[發明專利]一種微波等離子體化學氣相沉積裝置及其生產方法

在審

• 申請號: 201710609693.8
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107227450A
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 凌海林;袁穩;陳天鵬;凌天杰
• 申請（專利權）人: 無錫遠穩烯科技有限公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/517;C23C16/458
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙)32257
• 代理人: 秦昌輝

技術領域

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

金剛石俗稱鉆石，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是制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污染、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于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污染。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，由于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于金剛石生產效率和品質的提高。目前解決的一般方法是反復生長，也就是說金剛石在生長一定厚度后中斷生長，將其處理后放入更深的生長模具里以求達到在高功率下達到合適的生長溫度。如此反復的生長，既增加了金剛石表面的污染概率，又降低了生產效率。

有鑒于上述的缺陷，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。

發明內容

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制成的管狀微波窗，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于所述基板的頂面，所述殼體的底端設置有沉積臺，所述沉積臺位于環形天線的下方，并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制成。

借由上述方案，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于環形天線的背面，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制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。