微波等离子体化学气相沉积装置及其应用制造方法及图纸

本申请公开了一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括谐振腔、耦合转换腔、以及分隔于谐振腔和耦合转换腔之间的介质窗口，所述介质窗口具有一冷却腔体，该冷却腔体独立于所述谐振腔和耦合转换腔，所述冷却腔体具有可与外部冷却回路连通的进口和出口。本发明专利技术还公开了上述微波等离子体化学气相沉积装置在合成单晶金刚石中的应用。本发明专利技术通过流动的冷却气体可以实现对介质窗口的冷却，提高介质窗口的耐高温能力。由于解决了石英玻璃的冷却问题，可以解决波导中抽低真空问题，从而将电磁波的在传导至于真空中，解决以往的冷却空气流体的流动对于电磁波的微扰作用，对于等离子体的稳定有极大的作用。

Microwave plasma chemical vapor deposition device and its application

The present application discloses a microwave plasma chemical vapor deposition apparatus, including a resonator, a coupling conversion cavity, and a medium window separated between the resonator and the coupling conversion cavity, wherein the medium window has a cooling cavity independent of the resonator and the coupling conversion cavity, and the cooling cavity has a cooling cavity. An inlet and outlet that can be connected to the external cooling circuit. The invention also discloses the application of the microwave plasma chemical vapor deposition device in the synthesis of single crystal diamond. The invention can realize the cooling of the medium window by the flowing cooling gas and improve the high temperature resistance of the medium window. By solving the cooling problem of quartz glass, the problem of pumping low vacuum in the waveguide can be solved, so that the electromagnetic wave can be transmitted into the vacuum, and the perturbation of electromagnetic wave caused by the flow of cooling air fluid in the past can be solved.

【技术实现步骤摘要】
微波等离子体化学气相沉积装置及其应用
本申请属于单晶金刚石的合成
，特别是涉及一种微波等离子体化学气相沉积装置及其应用。
技术介绍
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)将微波发生器产生的微波用波导管传输至反应器，并向反应器中通入CH4与H2的混合气体，高强度的微波能激发分解基片上方的含碳气体形成活性含碳基团和原子态氢，并形成等离子体，从而在基片上沉积得到金刚石薄膜。在单晶金刚石合成过程中，谐振腔中的介质窗口容易发热，现有技术通常在谐振腔中通入冷却的空气流体对介质窗口进行冷却，而冷却空气流体的流动对于电磁波会产生微扰作用，对于等离子体的稳定有极大的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微波等离子体化学气相沉积装置及其应用，以克服现有技术中的不足。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本申请实施例公开一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括谐振腔、耦合转换腔、以及分隔于谐振腔和耦合转换腔之间的介质窗口，所述介质窗口具有一冷却腔体，该冷却腔体独立于所述谐振腔和耦合转换腔，所述冷却腔体具有可与外部冷却回路连通的进口和出口。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述介质窗口的材质为石英玻璃。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述介质窗口包括上层石英玻璃和下层石英玻璃，上层石英玻璃和下层石英玻璃围成所述冷却腔体。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述外部冷却回路为制冷的气体回路。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，工艺气体通过涡旋进气方式进入所述谐振腔，工艺气体在谐振腔内被激发放电形成球形的等离子体。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述耦合转换腔通过水冷方式控温。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述谐振腔的抽真空管路上设置有一密封板，该密封板上开设有至少一个气孔。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述密封板上开设有一个气孔，该气孔的直径为0.5～1mm。优选的，在上述的微波等离子体化学气相沉积装置中，所述介质窗口与谐振腔之间通过1系铝环密封。相应的，本申请还公开了一种微波等离子体化学气相沉积装置在合成单晶金刚石中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术通过流动的冷却气体可以实现对介质窗口的冷却，提高介质窗口的耐高温能力。由于解决了石英玻璃的冷却问题，可以解决波导中抽低真空问题，从而将电磁波的在传导至于真空中，解决以往的冷却空气流体的流动对于电磁波的微扰作用，对于等离子体的稳定有极大的作用。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1所示为本专利技术具体实施例中微波等离子体化学气相沉积装置的结构示意图；图2所示为本专利技术具体实施例中介质窗口的剖视图；图3所示为本专利技术具体实施例中密封板的剖视图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。结合图1所示，微波等离子体化学气相沉积装置包括微波源10、等离子体耦合装置20和谐振装置30。微波源10用于产生微波，其可以为本领域常规的微波发生器等设备，所产生的微波的功率可以为6～75kW、频率可以为915MHz-2.45GHz。本实施例中，微波源10产生的微波的功率为6～10kW、频率为2.45GHz。谐振装置30包括一谐振腔31和沉积台32。谐振腔31的壳体可以由金属材料或石英材料制成。优选地，谐振腔由金属材料(例如铝或铜)制成，从而有利于对谐振腔进行水冷处理。谐振腔31的形状可以为多种形状，例如圆柱形。等离子体耦合装置20采用天线耦合式。具体地，等离子体耦合装置20包括波导管、模式转换天线21、耦合转换腔22和介质窗口23。其中，波导管连接于微波源10和耦合转换腔22之间；模式转换天线21的底端延伸至耦合转换腔22内；耦合转换腔22设置于谐振腔31的上方，介质窗口23位于谐振腔31和耦合转换腔22之间。谐振腔31顶部的介质窗口23为由透光材料(例如石英或蓝宝石)形成的窗口，其能够使微波透过从而进入谐振腔31，并且其还能保证谐振腔31的密封性能。在工作状态下，耦合转换腔22的工作压力为高真空(0.13～1.3×10-5Pa)，谐振腔31的工作压力为超高真空(工作压力1.3×10-5Pa～1.3×10-10Pa)。进一步地，波导管包括第一波导管24和第二波导管25。第一波导管24为矩形波导管；耦合转换腔22为圆形波导管，第二波导管25连接于所述第一波导管24和耦合转换腔22的顶端之间，所述第二波导管25与第一波导管24垂直设置；模式转换天线21与第二波导管25同轴设置。耦合转换腔22可以为金属侧壁，在设置耦合转换腔22时，模式转换天线21可以将第一波导管24中的TE10模式的微波转换为TEM模式，并经第二波导管25传送至耦合转换腔22后，模式转换天线21再将TEM模式的微波转换为TM01模式，从而进入谐振腔31。此设置方式能够避免将TE10模式的微波直接转换为电场不对应的TM01模式的微波，从而使所形成的TM01模式微波的能量最大化，进一步提高微波能量的使用效率。并且，TM01模式的微波能够使沉积台32上方区域形成最高强度的电磁场，并有利于激发椭球状或球状的等离子体34，从而避免了谐振腔31的侧壁对沉积的金刚石薄膜产生污染。在一实施例中，第一波导管24和微波源10之间设置有调配器26，该调配器26用以调节第一波导管24中所传输的微波的波形。该技术方案中，调配器用以调节第一波导管24中所传输的微波的波形从而使其与模式转换天线21相匹配，从而使输入的微波能量最大化，例如其可以为本领域常规的三螺钉阻抗调配器等。三螺钉阻抗调配器可手动调谐或者自动调谐。在一实施例中，调配器26和第一波导管24之间设置有过渡波导28。优选采用标准的过渡波导WR340to284。在一实施例中，第一波导管24的一端设置有冷却水槽，下部有低压抽真空接口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括谐振腔、耦合转换腔、以及分隔于谐振腔和耦合转换腔之间的介质窗口，所述介质窗口具有一冷却腔体，该冷却腔体独立于所述谐振腔和耦合转换腔，所述冷却腔体具有可与外部冷却回路连通的进口和出口。

【技术特征摘要】
2018.04.24 US 62/661,8051.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括谐振腔、耦合转换腔、以及分隔于谐振腔和耦合转换腔之间的介质窗口，所述介质窗口具有一冷却腔体，该冷却腔体独立于所述谐振腔和耦合转换腔，所述冷却腔体具有可与外部冷却回路连通的进口和出口。2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述介质窗口的材质为石英玻璃。3.根据权利要求2所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述介质窗口包括上层石英玻璃和下层石英玻璃，上层石英玻璃和下层石英玻璃围成所述冷却腔体。4.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述外部冷却回路为制冷的气体回路。5.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，工艺气体通过涡旋进气方式进入所述谐振腔，工艺气体在谐振腔内被激发放电形成球形的等离子体。6.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述耦合转换腔通过水冷方式控温。7.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述谐振腔的抽真空管路上设置有一密封板，该密封板上开设有至少一个气孔。8.根据权利要求7所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述密封板上开设有一个气孔，该气孔的直径为0.5～1mm。9.根据权利要求7所述的微波等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：马懿，马修·L·斯卡林，朱金华，吴建新，缪勇，卢荻，艾永干，克里斯托弗·E·格里芬，
申请(专利权)人：FD三M公司，
类型：发明
国别省市：美国,US