用于制造单晶金刚石的微波等离子体反应器及其扩散装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于制造单晶金刚石的微波等离子体反应器及其扩散装置，扩散基座，具有呈锥状的壁体，壁体的上沿设置有第一法兰盘，壁体的下沿设置有与第一法兰盘相平行的第二法兰盘；壁体在其内部围合形成一扩散口，扩散口的横截面面积由第一法兰盘向第二法兰盘方向逐步增大；进气管组，包括至少两根绕扩散基座轴线周向均布的进气管；以及，介质玻璃，卡设于第一法兰盘内且将扩散口的上方所封闭；其中，壁体上还开设有沿轴线周向均布的若干气孔，进气管所带入的气体通过气孔引入至扩散口内，通过设置呈锥状的扩散基座，引导微波保持以均一且稳定的椭球等势面分布于籽晶的周围，为籽晶的生长提供较好的环境，提高籽晶的生长质量。

Microwave plasma reactor and its diffusion device for manufacturing single crystal diamond

The invention discloses a microwave plasma reactor for manufacturing single crystal diamond and its diffusion device. The diffusion base is provided with a conical wall body, the top edge of the wall body is provided with a first flange plate, and the bottom edge of the wall body is provided with a second flange plate parallel to the first flange plate; the wall body is enclosed inside to form a diffusion port, and the cross section area of the diffusion port is provided with a first flange plate Gradually increase towards the direction of the second flange plate; the intake manifold group, including at least two intake manifolds evenly distributed around the axis of the diffusion base; and the medium glass, which is clamped in the first flange plate and sealed above the diffusion port; wherein, the wall body is also provided with a number of air holes evenly distributed around the axis, and the gas brought in by the intake manifold is introduced into the diffusion port through the air holes, and the gas is introduced into the diffusion port through the air holes In order to provide a better environment for the growth of seed crystal and improve the growth quality of seed crystal, a cone-shaped diffusion base was set up to guide the microwave to keep the uniform and stable ellipsoidal equipotential surface around the seed crystal.

【技术实现步骤摘要】
用于制造单晶金刚石的微波等离子体反应器及其扩散装置
本专利技术涉及微波等离子化学气相沉积设备的
，尤其是涉及一种用于制造单晶金刚石的微波等离子体反应器及其扩散装置。
技术介绍
天然钻石之所以珍贵是因为它需由千百万年的高温高压并推送到地表才能获得。而随着设备与技术的不断革新，人工钻石的品质不断的接近天然钻石且成本也在逐渐得到控制。因此对人工砖石，即单晶金刚石的研发始终受到全世界的广泛关注。单晶金刚石的合成方法主要包括高温高压法（HPHT）与化学气相沉积法（CVD）。HPHT法相对较为成熟但存在着一定的局限性：工艺过程难控、周期长、成本高、所得材料有极高的硬度，难以加工等等。CVD法，尤其是微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD），是被公认的能够制备高品级的大颗粒金刚石和大面积金刚石的方法，具有工艺条件可控、设备材料要求不高、周期较短等优点。MPCVD法是指通过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。不同类型的MPCVD装置的区别在于微波等离子体反应器形式的不同，例如公布号为CN108588820A的专利中公开了一种“微波等离子体化学气相沉积装置和金刚石的合成方法”，其反应器的形式为微波窗的金属腔体式，此种装置在工作时，首先对谐振腔进行抽真空，并向谐振腔内通入甲烷和氢气组成的混合气体，然后通过微波源产生微波，微波源所产生的微波在第一波导管中以TE10模式进行传播，经耦合天线转换后，在第二波导管中以TEM模式进行传播，在进入耦合转换腔后，经耦合天线再次转换为TM01模式，经介质窗口进入谐振腔，沉积台上方的甲烷形成活性含碳基团和原子态氢，并形成球状等离子体，从而在籽晶上表面沉积得到金刚石薄膜。TM01模式下的微波电场等势面分布为椭球形，并且电场的强度从中心区域往外是逐步的递减，该微波在通过介质窗口进入到谐振腔后，混合气体的进入会破坏电场等势面的分布，影响到籽晶的生长环境，不利于制造高品质的单晶金刚石。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种扩散装置，微波在引入到谐振腔时，不易影响到原有电场的分布，可较好保持以同心椭球的等势面分布于籽晶基台的周围，为籽晶的生长提供较好的环境，便于制造出高品质单晶金刚石。本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种扩散装置，包括：扩散基座，具有呈锥状的壁体，所述壁体的上沿设置有第一法兰盘，壁体的下沿设置有与第一法兰盘相平行的第二法兰盘；所述壁体在其内部围合形成一扩散口，所述扩散口的横截面面积由第一法兰盘向第二法兰盘方向逐步增大；进气管组，包括至少两根绕扩散基座轴线周向均布的进气管；以及，介质玻璃，卡设于第一法兰盘内且将扩散口的上方所封闭；其中，所述壁体上还开设有沿轴线周向均布的若干气孔，进气管所带入的气体通过气孔引入至扩散口内。通过采用上述技术方案，转换后的微波经过介质玻璃进入到扩散基座的扩散口内，扩散口由于从微波进入端到出口端截面积逐步增大，使得微波在扩散口内传播时，电场等势面的边界逐步扩大，并最终孕育成利于籽晶生长环境的辐射区域，同时混合气体利用进气管引入并最终通过气孔进入到扩散口内，由于气孔在壁体上周向均匀开设，当混合气体通入一段时间后，会实现包围式的进气模式，达到进气的均匀性，减少了微波传播过程中受到进气的气流影响，可较好的保证单晶处于电场等势面的中心，提高微波辐射的均一稳定；其次，混合气体在进入到扩散口内由于气孔的多个设置，会在壁体的内表面形成一个气膜，减少后面等离子体形成后对壁体内表面的污染，更好的保证了微波在传播过程中的均一稳定性，提高制造后金刚石的品质；并且由于壁体锥形的设置，混合气体在进入到扩散口内时具有向下的流动分量，进而可沿着谐振腔的内壁向下流动，扩大了气膜的形成范围，提高了整个设备的使用寿命，为单晶提供更好的生长环境，便于制造出高品质以及大尺寸的单晶金刚石。作为优选地，还包括：夹套，与扩散基座连接，包括贴合于第一法兰盘外周面的内夹层，所述内夹层与壁体的外表面之间形成一气腔，气腔通过气孔与扩散口连通，所述进气管与气腔连接。通过采用上述技术方案，由多根进气管所引入的混合气体能够预先进入到气腔内，气腔会逐步被混合气体充装满并最终从壁体上的所有气孔进入到扩散口中，达到更好的进气模式，整个进气过程气流具有向心的均一性，保持微波在辐射过程中的稳定，更好的为提供单晶生长的环境。作为优选地，所述夹套还包括处于内夹层外缘的外夹层，内、外夹层之间形成一冷却通道，其中，所述外夹层上设置有与冷却通道连通的进液管与出液管。通过采用上述技术方案，为生产制造出更大尺寸的单晶金刚石，必须要提升微波的功率，而微波功率提升时，随之温度的也会上升，尤其是在介质玻璃区域，而内、外夹层的设置，使得在两者之间形成一冷却通道，在该冷却通道内利用进、出液管通入冷却液对整个扩散基座进行降温，扩散基座的温度下降后，介质玻璃通过热传递随之得到降温，进而提升了微波功率的使用上限，便于制造出大尺寸的单晶金刚石；其次，气腔也被外部的冷却通道包覆，首先提升整个气腔的密封性，同时在冷却通道内通入冷却液时，也对整个气腔进行降温，通过控制冷却液于冷却通道内的流速，来达到气腔内温度的调节，间接性的控制了混合气体的反应温度，实现温控，为单晶提供更佳的生长环境。作为优选地，所述夹套的下端连接于第二法兰盘上，且于该下端处设有与冷却通道连通的开口。通过采用上述技术方案，开口的设置使得在向冷却通道内冲入冷却液时，冷却液能够直接接触到第二法兰盘，提高第二法兰盘的热交换率，降低了第二法兰盘的表面温度，第一法兰盘利用内夹层实现热交换，而壁体通过与第一、第二法兰盘的热交换实现降温，更好的达到对整个扩散基座的降温，更进一步的可提升微波功率的使用上限，为制造出更大尺寸的单晶金刚石提供生长环境。作为优选地，所述扩散口具有130°~140°的锥度。通过采用上述技术方案，扩散口的锥度设置用于匹配由微波形成的椭球等势面，使得微波能够得到逐步的边界扩大，而该锥度过大时，微波在从扩散口出去后，由于电场的边界过大，会导致传播到籽晶位置时，等势面的中心区域电场强度下降，不利于籽晶的生长；而锥度过小，虽然能保证电场等势面中心区域的强度，但同时会导致温度过高，不利于籽晶的生，此锥度范围既能保证等势面中心区域的电场强度，又不至于籽晶的表面温度过高，为籽晶的生长提供更佳的环境。作为优选地，所述气孔周向均布有12~24个。通过采用上述技术方案，气孔的数量设置能保证混合气体在进入到扩散口内时的均一性，实现包围式的进气模式，气孔数量过少一次性进入到的气体量就较少，影响反应的效率，同时气体进入时的均一性就较低，多股气流容易影响到微波的电场分布，进而影响到籽晶的生长环境，并且不利用于壁体内表面气膜的均匀形成；而气孔数过多，一次性汇流至扩散口内气流量就增大，容易导致混合气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩散装置，其特征在于，包括：/n扩散基座（10），具有呈锥状的壁体（11），所述壁体（11）的上沿设置有第一法兰盘（12），壁体（11）的下沿设置有与第一法兰盘（12）相平行的第二法兰盘（13）；所述壁体（11）在其内部围合形成一扩散口（14），所述扩散口（14）的横截面面积由第一法兰盘（12）向第二法兰盘（13）方向逐步增大；/n进气管（20）组，包括至少两根绕扩散基座（10）轴线周向均布的进气管（20）；以及，/n介质玻璃（30），卡设于第一法兰盘（12）内且将扩散口（14）的上方所封闭；/n其中，所述壁体（11）上还开设有沿轴线周向均布的若干气孔（111），进气管（20）所带入的气体通过气孔（111）引入至扩散口（14）内。/n

【技术特征摘要】
1.一种扩散装置，其特征在于，包括：
扩散基座（10），具有呈锥状的壁体（11），所述壁体（11）的上沿设置有第一法兰盘（12），壁体（11）的下沿设置有与第一法兰盘（12）相平行的第二法兰盘（13）；所述壁体（11）在其内部围合形成一扩散口（14），所述扩散口（14）的横截面面积由第一法兰盘（12）向第二法兰盘（13）方向逐步增大；
进气管（20）组，包括至少两根绕扩散基座（10）轴线周向均布的进气管（20）；以及，
介质玻璃（30），卡设于第一法兰盘（12）内且将扩散口（14）的上方所封闭；
其中，所述壁体（11）上还开设有沿轴线周向均布的若干气孔（111），进气管（20）所带入的气体通过气孔（111）引入至扩散口（14）内。


2.根据权利要求1所述的扩散装置，其特征在于，还包括：
夹套（40），与扩散基座（10）连接，包括贴合于第一法兰盘（12）外周面的内夹层（41），所述内夹层（41）与壁体（11）的外表面之间形成一气腔（15），气腔（15）通过气孔（111）与扩散口（14）连通，所述进气管（20）与气腔（15）连接。


3.根据权利要求2述的扩散装置，其特征在于，所述夹套（40）还包括处于内夹层（41）外缘的外夹层（42），内、外夹层（42）之间形成一冷却通道（43），其中，所述外夹层（42）上设置有与冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：马付根，江南，宋茜茜，
申请(专利权)人：宁波晨鑫维克工业科技有限公司，安徽晨鑫维克工业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33