气体外循环型热丝 cvd 金刚石膜生长装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置。
【背景技术】
[0002]金刚石具有极其优异的的电学(电子学)、光学、热学、声学、电化学性能，是一种典型的多功能超极限材料，在众多高新技术领域均有极佳的应用前景。但是大尺寸高质量的天然金刚石极其稀少，而高温高压合成的金刚石大多数以金刚石颗粒形式出现，无法满足高技术应用要求。
[0003]CVD(化学气相沉淀)金刚石薄膜因具有天然金刚石的高硬度、高热导率、低摩擦系数和低热膨胀系数等诸多优异的性能，而被誉为21世纪最具有发展前途的新型涂层材料。目前，常用的制备方法主要有微波CVD、热丝CVD、直流电弧等离子体、燃烧法等，其共性是稀释在过量氢气中的低分子碳烃气体在一定能量的激发下产生的等离子体，通过适宜的沉积条件在基片上沉积金刚石膜，但是生长速率低，生长面积小，成膜质量低仍是目前亟需解决的问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种大面积、高速率、廉价的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置。
[0005]本实用新型的技术方案:
[0006]一种气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，该装置在密闭真空室中设置反应腔，反应腔顶端设有循环通风口，循环通风口的下方反应腔中并排设置加热管组；循环进风口通过管路与真空室的侧面连通，形成外循环风道。
[0007]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，反应腔内加热管组的下方设有放置硅片衬底的衬底盘。
[0008]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，衬底盘上设有热电偶。
[0009]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，真空室的顶部设有进气口，真空室的底部设有抽气口。
[0010]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，在所述外循环风道上设有风
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[0011]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，加热管组为并排设置的不锈钢铠装加热管构成。
[0012]所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，加热管组的接线端接直流电源，直流电源设置于真空室外侧。
[0013]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及有益效果:
[0014]1、由于本实用新型中设有多根并排铠装加热管构成的加热管组，从而形成大面积均匀温度场，相对微波CVD来说，沉积的膜面积很大。因此，可以实现金刚石膜的大面积生长。
[0015]2、由于本实用新型中加热管组上方设有进风口，可以在沉积面产生高流速反应气体，使得在沉积表面有足够多的活性基团，实现金刚石膜的高速率生长；同时可以在反应腔内产生循环气流，使得氢气在腔内反复参与沉积，减少氢气的消耗。
[0016]3、常规热丝CVD的沉积速率一般在I?10 μ m/h，而本实用新型增大气流速率后其沉积速率会增加到120 μ m/h，是常规方法的12?120倍。
[0017]4、通常采用的热丝CVD中，氢气是一次性使用，浪费极大。而本实用新型仅需要10?10sccm的氢气流量即可保持金刚石膜的高速生长，相对于常规CVD的100sccm来说，氢气消耗量减少了 90?99%，这对于连续生长和生长膜时很有必要。
[0018]5、本实用新型气体外循环型加热CVD金刚石膜生长装置能快速、高质量、大面积地沉积金刚石膜，利用该装置可以进行多方面的科学实验研究，如:高端金刚石刀具的制备、超声速和高超声速导弹窗口、核聚变堆的高功率微波窗口、微机电系统(MEMS)、生物医学应用、电化学应用、金刚石探测器和传感器、金刚石主动半导体器件及在量子计算等方面。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的结构示意图。
[0020]图中:I一进气口 ；2—循环进风口 ；3—风扇；4一衬底盘；5—抽气口 ；6—直流电源；7—热电偶；8—加热管组；9一反应腔；10—真空室。
【具体实施方式】
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[0021]下面，结合附图和实施例对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明。对于这些实施例的详细描述，应该理解为本领域的技术人员可以通过本实用新型来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权力要求书的精神和本实用新型范畴的情况下，对所示实例进行更改和/或改变。此外，虽然在实施例中公布了本实用新型的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本实用新型的功能。
[0022]如图1所示，本实用新型气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，该装置主要包括:进气口 1、循环进风口 2、风扇3、衬底盘4、抽气口 5、直流电源6、热电偶7、铠装加热管8、反应腔9、真空室10等，具体结构如下:
[0023]密闭真空室10中设置反应腔9，反应腔9顶端设有循环通风口 2，循环进风口 2通过管路与真空室10的侧面连通，形成外循环风道，在所述外循环风道上设有风扇3。循环通风口 2的下方反应腔9中并排设置不锈钢铠装加热管构成的加热管组8，加热管组8的接线端接直流电源6，直流电源6设置于真空室10外侧。反应腔9内加热管组8的下方设有衬底盘4，衬底盘4上设有热电偶7。真空室10的顶部设有进气口 1，真空室10的底部设有抽气口 5，进气口 I的进气流量和抽气口 5的抽气流量均为O?500sccm。
[0024]实施例
[0025]本实施例中，先将预先清洗干净的硅片衬底放在衬底盘4上，然后用机械栗和分子栗将反应腔9内的压强抽至10 4?10 5Pa0通过增加直流电源6供给加热管组8的电压，使反应腔9内的温度达到2000?2400°C，从进气口 I将200sccm的CH4+H2 (体积比为1:1)通入反应腔9，同时开启风扇3，调整加热管组8的电压，使温度稳定在2200°C，反应气压为3000?5000Pa，此时风扇3所产生的气流以100sccm以上的速度通过加热管组8，由于加热管组8的热解及离化作用，在加热管组8周围产生大范围的等离子体(其中含有大量的碳氢碎片)，碳氢碎片在硅衬底表面逐渐吸附并外延形成金刚石膜，反应后的残余气体在温度小于600°C的地方复合为氢分子及其它碳氢化合物。
[0026]由于风扇3的单向送气特性，必然在反应腔9内形成循环气流，这样氢气在整个反应中将被反复利用。在反应过程中，只需维持通入的CHjPH2K例及反应腔9内反应气压不变，整个沉积过程即可持续不断进行。等到生长到需求的厚度后，即可停止反应气体的通入，同时缓慢的降低加热管组8两端的直流电压，直到电压降为0，同时真空室10自然冷却，直至反应腔9内温度达到室温，即可打开反应腔9，取出样品。
[0027]实施例结果表明，本实用新型通过气体外循环型加热CVD金刚石膜生长装置，实现金刚石膜的大面积生长，可以在沉积面产生高流速反应气体，使得在沉积表面有足够多的活性基团，从而实现金刚石膜的高速率生长。同时，可以在反应腔内产生循环气流，使得氢气在腔内反复参与沉积，从而减少氢气的消耗。因此，本实用新型不仅可以应用于实验室在金刚石材料方面的研究，也可应用于大规模的工业化生产，就有很高的实用价值。
[0028]以上所述的仅是本实用新型所列举的最优实施方式。需要指出，对于本技术领域的所有技术人员，在不脱离所附权力要求书的精神和本实用新型所示原理的范畴情况下，还可以对所示实例进行更改和/或改变，这些改变也应被视为本实用新型的权利保护范围。
【主权项】
1.一种气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，该装置在密闭真空室中设置反应腔，反应腔顶端设有循环通风口，循环通风口的下方反应腔中并排设置加热管组；循环进风口通过管路与真空室的侧面连通，形成外循环风道。2.根据权利要求1所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，反应腔内加热管组的下方设有放置硅片衬底的衬底盘。3.根据权利要求2所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，衬底盘上设有热电偶。4.根据权利要求1所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，真空室的顶部设有进气口，真空室的底部设有抽气口。5.根据权利要求1所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，在所述外循环风道上设有风扇。6.根据权利要求1所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，加热管组为并排设置的不锈钢铠装加热管构成。7.根据权利要求1所述的气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置，其特征在于，加热管组的接线端接直流电源，直流电源设置于真空室外侧。
【专利摘要】本实用新型涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种气体外循环型热丝CVD金刚石膜生长装置。该装置在密闭真空室中设置反应腔，反应腔顶端设有循环通风口，循环通风口的下方反应腔中并排设置加热管组，反应腔内加热管组的下方设有放置硅片衬底的衬底盘，衬底盘上设有热电偶；真空室的顶部设有进气口，真空室的底部设有抽气口；循环进风口通过管路与真空室的侧面连通，形成外循环风道。本实用新型可以实现金刚石膜的大面积、高速率生长，并减少氢气的消耗，降低生产成本。
【IPC分类】C23C16/46, C23C16/27, C23C16/455
【公开号】CN204898064
【申请号】CN201520489578
【发明人】姜辛, 刘鲁生, 史丹, 贾文博, 黄楠, 刘宝丹
【申请人】中国科学院金属研究所
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年7月7日