一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置。包括微波入口、上圆柱谐振腔、真空石英环、M形同轴天线、下圆柱谐振腔、测温窗口、第二调谐结构、排气口、第一调谐结构、沉积台、衬底、等离子体区、进气口、偏压电极。M形同轴天线的M形顶角对微波具有强汇聚作用，可提高微波耦合效率，并强化电场和等离子体强度。真空石英环置于M形同轴天线顶部。M形同轴天线底部中心放置偏压电极，偏压电极无需从M形同轴天线底部进一步突出就可形成强偏压电场，避免偏压电极伸出影响微波耦合；沉积台、第一调谐结构、第二调谐结构均可上下运动，调谐电场和等离子体。本装置主要用于制备单晶金刚石和多晶金刚石膜，可实现高功率、高或低腔压下单一等离子体高效沉积。一等离子体高效沉积。一等离子体高效沉积。
【技术实现步骤摘要】
一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置
[0001]本专利技术属于化学气相沉积金刚石
，具体为一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置。
技术背景
[0002]金刚石具有优异的力学、光学、热学等综合性能，一直是材料领域的研究热点。但自然界存在数量较少，且多为尺寸较小的颗粒，无法满足多样的市场需求。而化学气相沉积(CVD)方法可以沉积尺寸更大的高质量金刚石，扩展了金刚石的使用范围。常用的金刚石CVD方法，主要包括热丝CVD(HFCVD)、直流电弧等离子体喷射CVD(DC Arc Plasma Jet CVD)以及微波等离子体CVD(MPCVD)三种。其中，MPCVD被认为是制备高质量金刚石的首选方法。工业用MPCVD共有2.45GHz和915MHz两个微波频率，两种微波波长λ分别为122mm和328mm，所能沉积的金刚石直径一般为1/2λ，即分别为61mm和164mm。因技术和成本等问题，我国开始发展的是2.45GHz MPCVD技术，并取得众多成果。伴随需求升级，2.45GHz MPCVD技术不能再满足市场的需求。为此，在2.45GHz MPCVD技术的基础上，915MHz MPCVD正在逐渐发展，但915MHz MPCVD发展存在更大难度，主要原因与微波介质真空石英窗口的形状及位置密切相关。
[0003]MPCVD技术根据谐振腔内真空腔室介质窗口形状及位置，主要可以分为石英管式、石英板式、石英钟罩式和石英环式。
[0004]石英管式MPCVD多在矩形波导内将微波直接耦合出强电场区，使用石英管在强电场位置密封，提供真空环境，进行金刚石生长过程，使用频率多为2.45GHz。石英管式MPCVD因石英管与等离子体直接接触，引起散热差、刻蚀严重等问题，导致该种模式很难实现高功率条件金刚石沉积。目前在石墨烯、碳纳米管等领域有较多应用，使用功率0.8
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2kW。
[0005]石英板式MPCVD是通过在圆柱形金属谐振腔内形成的电场区，以石英平板将该电场区与大气隔离，形成真空腔室并使用微波激励出等离子体，进行CVD生长过程。石英板式MPCVD使用频率多为2.45GHz，使用功率较低，这主要归因于在高功率时，石英板处极易出现次生等离子体，引起石英板过热及刻蚀等问题。
[0006]石英钟罩式MPCVD(M Kamo,Y Sato,S Matsumoto,et al.Journal of Crystal Growth,1983,62:642
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644)主要是将谐振腔内耦合出的强电场区通过石英钟罩将电场与大气隔离开，形成真空室，并可以通过石英钟罩形状设计调整等离子体分布。与石英板相同，石英钟罩直面等离子体，在高功率沉积时，石英钟罩易出现过热及被等离子体刻蚀等问题。
[0007]石英环式MPCVD主要包括两种方式，一种是通过石英环将狭缝式环形腔体中心耦合出的强电场区与大气分开；第二种是将石英环放置于谐振腔与同轴天线微波传输通道中，将耦合出的电场与大气隔开。第一种方式石英环与等离子体直接接触，仍存在高功率等离子体刻蚀及石英环散热问题。第二种方式石英环可远离等离子体，对避免等离子刻蚀以及防止高温具有较好的效果，也是目前高功率2.45GHz MPCVD发展的重要方向，但第二种石英环式MPCVD存在冷却不足导致沉积功率低，调谐能力不足等问题。
[0008]因此，2.45GHz MPCVD装置存在的主要问题可以总结为石英微波介质窗口易刻蚀、冷却差、调谐能力弱等问题,使用功率一般不超过6kW，也有10kW和15kW报道。而对于功率更高、波长更长的915MHz MPCVD装置更应避免上述问题。915MHz MPCVD装置在设计时多由频率2.45GHz的装置放大2.7倍之后获得，两者使用腔室压力相近，但前者功率最大是后者的几十倍，基于较低腔室压力，简单几何放大后的装置极易出现次生等离子体，即多个等离子体分散微波能量，导致沉积效率降低。因此，915MHz MPCVD除了具有2.45GHz MPCVD常见问题外，还易存在高功率、低腔压时严重的次生等离子体问题，而高功率、低腔压条件是制备大面积金刚石(直径≥1/2λ)重要方式。
[0009]石英钟罩式MPCVD频率由2.45GHz改变到915MHz较为方便，即控制石英钟罩的尺寸及形状可以避免次生等离子体问题，但石英钟罩直面等离子体的问题无法解决。目前，包括Fraunhofer(M F
ü
ner,Wild C,Koidl P.Surface and Coatings Technology,1999,(116
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119),853
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862.)和密西根州立大学(T Grotjohn,R Liske,K Hassouni,et al.Diamond and Related Materials,2005,14(3
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7):288
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291.)在内研制出多款915MHz石英钟罩式MPCVD装置，实际使用功率情况尚不明确。Seki公司(http://sekidiamond.com/)设计了石英环式915MHz MPCVD装置，该装置设计功率可以达到75kW，但目前已经退出销售市场，原因未知。
[0010]此外，德国Schreck等(M.Schreck,G.Stefan,B.Rosaria,et al.Scientific Reports,2017,744462.)报道的92mm金刚石异质外延单晶，引领大尺寸异质外延金刚石单晶成为金刚石制备领域研究热点，该种材料制备除需要915MHz MPCVD装置外，还需添加偏压装置，以高密度取向形核。
[0011]综上所述，理想的915MHz MPCVD设计需要兼顾调谐性能、石英环无刻蚀、水冷、低腔压单一等离子体、偏压形核等方面。
技术实现思路
[0012]本专利技术提出了一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置，目的是要求装置兼顾调谐性能、石英环无刻蚀、水冷、低腔压单一等离子体、偏压形核等方面。
[0013]本专利技术提出的一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波入口、上圆柱谐振腔、真空石英环、同轴天线、下圆柱谐振腔、测温窗口、第二调谐结构、排气口、第一调谐结构、沉积台、衬底、等离子体区、进气口、偏压电极；其中，微波入口、上圆柱谐振腔、同轴天线、下圆柱谐振腔、第二调谐结构、第一调谐结构、沉积台组成完整谐振腔；真空石英环放置于同轴天线顶部，通过胶圈密封与下圆柱谐振腔形成真空腔；进气口和出气口分别位于下圆柱谐振腔的上方和下方；第二调谐结构、第一调谐结构、沉积台可以进行上下运动，进行电场及等离子体调谐；偏压电极位于同轴天线底部中心处。
[0014]进一步地，所述同轴天线为M形，M形顶角对微波具有强汇聚作用，有利于强化电场和等离子体强度，其角度范围为15
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75
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；此外，真空石英环利用同轴天本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括微波入口(1)、上圆柱谐振腔(2)、真空石英环(3)、同轴天线(4)、下圆柱谐振腔(5)、测温窗口(6)、第二调谐结构(7)、排气口(8)、第一调谐结构(9)、沉积台(10)、衬底(11)、等离子体区(12)、进气口(13)、偏压电极(14)；其中，微波入口(1)、上圆柱谐振腔(2)、同轴天线(4)、下圆柱谐振腔(5)、第二调谐结构(7)、第一调谐结构(9)、沉积台(10)组成完整谐振腔；真空石英环(3)放置于同轴天线(4)顶部，通过胶圈密封与下圆柱谐振腔(5)形成真空腔；进气口(13)和出气口(8)分别位于下圆柱谐振腔(5)的上方和下方；第二调谐结构(7)、第一调谐结构(9)、沉积台(10)可以进行上下运动，进行电场及等离子体调谐；偏压电极(14)位于同轴天线(4)底部中心处。2.根据权利要求1所述的M形同轴天线915MHz微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于同轴天线为M形，M形顶角对微波具有强汇聚作用，有利于强化电场和等离子体强度，其角度范围为15
°‑
75
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【专利技术属性】
技术研发人员：安康，李成明，陈良贤，刘金龙，魏俊俊，张建军，郑宇亭，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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