CN216237371U - 金刚石圆片径向生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及晶体合成技术领域，尤指一种金刚石圆片径向生长装置，包括升降式旋转支架和晶圆夹持单元，升降式旋转支架包括升降杆装置和至少两组平行设置的旋转轴，旋转轴安装在升降杆装置的顶端；晶圆夹持单元用于将多片金刚石圆片同轴夹持成圆柱状，晶圆夹持单元放置在两个旋转轴之间。本实用新型的装置通过晶圆夹持单元夹持多片金刚石圆片，其中外面的两片作为配片用于保护夹在中间的金刚石圆片的底面，使得中间的金刚石圆片只在侧面外延生长，在长周期的生长过程中能很好地保持金刚石圆片的圆度及厚度。

Description

金刚石圆片径向生长装置

技术领域

本实用新型涉及晶体合成技术领域，尤指一种金刚石圆片径向生长装置。

背景技术

单晶金刚石具有优异的物理化学性能，尤其是在光学窗口、散热以及电子器件等领域具有重要的应用价值。为了拓展这些应用，需要制备出大面积金刚石片。

在各种金刚石制备方法中，微波等离子体化学气相沉积法以其等离子体功率密度高、无电极放电污染和性能稳定等特性成为制备高品质金刚石的首选方法。当前方法生产大面积单晶金刚石的工艺过程中，普遍采用将金刚石籽晶固定在沉积台上，采用马赛克拼接，通过冷却沉积台对籽晶进行温度控制，在籽晶向着等离子体的一面进行单向生长，然后采用离子注入将单晶一层层剥离。由于马赛克拼接需要选取晶向一致的籽晶，拼接难度大，长大后要复制晶种还要采用离子注入剥离，设备昂贵，剥离难度大。

现有技术中也有公开了一种大直径金刚石片的制备方法，但该方法在连续长周期的生长过程中控制金刚石圆片的圆度及厚度上有难度。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种金刚石圆片径向生长装置，可以直接生长出大直径金刚石圆片，而且在长周期的生长过程中能很好地保持金刚石圆片的圆度及厚度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种金刚石圆片径向生长装置，包括升降式旋转支架和晶圆夹持单元，所述升降式旋转支架包括升降杆装置和至少两组平行设置的旋转轴，所述旋转轴安装在所述升降杆装置的顶端；所述晶圆夹持单元用于将多片金刚石圆片同轴夹持成圆柱状，所述晶圆夹持单元放置在两个旋转轴之间。

作为一种优选方案，所述旋转轴的内部装设水冷套。

作为一种优选方案，所述升降式旋转支架还包括横架和安装在所述横架上的旋转驱动组件，所述横架垂直安装在所述升降杆装置的顶端，所述旋转轴沿所述横架延伸方向均匀布设，所述旋转驱动组件与所述旋转轴驱动连接。

作为一种优选方案，所述升降式旋转支架还包括距离调整组件，所述距离调整组件安装在所述横架上，并可在所述横架上移动；所述旋转驱动组件安装在所述距离调整组件上。

作为一种优选方案，所述距离调整组件为电动调整组件，所述电动调整组件包括安装于所述横架的导轨、安装在所述导轨上的若干个滑块、传动杆和步进电机；所述传动杆一端与所述滑块连接，其另一端与所述步进电机的输出轴相连；所述旋转驱动组件安装在所述滑块上。

作为一种优选方案，所述晶圆夹持单元包括螺栓和螺母，所述螺栓将多片金刚石圆片同轴穿起，并通过螺母将金刚石圆片夹持锁紧；装有金刚石圆片的螺栓放置在两个旋转轴之间，并与旋转轴同轴设置。

作为一种优选方案，所述晶圆夹持单元还包括弹簧，所述弹簧与金刚石圆片穿设于所述螺栓中，并通过螺母夹持锁紧。

作为一种优选方案，所述晶圆夹持单元包括螺栓、U型夹持臂和用于将多片金刚石圆片同轴重叠夹持的夹头，所述夹头的两端分别与所述U型夹持臂上端开口两侧连接，所述U型夹持臂与所述螺栓螺纹连接；装有金刚石圆片的夹头放置在两个旋转轴之间，并与旋转轴同轴设置。

作为一种优选方案，所述U型支持臂包括第一支臂和第二支臂，所述第一支臂的下端设有限位柱，所述第二支臂的下端设有可供所述限位柱插入的限位孔，所述螺栓伸入该限位孔内与所述限位柱螺纹连接。

作为一种优选方案，所述晶圆夹持单元还包括弹簧，所述弹簧与金刚石圆片穿设于所述螺栓中，并通过螺母夹持锁紧，所述弹簧穿设于所述螺栓中，并与所述第二支臂相抵。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的装置通过晶圆夹持单元夹持多片金刚石圆片，其中外面的两片作为配片用于保护夹在中间的金刚石圆片的底面，使得中间的金刚石圆片只在侧面外延生长；再配合升降式旋转支架上旋转轴的摩擦驱动，起到外圆磨的作用，使得金刚石圆片侧面在生长过程中保持圆滑。

除此之外，可以同时设置多个旋转轴和多个晶圆夹持单元，夹持多片金刚石圆片进行批量生长。

附图说明

图1是本实用新型的金刚石圆片径向生长装置的第一实施例的结构示意图。

图2是图1中的晶圆夹持单元的结构示意图。

图3是本实用新型的金刚石圆片径向生长装置的第二实施例的结构示意图。

图4是图3中的晶圆夹持单元的结构示意图。

附图标号说明：10、10a-升降式旋转支架；11、11a-升降杆装置；12、12a- 横架；13、13a-旋转轴；20、20a-晶圆夹持单元；21、21a-螺栓；22-螺母；23、23a-弹簧；24-夹头；25-第一支臂；26-第二支臂；27-限位柱；28-轴承座；30、 30a-金刚石圆片。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可是一体式连接，也可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1所示，为本实用新型关于一种金刚石圆片径向生长装置的第一实施例，该金刚石圆片径向生长装置包括升降式旋转支架10和晶圆夹持单元20，升降式旋转支架10包括升降杆装置11和至少两组平行设置的旋转轴13，旋转轴13安装在升降杆装置11的顶端；晶圆夹持单元20用于将多片金刚石圆片30同轴夹持成圆柱状，晶圆夹持单元20放置在两个旋转轴13之间。

本实用新型的装置通过晶圆夹持单元20夹持多片金刚石圆片30，其中外面的两片作为配片用于保护夹在中间的金刚石圆片30的底面，使得中间的金刚石圆片30只在侧面外延生长；再配合升降式旋转支架10上旋转轴13的摩擦驱动，起到外圆磨的作用，使得金刚石圆片30侧面在生长过程中保持圆滑。晶圆夹持单元20的数量比旋转轴13的数量少一组，在本实施例中，旋转轴13为三组，而晶圆夹持单元20为两组，当然可以同时设置多个旋转轴13和多个晶圆夹持单元20，夹持多片金刚石圆片30进行批量生长。

升降式旋转支架10还包括横架12、安装在横架12上的旋转驱动组件、距离调整组件，横架12垂直安装在升降杆装置11的顶端，距离调整组件安装在横架12上，并可在横架12上移动；旋转驱动组件安装在距离调整组件上；旋转轴13和旋转驱动组件安装在距离调整组件上，旋转驱动组件与旋转轴13驱动连接。旋转轴13的旋转是独立控制的；通过旋转驱动组件来带动旋转轴13 转动，通过旋转轴13的旋转带动金刚石圆片30逆向旋转，以便金刚石圆片30 的侧面均匀接受化学气相沉积。

距离调整组件可以调整旋转轴13之间的距离，当金刚石圆片30直径逐渐长大时，调节相邻旋转轴13之间的间距来调节相邻晶圆夹持单元20中金刚石圆片30之间的间距，优化金刚石圆片30底面之间的交叠面积。

升降杆装置11采用电动升降杆，当金刚石圆片30直径逐渐长大时，还可以通过降低升降杆装置11的高度来调节金刚石圆片30在化学气相沉积腔室中的位置，以便生长出质量更好的产品。

为了生长出质量更好的产品，旋转轴13的内部装设水冷套(图未示)，通过调控水冷套内冷却水的温度或流量来调控金刚石圆片30的温度，以便生长出质量更好的产品。

在本实施例中，距离调整组件为电动调整组件，电动调整组件包括安装于横架12的导轨、安装在导轨上的若干个滑块、传动杆和步进电机；传动杆一端与滑块连接，其另一端与步进电机的输出轴相连；旋转驱动组件安装在滑块上。旋转轴13之间的间距可以通过手动或者自动控制来调节，比如采用电动调整组件来实现，通过步进电机控制的丝杆来调节旋转轴13之间的间距；由于该结构在机械领域较为常见，在此不再配图进行结构赘述。

如图2所示，晶圆夹持单元20包括螺栓21、螺母22和弹簧23，螺栓21 将多片金刚石圆片30同轴穿起，最后套入弹簧23，通过螺母22将金刚石圆片 30夹持锁紧，实现了多个金刚石圆片30的夹紧固定；装有金刚石圆片30的螺栓21放置在两个旋转轴13之间，并与旋转轴13同轴设置；进一步地，相邻旋转轴13之间的间隙尺寸小于金刚石圆片30的直径，晶圆夹持单元20就会被相邻两个旋转轴13支撑起来而不会掉落，利用“烤肠机”的原理，晶圆夹持单元 20通过旋转轴13的旋转带动金刚石圆片30逆向旋转，以便金刚石圆片30的侧面均匀接受化学气相沉积。

当晶圆夹持单元20从室温升温到化学气相沉积生长温度时，由于金刚石圆片30本身与螺母22之间的膨胀系数的差异，会导致膨胀尺寸不一样，弹簧23 在这里的作用就是补偿膨胀变形的尺寸差异，提供一个稳定的压力，使得在很大的温度区间内金刚石圆片30之间仍保持良好的接触。

在本实施例中，金刚石圆片30为环形结构，可以通过螺栓21将多片金刚石圆片30串起来。

请参阅图3所示，为本实用新型的金刚石圆片径向生长装置的第二实施例，该金刚石圆片径向生长装置包括升降式旋转支架10a和晶圆夹持单元20a，升降式旋转支架10a包括升降杆装置11a、垂直安装在升降杆装置11a顶端的横架12a 和三组平行设置的旋转轴13a，旋转轴13a与横架12a转动连接并沿横架12a延伸方向均匀布设；晶圆夹持单元20a用于将多片金刚石圆片30a同轴夹持成圆柱状，晶圆夹持单元20a放置在两个旋转轴13a之间。

本实施例与第一实施例具有相同结构的升降式旋转支架10a，故在此不再对该结构进行赘述，与第一实施例不同的在于：晶圆夹持单元20a。

如图4所示，晶圆夹持单元20a包括螺栓21a、U型夹持臂、弹簧23a和用于将多片金刚石圆片30a同轴重叠夹持的夹头24；U型支持臂包括第一支臂25 和第二支臂26，第一支臂25的上端和第二支臂26的上端均设有轴承座28，夹头24的一端与轴承座28安装连接，另一端与金刚石圆片30相贴；第一支臂25 的下端设有限位柱27，第二支臂26的下端设有可供限位柱27插入的限位孔；限位柱27中部开设有螺纹槽，螺栓21a套入弹簧23a后伸入该限位孔内与限位柱27的螺纹槽螺纹连接，弹簧23a与第二支臂26相抵；装有金刚石圆片30的夹头24放置在两个旋转轴13a之间，并与旋转轴13a同轴设置，金刚石圆片30a 使得晶圆夹持单元20a被相邻两个旋转轴13a支撑起来而不会掉落，而U型支持臂自然垂设在两个旋转轴13a之间。

在本实施例中，金刚石圆片30a为圆片无孔结构，可以通过夹头24将多片金刚石圆片30a夹持起来。

当晶圆夹持单元20a从室温升温到化学气相沉积生长温度时，由于金刚石圆片30a本身与夹头24之间的膨胀系数的差异，会导致膨胀尺寸不一样，弹簧 23a在这里的作用就是补偿膨胀变形的尺寸差异，提供一个稳定的压力，使得在很大的温度区间内金刚石圆片30a之间仍保持良好的接触。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：包括升降式旋转支架和晶圆夹持单元，所述升降式旋转支架包括升降杆装置和至少两组平行设置的旋转轴，所述旋转轴安装在所述升降杆装置的顶端；所述晶圆夹持单元用于将多片金刚石圆片同轴夹持成圆柱状，所述晶圆夹持单元放置在两个旋转轴之间。

2.根据权利要求1所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述旋转轴的内部装设水冷套。

3.根据权利要求1所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述升降式旋转支架还包括横架和安装在所述横架上的旋转驱动组件，所述横架垂直安装在所述升降杆装置的顶端，所述旋转轴沿所述横架延伸方向均匀布设，所述旋转驱动组件与所述旋转轴驱动连接。

4.根据权利要求3所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述升降式旋转支架还包括距离调整组件，所述距离调整组件安装在所述横架上，并可在所述横架上移动；所述旋转驱动组件安装在所述距离调整组件上。

5.根据权利要求4所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述距离调整组件为电动调整组件，所述电动调整组件包括安装于所述横架的导轨、安装在所述导轨上的若干个滑块、传动杆和步进电机；所述传动杆一端与所述滑块连接，其另一端与所述步进电机的输出轴相连；所述旋转驱动组件安装在所述滑块上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述晶圆夹持单元包括螺栓和螺母，所述螺栓将多片金刚石圆片同轴穿起，并通过螺母将金刚石圆片夹持锁紧；装有金刚石圆片的螺栓放置在两个旋转轴之间，并与旋转轴同轴设置。

7.根据权利要求6所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述晶圆夹持单元还包括弹簧，所述弹簧与金刚石圆片穿设于所述螺栓中，并通过螺母夹持锁紧。

8.根据权利要求1至5任一项所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述晶圆夹持单元包括螺栓、U型夹持臂和用于将多片金刚石圆片同轴重叠夹持的夹头，所述夹头的两端分别与所述U型夹持臂上端开口两侧连接，所述U型夹持臂与所述螺栓螺纹连接；装有金刚石圆片的夹头放置在两个旋转轴之间，并与旋转轴同轴设置。

9.根据权利要求8所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述U型夹持臂包括第一支臂和第二支臂，所述第一支臂的下端设有限位柱，所述第二支臂的下端设有可供所述限位柱插入的限位孔，所述螺栓伸入该限位孔内与所述限位柱螺纹连接。

10.根据权利要求9所述的金刚石圆片径向生长装置，其特征在于：所述晶圆夹持单元还包括弹簧，所述弹簧与金刚石圆片穿设于所述螺栓中，并通过螺母夹持锁紧，所述弹簧穿设于所述螺栓中，并与所述第二支臂相抵。

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