CN220413600U - 一种便于调节生长温度的微波反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便于调节生长温度的微波反应装置，属于晶体生长设备领域。包括有微波谐振腔体，微波谐振腔体内设置有生长台，生长台上方设置有生长基台，生长台上连接有冷却机构，生长基台上连接有升降机构。升降机构能够控制生长基台深入等离子体的深度和并调节生长基台与具有冷却机构的生长台本体的间距，进而实现生长基台上的金刚石籽晶获取的等离子体能量以及散热速度的调节，达到金刚石籽晶生长温度的精确控制；同时，升降机构的连接杆通过真空管、压缩密封件实现真空密封，并通过波纹管进行伸缩缓冲，既能够保证生长基台的真空环境，又能够升降机构的结构稳定。

Description

一种便于调节生长温度的微波反应装置

技术领域

本实用新型属于晶体生长设备领域，特别涉及一种便于调节生长温度的微波反应装置。

背景技术

金刚石作为集中优异的基础材料，具有高硬度、高热导率、高击穿电场、高载流子迁移率、高带宽等特性，从而被誉为终极半导体。同时，金刚石还具有优异的化学稳定性和光学性能，这些材料特性使金刚石在固态功率器件、散热器件、光学窗口、电化学电机、机械加工等多个领域均具有广泛的应用。虽然金刚石具有良好的应用前景，然而天然金刚石储量有限，且价格昂贵，故而金刚石的人工合成一直是研究的前沿。

最早的金刚石人工合成使用高温高压法，这种方法经过几十年的发展优化，现在已经可以生产出大单晶的金刚石晶体，然而这些晶体在纯度和缺陷浓度等方面均存在不足，不足以在上述高端科技方向使用。特别是高温高压的晶体，和天然的晶体都具有尺寸的限制，无法在二维平面扩大，形成类似硅晶圆的结构。所以，后期金刚石的生长都转移到化学气相沉积法，通过真空气相生长的方法，晶体的质量可以在材料纯度和缺陷浓度方面得以提升。

在化学气相沉积法中，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)金刚石生长技术由于其微波能量无污染、气体原料纯净、没有催化剂和杂质的掺入等优势正在逐步成为人造金刚石的主流方法。

MPCVD生长金刚石的原理为：1)微波源发出微波能量，经过波导传输以及天线模式转换后进入谐振腔，在谐振腔内形成一定强度的微波交变电场；2)在交变电场的激励下，维持在低压状态下的反应气体就会被击穿从而形成等离子体；3)等离子体中的各种活性基团，在金刚石籽晶表面上发生一系列的化学反应并逐渐在金刚石籽晶表面发生吸附、解吸附、迁移、扩散等动力学过程最终变为原子级别的沉积层；4)碳原子沉积层进行层状生长，经过长时间的持续最终得到金刚石晶体。

在MPCVD生长金刚石的过程中，如何快速到达需要的生长温度，并且在生长过程中维持需要的温度，是金刚石持续高质量生长的关键，但对于如何升温及维持温度，现有技术并未给出一个有效的技术方案。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的首要目的在于提供一种便于调节生长温度的微波反应装置，能够实现生长基台上的金刚石籽晶获取的等离子体能量以及散热速度的调节，达到金刚石籽晶生长温度的精确控制；

本实用新型的另一个目的是提供一种便于调节生长温度的微波反应装置，结构稳定性强、成本低，便于使用和推广。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供一种便于调节生长温度的微波反应装置，包括有微波谐振腔体，所述微波谐振腔体内设置有生长台，所述生长台上方设置有生长基台，所述生长台上连接有冷却机构，所述生长基台上连接有升降机构。在本申请中，生长台用于限定微波谐振腔体内的电场分布，从而和腔体自身一起形成腔体内部的驻波；生长基台用于放置金刚石籽晶，通过升降机构的带动进行升降，调节与生长台之间的距离，当生长基台的高度越高，距离生长台越远，金刚石籽晶的上表面进入高电场区域就越多，从等离子中获取的能量也会越多，从而实现金刚石籽晶生长温度的调节。同时，由于金属的生长台本体设置有水冷，生长台基本维持一个恒定的温度，而生长台的顶端是生长基台，当生长基台相对于金属的生长台上升时，两者之间距离加大，散热就会变慢，相同大小的能量进入到生长基台，温度就会上升；反之，当下降时，散热变快，相同大小的能量进入到生长基台，温度就会下降。通过冷却机构配合升降机构，能够实现生长基台上的金刚石籽晶获取的等离子体能量以及散热速度的调节，达到金刚石籽晶生长温度的精确控制。

进一步地，所述微波谐振腔体包括有腔体和腔底，所述腔体与腔底组合形成所述微波谐振腔。微波在谐振腔内金属的生长台上方中心位置形成驻波。

进一步地，所述微波谐振腔体上设置有进气口和出气口，所述进气口采用单口或花洒式的多孔口，所述出气口通过真空泵与外部的废气系统连接。反应气体从进气口进入到微波谐振腔体内进行反应，反应完成的气体通过出气口经真空泵排放到外部的废气系统中，避免对空气造成污染。

进一步地，所述生长台采用金属材料制成，所述冷却机构采用水冷，生长台上连接有进水管、出水管，生长台上的内部设置有水冷通道，进水管、出水管均与水冷通道连通。通过冷却水将生长台保持在较低的温度，从而避免金属材料的生长台的发生热变形。

进一步地，所述生长台在位于生长基台的外侧设置有环形的散热件，能够在生长基台的周侧形成环形的散热通道，能够平衡散热、调节电场。

进一步地，所述升降机构包括有驱动电机、连接杆，所述连接杆的下端与驱动电机的输出端连接，上端向上贯穿微波谐振腔体、生长台与生长基台的底部连接。驱动电机通过连杆带动生长基台上下运动，从而实现生长基台相对于生长台的升降。

进一步地，所述升降机构还包括有波纹管、第一真空管、第二真空管、第三真空管、第一压缩密封件、第二压缩密封件，所述波纹管、第一真空管、第二真空管、第三真空管、第一压缩密封件、第二压缩密封件均套设在连接杆外，且波纹管设置在连接杆的下部，第一真空管套设在连接杆上部的外侧，第二真空管、第三真空管分别密封连接在波纹管的上下两端，且第一真空管与第二真空管的之间通过第一压缩密封件密封连接，第三真空管与连接杆之间通过第二压缩密封件密封连接。在本申请中，由于生长基台处于真空环境中，为了避免连接杆破坏真空环境，通过在连接杆外套设真空管，为连接杆的上下运动提供一个真空空间。同时，由于连接杆与真空管均采用金属等刚性材料制成，连接杆在真空管中上下相对运动时，二者之间会产生位置偏移，通过采用柔性可伸缩的波纹管和第二真空管、第三真空管连接，具有缓冲的作用，能够缓冲运动产生的位置偏移。

进一步地，所述第一压缩密封件、第二压缩密封件采用VCR卡套密封件。

进一步地，所述升降机构还包括有支架，所述驱动电机固定在支架上。

进一步地，连接杆的下端与驱动电机之间还设置有连接块，能够调节连接杆与驱动电机之间的平行度，保证结构的稳定性。

进一步地，所述微波谐振腔体1的底部还设置有同轴波导外管，同轴波导外管上设置有微波入口，同轴波导外管内还设置有同轴波导的内部传导体，同轴波导外管的内部表面形成同轴波导的外部传导体，微波入口与同轴波导连接，所述同轴波导外管与同轴波导均套设在连接杆、真空管外。同轴波导可以外接传输过来的微波进行模式转换并以同轴传输的模块传送到微波谐振腔体。

进一步地，所述生长台与微波谐振腔体的底部之间连接有微波馈入窗，所述微波馈入窗与同轴波导的内部传导体连接，所述微波馈入窗与生长台、微波谐振腔体的连接处设置有密封圈。微波馈入窗用于将微波从下方的微波通路导入到微波谐振腔体内，密封圈可以使微波谐振腔体时刻保持在真空状态，从而可以保证晶体生长的工艺条件。

进一步地，所述微波谐振腔体为圆形结构，微波馈入窗为与微波谐振腔体相适配的环形结构，微波馈入窗采用石英、氧化铝等电介质材料制成，能够方便微波的穿透。

进一步地，所述同轴波导的内部传导体下端贯穿同轴波导外管进入到支架内，同轴波导的内部传导体与支架之间设置有定位销钉。

进一步地，所述支架与同轴波导外管之间还设置有压紧弹簧、弹簧底板，压紧弹簧套设在同轴波导的内部传导体外，弹簧底板通过压紧螺柱连接在支架上，压紧弹簧的上端与同轴波导外管的底部相抵持，压紧弹簧的下端与弹簧底板上表面相抵持。压紧弹簧的下端通过弹簧底板固定，设置为拉伸状态，能够给生长台提供一个向下的拉力，从而把密封圈压紧，实现微波馈入窗的密封。

本实用新型的优势在于，相比于现有技术：本申请的微波反应装置的生长台上连接有冷却机构，生长基台上连接有升降机构，升降机构能够控制生长基台深入等离子体的深度和并调节生长基台与具有冷却机构的生长台本体的间距，进而实现生长基台上的金刚石籽晶获取的等离子体能量以及散热速度的调节，达到金刚石籽晶生长温度的精确控制；同时，升降机构的连接杆通过真空管、压缩密封件实现真空密封，并通过波纹管进行缓冲，既能够保证生长基台的真空环境，又能够升降机构的结构稳定。

附图说明

图1是本实施例中微波反应装置的结构示意图。

图2是升降机构的局部放大图。

图3是本实施例中连接块的结构示意图。

图4是本实施例中波纹管的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

参见图1-4所示，本实施例提供一种便于调节生长温度的微波反应装置，包括有微波谐振腔体1，微波谐振腔体1内设置有生长台2，生长台2上方设置有生长基台3，生长台2上连接有水冷机构，生长基台3上连接有升降机构4。在本申请中，生长台2用于限定微波谐振腔体1内的电场分布，从而和腔体自身一起形成腔体内部的驻波；生长基台3用于放置金刚石籽晶，通过升降机构4的带动进行升降，调节与生长台2之间的距离，当生长基台3的高度越高，距离生长台2越远，金刚石籽晶的上表面进入高电场区域就越多，从等离子中获取的能量也会越多，从而实现金刚石籽晶生长温度的调节。同时，由于金属的生长台2本体设置有水冷，生长台2基本维持一个恒定的温度，而生长台2的顶端是生长基台3，当生长基台3相对于金属的生长台2上升时，两者之间距离加大，散热就会变慢，相同大小的能量进入到生长基台3，温度就会上升；反之，当下降时，散热变快，相同大小的能量进入到生长基台3，温度就会下降。通过水冷机构配合升降机构4，能够实现生长基台3上的金刚石籽晶获取的等离子体能量以及散热速度的调节，达到金刚石籽晶生长温度的精确控制。

进一步地，微波谐振腔体1包括有腔体和腔底，腔体与腔底组合形成微波谐振腔。微波在谐振腔内金属的生长台2上方中心位置形成驻波。

进一步地，微波谐振腔体1上设置有进气口5和出气口6，进气口5采用单口或花洒式的多孔口，出气口6通过真空泵与外部的废气系统连接。反应气体从进气口5进入到微波谐振腔体1内进行反应，反应完成的气体通过出气口6经真空泵排放到外部的废气系统中，避免对空气造成污染。

进一步地，生长台2采用金属材料制成，水冷机构包括有设置在生长台2上连接有进水管7、出水管8，生长台2上的内部设置有水冷通道9，进水管7、出水管8均与水冷通道9连通。通过冷却水将生长台2保持在较低的温度，从而避免金属材料的生长台2的发生热变形。

进一步地，生长台2在位于生长基台3的外侧设置有环形的散热件10，能够在生长基台3的周侧形成环形的散热通道，能够平衡散热、调节电场。

进一步地，升降机构4包括有驱动电机41、连接杆42，连接杆42的下端与驱动电机41的输出端连接，上端向上贯穿微波谐振腔体1、生长台2与生长基台3的底部连接。驱动电机41通过连杆带动生长基台3上下运动，从而实现生长基台3相对于生长台2的升降。

进一步地，升降机构4还包括有波纹管43、第一真空管44、第二真空管45、第三真空管46、第一压缩密封件47、第二压缩密封件48，波纹管43、第一真空管44、第二真空管45、第三真空管46、第一压缩密封件47、第二压缩密封件48均套设在连接杆42外，且波纹管43设置在连接杆42的下部，第一真空管44套设在连接杆42的上部的外侧，第二真空管45、第三真空管46分别密封连接在波纹管43的上下两端，且第一真空管44与第二真空管45的之间通过第一压缩密封件47密封连接，第三真空管46与连接杆42之间通过第二压缩密封件48密封连接。在本申请中，由于生长基台3处于真空环境中，为了避免连接杆42破坏真空环境，通过在连接杆42外套设真空管，为连接杆42的上下运动提供一个真空空间。同时，由于连接杆42与真空管均采用金属等刚性材料制成，连接杆42在真空管中上下相对运动时，二者之间会产生位置偏移，通过采用柔性可伸缩的波纹管43和第二真空管45、第三真空管46连接，具有缓冲的作用，能够缓冲运动产生的位置偏移。

进一步地，第一压缩密封件47、第二压缩密封件48采用卡套密封件。

进一步地，升降机构4还包括有支架49，驱动电机41固定在支架49上。

进一步地，连接杆42的下端与驱动电机41之间还设置有连接块410，能够调节连接杆42与驱动电机41之间的平行度，保证结构的稳定性。

进一步地，微波谐振腔体1的底部还设置有同轴波导外管20，同轴波导外管20上设置有微波入口30，同轴波导外管20内还设置有同轴波导的内部传导体40，同轴波导外管20的内部表面形成同轴波导的外部传导体。微波入口30与同轴波导连接，同轴波导外管20与同轴波导均套设在连接杆42、真空管外。同轴波导包括有同轴波导外管20和内部传导体40，可以外接传输过来的微波进行模式转换并以同轴传输的模块传送到微波谐振腔体1。

进一步地，生长台2与微波谐振腔体1的底部之间连接有微波馈入窗50，微波馈入窗50与同轴波导的内部传导体连接，微波馈入窗50与生长台2、微波谐振腔体1的连接处设置有密封圈。微波馈入窗50用于将微波从下方的微波通路导入到微波谐振腔体1内，密封圈可以使微波谐振腔体1时刻保持在真空状态，从而可以保证晶体生长的工艺条件。

进一步地，微波谐振腔体1为圆形结构，微波馈入窗50为与微波谐振腔体1相适配的环形结构，微波馈入窗50采用石英、氧化铝等电介质材料制成，能够方便微波的穿透。

进一步地，同轴波导的内部传导体40下端贯穿同轴波导外管20进入到支架49内，同轴波导的内部传导体40与支架49之间设置有定位销钉60。

进一步地，支架49与同轴波导外管20之间还设置有压紧弹簧70、弹簧底板80，压紧弹簧70套设在同轴波导的内部传导体40外，弹簧底板80通过压紧螺柱90连接在支架49上，压紧弹簧70的上端与同轴波导外管20的底部相抵持，压紧弹簧70的下端与弹簧底板80上表面相抵持。压紧弹簧的下端通过弹簧底板固定，设置为拉伸状态，能够给生长台提供一个向下的拉力，从而把密封圈压紧，实现微波馈入窗50的密封。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，包括有微波谐振腔体，所述微波谐振腔体内设置有生长台，所述生长台上方设置有生长基台，所述生长台上连接有冷却机构，所述生长基台上连接有升降机构；

所述生长台采用金属材料制成，所述冷却机构采用水冷，生长台上连接有进水管、出水管，生长台上的内部设置有水冷通道，进水管、出水管均与水冷通道连通；

所述升降机构包括有驱动电机、连接杆，所述连接杆的下端与驱动电机的输出端连接，上端向上贯穿微波谐振腔体、生长台后与生长基台的底部连接；

所述升降机构还包括有波纹管、第一真空管、第二真空管、第三真空管、第一压缩密封件、第二压缩密封件，所述波纹管、第一真空管、第二真空管、第三真空管、第一压缩密封件、第二压缩密封件均套设在连接杆外，且波纹管设置在连接杆的下部，第一真空管套设在连接杆上部的外侧，第二真空管、第三真空管分别密封连接在波纹管的上下两端，且第一真空管与第二真空管的之间通过第一压缩密封件密封连接，第三真空管与连接杆之间通过第二压缩密封件密封连接；

所述第一压缩密封件、第二压缩密封件采用卡套密封件，所述升降机构还包括有支架，所述驱动电机固定在支架上，连接杆的下端与驱动电机之间还设置有连接块。

2.如权利要求1所述的一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，所述微波谐振腔体上设置有进气口和出气口，所述进气口采用单口或花洒式的多孔口，所述出气口通过真空泵与外部的废气系统连接。

3.如权利要求1所述的一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，所述生长台在位于生长基台的外侧设置有环形的散热件，能够在生长基台的周侧形成环形的散热通道。

4.如权利要求1所述的一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，所述微波谐振腔体的底部还设置有同轴波导外管，同轴波导外管上设置有微波入口，同轴波导外管内还设置有同轴波导的内部传导体，同轴波导外管的内部表面形成同轴波导的外部传导体，微波入口与同轴波导连接，所述同轴波导外管与同轴波导均套设在连接杆、真空管外。

5.如权利要求1所述的一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，所述生长台与微波谐振腔体的底部之间连接有微波馈入窗，所述微波馈入窗与同轴波导的内部传导体连接，所述微波馈入窗与生长台、微波谐振腔体的连接处设置有密封圈。

6.如权利要求4所述的一种便于调节生长温度的微波反应装置，其特征在于，所述同轴波导的内部传导体下端贯穿同轴波导外管进入到支架内，同轴波导与支架之间设置有定位销钉；

所述支架与同轴波导外管之间还设置有压紧弹簧、弹簧底板，压紧弹簧套设在同轴波导的内部传导体外，弹簧底板通过压紧螺柱连接在支架上，压紧弹簧的上端与同轴波导外管的底部相抵持，压紧弹簧的下端与弹簧底板上表面相抵持。