一種微波等離子體化學氣相沉積裝置及其生產方法與流程
2023-12-03 01:00:36 4
本發明涉及一種金剛石生產設備，尤其涉及一種微波等離子體化學氣相沉積裝置，此外本發明還涉及該微波等離子體化學氣相沉積裝置的生產方法。
背景技術：
金剛石俗稱鑽石，它是自然界已發現的具有最高硬度且強度和耐磨性極高的礦物材料。目前人工合成金剛石的方法包括有高溫高壓法(hthp)、直流電弧等離子體噴射法(dcapj)、熱絲化學氣相沉積法(hfcvd)、微波等離子體化學氣相沉積法(mpcvd)，其中mpcvd是製備高品質金剛石的首選方法。這是因為與產生等離子體的其他方法相比，微波激發的等離子體具有無電極物質汙染、可控性好、等離子體密度高等一系列優點。金剛石mpcvd裝置的核心部件是用於產生微波等離子體的諧振腔，其設計直接影響著mpcvd裝置內等離子體的分布和其激發程度，對金剛石膜的沉積速率以及金剛石膜的質量有著決定性的影響。現有mpcvd裝置的諧振腔結構主要包括多模非圓柱諧振腔，它的主要特點是微波通過一環形天線從腔體的下方輸入，而環狀的石英窗則被安置在了環形天線的下方，這樣做的好處是石英窗被藏在了沉積臺的下方。使mpcvd金剛石膜沉積裝置的功率能夠達到10kw以上的高水平，同時規避了等離子體對微波窗口的刻蝕汙染。但多模非圓柱諧振腔式mpcvd裝置的外形很不規則，因而其設計難度較大，加工成本高。另外，這種多模非圓柱諧振腔mpcvd裝置，由於微波是從諧振腔體的下方輸入，生長金剛石的樣品臺是固定的，而在生長較厚的(>3mm)單晶或多晶金剛石的過程中，隨著厚度的增加，金剛石表面與等離子體之間的距離越來越靠近，造成生長溫度越來越高，這就需要降低微波輸入功率或者腔體壓力來維持生長溫度，微波功率的降低會造成生長速率的降低，這對生產是不利的。生長條件的不穩定性不利於金剛石生產效率和品質的提高。目前解決的一般方法是反覆生長，也就是說金剛石在生長一定厚度後中斷生長，將其處理後放入更深的生長模具裡以求達到在高功率下達到合適的生長溫度。如此反覆的生長，既增加了金剛石表面的汙染概率，又降低了生產效率。
有鑑於上述的缺陷，本設計人，積極加以研究創新，以期創設一種新型結構的微波等離子體化學氣相沉積裝置。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種結構簡單、加工成本低、生產效率高且產成品品質高的微波等離子體化學氣相沉積裝置。
本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置包括殼體，所述殼體的上表面設有微波輸入口，所述微波輸入口的下方設置有基板，所述基板的底面設置有環形天線，所述基板與殼體之間設置有由微波介質材料製成的管狀微波窗，所述管狀微波窗的內腔與所述微波輸入口連通，管狀微波窗的頂端與殼體連接，管狀微波窗的底端設置於所述基板的頂面，所述殼體的底端設置有沉積臺，所述沉積臺位於環形天線的下方，並且沉積臺能夠在第一升降裝置的驅動下上下移動，所述沉積臺的外側面設置有管狀結構的等離子體穩定環，所述沉積臺、等離子體穩定環、殼體、管狀微波窗及基板包圍形成封閉的諧振腔。
進一步的，本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置包括殼體，所述沉積臺內設有可循環的冷卻介質。
進一步的，本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩定環內設有可循環的冷卻介質。
進一步的，本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩定環能夠在第二升降裝置的驅動下沿沉積臺的表面上下移動。
進一步的，本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩定環由鐵製成。
藉由上述方案，本發明至少具有以下優點：本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置，通過將管狀微波窗設置於環形天線的背面，使其能夠輸入的最大微波功率得到大大提高，最大能夠輸入20kw的微波功率，能夠有效避免高功率下等離子體對由微波介質窗口製成的管狀微波窗的刻蝕問題。沉積臺的升降式設計，能夠實現金剛石的連續生長，避免了隨著金剛石厚度的增加，金剛石表面的生長溫度隨之增加的問題，能夠實現金剛石的穩定高效生長。綜上所述，本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置結構簡單、加工成本低、生產效率高且產成品品質高。
一種如上述金剛石合成的微波等離子體化學氣相沉積裝置的金剛石生產方法，包括以下步驟：
s1：對諧振腔進行抽真空；
s2：向諧振腔內充入氫氣；
s3：利用微波發生裝置向微波輸入口發射微波；
s4：向諧振腔中通入甲烷氣體進行金剛石生長；
s5：通過第一升降裝置驅動沉積臺下降，以匹配金剛石的生長速度。
本發明的金剛石生產方法，通過第一升降裝置使得金剛石生長時沉積臺能夠連續下降，以使其匹配金剛石的生長速度，防止由於溫度過熱，而導致金剛石成產效率和品質的降低。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。
附圖說明
圖1是本發明微波等離子體化學氣相沉積裝置的結構示意圖；
其中，1：殼體；2：微波輸入口；3：基板；4：環形天線；5：管狀微波窗；6：沉積臺；7：等離子體穩定環；8：振腔腔；9：等離子體球。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
參見圖1，本發明一較佳實施例的一種微波等離子體化學氣相沉積裝置，包括殼體1，殼體的上表面設有微波輸入口2，微波輸入口的下方設置有基板3，基板的底面設置有環形天線4，基板與殼體之間設置有由微波介質材料製成的管狀微波窗5，作為優選，管狀微波窗由石英製成。管狀微波窗的內腔與微波輸入口連通，實際應用時，管狀微波窗的頂端位於微波輸入口的邊緣並與殼體連接，管狀微波窗的底端設置於基板的頂面，殼體的底端設置有沉積臺6，沉積臺位於環形天線的下方，並且沉積臺能夠在第一升降裝置(圖中未示出)的驅動下上下移動，沉積臺的外側面設置有管狀結構的等離子體穩定環7，沉積臺、等離子體穩定環、殼體、管狀微波窗及基板包圍形成封閉的諧振腔8。作為優選，沉積臺內設有可循環的冷卻介質。等離子體穩定環內也設有可循環的冷卻介質。可選用水等作為可循環的冷卻介質，並通過泵體實現其循環冷卻。作為優選，等離子體穩定環能夠在第二升降裝置(圖中未示出)的驅動下沿沉積臺的表面上下移動，等離子體穩定環由鐵製成。
其中，等離子體冷卻環的設置，避免了金剛石在生長過程中，沉積臺的下降造成腔體電場的變化問題，從而避免了等離子球形態的變化。為了避免在高功率下，等離子體對管狀微波窗的刻蝕汙染問題，本發明將管狀微波窗置於環形天線的背面，即遠離等離子體的一側。微波由諧振腔的正上方饋入腔體，經過管狀微波窗後到達諧振腔，並激發氫氣產生等離子體球9，等離子球的位置正好位於沉積臺的上方。沉積臺中通有的冷卻介質，保證了生長金剛石的沉積臺的溫度不至於過高。等離子體穩定環可以上下調節，配合波導傳輸線上的三銷釘和短路活塞使諧振腔的諧振調到最佳狀態。沉積臺可通過第一升降裝置控制其升降，以此調節生長金剛石的溫度。通過第一升降裝置調節沉積臺連續下降，可以實現金剛石連續生長過程中的生長條件(微波功率，腔體壓力，氣體組分等)恆定不變。從而實現大單晶和厚膜金剛石的一次性連續生長。
本發明的微波等離子體化學氣相沉積裝置能夠解決在高功率微波輸入情況下，等離子體對管狀微波窗的刻蝕汙染問題以及厚度大於3mm的金剛石單晶及厚膜的連續生長問題，並且其結構簡單、運行穩定腔體易維護。
一種如上述金剛石合成的微波等離子體化學氣相沉積裝置的金剛石生產方法，包括以下步驟：
s1：對諧振腔進行抽真空；
s2：向諧振腔內充入氫氣；
s3：利用微波發生裝置向微波輸入口發射微波；
s4：向諧振腔中通入甲烷氣體進行金剛石生長；
s5：通過第一升降裝置驅動沉積臺下降，以匹配金剛石的生長速度。
本發明的金剛石生產方法，通過第一升降裝置使得金剛石生長時沉積臺能夠連續下降，以使其匹配金剛石的生長速度，防止由於溫度過熱，而導致金剛石成產效率和品質的降低。
以上僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。