MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)及金剛石膜材料在微波電真空器件中的應(yīng)用

　　金剛石膜是一種集眾多優(yōu)異性能于一身的新材料，尤其是其熱導(dǎo)率高、絕緣性能好以及微波介電損耗低等特點(diǎn)，使金剛石膜在微波電真空器件領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。目前，以微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)方法制備高品質(zhì)金剛石膜的技術(shù)已趨向成熟。本文將針對(duì)微波電真空器件這一應(yīng)用背景，簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外高品質(zhì)金剛石膜MPCVD沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)而對(duì)金剛石膜材料應(yīng)用于微波電真空器件領(lǐng)域的一些典型實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

　　金剛石具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，包括極高的熱導(dǎo)率、極佳的介電強(qiáng)度和很低的介電損耗等。正是出于這一原因，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為金剛石在微波電真空器件領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

　　在最近的十余年里，以微波等離子體化學(xué)氣相沉積(microwave　plasma　chemical　vapor　deposition，MPCVD)方法為代表的金剛石膜沉積技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。應(yīng)用MPCVD技術(shù)，目前人們已可以制備尺寸較大、品質(zhì)很高的金剛石膜材料。在此基礎(chǔ)之上，金剛石膜作為一種結(jié)合了眾多優(yōu)異性能的實(shí)用材料在微波電真空器件領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角。

　　本文將首先簡(jiǎn)述MPCVD方法沉積金剛石膜的原理，進(jìn)而介紹國(guó)內(nèi)外MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及MPCVD方法在制備高品質(zhì)金剛石膜材料方面的應(yīng)用情況。最后，我們將有選擇地對(duì)金剛石膜材料應(yīng)用于微波電真空器件領(lǐng)域的一些典型實(shí)例進(jìn)行介紹。

1、MPCVD方法金剛石膜沉積技術(shù)

　　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(zhì)金剛石膜的首選方法。圖1是利用MPCVD方法制備金剛石膜過(guò)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(guò)程中，一般以氫氣為主、但加入少量含碳?xì)怏w(如約2%的甲烷)的混合氣體作為工作氣體。等離子體會(huì)使氣體受到激發(fā)，它產(chǎn)生的各種活性基團(tuán)在擴(kuò)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(zhì)較高，但金剛石膜的沉積速率相對(duì)較低。而解決這一問(wèn)題的方法就在于顯著提高M(jìn)PCVD金剛石膜沉積裝置可輸入的微波功率。因此，發(fā)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(shù)研究的重點(diǎn)。

圖1　MPCVD方法中金剛石膜的沉積環(huán)境

2、國(guó)際上MPCVD金剛石膜沉積裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

　　表1羅列了國(guó)際上有代表性的美、德、日、法、俄等國(guó)有公開(kāi)資料報(bào)道的MPCVD金剛石膜沉積裝置的基本情況。

表1　國(guó)外典型MPCVD金剛石膜沉積裝置的類(lèi)型與參數(shù)

　　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(lèi)，而其類(lèi)型則包括了石英鐘罩式、圓柱諧振腔式、環(huán)形天線(xiàn)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(guò)3kW，圓柱諧振腔式裝置的輸入功率一般不超過(guò)5kW，環(huán)形天線(xiàn)式裝置允許輸入的微波功率較高，可達(dá)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(dá)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(guò)3英寸。這是因?yàn)椋�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(zhǎng)成正比。

　　915MHz頻率的MPCVD裝置可以沉積較大尺寸的金剛石膜，因?yàn)橄鄳?yīng)的微波波長(zhǎng)較長(zhǎng)。與此同時(shí)，915 MHz頻率的MPCVD 裝置的功率也較高，通常處于30～75kW 的范圍內(nèi)。

3、我國(guó)MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　在我國(guó)，MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)雖一直得到人們的關(guān)注，但其發(fā)展卻相對(duì)滯后。近年來(lái)，北京科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)等單位分別在發(fā)展高功率MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。圖2(a)是北京科技大學(xué)近年來(lái)研制的一種具有穹頂式諧振腔結(jié)構(gòu)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(hù)以及真空密封等難點(diǎn)，其微波輸入功率可達(dá)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(zhì)，這一點(diǎn)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(xiàn)2.3cm-1的半峰寬看出來(lái)。

　　除了自行研制MPCVD金剛石膜沉積裝置外，國(guó)內(nèi)的一些研究單位也從國(guó)外陸續(xù)購(gòu)置了MPCVD裝置。吉林大學(xué)使用日本Seki公司產(chǎn)的ASTeX5250型5kW 圓柱諧振腔式MPCVD裝置研究了光學(xué)級(jí)金剛石膜的沉積工藝和單晶金剛石膜的同質(zhì)外延；天津理工大學(xué)利用日本Seki公司的AX6350型6kW　MPCVD裝置開(kāi)展了金剛石膜聲表面波器件的研究；中電集團(tuán)12所利用Lambda公司的DiamoTek700型5kW 石英鐘罩式MPCVD裝置，開(kāi)展了微波器件用高品質(zhì)金剛石膜的制備技術(shù)研究；西安交通大學(xué)計(jì)劃采用日本Seki公司的AX6500型8kW　MPCVD裝置等開(kāi)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(jié)構(gòu)圖，其所制備的金剛石膜以及后者的Raman光譜圖

6、結(jié)束語(yǔ)

　　目前，MPCVD金剛石膜沉積技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)可以為科學(xué)研究和器件研制提供較高品質(zhì)的金剛石膜材料。這使得在微波電真空器件領(lǐng)域中應(yīng)用金剛石這種性能優(yōu)異的新材料，探索和制造具有新結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(xiàn)與慢波結(jié)構(gòu)、場(chǎng)致發(fā)射與二次電子發(fā)射器件等一系列微波電真空器件的關(guān)鍵部件。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著人類(lèi)探索范圍的不斷擴(kuò)大，金剛石膜這種具有多種優(yōu)異性能的新材料在各高技術(shù)領(lǐng)域?qū)��?huì)不斷地發(fā)現(xiàn)新的用途。