CN221217979U - 一种稳定性高的微波反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种稳定性高的微波反应装置，属于晶体生长设备领域。包括有微波反应腔体、波导传输管，波导传输管与微波反应腔体连通，波导传输管内形成微波传输通道，波导传输管上还设置有与微波传输通道相连通的充气口，以通过充气口向微波传输通道内填充高压气体。相比于现有技术：本微波反应装置通过在密封的波导管中填充高压气体，来降低微波传输通道的湿度，进而降低微波传输过程中的放电几率，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率；同时，高压气体能够增加微波传输通道内的气压，气体的击穿需要的电场强度加大，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率，能够适配更大功率的微波电源，提升微波反应装置的稳定性。

Description

一种稳定性高的微波反应装置

技术领域

本实用新型属于晶体生长设备领域，特别涉及一种稳定性高的微波反应装置。

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。

MPCVD系统使用的能量由微波源产生，并经过传输进入反应腔体，整个系统的稳定性由微波源稳定性、微波传输系统稳定性和腔体的负载匹配性三个因素决定。微波传输系统一般由波导传输管、波导转换结构组成，整个传输系统的稳定性由系统对高电场强度的稳定性决定，由于微波源与波导传输管设置于腔体外，波导传输管和大气环境连通，在微波传输过程中，导致微波传输系统稳定性下降的主要因素有：1)由于空气湿度过大，在波导传输管内，空气中的灰尘还有落入物体表面的灰尘会与空气中水蒸气结合形成大量尖端，导致微波的放电概率加大，传输管内发生电场击穿，进而导致传输中断；2)由于设备升级，在同样的腔体硬件中，使用更大功率的微波电源，导致的电场强度增大，进而导致传输中断。

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稳定性高的微波反应装置，能够降低波导管内的湿度，增大设备所能适配的微波功率，降低波导传输线的打火几率，提高微波反应装置的稳定性。

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稳定性高的微波反应装置，包括有微波反应腔体、波导传输管，所述波导传输管与所述微波反应腔体连通，所述波导传输管内形成微波传输通道，所述波导传输管上还设置有与所述微波传输通道相连通的充气口，以通过所述充气口向所述微波传输通道内填充高压气体。在本申请中，微波源发出微波，微波通过波导传输管传输到微波反应腔体内，通过充气口向波导传输管内填充高压气体，首先，高压气体可以减少水蒸气的占比，减小空气的湿度，进而减小微波传输通道内形成尖端的概率，减小高压电场部位常规(大气压)气体的放电几率；其次，高压气体能够增加微波传输通道内的气压，气体的击穿需要的电场强度加大，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率，提升微波反应装置的稳定性。

进一步地，所述高压气体包括有氮气、氧气、二氧化碳的其中一种或几种，压力为一个大气压到二十个大气压之间，通过高压气体将微波传输通道内的空气湿度降低到50％以下。

进一步地，该微波反应装置还包括有微波源、微波进入导管，所述微波进入导管内设置有微波进入通道，所述微波源与所述微波传输通道通过微波进入通道连通。

进一步地，所述微波反应腔体与微波传输通道的连接处还设置有第一微波馈入窗，所述第一微波馈入窗与微波反应腔体的侧壁之间通过密封圈连接。在本申请中，微波传输通道内的微波通过第一微波馈入窗进入到微波反应腔体内，微波馈入窗能够实现微波传输通道与微波反应腔体之间的密封，保证微波反应腔体内的真空环境。

进一步地，所述微波进入导管内还设置有第二微波馈入窗，所述微波传输通道与所述微波进入通道通过所述第二微波馈入窗连接，所述第二微波馈入窗与微波进入导管之间通过密封圈连接。

进一步地，所述微波进入导管的侧壁上还设置有微波调谐器，所述微波调谐器包括有三销钉调谐器。

进一步地，所述微波反应腔体内还设置有生长台，晶体胚体在生长台上进行生长。

进一步地，所述微波反应腔体的侧壁上还设置有与之连通的进气口、出气孔。

进一步地，所述微波反应腔体包括但不限于碟形腔体、柱形腔体。在本申请中，碟形腔体的生长台与微波转换的同轴内部导线相连形成碟形腔系统；柱形腔体的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，所述生长台上还设置有可以上下活动式生长基台。晶体籽晶设置在生长基台上，能够通过上下活动，调节与生长台之间的距离，实现籽晶生长温度的调节。

进一步地，所述生长台内还设置有水冷通道，提升散热性能，使得生长台基本维持一个恒定的温度，辅助生长基台实现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，所述波导传输管包括有同轴波导管。

在本申请中，当为柱形腔系统时：

进一步地，所述微波反应腔体为真空等离子腔体。

进一步地，所述真空等离子腔体与微波传输通道之间还设置有耦合腔，该微波反应装置还包括有耦合天线，所述耦合天线贯穿微波通道伸入到耦合腔内。

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，所述微波传输通道内还设置有模式变换器短路活塞。

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在密封的波导管中填充高压气体，来降低微波传输通道的湿度，进而降低微波传输过程中的放电几率，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率；同时，高压气体能够增加微波传输通道内的气压，气体的击穿需要的电场强度加大，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率，能够适配更大功率的微波电源，提升微波反应装置的稳定性。

附图说明

图1是实施例1的的微波反应装置的结构示意图。

图2是实施例2的的微波反应装置的结构示意图。

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：

实施例1：

参见图1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，包括微波反应腔体11、波导传输管12，波导传输管12与微波反应腔体11连通，波导传输管12内形成微波传输通道13，波导传输管12上还设置有与微波传输通道13相连通的充气口14，以通过充气口14向微波传输通道13内填充高压气体。在本申请中，微波源发出微波，微波通过波导传输管12传输到微波反应腔体11内，通过充气口14向波导传输管12内填充高压气体，首先，高压气体可以减少水蒸气的占比，减小空气的湿度，进而减小微波传输通道13内形成尖端的概率，减小高压电场部位常规(大气压)气体的放电几率；其次，高压气体能够增加微波传输通道13内的气压，气体的击穿需要的电场强度加大，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率，提升微波反应装置的稳定性。

进一步地，高压气体包括有氮气、氧气、二氧化碳的其中一种或几种，压力为一个大气压到二十个大气压之间，通过高压气体将微波传输通道13内的空气湿度降低到50％以下。

进一步地，该微波反应装置还包括有微波源(图未示)、微波进入导管15，微波进入导管15内设置有微波进入通道16，微波源与微波传输通道13通过微波进入通道16连通。

进一步地，微波反应腔体11与微波传输通道13的连接处还设置有第一微波馈入窗17，第一微波馈入窗17与微波反应腔体11的侧壁之间通过密封圈连接。在本申请中，微波传输通道13内的微波通过第一微波馈入窗进入到微波反应腔体11内，微波馈入窗能够实现微波传输通道13与微波反应腔体11之间的密封，保证微波反应腔体11内的真空环境。

进一步地，微波进入导管15内还设置有第二微波馈入窗18，微波传输通道13与微波进入通道16通过第二微波馈入窗18连接，第二微波馈入窗18与微波进入导管15之间通过密封圈连接。

进一步地，微波进入导管15的侧壁上还设置有三销钉调谐器19。

进一步地，微波反应腔体11内还设置有生长台110，晶体胚体在生长台110上进行生长。

进一步地，微波反应腔体11的侧壁上还设置有与之连通的进气口111、出气孔112。

进一步地，生长台110上还设置有可以上下活动式生长基台113。晶体籽晶设置在生长基台113上，能够通过上下活动，调节与生长台110之间的距离，实现籽晶生长温度的调节。

进一步地，生长台110内还设置有水冷通道114，提升散热性能，使得生长台110基本维持一个恒定的温度，辅助生长基台113实现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。

实施例2：

参见图2，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：真空等离子腔体21、波导传输管22，波导传输管22与真空等离子腔体21连通，波导传输管22内形成微波传输通道23，波导传输管22上还设置有与微波传输通道23相连通的充气口24，以通过充气口24向微波传输通道23内填充高压气体。在本申请中，微波源发出微波，微波通过波导传输管22传输到真空等离子腔体21内，通过充气口24向波导传输管22内填充高压气体，首先，高压气体可以减少水蒸气的占比，减小空气的湿度，进而减小微波传输通道23内形成尖端的概率，减小高压电场部位常规(大气压)气体的放电几率；其次，高压气体能够增加微波传输通道23内的气压，气体的击穿需要的电场强度加大，减小电击穿发生几率，进而降低微波传输中断的几率，提升微波反应装置的稳定性。

进一步地，高压气体包括有氮气、氧气、二氧化碳的其中一种或几种，压力为一个大气压到二十个大气压之间，通过高压气体将微波传输通道23内的空气湿度降低到50％以下。

进一步地，该微波反应装置还包括有微波源(图未示)、微波进入导管25，微波进入导管25内设置有微波进入通道26，微波源与微波传输通道23通过微波进入通道26连通。

进一步地，真空等离子腔体21与微波传输通道23的连接处还设置有第一微波馈入窗27，第一微波馈入窗27与真空等离子腔体21的侧壁之间通过密封圈连接。在本申请中，微波传输通道23内的微波通过第一微波馈入窗27进入到真空等离子腔体21内，第一微波馈入窗能够实现微波传输通道23与真空等离子腔体21之间的密封，保证真空等离子腔体21内的真空环境。

进一步地，微波进入导管25内还设置有第二微波馈入窗28，微波传输通道23与微波进入通道26通过第二微波馈入窗28连接，第二微波馈入窗28与微波进入导管25之间通过密封圈连接。

进一步地，微波进入导管25的侧壁上还设置有三销钉调谐器29。

进一步地，真空等离子腔体21内还设置有生长台210，晶体胚体在生长台210上进行生长。

进一步地，真空等离子腔体21与微波传输通道23之间还设置有耦合腔211，本实施例的微波反应装置还包括有耦合天线212，耦合天线212贯穿微波通道伸入到耦合腔211内。

进一步地，真空等离子腔体21内还设置有等离子体213，等离子体213设置于生长台210的上方。

进一步地，真空等离子腔体21的侧边还设置有观察窗口214。

进一步地，微波传输通道23内还设置有模式变换器短路活塞215。

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)

1.一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，包括有微波反应腔体、波导传输管，所述波导传输管与所述微波反应腔体连通，所述波导传输管内形成微波传输通道，所述波导传输管上还设置有与所述微波传输通道相连通的充气口。

2.如权利要求1所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波传输通道内填充有高压气体，所述高压气体包括有氮气、氧气、二氧化碳的其中一种或几种，压力为一个大气压到二十个大气压之间。

3.如权利要求1所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，该微波反应装置还包括有微波源、微波进入导管，所述微波进入导管内设置有微波进入通道，所述微波源与所述微波传输通道通过微波进入通道连通。

4.如权利要求3所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波反应腔体与微波传输通道的连接处还设置有第一微波馈入窗，所述第一微波馈入窗与微波反应腔体的侧壁之间通过密封圈连接。

5.如权利要求4所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波进入导管内还设置有第二微波馈入窗，所述微波传输通道与所述微波进入通道通过所述第二微波馈入窗连接，所述第二微波馈入窗与微波进入导管之间通过密封圈连接。

6.如权利要求3所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波进入导管的侧壁上还设置有微波调谐器，所述微波调谐器包括有三销钉调谐器。

7.如权利要求1所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波反应腔体内还设置有生长台。

8.如权利要求1所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波反应腔体的侧壁上还设置有与之连通的进气口、出气孔。

9.如权利要求7所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波反应腔体采用碟形腔体，所述生长台上还设置有可以上下活动式生长基台；所述生长台内还设置有水冷通道。

10.如权利要求7所述的一种稳定性高的微波反应装置，其特征在于，所述微波反应腔体采用真空等离子腔体；

所述真空等离子腔体与微波传输通道之间还设置有耦合腔，该微波反应装置还包括有耦合天线，所述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；

所述微波传输通道内还设置有模式变换器短路活塞。