內(nèi)徑為45mm。8.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于:所述粗陶瓷管包括上粗陶瓷管和與上粗陶瓷管套接的下粗陶瓷管，上粗陶瓷管和下粗陶瓷管通過(guò)螺栓固定。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，包括微波源、中頻感應(yīng)加熱器和石英管反應(yīng)室，微波源與導(dǎo)入微波的矩形波導(dǎo)管連接；石英管反應(yīng)室呈啞鈴結(jié)構(gòu)，矩形波導(dǎo)管套在石英管反應(yīng)室的細(xì)頸處，使矩形波導(dǎo)管與石英管反應(yīng)室的細(xì)頸之間形成微波諧振腔；石英管反應(yīng)室的上粗頸通過(guò)原料氣進(jìn)氣裝置與原料氣源連接；中頻感應(yīng)加熱器的線圈圍設(shè)在石英管反應(yīng)室的下粗頸處；石英管反應(yīng)室的下粗頸內(nèi)設(shè)有底座，底座通過(guò)可升降的粗陶瓷管與熱電偶連接，熱電偶上依次設(shè)有基板座、基板；底座通過(guò)細(xì)陶瓷管與石墨臺(tái)連接。本發(fā)明能準(zhǔn)確、大范圍的控制基板溫度，提高微波等離子體的生成質(zhì)量。
【IPC分類】C23C16/513
【公開號(hào)】CN105239057
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510747695
【發(fā)明人】涂溶, 徐偉清, 章嵩, 張聯(lián)盟
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年11月6日