CN221217978U - 一种可精准测温的微波反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可精准测温的微波反应装置，属于晶体生长设备领域。包括有微波谐振腔体、连接管、热电偶，所述微波谐振腔体内设置有生长台，所述连接管贯穿微波谐振腔体与生长台的底部相连接，所述热电偶设置在连接管内，和连接管形成热电偶组件，所述连接管在和生长台连接一端设置为封闭端，所述热电偶的测温端设置于封闭端。热电偶通过连接管伸入到微波谐振腔体内，对生长装置内部温度的进行直接、精确测量，提升生产的一致性和可重复性；同时，热电偶和生长台可以和腔体的其他部分通过绝缘体定位或者连接，从而实现电位的隔离，给生长台施加一个直流、交流或者交直流混合偏压，促进金刚石的生长。

Description

一种可精准测温的微波反应装置

技术领域

本实用新型属于晶体生长设备领域，特别涉及一种可精准测温的微波反应装置。

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，由于微波在金属谐振腔体内形成微波交变电场，任何单独的金属突出物都会在电场内产生局部电离击穿，所以目前的MPCVD腔体都不使用热电偶进行样品温度测量，而是通过红外温度计进行间接测量。和热电偶的温度测量相比较，红外测温易受等离子云和样品表面以及样品透光性影响，一般具有温度偏移大、不同测温仪之间的偏差大、且对工艺变化敏感等特性。这些特征导致目前在金刚石的工业生产中，生产的一致性和可重复性达不到很高的水平，从而制约了设备调试以及连续生产的良率水平。

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可精准测温的微波反应装置，通过在装置中引入常规的热电偶温度测量，能够实现反应装置的精准测温，提升生产的一致性和可重复性。

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可精准测温的微波反应装置，包括有微波谐振腔体、连接管、热电偶，所述微波谐振腔体内设置有生长台，所述连接管贯穿微波谐振腔体与生长台的底部相连接，所述热电偶设置在连接管内，所述连接管在与生长台的连接一端设置为封闭端，所述热电偶的测温端设置于封闭端。在本申请中，热电偶通过连接管伸入到微波谐振腔体内，从而对生长装置内部温度的进行直接、精确测量，提升生产的一致性和可重复性；在测温过程中，封闭端能够对热电偶进行保护，避免产生电离击穿，并能够避免热电偶破坏微波谐振腔体的真空环境。

进一步地，所述连接管的下端设置为开口型，所述热电偶的两极通过所述开口与外置的测温设备连接，将温度信号反馈到PLC或电脑控制软件。

进一步地，所述连接管的外壁与所述微波谐振腔体密封连接。在本申请中，可以通过金属密封或者橡胶圈密封的方式实现连接管与微波谐振腔体之间的密封，来保证连接管在升降过程中不破坏微波谐振腔体的真空环境。

进一步地，在本申请中，所述生长台包括但不限于碟形生长台、柱形生长台。在本申请中，蝶形生长台与微波转换的同轴内部导线相连形成碟形腔系统；柱形生长台的与微波转换的同轴内部导线不相连形成柱形腔系统或其他MPCVD系统。

在本申请中，当为碟形腔系统时：

进一步地，微波谐振腔体内还设置有生长基台，所述生长台设置在生长基台上方，所述生长台上连接有升降机构，所述升降机构包括有驱动件，所述生长基台的中部设置有上下贯穿所述生长基台、微波谐振腔体的通孔，所述连接管的下端与驱动件的输出端连接，所述连接管的上端穿过通孔与生长台的底部连接。在本申请中，生长基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，调节与生长基台之间的距离，当生长台的高度越高，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。在生长台上下移动的过程中，连接管内的热电偶也会随着一起移动，伸入到微波谐振腔体内，从而对生长装置内部温度的进行直接、精确测量，提升生产的一致性和可重复性；在测温过程中，封闭端能够对热电偶进行保护，避免产生电离击穿，并能够避免热电偶破坏微波谐振腔体的真空环境。

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，所述生长基台上连接有冷却机构，所述冷却机构采用水冷，生长基台上连接有进水管、出水管，生长基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。在本申请中，由于金属的生长基台本体设置有水冷，生长基台基本维持一个恒定的温度，而生长基台的顶端是生长基台，当生长基台相对于金属的生长基台上升时，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管外，且波纹管设置在连接管的下部，第一真空管套设在连接管上部的外侧，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，第三真空管与连接管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，为了避免连接管破坏真空环境，通过在连接管外套设真空管，为连接管的上下运动提供一个真空空间。同时，由于连接管与真空管均采用金属等刚性材料制成，连接管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，所述驱动件固定在支架上。

进一步地，所述微波谐振腔体的底部还设置有同轴波导外管，所述同轴波导外管与通孔之间形成环形密闭空间，所述环形密闭空间与所述水冷通道连通，冷却水能够对同轴波导外管的外壁进行冷却。

进一步地，所述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管。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，所述生长基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基台、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，所述连接管采用金属材料制成，所述连接管与驱动件采用绝缘材料连接，连接管能够施加一个相对于微波谐振腔体的浮动可调电位。在本申请中，热电偶测温装置和生长基台可以和腔体的其他部分通过绝缘体定位或者连接，从而实现电位的隔离，通过一个直流、交流或者二者都有的电源，可以给生长基台施加一个直流、交流或者交直流混合偏压，促进金刚石的生长。

在本申请中，当柱形腔系统和其他MPCVD系统时：

进一步地，所述微波谐振腔体为真空等离子腔体，所述热电偶组件伸入到真空等离子腔体内与生长台连接，且热电偶组件与真空等离子腔体通过真空密封连接，确保等离子腔室可以维持气密性。

进一步地，所述真空等离子腔体的上方设置有耦合腔，所述耦合腔上方设置有微波通道，耦合天线贯穿微波通道伸入到耦合腔内。在本申请中，用于进行微波转换的耦合天线不与生长台连接。

进一步地，所述真空等离子腔体内还设置有等离子体，等离子体设置于生长台的上方。

进一步地，所述真空等离子腔体的侧边还设置有观察窗口。

进一步地，所述热电偶与真空等离子腔体的其他部分保持电绝缘，可以施加一个直流或者交流的相对于腔体的偏压，促进金刚石的生长。

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通过连接管将热电偶伸入到微波谐振腔体内，从而对生长装置内部温度的进行直接、精确测量，提升生产的一致性和可重复性；同时，电偶测温和生长台可以和腔体的其他部分通过绝缘体定位或者连接，从而实现电位的隔离，通过一个直流、交流或者二者都有的电源，可以给生长台施加一个直流、交流或者交直流混合偏压，促进金刚石的生长。

附图说明

图1是本实施例1的碟形腔系统的的微波反应装置。

图2是本实施例1的升降机构的局部放大图。

图3是热电偶的结构示意图。

图4是实施例2的柱形腔系统的的微波反应装置的结构示意图。

图5是实施例3的环形腔系统的的微波反应装置的主视剖面图。

图6是实施例3的环形腔系统的的微波反应装置的俯视剖面图。

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：

实施例1：

参见图1-3所示，本实施例提供一种基于碟形腔系统的的微波反应装置，包括有微波谐振腔体11，微波谐振腔体11内设置有生长基台12，生长基台12上方设置有生长台13，生长台13上连接有升降机构14，升降机构14包括有驱动件电机141、连接管142，生长基台12的中部设置有上下贯穿生长基台12、微波谐振腔体11的通孔111，连接管142的下端与驱动件电机141的输出端连接，连接管142的上端穿过通孔111与生长台13的底部连接，生长台13与连接管142的连接的一端设置有封闭端143，连接管142的内部设置有热电偶15，热电偶15的测温端设置于封闭端143。在本申请中，生长基台12用于限定微波谐振腔体11内的电场分布，从而和腔体自身一起形成腔体内部的驻波；生长台13用于放置金刚石籽晶，通过升降机构14的带动进行升降，调节与生长基台12之间的距离，当生长台13的高度越高，距离生长基台12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。在生长台13上下移动的过程中，连接管142内的热电偶15也会随着一起移动，伸入到微波谐振腔体11内，从而对生长装置内部温度的进行直接、精确测量，提升生产的一致性和可重复性；在测温过程中，封闭端143能够对热电偶15进行保护，避免产生电离击穿，并能够避免热电偶15破坏微波谐振腔体11的真空环境。

进一步地，连接管142的下端设置为开口型，热电偶15的两极通过开口与外置的测温设备连接，将温度信号反馈到PLC或电脑控制软件。

进一步地，连接管142的外壁与微波谐振腔体11密封连接。在本申请中，可以通过金属密封或者橡胶圈密封的方式实现连接管142与微波谐振腔体11之间的密封，来保证连接管142在升降过程中不破坏微波谐振腔体11的真空环境。

进一步地，生长基台12与微波转换的同轴内部导线相连形成碟形腔系统。

进一步地，微波谐振腔体11包括有腔体112和腔底113，腔体112与腔底113组合形成微波谐振腔体。微波在谐振腔内金属的生长基台12上方中心位置形成驻波。

进一步地，微波谐振腔体11上设置有进气口114和出气口115，进气口114采用单口或花洒式的多孔口，出气口115通过真空泵与外部的废气系统连接。反应气体从进气口114进入到微波谐振腔体11内进行反应，反应完成的气体通过出气口115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，生长基台12上连接有冷却机构16，冷却机构16采用水冷，生长基台12上连接有进水管161、出水管162，生长基台12上的内部设置有水冷通道163，进水管161、出水管162均与水冷通道163连通。在本申请中，由于金属的生长基台12本体设置有水冷，生长基台12基本维持一个恒定的温度，而生长基台12的顶端是生长台13，当生长台13相对于金属的生长基台12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台13，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台13，温度就会下降。通过冷却机构16配合升降机构14，能够实现生长台13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，升降机构14还包括有波纹管143、第一真空管144、第二真空管145、第三真空管146、第一压缩密封件147、第二压缩密封件148，波纹管143、第一真空管144、第二真空管145、第三真空管146、第一压缩密封件147、第二压缩密封件148均套设在连接管142外，且波纹管143设置在连接管142的下部，第一真空管144套设在连接管142上部的外侧，第二真空管145、第三真空管146分别密封连接在波纹管143的上下两端，且第一真空管144与第二真空管145的之间通过第一压缩密封件147密封连接，第三真空管146与连接管142之间通过第二压缩密封件148密封连接。在本申请中，由于生长台13处于真空环境中，为了避免连接管142破坏真空环境，通过在连接管142外套设真空管，为连接管142的上下运动提供一个真空空间。同时，由于连接管142与真空管均采用金属等刚性材料制成，连接管142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143和第二真空管145、第三真空管146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147、第二压缩密封件148采用VCR卡套密封件。

进一步地，升降机构14还包括有支架17，驱动件电机141固定在支架17上。

进一步地，微波谐振腔体11的底部还设置有同轴波导外管18，同轴波导外管18与通孔111之间形成环形密闭空间，环形密闭空间与水冷通道163连通，冷却水能够对同轴波导外管18的外壁进行冷却。

进一步地，同轴波导外管18上设置有微波入口181，同轴波导外管18内还设置有同轴波导的内部传导体182，同轴波导外管18的内部表面形成同轴波导的外部传导体，微波入口181与同轴波导连接，同轴波导外管18与同轴波导均套设在连接管142。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11。

进一步地，生长基台12与微波谐振腔体11的底部之间连接有微波馈入窗19，微波馈入窗19与同轴波导的内部传导体182连接，微波馈入窗19与生长基台12、微波谐振腔体11的连接处设置有密封圈。微波馈入窗19用于将微波从下方的微波通路导入到微波谐振腔体11内，密封圈可以使微波谐振腔体11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，连接管142采用金属材料制成，连接管142与驱动件电机141采用绝缘材料连接，连接管142能够施加一个相对于微波谐振腔体11的浮动可调电位。在本申请中，热电偶15测温装置和生长基台12可以和腔体的其他部分通过绝缘体定位或者连接，从而实现电位的隔离，通过一个直流、交流或者二者都有的电源，可以给生长基台12施加一个直流、交流或者交直流混合偏压，促进金刚石的生长。

实施例2：

参见图4，本实施例提供一种基于柱形腔系统的的微波反应装置，包括：热电偶组件21、真空等离子腔体22，所述真空等离子腔体22内设置有生长台23，所述热电偶组件21伸入到真空等离子腔体22内与生长台23连接，且热电偶组件21与真空等离子腔体22通过真空密封连接，确保等离子腔室可以维持气密性。

在本实施例中，真空等离子腔体22的上方设置有耦合腔24，耦合腔24上方设置有微波通道25，耦合天线26贯穿微波通道25伸入到耦合腔24内。在本申请中，用于进行微波转换的耦合天线26不与生长台23连接。

在本实施例中，真空等离子腔体22内还设置有等离子体27，等离子体27设置于生长台23的上方。

在本实施例中，真空等离子腔体22的侧边还设置有观察窗口28。

实施例3：

参见图5-6，本实施例提供一种基于环形腔系统的的微波反应装置，包括：热电偶组件31、真空等离子腔体32，所述真空等离子腔体32内设置有生长台33，生长台33的上方设置有等离子体39，所述热电偶组件31伸入到真空等离子腔体32内与生长台33连接，且热电偶组件31与真空等离子腔体32通过真空密封连接，确保等离子腔室可以维持气密性。

在本实施例中，真空等离子腔体32的外围设置有环形微波馈入通道34，真空等离子腔体32与环形微波馈入通道34之间设置有电介质微波馈入窗35、金属环36，

在本实施例中，所述环形微波馈入通道34外连接有微波通道37，所述微波通道37上连接有电磁场调谐何塞38。

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 (10)

1.一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，包括有微波谐振腔体、连接管、热电偶，所述微波谐振腔体内设置有生长台，所述连接管贯穿微波谐振腔体与生长台的底部相连接，所述热电偶设置在连接管内，所述连接管在与生长台连接的一端设置为封闭端，所述热电偶的测温端设置于封闭端。

2.如权利要求1所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述连接管的下端设置为开口型，所述热电偶的两极通过所述开口与外置的测温设备连接。

3.如权利要求1所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述连接管的外壁与所述微波谐振腔体密封连接。

4.如权利要求1所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述微波谐振腔体采用碟形设计，微波谐振腔体内还设置有生长基台，所述生长台设置在生长基台上方，所述生长台上连接有升降机构，所述升降机构包括有驱动件，所述生长基台的中部设置有上下贯穿所述生长基台、微波谐振腔体的通孔，所述连接管的下端与驱动件的输出端连接，所述连接管的上端穿过通孔与生长台的底部连接。

5.如权利要求4所述的一种可精准测温的微波反应装置，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；

所述生长基台上连接有冷却机构，所述冷却机构采用水冷，生长基台上连接有进水管、出水管，生长基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。

6.如权利要求5所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，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管外，且波纹管设置在连接管的下部，第一真空管套设在连接管上部的外侧，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，第三真空管与连接管之间通过第二压缩密封件密封连接。

7.如权利要求6所述的一种可精准测温的微波反应装置，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，所述同轴波导外管与通孔之间形成环形密闭空间，所述环形密闭空间与所述水冷通道连通；

所述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管。

8.如权利要求7所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述连接管采用金属材料制成，所述连接管与驱动件采用绝缘材料连接，施加一个浮动可调电位。

9.如权利要求1所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述生长台为柱形生长台，所述微波谐振腔体为真空等离子腔体，所述热电偶伸入到真空等离子腔体内与生长台连接，且热电偶与真空等离子腔体通过真空密封连接。

10.如权利要求9所述的一种可精准测温的微波反应装置，其特征在于，所述真空等离子腔体的上方设置有耦合腔，所述耦合腔上方设置有微波通道，耦合天线贯穿微波通道伸入到耦合腔内；

所述真空等离子腔体内还设置有等离子体，等离子体设置于生长台的上方；

所述真空等离子腔体的侧边还设置有观察窗口；

所述热电偶与真空等离子腔体的其他部分保持电绝缘。