熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備（DCCVD）是在常規(guī)冷陰極輝光放電基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要用于金剛石單晶或多晶膜的沉積生長(zhǎng)。

一、熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備的組成區(qū)和基本特征

熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備輝光放電沿陰極到陽(yáng)極軸線方向可分為四個(gè)區(qū)域：陰極輝光層、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)輝光等離子球、陽(yáng)極輝光層。其中陰極輝光層是緊貼著陰極的發(fā)光薄層，此處發(fā)生巨浪放電，對(duì)輝光放電過(guò)程具有重要作用；法拉第暗區(qū)是陰極區(qū)與正柱區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)，由于大部分電子在陰極區(qū)中碰撞損失了能量，而慢電子不足以引起電離和激發(fā)，因此呈現(xiàn)不發(fā)光暗區(qū)；正柱區(qū)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(yáng)極間距的4/5左右，且長(zhǎng)度隨著陰陽(yáng)電極間距的改變而改變；相對(duì)于明亮的正柱區(qū)，陽(yáng)極輝光層發(fā)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(qū)別于常規(guī)冷陰極輝光放電的基本特征。放電時(shí)，極間存在輝光強(qiáng)度、顏色、明暗的分布，分為四個(gè)明顯的區(qū)域。輝光放電覆蓋整個(gè)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(fā)射由熱發(fā)射和γ過(guò)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(qū)是維持輝光放電的必不可少的部分，此區(qū)的厚度很薄，有高的位降，所以這個(gè)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)很高，并且產(chǎn)生巨浪放電。熱陰極輝光放電電流密度遠(yuǎn)大于冷陰極輝光放電。

二、熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備DCCVD

熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備DCCVD主要由沉積腔體、真空系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電源、控制系統(tǒng)組成。

1.  沉積腔體

1)      不銹鋼水冷夾層：根據(jù)電極尺寸設(shè)計(jì)合適的腔體尺寸，保證腔壁與電極之間無(wú)放電情況產(chǎn)生；

2)      開(kāi)腔方式：升降開(kāi)腔或前開(kāi)門(mén)，方便放樣及清理；

3)      設(shè)置多個(gè)觀察窗，保證能夠觀察到陰陽(yáng)極及沉積臺(tái)；

2.  真空系統(tǒng)

1)      真空泵：通過(guò)機(jī)械泵抽真空，無(wú)需配置分子泵；

2)      極限真空：0.1~1Pa；

3)      抽氣時(shí)間：5~15min；

4)      抽氣孔均勻設(shè)置，保證抽氣均勻性；

5)      抽氣過(guò)程及運(yùn)行過(guò)程能夠通過(guò)控制抽氣速率調(diào)節(jié)腔體氣壓（進(jìn)氣流量保持不變），如加入節(jié)流閥旁路，氣壓調(diào)節(jié)范圍0.1Pa~30KPa；

6)      設(shè)置放氣閥，可以恢復(fù)至大氣開(kāi)腔；

7)      高精度真空規(guī)，準(zhǔn)確測(cè)量腔體氣壓值；

3.  配氣系統(tǒng)

1)      氫氣、甲烷 、氮?dú)狻鍤?、氧?路氣源，額外預(yù)留一路備用；

2)      氣體流量通過(guò)MFC進(jìn)行控制，根據(jù)腔體大小選取合適量程的流量計(jì)，不同流量大小會(huì)影響升壓時(shí)間，一般情況下流量比氫氣:甲烷:氮?dú)?氬氣:氧氣為40:1:1:40:1；

3)      合理的進(jìn)氣孔設(shè)置，保證進(jìn)氣均勻性；

4.  水冷系統(tǒng)

1)      水冷機(jī)制冷功率、揚(yáng)程應(yīng)與設(shè)備發(fā)熱量及冷卻水流量匹配，且溫度可調(diào)，一般設(shè)置在20℃左右；

2)      沉積腔體、陰極、陽(yáng)極都需要進(jìn)行冷卻，需要設(shè)置分水器，并在分水器上各分路進(jìn)出水口設(shè)置手動(dòng)閥門(mén)；

3)      陽(yáng)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(diào)

2)      工作電流范圍6~15A

6.  控制系統(tǒng)

1)      氣體流量控制；

2)      電極升降控制，陰陽(yáng)極間距實(shí)時(shí)顯示，控制精度1mm；

3)      陰陽(yáng)極及襯底溫度監(jiān)測(cè)與顯示；

4)      部分功能可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，如氣壓；

5)      故障報(bào)警，防止誤操作；

7.  電極

1)      陽(yáng)極直徑60mm，材質(zhì)為銅

2)      陰極直徑80~100mm，材質(zhì)為鉬，長(zhǎng)時(shí)間使用后，陰極表面易沉積碳從而導(dǎo)致放電不穩(wěn)定，因此需要設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)；

3)      陰陽(yáng)極間距可調(diào)，范圍10~60mm，距離實(shí)時(shí)顯示，調(diào)節(jié)精度1mm;

4)      陰陽(yáng)極邊緣可以倒小圓角，防止邊緣放電；

5)      陽(yáng)極可以加負(fù)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(xué)氣相沉積設(shè)備DCCVD沉積生長(zhǎng)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(kāi)啟設(shè)備水冷；

4.  抽真空至<1Pa；

5.  調(diào)整電極間距~15mm；

6.  通入氫氣，調(diào)節(jié)氣壓為200~300Pa；

7.  逐漸調(diào)節(jié)電壓至~400V，點(diǎn)燃輝光；

8.  逐漸提高氣壓、根據(jù)等離子體狀態(tài)調(diào)節(jié)電壓及電極間距，穩(wěn)定后開(kāi)始沉積生長(zhǎng)；