微波同轴表面波等离子体镀膜设备

一、 装置的基本原理

　　当一根石英管处于真空腔中，在石英管中通入微波，处于真空腔内的石英管外表面就形成了表面波。当真空腔体中的气压适当时表面波就能在石英管的表面产生等离子体；当多根石英管靠近平行放置形成石英管阵列，多根表面波等离子体将互相叠加，在石英管附近就可以获得大区域均匀的高密度微波等离子体。这种微波等离子体由于密度高，面积大，能辅助化学汽相沉积（MWPECVD）大面积高质量薄膜。据真空技术网另文介绍，这种装置产生的氢和甲烷等离子能能在硼硅酸盐玻璃、碱石灰玻璃和石英基体顺利地生长纳米金刚石薄膜，且薄膜是一种高度透明和光滑的纳米金刚石薄膜。当加入了二氧化碳混合气，可改善膜性能，如透明度。

　　我们根据表面波产生等离子体的基本原理进行了如下的表面波等离子体源的研制，达到了为镀制薄膜的工艺研究所需要的设备条件。

二、 镀膜设备的主要参数

　　我们研制的等离子体发生腔为 300×300mm 的方形真空腔体（参见图 1） 。真空腔体由四块厚度为 14mm 的无磁不锈钢板焊接而成；腔体前开有观察窗口，上为盖板，下与薄膜沉积室相连。真空腔体中同时平行摆放 4根长度 250mm 的石英玻璃管，左右各有 4 个微波同轴波导个连接口。每根石英管两头用一套微波系统提供微波功率，四根石英管共用八套微波系统。

图 1

　　每套微波系统都由微波电源、磁控管、激励腔、环形器、水阻、波导同轴转换器、短路活塞、同轴波导组成。由于两根石英玻璃管的中心距足够近，我们将同轴波导管的长度设计为两种，使波导系统巧妙的错开，以达到在石英管阵列足够紧密,在石英管阵列附近就能获得大面积均匀的高密度等离子体，为沉积大面积高性能薄膜创造设备条件。

　　微波系统的关键技术之一是将矩形波导传输变成圆波导传输。我们设计的这套微波传输系统阻抗匹配性能比较好，反射波功率比较小。

　　为了减少等离子体与上盖板相互作用，和辅助等离子体的稳定，在上盖板表面覆盖多级磁场。磁钢的长度为 250mm，摆放于两根石英玻璃管的中间处，并保证每根石英玻璃管的两侧都有磁钢。

　　为了能均匀沉积大面积薄膜，上盖板内侧使用了不锈钢管道将气体均匀输入真空室内。为了使真空腔体和微波系统不至于过热，在发热位置使用水冷和空气冷。调试表明，0.5m3/h的冷却水和 200m3/h 的冷却空气可使整个装置长时间稳定工作。

　　初步试验表明，这样措施获得大面积均匀高密度等离子体放电,为沉积高质量大面积薄膜创造了基本条件。