一种基于MPCVD法的金刚石膜生产设备

技术领域

本发明涉及金刚石膜生产技术领域，具体为一种基于MPCVD法的金刚石膜生产设备。

背景技术

MPCVD法一般指的是微波等离子化学气相沉淀法，是金刚石制备的主要手段之一，通过微波，使反应气体形成高能量的等离子团，并逐步按照立体排列的方式沉积到底部的衬底上，并形成金刚石膜。

金刚石以其超高的硬度、热导率以及高透光率，被应用于各种工业环境中，可以用来制作耐磨刀具、声学膜片等等。随着科技的发展，逐渐对金刚石的品质有了较高的要求，然而，天然金刚石的储量不足以支撑工业发展，价格也较为昂贵，因此，人工合成高品质金刚石膜成了制约各行各业发展的关键因素。

在进行金刚石膜制备时，通过微波形成的等离子团成为基本形态，导致了在进行气相沉积时，容易造成金刚石膜沉积不均匀。此外，由于等离子团在反应腔内的无序波动，容易造成局部衬底上沉积速度产生差异，导致厚度不一致，影响沉积质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MPCVD法的金刚石膜生产设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于MPCVD法的金刚石膜生产设备，包括壳体、支撑装置、冷却装置和衬底，支撑装置和壳体紧固连接，壳体上从上到下依次设有反应腔和支撑槽，反应腔和支撑槽连通，支撑装置置于支撑槽内，支撑装置上端插入反应腔内，冷却装置和支撑装置管道连通，支撑装置上端设有若干衬底，若干衬底呈环形等间距设置。

壳体作为主要的安装基础，通过支撑槽对支撑装置进行安装，并通过反应腔提供反应空间，支撑装置上端对衬底进行支撑，便于进行金刚石沉积，通过冷却装置对衬底进行温度调节，使金刚石沉积在较适宜的温度区间内，通过衬底环形等间距设置，提高金刚石沉积均匀性。

进一步的，支撑装置包括载物台、浮台和调节组件，载物台两端分别插入反应腔和支撑槽内，浮台向外延伸设有安装架，浮台通过安装架和支撑槽壁面紧固连接，载物台包括支柱，支柱下端和支撑槽紧固连接，支柱上端沿周向设有若干分载盘，分载盘和支柱紧固连接，分载盘包括扩张板和拉伸板，扩张板下侧和拉伸板紧固连接，扩张板和拉伸板一侧和支柱紧固连接，调节组件包括封板和滑环，拉伸板向下延伸设有封板，封板下端和滑环抵接，滑环外圈和浮台侧壁滑动连接，滑环内圈和支柱滑动连接，扩张板的热膨胀系数大于拉伸板的热膨胀系数；

反应腔上端设有进料道，进料道和反应腔连通，冷却装置包括进液管，支柱上设有引流道，进液管出液端和引流道连通。

通过载物台对衬底进行支撑，浮台布置在载物台周围，通过调节组件对分载盘和滑环之间的间距进行调节，浮台通过安装架支撑在支撑槽壁面上，之间保留一定间歇，通过支柱对分载盘进行单侧固定，通过进料道将反应气体送入反应腔内，在微波作用下，形成等离子团，并最终沉积到衬底上，通过分载盘分体式设计，由于等离子团趋于球状，在进行沉积的过程中，会形成从中间向边缘呈梯级递减的分布状态，金刚石在沉积时会进行放热，等离子团在反应腔内的运动状态不好控制，一旦在局部过快沉积过快，容易造成成膜不均匀，使局部分载盘上的热量积聚，由于扩张板和拉伸板采用不同热膨胀系数的材质制成，当升高相同温度时，上层扩张板的热膨胀量大于下层的拉伸板的热膨胀量，从而形成向下倾斜的弧度，通过封板传动，积热处的封板和滑环之间仍保持接触状态，进行局部密封，其他位置的封板由于其上的分载盘保持不动，且滑环整体下移，使其他区域的封板和滑环之间产生间隙，形成悬空模式，在此处形成空心阴极放电，使边缘的散热被弱化，使衬底底部的温度升高，提高了吸附于衬底表面活性含碳基团的扩散效率，从而提高了金刚石的生长速率，从而使各个方向生长的金刚石膜趋于均匀状态。

进一步的，支柱沿周向设有若干泄流槽，若干泄流槽沿竖直方向布置；

初始状态下：浮台高度高于泄流槽顶端所在高度；

泄流时：浮台位于泄流槽竖向高度区间内。

通过设置泄流槽和浮台的相对高度，使没有局部积热的时候，不会对衬底进行加热，只有在局部产生积热的时候，才会对其他需要加热的地方进行局部加热，保证金刚石沉积均匀性。

进一步的，封板包括边板和隔板，拉伸板呈扇形布置，边板沿拉伸板外圆方向布置，隔板沿拉伸板两侧半径方向布置。

通过边板和隔板将每个拉伸板下端形成一个相对密封的空间，防止局部积热的地方也进入等离子体，造成空心阴极放电。

进一步的，扩张板上设有循环流道，引流道出口和循环流道的进口连通，支柱上设有回流道，回流道和循环流道的出口连通，支柱上设有节流槽，节流槽沿引流道和回流道的横向截面布置，冷却装置还包括换向板，换向板和节流槽滑动连接，换向板上分别设有过流孔和回流孔，过流孔位于靠近引流道一侧，回流孔位于靠近回流道一侧，回流孔远离过流孔一侧设有换能面，换能面倾斜布置，换能面靠近过流孔一侧位于低位端。

通过扩张板上的循环流道进行冷却液引流，将引流道导入的冷却液，通过换热，使衬底维持在相对稳定的温度区间内，升温后的冷却液经由回流道排出，在引流道和回流道同一层高处设置节流槽，进行冷却液节流，通过控制过流孔和引流道的重叠截面，减少从引流道进入循环流道内的冷却液，换热后，从循环流道流出的冷却液冲击到回流孔的换能面上，通过倾斜布置的换能面，带动换向板滑动，当某个衬底上短时间内沉积了较多的金刚石时，循环流道内的冷却液瞬时换热量增加，在循环流道和回流道过流面积不变的情况下，造成的冷却液膨胀，会造成换能面两侧压差增大，从而对换能面的冲击增大，带动过换向板移动，使预紧弹簧进一步压缩，过流孔和引流道的重叠面积增大，从而对瞬时升温的部位自动进行局部降温，提高循环冷却质量。

作为优化，冷却装置还包括预紧弹簧和循环管，循环管和回流道管道连通，预紧弹簧一端和节流槽紧固连接，另一端和换向板紧固连接。通过循环管将升温后的冷却液从回流道导出，通过外置循环，进行降温，并重新送入进液管中进行循环使用。

作为优化，边板下端弧形设置，滑环上设有若干换向槽，换向槽和边板适配。通过边板下端弧形设置，插入滑环的换向槽内，进行面接触，有利于保证密封。

作为优化，调节组件还包括复位弹簧，复位弹簧置于支撑槽内，复位弹簧上端和滑环抵接。通过复位弹簧和滑环进行复位，便于进行连续性超温检测，保证金刚石膜的生长均匀性。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明的金刚石在沉积时会进行放热，等离子团在反应腔12内的运动状态不好控制，一旦在局部过快沉积过快，容易造成成膜不均匀，使局部分载盘211上的热量积聚，由于扩张板2111和拉伸板2112采用不同热膨胀系数的材质制成，当升高相同温度时，上层扩张板2111的热膨胀量大于下层的拉伸板2112的热膨胀量，从而形成向下倾斜的弧度，通过封板231传动，积热处的封板231和滑环232之间仍保持接触状态，进行局部密封，其他位置的封板231由于其上的分载盘211保持不动，且滑环232整体下移，使其他区域的封板231和滑环232之间产生间隙，形成悬空模式，在此处形成空心阴极放电，使边缘的散热被弱化，使衬底4底部的温度升高，提高了吸附于衬底4表面活性含碳基团的扩散效率，从而提高了金刚石的生长速率，从而使各个方向生长的金刚石膜趋于均匀状态；当某个衬底4上短时间内沉积了较多的金刚石时，循环流道内的冷却液瞬时换热量增加，在循环流道和回流道2124过流面积不变的情况下，造成的冷却液膨胀，会造成换能面两侧压差增大，从而对换能面的冲击增大，带动过换向板32移动，使预紧弹簧33进一步压缩，过流孔321和引流道2121的重叠面积增大，从而对瞬时升温的部位自动进行局部降温，提高循环冷却质量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的进气方向示意图；

图3是本发明的冷却流路示意图；

图4是本发明的泄流结构示意图；

图5是图3视图的局部A放大视图；

图6是图2视图的H-H向剖视图；

图7是图2视图的局部B放大视图；

图中：1-壳体、11-进料道、12-反应腔、13-支撑槽、2-支撑装置、21-载物台、211-分载盘、2111-扩张板、2112-拉伸板、212-支柱、2121-引流道、2122-节流槽、2123-泄流槽、2124-回流道、22-浮台、23-调节组件、231-封板、2311-边板、2312-隔板、232-滑环、233-复位弹簧、3-冷却装置、31-进液管、32-换向板、321-过流孔、322-回流孔、33-预紧弹簧、34-循环管、4-衬底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供技术方案：

如图1～图7所示，一种基于MPCVD法的金刚石膜生产设备，包括壳体1、支撑装置2、冷却装置3和衬底4，支撑装置2和壳体1紧固连接，壳体1上从上到下依次设有反应腔12和支撑槽13，反应腔12和支撑槽13连通，支撑装置2置于支撑槽13内，支撑装置2上端插入反应腔12内，冷却装置3和支撑装置2管道连通，支撑装置2上端设有若干衬底4，若干衬底4呈环形等间距设置。

壳体1作为主要的安装基础，通过支撑槽13对支撑装置2进行安装，并通过反应腔12提供反应空间，支撑装置2上端对衬底4进行支撑，便于进行金刚石沉积，通过冷却装置3对衬底4进行温度调节，使金刚石沉积在较适宜的温度区间内，通过衬底4环形等间距设置，提高金刚石沉积均匀性。

进一步的，支撑装置2包括载物台21、浮台22和调节组件23，载物台21两端分别插入反应腔12和支撑槽13内，浮台22向外延伸设有安装架，浮台22通过安装架和支撑槽13壁面紧固连接，载物台21包括支柱212，支柱212下端和支撑槽13紧固连接，支柱212上端沿周向设有若干分载盘211，分载盘211和支柱212紧固连接，分载盘211包括扩张板2111和拉伸板2112，扩张板2111下侧和拉伸板2112紧固连接，扩张板2111和拉伸板2112一侧和支柱212紧固连接，调节组件23包括封板231和滑环232，拉伸板2112向下延伸设有封板231，封板231下端和滑环232抵接，滑环232外圈和浮台22侧壁滑动连接，滑环232内圈和支柱212滑动连接，扩张板2111的热膨胀系数大于拉伸板2112的热膨胀系数；

反应腔12上端设有进料道11，进料道11和反应腔12连通，冷却装置3包括进液管31，支柱212上设有引流道2121，进液管31出液端和引流道2121连通。

通过载物台21对衬底4进行支撑，浮台22布置在载物台21周围，通过调节组件23对分载盘211和滑环232之间的间距进行调节，浮台22通过安装架支撑在支撑槽13壁面上，之间保留一定间歇，通过支柱212对分载盘211进行单侧固定，通过进料道11将反应气体送入反应腔12内，在微波作用下，形成等离子团，并最终沉积到衬底4上，通过分载盘211分体式设计，由于等离子团趋于球状，在进行沉积的过程中，会形成从中间向边缘呈梯级递减的分布状态，金刚石在沉积时会进行放热，等离子团在反应腔12内的运动状态不好控制，一旦在局部过快沉积过快，容易造成成膜不均匀，使局部分载盘211上的热量积聚，由于扩张板2111和拉伸板2112采用不同热膨胀系数的材质制成，当升高相同温度时，上层扩张板2111的热膨胀量大于下层的拉伸板2112的热膨胀量，从而形成向下倾斜的弧度，通过封板231传动，积热处的封板231和滑环232之间仍保持接触状态，进行局部密封，其他位置的封板231由于其上的分载盘211保持不动，且滑环232整体下移，使其他区域的封板231和滑环232之间产生间隙，形成悬空模式，在此处形成空心阴极放电，使边缘的散热被弱化，使衬底4底部的温度升高，提高了吸附于衬底4表面活性含碳基团的扩散效率，从而提高了金刚石的生长速率，从而使各个方向生长的金刚石膜趋于均匀状态。

进一步的，支柱212沿周向设有若干泄流槽2123，若干泄流槽2123沿竖直方向布置；

初始状态下：浮台22高度高于泄流槽2123顶端所在高度；

泄流时：浮台22位于泄流槽2123竖向高度区间内。

通过设置泄流槽2123和浮台22的相对高度，使没有局部积热的时候，不会对衬底4进行加热，只有在局部产生积热的时候，才会对其他需要加热的地方进行局部加热，保证金刚石沉积均匀性。

进一步的，封板231包括边板2311和隔板2312，拉伸板2112呈扇形布置，边板2311沿拉伸板2112外圆方向布置，隔板2312沿拉伸板2112两侧半径方向布置。

通过边板2311和隔板2312将每个拉伸板2112下端形成一个相对密封的空间，防止局部积热的地方也进入等离子体，造成空心阴极放电。

进一步的，扩张板2111上设有循环流道，引流道2121出口和循环流道的进口连通，支柱212上设有回流道2124，回流道2124和循环流道的出口连通，支柱212上设有节流槽2122，节流槽2122沿引流道2121和回流道2124的横向截面布置，冷却装置3还包括换向板32，换向板32和节流槽2122滑动连接，换向板32上分别设有过流孔321和回流孔322，过流孔321位于靠近引流道2121一侧，回流孔322位于靠近回流道2124一侧，回流孔322远离过流孔321一侧设有换能面，换能面倾斜布置，换能面靠近过流孔321一侧位于低位端。

通过扩张板2111上的循环流道进行冷却液引流，将引流道2121导入的冷却液，通过换热，使衬底4维持在相对稳定的温度区间内，升温后的冷却液经由回流道2124排出，在引流道2121和回流道2124同一层高处设置节流槽2122，进行冷却液节流，通过控制过流孔321和引流道2121的重叠截面，减少从引流道2121进入循环流道内的冷却液，换热后，从循环流道流出的冷却液冲击到回流孔322的换能面上，通过倾斜布置的换能面，带动换向板32滑动，当某个衬底4上短时间内沉积了较多的金刚石时，循环流道内的冷却液瞬时换热量增加，在循环流道和回流道2124过流面积不变的情况下，造成的冷却液膨胀，会造成换能面两侧压差增大，从而对换能面的冲击增大，带动过换向板32移动，使预紧弹簧33进一步压缩，过流孔321和引流道2121的重叠面积增大，从而对瞬时升温的部位自动进行局部降温，提高循环冷却质量。

作为优化，冷却装置3还包括预紧弹簧33和循环管34，循环管34和回流道2124管道连通，预紧弹簧33一端和节流槽2122紧固连接，另一端和换向板32紧固连接。通过循环管34将升温后的冷却液从回流道2124导出，通过外置循环，进行降温，并重新送入进液管31中进行循环使用。

作为优化，边板2311下端弧形设置，滑环232上设有若干换向槽，换向槽和边板2311适配。通过边板2311下端弧形设置，插入滑环232的换向槽内，进行面接触，有利于保证密封。

作为优化，调节组件23还包括复位弹簧233，复位弹簧233置于支撑槽13内，复位弹簧233上端和滑环232抵接。通过复位弹簧233和滑环232进行复位，便于进行连续性超温检测，保证金刚石膜的生长均匀性。

本发明的工作原理：金刚石在沉积时会进行放热，等离子团在反应腔12内的运动状态不好控制，一旦在局部过快沉积过快，容易造成成膜不均匀，使局部分载盘211上的热量积聚，由于扩张板2111和拉伸板2112采用不同热膨胀系数的材质制成，当升高相同温度时，上层扩张板2111的热膨胀量大于下层的拉伸板2112的热膨胀量，从而形成向下倾斜的弧度，通过封板231传动，积热处的封板231和滑环232之间仍保持接触状态，进行局部密封，其他位置的封板231由于其上的分载盘211保持不动，且滑环232整体下移，使其他区域的封板231和滑环232之间产生间隙，形成悬空模式，在此处形成空心阴极放电，使边缘的散热被弱化，使衬底4底部的温度升高，提高了吸附于衬底4表面活性含碳基团的扩散效率，从而提高了金刚石的生长速率，从而使各个方向生长的金刚石膜趋于均匀状态；当某个衬底4上短时间内沉积了较多的金刚石时，循环流道内的冷却液瞬时换热量增加，在循环流道和回流道2124过流面积不变的情况下，造成的冷却液膨胀，会造成换能面两侧压差增大，从而对换能面的冲击增大，带动过换向板32移动，使预紧弹簧33进一步压缩，过流孔321和引流道2121的重叠面积增大，从而对瞬时升温的部位自动进行局部降温，提高循环冷却质量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。