CN117026216A - 具有循环冷却结构的金刚石膜制备用mpcvd设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MPCVD技术领域，具体为具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，设备包括仓室、微波发生器、波导管、天线、石英窗、供气组件、基台、真空泵、粒子发射器，仓室上部设置水平的石英窗，仓室顶部还通过波导管连接微波发生器，天线设置在波导管的末端，天线指向仓室内部，基台设置在仓室的底部，基台上表面放置待镀附金刚石的基片，仓室两个相对的侧壁连接供气组件和真空泵，粒子发射器位于仓室内，电子发射器朝向基台上方的等离子云发射竖直向上或倾斜向上的氢离子。基台内设置冷却水管孔，冷却水管孔从基台底部设置进出口，冷却水管孔内通入循环流动的冷却水。
Description
技术领域
本发明涉及MPCVD技术领域，具体为有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备。
背景技术
MPCVD是一种快速发展的、适合工业量产金刚石材质的手段，主要原理是将甲烷与氢气混入进入真空仓室，在仓室内微波加热成为等离子态，基片为碳元素提供沉积位置，沉积下来的碳元素与基片具有相同的原子结构，发生金刚石的生长。
现有技术中，金刚石生长速度很缓慢，一般需要几个星期的生长周期，主要的制约在于碳元素在基片位置的浓度无法提升，如果增加甲烷进入流量，则仓室内真空度受到影响，等离子云的形态不好维持，而甲烷进入流量的限制就影响碳元素的进入速度，所以，需要长时间的沉积来能够生成较厚的金刚石膜，制约工业生产效率。此外，大尺寸的基片因为温度均匀性很难获得高质量的金刚石膜，温度不均匀导致沉积下来的碳元素原子结构变形，无法得到一致性，厚度均匀且表面光滑的金刚石膜。
发明内容
本发明的目的在于提供有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，设备包括仓室、微波发生器、波导管、天线、石英窗、供气组件、基台、真空泵、粒子发射器，仓室上部设置水平的石英窗，仓室顶部还通过波导管连接微波发生器，天线设置在波导管的末端，天线指向仓室内部，基台设置在仓室的底部，基台上表面放置待镀附金刚石的基片，仓室两个相对的侧壁连接供气组件和真空泵，粒子发射器位于仓室内，电子发射器朝向基台上方的等离子云发射竖直向上或倾斜向上的氢离子。
供气组件为仓室内送入特定比例的甲烷和氢气，真空泵保持仓室内真空度，微波发生器经由波导管和天线朝向仓室内发射微波，让进入到仓室内部的甲烷和氢气混合物受热成为等离子态，微波聚焦位置位于基台上方，等离子云的下表正好处于基片表面附近是最理想的等离子云边界情况，而更理想的情况是，在等离子云内，氢离子即质子尽量位于远离基片的位置，让碳基离子靠近基片，这样保持基片附近较高浓度的碳元素，加快碳沉积速度，缩短金刚石膜成型周期，粒子发射器就是为此目的，粒子被加速后能量较高，以一定速度射入等离子云内，根据动量相关原理，射入等离子云中的氢离子只会对原先弥散状态的氢离子产生较大撞击力，而碳基离子因为其质量较大，受到撞击后也不会获得较大速度，所以，倾斜向上的氢离子将等离子云内与其相同的氢离子推离基片附近，让此处的碳元素氛围浓度提升，改善沉积速度。
基台内设置冷却水管孔，冷却水管孔从基台底部设置进出口，冷却水管孔内通入循环流动的冷却水。
基片上沉积碳元素时，需要控制在一定温度，温度过低则与等离子云温差过大，影响沉积位置碳元素保持等离子态的能力，而温度过高则对于成型位置碳元素沉积后晶格造成变形，所以，需要通入冷却水调控基片位置温度。
粒子发射器包括环形室、第一线圈、第二线圈、发射管、静电片，环形室的轴向两侧分别设置同旋向、同电流方向的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈内通入交变电流，环形室内壁上设置切向出流氢离子的发生器，发射管连接在环形室的侧壁，发射管在环形室所在平面上的投影沿环形室切向，发射管轴线与环形室所在平面具有夹角，静电片设置在的环形室内壁上，静电片位于发射管延伸方向上。
环形室轴向两侧施加直线磁场，磁场强度发生变化时，可以在环形室内产生首尾闭合的环形电场，此时，环形室内只要有电荷，就能受到环形电场的作用而具有圆周切向的加速度，只要磁场方向对于电荷的洛仑磁力能够作为向心力提供，则电荷就能够在环形室内进行环形运动而不断加速，具体的电磁受力可以以洛伦茨力公式、霍尔效应等物理原理加以分析，此处不赘述，两个线圈的交变电流造成的交变磁场周期中，只有四分之一的周期能够用作电荷的加速，所以，需要在电荷发生减速以及洛伦茨力径向向外的周期内前将氢离子导出，在发射管前存在一个静电片，两个线圈的前四分之一周期是环形加速周期，在周期的末尾，为静电片快速加载大量正电荷，可以排斥环形室内的氢离子，让氢离子进入到发射管中，之后，只需要在发射管的内壁上一直附着正电荷，就能够让氢离子保持在发射管的中央前进，直至从发射管的末端射出，环形室内的氢离子来源可以是一个小区域处以很低的喷射速度弥散处一定的氢气，然后局部微波聚焦加热使其离子化，离子化后的氢离子就能够受到第一线圈和第二线圈磁场作用而进行后续运动。离子发射器在仓室内的布置可以任意，既可以安装到仓室内壁上，也可以安装到基台上。
粒子发射器的粒子发射方向与基台上表面的夹角为30～60°，夹角越大则射入等离子云内的氢离子越具有向上的速度分量，发射的氢离子所能覆盖等离子云的范围会变小，夹角越小则氢离子射入等离子云后对于等离子云内原有氢离子的朝上撞击分量减小，综合选取为30～60°。发射管的出射方向就是粒子发射器的发射方向。
供气组件与仓室内壁的连接位置低于真空泵与仓室的连接位置。
原料气进入仓室后被电离，碳元素沉积后的废气则被真空泵抽走，以便容纳新的含有碳源的气体，因为粒子发射器改善了等离子云内碳氢元素的分布情况，更多的氢元素位于上方，而且，部分元素甚至能够具有脱离等离子云的速度而运动到外部成为氢气态，聚集在仓室上部的无活性氢气需要被即使抽走以免影响仓室内真空度。
基台上还设置竖直朝上的电子发射孔，石英窗下表面设置电子接收计数盘。
电子发射孔向上发射电子，部分电子需要穿过等离子云才能到达电子接收计数盘，电子穿过等离子云过程中，如果路径上温度较高，则该区域内等离子运动相对剧烈，布朗运动频率更高，与路过的电子发生碰撞的概率更大，电子只要发生碰撞，就无法到达上方的电子接收计数盘，可以用作判别等离子云边界以及覆盖范围内竖直路径上等离子体的温度，电子发射孔设置越多，电子接收计数盘上能够独立分辨电子的区域越多，则分辨率越高，获得等离子云分布情况可以用作调整微波发生器功率、粒子发射器发射角的依据，相比于红外射线式的检测，使用带速度电子穿过等离子云，检测的是一条直线路径的温度总和情况。
电子发射孔在基台上绕基片圆周均布，冷却水管孔连接至循环水箱，循环水箱出流位置设置循环泵，冷却水管孔有多个且作为支路独立设置调节支路流量的支路阀。电子发射孔检测不同角度上竖直路径的等离子云温度，用作调节该角度上冷却水管孔内水流量的调节依据。
供气组件包括氢气源、甲烷源、汇总管，氢气源、甲烷源出流独立控制流量并连接到汇总管一端，汇总管另一端连接到仓室侧壁，真空泵出口管与汇总管外壁接触并交缠。真空泵排出的废气中含量大量热量，可以用作原料气的预热预活化，减少原料气进入仓室后所需要的电离化能量。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过在等离子云一侧发射带速度氢离子，射入等离子云内的氢离子撞击的原有氢离子让其具有向上的速度量，增加基片附近碳元素浓度，加快沉积速度，缩短生产周期，基台上向上发射的电子能够检查等离子云内温度情况，控制更高温度角度上对应冷却水管孔的水流量增大，调节基片温度分布，真空泵出口废气热量回收用作预热原料气，减少微波发生器功率需求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明仓室内的结构示意图；
图3是本发明环形室、第一线圈、第二线圈布置结构示意图；
图4是本发明环形室形状的结构示意图；
图5是本发明静电片、第一线圈、第二线圈的通电周期示意图；
图6是本发明基台上设置电子发射孔的原理示意图；
图7是本发明基台俯视示意图；
图8是本发明冷却水管孔接入的冷却水管线示意图；
图中：1、仓室；21、微波发生器；22、波导管；23、天线；24、石英窗；31、氢气源；32、甲烷源；33、汇总管；4、基台；41、冷却水管孔；5、真空泵；6、粒子发射器；61、环形室；62、第一线圈；63、第二线圈；64、发射管；65、静电片；71、循环水箱；72、循环泵；73、支路阀；81、电子发射孔；82、电子接收计数盘。
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。
具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，设备包括仓室1、微波发生器21、波导管22、天线23、石英窗24、供气组件3、基台4、真空泵5、粒子发射器6，仓室1上部设置水平的石英窗24，仓室1顶部还通过波导管22连接微波发生器21，天线23设置在波导管22的末端，天线23指向仓室1内部，基台4设置在仓室1的底部，基台4上表面放置待镀附金刚石的基片，仓室1两个相对的侧壁连接供气组件3和真空泵5，粒子发射器6位于仓室1内，电子发射器6朝向基台4上方的等离子云发射竖直向上或倾斜向上的氢离子。
如图1、2所示，供气组件3为仓室内送入特定比例的甲烷和氢气，真空泵5保持仓室1内真空度，微波发生器21经由波导管22和天线23朝向仓室1内发射微波，让进入到仓室1内部的甲烷和氢气混合物受热成为等离子态，微波聚焦位置位于基台4上方，等离子云的下表正好处于基片表面附近是最理想的等离子云边界情况，而更理想的情况是，在等离子云内，氢离子即质子尽量位于远离基片的位置，让碳基离子靠近基片，这样保持基片附近较高浓度的碳元素，加快碳沉积速度，缩短金刚石膜成型周期，粒子发射器6就是为此目的，粒子被加速后能量较高，以一定速度射入等离子云内，根据动量相关原理，射入等离子云中的氢离子只会对原先弥散状态的氢离子产生较大撞击力，而碳基离子因为其质量较大，受到撞击后也不会获得较大速度，所以，倾斜向上的氢离子将等离子云内与其相同的氢离子推离基片附近，让此处的碳元素氛围浓度提升，改善沉积速度。
基台4内设置冷却水管孔41，冷却水管孔41从基台4底部设置进出口，冷却水管孔41内通入循环流动的冷却水。
基片上沉积碳元素时，需要控制在一定温度，温度过低则与等离子云温差过大，影响沉积位置碳元素保持等离子态的能力，而温度过高则对于成型位置碳元素沉积后晶格造成变形，所以，需要通入冷却水调控基片位置温度。
粒子发射器6包括环形室61、第一线圈62、第二线圈63、发射管64、静电片65，环形室61的轴向两侧分别设置同旋向、同电流方向的第一线圈62和第二线圈63，第一线圈62和第二线圈63内通入交变电流，环形室61内壁上设置切向出流氢离子的发生器，发射管64连接在环形室61的侧壁，发射管64在环形室61所在平面上的投影沿环形室61切向，发射管64轴线与环形室61所在平面具有夹角，静电片65设置在的环形室61内壁上，静电片65位于发射管64延伸方向上。
如图3、4所示，环形室61轴向两侧施加直线磁场，磁场强度发生变化时，可以在环形室61内产生首尾闭合的环形电场，此时，环形室61内只要有电荷，就能受到环形电场的作用而具有圆周切向的加速度，只要磁场方向对于电荷的洛仑磁力能够作为向心力提供，则电荷就能够在环形室61内进行环形运动而不断加速，具体的电磁受力可以以洛伦茨力公式、霍尔效应等物理原理加以分析，此处不赘述，两个线圈的交变电流造成的交变磁场周期中，只有四分之一的周期能够用作电荷的加速，所以，需要在电荷发生减速以及洛伦茨力径向向外的周期内前将氢离子导出，在发射管64前存在一个静电片65，如图5所示，两个线圈的前四分之一周期是环形加速周期，在周期的末尾，为静电片65快速加载大量正电荷，可以排斥环形室61内的氢离子，让氢离子进入到发射管64中，之后，只需要在发射管64的内壁上一直附着正电荷，就能够让氢离子保持在发射管64的中央前进，直至从发射管64的末端射出，环形室61内的氢离子来源可以是一个小区域处以很低的喷射速度弥散处一定的氢气，然后局部微波聚焦加热使其离子化，离子化后的氢离子就能够受到第一线圈62和第二线圈63磁场作用而进行后续运动。离子发射器6在仓室1内的布置可以任意，既可以安装到仓室1内壁上，也可以安装到基台4上。
粒子发射器6的粒子发射方向与基台4上表面的夹角为30～60°，夹角越大则射入等离子云内的氢离子越具有向上的速度分量，发射的氢离子所能覆盖等离子云的范围会变小，夹角越小则氢离子射入等离子云后对于等离子云内原有氢离子的朝上撞击分量减小，综合选取为30～60°。发射管64的出射方向就是粒子发射器6的发射方向。
供气组件3与仓室1内壁的连接位置低于真空泵5与仓室1的连接位置。
如图1所示，原料气进入仓室1后被电离，碳元素沉积后的废气则被真空泵5抽走，以便容纳新的含有碳源的气体，因为粒子发射器6改善了等离子云内碳氢元素的分布情况，更多的氢元素位于上方，而且，部分元素甚至能够具有脱离等离子云的速度而运动到外部成为氢气态，聚集在仓室1上部的无活性氢气需要被即使抽走以免影响仓室1内真空度。
基台4上还设置竖直朝上的电子发射孔81，石英窗24下表面设置电子接收计数盘82。
如图6、7所示，电子发射孔81向上发射电子，部分电子需要穿过等离子云才能到达电子接收计数盘82，电子穿过等离子云过程中，如果路径上温度较高，则该区域内等离子运动相对剧烈，布朗运动频率更高，与路过的电子发生碰撞的概率更大，电子只要发生碰撞，就无法到达上方的电子接收计数盘82，可以用作判别等离子云边界以及覆盖范围内竖直路径上等离子体的温度，电子发射孔81设置越多，电子接收计数盘82上能够独立分辨电子的区域越多，则分辨率越高，获得等离子云分布情况可以用作调整微波发生器21功率、粒子发射器6发射角的依据，相比于红外射线式的检测，使用带速度电子穿过等离子云，检测的是一条直线路径的温度总和情况。
电子发射孔81在基台4上绕基片圆周均布，冷却水管孔41连接至循环水箱71，循环水箱71出流位置设置循环泵72，冷却水管孔41有多个且作为支路独立设置调节支路流量的支路阀73。如图6～8所示，电子发射孔81检测不同角度上竖直路径的等离子云温度，用作调节该角度上冷却水管孔41内水流量的调节依据。
供气组件3包括氢气源31、甲烷源32、汇总管33，氢气源31、甲烷源32出流独立控制流量并连接到汇总管33一端，汇总管33另一端连接到仓室1侧壁，真空泵5出口管与汇总管33外壁接触并交缠。真空泵5排出的废气中含量大量热量，可以用作原料气的预热预活化，减少原料气进入仓室1后所需要的电离化能量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：设备包括仓室(1)、微波发生器(21)、波导管(22)、天线(23)、石英窗(24)、供气组件(3)、基台(4)、真空泵(5)、粒子发射器(6)，所述仓室(1)上部设置水平的石英窗(24)，仓室(1)顶部还通过波导管(22)连接微波发生器(21)，所述天线(23)设置在波导管(22)的末端，天线(23)指向仓室(1)内部，所述基台(4)设置在仓室(1)的底部，基台(4)上表面放置待镀附金刚石的基片，所述仓室(1)两个相对的侧壁连接供气组件(3)和真空泵(5)，所述粒子发射器(6)位于仓室(1)内，电子发射器(6)朝向基台(4)上方的等离子云发射竖直向上或倾斜向上的氢离子。
2.根据权利要求1所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述基台(4)内设置冷却水管孔(41)，冷却水管孔(41)从基台(4)底部设置进出口，冷却水管孔(41)内通入循环流动的冷却水。
3.根据权利要求2所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述粒子发射器(6)包括环形室(61)、第一线圈(62)、第二线圈(63)、发射管(64)、静电片(65)，所述环形室(61)的轴向两侧分别设置同旋向、同电流方向的第一线圈(62)和第二线圈(63)，所述第一线圈(62)和第二线圈(63)内通入交变电流，所述环形室(61)内壁上设置切向出流氢离子的发生器，所述发射管(64)连接在环形室(61)的侧壁，发射管(64)在环形室(61)所在平面上的投影沿环形室(61)切向，发射管(64)轴线与环形室(61)所在平面具有夹角，所述静电片(65)设置在的环形室(61)内壁上，静电片(65)位于发射管(64)延伸方向上。
4.根据权利要求3所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述粒子发射器(6)的粒子发射方向与基台(4)上表面的夹角为30～60°。
5.根据权利要求3所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述供气组件(3)与仓室(1)内壁的连接位置低于真空泵(5)与仓室(1)的连接位置。
6.根据权利要求5所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述基台(4)上还设置竖直朝上的电子发射孔(81)，所述石英窗(24)下表面设置电子接收计数盘(82)。
7.根据权利要求6所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述电子发射孔(81)在基台(4)上绕基片圆周均布，所述冷却水管孔(41)连接至循环水箱(71)，所述循环水箱(71)出流位置设置循环泵(72)，冷却水管孔(41)有多个且作为支路独立设置调节支路流量的支路阀(73)。
8.根据权利要求1所述的具有循环冷却结构的金刚石膜制备用MPCVD设备，其特征在于：所述供气组件(3)包括氢气源(31)、甲烷源(32)、汇总管(33)，所述氢气源(31)、甲烷源(32)出流独立控制流量并连接到汇总管(33)一端，所述汇总管(33)另一端连接到仓室(1)侧壁，所述真空泵(5)出口管与汇总管(33)外壁接触并交缠。
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- 2023-07-19 CN CN202310886834.6A patent/CN117026216B/zh active Active
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