首页 -> 产品分类 -> 微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展
 

微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展

时间:2008-08-11 01:40:03  浏览:        

摘要:综述了各种微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜装置的结构及工作原理,并对它们各自的优缺点做了比较分析;基于MPCVD金刚石膜装置的发展现状,构想设计了一种新型高效的大功率大面积快速沉积CVD金刚石膜装置,并对其可行性做了初步分析研究。
关键词:金刚石膜;微波;化学气相沉积;装置
Abstract:An overview on structure and work principium of various apparatus to grow microwave plasma chemical vapor
deposition diamond films and also compare and analyze their virtue and flaw separately;Based on these actuality,it design
a new apparatus to rapidly grow chemical vapor deposition diamond films under large power and area,and approximately
analyze the feasibility of this apparatus.
Key words:diamond films;microwave plasma;chemical vapor deposition;apparatus
1引言
在所有的物质中,金刚石具有最高的硬度,在室温下具有最高的热导率、极低的热膨胀系数、高的化学惰性、大的禁带宽度、最高的声传播速率,以及从远红外光区到深紫外光区的高透射性等十分优异的力学、热学、化学、电学、声学和光学性能,使得其在科学研究和工业上具有极广阔的应用前景。然而天然金刚石数量稀少,人们难以大规模地使用金刚石,所以早在20世纪50年代,人们便开始了低温低压条件下合成金刚石薄膜的探索;到80年代中期,随着制备技术的不断改进,金刚石薄膜在成膜面积、生长速率及薄膜质量等方面都取得了突破性进展,从而提供了工业应用的可能性。于是,人造金刚石在世界范围内兴起,美、日、俄等发达国家纷纷投入巨大资金从事这一领域的研究和开发,而金刚石薄膜的制备技术特别是合成装置及工艺则
成了各国竞争的关键。
2微波等离子体化学气相沉积装置研制历史及现状
自从Matsumto[1]等于1982年发明了化学气相沉积即CVD法制备金刚石薄膜后,到目前已经开发出很多种CVD法制备金刚石薄膜的装置及工艺,其中主要有:热丝法(HFCVD)[1]、微波法(MPCVD)[2]、氧气-乙炔燃烧火焰法(Oxy-acetyleneCombustion Flame)[3]和直流等离子体火炬法(DC Plasma-jet CVD)[4]。微波法避免了热丝法中因热金属丝蒸发而对金刚石薄膜的污染[5],并且可以在沉积腔中产生既大面积而又稳定的等离子体球,有利于大面积、均匀地沉积金刚石膜,这又是火焰法难以达到的[6]。与直流等离子体火炬法相比,微波功率调节连续平缓,使得沉积温度可连续稳定变化,克服了直流电弧法中因电弧的点火及熄灭而对衬底和金刚石膜的巨大热冲击所造成的金刚石膜很容易从基片上脱落的缺点[7]。因此微波法在所有金刚石薄膜制备法中具有十分突出的优越性,微波等离子体化学气相沉积被认为是高速率、高质量、大面积沉积金刚石膜的首选方法。MPCVD沉积装置到目前为止有以下几种形式:按微波与等离子体的耦合方式分:表面波耦合式,直接耦合式,天线耦合式和线形同轴耦合式;按沉积装置真空室的形式分:石英钟罩式,石英管式和不锈钢谐振腔式;按使用的微波频率分有2.45 GHz和915 MHz。
2.1表面波耦合石英管式MPCVD装置表面波激发等离子体的基本原理:微波经过环行器和波导管,在波导短路活塞的调节下通过耦合孔进入真空室,当微波功率足够大时,该处的局部场强很强,在较低气压下就可首先击穿气体放电,并在下端短路活塞调节下形成高密度的等离子体。整个装置由微波发生器、波导管、真空反应室和真空系统组成,微波发生器产生频率为2.45 GHz的微波,经过匹配器和波导管,进人石英管,在真空室内激励等离子体。与其他等离子体相比,表面波等离子体不仅具有低压、高密度的特点,同时离子源结构简单,不需要外部磁场,操作方便,并且可以在很宽的微波频率范围内放电,其频率范围可以从几兆赫兹到十几吉赫兹[8]。因此,表面波等离子体具有更加广泛的应用前景。但是目前国内MWPCVD制备金刚石膜的表面波耦合石英管式MPCVD装置,存在着微波运行功率和沉积面积受限制、器壁材料对薄膜有污染等缺点[9],并且当微波功率加大时,石英管会受热软化,因此该类反应器的微波功率受到限制,一般低于800 W。
2.2直接耦合石英管式MPCVD装置。此装置的基本工作原理:微波经过波导管、磁控管和环行器,在阻抗螺钉和波导管中的短路活塞共同调节下进入石英管真空室,当微波功率增大到一定时击穿气体放电并形成等离子体球。该装置的特点是将石英管真空室直接插入到波导管内,微波在阻抗调配器和短路活塞的调节下直接耦合激励产生等离子体。微波发生器产生频率为2.45 GHz,但其输出可调功率范围为0~800 W,有效最大功率仅为400~500 W。
2.3直接耦合不锈钢圆筒腔式MPCVD装置(澳大利亚Sydner大学,图3[11])此装置的特点:其真空室采用带有石英微波窗的金属圆筒腔体,微波透过石英窗口进入密封的不锈钢圆筒内,在波导管末端的短路活塞调节下直接耦合激发产生等离子体。这种装置的优点为真空沉积。由金属制成,可以采取用水冷却的办法来降低沉积反应室的温度,从而可加大微波输入功
率,提高沉积速率。但该装置与直接耦合石英管式一样在形成等离子体的调节上具有一定难度,沉积面积受限制,所能沉积金刚石膜直径最大不超过!50 mm,并且膜的纯净度不是很高。
2.4天线耦合石英钟罩式MPCVD装置(图4)
我国已于1993年成功研制出天线耦合石英钟罩式800 W的MPCVD装置,见文献[12]。石英钟罩式MPCVD装置原理及特点:与石英管式不同的是石英钟罩式MPCVD装置存在模式转换。该装置的工作原理是微波产生频率为2.45 GHz的微波,沿矩形波导以TE10模式传播,经过环行器、三螺钉调配器和发射天线等的共同作用,微波传播模式转换为沿圆形波导传播的TM01模式,最后在谐振腔(石英钟罩)内激励其中的气体形成均匀等离子体球。沉积腔体直径达到!120 mm,等离子体球的直径取决于沉积腔体中的气体压力和微波功率。沉积温度以微波自加热方式来达到。此装置由于存在模式转换而能够在石英真空腔体中激励出等离子体球。石英钟罩距离等离子体球较远,因此不易产生器壁污染,同时薄膜的沉积面积也得到扩大。这样对于面积较大、纯净度要求高的金刚石薄膜的沉积极为有利。随着真空腔体尺寸的扩大,改善了石英管式沉积装置中微波功率和沉积气压等参数的限制,从而拓展了金刚石薄膜沉积规律的研究范围。
2.5天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD装置我国又于1997年研制出了5.0 kW的天线
耦合不锈钢谐振腔式MPCVD装置[9]。该装置包括2.45 GHz、5.0 kW的磁控管微波源、环形器与水负载、定向耦合器与微波功率计、三螺钉阻抗调配器、天线耦合式微波模式转换器、内径为!143 mm的带有石英微波窗和观察窗的水冷却不锈钢反应室以及4路质量流量控制器、机械真空泵、红外测温仪、热偶真空计和U形水银压力计等。其中微波模式转换器可把矩形波导的TE10模式转换为圆波导的TM01模式,TM01模式激发低压含碳气体(133~9 310 Pa,H2中混入0.1%~5.0%的CH4)形成等离子体。由于TM01驻波模式的电场等势面分布为不接触谐振腔壁的同心椭球,故TM01模式能激发接触腔壁的椭球状等离子体,避免了接触污染,从而可制备出高质量的金刚石薄膜。本实验室通过对此装置的进一步改进,已经实现了10 kW的微波功率输出,并在微波有效输出功率为6.0 kW时能够长时间稳定运行,沉积膜的速率达到3μm/h左右,详情见文献[14]。
2.6线形同轴耦合式微波等离子体CVD装置(图6[15~17]此装置是由德国斯图加特大学于20世纪90年代发明的,由于这种装置产生的微波等离子体是沿轴向呈线形扩展分布的,所以被称之为线形同轴耦合式微波等离子体CVD装置。此装置由微波发生器、微波传输与模式转换器、真空室、真空泵、气体输入控制系统、水冷系统以及微波等离子体激励装置等几个主要部分组成。2只功率为800 W的磁控管产生频率为2.45 GHz的微波,经过波导和模式转换器,微波耦合进入充有特定成分气体的真空室,产生的等离子体与作为微波发射天线的铜导体棒两者一起构成同轴波导,它不仅构成了微波负载,同时也起着传输微波能量的作用。该装置克服了石英管式、石英钟罩式和不锈钢谐振腔式MPCVD装置中等离子体易受金属基片干扰的缺点,且其产生的等离子体在轴线方向上分布较为均匀,稳定可靠,可控性好,适合于用来对金属样品进行
CVD涂层处理。
3一种大功率大面积生长CVD金刚石膜装置的构想
前面所介绍的在2.45 GHz频率下工作的天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD装置(目前国内最好的),能够耦合进的微波功率水平已经接近于极限值[18]。笔者基于CVD金刚石膜装置的发展现状,构想设计了一种新型高效的大功率大面积CVD积金刚石膜装置———多模盖式谐振腔型等离子体CVD装置(见图7),对此种装置的可行性做初步理论分析如下。该谐振腔微波的耦合原理和工作特点为:微波经基模波导传输,通过一个TEM结构(模式转换器)耦合到真空沉积室的底部,TEM传输部分与样品台相连接。微波电磁场由中心进入并沿径向向外发射。介质石英窗口放在接近于样品台外边处,此处场强相对较弱以防止等离子体击穿。同时窗也起着真空密封作用,防止在TEM区产生等离子体。上面设计一个上下可以调节的倒置基片台,通过它的调节可以使得等离子体球被“压扁”成一个碟形状,以增大了沉积膜的面积。模式转换天线中通入循环冷却水来降低基片台的温度;装置的外盖的材料采用双层不锈钢,可通循环冷却水,这样就大大地降低了整个装置的温度,从而在增大微波输入功率时可将金刚石膜沉积的温度控制在600~1 100℃[19],保证金刚石膜的质量。此结构设计可以使得等离子体的压力和功率稳定性比前面讨论的单模谐振腔要强得多。此外,窗口的放置方式避免了直接面对等离子体,从而减少了等离子体化学反应中产生的副产物的涂覆,大大避免了换窗的上下可调节进气4麻烦,降低了生产成本。当微波频率选用2.45 GHz时,微波输入功率可达10 kW,所形成的等离子体比单模大得多,可以沉积出直径为!125 mm的金刚石膜,当微波频率选用915 MHz,这时微波输入功率能够达到30~100 kW,相应沉积出的金刚石膜面积可达!200~400 mm,大大提高了沉积膜的面积,达到国外先进水平。
4结论与展望
目前已经发展了多种用于制备CVD金刚石膜的装置和技术,每套装置根据其应用方向不同而各有优缺点。金刚石膜的市场化和技术发展中要进一步解决的关键问题是:(1)降低沉积温度;(2)提高金刚石膜的质量;(3)提高沉积速率;(4)大面积均匀沉积;(5)降低生长成本。降低沉积温度和提高金刚石膜的质量是一对矛盾,在多种制备技术中,MPCVD是一种获得大尺寸、高质量金刚石膜最为有效的办法。笔者构想的多模盖式谐振腔型等离子体CVD装置,理论上可以实现大功率大面积沉积高质量的CVD金刚石膜,下一步就是要计算出其谐振腔的尺寸并模拟和调试出等离子体球。
参考文献:
[1]MATSUMOTO S,SATO Y,TSUTSUMI M.Growth of diamond particles from methane-hydrogen gas[J].Mater Sci,1982,17(11):
3106~3112.
[2]KAMO M,SATO Y,MATSuMoTO S.Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma[J].J Cryat Growth,1983,62:642~644.
[3]MIYADERA M,KOJIMA S,UCHIDA K.Uniform modulated electron cyclotron resonance plasma for chemical vapor deposition of
diamond films[J].App1 Phys,1991,69:7924~7926.
[4]KURIHARA K,SASAKI K,KAWARADA M.High rate synthesis of diamond by de plasma jet chemical vapor deposition[J].App1
Phys Lett,1988,52:437~438.
[5]MENON P M,EDWARDS A,FEIGERLE C S.Filament metal contamination and Raman spectra of hot filament chemical vapor
deposited films[J].Diamond and Related Materials,1999,8:101~109.
[6]ROZBICKI R T,SARIN V K.A technique for large area deposition of diamond via combustion flame synthesis[J].Thin Solid Films,
1998,332:87~92.
[7]MAY P W.Diamond thin films:a 21st-century material[J].Phil Trans R SOc Lond A,2000,358:473~495.
[8]MUTUMI TUDA,KOUICHI ONO,HIROKI OOTERA.Large-diameter microwave plasma source excited by azimuthally symmetric
surface waves[J].Vac Sci Technol,2000,A18(3):840~848.
[9]舒兴胜,邬敛崇.水冷反应室式MWPCVD制备金刚石膜装置研制[J].真空与低温,2001,7(1):15~17.
[10]SALVADORI M C,AGER J W,BROW N I G.Diamond synthesis by microwave plasma chemical vapor deposition using graphite
as the carbon source[J].App1 Phys Lett,1991,59(19):2386~2388.
[11]LIOU Y,INSPEKTOR A,W EIMER R.The effect of oxygen in diamond deposition by microwave plasma enhanced chemical
vapor deposition[J].Mater Res,1990,5(11):2305~2312.
[12]胡海天,邬钦崇.微波等离子体化学气相沉积金刚石膜[J].物理学报,1996,25(11):688~691.
[13]吕庆敖,邬钦崇,隋毅峰.新型微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜装置[J].真空与低温,1998,4(1):35~37.
[14]黄建良,汪建华.微波法大功率稳定快速沉积CVD金刚石膜[J].武汉工程大学学报,2007,29(4):63~66.
[15]PETASEH W,RTUCHL E,MUEGGE H,et al.Duo-Plasmaline-A Linearly Extended Homogeneous Low Pressure Plasma Source
[J].Surface and Coatings Technology,1997,93:112~118.
[16]KAISER M,BAUMGARTNER K M,SCHULZ A,et al.Linearly Extended Plasma Source for Large-scale Applications[J].Surface
and Coatings Technology,1999,116-119:552~557.
[17]杨志威,陈利民,耿春雷,等.线形同轴耦合式微波等离子体CVD法制备金刚石薄膜[J].人工晶体学报,2004,33(3):432~435.
[18]陈光华,张阳.金刚石薄膜的制备与应用[M].北京:化学工业出版社,2004.33~34.
[19]戴达煌,周克菘.金刚石薄膜沉积制备工艺与应用[M].北京:冶金工业出版社,2001.150~152.黄建良等:微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展5
  
】【关闭

 
 搜索信息
 产品小分类
v 微波硫灯v 微波等离子体技术研究
 产品分类
v 微波干燥 v 微波杀菌
v 微波烧结 v 微波真空
v 微波萃取 v 微波解冻
v 微波消解 v 微波合成
v 微波等离子 v 微波加热
v 微波化学 v 商业微波炉
v 微波硫化 v 微波专利
v 微波备件
 热点信息 
·凯尔微波致全体客户一封 05-26
·企业文化 05-10
   
 

电话:86 535 6820199/077/288   传真:86 535 6820288     咨询:8618653505872

公司地址:烟台市西盛街28号第一大道1007-1
生产工厂:山东省蓬莱市经济技术开发区上海路1号   邮编:264000  粤ICP备05020791号