CN114318530B - 一种金刚石单晶生长炉设备及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石单晶生长炉设备，包括炉体，在炉体的一侧开设有进气口，然后在炉体的一侧设置有气体混装罐，然后在气体混装罐的下方设置增压组件，其次在炉体的内部转动设置有生长组件，位于生长组件的上方设置有冷却组件，炉体的内部设置有若干加热管，然后在炉体的侧面呈环形阵列设置若干门卡，在炉门的外部呈环形阵列设置若干连接卡，然后将该炉体的炉门旋转卡接于门卡内，然后通过若干密封螺栓进行固定，其中炉门的一侧设置有密封圈，在炉门进行卡接安装时，可以有效地保证该生长炉的密封性，同时保证生长炉在满足高压高温情况下的稳定性。

Description

一种金刚石单晶生长炉设备及其工作方法

技术领域

本发明涉及金刚石单晶的生长技术领域，具体涉及一种金刚石单晶生长炉设备及其工作方法。

背景技术

金刚石是目前自然界已发现的最优的半导体材料，它的高导热系数、高电子和空穴迁移率、高介电击穿场、低介电损耗和宽带隙，是其它任何材料所不能比拟的。

在20世纪80年代初利用化学气相沉积生长金刚石多晶膜，经二十多年的发展，相关技术已经十分成熟。但是由于人们使用的金刚石单晶生长炉均采用常规的进气口充入反应气体，电热丝加热的方式创造金刚石单晶的生长环境，如图1所示，但是此种方法下，金刚石单晶的生长速率慢，生长不均匀，不美观，并且可能会使金刚石单晶在生长过程中因为受热不均匀导致出现不合格的情况，其次现有装置在气压的控制中，对气体的使用容易造成较大的浪费，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石单晶生长炉设备及其工作方法，以解决上述背景中问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种金刚石单晶生长炉设备，包括炉体，所述炉体的一侧开设有进气口，所述炉体的一侧设置有气体混装罐，所述炉体的一侧位于气体混装罐的下方设置有增压组件，所述炉体的内部转动设置有生长组件，所述炉体的内部位于生长组件的上方设置有冷却组件，所述炉体的内部设置有若干加热管，所述炉体的一侧设置有真空泵；

所述生长组件包括转动设置于炉体内部的转动轴，所述转动轴上设置有转动架，所述转动架的表面呈环形阵列等间距开设有若干加热孔，所述转动架上呈环形阵列插接设置有若干生长架，所述生长架上设置有料座，所述料座上开设有料槽；

所述生长组件还包括固定设置于炉体外部侧面的旋转电机，所述旋转电机的输出轴与转动轴固定连接。

作为本发明进一步的方案：所述冷却组件包括设置于炉体顶部的冷却基座，所述冷却基座的内部开设有冷却气管，所述冷却气管的一端设置有冷却阀门，所述冷却基座的下方对称设置有若干冷却风扇，所述冷却风扇上设置有冷却风筒。

作为本发明进一步的方案：所述气体混装罐的一侧开设有冷却风口，所述冷却风口与冷却气管贯通连接，所述气体混装罐底部的一侧开设有出气口，所述气体混装罐底部的另一侧开设有缓冲气口，所述气体混装罐的上方设置有若干气阀。

作为本发明进一步的方案：所述增压组件包括设置于气体混装罐下方的增压罐，所述增压罐一端的两侧对称设置有旋转轴承，两个旋转轴承之间转动设置有旋转架，所述旋转架上转动设置有转动块；

所述增压罐的下方设置有增压电机，所述增压电机的输出轴与旋转架的一端固定连接；

所述增压罐的内部滑动设置有增压滑块，所述增压滑块与转动块之间通过连杆连接，所述连杆的一端与增压滑块转动连接。

作为本发明进一步的方案：所述增压罐的另一端设置有进气室和出气室，所述进气室的一个侧面开设有进气管道且进气管道与出气口贯通连接，所述进气室的另一侧面开设有进气孔，所述进气孔靠近增压滑块的一端外部转动设置有进气单向阀，所述出气室的一个侧面开设有出气管道且出气管道与进气口贯通连接，所述出气室的另一侧面开设有出气孔，所述出气室的内部位于出气孔的一端转动设置有出气单向阀。

作为本发明进一步的方案：所述增压罐一端的侧面开设有循环气口且循环气口与缓冲气口贯通连接。

作为本发明进一步的方案：所述炉体的端部转动卡接设置有炉门，所述炉门的一侧设置有密封圈。

作为本发明进一步的方案：所述加热管的内部设置有电热丝。

作为本发明进一步的方案：本发明还公开了该生长炉设备的工作方法，具体包括以下步骤：

步骤一：打开炉门，将金刚石单晶颗粒、金属触媒块和石墨块分别放置于生长架上的料槽内并进行固定，然后依次将生长架插接设置于转动架上，关闭炉门；

步骤二：打开真空泵将炉内的空气排出，然后将反应所需的气体通过气阀按照比例通入至气体混装罐内进行混合；

步骤三：启动增压电机，增压电机通过带动增压滑块进行增压滑动，将混合气体由气体混装罐内经过进气室和出气室压入炉体内；

步骤四：开启加热管和旋转电机，使得金刚石单晶在炉体内进行生长；

步骤五：当金刚石单晶生长到一定程度之后，关闭加热管和增压电机，开启冷却阀门和冷却风扇对转动架上的金刚石单晶进行冷却；

步骤六：冷却完成之后，停止旋转电机，然后打开炉门，从转动架上取下生长架，最后取下生长完成的金刚石单晶即可。

本发明的有益效果：

(1)本发明中，旋转电机的输出轴与转动轴固定连接，转动轴上设置有转动架，在转动架的表面呈环形阵列等间距开设有若干加热孔，在金刚石单晶的生长过程中，转动架缓慢转动，使得加热管产生的热量由加热孔进入，起到缓慢加热的过程，避免了生长炉对金刚石单晶加热不均匀导致金刚石单晶生长不均匀或者无法生长的情况；

(2)本发明中，在金刚石单晶生长过程中，需要不同的反应材料，将不同的材料分别交替设置在每个生长架上，在高温高压生长的过程中，反应物会产生气化悬浮的情况，然后生长架缓慢旋转，使得悬浮于生长炉内的反应物可以充分生长于金刚石单晶上，使得金刚石单晶的生长过程加快，且生长均匀，成品美观，极大地提高了金刚石单晶生长的合格率，解决了传统金刚石单晶生长出现参差不齐的情况；

(3)本发明中，在冷却基座的下方对称设置有两排冷却风扇，每个冷却风扇上设置有冷却风筒，当金刚石单晶生长完成之后，在取出金刚石单晶时，需要对生长炉内进行降温泄压，此时，打开冷却阀门，启动冷却风扇即可对生长架上的金刚石单晶进行降温，并且冷却气管的与气体混装罐连接，可以有效地避免在降温泄压过程中金刚石单晶的表面产生变化；

(4)本发明中，进气单向阀和出气单向阀的设计，可以保证气体的单向流动，使得生长炉内的气压可以得到有效地控制避免了压力过大或者过小，其次，在增压罐一端的侧面开设有循环气口且循环气口与缓冲气口贯通连接，保证增压罐的运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是现有技术结构示意图；

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明中炉门结构示意图；

图4是本发明炉体结构局部剖面示意图；

图5是本发明中生长架结构示意图；

图6是本发明中增压罐剖面结构示意图；

图7是本发明中转动轴与旋转电机连接结构示意图；

图8是本发明中加热管剖面结构示意图。

图中：1、炉体；10、进气口；11、门卡；12、真空泵；2、炉门；20、密封螺栓；21、连接卡；22、密封圈；3、气体混装罐；30、出气口；31、气阀；32、缓冲气口；33、冷却风口；4、冷却组件；41、冷却基座；42、冷却气管；43、冷却风扇；44、冷却风筒；45、冷却阀门；5、增压组件；50、增压罐；500、循环气口；51、增压电机；52、旋转架；520、旋转轴承；521、转动块；53、增压滑块；54、连杆；55、进气室；550、进气孔；551、进气管道；552、进气单向阀；56、出气室；560、出气孔；561、出气管道；562、出气单向阀；6、生长组件；60、旋转电机；61、转动轴；62、转动架；620、加热孔；63、架槽；64、生长架；640、拉手；641、卡接边；642、料座；643、料槽；7、加热管；71、电热丝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2、图3和图4所示，本发明为一种金刚石单晶生长炉设备，具体包括炉体1，在炉体1的一侧开设有进气口10，然后在炉体1的一侧设置有气体混装罐3，然后在气体混装罐3的下方设置增压组件5，其次在炉体1的内部转动设置有生长组件6，位于生长组件6的上方设置有冷却组件4，炉体1的内部设置有若干加热管7，在炉体1的一侧设置有真空泵12，然后在炉体1的侧面呈环形阵列设置若干门卡11，在炉门2的外部呈环形阵列设置若干连接卡21，然后将该炉体1的炉门2旋转卡接于门卡11内，然后通过若干密封螺栓20进行固定，其中炉门2的一侧设置有密封圈22，在炉门2进行卡接安装时，可以有效地保证该生长炉的密封性，同时保证生长炉在满足高压高温情况下的稳定性；

关于生长组件6的结构参照图4、图5和图7所示，具体的生长组件6包括转动设置于炉体1内部的转动轴61和固定设置于炉体1外部侧面的旋转电机60，其中，旋转电机60的输出轴与转动轴61固定连接，转动轴61上设置有转动架62，在转动架62的表面呈环形阵列等间距开设有若干加热孔620，在金刚石单晶的生长过程中，转动架62缓慢转动，使得加热管7产生的热量由加热孔620进入，起到缓慢加热的过程，避免了生长炉对金刚石单晶加热不均匀导致金刚石单晶生长不均匀或者无法生长的情况，转动架62上呈环形阵列插接设置有若干生长架64，每个生长架64上设置有料座642且开设有料槽643，且生长架64的两侧对称设置卡接边641，生长架64通过卡接边641滑动插接于转动架62上的架槽63内，且生长架64的端部设置了拉手640，便于生长架64的取放，在金刚石单晶生长过程中，需要不同的反应材料，将不同的材料分别交替设置在每个生长架64上，在高温高压生长的过程中，反应物会产生气化悬浮的情况，然后生长架64缓慢旋转，使得悬浮于生长炉内的反应物可以充分生长于金刚石单晶上，使得金刚石单晶的生长过程加快，且生长均匀，成品美观，极大地提高了金刚石单晶生长的合格率，解决了传统金刚石单晶生长出现参差不齐的情况。

关于冷却组件4的具体结构设计参照图4所示，冷却组件4包括设置于炉体1顶部的冷却基座41，其中冷却基座41的内部开设有冷却气管42冷却气管42的一端设置有冷却阀门45，在金刚石单晶生长的过程中，需要保证冷却阀门45的关闭，可以防止生长炉内的压强产生变化，另外，在冷却基座41的下方对称设置有两排冷却风扇43，每个冷却风扇43上设置有冷却风筒44，当金刚石单晶生长完成之后，在取出金刚石单晶时，需要对生长炉内进行降温泄压，此时，打开冷却阀门45，启动冷却风扇43即可对生长架64上的金刚石单晶进行降温，并且冷却气管42的与气体混装罐3连接，可以有效地避免在降温泄压过程中金刚石单晶的表面产生变化。

同样参照图4所示，气体混装罐3的一侧开设有冷却风口33，所述冷却风口33与冷却气管42贯通连接，在气体混装罐3底部的一侧开设有出气口30，另一侧开设有缓冲气口32，然后在气体混装罐3的上方设置有若干气阀31，用来接通金刚石单晶生长所需的气体，气阀31的数量可以根据金刚石单晶生长所需的气体种类的数量进行设计。

关于增压组件5的结构设计，增压组件5包括设置于气体混装罐3下方的增压罐50，在增压罐50一端的两侧对称设置旋转轴承520，两个旋转轴承520之间转动设置有旋转架52，在旋转架52上转动设置有转动块521，然后在增压罐50的下方设置增压电机51，使增压电机51的输出轴与旋转架52的一端固定连接，其次，在增压罐50的内部滑动设置有增压滑块53，所述增压滑块53与转动块521之间通过连杆54连接，当增压电机51启动时，可以通过旋转架52的转动带动增压滑块53在增压罐50的内部进行滑动；

同时，在增压罐50的另一端设置有进气室55和出气室56，在进气室55的一个侧面开设有进气管道551且进气管道551与出气口30贯通连接，在进气室55的另一侧面开设有进气孔550，进气孔550靠近增压滑块53一端的外部转动设置有进气单向阀552，在出气室56的一个侧面开设有出气管道561且出气管道561与进气口10贯通连接，在出气室56的另一侧面开设有出气孔560，出气室56的内部位于出气孔560的一端转动设置有出气单向阀562，当增压滑块53在进行滑动时，可以将气体混装罐3内的气体经过进气室55由进气孔550吸入，然后增压滑块53再进行反向滑动时，可以将气体经过出气孔560推入至反应炉内，其中进气单向阀552和出气单向阀562的设计，可以保证气体的单向流动，使得生长炉内的气压可以得到有效地控制避免了压力过大或者过小，其次，在增压罐50一端的侧面开设有循环气口500且循环气口500与缓冲气口32贯通连接，保证增压罐50的运行；

其次在增压以及冷却的过程中，该生长炉内的气体可以循环使用，极大地降低了金刚石单晶的生长成本。

参照图8的结构设计所示，加热管7的内部设置有电热丝71，用来对生长炉内的环境进行加热，当加热至金刚石单晶生长所需的温度时便可以停止加热。

该生长炉设备的工作方法，具体包括以下步骤：

步骤一：打开炉门2，将金刚石单晶颗粒、金属触媒块和石墨块分别放置于生长架64上的料槽643内并进行固定，然后依次将生长架64插接设置于转动架62上，然后将炉门2通过连接卡21卡接于门卡11内，并通过密封螺栓20进行密封固定；

步骤二：打开真空泵12将炉内的空气排出，然后将反应所需的气体通过气阀31按照比例通入至气体混装罐3内进行混合；

步骤三：启动增压电机51，增压电机51通过带动增压滑块53进行增压滑动，将混合气体由气体混装罐3内经过进气室55和出气室56压入炉体1内，使得气体混装罐3内的气压缓慢增加；

步骤四：开启加热管7和旋转电机60，旋转电机60带动转动架62进行转动，随着加热管7使生长炉内的温度增加，金刚石单晶在炉体1内进行生长；

步骤五：当金刚石单晶生长到一定程度之后，关闭加热管7和增压电机51，开启冷却阀门45和冷却风扇43对转动架62上的金刚石单晶进行冷却；

步骤六：冷却完成之后，停止旋转电机60，然后取下炉门2上的密封螺栓20，旋转取下炉门2，从转动架62上取下生长架64，最后从生长架64的料槽643内取下生长完成的金刚石单晶。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种金刚石单晶生长炉设备，包括炉体（1），其特征在于，所述炉体（1）的一侧开设有进气口（10），所述炉体（1）的一侧设置有气体混装罐（3），所述炉体（1）的一侧位于气体混装罐（3）的下方设置有增压组件（5），所述炉体（1）的内部转动设置有生长组件（6），所述炉体（1）的内部位于生长组件（6）的上方设置有冷却组件（4），所述炉体（1）的内部设置有若干加热管（7），所述炉体（1）的一侧设置有真空泵（12）；

所述生长组件（6）包括转动设置于炉体（1）内部的转动轴（61），所述转动轴（61）上设置有转动架（62），所述转动架（62）的表面呈环形阵列等间距开设有若干加热孔（620），所述转动架（62）上呈环形阵列插接设置有若干生长架（64），所述生长架（64）上设置有料座（642），所述料座（642）上开设有料槽（643）；

所述生长组件（6）还包括固定设置于炉体（1）外部侧面的旋转电机（60），所述旋转电机（60）的输出轴与转动轴（61）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述冷却组件（4）包括设置于炉体（1）顶部的冷却基座（41），所述冷却基座（41）的内部开设有冷却气管（42），所述冷却气管（42）的一端设置有冷却阀门（45），所述冷却基座（41）的下方对称设置有若干冷却风扇（43），所述冷却风扇（43）上设置有冷却风筒（44）。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述气体混装罐（3）的一侧开设有冷却风口（33），所述冷却风口（33）与冷却气管（42）贯通连接，所述气体混装罐（3）底部的一侧开设有出气口（30），所述气体混装罐（3）底部的另一侧开设有缓冲气口（32），所述气体混装罐（3）的上方设置有若干气阀（31）。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述增压组件（5）包括设置于气体混装罐（3）下方的增压罐（50），所述增压罐（50）一端的两侧对称设置有旋转轴承（520），两个所述旋转轴承（520）之间转动设置有旋转架（52），所述旋转架（52）上转动设置有转动块（521）；

所述增压罐（50）的下方设置有增压电机（51），所述增压电机（51）的输出轴与旋转架（52）的一端固定连接；

所述增压罐（50）的内部滑动设置有增压滑块（53），所述增压滑块（53）与转动块（521）之间通过连杆（54）连接，所述连杆（54）的一端与增压滑块（53）转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述增压罐（50）的另一端设置有进气室（55）和出气室（56），所述进气室（55）的一个侧面开设有进气管道（551）且进气管道（551）与出气口（30）贯通连接，所述进气室（55）的另一侧面开设有进气孔（550），所述进气孔（550）靠近增压滑块（53）的一端外部转动设置有进气单向阀（552），所述出气室（56）的一个侧面开设有出气管道（561）且出气管道（561）与进气口（10）贯通连接，所述出气室（56）的另一侧面开设有出气孔（560），所述出气室（56）的内部位于出气孔（560）的一端转动设置有出气单向阀（562）。

6.根据权利要求4所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述增压罐（50）一端的侧面开设有循环气口（500）且循环气口（500）与缓冲气口（32）贯通连接。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述炉体（1）的端部转动卡接设置有炉门（2），所述炉门（2）的一侧设置有密封圈（22）。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石单晶生长炉设备，其特征在于，所述加热管（7）的内部设置有电热丝（71）。

9.如权利要求1-8任一项中一种金刚石单晶生长炉设备的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：打开炉门（2），将金刚石单晶颗粒、金属触媒块和石墨块分别放置于生长架（64）上的料槽（643）内并进行固定，然后依次将生长架（64）插接设置于转动架（62）上，关闭炉门（2）；

步骤二：打开真空泵（12）将炉内的空气排出，然后将反应所需的气体通过气阀（31）按照比例通入至气体混装罐（3）内进行混合；

步骤三：启动增压电机（51），增压电机（51）通过带动增压滑块（53）进行增压滑动，将混合气体由气体混装罐（3）内经过进气室（55）和出气室（56）压入炉体（1）内；

步骤四：开启加热管（7）和旋转电机（60），使得金刚石单晶在炉体（1）内进行生长；

步骤五：当金刚石单晶生长到一定程度之后，关闭加热管（7）和增压电机（51），开启冷却阀门（45）和冷却风扇（43）对转动架（62）上的金刚石单晶进行冷却；

步骤六：冷却完成之后，停止旋转电机（60），然后打开炉门（2），从转动架（62）上取下生长架（64），最后取下生长完成的金刚石单晶即可。

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