CN115896740A - 一种金刚石膜片制作装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石膜片制作装置及其制作方法，包括石英玻璃室，所述石英玻璃室上端设有真空泵，且石英玻璃室的左右两侧中心位置均密封连接波导管，所述波导管相互远离的一端连接有微波发生器，且波导管上下端分别设有通气管道，所述通气管道密封连接石英玻璃室，且所述石英玻璃室内侧上端设有伸缩台，其内侧下端设有基片夹持台，整个装置能在基片的两端进行金刚石膜片的沉积，效率更高，而且夹持基片稳定还能确保控制基片表面的温度，原理简单，效率加倍。

Description

一种金刚石膜片制作装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及金刚石膜片制作技术领域，尤其涉及一种金刚石膜片制作装置及其制作方法。

背景技术

金刚石膜是指用低压或常压化学气相沉积(CVD)方法人工合成的金刚石膜，由于金刚石的优异性质，加上CVD法大大降低了金刚石的生产成本而CVD金刚石薄膜的品质逐渐赶上甚至在一些方面超过天然金刚石而使得金刚石薄膜广泛地用于工业的许多领域，如工具领域、热沉领域、光学应用领域、电化学和生物医学中的发展。

授权公告号CN202210505935.X公开了一种金刚石膜片制作方法，其通过使用微波等离子体气象沉积方法或者热丝反应法方法使金刚石生长；通过退火消除了热失配造成的热应力问题，使金刚石膜片具有更好的机械性能，减少加工过程中由于内部应力导致的晶片曲翘、破裂等问题，提高加工良率，但是该制作方法存在以下问题：其一，用此法沉积处的金刚石薄膜晶体厚度不均，生长速率较慢，其次，无法控制基片温度，导致基片温度过高，金刚石金晶形态差，生长速率低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，通过在基片架和伸缩杆内部设置冷却水管，然后利用基片架和伸缩杆对基片进行夹持，通过微波发生器的工作，使得等离子体沉积到基片的两端，从而解决金刚石膜片沉积速度慢，利用率低下，基片温度高无法进行散热的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金刚石膜片制作装置，包括石英玻璃室，所述石英玻璃室上端设有真空泵，且石英玻璃室的左右两侧中心位置均密封连接波导管，所述波导管相互远离的一端连接有微波发生器，且波导管上下端分别设有通气管道，所述通气管道密封连接石英玻璃室，且所述石英玻璃室内侧上端设有伸缩台，其内侧下端设有基片夹持台。

作为一种优选，所述伸缩台最上端设有气缸，所述气缸设置在石英玻璃室外侧上端，且所述伸缩台包括伸缩杆，所述伸缩杆内部中空，且其表面设有凹槽，所述伸缩杆内侧设有冷却水管。

作为一种优选，所述基片夹持台包括基片架，所述基片架内部中空，且内部设有相同的冷却水管，所述基片架上端面为第二凹槽。

作为一种优选，所述波导管外侧包裹有隔离器，所述隔离器设置在波导管与石英玻璃室的连接处相互远离的外侧。

作为一种优选，所述第二凹槽内放置有基片，所述基片为钼金属基片，且基片的大小正好放置在第二凹槽和凹槽内。

作为一种优选，通气管道分别通入甲烷和氢气，其中所述左侧边的通气管道上端通入甲烷，下端通入氢气，所述右侧边的通气管道上端通入氢气，下端通入甲烷。

一种金刚石膜片制作方法，包括步骤S1：取出基片，将基片放置在基片架的第二凹槽内；

S2：气缸开始工作，伸缩杆向下做伸长运动，凹槽卡住基片；

S3：闭合石英玻璃室，利用真空泵进行对石英玻璃室进行抽真空；

S4：从通气管道内分别通入CH4和H2；

S5：启动微波发生器；

S6：对冷却水管内通入冷却水，控制基片的温度；

S7：反应沉积完成，停止微波发生器工作，停止通气管道输送气体；

S8：取出金刚石膜片，打磨抛光切割；

S9：制作完成。

作为一种优选，所述步骤S1中基片架为铝合金基片架，且所述伸缩杆也为相同的铝合金材质，且所述第二凹槽的凹陷深度为0.1mm。

作为一种优选，所述步骤S2中凹槽卡住基片的位置凹槽内设有弯曲的纹路，且该所述纹路的高度与凹槽的凹陷的深度相同，且凹槽凹陷的宽度与基片侧边的宽度相同。

作为又一种优选，所述步骤S5中需要同时对左右两侧的微波发生器进行启动，所述微波发生器产生的等离子体到基片的距离相同且适宜。

本发明的有益效果：

(1)本发明中通过将基片利用基片架和伸缩杆进行夹持，通过在基片两个侧面进行微波等离子体气相沉积，相对于现有的放置在基片架台上进行生长，效率更高，而且原理简单，操作性强。

(2)本发明中通过设置冷却水管，因为基片钼的熔点高，在高温下不会产生形变，热膨胀系数小，而且导热性能好，对基片钼两个侧面进行夹持，从而利用冷却水管带走基片钼上的温度，实现调节基片温度的功能，而且确保基片温度可控，实现等离子体气相沉积。

(3)本发明中通过将石英玻璃反应室进行抽真空，然后把CH4和H2气体分别输入到石英玻璃室内，然后因为两边都设置了微波发生器，所以将分别通入CH4和H2的通气管道进行交错的放置，使得内部空气混合更加有序，确保微波发生器产生的等离子体的大小到基片的距离适中，从而实现高效气相沉积。

综上所述，该设备具有结构简单，在基片钼的两面均可以快速进行气相沉积形成金刚石膜片的优点，而且结晶形态良好，尤其适用于金刚石膜片制作技术领域。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明整体流程结构示意图。

图2为本发明金刚石沉积过程结构示意图。

图3为本发明金刚石沉积完成后步骤流程结构示意图。

图4为本发明中石英玻璃反应室剖面结构示意图。

图5为本发明中凹槽和第二凹槽的结构位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。

实施例一

如图1至图5所示，本发明提供了一种金刚石膜片制作装置，包括石英玻璃室1，所述石英玻璃室1上端设有真空泵2，且石英玻璃室1的左右两侧中心位置均密封连接波导管3，所述波导管3相互远离的一端连接有微波发生器4，且波导管3上下端分别设有通气管道5，所述通气管道5密封连接石英玻璃室1，且所述石英玻璃室1内侧上端设有伸缩台7，其内侧下端设有基片夹持台6。

进一步，所述伸缩台7最上端设有气缸71，所述气缸71设置在石英玻璃室1外侧上端，且所述伸缩台7包括伸缩杆72，所述伸缩杆72内部中空，且其表面设有凹槽73，所述伸缩杆72内侧设有冷却水管74，气缸71能带动伸缩杆72进行伸缩运动，这样在对基片8进行夹持的过程中，只需要打开气缸71就能实现对基片上下端的夹持，使其稳定的站立在伸缩杆72最下端和基片架61的最上端，结构简单合理，实用性强，而且成本低廉，维修简单又方便。

进一步，所述基片夹持台6包括基片架61，所述基片架61内部中空，且内部设有相同的冷却水管74，所述基片架61上端面为第二凹槽62，基片架61是用来放置基片8的，在人工对基片8进行放置的过程中，如果只是平面的基片架61很容易会使得基片8倾倒，所以我们设置了第二凹槽62，将基片8放置到第二凹槽62内，这样能轻松让其站立在基片架61上，确保伸缩杆72下压夹持时不会倾倒，不会出现倾斜的情况，从而影响后续的气相沉积。

进一步，所述波导管3外侧包裹有隔离器31，所述隔离器31设置在波导管3与石英玻璃室1的连接处相互远离的外侧，隔离其31对波导管3与石英玻璃室1的连接处进行包裹，不仅可以确保整个石英玻璃室1的密封效果，而且还能对内部微波进行隔离，放置大量微波产生对人体造成一定的影响，而且还能控制微波发生器4产生的等离子体的体积大小，从而计算出基片架61放置的位置距离，使得气相沉积能够正常进行。

进一步，所述第二凹槽62内放置有基片8，所述基片8为钼金属基片，且基片8的大小正好放置在第二凹槽62和凹槽73内，金属钼具有高熔点，在加热升温的过程中不会产生形变，而且导热性能好，一般的基片都是采用金刚石材料，但是金刚石材料在两边对其进行气相沉积的过程中，很容易因为温度过高而产生形变，形变的产生就会影响到基片8到微波发生器4产生的等离子体的距离，从而影响到整体的气相沉积。

进一步，通气管道5分别通入甲烷和氢气，其中所述左侧边的通气管道5上端通入甲烷，下端通入氢气，所述右侧边的通气管道5上端通入氢气，下端通入甲烷，为了确保石英玻璃室1内的气体混合有序且均匀，将石英玻璃室1两侧边四个通气管道5内通入的气体进行交错放置，使得整个石英玻璃室1分成4个相同的空间，从而使得内部气体混合有序，而且对基片8两侧的空间气体都能进行控制，使得基片8两侧能同时进行沉积，提高金刚石膜片的沉积效率。

一种金刚石膜片制作方法，包括步骤S1：取出基片8，将基片8放置在基片架61的第二凹槽62内；

S2：气缸71开始工作，伸缩杆72向下做伸长运动，凹槽73卡住基片8；

S3：闭合石英玻璃室1，利用真空泵2进行对石英玻璃室1进行抽真空；

S4：从通气管道5内分别通入CH4和H2；

S5：启动微波发生器4；

S6：对冷却水管74内通入冷却水，控制基片8的温度；

S7：反应沉积完成，停止微波发生器4工作，停止通气管道5输送气体；

S8：取出金刚石膜片，打磨抛光切割；

S9：制作完成。

进一步，所述步骤S1中基片架61为铝合金基片架，且所述伸缩杆72也为相同的铝合金材质，且所述第二凹槽62的凹陷深度为0.1mm，第二凹槽62是用来放置基片8的，所以第二凹槽62的深度不能过深，因为基片8的体积较小，在放置过程中不能影响基片8表面露出的面积，所以将其设置成0.1mm，既可以对基片8的放置起到一个限位固定的作用，而且还能在后续伸缩杆72夹持的过程中，不会移位，确保整个气相沉积的正常运行。

进一步，所述步骤S2中凹槽73卡住基片8的位置凹槽内设有弯曲的纹路，且该所述纹路的高度与凹槽73的凹陷的深度相同，且凹槽73凹陷的宽度与基片8侧边的宽度相同，凹槽73的大小和基片8的大小一致，在夹持的过程中上端面的凹槽73既不会影响基片8露出的面积，而且还能增大与基片8之间的摩擦力，确保震动不会对基片8的位置产生影响，使得整个装置更加精准。

进一步，所述步骤S5中需要同时对左右两侧的微波发生器4进行启动，所述微波发生器4产生的等离子体到基片8的距离相同且适宜，微波发生器4的作用是产生等离子体进行气相沉积，等离子体到基片8的距离会影响沉积的效果，而且需要整个石英玻璃室1内部保持一个平衡，就要确保其他因素不会对其产生不必要的影响，所以等离子体的相同时间产生和相同时间进行气相沉积就会显示尤为关键，所以在开启的过程中需要对两侧的微波发生器4进行同时通电工作，确保内部平衡，从而实现基片8两侧气相沉积同时进行，使得沉积的金刚石膜片效率更高，而且纯度更好。

工作过程：首先将基片8放置到基片架61上的第二凹槽62内，然后开启气缸71使得伸缩杆72运动到夹持柱基片8的位置，对石英玻璃室1进行关闭，然后利用真空泵2对石英玻璃室1进行抽真空的动作，然后对石英玻璃室1内通气，将石英玻璃室1进行四等分，分别通入CH4和H2，确保内部气体平衡，然后同时打开两侧的微波发生器4，使得微波发生器4能同时运行确保内部等离子体能同时产生，从而使得基片8两侧的金刚石沉积能够同步，提高沉积的效率；

值得说明的是，在高温下CH4和H2被热解，在基片8两侧沉积使得加速金刚石膜片生长的情况下，控制了基片架61和伸缩杆72的内部温度从而控制了基片8的温度，使得基片8的温度能保持在一个恒定的温度范围，确保沉积效率最大，利用一个冷却水管74内部通入冷却水来调控整个反应装置的温度，结构简单，原理易懂，成本低廉，操作方便，而且更加容易沉积出质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前后”、“左右”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设备或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

当然在本技术方案中，本领域的技术人员应当理解的是，术语“一”应理解为“至少一个”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术提示下可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种金刚石膜片制作装置，其特征在于：包括石英玻璃室(1)，所述石英玻璃室(1)上端设有真空泵(2)，且石英玻璃室(1)的左右两侧中心位置均密封连接波导管(3)，所述波导管(3)相互远离的一端连接有微波发生器(4)，且波导管(3)上下端分别设有通气管道(5)，所述通气管道(5)密封连接石英玻璃室(1)，且所述石英玻璃室(1)内侧上端设有伸缩台(7)，其内侧下端设有基片夹持台(6)。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石膜片制作装置，其特征在于，所述伸缩台(7)最上端设有气缸(71)，所述气缸(71)设置在石英玻璃室(1)外侧上端，且所述伸缩台(7)包括伸缩杆(72)，所述伸缩杆(72)内部中空，且其表面设有凹槽(73)，所述伸缩杆(72)内侧设有冷却水管(74)。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石膜片制作装置，其特征在于，所述基片夹持台(6)包括基片架(61)，所述基片架(61)内部中空，且内部设有相同的冷却水管(74)，所述基片架(61)上端面为第二凹槽(62)。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石膜片制作装置，其特征在于，所述波导管(3)外侧包裹有隔离器(31)，所述隔离器(31)设置在波导管(3)与石英玻璃室(1)的连接处相互远离的外侧。

5.根据权利要求3所述的一种金刚石膜片制作装置，其特征在于，所述第二凹槽(62)内放置有基片(8)，所述基片(8)为钼金属基片，且基片(8)的大小正好放置在第二凹槽(62)和凹槽(73)内。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石膜片制作装置，其特征在于，所述通气管道(5)分别通入甲烷和氢气，其中所述左侧边的通气管道(5)上端通入甲烷，下端通入氢气，所述右侧边的通气管道(5)上端通入氢气，下端通入甲烷。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述金刚石膜片制作装置的金刚石膜片制作方法，其特征在于，包括步骤S1：取出基片(8)，将基片(8)放置在基片架(61)的第二凹槽(62)内；

S2：气缸(71)开始工作，伸缩杆(72)向下做伸长运动，凹槽(73)卡住基片(8)；

S3：闭合石英玻璃室(1)，利用真空泵(2)进行对石英玻璃室(1)进行抽真空；

S4：从通气管道(5)内分别通入CH4和H2；

S5：启动微波发生器(4)；

S6：对冷却水管(74)内通入冷却水，控制基片(8)的温度；

S7：反应沉积完成，停止微波发生器(4)工作，停止通气管道(5)输送气体；

S8：取出金刚石膜片，打磨抛光切割；

S9：制作完成。

8.根据权利要求7所述的金刚石膜片制作方法，其特征在于，所述步骤S1中基片架(61)为铝合金基片架，且所述伸缩杆(72)也为相同的铝合金材质，且所述第二凹槽(62)的凹陷深度为0.1mm。

9.根据权利要求7所述的金刚石膜片制作方法，其特征在于，所述步骤S2中凹槽(73)卡住基片(8)的位置凹槽内设有弯曲的纹路，且该所述纹路的高度与凹槽(73)的凹陷的深度相同，且凹槽(73)凹陷的宽度与基片(8)侧边的宽度相同。

10.根据权利要求7所述的金刚石膜片制作方法，其特征在于，所述步骤S5中需要同时对左右两侧的微波发生器(4)进行启动，所述微波发生器(4)产生的等离子体到基片(8)的距离相同且适宜。

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