微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)研究.pdf

1、金剛石具有一系列優(yōu)異的物理及化學(xué)性質(zhì)，如它的硬度高、熱導(dǎo)率大、禁帶寬、介電常數(shù)低、抗輻射能力強(qiáng)等。微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為目前最有發(fā)展前景的高質(zhì)量金剛石薄膜沉積方法之一。本文的內(nèi)容即為研制一臺(tái)3KW的微波等離子化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。
　　微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）的諧振腔內(nèi)沒(méi)有內(nèi)部電極，可以避免電極放電所產(chǎn)生的污染，而且，它的運(yùn)行氣壓范圍比較寬，所產(chǎn)生等離子體密度高、區(qū)域大，穩(wěn)定度高，且不

2、與真空器壁接觸，從而避免了器壁對(duì)薄膜的污染。因此微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為目前最有發(fā)展前景的高質(zhì)量金剛石薄膜沉積方法之一。本文介紹了微波等離子體化學(xué)氣相沉積的原理以及它的優(yōu)點(diǎn)。
　　其次介紹了MPCVD系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，從最初的石英管式MPCVD，發(fā)展到功率更高的石英鐘罩式MPCVD，再發(fā)展到不銹鋼諧振腔式，最后是增強(qiáng)型的ECR-MPCVD系統(tǒng)；對(duì)MPCVD系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，國(guó)內(nèi)在該方面的研究

3、還比較落后，存在的問(wèn)題也比較多。
　　第三詳細(xì)介紹了微波等離子體的產(chǎn)生機(jī)理，微波等離子是一種通過(guò)微波放電產(chǎn)生的等離子體，與直流放電和射頻放電能相比有較多的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。分析了微波與等離子體的相互作用，包括微波功率和微波場(chǎng)之間的關(guān)系，以及通過(guò)微波功率的變化推知等離子體狀態(tài)的變化，此外還分析了微波在等離子體中的傳播模型，對(duì)等離子體對(duì)微波的入射、透射和反射進(jìn)行了建模分析。最后介紹了表征等離子體的一些基本參數(shù)。
　　在MPCV

4、D系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，諧振腔的設(shè)計(jì)非常重要。由于諧振腔中微波與等離子體之間強(qiáng)烈的相互作用，人們很難根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)諧振腔進(jìn)行改進(jìn)，本文利用ANSOFT軟件對(duì)MPCVD的諧振腔系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。首先分析了圓柱諧振腔的場(chǎng)型和微擾，選取TE10模式為微波的傳輸模式，在圓柱諧振腔中選取TM01模式作為諧振模式；其次對(duì)TE11模式的抑制進(jìn)行了介紹，分析了抑制TE11的方法；然后對(duì)諧振腔內(nèi)的電場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，并通過(guò)簡(jiǎn)化的模型計(jì)算出了等離子體的分布，通過(guò)對(duì)等離子

5、體分布的分析，對(duì)諧振腔的主要尺寸，包括諧振腔的半徑、高度和同軸天線的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的諧振腔參數(shù)為諧振腔高度Z1為427mm,諧振腔半徑Z2為90mm，同軸天線Z3的最優(yōu)值為37mm。對(duì)諧振腔的設(shè)計(jì)提供了參考。
　　本論文的主要工作是參加微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）的研制。介紹了不銹鋼石英鐘罩式MPCVD設(shè)備的構(gòu)成，該設(shè)備主要由微波源及傳輸系統(tǒng)、模式變換器以及等離子體放電腔、真空及氣路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)以及測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成

6、；分析了微波的產(chǎn)生以及傳輸過(guò)程以及采用控制陽(yáng)極電流的方法對(duì)微波的輸出功率進(jìn)行穩(wěn)定的控制過(guò)程。分析了矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)以及單模傳輸條件。介紹了微波經(jīng)模式轉(zhuǎn)換器耦合到圓柱諧振腔的原理。使用硅膠法對(duì)諧振腔的模式進(jìn)行分析。對(duì)金剛石膜的表征方法，如XRD、SEM、Raman譜儀、能譜儀等進(jìn)行了介紹。
　　在研制成功的MPCVD系統(tǒng)上進(jìn)行了金剛石薄膜沉積實(shí)驗(yàn)。分別討論了基片預(yù)處理方式、氣源成分和沉積溫度對(duì)成膜質(zhì)量的影響。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)，制備出一批金