热阴极直流等离子体化学气相沉积设备

热阴极直流等离子体化学气相沉积设备（DCCVD）是在常规冷阴极辉光放电基础上发展起来的，主要用于金刚石单晶或多晶膜的沉积生长。

一、热阴极直流等离子体化学气相沉积设备的组成区和基本特征

热阴极直流等离子体化学气相沉积设备辉光放电沿阴极到阳极轴线方向可分为四个区域：阴极辉光层、法拉第暗区、正柱区辉光等离子球、阳极辉光层。其中阴极辉光层是紧贴着阴极的发光薄层，此处发生巨浪放电，对辉光放电过程具有重要作用；法拉第暗区是阴极区与正柱区之间的过渡区，由于大部分电子在阴极区中碰撞损失了能量，而慢电子不足以引起电离和激发，因此呈现不发光暗区；正柱区辉光等离子球处于辉光放电的*明显的位置，其宽度大约占阴极阳极间距的4/5左右，且长度随着阴阳电极间距的改变而改变；相对于明亮的正柱区，阳极辉光层发光稍暗。

热的阴极、高的气压和大的电流密度是热阴极辉光放电区别于常规冷阴极辉光放电的基本特征。放电时，极间存在辉光强度、颜色、明暗的分布，分为四个明显的区域。辉光放电覆盖整个阴极表面，放电电压随着放电电流的增加而增加；阴极电子发射由热发射和γ过程共同起作用，两者的偏重程度主要由阴极温度决定；阴极位降区是维持辉光放电的必不可少的部分，此区的厚度很薄，有高的位降，所以这个区的场强很高，并且产生巨浪放电。热阴极辉光放电电流密度远大于冷阴极辉光放电。

二、热阴极直流等离子体化学气相沉积设备DCCVD

热阴极直流等离子体化学气相沉积设备DCCVD主要由沉积腔体、真空系统、配气系统、水冷系统、电源、控制系统组成。

1.  沉积腔体

1)      不锈钢水冷夹层：根据电极尺寸设计合适的腔体尺寸，保证腔壁与电极之间无放电情况产生；

2)      开腔方式：升降开腔或前开门，方便放样及清理；

3)      设置多个观察窗，保证能够观察到阴阳极及沉积台；

2.  真空系统

1)      真空泵：通过机械泵抽真空，无需配置分子泵；

2)      极限真空：0.1~1Pa；

3)      抽气时间：5~15min；

4)      抽气孔均匀设置，保证抽气均匀性；

5)      抽气过程及运行过程能够通过控制抽气速率调节腔体气压（进气流量保持不变），如加入节流阀旁路，气压调节范围0.1Pa~30KPa；

6)      设置放气阀，可以恢复至大气开腔；

7)      高精度真空规，准确测量腔体气压值；

3.  配气系统

1)      氢气、甲烷 、氮气、氩气、氧气5路气源，额外预留一路备用；

2)      气体流量通过MFC进行控制，根据腔体大小选取合适量程的流量计，不同流量大小会影响升压时间，一般情况下流量比氢气:甲烷:氮气:氩气:氧气为40:1:1:40:1；

3)      合理的进气孔设置，保证进气均匀性；

4.  水冷系统

1)      水冷机制冷功率、扬程应与设备发热量及冷却水流量匹配，且温度可调，一般设置在20℃左右；

2)      沉积腔体、阴极、阳极都需要进行冷却，需要设置分水器，并在分水器上各分路进出水口设置手动阀门；

3)      阳极工作温度为600-1100℃，阴极工作温度为700-1100℃；

5.  电源

1)      工作电压范围600~1200V，输出电压可调

2)      工作电流范围6~15A

6.  控制系统

1)      气体流量控制；

2)      电极升降控制，阴阳极间距实时显示，控制精度1mm；

3)      阴阳极及衬底温度监测与显示；

4)      部分功能可以手动调节，如气压；

5)      故障报警，防止误操作；

7.  电极

1)      阳极直径60mm，材质为铜

2)      阴极直径80~100mm，材质为钼，长时间使用后，阴极表面易沉积碳从而导致放电不稳定，因此需要设计成可更换结构；

3)      阴阳极间距可调，范围10~60mm，距离实时显示，调节精度1mm;

4)      阴阳极边缘可以倒小圆角，防止边缘放电；

5)      阳极可以加负偏压，偏压范围0~400V；

6)      电极边缘做绝缘处理，防止边缘放电；

三、热阴极直流等离子体化学气相沉积设备DCCVD沉积生长金刚石工艺

1.  基片处理：

2.  把阴极擦拭干净并旋紧于阴极铜座上；

3.  开启设备水冷；

4.  抽真空至<1Pa；

5.  调整电极间距~15mm；

6.  通入氢气，调节气压为200~300Pa；

7.  逐渐调节电压至~400V，点燃辉光；

8.  逐渐提高气压、根据等离子体状态调节电压及电极间距，稳定后开始沉积生长；