CN107227450A - 一种微波等离子体化学气相沉积装置及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括壳体，壳体的上表面设有微波输入口，微波输入口的下方设置有基板，基板的底面设置有环形天线，基板与壳体之间设置有由微波介质材料制成的管状微波窗，壳体的底端设置有沉积台，沉积台位于环形天线的下方，并且沉积台能够在第一升降装置的驱动下上下移动，沉积台的外侧面设置有管状结构的等离子体稳定环，沉积台、等离子体稳定环、壳体、管状微波窗及基板包围形成封闭的谐振腔。本发明的微波等离子体化学气相沉积装置结构简单、加工成本低、生产效率高且产成品品质高。此外，本发明还设计该微波等离子体化学气相沉积装置的生产方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石生产设备，尤其涉及一种微波等离子体化学气相沉积装置，此外本发明还涉及该微波等离子体化学气相沉积装置的生产方法。
背景技术
金刚石俗称钻石，它是自然界已发现的具有最高硬度且强度和耐磨性极高的矿物材料。目前人工合成金刚石的方法包括有高温高压法(HTHP)、直流电弧等离子体喷射法(DCAPJ)、热丝化学气相沉积法(HFCVD)、微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)，其中MPCVD是制备高品质金刚石的首选方法。这是因为与产生等离子体的其他方法相比，微波激发的等离子体具有无电极物质污染、可控性好、等离子体密度高等一系列优点。金刚石MPCVD装置的核心部件是用于产生微波等离子体的谐振腔，其设计直接影响着MPCVD装置内等离子体的分布和其激发程度，对金刚石膜的沉积速率以及金刚石膜的质量有着决定性的影响。现有MPCVD装置的谐振腔结构主要包括多模非圆柱谐振腔，它的主要特点是微波通过一环形天线从腔体的下方输入，而环状的石英窗则被安置在了环形天线的下方，这样做的好处是石英窗被藏在了沉积台的下方。使MPCVD金刚石膜沉积装置的功率能够达到10kw以上的高水平，同时规避了等离子体对微波窗口的刻蚀污染。但多模非圆柱谐振腔式MPCVD装置的外形很不规则，因而其设计难度较大，加工成本高。另外，这种多模非圆柱谐振腔MPCVD装置，由于微波是从谐振腔体的下方输入，生长金刚石的样品台是固定的，而在生长较厚的(>3mm)单晶或多晶金刚石的过程中，随着厚度的增加，金刚石表面与等离子体之间的距离越来越靠近，造成生长温度越来越高，这就需要降低微波输入功率或者腔体压力来维持生长温度，微波功率的降低会造成生长速率的降低，这对生产是不利的。生长条件的不稳定性不利于金刚石生产效率和品质的提高。目前解决的一般方法是反复生长，也就是说金刚石在生长一定厚度后中断生长，将其处理后放入更深的生长模具里以求达到在高功率下达到合适的生长温度。如此反复的生长，既增加了金刚石表面的污染概率，又降低了生产效率。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的微波等离子体化学气相沉积装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、加工成本低、生产效率高且产成品品质高的微波等离子体化学气相沉积装置。
本发明的微波等离子体化学气相沉积装置包括壳体，所述壳体的上表面设有微波输入口，所述微波输入口的下方设置有基板，所述基板的底面设置有环形天线，所述基板与壳体之间设置有由微波介质材料制成的管状微波窗，所述管状微波窗的内腔与所述微波输入口连通，管状微波窗的顶端与壳体连接，管状微波窗的底端设置于所述基板的顶面，所述壳体的底端设置有沉积台，所述沉积台位于环形天线的下方，并且沉积台能够在第一升降装置的驱动下上下移动，所述沉积台的外侧面设置有管状结构的等离子体稳定环，所述沉积台、等离子体稳定环、壳体、管状微波窗及基板包围形成封闭的谐振腔。
进一步的，本发明的微波等离子体化学气相沉积装置包括壳体，所述沉积台内设有可循环的冷却介质。
进一步的，本发明的微波等离子体化学气相沉积装置包括壳体，所述等离子体稳定环内设有可循环的冷却介质。
进一步的，本发明的微波等离子体化学气相沉积装置包括壳体，所述等离子体稳定环能够在第二升降装置的驱动下沿沉积台的表面上下移动。
进一步的，本发明的微波等离子体化学气相沉积装置包括壳体，所述等离子体稳定环由铁制成。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的微波等离子体化学气相沉积装置，通过将管状微波窗设置于环形天线的背面，使其能够输入的最大微波功率得到大大提高，最大能够输入20kw的微波功率，能够有效避免高功率下等离子体对由微波介质窗口制成的管状微波窗的刻蚀问题。沉积台的升降式设计，能够实现金刚石的连续生长，避免了随着金刚石厚度的增加，金刚石表面的生长温度随之增加的问题，能够实现金刚石的稳定高效生长。综上所述，本发明的微波等离子体化学气相沉积装置结构简单、加工成本低、生产效率高且产成品品质高。
一种如上述金刚石合成的微波等离子体化学气相沉积装置的金刚石生产方法，包括以下步骤：
S1：对谐振腔进行抽真空；
S2：向谐振腔内充入氢气；
S3：利用微波发生装置向微波输入口发射微波；
S4：向谐振腔中通入甲烷气体进行金刚石生长；
S5：通过第一升降装置驱动沉积台下降，以匹配金刚石的生长速度。
本发明的金刚石生产方法，通过第一升降装置使得金刚石生长时沉积台能够连续下降，以使其匹配金刚石的生长速度，防止由于温度过热，而导致金刚石成产效率和品质的降低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明微波等离子体化学气相沉积装置的结构示意图；
其中，1：壳体；2：微波输入口；3：基板；4：环形天线；5：管状微波窗；6：沉积台；7：等离子体稳定环；8：振腔腔；9：等离子体球。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明一较佳实施例的一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括壳体1，壳体的上表面设有微波输入口2，微波输入口的下方设置有基板3，基板的底面设置有环形天线4，基板与壳体之间设置有由微波介质材料制成的管状微波窗5，作为优选，管状微波窗由石英制成。管状微波窗的内腔与微波输入口连通，实际应用时，管状微波窗的顶端位于微波输入口的边缘并与壳体连接，管状微波窗的底端设置于基板的顶面，壳体的底端设置有沉积台6，沉积台位于环形天线的下方，并且沉积台能够在第一升降装置(图中未示出)的驱动下上下移动，沉积台的外侧面设置有管状结构的等离子体稳定环7，沉积台、等离子体稳定环、壳体、管状微波窗及基板包围形成封闭的谐振腔8。作为优选，沉积台内设有可循环的冷却介质。等离子体稳定环内也设有可循环的冷却介质。可选用水等作为可循环的冷却介质，并通过泵体实现其循环冷却。作为优选，等离子体稳定环能够在第二升降装置(图中未示出)的驱动下沿沉积台的表面上下移动，等离子体稳定环由铁制成。
其中，等离子体冷却环的设置，避免了金刚石在生长过程中，沉积台的下降造成腔体电场的变化问题，从而避免了等离子球形态的变化。为了避免在高功率下，等离子体对管状微波窗的刻蚀污染问题，本发明将管状微波窗置于环形天线的背面，即远离等离子体的一侧。微波由谐振腔的正上方馈入腔体，经过管状微波窗后到达谐振腔，并激发氢气产生等离子体球9，等离子球的位置正好位于沉积台的上方。沉积台中通有的冷却介质，保证了生长金刚石的沉积台的温度不至于过高。等离子体稳定环可以上下调节，配合波导传输线上的三销钉和短路活塞使谐振腔的谐振调到最佳状态。沉积台可通过第一升降装置控制其升降，以此调节生长金刚石的温度。通过第一升降装置调节沉积台连续下降，可以实现金刚石连续生长过程中的生长条件(微波功率，腔体压力，气体组分等)恒定不变。从而实现大单晶和厚膜金刚石的一次性连续生长。
本发明的微波等离子体化学气相沉积装置能够解决在高功率微波输入情况下，等离子体对管状微波窗的刻蚀污染问题以及厚度大于3mm的金刚石单晶及厚膜的连续生长问题，并且其结构简单、运行稳定腔体易维护。
一种如上述金刚石合成的微波等离子体化学气相沉积装置的金刚石生产方法，包括以下步骤：
S1：对谐振腔进行抽真空；
S2：向谐振腔内充入氢气；
S3：利用微波发生装置向微波输入口发射微波；
S4：向谐振腔中通入甲烷气体进行金刚石生长；
S5：通过第一升降装置驱动沉积台下降，以匹配金刚石的生长速度。
本发明的金刚石生产方法，通过第一升降装置使得金刚石生长时沉积台能够连续下降，以使其匹配金刚石的生长速度，防止由于温度过热，而导致金刚石成产效率和品质的降低。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体的上表面设有微波输入口，所述微波输入口的下方设置有基板，所述基板的底面设置有环形天线，所述基板与壳体之间设置有由微波介质材料制成的管状微波窗，所述管状微波窗的内腔与所述微波输入口连通，管状微波窗的顶端与壳体连接，管状微波窗的底端设置于所述基板的顶面，所述壳体的底端设置有沉积台，所述沉积台位于环形天线的下方，并且沉积台能够在第一升降装置的驱动下上下移动，所述沉积台的外侧面设置有管状结构的等离子体稳定环，所述沉积台、等离子体稳定环、壳体、管状微波窗及基板包围形成封闭的谐振腔。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：所述沉积台内设有可循环的冷却介质。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：所述等离子体稳定环内设有可循环的冷却介质。
4.根据权利要求3所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：所述等离子体稳定环能够在第二升降装置的驱动下沿沉积台的表面上下移动。
5.根据权利要求4所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于：所述等离子体稳定环由铁制成。
6.一种如权利要求4所述金刚石合成的微波等离子体化学气相沉积装置的金刚石生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对谐振腔进行抽真空；
S2：向谐振腔内充入氢气；
S3：利用微波发生装置向微波输入口发射微波；
S4：向谐振腔中通入甲烷气体进行金刚石生长；
S5：通过第一升降装置驱动沉积台下降，以匹配金刚石的生长速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Tianpeng Inventor after: Yuan Wen Inventor after: Ling Tianjie Inventor before: Ling Hailin Inventor before: Yuan Wen Inventor before: Chen Tianpeng Inventor before: Ling Tianjie |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171003 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |