CN116555735B - 一种等离子化学气相沉积系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子化学气相沉积系统，包括微波系统和等离子反应腔，所述等离子反应腔包括：腔体，腔体上设置有进气口和出气口；第一遮挡板，设置于腔体的中部，所述第一遮挡板的中部设置有用于衬底材料露出的第一通孔，边缘设置有第二通孔，所述第二通孔的底部经管道连接至出气口；第二遮挡板，设置于腔体底部可升降的基片台的顶部，当基片台上升至第一高度时，第二遮挡板和第一遮挡板相贴合，将腔体分隔成两部分；扣合机构，在第二遮挡板和第一遮挡板相贴合时，扣合第二遮挡板和第一遮挡板；放料口，开设于第一遮挡板下方的腔体侧壁上。本发明提升了等离子化学气相沉积过程中反应气体的利用率。

Description

一种等离子化学气相沉积系统

技术领域

本发明涉及金刚石生产技术领域，尤其涉及一种等离子化学气相沉积系统。

背景技术

金刚石，由于具有十分优越的性能，在很多领域有着广泛的应用。天然金刚石数量稀少，价格昂贵，难以满足各个领域的大量需求。用高温高压法(HTHP法)制备的人造金刚石，由于含有金属催化剂，也影响到金刚石的性质。目前，采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，能够在衬底材料表面生长出高质量的人造金刚石。

等离子化学气相沉积系统主要由微波系统和等离子反应腔组成，其工作原理如下：微波源产生出微波，微波沿着波导管传递到模式转换器，在模式转换器的作用下通过一个石英窗口进入等离子反应腔，在基片台的上方激发成等离子体球。衬底材料放置在基片台中央，紧贴着等离子体球的下缘，然后沿着进气口充入反应气体（CH4，H2），从而在衬底材料的表面生长出金刚石。

但是现有的等离子化学气相沉积系统存在以下问题：在金刚石生长过程中，基片台下方的空间空旷，会导致大量的反应气体进入基片台下方而无法参与反应，大大降低反应气体的利用率，导致金刚石生产的成本提升。因此，如何提升反应气体的利用率从而降低金刚石生产的成本是亟待解决的难题之一。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种等离子化学气相沉积系统，提升等离子化学气相沉积过程中反应气体的利用率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种等离子化学气相沉积系统，包括微波系统和等离子反应腔，所述等离子反应腔包括：

腔体，腔体上设置有进气口和出气口；

第一遮挡板，设置于腔体的中部，所述第一遮挡板的中部设置有用于衬底材料露出的第一通孔，边缘设置有第二通孔，所述第二通孔的底部经管道连接至出气口；

第二遮挡板，设置于腔体底部可升降的基片台的顶部，当基片台上升至第一高度时，第二遮挡板和第一遮挡板相贴合，将腔体分隔成两部分；

扣合机构，在第二遮挡板和第一遮挡板相贴合时，扣合第二遮挡板和第一遮挡板；

放料口，开设于第一遮挡板下方的腔体侧壁上。

在本发明的某些实施例中，所述基片台包括用于放置衬底材料的中心柱体以及中心柱体外侧的壳体，所述壳体与中心柱体转动连接，所述第二遮挡板安装于壳体的顶部。

在本发明的某些实施例中，所述扣合机构包括：

连接件，固定连接于第二遮挡板的顶部；

连接槽，开设于第一遮挡板的底部，所述连接槽包括相连通的插入槽和防脱槽；

所述连接件沿竖直方向进入插入槽内，随着第二遮挡板相对于第一遮挡板转动，所述连接件由插入槽滑移至防脱槽内，形成竖直方向的限位。

在本发明的某些实施例中，所述连接件和防脱槽的贴合面在第二遮挡板相对于第一遮挡板的转动方向上向上倾斜。

在本发明的某些实施例中，所述防脱槽的开口侧设置有由弹性材料制成的防脱凸块，防止位于防脱槽内的连接件脱离。

在本发明的某些实施例中，所述壳体包括第一套筒和第二套筒；所述第一套筒套设于中心柱体外，与中心柱体转动连接；所述第二套筒套设于第一套筒外，第一套筒和第二套筒其中之一沿周向开设有具有高度差的第一滑槽，另外之一固定连接有与所述第一滑槽滑动配合的滑柱；随着滑柱在第一滑槽内的滑移，中心柱体和第一套筒相对于第二套筒升降。

在本发明的某些实施例中，所述中心柱体的外周水平设置有第二滑槽，所述第一套筒的内周设置有与第二滑槽滑动配合的滑轨。

在本发明的某些实施例中，所述中心柱体内设置有冷却通道。

在本发明的某些实施例中，所述进气口沿着腔体的侧壁均匀分布有多个。

在本发明的某些实施例中，所述管道包括总管和支管；所述总管呈环形紧贴腔体的内壁，支管的顶部与第二通孔的底部连通，支管的底部与总管连通；总管的一侧连通出气口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过腔体和基片台上设置的第一遮挡板、第二遮挡板的贴合，形成密封结构，从而将腔体分隔成上下两个相对独立的部分，一方面，可以将反应气体集中在衬底材料的表面，避免其进入基片台下方，大大提高了反应气体的利用率；另一方面，将放料口与衬底材料隔离，避免放料口的密封性影响金刚石的生长环境。

附图说明

图1为本发明的等离子化学气相沉积系统示意图。

图2为本发明的等离子反应腔结构示意图。

图3为本发明的等离子反应腔俯视图。

图4为图3中基片台下降状态的A-A剖视图。

图5为图3中基片台上升状态的A-A剖视图。

图6为图3的B-B剖视图。

图7为第二遮挡板和第二遮挡板的配合示意图。

图8为图7中连接件处于插入槽内的C-C剖视图。

图9为图7中连接件处于防脱槽内的C-C剖视图。

图10为本发明的防脱凸块设置示意图。

图11为本发明的基片台机构示意图。

图12为图11中D处局部放大图。

图13为本发明的基片台爆炸示意图。

图14为本发明的基片台剖视图。

图15为本发明的第一遮挡板底部示意图。

图16为图15中E处局部放大图。

图中：

k1、微波系统；k11、微波源；k12、波导管；k13、模式转换器；k14三螺钉阻抗调配器；

K2、等离子反应腔；

1、腔体；11、进气口；12、出气口；13、安装部；14、安装孔；

2、第一遮挡板；21、第一通孔；22、第二通孔；23、倾斜面；

3、第二遮挡板；

4、基片台；41、中心柱体；411、第二滑槽；412、冷却通道；42、第一套筒；421、滑轨；422、滑柱；43、第二套筒；431、第一滑槽；

5、衬底材料；

61、连接件；62、连接槽；621、插入槽；622、防脱槽；623、防脱凸块；

7、放料口；71、挡块；8、观察窗；81、总管；82、支管；

9、石英窗口。

具体实施方式

下面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做出创造性劳动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。

实施例一：

请参阅图1，本实施例提供一种等离子化学气相沉积系统，包括微波系统k1和等离子反应腔k2。

所述微波系统k1由微波源k11、波导管k12、模式转换器k13和三螺钉阻抗调配器k14组成。

微波系统k1的工作原理如下：

微波源k11产生出微波，微波沿着波导管k12传递到模式转换器k13，在模式转换器k13的作用下通过一个石英窗口进入等离子反应腔k2，在基片台的上方激发成等离子体球，在此过程中，三螺钉阻抗调配器k14的作用是对阻抗进行匹配，使反射功率达到最小。

衬底材料放置在基片台中央，紧贴着等离子体球的下缘，然后沿着进气口充入反应气体（CH4，H2），从而在衬底材料的表面生长出金刚石。

如图2和图4所示，所述等离子反应腔k2主要包括以下几部分：

腔体1，腔体1上设置有进气口11和出气口12，用于实现反应气体（CH4，H2）的进出。腔体1的顶部设置有石英窗口9，微波系统产生的微波从该石英窗口9进入到腔体1内。

第一遮挡板2，设置于腔体1的中部，所述第一遮挡板2的中部设置有用于衬底材料5露出的第一通孔21，边缘设置有用于通气的第二通孔22，所述第二通孔的底部经管道连接至出气口。所述第二通孔22的底部经管道连接至出气口12，从而可以将第一遮挡板2上方的反应气体导向出气口12，排出腔体1以外。

所述腔体1的底部设置有可升降的用于放置衬底材料5的基片台4。

第二遮挡板3，设置于腔体1底部可升降的基片台4的顶部，当基片台4上升至第一高度时，第二遮挡板3和第一遮挡板2相贴合，将腔体1分隔成相对独立的两部分。

扣合机构，在第二遮挡板3和第一遮挡板2相贴合时，扣合第二遮挡板3和第一遮挡板2。

放料口7，开设于第一遮挡板2下方的腔体1侧壁上，用于放置衬底材料5，所述放料口7设置有挡块71，用于遮挡放料口7。

在等离子化学气相沉积系统工作过程中，先如图4所示，将基片台4下降至放料口7的高度，便于将衬底材料5放置在基片台4上。然后驱动基片台4上升至第一高度，如图5所示，在该第一高度时，第二遮挡板3和第一遮挡板2相贴形成密封，并通过扣合机构持续保持第二遮挡板3和第一遮挡板2的密封连接，无需给基片台4持续施加向上的作用力。使得腔体1被隔离成上下相对独立的两个空间，保证了腔体1上部的密封性，有利于金刚石的生长。

在上述方案中，如图3和图6所示，为了实现腔体1与微波系统k1的安装，所述腔体1的顶部设置有向外弯折的安装部13，安装部13上设置有若干安装孔14。

在现有方案中，还存在进气口从腔体1的单侧进入，导致腔体1内气流不均匀的情况。为了使得腔体1内的气流更为均匀，如图4所示，本实施例的进气口11从安装部的侧壁向腔体1内壁延伸直至贯通，并且，所述进气口11沿着腔体1的侧壁均匀分布有四个，进气口11的数量可以根据情况进行调节，如八个或十个。

值得一提的是，为了避免进气口11和安装孔14相互之间产生干涉，进气口11和安装孔14在安装部的周向错位设置。

为了方便工作人员观察腔体1内部的金刚石生长情况，本实施例在所述腔体1位于第一遮挡板2上方的侧壁上设置有朝向衬底材料5的观察窗8。相比于需要经常开启的放料口7，观察窗8无需开启，因此其密封性能较好，不会对金刚石生长空间的真空度产生影响。

在本实施例中，观察窗8倾斜设置，可以观察到衬底材料5上所生长的金刚石表面的情况。为了适应观察视角的倾斜，所述第一通孔21的内缘设置有倾斜面23。观察窗8和倾斜面23的倾斜角优选为与水平呈15°至30°。

如图7至图10所示，所述扣合机构包括：

连接件61，固定连接于第二遮挡板3的顶部，结合图12，所述连接件61的形状整体呈L型；

连接槽62，结合图15和图16，连接槽62开设于第一遮挡板2的底部，所述连接槽62包括相连通的插入槽621和防脱槽622；插入槽621的大小与连接件61整体相适应，用于连接件61沿竖直方向插入，防脱槽622位于插入槽621的水平一侧。

所述连接件61沿竖直方向进入插入槽621内，随着第二遮挡板3相对于第一遮挡板2转动，所述连接件61由插入槽621滑移至防脱槽622内，形成竖直方向的限位，可以保持第二遮挡板3和第一遮挡板2在竖直方向的定位效果，形成持续的密封。

为了增强密封效果，本发明在连接件61和防脱槽622的贴合面在第二遮挡板3相对于第一遮挡板2的转动方向上向上倾斜。通过该设置，使得在第二遮挡板3相对于第一遮挡板2转动过程中，逐渐减小第二遮挡板3和第一遮挡板2的间隙，形成更强的密封效果。

在上述方案中，扣合机构设置有4个，数量可以根据实际情况调整。为了保证连接件61不会沿着反方向转动，从防脱槽622中脱离，如图10所示，在至少一个所述防脱槽622的开口侧设置有由弹性材料制成的防脱凸块623，防止位于防脱槽622内的连接件61脱离。

为了适应扣合机构对于第二遮挡板3和第一遮挡板2的扣合过程中的第二遮挡板3的转动以及金刚石生长过程中基片台4的自转，本发明对基片台进行了改进，具体的，如图11和13所示，所述基片台4包括用于放置衬底材料的中心柱体41以及中心柱体41外侧的壳体（壳体包括第一套筒42和第二套筒43），所述壳体与中心柱体41转动连接，所述第二遮挡板3安装于壳体的顶部。通过该设置，在扣合过程中，仅需转动壳体便可实现扣合，在金刚石生长过程中，可以保持壳体不动，保持第一遮挡板2和第二遮挡板3的遮挡效果，转动内部的中心柱体41实现金刚石的均匀生长，两者之间的转动互不干涉。

值得一提的是，为了实现基片台的降温，如图14所示，所述基片台4内具体是中心柱体41内设置有冷却通道412，冷却通道412内流通有冷却液。

在上述方案中，如图4至6所示，所述管道包括总管81和支管82。所述总管81呈环形紧贴腔体1的内壁，支管82设置有多个，数量与第二通孔的数量相对应。支管82的顶部与第二通孔22的底部连通，支管82的底部与总管81连通，总管81的一侧连通出气口12，出气口12外部连通气泵，便于将腔体1上部的反应空气抽出。

实施例二：

在金刚石生长过程中，衬底材料5的上表面逐渐沉积金刚石，导致沉积面越升越高，沉积面与上方等离子体的位置发生变化，在一定程度上会影响金刚石生长质量的均一性。

为了保证金刚石生长质量的均一性，本实施例提出进一步的改进，使得衬底材料随着金刚石的生长时间逐渐下降。通过对基片台4具体是壳体进行如下改进：

如图11和图13所示，所述壳体包括相互套设的第一套筒42和第二套筒43。

所述第一套筒42套设于中心柱体41外，与中心柱体转动连接，具体的，所述中心柱体41的外周水平设置有第二滑槽411，所述第一套筒42的内周设置有与第二滑槽411滑动配合的滑轨421。

所述第二套筒43套设于第一套筒42之外，第二套筒43沿周向开设有具有高度差的第一滑槽431，第一套筒42的外侧固定连接有与所述第一滑槽431滑动配合的滑柱422。随着滑柱422在第一滑槽431内的滑移，中心柱体41和第一套筒42相对于第二套筒43升降。因为衬底材料5固定在中心柱体14的顶部，而第二遮挡板3固定在第二套筒43的顶部，并在金刚石生长过程中与第一遮挡板2保持相对固定，因此通过滑柱422在第一滑槽431内的滑移，可以实现衬底材料5在腔体1内的升降。

中心柱体41的顶部与第二套筒43、第一套筒42存在一定的间隙，用于实现升降。

通过对金刚石沉积厚度以及沉积时间的运算，可以对第一滑槽431的高度差，圆心角以及第二套筒43的转动速度进行设计。即控制第二套筒43的转动速度，使其在金刚石的沉积时间内，转过的角度等于第一滑槽431的圆心角。并设计第一滑槽431的高度等于金刚石的沉积厚度。即可保持在金刚石的整个生长过程中，沉积面与等离子体保持间距一致的效果。

实施例三：

本实施例单独提供一种如实施例一或实施例二所提到的由第一遮挡板和第二遮挡板隔开的双空间的等离子反应腔，具体内容不再赘述。

实施例四：

本实施例提供一种等离子化学气相沉积方法，主要对基片台上衬底材料的放置和基片台的运动进行改进，该方法可保持金刚石生长过程中的高密封性能。包括以下步骤：

S1、下降基片台，在基片台上放置衬底材料；

S2、提升基片台至第一高度，使基片台顶部的第二遮挡板和等离子反应腔中部固定的第一遮挡板形成密封；

S3、进行金刚石生长；

S4、下降基片台至放料口，更换衬底材料以便进行下一轮气相沉积。

在上述实施例四的方案中，采用如实施例一的等离子化学气相沉积系统。

S2的具体的密封过程如下：

S21基片台提升至第一高度时，连接件位于插入槽内，转动基片台的外壳，使第二遮挡板相对于第一遮挡板转动，所述连接件由插入槽滑移至防脱槽内，形成竖直方向的限位。

实施例五：

本实施例提供一种等离子化学气相沉积方法，对基片台进行了进一步改进，保持在金刚石的整个生长过程中，沉积面与等离子体保持间距一致的效果。采用实施例二所述的等离子化学气相沉积系统，具体方法在实施例四的基础上进行改进：

在S2密封的过程中，

连接件位于插入槽内时，包括以下几个行程：

行程一，沿第一方向转动第一套筒，使滑柱在第一滑槽滑移至滑柱抵触到第一滑槽的第一端；

行程二，继续沿第一方向转动第一套筒，使第二遮挡板相对于第一遮挡板转动，所述连接件由插入槽滑移至防脱槽内；

在S3的金刚石生长过程中，包括：

行程三，按照设置好的速度沿第二方向（与第一方向相反）转动第一套筒至滑柱抵触到第一滑槽的第二端，中心柱体随第一套筒下降，保持沉积面与等离子体的间距一致。

在S4的基片台下降过程中，包括

行程四，继续沿沿第二方向（与第一方向相反）转动第一套筒，使得第二遮挡板相对于第一遮挡板反向转动，所述连接件从防脱槽滑移至插入槽内，实现解锁。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，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。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，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。

Claims (9)

1.一种等离子化学气相沉积系统，包括微波系统和等离子反应腔，其特征在于，所述等离子反应腔包括：

腔体，腔体上设置有进气口和出气口；

第一遮挡板，设置于腔体的中部，所述第一遮挡板的中部设置有用于衬底材料露出的第一通孔，边缘设置有第二通孔，所述第二通孔的底部经管道连接至出气口；

第二遮挡板，设置于腔体底部可升降的基片台的顶部，当基片台上升至第一高度时，第二遮挡板和第一遮挡板相贴合，将腔体分隔成两部分；

扣合机构，在第二遮挡板和第一遮挡板相贴合时，扣合第二遮挡板和第一遮挡板；

放料口，开设于第一遮挡板下方的腔体侧壁上；

所述扣合机构包括：

连接件，固定连接于第二遮挡板的顶部；

连接槽，开设于第一遮挡板的底部，所述连接槽包括相连通的插入槽和防脱槽；

所述连接件沿竖直方向进入插入槽内，随着第二遮挡板相对于第一遮挡板转动，所述连接件由插入槽滑移至防脱槽内，形成竖直方向的限位。

2.根据权利要求1所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述基片台包括用于放置衬底材料的中心柱体以及中心柱体外侧的壳体，所述壳体与中心柱体转动连接，所述第二遮挡板安装于壳体的顶部。

3.根据权利要求1所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述连接件和防脱槽的贴合面在第二遮挡板相对于第一遮挡板的转动方向上向上倾斜。

4.根据权利要求1所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述防脱槽的开口侧设置有由弹性材料制成的防脱凸块，防止位于防脱槽内的连接件脱离。

5.根据权利要求2所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述壳体包括第一套筒和第二套筒；所述第一套筒套设于中心柱体外，与中心柱体转动连接；所述第二套筒套设于第一套筒外，第一套筒和第二套筒其中之一沿周向开设有具有高度差的第一滑槽，另外之一固定连接有与所述第一滑槽滑动配合的滑柱；随着滑柱在第一滑槽内的滑移，中心柱体和第一套筒相对于第二套筒升降。

6.根据权利要求5所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述中心柱体的外周水平设置有第二滑槽，所述第一套筒的内周设置有与第二滑槽滑动配合的滑轨。

7.根据权利要求2所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述中心柱体内设置有冷却通道。

8.根据权利要求1所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述进气口沿着腔体的侧壁均匀分布有多个。

9.根据权利要求1所述的一种等离子化学气相沉积系统，其特征在于，所述管道包括总管和支管；所述总管呈环形紧贴腔体的内壁，支管的顶部与第二通孔的底部连通，支管的底部与总管连通；总管的一侧连通出气口。