CN114481086A - 一种用于金刚石厚膜的生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于金刚石厚膜的生长装置，通过把设备中的样品台分成两个部分，在样品台进水管中设置一根可以上下移动的驱动杆带动样品台中心的小样品台上下移动，进而带动放置在小样平台上方的金刚石衬底上下移动，以调节金刚石衬底的上表面在等离子体中的相对位置。本发明的优点该结构可以保证金刚石生长表面在等离子体中的位置不会随着生长厚度的改变而改变，确保了金刚石生长表面温度和自由基团浓度的恒定，减小金刚石生长过程中的应力积累，降低金刚石由于厚度变化而导致的应力累积过大产生裂纹的风险，可用于金刚石长时间恒定速率生长。

Description

一种用于金刚石厚膜的生长装置
技术领域
本发明涉及金刚石薄膜制备工艺，尤其涉及微波等离子体化学气相沉积装置来生长3mm以上厚度的金刚石薄膜。
背景技术
碳和硅都是IV族成员，但碳原子序数较小。金刚石具有与硅相同的晶体结构，有望成为下一代大功率电子，光电，生物/化学电子，量子计算设备等的基本材料。这是因为金刚石具有电性能与硅类似，但具有更卓越的物理性能。
自1950年代以来，人们就一直在研究通过化学气相沉积（CVD）进行金刚石膜的生长，该生长必须在非平衡条件下进行。这是因为在正常条件下，石墨是比金刚石更稳定的碳相。此外，在CVD工艺期间，必须存在氢自由基（原子氢）以去除非金刚石碳，主要是在金刚石表面上形成的石墨。氢自由基主要是通过热解离和电子碰撞在等离子体中产生的。
CVD技术主要分为热丝CVD、微波等离子体CVD、燃烧火焰CVD等制备方法，微波等离子体CVD（MPCVD）是目前用于生长高质量金刚石的首选方法。在MPCVD法沉积金刚石膜的过程中，会有很多因素影响金刚石膜的生长质量，如：气体的流量、碳源浓度、反应气压、输入微波的功率、衬底温度等，每一个因素的变化都会对金刚石膜的沉积质量产生较大的影响。虽然MPCVD法制备单晶金刚石薄膜技术目前已经得到了很大的提高，但是MPCVD法生长厚膜单晶金刚石的成品率很低，其中个最主要的原因是生长过程中累积的内应力导致金刚石内部产生裂纹，因此降低金刚石生长过程中的内应力，对于生长高质量厚膜金刚石具有十分重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种用于金刚石厚膜的生长装置，旨在解决随着生长厚度的增加，金刚石表面在等离子体中的位置发生变化，导致金刚石生长表面的温度和自由基团的浓度发生改变，引起在金刚石内部产生裂纹的问题。
本发明技术方案如下：本发明提供了一种用于金刚石厚膜的生长装置，主要包含生长腔体和样品台，其中样品台由大样品台（7）和小样品台（15）组成，大样品台（7）和小样品台（15）通过金属波纹管（12）进行连接，金属波纹管（12）通过密封圈（16）对样品台进行密封，小样品台（15）高度可以通过设置在进水管（14）内部的驱动杆（13）进行调节，大样品台（7）由上盖和下底座（9）通过密封圈（8）进行密封，金刚石衬底（6）放置在小样品台（15）上方的中心位置，微波等离子体（5）位于小样品台（15）上方的中心位置，在生长腔体（2）侧壁外设置红外测温仪（3），透过安装在生长腔体（2）侧壁上石英玻璃窗口（4）来测量金刚石衬底的温度，红外测温仪温度变化阈值超过设定值时，驱动杆执行高度调节动作，生长腔体（2）顶部设置光电传感器（1）以监测金刚石衬底厚度的变化。
优选地，上述大样品台（7）和小样品台（15）相对的侧面之间设置导轨（10）和滑块（12）模块，进行小样平台上下滑动的定位和导向。
可选地，采用大样品台（7）和小样品台（15）相对的侧面接触配合进行小样平台上下滑动的定位和导向，这种方式在在小样平台（15）的运行行程非常小的情况下更为方便经济。
可选地，在金刚石衬底（6）与小样品台（15）之间放置一块耐高温的金属，如钼制作的薄板，金刚石衬底（6）通过薄板放置小样平台（15）的中心。
可选地，上述红外测温仪（3）与光电传感器（1）的安装位置可以交换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种用于金刚石厚膜的生长装置，通过把样品台分割成两个部分，固定样品台与活动样品台。等离子的形态与位置由腔体的其他结构，固定样品台，与小样平台上金刚石的上表面一起确定，随着金刚石厚度的生长，通过测量金刚石厚度变化与温度信息，自动调整小样平台的高度，将金刚石衬底的上平面维持在一个相对固定的高度，始终保持金刚石面上的等离子的形态与性质不发生变化，使得生长表面的温度和自由基团的浓度不会随着金刚石厚度的改变而发生变化，保证金刚石上平面始终在相同的温度和自由基团浓度下生长，解决金刚石由于生长条件和生长温度改变所导致的应力增加问题，降低金刚石由于应力过大而开裂的风险。
附图说明
图1为本发明的金刚石厚膜生长装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例，图1是根据本发明的实施方式装置的工作示意性图示。应理解，本发明公开的图1重点示意了根据本发明实施方式装置的元部件，也就是说，附图并不意在示意出本发明装置中的每一个单独的元部件。
实施例一：本发明提供了一种用于金刚石厚膜的生长装置，主要包含生长腔体，样品台，其中样品台由大样品台7和小样品台15组成，大样品台7和小样品台15通过金属波纹管12进行连接，金属波纹管12通过密封圈16对样品台进行密封，小样品台15高度可以通过设置在进水管14内部的驱动杆13进行调节，大样品台7由上盖和下底座9通过密封圈8进行密封，金刚石衬底6放置在小样品台上方的中心位置，微波等离子体5位于小样品台15上方的中心位置，在生长腔体2侧壁外设置红外测温仪3，透过安装在生长腔体2侧壁上石英玻璃窗口4来测量金刚石衬底6表面的温度，红外测温仪测量的温度变化阈值超过设定值时，驱动杆13执行高度调节动作，生长腔体2顶部设置光电传感器1以监测金刚石衬底厚度的变化。优选地在大样品台7和小样品台15相对的侧面之间设置导轨10和滑块12模块，进行小样平台15上下滑动的定位和导向，使小样平台15在驱动杆13的驱动下进行平稳升降运动，有利于提高生长工艺质量。
可选地，采用大样品台7和小样品台15相对的侧面接触配合进行小样平台上下滑动的定位和导向，这种方式在在小样平台（15）的运行行程非常小的情况下更为方便经济。
可选地，在金刚石衬底6与小样品台15之间放置一块耐高温的金属，如钼制作的薄板，金刚石衬底6通过薄板放置小样平台15的中心。
实施例二：在实施例一的基础上，交换红外测温仪3与光电传感器1的安装位置。
以上所述仅为本发明得较佳实施例而已，并不用以限制本发明，反在本发明得精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明得保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于金刚石厚膜的生长装置，主要包含生长腔体和样品台，其特征在于：样品台由大样品台（7）和小样品台（15）组成，大样品台（7）和小样品台（15）通过金属波纹管（12）进行连接，金属波纹管（12）通过密封圈（16）对样品台进行密封，小样品台（15）高度可以通过设置在进水管（14）内部的驱动杆（13）进行调节，大样品台（7）由上盖和下底座（9）通过密封圈（8）进行密封，金刚石衬底（6）放置在小样品台（15）上方的中心位置，微波等离子体（5）位于小样品台（15）上方的中心位置，在生长腔体（2）侧壁外设置红外测温仪（3），透过安装在生长腔体（2）侧壁上石英玻璃窗口（4）来测量金刚石衬底的温度，生长腔体（2）顶部设置光电传感器（1）以监测金刚石衬底厚度的变化。
2.如权利要求1所述的一种用于金刚石厚膜的生长装置，其特征在于：大样品台（7）和小样品台（15）相对的侧面之间设置导轨（10）和滑块（12）模块，进行小样平台上下滑动的定位和导向。
3.如权利要求1所述的一种用于金刚石厚膜的生长装置，其特征在于：采用大样品台（7）和小样品台（15）相对的侧面接触配合进行小样平台上下滑动的定位和导向。
4.如权利要求1所述的一种用于金刚石厚膜的生长装置，其特征在于：金刚石衬底（6）与小样品台（15）之间放置一块耐高温的金属，如钼制作的薄板，金刚石衬底（6）通过薄板放置在小样平台（15）的中心。
5.如权利要求1所述的一种用于金刚石厚膜的生长装置，其特征在于：红外测温仪（3）与光电传感器（1）的安装位置可以交换。
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