CN114164418A - 一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔及设备，包括腔体、石英窗、固定环、基片台组件、固定盘和至少一个变径环组件。变径环组件包括设于基片台组件和腔体之间的变径环，设于腔体底部外表面上长度可变化的波纹管模块，穿设固定在波纹管模块内的传动杆，设于腔体和固定盘之间与传动杆固定连接活动盘，穿设于活动盘的丝杆。传动杆与变径环固定连接，丝杆与活动盘螺纹配合，丝杆两端分别与腔体底部和固定盘活动连接。本发明通过变径环组件来调整腔体轴向和径向的边界，实现在不拆卸反应腔的情况下，实时增加基片台上方等离子体的功率密度，防止次生等离子体的产生及提高基片台上温度均匀性的目的，提高了金刚石生长的速度和质量。

Description

一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔及设备

技术领域

本发明属于金刚石生长技术领域，具体涉及一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔及包括该用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔的设备。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本申请相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

金刚石不仅可以作为一种具有收藏价值的宝石，由于具有高强度、高硬度、热膨胀系数小、高导热性、高化学稳定性和优越的透光性和半导体的特性，在不同的领域具有非常高的应用价值。当前人工合成金刚石的方法有直流电弧等离子体喷射法，高温高压法，热丝化学气相沉积法，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)等。由于微波激发的等离子体易于控制、等离子体密度高和无电极污染等一系列优点，使得微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)成为合成金刚石的首选方法。

MPCVD的基本原理是：从微波发生源的微波在矩形波导内以横电波(TE)模式传播，通过模式转化天线把TE模式转化为横磁波(TM)模式，然后耦合进入反应腔。当频率和模式合适的时候就会在反应腔内部形成驻波，也就是在反应腔内部形成一个强电场区域(基片台表面上方)，在接近真空的情况下，通入反应气体(通常为碳源气体和氢气，碳源气体通常为甲烷)，强电场把通过的反应气体电离激发成等离子体状态。在合适的温度下，等离子体中的活性基团扩散到籽晶表面之后就会沉积出金刚石膜。

MPCVD设备主要分为五个部分：微波输入系统、反应腔体系统、真空系统、冷却系统和气路系统。其中，反应腔体系统是MPCVD设备最核心的部分，不同结构的腔体将会直接影响到微波的耦合强度及腔体内部的电场分布，进一步影响等离子体的功率密度和其中各个基团的强度，最终对金刚石沉积的速度和质量等方面受到很大的影响。

针对圆柱MPCVD设备，微波输入功率是有最大限制的，其反应腔体最佳形态为规则圆柱形，但由于种种实际需要设置的观测窗口、测温窗口、入气口、仓门及基片台等改变了腔体的形状，即改变了腔体内部电场的边界条件，从而导致微波电场分散，等离子体功率密度低的结果，进而对金刚石生长产生不利影响。因此，如何在微波输入功率存在限制的情况下提高等离子体的功率密度就显得尤为重要了。同时，微波激发的等离子体是呈球状基团，并不能更大面积的覆盖在基片台上。由于等离子体是中间温度高而四周温度低，这样就会导致基片台上的温差很大，而金刚石的生长也有一定的温度范围，否则就会生长出石墨等杂质。按照电磁场理论，要想解决上述问题，并达到增加等离子体的功率密度和等离子体覆盖更大基片台面积的目的，可以在腔体内设置合适的边界条件。但在MPCVD设备中，腔体的真空性是必要条件，目前的技术方案是将腔体拆开进行腔体内金属结构的调整，这个过程可能需要多次才能实现预期的效果，而高频率的拆卸与装配对于腔体的真空密封性也产生了不确定因素。

发明内容

基于上述问题，本发明有两个目的，第一目的是提供一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，可以实时调整腔体的轴向和径向边界，增大等离子体的功率密度，改变基片台下方同轴谐振产生的TEM模的分布，促使激发的等离子体呈扁球状；第二目的是提供一种包括上述用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔的设备。

为了实现第一目的，本发明提供了一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，包括：

腔体；

石英窗，设于所述腔体顶部，用于微波馈入；

基片台组件，所述基片台组件包括基片台和支架，所述支架一端穿设于所述腔体底部，所述基片台固定设置于所述支架上并位于所述腔体内；

固定环，材质为金属，固定在所述腔体底部，套接在所述支架上；

至少一个变径环组件，贯穿所述腔体底部，设置于所述基片台组件和所述腔体中间位置，可上下移动调整所述腔体的轴向和径向尺寸；

固定盘，与所述变径环组件位于所述腔体外的一端连接。

在一个可能的实现方式中，变径环组件包括：

变径环，材质为金属，设于所述腔体内，由外向内依次套接，可沿所述腔体轴向滑动；

波纹管模块，设置于所述腔体底部外表面上，所述波纹管模块与所述腔体形成一个贯通的真空环境，所述波纹管模块在外力的作用下，可实现轴向长度的变化；

传动杆，穿设固定于所述波纹管模块内，所述传动杆与所述变径环固定连接；

活动盘，设于所述腔体和所述固定盘之间，与所述传动杆固定连接；

丝杆，穿设于所述活动盘，所述丝杆与所述活动盘螺纹配合，所述丝杆两端分别与所述腔体底部和所述固定盘活动连接。

在一个可能的实现方式中，在调整所有所述变径环轴向位置时，所述变径环和所述固定环始终保持连续的腔体边界。

在一个可能的实现方式中，所述变径环上表面水平设置。

在一个可能的实现方式中，所述变径环上表面与水平面呈一定角度设置。

在一个可能的实现方式中，所述变径环上表面为弧形曲面。

在一个可能的实现方式中，所述波纹管模块包括波纹管和法兰，所述法兰焊接在所述波纹管靠近腔体的一端，所述法兰设有法兰螺孔，所述法兰螺孔和所述腔体上的螺孔通过紧固螺丝进行螺纹配合。

在一个可能的实现方式中，所述波纹管模块还包括垫片，所述垫片设于所述法兰和所述腔体之间。

在一个可能的实现方式中，所述垫片材质为铜。

为实现第二目的，本发明提供了一种包括如第一目的设备。

本发明的有益效果主要有四个。首先，本发明改进了MPCVD设备的反应腔结构，通过增加变径环组件，调节各个变径环的高度变化来实现对腔体轴向和径向尺寸的改变，实时创造出可以有利于增加等离子体功率密度的边界条件，实现了MPCVD设备在现有输入微波功率的限制下等离子体功率密度的提高；其次，通过对变径环的合理设置，改变了基片台下方同轴谐振产生的TEM模的分布，进一步促使等离子体从球状基团到扁球状基团的转变，增加了等离子体的覆盖面积，实现基片台上的温度均匀性，从而提高了金刚石生长的速度和质量；再次，变径环和固定环始终保持连续的边界可以有效避免次生等离子体在变径环下部的产生；最后，实时的腔体边界调整也避免了腔体的频繁拆卸和装配，对于腔体的真空密封性也产生了积极效果。

附图说明

图1为本发明提供的反应腔结构剖面示意图；

图2为根据发明所提供的其中一种实施例反应腔的剖面示意图；

图3为根据发明所提供的其中一种实施例反应腔的剖面示意图；

图4为根据发明所提供的其中一种实施例反应腔的剖面示意图；

图5为根据发明所提供变径环组件的结构示意图；

图6为根据发明所提供的波纹管模块的结构示意图。

其中，1为腔体，2为基片台组件，21为基片台，22为支架，3为变径环组件，31为变径环，32为传动杆，33为波纹管模块，331为法兰，332为波纹管，333为垫片，334为法兰螺孔，34为活动盘，35为丝杆，4为固定盘，5为石英窗，6为固定环。

具体实施方式

下面详细描述本发明，本发明实施例的示例在附图中示出，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的或具有相同或类似功能的部件。除此之外，如果已有技术文献或其他现有技术的描述对于本发明所提供的技术方案是非必要的，在本发明中已经将其省去。本发明中描述的实施例为示例作用，仅仅用于解释本发明的技术方案，而不能作为对本发明的限制。

对于本技术领域的技术人员可以理解，除非另外进行定义，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中普通技术人员的一般理解具有相同的意义，于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、结构、步骤、操作、模块、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、结构、步骤、操作、模块、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称上述特征被“连接”或“固定”到另一元件时，它可以直接连接或固定到其他特征，或者也可以存在中间特征。此处使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本发明提到的变径环调节过程中，变径环组件调节前均处于初始状态，即所有的变径环不能向重力方向移动。轴线为穿过腔体截面圆心且与截面垂直的直线，轴向是指腔体轴线方向，径向指腔体轴线到腔体的方向，

下面以具体实施例对本发明的技术方案以及如何解决上述技术问题进行详细的说明。

在一些实施例中，如图1所示，包括：腔体1、基片台组件2、至少一个变径环组件3、固定盘4、石英窗5和固定环6。石英窗5设于腔体顶部，用于微波馈入；基片台组件2包括基片台21和支架22，支架22的一端穿设于腔体1底部，基片台21固定设置于支架22上并位于腔体1内；变径环组件3贯穿腔体1底部，设置于基片台组件2和腔体1中间位置，可上下移动调整腔体的轴向和径向尺寸；固定盘4与变径环组件3位于腔体外的一端连接。

腔体1的作用在于为反应提供一个初始真空密封反应环境；固定盘4起到固定变径环组件3的作用；石英窗5用于微波馈入，反应气体在微波电场的作用下就会在基片台21上方激发形成等离子体；支架22用于支撑基片台21并为基片台21提供水冷系统通道；多个变径环组件3通过沿着腔体1的轴向移动改变腔体的轴向和径向边界；固定环6的作用在于为腔体1提供一个连续的边界。在不拆卸腔体1的情况下，通过配合调整多个变径环组件3在腔体1轴向上的位置可以达到增加等离子体的功率密度和提高基片台21上的温度均匀性的目的。

在一些实施例中，如图2-5所示，变径环组件3包括变径环31、波纹管模块33、传动杆32、活动盘34和丝杆35。其中，变径环31的材质为金属，设于腔体1内，由外向内依次套接，可沿腔体1轴向滑动，设置在腔体1内部的变径环31可以改变腔体1内电场边界条件，改变腔体1内电场的分布，由外向内依次套接可以和固定环6形成腔体一个完整的边界，而轴向滑动可以方便腔体1在轴向和径向上的边界调整；波纹管模块33设置于腔体1底部外表面上，波纹管模块33与腔体1形成一个贯通的真空环境，波纹管模块33在外力的作用下，可以实现轴向长度的变化，这样就达到了在保持腔体1真空性的前提下实现腔体1边界尺寸变化的目的；传动杆32穿设固定于波纹管模块33内，传动杆32与变径环31固定连接，传动杆32可以带动变径环31进行轴向移动；活动盘34设于腔体1和固定盘4之间，与传动杆32固定连接，活动盘34可带动传动杆32轴向移动；丝杆35穿设于活动盘34中，丝杆35与所述活动盘34螺纹配合，丝杆35两端分别与腔体1底部和固定盘4活动连接，在外力作用下，丝杆35的转动会促使活动盘34沿腔体1轴向移动，而丝杆35在轴向上不会移动。整个过程可描述为：在外力作用下，丝杆35的转动带动活动盘34在腔体1轴向上移动，活动盘34带动传动杆32在腔体1轴向上移动，传动杆32带动变径环31在腔体1轴向上移动，而腔体1始终保持着一个良好的真空环境。当需要调节腔体1轴向边界时，就可以通过转动丝杆35，保持所有丝杆35的转动完全一致，即变径环31在轴向上移动的距离相同，这样就会在腔体1内形成新的轴向边界。当需要调节腔体1径向边界时，保持一个或多个距离基片台较近的变径环31保持不变，转动丝杆35，带动其他变径环31在轴向上移动，达到腔体1内形成新的径向边界的目的。当需要对腔体1轴向和径向边界同时进行调节时，转动丝杆35，对多个变径环31在腔体1轴向上进行相互配合的移动就可以实现。

在一些实施例中，如图2-4所示，分别调节每个变径组件3的丝杆35来调节变径环31的轴向位置，变径环31和固定环6始终保持连续的腔体边界。这样，变径环31、固定环6和腔体1形成了新的边界，有效避免了在变径环31下部产生次生等离子体。

在一些实施例中，如图2所示，变径环组件3的数量为三个，变径环31在腔体1靠近基片台21的方向呈从高到低的阶梯型并与固定环6形成一个连续的腔体边界，所有变径环31上表面水平设置。这样就会有将微波能量反射至基片台21上方，提高基片台21上等离子体的功率密度。同时，通过对变径环31的合理设置，改变了基片台下方同轴谐振产生的TEM模的分布，进一步促使等离子体从球状基团到扁球状基团的转变，增加了等离子体的覆盖面积，提高了基片台21上的温度均匀性。

在一些实施例中，如图3所示，变径环组件3的数量为两个，变径环31在腔体1靠近基片台21的方向呈从高到低的阶梯型并与固定环6形成一个连续的腔体边界，靠近基片台21的变径环31上表面水平设置，靠近腔体的变径环31上表面与水平面呈一定夹角设置。这样一定角度的上表面会使微波能量更多的反射至基片台21上方，提高基片台21上等离子体的电场强度。同时，变径环31也改变了基片台下方同轴谐振产生的TEM模的分布，进一步促使等离子体从球状基团到扁球状基团的转变，达到了等离子体从球状基团到扁球状基团的转变。

在一些实施例中，如图4所示，变径环组件3的数量为两个，变径环31在腔体靠近基片台21的方向呈从高到低的阶梯型并与固定环6形成一个连续的腔体边界，靠近基片台21的变径环31上表面水平设置，靠近腔体的变径环31上表面为弧形曲面，由于弧面的反射效果更好，这样微波能量就会更多的集中在基片台21上方，同时，变径环31改变了基片台下方同轴谐振产生的TEM模的分布，达到了等离子体从球状基团到扁球状基团的转变。

在一些实施例中，如图5所示，波纹管模块33包括波纹管332和法兰331，法兰331焊接在波纹管332靠近腔体1的一端，法兰331上设有法兰螺孔334，法兰螺孔334和腔体1上的螺孔通过紧固螺丝进行螺纹配合，保证了腔体1和波纹管332之间形成真空环境。

在一些实施例中，如图6所示，波纹管模块33还包括设置在法兰331和腔体1之间的垫片333，垫片333可以填补法兰331和腔体1之间的缝隙，提高腔体1和波纹管332之间的真空性。

在一些实施例中，如图6所示，垫片333的材质为铜，由于铜具有良好的柔软性，可以充分填补法兰331和腔体1表面的不平整处，显著提高腔体1和波纹管332形成真空环境的稳定性。

本发明还提供了一种MPCVD设备，包括上述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔。在实际需要调整腔体的边界条件时，通过变径环组件相互配合进行高度的调节来实现腔体轴向和径向的边界，可以实现在不拆卸反应腔的情况下，实时增加等离子体的功率密度和等离子体覆盖更大基片台面积的目的，同时也避免了次生等离子体在变径环下部的产生，有效提高金刚石生长的速度和质量。

显然，前述所描述的实施例仅仅是本发明其中一部分的实施例，而不是全部的实施例。本发明并不局限于前述的具体实施方式。而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本发明的范围由所附权利要求确定而不是上述说明书限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，包括：

腔体；

石英窗，设于所述腔体顶部，用于微波馈入；

基片台组件，所述基片台组件包括基片台和支架，所述支架一端穿设于所述腔体底部，所述基片台固定设置于所述支架上并位于所述腔体内；

固定环，材质为金属，固定在所述腔体底部，套接在所述支架上；

至少一个变径环组件，贯穿所述腔体底部，设置于所述基片台组件和所述腔体中间位置，可上下移动调整所述腔体的轴向和径向尺寸；

固定盘，与所述变径环组件位于所述腔体外的一端连接。

2.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述变径环组件包括：

变径环，材质为金属，设于所述腔体内，由外向内依次套接，可沿所述腔体轴线轴向滑动；

波纹管模块，设置于所述腔体底部外表面上，所述波纹管模块与所述腔体形成一个贯通的真空环境，所述波纹管模块在外力的作用下，可实现轴向长度的变化；

传动杆，穿设固定于所述波纹管模块内，所述传动杆与所述变径环固定连接；

活动盘，设于所述腔体和所述固定盘之间，与所述传动杆固定连接；

丝杆，穿设于所述活动盘，所述丝杆与所述活动盘螺纹配合，所述丝杆两端分别与所述腔体底部和所述固定盘活动连接。

3.根据权利要求2所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，在调整所有所述变径环轴向位置时，所述变径环和所述固定环始终保持连续的腔体边界。

4.根据权利要求3所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述变径环上表面水平设置。

5.根据权利要求3所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述变径环上表面与水平面呈一定角度设置。

6.根据权利要求3所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述变径环上表面为弧形曲面。

7.根据权利要求2所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述波纹管模块包括：波纹管和法兰，所述法兰焊接在所述波纹管靠近腔体的一端，所述法兰设有法兰螺孔，所述法兰螺孔和所述腔体上的螺孔通过紧固螺丝进行螺纹配合。

8.根据权利要求7所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述波纹管模块还包括垫片，所述垫片设于所述法兰和所述腔体之间。

9.根据权利要求8所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔，其特征在于，所述垫片材质为铜。

10.一种设备，其特征在于，包括：如权利要求1-9中任一项所述的用于化学气相沉积的微波等离子体反应腔。

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