[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及微波等离子化学气相沉积设备的技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的上述发明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。