熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設備

熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設備（DCCVD）是在常規冷陰極輝光放電基礎上發展起來的，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備的組成區和基本特征

熱陰極直流等離子體化學氣相沉積設備輝光放電沿陰極到陽極軸線方向可分為四個區域：陰極輝光層、法拉第暗區、正柱區輝光等離子球、陽極輝光層。其中陰極輝光層是緊貼著陰極的發光薄層，此處發生巨浪放電，對輝光放電過程具有重要作用；法拉第暗區是陰極區與正柱區之間的過渡區，由于大部分電子在陰極區中碰撞損失了能量，而慢電子不足以引起電離和激發，因此呈現不發光暗區；正柱區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，陽極輝光層發光稍暗。

熱的陰極、高的氣壓和大的電流密度是熱陰極輝光放電區別于常規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；陰極電子發射由熱發射和γ過程共同起作用，兩者的偏重程度主要由陰極溫度決定；陰極位降區是維持輝光放電的必不可少的部分，此區的厚度很薄，有高的位降，所以這個區的場強很高，并且產生巨浪放電。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備DCCVD

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

1.  沉積腔體

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

2)      開腔方式：升降開腔或前開門，方便放樣及清理；

3)      設置多個觀察窗，保證能夠觀察到陰陽極及沉積臺；

2.  真空系統

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節腔體氣壓（進氣流量保持不變），如加入節流閥旁路，氣壓調節范圍0.1Pa~30KPa；

6)      設置放氣閥，可以恢復至大氣開腔；

7)      高精度真空規，準確測量腔體氣壓值；

3.  配氣系統

1)      氫氣、甲烷 、氮氣、氬氣、氧氣5路氣源，額外預留一路備用；

2)      氣體流量通過MFC進行控制，根據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)      合理的進氣孔設置，保證進氣均勻性；

4.  水冷系統

1)      水冷機制冷功率、揚程應與設備發熱量及冷卻水流量匹配，且溫度可調，一般設置在20℃左右；

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

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

2)      工作電流范圍6~15A

6.  控制系統

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測與顯示；

4)      部分功能可以手動調節，如氣壓；

5)      故障報警，防止誤操作；

7.  電極

1)      陽極直徑60mm，材質為銅

2)      陰極直徑80~100mm，材質為鉬，長時間使用后，陰極表面易沉積碳從而導致放電不穩定，因此需要設計成可更換結構；

3)      陰陽極間距可調，范圍10~60mm，距離實時顯示，調節精度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.  開啟設備水冷；

4.  抽真空至<1Pa；

5.  調整電極間距~15mm；

6.  通入氫氣，調節氣壓為200~300Pa；

7.  逐漸調節電壓至~400V，點燃輝光；

8.  逐漸提高氣壓、根據等離子體狀態調節電壓及電極間距，穩定后開始沉積生長；