CN212713747U - 一种用于mpcvd系统的导流式样品托及mpcvd系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于MPCVD系统的导流式样品托及MPCVD系统，包括：样品托本体，用于水平放置于反应腔内，样品托本体的上方中心处设置有用于导入气流的气体导入口；样品托本体的下部为圆柱体状，其上部包括同轴设置的挡流板和导流台，挡流板位于外侧且为圆环体。导流台为一上小下大的圆台体；导流台的上表面为水平状，用于放置金刚石样品；导流台的下端直径与挡流板内环直径相同，导流台的高度满足以下条件：金刚石样品放置在导流台上时，金刚石样品的上表面不超过挡流板的上表面。在挡流板底部环绕一周间隔、且均匀贯通开设有多个径向导流孔。该样品托为金刚石生长提供一个稳定的气流环境，减少金刚石边缘多晶等缺陷的形成。

Description

一种用于MPCVD系统的导流式样品托及MPCVD系统

【技术领域】

本实用新型属于金刚石材料生长技术领域，尤其涉及一种用于MPCVD系统的导流式样品托及MPCVD系统。

【背景技术】

众所周知，金刚石具有优异的热、电、力、光、生物相容等性能，如它具有高热导率，是绝佳的热沉材料；它禁带宽度为5.5eV、击穿电压大于10MV/cm、电子迁移率为4500cm²/Vs、空穴迁移率为3800cm²/Vs，这使得金刚石在电学方面具有其他半导体材料不可比拟的优异性质，适合制备超高频、超大功率电子器件；它是已知硬度最高的天然物质，分别是石英和刚玉硬度的1170和140倍，用于切割领域；它从近紫外到远红外波段都具有高的透过性，可以作为窗口材料；它具有很好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀，和碳基生物不会发生明显排斥反应，可以作为心脏瓣膜的替代品。因此金刚石具有巨大的应用潜力，逐渐成为科学研究的热点。

生长金刚石的方法有很多，如热丝化学气相沉积、高温高压、微波等离子体化学气相淀积(MPCVD)方法，其中MPCVD方法使用最广泛，因为这种方法长出来的金刚石杂质少、质量高。金刚石生长所需气源(甲烷、氢气、氧气、氮气等)从金刚石样品上方导入，流经金刚石表面及其侧壁，实现金刚石生长。

采用MPCVD方法生长金刚石时，不可避免的需要使用样品托，将金刚石置于样品托上，然后将样品托置于样品台上。样品托的材质、结构、尺寸等将直接影响着金刚石生长结果的好坏。实验已经证实，凹槽托最有利于金刚石生长，但是仿真结果显示，这种凹槽托同时存在严重的缺陷，即金刚石侧壁处的气流非常混乱，这将使得金刚石生长处于极不稳定的环境中，最终可能导致金刚石侧壁出现多晶等缺陷。

【实用新型内容】

本实用新型的目的是提供一种用于MPCVD系统的导流式样品托及MPCVD 系统，使用该样品托及系统，为金刚石生长提供一个稳定的气流环境，减少金刚石边缘多晶等缺陷的形成。

本实用新型采用以下技术方案：一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，包括：样品托本体，用于水平放置于反应腔内，样品托本体的上方中心处设置有用于导入气流的气体导入口；样品托本体的下部为圆柱体状，其上部包括同轴设置的挡流板和导流台，挡流板位于外侧且为圆环体。

导流台为一上小下大的圆台体；导流台的上表面为水平状，用于放置金刚石样品；导流台的下端直径与挡流板内环直径相同，导流台的高度满足以下条件：金刚石样品放置在导流台上时，金刚石样品的上表面不超过挡流板的上表面。

在挡流板底部环绕一周间隔、且均匀贯通开设有多个径向导流孔；各导流孔用于：将气流流经气体导入口、金刚石样品表面、导流台侧壁后导出样品托本体的外部。

进一步地，该导流台侧壁与水平面的夹角为α，α的取值范围为20°～80°。

进一步地，各导流孔的内径为1mm～10mm。

进一步地，该样品托本体的圆柱体下部、以及挡流板和导流台均为同轴设置的一体式结构。

进一步地，该导流孔为一排、或者从上到下均匀分布的多排。

本实用新型还公开了一种MPCVD系统，包括上述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托。

本实用新型的有益效果是：气流沿着导流台的侧壁向下流，并在底部由导流孔径向流出，气体在底部不会形成涡流，则避免了气体在金刚石周向形成混乱的气流坏境，减少金刚石边缘多晶等缺陷的形成。

【附图说明】

图1为常规样品托结构示意图；

图2为一种用于MPCVD系统的导流式样品托的结构示意图；

图3为一种用于MPCVD系统的导流式样品托的局部放大图；

图4为一种用于MPCVD系统的导流式样品托的俯视图；

其中：1.样品台；2.样品托本体；3.导流台；4.导流孔；5.金刚石样品；6.气流，7.挡流板，8.常规样品托。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种用于MPCVD系统的导流式样品托，包括：样品托本体2，用于水平放置于反应腔内，样品托本体2的上方中心处设置有用于导入气流6的气体导入口；样品托本体2的下部为圆柱体状，其上部包括同轴设置的挡流板7 和导流台3，挡流板7位于外侧且为圆环体。气流6为微波等离子体气流。

上述导流台3为一上小下大的圆台体；导流台3的上表面为水平状，用于放置金刚石样品5；导流台3的下端直径与挡流板7内环直径相同，导流台3的高度满足以下条件：金刚石样品5放置在导流台3上时，金刚石样品5的上表面不超过挡流板7的上表面。

在挡流板7底部环绕一周间隔、且均匀贯通开设有多个径向导流孔4；各导流孔4用于：将气流6流经气体导入口、金刚石样品5表面、导流台3侧壁后导出样品托本体2的外部。

上述导流台3侧壁与水平面的夹角为α，α的取值范围为20°～80°。

上述各导流孔4可以为圆孔、方孔或其他格则或不规则形状的孔，无论采用哪种形式的孔，孔径均不能过大，要保证微波等离子体导出时，在孔的上部的电场中的等电位面波动不大。当为圆孔时，各导流孔4的内径为1mm～10mm。为了使气体快速排出，该导流孔4为一排、或者从上到下均匀分布的多排。

上述样品托本体2的圆柱体下部、以及挡流板7和导流台3均为同轴设置的一体式结构。

本实用新型还公开了一种MPCVD系统，包括上述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托。

本实用新型还公开了一种MPCVD系统，包括上述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托。样品托水平放置于样品台1上，两者均设置在反应腔内，反应腔为一封闭的空间，其内环境为微波等离子体金刚石薄膜的生长环境。

金刚石样品5放置于样品托本体2的中心，气流6从金刚石样品5上方向下流入，流过金刚石样品5侧壁的气流，沿着导流台3的侧壁向下，到达底部的时候，流动方向改变，由各径向的导流孔4流出。减少金刚石侧壁气流混乱，为金刚石生长提供一个稳定的气流环境，减少金刚石边缘多晶等缺陷的形成。

样品台1选用导热材质，如紫铜。样品台1之所以选择紫铜，是因为该材料可以较小的阻碍温度的传递，使用紫铜仅仅是最优的解决方案之一，也可以采用其他具有相同功能的材料。样品托本体2材质选用钼，这是目前生长金刚石效果最好的金属材料。

金刚石生长的过程如下：首先将样品托置于样品台1上，然后将金刚石样品 5放置于样品托本体2的上部，且位于样品托本体2的中心处，最后由金刚石样品5上方向下通入金刚石生长所需气体，形成流经金刚石样品5表面及侧壁的气流6，实现金刚石的生长。

图1展示的是使用常规样品托生长金刚石的示意图，常规样品托8为一柱状体，在柱状体的上壁面上开设有凹槽，凹槽的底面为水平状，金刚石样品5水平放置于凹槽的底部，根据已有的仿真结果可知，气流由金刚石上方向下流入，流向金刚石样品5的上壁及周向，直至到凹腔底部，受到底部的阻挡后，气流产生涡流，部分气流返回向上，且会与向下的气流碰撞冲突，各个方向的气流均有，使金刚石周向的气流非常混乱，这将使得金刚石处于一个不稳定的生长环境中，导致金刚石边缘生长出多晶等缺陷。

金刚石生长过程中需要通过气流源源不断的提供气流，气流中所含的原子和分子是金刚石生长所需的原材料。当气流稳定时，气流方向和流速稳定，原子和分子将以稳定的方向和流速到达金刚石生长面，保证新生长金刚石的碳原子排布是规律和统一的，保证新生长金刚石为单晶金刚石。当气流不稳定，如形成涡流后，用于金刚石生长的原子或分子将以不同方向及流速到达金刚石生长面，这就极易造成新生长的金刚石碳原子排布无规律且不统一，进而生长出不同晶相的金刚石，即多晶金刚石，这种情况在使用未改进的样品托生长金刚石时尤为严重，特别是样品的边缘和侧面会产生大量的多晶，严重影响了单晶金刚石外延生长。

采用本实用新型中的样品托，过程如图2、3和4所示，样品托的底部水平放置于样品台1上，且两者均水平设置于反应腔内，微波等离子体气流由气体导入口导入，反应腔内的环境满足金刚石生长的条件，气流导入金刚石样品5的上壁，以及沿着金刚石样品5侧壁向下，继续沿着导流台3的侧壁向下，并在底部径向流入导流孔4中，并经各导流孔4导出。由于导流台3为一圆台体，气流流经圆台体的侧壁时，沿着侧壁顺势流下，相当于有一缓冲，不会在底部形成涡流，且有导流孔4径向导出，避免了气流6在底部反向，保证了金刚石侧壁处在稳定的气流环境中，从而为金刚石生长提供一个稳定的环境，抑制金刚石边缘多晶等缺陷的形成。

Claims (6)

1.一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，包括：

样品托本体(2)，用于水平放置于反应腔内，所述样品托本体(2)的上方中心处设置有用于导入气流(6)的气体导入口；所述样品托本体(2)的下部为圆柱体状，其上部包括同轴设置的挡流板(7)和导流台(3)，所述挡流板(7)位于外侧且为圆环体；

所述导流台(3)为一上小下大的圆台体；所述导流台(3)的上表面为水平状，用于放置金刚石样品(5)；所述导流台(3)的下端直径与所述挡流板(7)内环直径相同，所述导流台(3)的高度满足以下条件：所述金刚石样品(5)放置在导流台(3)上时，所述金刚石样品(5)的上表面不超过挡流板(7)的上表面；

在所述挡流板(7)底部环绕一周间隔、且均匀贯通开设有多个径向导流孔(4)；各所述导流孔(4)用于：将气流(6)流经气体导入口、金刚石样品(5)表面、导流台(3)侧壁后导出样品托本体(2)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，所述导流台(3)侧壁与水平面的夹角为α，α的取值范围为20°～80°。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，各所述导流孔(4)的内径为1mm～10mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，所述样品托本体(2)的圆柱体下部、以及挡流板(7)和导流台(3)均为同轴设置的一体式结构。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托，其特征在于，所述导流孔(4)为一排、或者从上到下均匀分布的多排。

6.一种MPCVD系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的一种用于MPCVD系统的导流式样品托。

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