本發(fā)明涉及一種金剛石生產(chǎn)設(shè)備，尤其涉及一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，此外本發(fā)明還涉及該微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

金剛石俗稱鉆石，它是自然界已發(fā)現(xiàn)的具有最高硬度且強(qiáng)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(xué)氣相沉積法(hfcvd)、微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(mpcvd)，其中mpcvd是制備高品質(zhì)金剛石的首選方法。這是因?yàn)榕c產(chǎn)生等離子體的其他方法相比，微波激發(fā)的等離子體具有無電極物質(zhì)污染、可控性好、等離子體密度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。金剛石mpcvd裝置的核心部件是用于產(chǎn)生微波等離子體的諧振腔，其設(shè)計(jì)直接影響著mpcvd裝置內(nèi)等離子體的分布和其激發(fā)程度，對金剛石膜的沉積速率以及金剛石膜的質(zhì)量有著決定性的影響?，F(xiàn)有mpcvd裝置的諧振腔結(jié)構(gòu)主要包括多模非圓柱諧振腔，它的主要特點(diǎn)是微波通過一環(huán)形天線從腔體的下方輸入，而環(huán)狀的石英窗則被安置在了環(huán)形天線的下方，這樣做的好處是石英窗被藏在了沉積臺(tái)的下方。使mpcvd金剛石膜沉積裝置的功率能夠達(dá)到10kw以上的高水平，同時(shí)規(guī)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(guī)則，因而其設(shè)計(jì)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(tái)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(huì)造成生長速率的降低，這對生產(chǎn)是不利的。生長條件的不穩(wěn)定性不利于金剛石生產(chǎn)效率和品質(zhì)的提高。目前解決的一般方法是反復(fù)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(dá)到在高功率下達(dá)到合適的生長溫度。如此反復(fù)的生長，既增加了金剛石表面的污染概率，又降低了生產(chǎn)效率。

有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、生產(chǎn)效率高且產(chǎn)成品品質(zhì)高的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置。

本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置包括殼體，所述殼體的上表面設(shè)有微波輸入口，所述微波輸入口的下方設(shè)置有基板，所述基板的底面設(shè)置有環(huán)形天線，所述基板與殼體之間設(shè)置有由微波介質(zhì)材料制成的管狀微波窗，所述管狀微波窗的內(nèi)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(shè)置于所述基板的頂面，所述殼體的底端設(shè)置有沉積臺(tái)，所述沉積臺(tái)位于環(huán)形天線的下方，并且沉積臺(tái)能夠在第一升降裝置的驅(qū)動(dòng)下上下移動(dòng)，所述沉積臺(tái)的外側(cè)面設(shè)置有管狀結(jié)構(gòu)的等離子體穩(wěn)定環(huán)，所述沉積臺(tái)、等離子體穩(wěn)定環(huán)、殼體、管狀微波窗及基板包圍形成封閉的諧振腔。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置包括殼體，所述沉積臺(tái)內(nèi)設(shè)有可循環(huán)的冷卻介質(zhì)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩(wěn)定環(huán)內(nèi)設(shè)有可循環(huán)的冷卻介質(zhì)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩(wěn)定環(huán)能夠在第二升降裝置的驅(qū)動(dòng)下沿沉積臺(tái)的表面上下移動(dòng)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置包括殼體，所述等離子體穩(wěn)定環(huán)由鐵制成。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，通過將管狀微波窗設(shè)置于環(huán)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(zhì)窗口制成的管狀微波窗的刻蝕問題。沉積臺(tái)的升降式設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石的連續(xù)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?qū)崿F(xiàn)金剛石的穩(wěn)定高效生長。綜上所述，本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、生產(chǎn)效率高且產(chǎn)成品品質(zhì)高。

一種如上述金剛石合成的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的金剛石生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

s1：對諧振腔進(jìn)行抽真空；

s2：向諧振腔內(nèi)充入氫氣；

s3：利用微波發(fā)生裝置向微波輸入口發(fā)射微波；

s4：向諧振腔中通入甲烷氣體進(jìn)行金剛石生長；

s5：通過第一升降裝置驅(qū)動(dòng)沉積臺(tái)下降，以匹配金剛石的生長速度。

本發(fā)明的金剛石生產(chǎn)方法，通過第一升降裝置使得金剛石生長時(shí)沉積臺(tái)能夠連續(xù)下降，以使其匹配金剛石的生長速度，防止由于溫度過熱，而導(dǎo)致金剛石成產(chǎn)效率和品質(zhì)的降低。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1：殼體；2：微波輸入口；3：基板；4：環(huán)形天線；5：管狀微波窗；6：沉積臺(tái)；7：等離子體穩(wěn)定環(huán)；8：振腔腔；9：等離子體球。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參見圖1，本發(fā)明一較佳實(shí)施例的一種微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，包括殼體1，殼體的上表面設(shè)有微波輸入口2，微波輸入口的下方設(shè)置有基板3，基板的底面設(shè)置有環(huán)形天線4，基板與殼體之間設(shè)置有由微波介質(zhì)材料制成的管狀微波窗5，作為優(yōu)選，管狀微波窗由石英制成。管狀微波窗的內(nèi)腔與微波輸入口連通，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，管狀微波窗的頂端位于微波輸入口的邊緣并與殼體連接，管狀微波窗的底端設(shè)置于基板的頂面，殼體的底端設(shè)置有沉積臺(tái)6，沉積臺(tái)位于環(huán)形天線的下方，并且沉積臺(tái)能夠在第一升降裝置(圖中未示出)的驅(qū)動(dòng)下上下移動(dòng)，沉積臺(tái)的外側(cè)面設(shè)置有管狀結(jié)構(gòu)的等離子體穩(wěn)定環(huán)7，沉積臺(tái)、等離子體穩(wěn)定環(huán)、殼體、管狀微波窗及基板包圍形成封閉的諧振腔8。作為優(yōu)選，沉積臺(tái)內(nèi)設(shè)有可循環(huán)的冷卻介質(zhì)。等離子體穩(wěn)定環(huán)內(nèi)也設(shè)有可循環(huán)的冷卻介質(zhì)。可選用水等作為可循環(huán)的冷卻介質(zhì)，并通過泵體實(shí)現(xiàn)其循環(huán)冷卻。作為優(yōu)選，等離子體穩(wěn)定環(huán)能夠在第二升降裝置(圖中未示出)的驅(qū)動(dòng)下沿沉積臺(tái)的表面上下移動(dòng)，等離子體穩(wěn)定環(huán)由鐵制成。

其中，等離子體冷卻環(huán)的設(shè)置，避免了金剛石在生長過程中，沉積臺(tái)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(tài)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污染問題，本發(fā)明將管狀微波窗置于環(huán)形天線的背面，即遠(yuǎn)離等離子體的一側(cè)。微波由諧振腔的正上方饋入腔體，經(jīng)過管狀微波窗后到達(dá)諧振腔，并激發(fā)氫氣產(chǎn)生等離子體球9，等離子球的位置正好位于沉積臺(tái)的上方。沉積臺(tái)中通有的冷卻介質(zhì)，保證了生長金剛石的沉積臺(tái)的溫度不至于過高。等離子體穩(wěn)定環(huán)可以上下調(diào)節(jié)，配合波導(dǎo)傳輸線上的三銷釘和短路活塞使諧振腔的諧振調(diào)到最佳狀態(tài)。沉積臺(tái)可通過第一升降裝置控制其升降，以此調(diào)節(jié)生長金剛石的溫度。通過第一升降裝置調(diào)節(jié)沉積臺(tái)連續(xù)下降，可以實(shí)現(xiàn)金剛石連續(xù)生長過程中的生長條件(微波功率，腔體壓力，氣體組分等)恒定不變。從而實(shí)現(xiàn)大單晶和厚膜金剛石的一次性連續(xù)生長。

本發(fā)明的微波等離子體化學(xué)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污染問題以及厚度大于3mm的金剛石單晶及厚膜的連續(xù)生長問題，并且其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定腔體易維護(hù)。

一種如上述金剛石合成的微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的金剛石生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

s1：對諧振腔進(jìn)行抽真空；

s2：向諧振腔內(nèi)充入氫氣；

s3：利用微波發(fā)生裝置向微波輸入口發(fā)射微波；

s4：向諧振腔中通入甲烷氣體進(jìn)行金剛石生長；

s5：通過第一升降裝置驅(qū)動(dòng)沉積臺(tái)下降，以匹配金剛石的生長速度。

本發(fā)明的金剛石生產(chǎn)方法，通過第一升降裝置使得金剛石生長時(shí)沉積臺(tái)能夠連續(xù)下降，以使其匹配金剛石的生長速度，防止由于溫度過熱，而導(dǎo)致金剛石成產(chǎn)效率和品質(zhì)的降低。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。