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1、74Vacuum&Cryogenics1997年6月微波等离子体化学气相沉积装置的工作原理吕庆敖 邬钦崇(中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031)(收稿日期1997-01-19)WORKINGPRINCIPLEOFMICROWAVEPLASMACVDSETUPLüQingaoWuQinchong(InstituteofPlasmaPhysics,AcademiaSinica,Hefei230031)Abstract:MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition(MPCVD)isanimportantmethodfordiamondfilmp
2、reparation.ThemicrowavemodessuchasTE10,TEMandTM01inthemicrowavemodeconverteroftheMPCVDsetupsweremeasuredinexperiments.TheinitialphasesofTEMandTM01modesweregivenrespectively.Thecouplingbetweenmicrowaveandplasmawasde2scribed.5kWantennacoupledMPCVDsetupwasdevelopedinChinaforthefirsttime.Keywords:
3、Microwavemode,Plasma,CVDsetup.摘 要:微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是制备金刚石膜的一种重要方法。用简单实验方法给出了MPCVD装置中微波模式转换、微波与等离子体耦合等工作原理。矩形波导中的TE10模式经微波模式转换器转变为同轴线中的TEM模式,再由TEM模式转变为圆波导的TM01模式。TM01模式激发低压气体形成等离子体,等离子体严重影响微波模式分布。在国内首次成功运行了5kW天线耦合石英窗式MPCVD装置。关键词:微波模式、等离子体、化学气相沉积装置。分类号:TB79、TB43、TM924.75、O643.131。 金刚石具有很多优异性能
4、(如高硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高透导光率、高热导率、高绝缘、宽能隙载流子的高迁移率以及良好的化学稳定性等)。因此,金刚石膜在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。常用的低气压和低温度下沉金刚石膜方法有:热丝法、等离子体炬法、微波等离子体法等。其中微波等离子体化学气相沉积法具有综合优势。美国ASTeX公司在1992年已经推出MPCVD制备金刚石膜的商品装置(微波功率1.5kW和5kW)和全透明金刚石膜商品。Westinghouse电气公司于1991年用MPCVD法在直径为40mm的航天器窗口上沉积金刚石膜。我所于1994年研制成功800WMPCVD装置并制备了金刚石膜。就
5、作者所知,关于MPVCD装置的结构和工作原理却未曾详细报道。1 实验装置MPCVD装置包括2.45GHz或915MHz的微波源、环形器与水负载、定向耦合器与微波功率计、阻抗调配器、微波模式转换器、反应室、供气、抽气、检测系统等。其中微波模式转换器 真空与低温 第3卷第2期吕庆敖等 微波等离子体化学气相沉积装置的工作原理75是关键部件。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(133～9310Pa,H2中混入0.1%～5%的CH4)形成等离子体。TM01驻波模式的电场等势面分布为不
6、接触谐振腔壁的同心椭球。这样,TM01模式能激发不接触腔壁的椭球状等离子体,避免了接触污染,从而可能制备出高质量的金刚石薄膜。图1是MPCVD装置中微波模式转换器和反应腔结构示意图。2 用硅胶法测定微波模式转换器工作原理TE10模式微波在矩形波导中遇到耦合天线后向下传播,在天线尽头转变为TM01模式。为了搞清模式转变的详细过程,作者把天线与圆波导看作同轴线,并假设其模式转换过程:TE10模式转变为同轴线的TEM模式,TEM模式再转变为TM01模式;并假设前一个转变是突变的,TEM模式有固定的初位相,后一个转变是连续的,TM01模式没有固定的初位相。为证明假设,作者在反应腔内同轴放置
7、一石英硅胶管(如图1所示)。硅胶吸收微波能量变色可以显示反应腔内微波共振时图1微波模式转换器及反应腔微波在轴向上的分布(传播波长)。由于MPCVD装置的合理设结构示意图计,反应腔内的微波模式最多有三种TE11、TM01、TE21。而且其1-可调式耦合天线;2-石英真传播波长各不相同,这样硅胶显示可以确定反应腔内微波模式。空窗;3-冷却水;4-可调试反通过反应腔内微波模式分布随天线长度和反应腔端面位置的变应腔端面;5-气体出口;6-硅胶石英管;7-气体进口化来推测微波模
