CN115142128A - 制备mpcvd单晶金刚石用的产品载台及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台及其应用。所述产品载台包括底座和一个以上垫片，所述一个以上垫片可分离的叠放在底座表面，并与底座导热连接，其中位于顶层的垫片表面分布有金刚石生长区。所述产品载台结构简单，易于使用，在用于生长金刚石的过程中，只需简单调整垫片的数量和/或厚度，即可实现产品载台导热率的精确调控，可以有效保障生长形成的金刚石的质量，并可实现金刚石的长时间生长，且在完成金刚石的生长后，只需移除表面附着有DLC膜的垫片即可，无需将整个产品载台替换掉。进一步的，前述表面附着有DLC膜的垫片还可以用激光清洗机简单清理后重复使用，大大节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工合成金刚石的设备，特别是一种MPCVD单晶金刚石的生产装置及产品载台，属于金刚石单晶加工领域。
背景技术
宝石级金刚石，又称钻石，光泽灿烂，晶莹剔透，被誉为"宝石之王"，价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石)，以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。
金刚石按所含微量元素可分为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石两个类型。Ⅰa型金刚石多为常见的普通金刚石。Ⅱa型金刚石比较罕见，仅占金刚石总量的1％～2％。Ⅱa型金刚石因常具有良好的导热性、解理性和半导体性等，多用于空间技术和尖端工业。
金刚石具有优异的物理化学性能，在工业和民用的许多领域有着广阔的运用前景。目前人工合成金刚石的方法有高温高压法(HTHP)、直流电弧等离子体喷射法(DCAPJ)、热丝化学气相沉积法(HFCVD)、微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)等,其中MPCVD是制备高品质金刚石的首选方法，这是由于微波激发的等离子可控性好，等离子密度高，无电极污染等一系列优点。
现有技术中，在利用不锈钢式MPCVD单晶金刚石生产装置生产单晶金刚石时，等离子体主要是分布在产品载台上方，由于产品载台一般是由整体钼板制成，其导热存在缺陷，在生产过程中DLC薄膜易裂，导致生产出的金刚石掺有杂质，也使得金刚石无法长时间生长，另外，在生长完成后，一般会在载台表面形成一层DLC膜，该DLC膜难以清理，使得载台无法重复利用，大大增加了生产成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台及其应用，以克服现有技术的问题。
为实现前述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其包括底座和一个以上垫片，所述一个以上垫片可分离的叠放在底座表面，并与底座导热连接，其中位于顶层的垫片表面分布有金刚石生长区。
在一些实施方式中，所述垫片与底座两者的接触面为镜面结构。
在一些实施方式中，所述产品载台包括层叠设置的多个垫片，其中相邻两个垫片的接触面为镜面结构。
在一些实施方式中，所述产品载台还包括套环，所述套环环绕所述一个以上垫片设置，并且所述套环与底座可拆卸的连接，用于将所述一个以上垫片固定在底座表面。
在一些实施方式中，所述底座表面还设置有与所述套环配合的环形槽。
在一些实施方式中，所述底座、垫片和套环均为钼制构件。
在一些实施方式中，所述底座还与冷却机构导热连接。
在一些实施方式中，所述冷却机构包括可供冷却介质流通的水冷腔室以及分别与所述水冷腔室连通的进水轴、回水轴，所述回水轴套设在进水轴上。
在一些实施方式中，所述底座经一钼板与冷却机构固定连接。
本发明实施例还提供了一种MPCVD单晶金刚石生产装置，包括MPCVD设备主体，且进一步还包括前述的任一种产品载台。
本发明实施例还提供了一种利用MPCVD工艺生产单晶金刚石的方法，其包括：
提供所述的MPCVD单晶金刚石生产装置，并依据实际生产需求调整其中垫片的数量和/或垫片的厚度；
启动所述MPCVD单晶金刚石生产装置，在位于顶层的垫片表面的金刚石生长区生长形成单晶金刚石。
在一些实施方式中，所述的方法还包括：在完成单晶金刚石的生长后，采用激光清洗机去除垫片表面的DLC薄膜。
较之现有技术，本发明实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1)提供的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台结构简单，易于使用，在用于生长金刚石的过程中，只需简单调整垫片的数量和/或厚度，即可实现产品载台导热率的精确调控，可以有效保障生长形成的金刚石的质量，并可实现金刚石的长时间生长；
2)提供的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台在完成金刚石的生长后，只需移除表面附着有DLC膜的垫片即可，无需将整个产品载台替换掉，并且前述表面附着有DLC膜的垫片还可以激光清洗机简单清理后重复使用，大大节约了成本；
3)利用具有所述产品载台的MPCVD单晶金刚石生产装置生产单晶金刚石的工艺简单易实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台的剖视图；
图2是本发明实施例1中一种套环的结构示意图；
图3是本发明实施例1中一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台及与其连接的冷却机构的结构示意图；
图4是图3中A处的放大结构示意图。
附图标记说明：1.底座、2.垫片、3.金刚石生长区、4.台型结构、5.套环、6.环形糟、7.孔、8.钼板、9.水冷腔室、10.铜套、11.不锈钢环、12.进水轴、13.回水轴、14.伸缩金属波纹管。
具体实施方式
鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和实践，得以提出本发明的技术方案，下面将结合本发明的附图，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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的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组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
请参阅图1-2，为本实施例提供的一种制备单晶金刚石用的产品载台，其包括一个底座1和多个垫片2，该多个垫片2可分离的叠放在底座1表面，并与底座1导热连接，其中位于顶层的垫片2表面分布有金刚石生长区3。
进一步的，该产品载台还包括一个套环5，该套环5环绕前述的多个垫片2设置，并且该套环5与底座1可拆卸的连接，用于将前述多个垫片2固定在底座1表面。
其中，可以在底座1表面形成与套环5配合的环形槽6，通过将套环5下部嵌入环形槽6，可以将套环5与底座1相对固定，并使两者导热连接。
在一些情况下，可以在环形槽6内壁上设置内螺纹，在套环5外壁上设置外螺纹，使该两者可以通过螺纹结构相互结合。
进一步的，该底座1表面被环形槽6环绕的区域可以沿轴向外凸形成一台型结构3，用于承载该多个垫片2。
其中，位于顶层的垫片2的上端面与套环5的上端面基本平齐或略微超出。
进一步的，该底座1表面用于与垫片2接触的区域为镜面结构，相应的，任一垫片的用于与底座1表面接触的表面也为镜面结构。如此，可以使垫片2与底座1接触更为充分，进一步改善导热效果。
在一些情况下，也可以将任一垫片2的用于与其它垫片接触的表面也设置为镜面结构。以使得垫片与垫片之间也能更为紧密充分的接触，从而更好的形成导热通道。
前述底座1、垫片2和套环5均可以采用钼制构件，但也可以采用其它具有良好化学稳定性和高导热率的耐高温材料制成。
前述垫片2可以是圆形或其它形状的。
依据实际需求，位于顶层的垫片2的表面可以被设置为平整的或者具有一定的微结构。
前述垫片2的数量和各垫片2的厚度也可以依据实际需要而调整。
前述套环5的外壁上可以设置多个孔7，这些孔7可以是盲孔或通孔，利用这些孔7，可以方便的将套环5从底座1上取下。
进一步的，前述底座1还与冷却机构导热连接。请参阅图3-4，该冷却机构包括可供冷却介质流通的水冷腔室9以及分别与所述水冷腔室9连通的进水轴12、回水轴13，所述回水轴13套设在进水轴12上。其中进水轴12内设置有可供将冷却介质输入水冷腔室9的进水通道，而回水轴13与进水轴12之间形成有可供将冷却介质从水冷腔室9中输出的排水通道。同时，回水轴13还用于支撑该产品载台。
进一步的，前述底座1还经一钼板8与冷却机构固定连接。该钼板8与不锈钢环11连接，该不锈钢环11用作钼板8的定位支撑架，可以辅助定位该产品载台的中心位置。
同时，前述底座1还与铜套10固定连接，该铜套10用作水冷导热件，其设置在底座1与水冷腔室9之间。
此外，前述回水轴13还可连接伸缩金属波纹管14，利用该伸缩金属波纹管14可以使该产品载台于MPCVD设备主体的反应腔室内进行升降运动时，仍保持反应腔室的密封，使其中保持真空或选定的反应气氛。
进一步的，本实施例还提供了一种MPCVD单晶金刚石生产装置，其包括MPCVD设备主体以及前述的产品载台。该MPCVD设备主体可以采用本领域习用的类型。在工作时，前述产品载台被设置于MPCVD设备主体的反应腔室内。
进一步的，本实施例中一种利用MPCVD工艺生产单晶金刚石的方法可以包括：
提供前述的MPCVD单晶金刚石生产装置，并依据实际生产需求调整其中垫片2的数量和/或垫片2的厚度，从而调整冷却机构与作为金刚石生长衬底的垫片2之间的导热路径(亦可认为是产品载台的导热率)至合适范围；
启动所述MPCVD单晶金刚石生产装置，在位于顶层的垫片2(即前述作为金刚石生长衬底的垫片)表面的金刚石生长区3生长形成单晶金刚石。
更进一步的，在完成单晶金刚石的生长后，可以通过拆除套环5，将垫片2与底座1分离，并采用激光清洗机去除垫片2表面的DLC薄膜，使之可以重复利用。
在前述生长工艺中，可以在位于顶层的垫片2表面的金刚石生长区3内预先设置金刚石籽晶等。其中设置籽晶的操作及生长条件的调控等均是本领域习知的，故而此处不再赘述。
总之，本实施例提供的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台结构简单，易于使用，在用于生长金刚石的过程中，只需简单调整垫片的数量和/或厚度，即可实现产品载台导热率的精确调控，可以有效保障生长形成的金刚石的质量，并可实现金刚石的长时间生长，工艺简单易实施，且在完成金刚石的生长后，只需移除表面附着有DLC膜的垫片即可，无需将整个产品载台替换掉，并且前述表面附着有DLC膜的垫片还可以激光清洗机简单清理后重复使用，大大节约了成本。
实施例2：本实施例提供的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台与实施例1基本相同，区别在于：在底座1的表面形成有一个用于容置层叠设置的多个垫片2的凹槽。该凹槽周围环绕设置有与套环5配合的环形槽6，用于固定可能超出凹槽的部分垫片2。
以上所述，仅为本发明中的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1.一种制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于包括底座和一个以上垫片，所述一个以上垫片可分离的叠放在底座表面，并与底座导热连接，其中位于顶层的垫片表面分布有金刚石生长区。
2.根据权利要求1所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于：所述垫片与底座两者的接触面为镜面结构；和/或，所述产品载台包括层叠设置的多个垫片，其中相邻两个垫片的接触面为镜面结构。
3.根据权利要求1所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于还包括套环，所述套环环绕所述一个以上垫片设置，并且所述套环与底座可拆卸的连接，用于将所述一个以上垫片固定在底座表面。
4.根据权利要求3所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于：所述底座表面还设置有与所述套环配合的环形槽；和/或，所述底座、垫片和套环均为钼制构件。
5.根据权利要求1所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于：所述底座还与冷却机构导热连接。
6.根据权利要求5所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于：所述冷却机构包括可供冷却介质流通的水冷腔室以及分别与所述水冷腔室连通的进水轴、回水轴，所述回水轴套设在进水轴上。
7.根据权利要求1所述的制备MPCVD单晶金刚石用的产品载台，其特征在于：所述底座经一钼板与冷却机构固定连接。
8.一种MPCVD单晶金刚石生产装置，包括MPCVD设备主体，其特征在于还包括权利要求1-7中任一项所述的产品载台。
9.一种利用MPCVD工艺生产单晶金刚石的方法，其特征在于包括：
提供权利要求8所述的MPCVD单晶金刚石生产装置，并依据实际生产需求调整其中垫片的数量和/或垫片的厚度；
启动所述MPCVD单晶金刚石生产装置，在位于顶层的垫片表面的金刚石生长区生长形成单晶金刚石。
10.根据权利要求9所述的利用MPCVD工艺生产单晶金刚石的方法，其特征在于还包括：在完成单晶金刚石的生长后，采用激光清洗机去除垫片表面的DLC薄膜。
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