一种大尺寸金刚石、MPCVD装置及大尺寸金刚石制备方法

技术领域

本发明属于金刚石制备技术领域，具体涉及一种大尺寸金刚石、MPCVD装置及大尺寸金刚石制备方法。

背景技术

金刚石具有特别优异的机械性能、热学性能、光学性能、声学性能、电学性能及化学惰性，是一种全方位的不可替代的极端性能材料。利用其优异的机械性能制成的金刚石工具已经广泛应用于机械加工领域。随着科学技术的不断进步，金刚石其他独特的性能得到不断的开发利用，在超高导热材料、高透率光学窗口、半导体器件等领域均显现出了巨大的应用前景，甚至成为引领部分应用领域变革性发展的核心材料。

人造金刚石合成方法主要高温高压法（HTHP）、微波等离子化学气相沉积法（MPCVD）、直流电弧等离子体喷射法（DCAPJ）/热丝化学气相沉积法（HFCVD）等， MPCVD法具有等离子体能量密度高、杂质含量低、可控性好等优点，已成为制备大尺寸高品质金刚石的首选方法。现有的MPCVD装置具有高真空密封、低漏率、高微波功率、均匀沉积等特点中的一个或多个，但是腔门开合密封处、观察窗口处均存在一定的微波泄漏。例如公开号为CN209652424U的中国实用新型专利说明书中公开了一种对真空环境有效密封的MPCVD装置，该装置通过在底板与上盖板的连接处设置O形密封圈，使得腔门开合密封处具备良好的密封性，但是该装置的上盖板上没有设置复合视窗和采集金刚石生长过程中工艺参数的装置，不能在保证良好密封的同时对金刚石生长过程中工艺参数进行采集。

现有的MPCVD制备方法，金刚石生长的工艺参数是由工人根据经验总结出的，导致生产出的金刚石批量品质较差。因此需要开发一种金刚石制备方法，实现对金刚石生长的工艺参数进行自动优化与调节，从而生产出品质高的金刚石。

发明内容

本发明的目的是提供一种MPCVD装置，从而解决MPCVD装置的腔门开合密封处、观察窗口处存在一定的微波泄漏以及无法对金刚石生长的工艺参数进行监测的问题。

本发明的另一个目的是提供一种大尺寸金刚石制备方法，实现对金刚石生长的工艺参数进行自动优化与调节，从而生长出品质高的金刚石。

本发明的另一个目的是提供一种由本发明的方法制备出的大尺寸金刚石。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明公开了一种MPCVD装置，包括沉积台18、基片台20、微波石英窗5、上盖板15、底板12；上盖板与底板围成反应腔，在上盖板的顶部设置有进气孔，在底板上设置有出气孔，所述出气孔接入抽真空装置，以便将反应腔抽为真空环境；微波石英窗为圆环形，设于沉积台与底板之间，通过微波石英窗将反应腔与外界空气隔离；在底板与上盖板的连接处通过O型密封圈组进行密封，所述O型密封圈组包括呈同心圆设置的真空密封圈及微波屏蔽密封圈，所述O型密封圈组设于底板上的密封槽内；还包括设置在反应腔内用于测量反应腔内气压的压力传感器、设置在上盖板上的多个复合视窗、设置在复合视窗处的厚度测量装置、视觉装置、测温装置以及等离子体诊断装置，其中厚度测量装置用于实时测量金刚石的生长厚度，视觉装置用于实时检测表面缺陷情况和温差判断，测温装置用于实时检测金刚石温度，等离子体诊断装置用于测量金刚石生长面的各种含碳基团含量。

优选地，还包括用于带动基片台升降的升降台，所述升降台内设置有真空通道和冷却通道，所述基片台固设在升降台上表面，基片台下表面与升降台上表面构成真空腔，所述真空腔与所述真空通道连通，在所述真空腔内设置有监测气压的压力传感器。

优选地，所述上盖板上开设有与复合视窗适配的通孔，所述复合视窗设置在所述通孔内且对反应腔起到密封作用，所述复合视窗包括石英窗口和镀膜玻璃窗口，石英窗口和镀膜玻璃窗口之间设置有螺帽，所述螺帽外表面和所述通孔的内表面设置有相适配的螺纹；所述微波石英窗与沉积台的连接处设置有上真空密封圈，所述微波石英窗与底板的连接处设置有下真空密封圈。

优选地，所述复合视窗还包括固定装置、定位装置和密封装置，所述通孔内设置有卡接台阶，所述定位装置和密封装置设置在卡接台阶处与石英窗口共同起到对反应腔的密封作用，所述固定装置设置在所述镀膜玻璃窗口处并对其进行固定。

优选地，所述厚度测量装置采用激光测厚仪，所述视觉装置采用CCD视觉相机，所述测温装置采用红外测温仪，所述等离子体诊断装置采用等离子体光谱仪。

本发明还公开了一种金刚石制备方法，包括以下步骤：

（1）将MPCVD装置通过微波传导和微波调节装置连接至微波电源；将真空通道和反应腔的出气孔分别连接至抽真空装置；将冷却通道的入水口通过管道连接至冷却水源，在所述管道上设置有水流量调节装置；将设置在复合视窗处的厚度测量装置、视觉装置、测温装置、等离子体诊断装置、设置在真空腔和反应腔的压力传感器分别通信连接至上位机，上位机通信连接至控制单元，控制单元分别通信连接至微波电源控制系统、真空腔气压调节气路控制系统、反应腔气压调节气路控制系统、冷却通道水流量调节装置、以及升降台的升降控制装置，所述上位机上安装有用于对金刚石生长工艺参数进行优化的金刚石生长工艺专家优化系统；

（2）将处理好的大尺寸单晶金刚石或大尺寸单晶硅晶圆放置到基片台，将步骤（1）中的所有设备接通电源，开启抽真空装置将反应腔抽真空至气压为0.1Pa以下；微波电源、厚度测量装置、视觉装置、测温装置、等离子体诊断装置以及压力传感器对金刚石生长工艺参数进行实时测量并将数据发送至上位机；

（3）通过反应腔气压调节气路控制系统从进气孔向反应腔内通入甲烷、氢气和氮气使反应腔内的气压到预设值；通过升降控制装置将基片台升降至预设高度；

（4）开启微波电源至微波功率到预设值；通过真空腔气压调节气路控制系统调节基片台真空腔内气压至预设值；在金刚石生长过程中从进气孔一直通入反应气体，从出气孔一直往外抽出气体；

（5）测温装置测量的金刚石温度达到预设值后，通过水流量调节装置调节冷却通道内的水流量，从而调节金刚石表面的温差，使视觉装置测量的金刚石表面温差达到预设值；

（6）安装在上位机上的金刚石生长工艺专家优化系统通过人工神经网络建立各工艺参数与金刚石品质的耦合关系模型，采用遗传算法分别对微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差进行优化，得出优化后的工艺参数；

（7）根据优化后的微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差，通过控制单元控制微波电源控制系统、真空腔气压调节气路控制系统、反应腔气压调节气路控制系统、冷却通道水流量调节装置的工作，使微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差达到优化值；同时根据金刚石的厚度数据，通过控制单元控制升降台升降装置，实时调节升降台高度，保持金刚石生长面处于同一高度；

（8）采用优化后的金刚石生长工艺参数进行单晶金刚石或多晶金刚石生长，当金刚石的厚度达到预设值时，停止金刚石的生长，关闭微波电源，关闭气体，抽真空后进行关机。

优选地，所述的金刚石生长工艺专家优化系统是基于人工神经网路和遗传算法构建，构建方法包括以下步骤：

（A）数据集的建立及预处理；

选取多组由功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压、气体成分分布数据和金刚石品质组成的数据，作为数据集，并采用线性变化法对输入层数据进行归一化处理，对输出层数据作反归一化处理；将数据集中的数据划分训练集和测试集；

（B）BP神经网络的构建及初始化；

建立预测金刚石品质的神经网络预测模型，由一个输入层、一个隐含层和一个输出层组成。以功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压5个工艺参数作为输入层的神经元，以气体成分分布数据和金刚石品质作为输出层的神经元，隐含层神经元个数为3-13个。设置激活函数、训练函数和误差控制函数等参数，进行神经网络的初始化；

（C）神经网络训练和测试；

采用训练集，对BP神经网络模型进行训练，直至实际输出与期望输出之间的偏差达到设定值时训练结束。采用测试集对训练好的神经网络模型进行测试。完成BP神经网络的金刚石品质预测模型；

（D）基于遗传算法的工艺参数优化；

以功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压5个工艺参数作为优化目标，以基于BP神经网络的金刚石品质预测模型为目标函数，使用遗传算法对工艺参数进行全局优化，得出优化后的功率、温差、反应腔气压和真空腔气压。

优选地，步骤（7）中使反应腔气压达到优化值的方法为，控制单元向反应腔气压调节气路控制系统发送调节信号，通过出气孔、真空阀、抽真空装置调节反应腔内的气体抽出速率，从而调节反应腔气压。当反应腔气压小于优化值时，单位时间内少抽出一部分气体；当反应腔气压大于优化值时，单位时间内多抽出一部分气体。

优选地，步骤（7）中使金刚石表面的温差达到优化值的方法为，可编程控制器向水流量调节装置发送脉冲信号，水流量调节装置调节冷却通道内的水流量，从而调节金刚石表面的温差；步骤（8）中，可编程控制器向升降控制装置发送脉冲信号，调节升降台高度，使金刚石的生长面始终处于同一高度。

一种大尺寸金刚石，采用本发明的方法制备而成，所述大尺寸金刚石的红外8-12μm波段透过率超过70%；金刚石杂质含量小于1ppm，热导率≥2000 W/mK。

本发明的有益效果如下：

通过设置复合视窗，可有效防止视窗处微波泄露：通过设置压力传感器、厚度测量装置、视觉装置、测温装置以及等离子体诊断装置，可以实时对反应腔内的气压、金刚石厚度、金刚石表面温差、金刚石温度以及金刚石生长面的各种含碳基团含量进行监测。

通过设置升降台，可以使金刚石的生长面始终处于同一高度，使金刚石的生长面始终处于同一生长环境；通过设置真空通道，与基片台真空腔构成真空环境，通过调节真空度的大小，可以调节金刚石生长温度的高低；通过设置冷却通道，可以对基片台进行散热，调节基片台中心至边上的温度均匀性。

由于设置了厚度测量装置、视觉装置、测温装置、等离子体诊断装置以及压力传感器，可以实时对金刚石的生长工艺参数进行监控；通过安装有金刚石生长工艺专家优化系统的上位机，可以对金刚石生长工艺参数进行优化，得出优化后的工艺参数，使得制备出的金刚石质量更好。

附图说明

图1为本发明的MPCVD装置结构示意图；

图2为本发明的MPCVD装置的各个部件的三维结构示意图；

图3为本发明的MPCVD装置的主视图；

图4为本发明的MPCVD装置的左视图；

图5为本发明的MPCVD装置的俯视图；

图6为升降台和基片台的配合示意图；

图7为升降台的仰视图；

图8为图1中A处放大图；

图9为本发明复合视窗的三维结构示意图；

图10为本发明的方法步骤示意图；

图11为本发明的BP神经网络模型；

图12为由本发明方法制备的单晶金刚石红外透过率示意图；

图13为本发明的方法制备的多晶金刚石中心、1/2处、边缘处的红外透过率。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明的一种MPCVD装置，包括用于带动基片台升降的升降台7、沉积台18、基片台20、微波石英窗5、上盖板15、底板12，设置在反应腔内用于测量反应腔内气压的压力传感器、设置在上盖板上的多个复合视窗16、设置在复合视窗处的厚度测量装置23、视觉装置25、测温装置26以及等离子体诊断装置17；上盖板与底板围成反应腔，在上盖板的顶部设置有进气孔24，在底板上设置有出气孔10，所述出气孔10接入抽真空装置，以便将反应腔抽为真空环境；微波石英窗5为圆环形，设于沉积台18与底板12之间，通过微波石英窗5将反应腔与外界空气隔离；在底板12与上盖板的连接处通过O型密封圈组进行密封，所述O型密封圈组包括呈同心圆设置的真空密封圈13及微波屏蔽密封圈14，所述O型密封圈组设于底板上的密封槽内；所述微波石英窗与沉积台的连接处设置有上真空密封圈11，所述微波石英窗与底板的连接处设置有下真空密封圈9。厚度测量装置23用于实时测量金刚石的生长厚度，视觉装置25用于实时检测表面缺陷情况和温差判断，测温装置26用于实时检测金刚石21的温度，等离子体诊断装置17用于测量金刚石生长面的各种含碳基团含量。通过设置复合视窗16，可有效防止视窗处微波泄露：通过设置压力传感器、厚度测量装置、视觉装置、测温装置以及等离子体诊断装置，可以实时对反应腔内的气压、金刚石厚度、金刚石表面温差、金刚石温度以及金刚石生长面的各种含碳基团含量进行监测。上盖板15上开设有与复合视窗适配的通孔，所述复合视窗设置在所述通孔内且对反应腔起到密封作用。石英窗口与上盖板可采用吸波或导电型硅橡胶。

如图6图7所示，升降台内设置有真空通道42和冷却通道19，冷却通道19具有冷却循环水入口51和冷却循环水出口52；所述基片台固设在升降台上表面，基片台下表面与升降台上表面构成真空腔41，所述真空腔41与所述真空通道42连通，在所述真空腔内设置有监测气压的压力传感器。基片台与升降台的连接处有微小缝隙，使反应腔内的气体可以进入真空腔内。通过设置升降台，可以使金刚石21的生长面始终处于同一高度，使金刚石的生长面始终处于同一生长环境；通过设置真空通道，与基片台真空腔构成真空环境，通过调节真空度的大小，可以调节金刚石生长温度的高低；通过设置冷却通道，可以对基片台进行散热，调节基片台中心至边上的温度均匀性。

如图8图9所示，复合视窗包括固定装置36、定位装置31、密封装置32、石英窗口33和镀膜玻璃窗口35，石英窗口和镀膜玻璃窗口之间设置有螺帽34，所述螺帽外表面和所述通孔的内表面设置有相适配的螺纹；所述通孔内设置有卡接台阶，所述定位装置和密封装置设置在卡接台阶处与石英窗口共同起到对反应腔的密封作用，所述固定装置36设置在所述镀膜玻璃窗口35处并对其进行固定。

所述固定装置36可采用内胀固定套；所述定位装置31可采用定位环；所述密封装置32可采用密封圈。所述厚度测量装置可采用激光测厚仪，所述视觉装置可采用CCD视觉相机，所述测温装置可采用红外测温仪，所述等离子体诊断装置可采用等离子体光谱仪。

如图1和图10所示，本发明的金刚石制备方法，包括以下步骤：

（1）将MPCVD装置通过微波传导装置和微波调节装置连接至微波电源；将真空通道和反应腔的出气孔分别连接至抽真空装置；将冷却通道的入水口通过管道连接至冷却水源，在所述管道上设置有水流量调节装置；将设置在复合视窗处的厚度测量装置、视觉装置、测温装置、等离子体诊断装置、设置在反应腔的压力传感器以及设置在真空腔的压力传感器分别通信连接至上位机并实时向上位机传输工艺参数数据，上位机通信连接至控制单元，控制单元分别通信连接至微波电源控制系统、真空腔气压调节气路控制系统、反应腔气压调节气路控制系统、冷却通道水流量调节装置、以及升降台的升降控制装置，所述上位机上安装有用于对金刚石生长工艺参数进行优化的金刚石生长工艺专家优化系统；

控制单元可采用可编程控制器。

反应腔气压调节气路控制系统包括分别连接至甲烷、氢气、氮气等气源的管道，各管道的出气口通过汇流阀连接至反应腔的进气孔，反应腔的出气孔通过真空阀连接至抽真空装置，在各气路的管道上分别设置有自动控制通断阀，真空阀与自动控制通断阀的受控端分别通信连接至控制单元；

真空腔气压调节气路控制系统，包括升降台真空通道、基片台下表面与升降台上表面构成的真空腔，真空通道通过真空阀连接至抽真空装置，所述真空阀与控制单元通信连接。

金刚石生长工艺专家优化系统是基于人工神经网路和遗传算法构建，构建方法包括以下步骤：

（A）数据集的建立及预处理；

选取20-200组由功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压、气体成分分布数据和金刚石品质组成的数据，作为数据集，并采用线性变化法对输入层数据进行归一化处理，变换后数据的范围为[0.1,0.9]，对输出层数据作反归一化处理；将数据集中的数据划分训练集和测试集，其中80%的数据作为训练集，20%的数据作为测试集；

（B）BP神经网络的构建及初始化；

建立预测金刚石品质的神经网络预测模型，由一个输入层、一个隐含层和一个输出层组成。以功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压5个工艺参数作为输入层的神经元，以气体成分分布数据和金刚石品质作为输出层的神经元，隐含层神经元个数为3-13个。设置激活函数、训练函数和误差控制函数等参数，进行神经网络的初始化；激活函数选用tansig函数，训练函数选用trainlm函数，误差控制函数选用MES函数。

（C）神经网络训练和测试；

采用训练集，对BP神经网络模型进行训练，直至实际输出与期望输出之间的偏差达到设定值时训练结束。采用测试集对训练好的神经网络模型进行测试。完成BP神经网络的金刚石品质预测模型；

（D）基于遗传算法的工艺参数优化；

以功率、温度、温差、反应腔气压、真空腔气压5个工艺参数作为优化目标，以基于BP神经网络的金刚石品质预测模型为目标函数，使用遗传算法对工艺参数进行全局优化，得出优化后的功率、温差、反应腔气压和真空腔气压。

（2）将处理好的大尺寸单晶金刚石或大尺寸单晶硅晶圆放置到基片台，将步骤（1）中的所有设备接通电源，开启抽真空装置将反应腔抽真空至气压为0.1Pa以下；微波电源、厚度测量装置、视觉装置、测温装置、等离子体诊断装置以及压力传感器对金刚石生长工艺参数进行实时测量并将数据发送至上位机；

大尺寸金刚石为1-8英寸单晶或多晶金刚石；放置厚度较小的大尺寸单晶金刚石时，生长出产品为厚度较大的大尺寸单晶金刚石；放置厚度较小的大尺寸单晶硅晶圆时，生长出产品为厚度较大的大尺寸多晶金刚石。

（3）通过反应腔气压调节气路控制系统从进气孔向反应腔内通入甲烷、氢气和氮气使反应腔内的气压到预设值；通过升降控制装置将基片台升降至预设高度；

（4）开启微波电源至微波功率到预设值，由微波电源控制系统进行控制，开启微波电源1产生微波，沿着矩形波导3进行传播，通过微波模式转换器4、环形天线6和环形石英窗口5耦合后进入谐振腔，通过调节三销钉2和短路活塞8调节微波反射系统，使其反射系数最小，提高转换效率；

通过真空腔气压调节气路控制系统调节基片台真空腔内气压至预设值；在金刚石生长过程中从进气孔一直通入反应气体，从出气孔一直往外抽出气体；

开启微波电源后反应腔内会产生等离子体22，微波电源功率预设值为4-100kw；基片台真空腔内气压预设值为0-10KPa；

（5）测温装置测量的金刚石温度达到预设值后，通过水流量调节装置调节冷却通道内的水流量，从而调节金刚石表面的温差，使视觉装置测量的金刚石表面温差达到预设值；

金刚石温度预设值为850-1150℃；金刚石表面温差预设值为0-80℃；

（6）安装在上位机上的金刚石生长工艺专家优化系统通过人工神经网络建立各工艺参数与金刚石品质的耦合关系模型，采用遗传算法分别对微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差进行优化，得出优化后的工艺参数；

（7）根据优化后的微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差，通过控制单元控制微波电源控制系统、真空腔气压调节气路控制系统、反应腔气压调节气路控制系统、冷却通道水流量调节装置的工作，使微波功率、反应腔气压、真空腔气压以及金刚石表面温差达到优化值；同时根据金刚石的厚度数据，通过控制单元控制升降台升降装置，实时调节升降台高度，保持金刚石生长面处于同一高度；

使反应腔气压达到优化值的方法为，控制单元向反应腔气压调节气路系统发送调节信号，通过出气孔、真空阀、抽真空装置调节反应腔内的气体抽出速率，从而调节反应腔气压。当反应腔气压小于优化值时，单位时间内少抽出一部分气体；当反应腔气压大于优化值时，单位时间内多抽出一部分气体。

使真空腔气压达到优化值的方法为，当真空腔气压大于优化值时，控制单元向真空腔气压调节气路控制系统发送脉冲信号，通过调节真空阀开合程度，使单位时间内多抽出一部分气体；当真空腔气压小于优化值时，通过调节真空阀开合程度，使单位时间内少抽出一部分气体。

使金刚石表面的温差达到优化值的方法为，控制单元向水流量调节装置发送脉冲信号，水流量调节装置调节冷却通道内的水流量，从而调节金刚石表面的温差。

（8）采用优化后的金刚石生长工艺参数进行单晶或多晶金刚石生长，当金刚石的厚度达到预设值时，停止金刚石的生长，关闭微波电源，关闭气体，抽真空后进行关机。

实施例一

按照本发明的方法步骤执行操作，当基片台上放置的是2英寸单晶金刚石时，反应腔内气压预设值为18Kpa；升降台升至位移20mm处；H

实施例二

按照本发明的方法步骤执行操作，当基片台上放置的是4英寸单晶金刚石或者4英寸面积范围内放置多片单晶金刚石或4英寸单晶硅片时，反应腔内气压预设值为14Kpa；升降台升至位移20mm处；H

本发明的方法由于设置了安装有专家工艺优化系统的上位机，可以接收采集装置采集的金刚石表面温度、微波电源功率、金刚石表面温差、金刚石厚度、真空腔气压、金刚石表面的气体成分分布，与金刚石的品质形成耦合关系，通过工艺专家优化系统，进行预设值的优化，并根据优化后的工艺参数通过可编程控制器对工艺参数进行调节，保证了金刚石始终处于最优的生长环境，制备出的金刚石品质较高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。