微波等離子體CVD製備金剛石膜的設備分為三代。第一代為石英管式裝置。第二代為石英鐘罩式和不鏽鋼反應室式。這兩代裝置除用於製備金剛石膜之外,還廣泛地用於微波等離子體的其他應用領域的研究和開發,對各種薄膜製備、刻蝕與清洗、表面改性處理等方面有極為廣泛的應用。第三代為大功率製備金剛石膜的專用裝置,用於金剛石膜產品的大規模生產。
目前在國際市場上,石英管式裝置的價格為每臺幾萬美元,石英鐘罩式和不鏽鋼反應室式為幾十萬美元,大功率專用設備為幾百萬美元。
MPCVD沉積裝置從真空室的形式來分,有石英管式、石英鐘罩式和帶有微波窗的金屬腔體式。從微波與等離子體的耦合方式分,有表面波耦合式、直接耦合式和天線耦合式。
目前最常用、最簡單也是最早出現的裝置是表面波耦合石英管式裝置[3],它是由一根石英管穿過沿著矩形傳來的頻率為2.45GHz微波場構成,放電管中部正好是電場最強的地方,從而在放電管中部生成穩定的等離子體球。等離子體球的精確位置可以通過波導終端的短路滑片來調節,見圖3(a);
石英鐘罩式有兩類:直接耦合式,如美國Califonia大學的鐘罩式MPCVD裝置,見圖3(b);天線耦合式,如美國Pennsylvania州立大學的MPDR(microwave plasma dish reactor)裝置。
帶有微波窗的金屬腔體式也有兩類:直接耦合式,如澳大利亞Sydner大學的不鏽鋼圓筒腔式MPCVD裝置,圖3(c)為此類裝置的示意圖;天線耦合式,圖3(d)為ASTEX裝置示意圖。
在表面波耦合石英管式反應器中。當微波功率加大時,石英管會受熱軟化,因此該類反應器的微波功率受到限制,一般<800W。而ASTEX型由於使用天線將TE10模式的頻率為2.45GHz的微波轉變為TM01模式,使得微波穿過一石英窗口後進入沉積腔,在基片臺上方放電並產生等離子體球,將被拋光研磨了的直徑達100mm的基片置於加熱臺上並緊貼著等離子體球,在一定條件下可在基片上沉積出金剛石膜,由於沉積反應室是由帶水冷卻裝置的金屬製成,因此可以承受較高功率的微波輸入,微波功率可達到5-8KW。
圖3 MPCVD裝置示意圖(a)表面波耦合石英管式裝置(b)石英鐘罩天線耦合式裝置(c)直接耦合不鏽鋼圓筒腔式裝置(d)ASTEX天線耦合式裝置
沃特塞恩固態功率源相比磁控管在MPCVD中的應用優勢
在MPCVD裝置實際運行過程中,微波頻率、腔體尺寸、樣品基臺等各種因素都會導致腔體內的電場分布和等離子狀態和分布,影響金剛石膜的製備。
沃特塞恩研發生產的固態功率源因其頻率、相位可控等優勢可以通過調整微波源的頻率和相位來彌補腔體尺寸、樣品基臺等各種變化導致的電場分布和等離子狀態的分布和改變。
沃特塞恩2450-6kW固態微波功率源
沃特塞恩固態功率源相比磁控管來說,壽命也更長,維護成本低廉,採用固態功率源的MPCVD裝置,不會因為更換功率源導致裝置的工作狀態發生變化,而需要重新調試和設置裝置的工作參數。
目前沃特塞恩固態功率源已經得到國內外諸多MPCVD設備廠商的信賴和認可。