CN216972679U - 一种等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等离子体化学气相沉积装置，包括机架及设置在机架上的等离子腔及微波装置，等离子腔包括由底座、腔壁及壁及顶盖围合构成的内腔，腔壁内嵌设腔壁冷却腔，顶盖上设有进气口，底座上排气孔，内腔中靠近底座处设有基材放置台，微波源与波导‑同轴转换机构连接，波导‑同轴转换机构的同轴输出端的外导体与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体穿过微波入口与基材放置台连接。本实用新型的等离子体化学气相沉积装置具有结构简单，效率高、基材取放操作方便且腔体体积小的优点。

Description

一种等离子体化学气相沉积装置

技术领域

本实用新型属于化学气相沉积设备技术领域，具体涉及一种等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

化学气相沉积广泛应用于钻石的合成，将混合气体（氢气、氧气、氮气及甲烷等）送入腔体内进行加热，在腔体内形成一种碳等离子体，该等离子体中的碳不断沉积在腔体内的基材（碳底层）上，并逐渐积聚和硬化，从而形成钻石薄膜或薄片。现有技术的等离子体化学气相沉积装置其微波通常从腔体顶部输入，由于沉积平台设置在腔体的底部，因此这种结构的微波输入端与沉积平台很远，微波的利用率不高；另一方面，由于微波转换器及其连接的微波源等位于腔体的顶部，导致腔体无法向上开启，而只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难，影响了工作效率。此外，由于微波转换器及其连接的微波源等位于腔体的顶部，导致腔体竖向尺寸较长，体积较大。公开日为2020年2月18日，公开号为CN110804732A的中国专利文件公开了一种等离子体CVD装置，机架的工作平台上固定有一个圆筒状的腔体，腔体的顶部设有微波转换器，腔体外壁上设有环绕腔体的环形进气道及环形抽气道，腔体中部的外周设有若干观察窗，腔体的下部设有开口，机架上设有升降机构，升降机构包括一升降台及设置在升降台上用于密封腔体开口的升降法兰，升降台与升降法兰之间设有缓冲机构，用于安置基材的腔平台通过支撑管固定在升降台上，腔平台位于升降法兰的上方且与腔体的开口对应，腔平台的下部设有防泄漏装置。但这种等离子体CVD装置的微波从腔体顶部输入，由于沉积平台设置在腔体的底部，因此这种结构的微波输入端与沉积平台很远，微波的利用率不高；另一方面，由于微波转换器及其连接的微波源等位于腔体的顶部，导致腔体无法向上开启，而只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难，影响了工作效率。此外，由于微波转换器及其连接的微波源等位于腔体的顶部，导致腔体竖向尺寸较长，体积较大。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决现有技术等离子体化学气相沉积装置存在微波利用率不高，效率较低及腔体只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难、影响工作效率且腔体竖向尺寸较长，体积大的问题，提供一种等离子体化学气相沉积装置，具有微波利用率高、基材取放操作方便且腔体体积小的优点。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种等离子体化学气相沉积装置，包括机架及设置在机架上的微波装置及等离子腔，所述等离子腔包括底座、腔壁及顶盖，所述的腔壁呈圆筒状且可开启地设置在底座上，所述的顶盖设置在腔壁的上端；底座、腔壁及顶盖围合构成等离子腔的内腔，顶盖上设有进气口，底座上设有排气孔，内腔中靠近底座处设有基材放置台，底座上设有用于支撑基材放置台的绝缘支撑环，底座的中部设有微波入口；所述的微波装置包括微波源，所述的微波源与波导-同轴转换机构连接，波导-同轴转换机构为四端口结构，波导-同轴转换机构的同轴输出端的外导体与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体穿过微波入口与基材放置台连接。

本实用新型的等离子腔由底座、可开启地设置在底座上的圆筒状腔壁及设置在腔壁上端的顶盖围合构成内腔，基材放置台设置在内腔中靠近底座处，底座的中部设有微波入口，微波装置包括微波源及波导-同轴转换机构，波导-同轴转换机构的同轴输出端的外导体与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体穿过底座上的微波入口与基材放置台连接；这样，基材放置台除了用于放置基材外，还作为等离子腔中的微波辐射元件。与现有技术的微波从腔体顶部输入不同，本实用新型的微波从微波源经过波导-同轴转换机构后从等离子腔的底部输入，其中基材放置台以天线发射的形式将微波直接导入等离子腔，使腔内气体在基材放置台上方形成等离子体，使腔内的化学气相沉积物集中于基材放置台的基材上。由于本实用新型的基材放置台同时用作基材放置及微波辐射元件，因此微波的利用率很高；同时，这种结构还可以改善腔内的微波辐射场形状，改善腔内的等离子体的分布结构，有利于腔内的化学气相沉积。另一方面，由于实用新型与微波输入相关的部件设置在等离子腔的下方，因此本实用新型的等离子腔可以向上开启，即在保持底座不动的情况下，将腔壁及顶盖从底座上升起，使放置基材的内台完全露出，这样就大大方便了基材的取放，解决了现有等离子腔只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难、影响工作效率的问题。此外，由于基材放置台用作等离子腔中的微波辐射元件，因此省去了现有技术中设置在等离子腔顶部的微波转换部件，等离子腔的竖向尺寸大大缩短，使得等离子腔的体积显著缩小，解决了现有技术的腔体竖向尺寸较长，体积大的问题。

作为优选，基材放置台为圆板状结构，基材放置台的内部设有基材放置台冷却腔，基材放置台冷却腔的底部设有开口；所述的内导体为管状结构，内导体内穿设有冷却进水管，内导体的内壁与冷却进水管的外壁之间构成冷却出水通道，所述的内导体穿过微波入口与基材放置台冷却腔底部的开口相连，所述冷却进水管的上端位于基材放置台冷却腔内，冷却进水管的顶端设有导流板。本实用新型在基材放置台中设置了基材放置台冷却腔，利用中空结构的内导体作为基材放置台的冷却通道，可以对腔内基材放置台进行充分的冷却，大大提高了基材放置台的冷却效果。而在冷却进水管的顶端设置导流板，可以确保输入的冷却液首先与基材放置台冷却腔的顶部接触，从而提高基材放置台上部的冷却效果。

作为优选，内导体的下端与冷却连接块连接，冷却连接块上设有基材放置台冷却腔进水口和基材放置台冷却腔出水口；所述的基材放置台冷却腔进水口与冷却进水管连接，所述的基材放置台冷却腔出水口与冷却出水通道连接。

作为优选，基材放置台的顶部中央嵌设有散热板，所述散热板构成所述基材放置台冷却腔的腔顶，散热板的顶面与基材放置台的顶面在同一水平面上，散热板的外周与基材放置台之间设有密封圈。在基材放置台的顶部中央嵌设材质的导热性能比基材放置台更好的散热板，可以提高基材放置台上表面的散热效果；密封圈可以防止基材放置台冷却腔内的冷却液进入内腔。

作为优选，波导-同轴转换机构呈十字形，所述的微波源通过匹配器、波导管与波导-同轴转换机构连接，波导-同轴转换机构上波导管的对称侧设有波导短路塞，同轴输出端的对称侧设有同轴短路段，所述的内导体穿过同轴短路段且与同轴短路段上设置的封口板电连接。本实用新型采用同轴输入方式代替现有技术中通常采用的波导探针输入方式，使微波场集中于基材放置台附近，不但可以提高效率，而且大大缩短了腔体的竖向高度，缩小了腔体的体积。波导短路塞及同轴短路段均用于调节波导-同轴转换机构的技术参数，使其满足转换要求。

作为优选，内导体与同轴短路段的封口板滑动连接，封口板上设有通孔，通孔的内壁设有簧片槽，所述内导体通过簧片槽内的簧片与同轴短路段的封口板可滑动连接；位于封口板下方的内导体上螺接有压紧螺母，压紧螺母与封口板之间设有压紧弹簧。在内导体与封口板之间设置簧片，可以确保内导体与封口板之间接触良好；压紧螺母与压紧弹簧配合，用于将基材放置台压紧于绝缘支撑环上，确保基材放置台稳定可靠。

作为优选，绝缘支撑环由石英玻璃制作，绝缘支撑环的横断面呈C字形，其内壁设有矩形凹槽，绝缘支撑环上矩形凹槽的上下槽壁分别嵌设在基材放置台及底座上，绝缘支撑环与基材放置台及底座之间均设有密封环；所述内腔为下大上小的三级阶体结构，包括上腔、中腔与下腔，靠近中腔的腔壁上设有多个贯穿所述腔壁的观察窗。上小下大的内腔结构可以从整体上完善腔内的微波辐射场形状，完善腔内的等离子体的分布结构，有利于腔内的化学气相沉积。观察窗用于观察腔内基材上的沉积情况。

作为优选，腔壁为双层结构，腔壁内嵌设腔壁冷却腔，腔壁冷却腔包括位于腔壁上部的环形冷却腔及位于腔壁下部且与环形冷却腔连通的筒形冷却腔，腔壁冷却腔进水口设置在筒形冷却腔的底部，腔壁冷却腔出水口设置在环形冷却腔的顶部；腔壁的底部设有环形座，腔壁冷却腔的进水口设置在环形座上，环形座的底面与底座之间设有密封圈。双层结构的腔壁便于构成腔壁冷却腔，而设置与内腔形状及腔内温度分布适配的环形水冷腔和筒形水冷腔，可以使等离子腔的散热效果达到最佳。另外在腔壁的底部设置环形座可以增加腔壁与底座的接触面积，确保等离子腔结构的稳定及密封。

作为优选，顶盖底面设有与腔壁适配的下凸台，下凸台底面设有呈环形的匀气槽，所述匀气槽与设置在顶盖上的进气口连通，匀气槽的槽口设有环形盖板，沿环形盖板的周向均匀设有进气孔；所述的排气孔环绕底座上的微波入口均匀布置，底座的底面设有覆盖所述排气孔的排气槽，所述的排气槽底部设有排气口。在顶盖底面设置下凸台，并在下凸台的底面设置与进气口连通的匀气槽，则进入等离子腔的混合气体可以均匀地分散到匀气槽中，并通过匀气槽环形盖板上的进气孔均匀进入内腔，确保腔内混合气体分布均匀。排气时腔内的气体通过均匀分布的排气孔进入排气槽，再由排气口集中排出。

本实用新型的有益效果是：它有效地解决了现有技术等离子体化学气相沉积装置存在微波利用率不高，效率较低及只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难、影响工作效率且腔体竖向尺寸较长，体积较大的问题，本实用新型的等离子体化学气相沉积装置具有结构简单，效率高、基材取放操作方便且腔体体积小的优点，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本实用新型等离子体化学气相沉积装置的一种剖视图；

图中：1.机架，2.底座，3.腔壁，4.顶盖，5.进气口，6.排气孔，7.基材放置台，8.绝缘支撑环，9.微波入口，10.微波源，11.波导-同轴转换机构，12.外导体，13.内导体，14.基材放置台冷却腔，15.冷却进水管，16.冷却出水通道，17.冷却连接块，18.基材放置台冷却腔进水口，19.基材放置台冷却腔出水口，20.散热板，21.匹配器，22.波导管，23.波导短路塞，24.同轴短路段，25.封口板，26.簧片槽，27.簧片，28.压紧螺母，29.压紧弹簧，30.密封环，31.上腔，32.中腔，33.下腔，34.观察窗，35.环形冷却腔，36.筒形冷却腔，37. 腔壁冷却腔进水口，38. 腔壁冷却腔出水口，39.环形座，40.密封圈，41.匀气槽，42.环形盖板，43.排气口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本实用新型技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1

在如图1所示的实施例1中，一种等离子体化学气相沉积装置，包括机架1及设置在机架上的微波装置及等离子腔，所述等离子腔包括底座2、腔壁3及顶盖4，所述的腔壁呈圆筒状且可开启地设置在底座上，所述的顶盖设置在腔壁的上端；底座、腔壁及顶盖围合构成等离子腔的内腔，腔壁为双层结构，腔壁内嵌设腔壁冷却腔，腔壁冷却腔包括位于腔壁上部的环形冷却腔35及位于腔壁下部且与环形冷却腔连通的筒形冷却腔36，腔壁冷却腔进水口37设置在筒形冷却腔的底部，腔壁冷却腔出水口38设置在环形冷却腔的顶部；腔壁的底部设有环形座39，腔壁冷却腔的进水口设置在环形座上，环形座的底面与底座之间设有密封圈40。顶盖上设有进气口5，底座上设有排气孔6，顶盖底面设有与腔壁适配的下凸台，下凸台底面设有呈环形的匀气槽41，所述匀气槽与设置在顶盖上的进气口连通，匀气槽的槽口设有环形盖板42，沿环形盖板的周向均匀设有进气孔；所述的排气孔环绕底座上的微波入口均匀布置，底座的底面设有覆盖所述排气孔的排气槽，所述的排气槽底部设有排气口43。

本实施例内腔中靠近底座处设有基材放置台7，底座上设有用于支撑基材放置台的绝缘支撑环8，底座的中部设有微波入口9；所述的微波装置包括微波源10，所述的微波源与波导-同轴转换机构11连接，波导-同轴转换机构为四端口结构，波导-同轴转换机构的同轴输出端的外导体12与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体13穿过微波入口与基材放置台连接。基材放置台为圆板状结构，基材放置台的内部设有基材放置台冷却腔14，基材放置台冷却腔的底部设有开口；所述的内导体为管状结构，内导体内穿设有冷却进水管15，内导体的内壁与冷却进水管的外壁之间构成冷却出水通道16，所述的内导体穿过微波入口与基材放置台冷却腔底部的开口相连，所述冷却进水管的上端位于基材放置台冷却腔内，冷却进水管的顶端设有导流板。内导体的下端与冷却连接块17连接，冷却连接块上设有基材放置台冷却腔进水口18和基材放置台冷却腔出水口19；所述的基材放置台冷却腔进水口与冷却进水管连接，所述的基材放置台冷却腔出水口与冷却出水通道连接。

本实施例基材放置台的顶部中央嵌设有散热板20，所述散热板构成所述基材放置台冷却腔的腔顶，散热板的顶面与基材放置台的顶面在同一水平面上，散热板的外周与基材放置台之间设有密封圈。绝缘支撑环由石英玻璃制作，绝缘支撑环的横断面呈C字形，其内壁设有矩形凹槽，绝缘支撑环上矩形凹槽的上下槽壁分别嵌设在基材放置台及底座上，绝缘支撑环与基材放置台及底座之间均设有密封环30；所述内腔为下大上小的三级阶体结构，包括上腔31、中腔32与下腔33，靠近中腔的腔壁上设有多个贯穿所述腔壁的观察窗34。

本实施例的波导-同轴转换机构呈十字形，所述的微波源通过三螺匹配器21、波导管22与波导-同轴转换机构连接，波导-同轴转换机构上波导管的对称侧设有波导短路塞23，同轴输出端的对称侧设有同轴短路段24，所述的内导体穿过同轴短路段且与同轴短路段上设置的封口板25电连接。内导体与同轴短路段的封口板滑动连接，封口板上设有通孔，通孔的内壁设有簧片槽26，所述内导体通过簧片槽内的簧片27与同轴短路段的封口板可滑动连接；位于封口板下方的内导体上螺接有压紧螺母28，压紧螺母与封口板之间设有压紧弹簧29。

本实用新型的等离子腔由底座、可开启地设置在底座上的圆筒状腔壁及设置在腔壁上端的顶盖围合构成内腔，基材放置台设置在内腔中靠近底座处，底座的中部设有微波入口，微波装置包括微波源及波导-同轴转换机构，波导-同轴转换机构的同轴输出端的外导体与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体穿过底座上的微波入口与基材放置台连接；这样，基材放置台除了用于放置基材外，还作为等离子腔中的微波辐射元件。与现有技术的微波从等离子腔顶部输入不同，本实用新型的微波从微波源经过波导-同轴转换机构后从等离子腔的底部输入，其中基材放置台以天线发射的形式将微波直接导入等离子腔，对等离子腔抽真空并送入混合气体（氢气、氧气、氮气及甲烷等）时，在等离子腔内形成一种碳等离子体，该等离子体中的碳不断沉积在等离子腔内的基材上，并逐渐积聚和硬化，从而形成钻石薄膜或薄片。由于本实用新型的基材放置台同时用作基材放置及微波辐射元件，因此微波的利用率很高；同时，这种结构还可以改善腔内的微波辐射场形状，改善腔内的等离子体的分布结构，有利于腔内的化学气相沉积。另一方面，由于实用新型与微波输入相关的部件设置在等离子腔的下方，因此本实用新型的等离子腔可以向上开启，即在保持底座不动的情况下，将腔壁及顶盖从底座上升起，使放置基材的内台完全露出，这样就大大方便了基材的取放，解决了现有腔体只能通过沉积平台下降的方式开启，导致基材的取放操作困难、影响工作效率的问题。此外，由于基材放置台用作等离子腔中的微波辐射元件，因此省去了现有技术中设置在等离子腔顶部的微波转换部件，腔体的竖向尺寸大大缩短，使得腔体的体积显著缩小，解决了现有技术的腔体竖向尺寸较长，体积大的问题。

除上述实施例外，在本实用新型的权利要求书及说明书所公开的范围内，本实用新型的技术特征或技术数据可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本实用新型没有详细描述的实施例也应视为本实用新型的具体实施例而在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种等离子体化学气相沉积装置，包括机架（1）及设置在机架上的微波装置及等离子腔，其特征是，所述等离子腔包括底座（2）、腔壁（3）及顶盖（4），所述的腔壁呈圆筒状且可开启地设置在底座上，所述的顶盖设置在腔壁的上端；底座、腔壁及顶盖围合构成等离子腔的内腔，顶盖上设有进气口（5），底座上设有排气孔（6），内腔中靠近底座处设有基材放置台（7），底座上设有用于支撑基材放置台的绝缘支撑环（8），底座的中部设有微波入口（9）；所述的微波装置包括微波源（10），所述的微波源与波导-同轴转换机构（11）连接，波导-同轴转换机构为四端口结构，波导-同轴转换机构的同轴输出端的外导体（12）与底座上的微波入口连接，同轴输出端的内导体（13）穿过微波入口与基材放置台连接。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的基材放置台为圆板状结构，基材放置台的内部设有基材放置台冷却腔（14），基材放置台冷却腔的底部设有开口；所述的内导体为管状结构，内导体内穿设有冷却进水管（15），内导体的内壁与冷却进水管的外壁之间构成冷却出水通道（16），所述的内导体穿过微波入口与基材放置台冷却腔底部的开口相连，所述冷却进水管的上端位于基材放置台冷却腔内，冷却进水管的顶端设有导流板。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述内导体的下端与冷却连接块（17）连接，冷却连接块上设有基材放置台冷却腔进水口（18）和基材放置台冷却腔出水口（19）；所述的基材放置台冷却腔进水口与冷却进水管连接，所述的基材放置台冷却腔出水口与冷却出水通道连接。

4.根据权利要求2所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述基材放置台的顶部中央嵌设有散热板（20），所述散热板构成所述基材放置台冷却腔的腔顶，散热板的顶面与基材放置台的顶面在同一水平面上，散热板的外周与基材放置台之间设有密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的波导-同轴转换机构呈十字形，所述的微波源通过匹配器（21）、波导管（22）与波导-同轴转换机构连接，波导-同轴转换机构上波导管的对称侧设有波导短路塞（23），同轴输出端的对称侧设有同轴短路段（24），所述的内导体穿过同轴短路段且与同轴短路段上设置的封口板（25）电连接。

6.根据权利要求5所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述内导体与同轴短路段的封口板滑动连接，封口板上设有通孔，通孔的内壁设有簧片槽（26），所述内导体通过簧片槽内的簧片（27）与同轴短路段的封口板可滑动连接；位于封口板下方的内导体上螺接有压紧螺母（28），压紧螺母与封口板之间设有压紧弹簧（29）。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的绝缘支撑环由石英玻璃制作，绝缘支撑环的横断面呈C字形，其内壁设有矩形凹槽，绝缘支撑环上矩形凹槽的上下槽壁分别嵌设在基材放置台及底座上，绝缘支撑环与基材放置台及底座之间均设有密封环（30）；所述内腔为下大上小的三级阶体结构，包括上腔（31）、中腔（32）与下腔（33），靠近中腔的腔壁上设有多个贯穿所述腔壁的观察窗（34）。

8.根据权利要求1所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的腔壁为双层结构，腔壁内嵌设腔壁冷却腔，腔壁冷却腔包括位于腔壁上部的环形冷却腔（35）及位于腔壁下部且与环形冷却腔连通的筒形冷却腔（36），腔壁冷却腔进水口（37）设置在筒形冷却腔的底部，腔壁冷却腔出水口（38）设置在环形冷却腔的顶部；腔壁的底部设有环形座（39），腔壁冷却腔的进水口设置在环形座上，环形座的底面与底座之间设有密封圈（40）。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，顶盖底面设有与腔壁适配的下凸台，下凸台底面设有呈环形的匀气槽（41），所述匀气槽与设置在顶盖上的进气口连通，匀气槽的槽口设有环形盖板（42），沿环形盖板的周向均匀设有进气孔；所述的排气孔环绕底座上的微波入口均匀布置，底座的底面设有覆盖所述排气孔的排气槽，所述的排气槽底部设有排气口（43）。

Images