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| MPCVD金剛石鍍膜沉積技術 |
| 發布時間：2014-11-17 瀏覽： 次 |
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金剛石膜是一種集眾多優異性能于一身的新材料，尤其是其熱導率高、絕緣性能好以及微波介電損耗低等特點，使金剛石膜在微波電真空器件領域有著重要的應用前景。 目前，以微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)方法制備高品質金剛石膜的技術已趨向成熟。本文將針對微波電真空器件這一應用背景，簡要介紹國內外高品質金剛石膜MPCVD沉積技術的發展現狀，進而對金剛石膜材料應用于微波電真空器件領域的一些典型實例進行簡單的介紹。 金剛石具有一系列獨特的性質，包括極高的熱導率、極佳的介電強度和很低的介電損耗等。正是出于這一原因，真空技術網(http://www.chvacuum.com/)認為金剛石在微波電真空器件領域有著重要的應用前景。 在最近的十余年里，以微波等離子體化學氣相沉積(microwave plasma chemical vapor deposition，MPCVD)方法為代表的金剛石膜沉積技術取得了長足的發展。 應用MPCVD技術，目前人們已可以制備尺寸較大、品質很高的金剛石膜材料。 在此基礎之上，金剛石膜作為一種結合了眾多優異性能的實用材料在微波電真空器件領域中的應用已經開始嶄露頭角。 本文將首先簡述MPCVD方法沉積金剛石膜的原理，進而介紹國內外MPCVD金剛石膜沉積技術的發展現狀以及MPCVD方法在制備高品質金剛石膜材料方面的應用情況。 最后，我們將有選擇地對金剛石膜材料應用于微波電真空器件領域的一些典型實例進行介紹。 1、MPCVD方法金剛石膜沉積技術 在各種可用于金剛石膜的沉積方法之中，MPCVD方法是制備高品質金剛石膜的首選方法。圖1是利用MPCVD方法制備金剛石膜過程的示意圖。 其中，微波能量在被輸入到MPCVD裝置中后，將使處于低壓下的氣體擊穿而形成等離子體。在金剛石膜沉積過程中，一般以氫氣為主、但加入少量含碳氣體(如約2%的甲烷)的混合氣體作為工作氣體。等離子體會使氣體受到激發，它產生的各種活性基團在擴散到襯底表面后沉積出金剛石膜。 MPCVD方法沉積的金剛石膜的品質較高，但金剛石膜的沉積速率相對較低。而解決這一問題的方法就在于顯著提高MPCVD金剛石膜沉積裝置可輸入的微波功率。因此，發展新型MPCVD裝置和借此提高金剛石膜的沉積速率，一直是MPCVD金剛石膜沉積技術研究的重點。  圖1 MPCVD方法中金剛石膜的沉積環境 2、國際上MPCVD金剛石膜沉積裝置的發展現狀 表1羅列了國際上有代表性的美、德、日、法、俄等國有公開資料報道的MPCVD金剛石膜沉積裝置的基本情況。 表1 國外典型MPCVD金剛石膜沉積裝置的類型與參數  從表1可以看出，MPCVD金剛石膜沉積裝置可被分為頻率為2.45和915MHz的兩大類，而其類型則包括了石英鐘罩式、圓柱諧振腔式、環形天線式以及橢球諧振腔式等四種。不同MPCVD裝置的主要差別之一是其允許輸入的微波功率高低。 2.45GHz頻率的石英鐘罩式MPCVD裝置允許輸入的微波功率一般不超過3kW，圓柱諧振腔式裝置的輸入功率一般不超過5kW，環形天線式裝置允許輸入的微波功率較高，可達6～8kW，而橢球諧振腔式裝置由于使用的石英鐘罩較大，因而其可輸入的微波功率也較高，達到約6kW。 2.45GHz頻率的MPCVD裝置可沉積的金剛石膜的尺寸有一定的限度，一般不超過3英寸。這是因為，各種MPCVD 裝置均屬于諧振腔式的裝置，其可沉積的金剛石膜的尺寸與所用微波的半波長成正比。 915MHz頻率的MPCVD裝置可以沉積較大尺寸的金剛石膜，因為相應的微波波長較長。與此同時，915 MHz頻率的MPCVD 裝置的功率也較高，通常處于30～75kW 的范圍內。 3、我國MPCVD金剛石膜沉積技術的發展現狀 在我國，MPCVD金剛石膜沉積技術雖一直得到人們的關注，但其發展卻相對滯后。近年來，北京科技大學、武漢工程大學等單位分別在發展高功率MPCVD金剛石膜沉積技術方面取得了顯著進展。 圖2(a)是北京科技大學近年來研制的一種具有穹頂式諧振腔結構的MPCVD裝置的示意圖。 這一裝置較好地解決了高功率、石英窗的保護以及真空密封等難點，其微波輸入功率可達10kW。圖2(b)顯示的是采用新型MPCVD裝置所沉積的直徑50mm的金剛石膜，而圖2(c)則是此金剛石膜的Raman光譜圖。由圖2(b)，(c)可以看出，采用新裝置所沉積的金剛石膜具有很高的品質，這一點可由金剛石膜具有很好的透光性以及金剛石膜Raman光譜中金剛石相Raman譜線2.3cm-1的半峰寬看出來。 除了自行研制MPCVD金剛石膜沉積裝置外，國內的一些研究單位也從國外陸續購置了MPCVD裝置。吉林大學使用日本Seki公司產的ASTeX5250型5kW 圓柱諧振腔式MPCVD裝置研究了光學級金剛石膜的沉積工藝和單晶金剛石膜的同質外延;天津理工大學利用日本Seki公司的AX6350型6kW MPCVD裝置開展了金剛石膜聲表面波器件的研究;中電集團12所利用Lambda公司的DiamoTek700型5kW 石英鐘罩式MPCVD裝置，開展了微波器件用高品質金剛石膜的制備技術研究;西安交通大學計劃采用日本Seki公司的AX6500型8kW MPCVD裝置等開展金剛石單晶電子器件的研究工作。  圖2 穹頂形諧振腔式MPCVD金剛石膜沉積裝置的結構圖，其所制備的金剛石膜以及后者的Raman光譜圖 6、結束語 目前，MPCVD金剛石膜沉積技術已經有了長足的發展，已經可以為科學研究和器件研制提供較高品質的金剛石膜材料。這使得在微波電真空器件領域中應用金剛石這種性能優異的新材料，探索和制造具有新結構、新功能的微波器件供了可能性。 目前，人們正在探索將金剛石膜材料應用于諸如高功率回旋管和短毫米波行波管輸出窗、行波管螺旋線與慢波結構、場致發射與二次電子發射器件等一系列微波電真空器件的關鍵部件。 在不遠的將來，隨著人類探索范圍的不斷擴大，金剛石膜這種具有多種優異性能的新材料在各高技術領域將會不斷地發現新的用途。
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