CN111979579A - 用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置 - Google Patents

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Abstract

用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，本发明涉及一种微波等离子体化学气相沉积设备中的等离子体聚集装置，它为了解决现有微波等离子体化学气相沉积金刚石生长过程中金刚石生长速率较慢的问题。本发明等离子体聚集装置包括基座、中心柱和底座，基座为球台形，基座的中心处开有中心通孔；中心柱的顶部开有样品凹槽，中心柱的底部带有外螺纹；底座的上表面开有沉孔，底座的中心开有螺纹孔，中心柱插入基座的中心通孔内，中心柱的底部插入螺纹孔中与底座螺纹连接，基座嵌入底座的沉孔内。本发明等离子体聚集装置通过改变腔体内金属边界的形状来改变电场聚集的位置和强度，显著增强MPCVD中的等离子体密度，提高生长速度。

Description

用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置
技术领域
本发明涉及一种微波等离子体化学气相沉积设备中的等离子体聚集装置，用于提高化学气相沉积单晶金刚石的生长速率。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石生长技术是一种利用微波作为能量源，氢气和甲烷等气体作为原料，在特定的反应腔中沉积生长金刚石的晶体制备方法。由于MPCVD法生长前需要抽真空，且能量源为微波，生长原料为高纯气体，所以能够制备出高纯高品质的大尺寸单晶金刚石。通过MPCVD法制备的单晶金刚石，其力学性能，导热性能，光学性能等材料学性质都十分优异，能够广泛应用于精密加工、芯片散热、光学窗口、半导体工业等领域。沉积速率较慢是目前MPCVD面临的主要问题之一，而决定单晶金刚石生长速率的关键因素之一是等离子体密度。MPCVD设备的反应腔体一般是通过特殊设计的不锈钢微波谐振腔，输入的微波在反应腔中谐振，随后在样品台上方加强，激发氢气等原料气体形成等离子体前驱体，因而等离子体密度与微波电场强度和气压有关。本发明提出的等离子体聚集装置能够有效地耦合微波电场，使之在生长样品上方增强，提高等离子体密度，显著提高单晶金刚石的生长速率。
发明内容
本发明是为了解决现有微波等离子体化学气相沉积金刚石生长过程中金刚石生长速率较慢的问题，而提供用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置。
本发明用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座、中心柱和底座，所述的基座为球台形，在基座的中心沿厚度方向开有中心通孔；中心柱的顶部开有样品凹槽，中心柱的底部带有外螺纹；底座的上表面开有沉孔，底座的中心开有螺纹孔，中心柱插入基座的中心通孔内，中心柱的底部插入螺纹孔中与底座螺纹连接，基座嵌入底座的沉孔内。
本发明用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座、中心柱和底座，所述的基座为球台形，在基座的中心沿厚度方向开有中心通孔，中心通孔的底部设置有螺纹，中心柱的顶部开有样品凹槽，中心柱的底部带有外螺纹；中心柱插入基座的中心通孔内并与基座螺纹连接，底座的上表面开有沉孔，基座嵌入底座的沉孔内。
本发明用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座、中心柱和底座，所述的基座为球台形，基座的底部开有底槽，沿底槽的圆周方向设置有内螺纹，在基座的中心沿厚度方向开有中心通孔，在底座的中心竖立有中心柱，底座的座体圆周方向设有外螺纹，中心柱的顶部开有样品凹槽，中心柱插入基座的中心通孔内，底座位于基座的底槽内并与基座螺纹连接。
本发明所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置结构简单可靠，将该等离子体聚集装置放置在MPCVD设备的水冷台上，微波等离子体谐振腔是通过腔体内部的金属边界对微波电场进行反射聚集，可以通过改变腔体内金属边界的形状来改变电场聚集的位置和强度，即改变等离子体球的位置和能量密度，采用球台型等离子体聚集装置一方面通过尖端放电原理将电场聚集在上端面处，另一方面球台的外形能有效降低次生场强的产生，提高样品表面主场强的强度，在MPCVD气相沉积工艺过程中能够显著增强MPCVD中的等离子体密度，提高生长速度，使单晶金刚石的生长速度达到>150μm/h，且能够根据金刚石样品的厚度调节合适的中心柱高度，使用方便。
附图说明
图1是具体实施方式一中用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置的结构示意图；
图2是具体实施方式二中用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置的结构示意图；
图3是具体实施方式三中用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座1、中心柱2和底座3，所述的基座1为球台形，在基座1的中心沿厚度方向开有中心通孔；中心柱2的顶部开有样品凹槽2-1，中心柱2的底部带有外螺纹；底座3的上表面开有沉孔3-2，底座3的中心开有螺纹孔3-1，中心柱2插入基座1的中心通孔内，中心柱2的底部插入螺纹孔3-1中与底座3螺纹连接，基座1嵌入底座3的沉孔3-2内。
具体实施方式二：本实施方式用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座1、中心柱2和底座3，所述的基座1为球台形，在基座1的中心沿厚度方向开有中心通孔，中心通孔的底部设置有螺纹，中心柱2的顶部开有样品凹槽2-1，中心柱2的底部带有外螺纹；中心柱2插入基座1的中心通孔内并与基座1螺纹连接，底座3的上表面开有沉孔3-2，基座1嵌入底座3的沉孔3-2内。
具体实施方式三：本实施方式用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座1、中心柱2和底座3，所述的基座1为球台形，基座1的底部开有底槽，沿底槽的圆周方向设置有内螺纹，在基座1的中心沿厚度方向开有中心通孔，在底座3的中心竖立有中心柱2，底座3的座体圆周方向设有外螺纹，中心柱2的顶部开有样品凹槽2-1，中心柱2插入基座1的中心通孔内，底座3位于基座1的底槽内并与基座1螺纹连接。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述的样品凹槽2-1为方形。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是中心柱2插入基座1的中心通孔内，使中心柱2的柱顶面与基座1的顶面平齐。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是基座1和中心柱2的材质是金属钼。
本实施方式金属钼的纯度为99.9％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是基座1为球台形，形成球台的球体直径为40mm～100mm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是基座1为球台形，球台体的高度为20mm～50mm。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是底座3的厚度为10mm～20mm。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是底座3上的沉孔3-2的孔深为2mm～6mm。
实施例：本实施例用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座1、中心柱2和底座3，所述的基座1为球台形，在基座1的中心沿厚度方向开有中心通孔；中心柱2的顶部开有样品凹槽2-1，中心柱2的底部带有外螺纹；底座3的上表面开有沉孔3-2，底座3的中心开有螺纹孔3-1，中心柱2插入基座1的中心通孔内，中心柱2的底部插入螺纹孔3-1中与底座3螺纹连接，基座1嵌入底座3的沉孔3-2内。
本实施例基座1为球台形，形成球台的球体直径为60mm，球台体的高度为35mm。
采用本实施例所述的等离子体聚集装置，将清洗过的金刚石籽晶放置于中心柱上的样品凹槽内，通过调节中心柱，使样品生长表面与基座上表面平齐，随后整体放入MPCVD设备样品台上；在350sccm氢气、30sccm甲烷的气流条件下，舱体气压保持为25kPa，微波功率4000W，样品温度1030℃，生长速率可达150μm/h；而采用常规带凹槽的样品托固定样品，但是由于一定气压下等离子体的维持需要一定的电场强度，常规样品托很难达到25kPa的生长气压。本实施例等离子体聚集装置能够实现更大电场强度的聚集，从而也能达到更高的生长气压。

Claims (10)

1.用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于该用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座(1)、中心柱(2)和底座(3)，所述的基座(1)为球台形，在基座(1)的中心沿厚度方向开有中心通孔；中心柱(2)的顶部开有样品凹槽(2-1)，中心柱(2)的底部带有外螺纹；底座(3)的上表面开有沉孔(3-2)，底座(3)的中心开有螺纹孔(3-1)，中心柱(2)插入基座(1)的中心通孔内，中心柱(2)的底部插入螺纹孔(3-1)中与底座(3)螺纹连接，基座(1)嵌入底座(3)的沉孔(3-2)内。
2.用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于该用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座(1)、中心柱(2)和底座(3)，所述的基座(1)为球台形，在基座(1)的中心沿厚度方向开有中心通孔，中心通孔的底部设置有螺纹，中心柱(2)的顶部开有样品凹槽(2-1)，中心柱(2)的底部带有外螺纹；中心柱(2)插入基座(1)的中心通孔内并与基座(1)螺纹连接，底座(3)的上表面开有沉孔(3-2)，基座(1)嵌入底座(3)的沉孔(3-2)内。
3.用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于该用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置包括基座(1)、中心柱(2)和底座(3)，所述的基座(1)为球台形，基座(1)的底部开有底槽，沿底槽的圆周方向设置有内螺纹，在基座(1)的中心沿厚度方向开有中心通孔，在底座(3)的中心竖立有中心柱(2)，底座(3)的座体圆周方向设有外螺纹，中心柱(2)的顶部开有样品凹槽(2-1)，中心柱(2)插入基座(1)的中心通孔内，底座(3)位于基座(1)的底槽内并与基座(1)螺纹连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于所述的样品凹槽(2-1)为方形。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于中心柱(2)插入基座(1)的中心通孔内，使中心柱(2)的柱顶面与基座1的顶面平齐。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于基座(1)和中心柱(2)的材质是金属钼。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于基座(1)为球台形，形成球台的球体直径为40mm～100mm。
8.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于基座(1)为球台形，球台体的高度为20mm～50mm。
9.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于底座(3)的厚度为10mm～20mm。
10.根据权利要求1或2或3所述的用于化学气相沉积单晶金刚石高速生长的等离子体聚集装置，其特征在于底座(3)上的沉孔(3-2)的孔深为2mm～6mm。
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