CN109778138A - 一种微波等离子体金刚石膜沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波等离子体化学气相沉积技术领域，具体公开了一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，其微波石英窗的顶部和底部通过密封垫片组分别与沉积台和底板密封连接，所述密封垫片组包括外圈密封垫片和内圈密封垫片，外圈密封垫片和内圈密封垫片间设有泄气间隙，顶部和底部的泄气间隙通过第二通气孔连通，在底板上的第三通气孔用于将泄气间隙与第二出气管连通，第二出气管与抽真空装置连接。本发明能有效隔离外界空气，维持了反应腔内真空工作环境，有效降低了本类型MPCVD设备的真空漏率，最终实现反应腔与外部空气有效隔离，为制备高品质产品提供了有利保障，提高了微波等离子体化学气相沉积产品质量，满足科研和工业化生产需求。
Description
技术领域
本发明涉及微波等离子体化学气相沉积技术领域，具体公开了一种微波等离子体金刚石膜沉积设备。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积（Microwave plasma chemical vapor deposition）简称MPCVD，是一种将微波发生器产生的微波用波导管经隔离器进入反应室，在微波的激励下，使反应室中的气体分子电离产生等离子体，在衬底上沉积得到金刚石膜。
公告号CN103668121A的发明专利公开了一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，包括由反应腔上盖和反应台组成的反应腔，反应腔下方设置有相连接的矩形波导和同轴波导；同轴波导的中心轴伸入在反应腔内，中心轴的上方同轴固定连接有用于放置衬底的样品台 ；反应腔上盖的中心开有气体导入口，反应腔上盖的颈部还设置均匀开有多个进气小孔的水平隔板，水平隔板和反应腔上盖的顶部之间形成气体缓冲混合腔，样品台上紧邻衬底的边缘外侧呈圆周分布均匀开有排气通道。本发明解决反应腔中的气体不能均匀的分布在衬底周围的问题。
公告号CN101864560B的发明专利公开了一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积设备，包括微波谐振腔的上圆柱体、微波谐振腔的下圆柱体、金刚石膜沉积台、微波反射体、石英窗、等离子体、调节机构一和调节机构二。金刚石膜沉积台、微波反射体在上圆柱体和下圆柱体内部，石英窗在金刚石膜沉积台的下方 ；微波反射体通过调节机构一调节微波反射体的高度，调节机构二调节上圆柱体的高度，微波反射体对微波电场起反射和增强作用。上圆柱体、下圆柱体、金刚石膜沉积台、微波反射体、调节机构一和调节机构二都能实现直接的水冷。本发明优点是能在高功率下，以较高速率沉积高品质的金刚石膜，设备具有可靠、方便调节等特点。
目前，各类的MPCVD装置普遍采用石英材料作为微波窗口以此获取真空环境，而石英材料极易被等离子体刻蚀并对金刚石膜的沉积过程造成污染。现有公开技术中，包括上述两个对比文件所示，仍然无法实现有效密封。
具体如图1所示，环状的微波石英窗1置于沉积台2的下方，即微波石英窗1与沉积室内形成的等离子体之间被完全隔离，这一措施解决了长期以来存在着的MPCVD装置的石英窗口易被等离子体刻蚀的问题，现有微波等离子体金刚石膜沉积设备如图1所示。腔体的上盖板3和腔体的底板4通过O型圈5进行真空密封，从而使反应腔6与外部空气进行隔离；沉积台2、微波石英窗1和底板4通过密封垫7进行真空密封，使反应腔6与外部空气进行隔离。
在设备的使用过程中，设备开始运行阶段随着反应腔6内的气压降低，O型圈5的压缩量将由小变大，设备结束运行阶段随着反应腔6内的气压升高，O型圈5的压缩量将由大变小；另外由于此处的O型圈5规格较大（φ400x5.3），最终导致O型圈5在使用过程中易泄露，外部空气将从O型圈5处进入反应腔6内（如图1中a方向所示），污染反应气体，从而严重降低产品质量。
微波石英窗下放的MPCVD装置中反应腔6内的低气压环境与沉积台2下方的大气压环境存在较大气压差，气压差的存在导致沉积台2会受到一个向上压力。此压力造成密封垫7的压缩量变小，对微波石英窗1的密封产生不利影响，外界的空气容易从微波石英窗1的顶部和底部进入到反应腔6污染反应气体（如图1中b方向和c方向所示），将最终导致本类型MPCVD设备真空漏率较大，从而严重降低产品质量。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种微波等离子体金刚石膜沉积设备。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，包括上盖板、底板及由两者围成的反应腔，在上盖板的顶部设置有进气口，在底板上设置有抽气口，所述抽气口接入抽真空装置，将反应腔抽为真空环境；还包括沉积台和微波石英窗，微波石英窗为圆环形，设于沉积台与底板之间，通过微波石英窗将反应腔与外界空气隔离，所述微波石英窗的顶部和底部通过密封垫片组分别与沉积台和底板密封连接，在沉积台和底板上设有第二密封槽，所述密封垫片组设于第二密封槽内，所述密封垫片组包括外圈密封垫片和内圈密封垫片，外圈密封垫片和内圈密封垫片间设有圆环形的泄气间隙，与泄气间隙相对应的微波石英窗上绕周向均布多个第二通气孔，将微波石英窗的顶部与底部贯穿连通，第二通气孔分别与顶部和底部的泄气间隙连接，在底板上设有一个或多个第三通气孔，第三通气孔上端与底部的泄气间隙连接，第三通气孔下端与第二出气管连接，第二出气管与抽真空装置连接。
优选的，在底板与上盖板的连接处通过O型密封圈组进行密封，所述O型密封圈组包括呈同心圆设置的外密封圈及内密封圈，所述O型密封圈组设于底板上的第一密封槽内，两圈第一密封槽间通过环形泄气通道相连通，在底板上与环形泄气通道相对应的圆周上设有一个或多个第一通气孔，所述第一通气孔的上端与环形泄气通道连接，第一通气孔的下端与第一出气管连接，第一出气管下部与抽真空装置连接。
优选的，所述微波石英窗上位于第二通气孔所在圆周设有环形凹槽，所述环形凹槽与泄气间隙相对应且连通。
优选的，所述第二通气孔沿微波石英窗轴向设置。
优选的，所述第二通气孔的个数不少于四个。
优选的，所述第二通气孔的内径为4-6mm。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，微波石英窗起到隔离外界空气环境的作用，维持了反应腔内真空工作环境，有效降低了本类型MPCVD设备的真空漏率，最终实现反应腔与外部空气有效隔离，为制备高品质产品提供了有利保障，提高了微波等离子体化学气相沉积产品质量，满足科研和工业化生产需求。
附图说明
图1是现有技术中微波等离子体金刚石膜沉积设备的纵剖视图；
图2是本发明的纵剖视图；
图3是图2中详图A；
图4是图2中详图B；
图5是图1中微波石英窗的俯视图；
图6是微波石英窗的立体结构剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图2至图4所示，一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，包括上盖板3、底板4及由两者围成的反应腔6，在上盖板3的顶部设置有进气口31，用于金刚石膜制备的工艺气体进入反应腔6内，在底板4上设置有抽气口32，所述抽气口32接入抽真空装置，将反应腔6抽为真空环境。在底板4与上盖板3的连接处通过O型密封圈组5进行密封，所述O型密封圈组5包括呈同心圆设置的外密封圈51及内密封圈52，所述O型密封圈组5设于底板4上的第一密封槽内，两圈第一密封槽间通过环形泄气通道相连通，在底板4上与环形泄气通道相对应的圆周上设有一个或多个第一通气孔41，所述第一通气孔41的上端与环形泄气通道连接，第一通气孔41的下端与第一出气管42连接，第一出气管42下部与抽真空装置连接。
本装置还包括沉积台2和微波石英窗1，所述微波石英窗1为圆环形，设于沉积台2与底板4之间，通过微波石英窗1将反应腔6与外界空气隔离，之所以选择石英窗，是因为该材料可以较小的阻碍微波的传递，使用石英仅仅是最优的解决方案之一，也可以采用其他具有相同功能的材料，除此之外，石英窗密封连接还可以起到隔离大气，维持反应腔内低气压工作环境的作用。
所述微波石英窗1的顶部和底部通过密封垫片组7分别与沉积台2和底板4密封连接，在沉积台2和底板4上设有第二密封槽，所述密封垫片组7设于第二密封槽内，所述密封垫片组7包括外圈密封垫片71和内圈密封垫片72，外圈密封垫片71和内圈密封垫片7间设有圆环形的泄气间隙73，与泄气间隙73相对应的微波石英窗1上绕周向均布多个第二通气孔11，所述第二通气孔11沿微波石英窗1轴向设置，将微波石英窗1的顶部与底部贯穿连通，第二通气孔11分别与顶部和底部的泄气间隙73连接；如图5和图6所示，在微波石英窗1上的第二通气孔11所在圆周设有环形凹槽12，所述环形凹槽12与泄气间隙73相对应且连通，所述第二通气孔11的个数不少于四个，所述第二通气孔11的内径为4-6mm，保证进入第二通气孔11的空气能快速被抽出。
在化学气相沉积过程中第一出气管42和第二出气管44均接入抽真空装置，对其进行抽真空处理，气压控制到比反应腔6略低。
在底板上设有一个或多个第三通气孔43，第三通气孔43上端与底部的泄气间隙73连接，第三通气孔43下端与第二出气管44连接，第一出气管42和第二出气管44均与抽真空装置连接。
工艺气体由进气口31进入反应腔6，抽真空装置通过抽气口32对反应腔6进行抽真空，实时控制反应腔6内气压，反应腔6内气压达到设定值后，开微波电源，微波先后通过矩形波导、沉积台2下部、微波石英窗1后，最后进入反应腔6内，微波在沉积台2上的基片台处聚焦，将低气压的工艺气体等离子体化，进行化学气相沉积的生长。
当外部空气沿a方向进入反应腔时，先经过第一密封圈51，当空气通过环形泄气通道时，空气通过第一通气孔41和第一出气管42后被抽真空装置抽出，防止外部空气进入到反应腔6内部。
当设备正常工作时，外圈密封垫片71的外侧为真空环境，内圈密封垫片72的内部为大气环境，压强远大于真空反应腔6内的环境。当外部空气从沉积台2下方空腔进入后，空腔内气压升高，会带动沉积台2有向上的力，造成密封垫片组7的压缩量变小，从而影响密封垫片组7处的密封效果，使少许空气沿c方向进入反应腔6内，少许空气先经过外圈密封垫片71，随后空气通过泄气间隙73、环形凹槽12、第三通气孔43和第二出气管44后被抽真空装置抽出；当空气沿b方向进入反应腔6时，先经过外圈密封垫片71，空气沿着d方向依次通过泄气间隙73、环形凹槽12、第二通气孔11第三通气孔43和第二出气管44后和第三通气孔43后被抽真空装置抽出。
本发明公开了一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，微波石英窗起到隔离外界空气环境的作用，维持了反应腔内真空工作环境，有效降低了本类型MPCVD设备的真空漏率，最终实现反应腔与外部空气有效隔离，为制备高品质产品提供了有利保障，提高了微波等离子体化学气相沉积产品质量，满足科研和工业化生产需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
Claims (6)
1.一种微波等离子体金刚石膜沉积设备，包括上盖板、底板及由两者围成的反应腔，在上盖板的顶部设置有进气口，在底板上设置有抽气口，所述抽气口接入抽真空装置，将反应腔抽为真空环境；还包括沉积台和微波石英窗，微波石英窗为圆环形，设于沉积台与底板之间，通过微波石英窗将反应腔与外界空气隔离，其特征在于，所述微波石英窗的顶部和底部通过密封垫片组分别与沉积台和底板密封连接，在沉积台和底板上设有第二密封槽，所述密封垫片组设于第二密封槽内，所述密封垫片组包括外圈密封垫片和内圈密封垫片，外圈密封垫片和内圈密封垫片间设有圆环形的泄气间隙，与泄气间隙相对应的微波石英窗上绕周向均布多个第二通气孔，将微波石英窗的顶部与底部贯穿连通，第二通气孔分别与顶部和底部的泄气间隙连接，在底板上设有一个或多个第三通气孔，第三通气孔上端与底部的泄气间隙连接，第三通气孔下端与第二出气管连接，第二出气管与抽真空装置连接。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体金刚石膜沉积设备，其特征在于，在底板与上盖板的连接处通过O型密封圈组进行密封，所述O型密封圈组包括呈同心圆设置的外密封圈及内密封圈，所述O型密封圈组设于底板上的第一密封槽内，两圈第一密封槽间通过环形泄气通道相连通，在底板上与环形泄气通道相对应的圆周上设有一个或多个第一通气孔，所述第一通气孔的上端与环形泄气通道连接，第一通气孔的下端与第一出气管连接，第一出气管下部与抽真空装置连接。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体金刚石膜沉积设备，其特征在于，所述微波石英窗上位于第二通气孔所在圆周设有环形凹槽，所述环形凹槽与泄气间隙相对应且连通。
4.根据权利要求3所述的微波等离子体金刚石膜沉积设备，其特征在于，所述第二通气孔沿微波石英窗轴向设置。
5.根据权利要求4所述的微波等离子体金刚石膜沉积设备，其特征在于，所述第二通气孔的个数不少于四个。
6.根据权利要求1所述的微波等离子体金刚石膜沉积设备，其特征在于，所述第二通气孔的内径为4-6mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231208 Address after: 450001 121, Wutong street, Zhengzhou high tech Development Zone, Henan Patentee after: ZHENGZHOU RESEARCH INSTITUTE FOR ABRASIVES & GRINDING Co.,Ltd. Patentee after: Jinggong Ruiyi Technology (Henan) Co.,Ltd. Address before: 450001 121 Wutong street, Zhengzhou new and high tech Zone, Henan Patentee before: ZHENGZHOU RESEARCH INSTITUTE FOR ABRASIVES & GRINDING Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |