CN110938811A - 微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，包括如下：金刚石生长过程中，金刚石在用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体内持续旋转。使得金刚石在生长过程中，每一点生长条件都相同，实现了气流、温度、功率密度在金刚石生长面的均匀分布。
Description
【技术领域】
本发明属于金刚石材料生长技术领域，尤其涉及微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法。
【背景技术】
众所周知，金刚石具有优异的热、电、力、光、生物稳定等性能。越来越多的人开始研究金刚石的性能，尤其是金刚石在电学领域，金刚石的禁带宽度5.5eV、击穿电压大于10MV/cm、电子迁移率为2200cm2/V﹒s、空穴迁移率1600cm2/V﹒s，另外金刚石还具有高的Johnson指数、高的Keyes指数、高的Baliga指数。因此金刚石具有巨大的应用潜力。这就要求无论如何要把金刚石外延做好。
近二十年，探索出了各种外延金刚石的方法，如热丝化学气相沉积、高温高压、微波等离子体化学气相淀积方法。这些方法中，研究最广的是微波等离子体化学气相淀积方法，因为这种方法长出来的金刚石杂质少、质量高。微波等离子体化学气相淀积工艺作为制备金刚石的主要工艺，使用2.45GHz微波源。金刚石生长工艺一般为：工作压力50-200Torr，温度800-1500℃，功率500-5800W。反应气体主要是甲烷、氢气。
目前，微波等离子体化学气相淀积设备仍然存在着缺陷。比如，金刚石表面的气流、温度、功率密度分布不均匀，这将造成金刚石生长面有的地方温度很高，而有的地方温度很低，这种状态如果持续很久，将对金刚石外延生长产生巨大的负面影响。因为气流、温度、功率密度分布不均匀，可能会导致金刚石生长面质量、应力分布不均，甚至金刚石开裂的等严重问题。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，使得金刚石在生长过程中，每一点生长条件都相同，实现了气流、温度、功率密度在金刚石生长面的均匀分布。
本发明采用以下技术方案：微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，包括如下：金刚石生长过程中，金刚石在用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体内持续旋转。
进一步地，该金刚石为水平设置，且绕竖直向中心轴360度旋转。
进一步地，该金刚石和腔体同轴。
进一步地，该腔体内设置有可旋转样品托，金刚石水平放置在可旋转样品托上，可旋转样品托带动金刚石旋转。
进一步地，该金刚石转速0-600转/分钟。
进一步地，该腔体内微波等离子体中金刚石生长环境为：腔内压力、金刚石表面温度、微波功率、引入腔内的氢气流量、引入腔内的甲烷流量分别为：50-200torr、800-1200℃、3000-5000W、500-1000sccm、25-100sccm。
本发明还公开了一种用于实现上述方法的装置，包括用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体，腔体内设置有可旋转样品托，可旋转样品托用于放置金刚石，可旋转样品托可绕中心轴旋转，继而带动金刚石旋转。
进一步地，可旋转样品托为圆柱体，圆柱体的上表面为水平且用于放置金刚石；可旋转样品托为圆柱体，圆柱体的上表面开有凹槽，凹槽的底面为水平状，其内用于放置金刚石。
进一步地，还包括动力装置，动力装置与可旋转样品托相连接，并用于带动可旋转样品托旋转。
进一步地，动力装置包括：传动装置，其输出端为竖直向其与可旋转样品托同轴连接，步进电机，设置于腔体外，与传动装置的输入端相连接。
本发明的有益效果是：金刚石在生长过程中，在腔体内旋转，每一点生长条件都相同，实现了气流、温度、功率密度在金刚石生长面的均匀分布，有效的解决了金刚石生长过程中因为气流、温度、功率分布不均而造成的金刚石生长面质量、应力分布不均，甚至金刚石开裂的问题。
【附图说明】
图1为可旋转生长金刚石的装置的一种结构示意图；
图2为可旋转生长金刚石的装置的另一种结构示意图。
其中：1.金刚石；2.可旋转样品托；3.腔体；4.样品台；5.传动装置；6.步进电机；7.凹槽。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本实施例公开了微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，包括如下：将金刚石1放置于封闭腔体3内的可旋转样品托2上，金刚石1生长过程中，金刚石1在用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体3内持续旋转。腔体3内设置有可旋转样品托2，金刚石1水平放置在可旋转样品托2上，可旋转样品托2带动金刚石1旋转。金刚石1为水平设置，且绕竖直向中心轴360度旋转。转速0-600转/分钟。
上述所述腔体3内微波等离子体中金刚石生长环境为：腔内压力、金刚石表面温度、微波功率、引入腔内的氢气流量、引入腔内的甲烷流量分别为：50-200torr、800-1200℃、3000-5000W、500-1000sccm、25-100sccm。
本实施例公开了用于实现上述方法的微波等离子体化学沉积中一种可旋转生长金刚石的装置，包括用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体3，腔体3内设置有可旋转样品托2，可旋转样品托2用于放置金刚石1，可旋转样品托2可绕中心轴旋转，继而带动金刚石1旋转。可旋转样品托2，为圆柱体状，圆柱体的上表面为水平且用于放置金刚石1；可旋转样品托2为圆柱体，圆柱体的上表面开有凹槽，凹槽的底面为水平且用于放置金刚石1，凹槽的深度不高于金刚石1的高度。传动装置5，其输出端为竖直向其与样品台4同轴连接，步进电机6，设置于腔体3外，与传动装置5的输入端相连接。
本发明中的可旋转一种方式是，如图1所示，可旋转样品托2的上壁面为水平状，其上用于放置金刚石1。
另一种方式是，如图2所示，可旋转样品托2的上壁面上，在其中心开设有一凹槽7，用于盛放金刚1，凹槽7的底面为水平状。
上述的可旋转样品托2选用钼材质，与金刚石1相接触的壁面的粗糙度为0.1mm～1nm。
腔体内还水平设置有样品台4，并固定于腔体3中。可旋转样品托2水平放置于样品台4上。动力装置包括：传动装置5，其输出端竖直穿过样品台4与可旋转样品托2相连接；步进电机6，设置于腔体3外，与传动装置5的输入端相连接。将动力传到可旋转样品托2。传动装置5可选择现有的设备。
金刚石1置于可旋转样品托2上；腔体3外的步进电机6提供动力，当给步进电机6供电以后，步进电机6将输出一个转动力，转动力通过传动装置5传到可旋转样品托2处，而传动装置5与可旋转样品托2焊接在一起，带动了可旋转样品托2转动。通过调整步进电机6转速即可调整可旋转样品托2的旋转速度，实现金刚石1的可旋转生长。
上述腔体3内的金刚石在微波等离子体包围的环境下生长，此时，腔内压力为50-200torr，属于低压的生长状态。可旋转样品托2在腔体内旋转，并带动金刚石1在腔体3内旋转，边旋转边生长，使得金刚石1生长过程中周围的电场分布、气场分布、温场分布都很均匀，生长出来的金刚石质量均匀，则拉曼测试、XRD测试、电学性能也均匀。本发明金刚石生产过程中，腔体3不旋转，可旋转样品托2带动金刚石1旋转，这种生长方式不同于腔体3和可旋转样品托2共同旋转的方式。如果腔体3和可旋转样品托2共同同步旋转对金刚石的生长均匀性提高不会产生任何效果，因为，当腔体和可旋转样品托2共同同步旋转时，其实相当于可旋转样品托2相对于腔体3并没有发生任何转动，金刚石的生长环境没发生变化。
Claims (10)
1.微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，包括如下：金刚石(1)生长过程中，金刚石(1)在用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体(3)内持续旋转。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，所述金刚石(1)为水平设置，且绕竖直向中心轴360度旋转。
3.根据权利要求2所述的微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，所述金刚石(1)和腔体(3)同轴。
4.根据权利要求1、2或3所述的微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，所述腔体(3)内设置有可旋转样品托(2)，所述金刚石(1)水平放置在可旋转样品托(2)上，所述可旋转样品托(2)带动金刚石(1)旋转。
5.根据权利要求1、2或3所述的微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，所述金刚石(1)转速0-600转/分钟。
6.根据权利要求1、2或3所述的微波等离子体化学气相沉积中一种可旋转生长金刚石的方法，其特征在于，所述腔体(3)内微波等离子体中金刚石生长环境为：腔内压力、金刚石表面温度、微波功率、引入腔内的氢气流量、引入腔内的甲烷流量分别为：50-200torr、800-1200℃、3000-5000W、500-1000sccm、25-100sccm。
7.一种用于实现权利要求1至6任一方法的装置，其特征在于，包括用于提供微波等离子体金刚石生长环境的腔体(3)，所述腔体(3)内设置有可旋转样品托(2)，所述可旋转样品托(2)用于放置金刚石(1)，所述可旋转样品托(2)可绕中心轴旋转，继而带动金刚石(1)旋转。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述可旋转样品托(2)为圆柱体，所述圆柱体的上表面为水平且用于放置金刚石(1)；所述可旋转样品托(2)为圆柱体，所述圆柱体的上表面开有凹槽(7)，所述凹槽(7)的底面为水平状，其内用于放置金刚石(1)。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，还包括动力装置，所述动力装置与所述可旋转样品托(2)相连接，并用于带动所述可旋转样品托(2)旋转。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述动力装置包括：传动装置(5)，其输出端为竖直向其与所述可旋转样品托(2)同轴连接，步进电机(6)，设置于所述腔体(3)外，与所述传动装置(5)的输入端相连接。
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| PB01 | Publication | ||
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