熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備

熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備（DCCVD）是在常規(guī)冷陰極輝光放電基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要用于金剛石單晶或多晶膜的沉積生長。

一、熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備的組成區(qū)和基本特征

熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備輝光放電沿陰極到陽極軸線方向可分為四個區(qū)域：陰極輝光層、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)輝光等離子球、陽極輝光層。其中陰極輝光層是緊貼著陰極的發(fā)光薄層，此處發(fā)生巨浪放電，對輝光放電過程具有重要作用；法拉第暗區(qū)是陰極區(qū)與正柱區(qū)之間的過渡區(qū)，由于大部分電子在陰極區(qū)中碰撞損失了能量，而慢電子不足以引起電離和激發(fā)，因此呈現(xiàn)不發(fā)光暗區(qū)；正柱區(qū)輝光等離子球處于輝光放電的*明顯的位置，其寬度大約占陰極陽極間距的4/5左右，且長度隨著陰陽電極間距的改變而改變；相對于明亮的正柱區(qū)，陽極輝光層發(fā)光稍暗。

熱的陰極、高的氣壓和大的電流密度是熱陰極輝光放電區(qū)別于常規(guī)冷陰極輝光放電的基本特征。放電時，極間存在輝光強度、顏色、明暗的分布，分為四個明顯的區(qū)域。輝光放電覆蓋整個陰極表面，放電電壓隨著放電電流的增加而增加；陰極電子發(fā)射由熱發(fā)射和γ過程共同起作用，兩者的偏重程度主要由陰極溫度決定；陰極位降區(qū)是維持輝光放電的必不可少的部分，此區(qū)的厚度很薄，有高的位降，所以這個區(qū)的場強很高，并且產(chǎn)生巨浪放電。熱陰極輝光放電電流密度遠大于冷陰極輝光放電。

二、熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備DCCVD

熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備DCCVD主要由沉積腔體、真空系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電源、控制系統(tǒng)組成。

1.  沉積腔體

1)      不銹鋼水冷夾層：根據(jù)電極尺寸設(shè)計合適的腔體尺寸，保證腔壁與電極之間無放電情況產(chǎn)生；

2)      開腔方式：升降開腔或前開門，方便放樣及清理；

3)      設(shè)置多個觀察窗，保證能夠觀察到陰陽極及沉積臺；

2.  真空系統(tǒng)

1)      真空泵：通過機械泵抽真空，無需配置分子泵；

2)      極限真空：0.1~1Pa；

3)      抽氣時間：5~15min；

4)      抽氣孔均勻設(shè)置，保證抽氣均勻性；

5)      抽氣過程及運行過程能夠通過控制抽氣速率調(diào)節(jié)腔體氣壓（進氣流量保持不變），如加入節(jié)流閥旁路，氣壓調(diào)節(jié)范圍0.1Pa~30KPa；

6)      設(shè)置放氣閥，可以恢復(fù)至大氣開腔；

7)      高精度真空規(guī)，準確測量腔體氣壓值；

3.  配氣系統(tǒng)

1)      氫氣、甲烷 、氮氣、氬氣、氧氣5路氣源，額外預(yù)留一路備用；

2)      氣體流量通過MFC進行控制，根據(jù)腔體大小選取合適量程的流量計，不同流量大小會影響升壓時間，一般情況下流量比氫氣:甲烷:氮氣:氬氣:氧氣為40:1:1:40:1；

3)      合理的進氣孔設(shè)置，保證進氣均勻性；

4.  水冷系統(tǒng)

1)      水冷機制冷功率、揚程應(yīng)與設(shè)備發(fā)熱量及冷卻水流量匹配，且溫度可調(diào)，一般設(shè)置在20℃左右；

2)      沉積腔體、陰極、陽極都需要進行冷卻，需要設(shè)置分水器，并在分水器上各分路進出水口設(shè)置手動閥門；

3)      陽極工作溫度為600-1100℃，陰極工作溫度為700-1100℃；

5.  電源

1)      工作電壓范圍600~1200V，輸出電壓可調(diào)

2)      工作電流范圍6~15A

6.  控制系統(tǒng)

1)      氣體流量控制；

2)      電極升降控制，陰陽極間距實時顯示，控制精度1mm；

3)      陰陽極及襯底溫度監(jiān)測與顯示；

4)      部分功能可以手動調(diào)節(jié)，如氣壓；

5)      故障報警，防止誤操作；

7.  電極

1)      陽極直徑60mm，材質(zhì)為銅

2)      陰極直徑80~100mm，材質(zhì)為鉬，長時間使用后，陰極表面易沉積碳從而導(dǎo)致放電不穩(wěn)定，因此需要設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)；

3)      陰陽極間距可調(diào)，范圍10~60mm，距離實時顯示，調(diào)節(jié)精度1mm;

4)      陰陽極邊緣可以倒小圓角，防止邊緣放電；

5)      陽極可以加負偏壓，偏壓范圍0~400V；

6)      電極邊緣做絕緣處理，防止邊緣放電；

三、熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設(shè)備DCCVD沉積生長金剛石工藝

1.  基片處理：

2.  把陰極擦拭干凈并旋緊于陰極銅座上；

3.  開啟設(shè)備水冷；

4.  抽真空至<1Pa；

5.  調(diào)整電極間距~15mm；

6.  通入氫氣，調(diào)節(jié)氣壓為200~300Pa；

7.  逐漸調(diào)節(jié)電壓至~400V，點燃輝光；

8.  逐漸提高氣壓、根據(jù)等離子體狀態(tài)調(diào)節(jié)電壓及電極間距，穩(wěn)定后開始沉積生長；