MPCVD金刚石膜沉积技术及金刚石膜材料在微波电真空器件中的应用

　　金刚石膜是一种集众多优异性能于一身的新材料，尤其是其热导率高、绝缘性能好以及微波介电损耗低等特点，使金刚石膜在微波电真空器件领域有着重要的应用前景。目前，以微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法制备高品质金刚石膜的技术已趋向成熟。本文将针对微波电真空器件这一应用背景，简要介绍国内外高品质金刚石膜MPCVD沉积技术的发展现状，进而对金刚石膜材料应用于微波电真空器件领域的一些典型实例进行简单的介绍。

　　金刚石具有一系列独特的性质，包括极高的热导率、极佳的介电强度和很低的介电损耗等。正是出于这一原因，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为金刚石在微波电真空器件领域有着重要的应用前景。

　　在最近的十余年里，以微波等离子体化学气相沉积(microwave　plasma　chemical　vapor　deposition，MPCVD)方法为代表的金刚石膜沉积技术取得了长足的发展。应用MPCVD技术，目前人们已可以制备尺寸较大、品质很高的金刚石膜材料。在此基础之上，金刚石膜作为一种结合了众多优异性能的实用材料在微波电真空器件领域中的应用已经开始崭露头角。

　　本文将首先简述MPCVD方法沉积金刚石膜的原理，进而介绍国内外MPCVD金刚石膜沉积技术的发展现状以及MPCVD方法在制备高品质金刚石膜材料方面的应用情况。最后，我们将有选择地对金刚石膜材料应用于微波电真空器件领域的一些典型实例进行介绍。

1、MPCVD方法金刚石膜沉积技术

　　在各种可用于金刚石膜的沉积方法之中，MPCVD方法是制备高品质金刚石膜的首选方法。图1是利用MPCVD方法制备金刚石膜过程的示意图。其中，微波能量在被输入到MPCVD装置中后，将使处于低压下的气体击穿而形成等离子体。在金刚石膜沉积过程中，一般以氢气为主、但加入少量含碳气体(如约2%的甲烷)的混合气体作为工作气体。等离子体会使气体受到激发，它产生的各种活性基团在扩散到衬底表面后沉积出金刚石膜。MPCVD方法沉积的金刚石膜的品质较高，但金刚石膜的沉积速率相对较低。而解决这一问题的方法就在于显著提高MPCVD金刚石膜沉积装置可输入的微波功率。因此，发展新型MPCVD装置和借此提高金刚石膜的沉积速率，一直是MPCVD金刚石膜沉积技术研究的重点。

图1　MPCVD方法中金刚石膜的沉积环境

2、国际上MPCVD金刚石膜沉积装置的发展现状

　　表1罗列了国际上有代表性的美、德、日、法、俄等国有公开资料报道的MPCVD金刚石膜沉积装置的基本情况。

表1　国外典型MPCVD金刚石膜沉积装置的类型与参数

　　从表1可以看出，MPCVD金刚石膜沉积装置可被分为频率为2.45和915MHz的两大类，而其类型则包括了石英钟罩式、圆柱谐振腔式、环形天线式以及椭球谐振腔式等四种。不同MPCVD装置的主要差别之一是其允许输入的微波功率高低。2.45GHz频率的石英钟罩式MPCVD装置允许输入的微波功率一般不超过3kW，圆柱谐振腔式装置的输入功率一般不超过5kW，环形天线式装置允许输入的微波功率较高，可达6～8kW，而椭球谐振腔式装置由于使用的石英钟罩较大，因而其可输入的微波功率也较高，达到约6kW。2.45GHz频率的MPCVD装置可沉积的金刚石膜的尺寸有一定的限度，一般不超过3英寸。这是因为，各种MPCVD 装置均属于谐振腔式的装置，其可沉积的金刚石膜的尺寸与所用微波的半波长成正比。

　　915MHz频率的MPCVD装置可以沉积较大尺寸的金刚石膜，因为相应的微波波长较长。与此同时，915 MHz频率的MPCVD 装置的功率也较高，通常处于30～75kW 的范围内。

3、我国MPCVD金刚石膜沉积技术的发展现状

　　在我国，MPCVD金刚石膜沉积技术虽一直得到人们的关注，但其发展却相对滞后。近年来，北京科技大学、武汉工程大学等单位分别在发展高功率MPCVD金刚石膜沉积技术方面取得了显著进展。图2(a)是北京科技大学近年来研制的一种具有穹顶式谐振腔结构的MPCVD装置的示意图。

　　这一装置较好地解决了高功率、石英窗的保护以及真空密封等难点，其微波输入功率可达10kW。图2(b)显示的是采用新型MPCVD装置所沉积的直径50mm的金刚石膜，而图2(c)则是此金刚石膜的Raman光谱图。由图2(b)，(c)可以看出，采用新装置所沉积的金刚石膜具有很高的品质，这一点可由金刚石膜具有很好的透光性以及金刚石膜Raman光谱中金刚石相Raman谱线2.3cm-1的半峰宽看出来。

　　除了自行研制MPCVD金刚石膜沉积装置外，国内的一些研究单位也从国外陆续购置了MPCVD装置。吉林大学使用日本Seki公司产的ASTeX5250型5kW 圆柱谐振腔式MPCVD装置研究了光学级金刚石膜的沉积工艺和单晶金刚石膜的同质外延；天津理工大学利用日本Seki公司的AX6350型6kW　MPCVD装置开展了金刚石膜声表面波器件的研究；中电集团12所利用Lambda公司的DiamoTek700型5kW 石英钟罩式MPCVD装置，开展了微波器件用高品质金刚石膜的制备技术研究；西安交通大学计划采用日本Seki公司的AX6500型8kW　MPCVD装置等开展金刚石单晶电子器件的研究工作。

图2　穹顶形谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置的结构图，其所制备的金刚石膜以及后者的Raman光谱图

6、结束语

　　目前，MPCVD金刚石膜沉积技术已经有了长足的发展，已经可以为科学研究和器件研制提供较高品质的金刚石膜材料。这使得在微波电真空器件领域中应用金刚石这种性能优异的新材料，探索和制造具有新结构、新功能的微波器件供了可能性。

　　目前，人们正在探索将金刚石膜材料应用于诸如高功率回旋管和短毫米波行波管输出窗、行波管螺旋线与慢波结构、场致发射与二次电子发射器件等一系列微波电真空器件的关键部件。在不远的将来，随着人类探索范围的不断扩大，金刚石膜这种具有多种优异性能的新材料在各高技术领域将会不断地发现新的用途。