CN101831626A - 一种化学气相沉积金刚石装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学气相沉积领域，特别是涉及一种热丝化学气相沉积金刚石的装置。包括真空室、真空获得系统、冷却系统、气路、热丝、机械转动机构、基台、控制系统及电源，该装置还包括一霍尔离子源，所述霍尔离子源固定安装在真空室的顶部，其端部在真空室内，底部在真空室外且连接阳极电源、气路及冷却水路，且与真空室密封连通，同时在真空室顶部还开有一孔，用于连接阴极电源且密封。本发明的装置使得反应气体离化率得到提高，使合成的金刚石SP3结构增加，加热丝电阻值降低30-35％。得到的晶粒刻面清晰，结构致密，大幅度提高了合成金刚石的质量。

Description

一种化学气相沉积金刚石装置
技术领域
本发明属于化学气相沉积领域，特别是涉及一种热丝化学气相沉积金刚石的装置。
背景技术
目前化学气相沉积金刚石(CVD金刚石)的方法主要有热丝法、微波法、等离子喷射法等。现有的热丝CVD金刚石装置主要由真空室、电源、真空系统、控制系统组成，如图1所示。它主要包括真空室、真空获得设备、热丝架及电源、冷却水及制冷设备、气路、机械转动机构、控制系统等。其工作原理是：在一定低气压条件下，加热丝被加热，反应气体(如甲烷/乙醇/氢气等)通入真空室，气体被高温分解、激发，得到大量反应粒子，经过吸附、脱附等过程而进入气相形成等离子体，经复杂化学反应到达基台表面，形成金刚石。因为热丝温度所限(热丝上限温度在2200℃左右)，含碳气体(如甲烷、乙醇)不能被充分离化，使合成的金刚石含有较多的无定形碳，晶体颗粒较大，致密性不够好。
霍尔离子源是本技术领域的一种常规设备，如图2所示，由阳极、磁铁(背阴极)、阴极灯丝、气路、冷却水路、支架、安装紧固螺母、电源等组成。在现有技术中，霍尔离子源一般是应用于离子束辅助反应沉积镀膜，镀制增透膜，热/冷反光镜，类金刚石等，其主要功能是优化薄膜结构，增加镀膜的一致性和重复性，增加薄膜密度，降低内应力等，其工作原理是反应气体由阳极底部进入放电区内参与放电，放电区内由磁铁产生锥形磁场，在放电区的上部安装有中和阴极。反应气体可以使用氧气、氮气和碳氢等多种气体。放电区上部阴极灯丝加热后产生热电子，当离子源的阳极施以正电位时，电子在电场的作用下向阳极运动，由于磁场的存在，电子绕磁力线以螺旋轨道前进，与反应气体的原子发生碰撞使其离化。离子在霍尔电场的作用下被加速获得相应的能量，与灯丝阴极发射的部分热电子形成近等离子体，达到提高反应气体离化率的目的。
现有技术中尚未出现将霍尔离子源与现有的CVD金刚石装置相结合，以提高金刚石质量的装置出现。
发明内容
本发明的目的是通过改变现有热丝CVD生产设备的结构，增加专用离化装置，可以大幅度提高反应气体离化率，大量增加SP3结构，使合成的金刚石质量得到显著提高。
本发明一种化学气相沉积金刚石装置，包括真空室、真空获得系统、冷却系统、气路、热丝、机械转动机构、基台、控制系统及电源，其特征在于：该装置包括一霍尔离子源，所述霍尔离子源固定安装在真空室的顶部，其端部在真空室内，底部在真空室外且连接阳极电源、气路及冷却水路，且与真空室密封连通，同时在真空室顶部还开有一孔，用于连接阴极电源且密封。
本发明的装置使得反应气体离化率得到提高，使合成的金刚石SP3结构增加，加热丝电阻值降低30-35％。因H2被离化成大量的H原子，对SP2石墨碳有良好的刻蚀作用，易使CH3-甲基团脱氢并形成金刚石结构，避免二次成核，因而得到的晶粒刻面清晰，结构致密，大幅度提高了合成金刚石的质量。
附图说明
图1所示是现有的CVD金刚石装置结构示意图。
图2所示是霍尔离子源的工作原理示意图。
图3所示是霍尔离子源的端部结构示意图。
图4所示是霍尔离子源与现有的CVD金刚石装置连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图，阐述本发明技术方案的具体实施方式。
本发明一种化学气相沉积金刚石装置，是针对现有装置合成的金刚石含有较多的无定形碳，晶体颗粒较大，致密性不够好等缺点作出的改进。本发明一种化学气相沉积金刚石装置，包括真空室1、真空获得系统、冷却系统2、气路3、热丝4、机械转动机构5、基台6、控制系统及电源等，该装置还包括一霍尔离子源7，所述霍尔离子源由屏蔽罩71、阳极72、磁铁73、阴极灯丝74、阴极灯丝引线端子75、气路76、支架77、冷却水路78、安装紧固螺母79以及电源等组成。如图4所示，所述霍尔离子源通过安装紧固螺母79固定安装在真空室的顶部，其端部在真空室1内，底部在真空室1外，连接阳极电源81、气路76及冷却水路78且与真空室密封连通。同时在真空室顶部还开有一孔，用于连接阴极电源82且密封。
图3所示是霍尔离子源的端部结构示意图。工作时，一部分反应气体由霍尔离子源的气路76进入霍尔离子源反应，另一部分反应气体由气路3通入真空室，在霍尔离子源中反应后的气体与新通入的反应气体一起通过已被加热的热丝4，混合粒子到达基台6表面，生成金刚石。
图4所示的霍尔离子源与现有的CVD金刚石装置连接示意图。霍尔离子源安装在真空室顶部，端部在真空室内，底部在真空室外，外接电源以及气路、水路，离子源与真空室密封连通。首先在真空室顶部开一个孔，孔径与离子源的安装紧固螺母相符，一般孔径为30mm-40mm。把离子源端部放入真空室内，底部放在真空室外，连接部位有密封圈，拧紧紧固螺母，要达到密封要求。然后在该孔旁边200mm处开一个孔，孔径一般为30mm左右，用于安装阴极电源线，要求密封安装。在真空室内，把阴极电源线与阴极灯丝引线端子75连接好，即完成安装。生产时，要连接好离子源底部的水路和气路，接通电源。
本发明装置通过改变现有热丝CVD生产设备的结构，增加专用离化装置，可以大幅度提高反应气体离化率，大量增加SP3结构，使合成的金刚石质量得到显著提高。其工作原理如图2所示：反应气体(甲烷/乙醇/氢气)由霍尔离子源的气路76进入霍尔离子源的阳极放电区72参与放电，在放电区的上部有阴极灯丝74，阴极灯丝加热后产生热电子，当离子源的阳极施以正电位时，电子在电场的作用下向阳极运动，由于磁场的存在，电子绕磁力线以螺旋轨道前进，与反应气体的原子发生碰撞使其离化。离子在霍尔电场的作用下被加速获得相应的能量，并被引出、加速和聚焦进入到真空室1内，和新通入的反应气体如甲烷、氢气一起再次通过已被加热的热丝而得到进一步催化，这些反应粒子混合后经过一系列复杂化学反应到达基台表面，在一定条件下形成了金刚石。反应气体离化率的提高，使合成的金刚石SP3结构增加，加热丝电阻值降低30-35％。因H2被离化成大量的H原子，对SP2石墨碳有良好的刻蚀作用，易使CH3-甲基团脱氢并形成金刚石结构，避免二次成核，因而得到的晶粒刻面清晰、结构致密，大幅度提高了合成金刚石的质量。

Claims (1)

1.一种化学气相沉积金刚石装置，包括真空室、真空获得系统、冷却系统、气路、热丝、机械转动机构、基台、控制系统及电源，其特征在于：该装置包括一霍尔离子源，所述霍尔离子源固定安装在真空室的顶部，其端部在真空室内，底部在真空室外且连接阳极电源、气路及冷却水路，且与真空室密封连通，同时在真空室顶部还开有一孔，用于连接阴极电源且密封。
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