一种单晶金刚石生长过程中的监测装置的制作方法

本实用新型涉及单晶金刚石技术领域，特别是涉及一种单晶金刚石生长过程中的监测装置。

背景技术：

采用微波等离子体化学气相沉积设备即mpcvd(microwaveplasmachemicalvapordeposition)生长克拉级单晶金刚石时，晶种放入cvd设备后需要进行10-15天左右的长时间生长，生长过程中由于技术工艺水平、晶种质量、外部环境因素等等各种条件的影响，非常容易在某一时间节点出现多晶生长、黑色碳包裹体、以及内部应力问题，进而影响产品良率，造成成本的增加。而金刚石处于1000℃左右的高温下，现有的观测手段(主要是肉眼观测)无法观测到是否有多晶的生成，也就是说一旦初始生长质量不好，接下来时间内，水、电、气、人工等各方面成本均会造成浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种单晶金刚石生长过程中的监测装置，以解决现有技术中无法实时观测到是否有多晶或包裹体等生成，无法对单晶金刚石生长进行监测，从而因工艺或其他因素造成成本浪费的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种单晶金刚石生长过程中的监测装置，包括化学气相沉积设备、厚度监测设备和移动平台；

所述化学气相沉积设备设有沉积室、沉积平台和可视窗；所述可视窗用于监测放置于所述沉积平台上的金刚石，所述沉积平台设于所述沉积室内；

所述厚度监测设备包括厚度监测部件和物镜，所述物镜用于通过所述可视窗监测放置于所述沉积平台上的金刚石；所述厚度监测部件与所述物镜及所述移动平台连接，用于获得单晶金刚石表面各检测处对应的厚度和位置数据，所述物镜设于所述移动平台上且朝向所述化学气相沉积设备。

优选地，所述化学气相沉积设备为微波等离子体化学气相沉积设备。

优选地，所述移动平台为xy移动平台。

优选地，所述厚度监测部件包括厚度监测单元及控制器，所述厚度监测单元与所述物镜连接，用于获得单晶金刚石表面各检测处厚度计算来源数据，所述控制器与所述移动平台及所述厚度监测单元通讯连接。

更优选地，所述厚度监测单元为迈克尔逊干涉仪。

更优选地，所述控制器包括：

移动控制单元，所述移动控制单元与所述移动平台连接，用于控制所述移动平台的移动及提供单晶金刚石表面各检测处的位置数据；

厚度计算单元，用于从所述厚度监测单元获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度计算来源数据并计算获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据；

信息单元，用于匹配并提供从所述厚度计算单元获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据，及从所述移动控制平台获得的单晶金刚石表面各检测处的位置数据。

更优选地，所述厚度监测单元为迈克尔逊干涉仪。

更优选地，所述厚度监测部件还包括厚度计算单元，用于从厚度监测单元获得厚度计算来源数据并计算获得单晶金刚石厚度。

进一步更优选地，所述厚度监测部件还包括控制单元，用于控制所述移动平台的移动，所述控制单元与所述移动平台连接。

再进一步更优选地，所述控制单元与所述厚度计算单元连接，所述厚度计算单元用于从所述控制单元获得单晶金刚石位置。

再再进一步更优选地，所述厚度监测部件还包括三维形貌模拟单元，用于从所述控制单元获得单晶金刚石位置，从所述厚度计算单元获得单晶金刚石厚度，并将所述位置与所述单晶金刚石厚度进行三维模拟，获得单晶金刚石的三维形貌。

进一步更优选地，所述控制器还包括终止信号判断与发送模块，用于依据所述信息单元提供的单晶金刚石表面各检测处的厚度和位置数据确定是否终止单晶金刚石生长并发送终止信号。

进一步更优选地，所述信息单元还用于将单晶金刚石表面各检测处的位置数据与单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据进行三维模拟，获得单晶金刚石的三维形貌。

上述技术方案具有以下有益效果：

本实用新型提供一种单晶金刚石生长过程中的监测装置，通过移动平台和厚度监测设备例如迈克尔逊干涉仪，可以实时监测单晶金刚石厚度，除边缘少数区域外，理想的单晶金刚石各区域生长速率应保持一致，一旦局部某些区域生长速率高于或低于整体速率，则表示有多晶、包裹体等缺陷生成，则在高度上可观测到明显的变化，进而可以决定是否中断生产，减少水、电、气、人工等各方面的损失。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种单晶金刚石生长过程中的监测装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例的一种单晶金刚石生长过程中的监测装置中厚度监测部件的示意图。

图3是单晶金刚石晶种表面预定比例涵盖的单晶金刚石表面的示意图。

附图标记

1化学气相沉积设备

11沉积室

12沉积平台

13可视窗

2厚度监测设备

21厚度监测部件

211厚度监测单元

212控制器

2121移动控制单元

2122厚度计算单元

2123信息单元

2124终止信号判断与发送模块

22物镜

3移动平台

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种单晶金刚石生长过程中的监测装置，包括化学气相沉积设备1、厚度监测设备2和移动平台3；

所述化学气相沉积设备1设有沉积室11、沉积平台12和可视窗13；所述可视窗13用于监测放置于所述沉积平台12上的金刚石，所述沉积平台12设于所述沉积室11内；

所述厚度监测设备2包括厚度监测部件21和物镜22，所述物镜22用于通过所述可视窗13监测放置于所述沉积平台12上的金刚石；所述厚度监测部件21与所述物镜22及所述移动平台3连接，用于获得单晶金刚石表面各检测处对应的厚度和位置数据，所述物镜22设于所述移动平台3上且朝向所述化学气相沉积设备1。

该监测装置通过移动平台和厚度监测设备例如迈克尔逊干涉仪，可以实时监测单晶金刚石厚度，一旦局部在高度上可观测到明显的变化，进而决定是否中断生产，减少水、电、气、人工等各方面的损失。

所述化学气相沉积设备1为微波等离子体化学气相沉积设备。将单晶金刚石晶种放置于化学气相沉积设备1的沉积室11内，含碳气体(如甲烷)和氢气的混合物在高温和低于标准大气压的压力及微波下被激发分解，形成等离子态碳原子，并在单晶金刚石晶种上沉积交互生长成单晶金刚石。

所述移动控制平台3为xy移动平台。例如：希思克csk精密定位平台lma系列，带动设于移动平台3上的物镜22移动。

在一优选的实施方式中，所述厚度监测部件21包括厚度监测单元211及控制器212，所述厚度监测单元211与所述物镜22连接，用于获得单晶金刚石表面各检测处厚度计算来源数据，所述控制器212与所述移动平台3及所述厚度监测单元211通讯连接。厚度监测单元211可通过光纤与物镜22连接，厚度监测单元211发射光信号，并经物镜22向单晶金刚石发射光信号，并将反馈光信号传回至厚度监测单元211。

在一优选的实施方式中，所述厚度监测单元211为迈克尔逊干涉仪。厚度监测单元211的波长避开等离子体的发射波长，波长≥985nm。波长差异优选在±15nm以内(单色性较好的激光)，如波长为1000nm，实际发射波长在985nm～1015nm内即可。

在一优选的实施方式中，如图2所示，所述控制器212包括：

移动控制单元2121，所述移动控制单元2121与所述移动平台3连接，用于控制所述移动平台3的移动及提供单晶金刚石表面各检测处的位置数据；

厚度计算单元2122，用于从所述厚度监测单元211获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度计算来源数据并计算获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据；

信息单元2123，用于匹配并提供从所述厚度计算单元212获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据，及从所述移动控制平台3获得的单晶金刚石表面各检测处的位置数据。

所述厚度计算单元依据如下计算公式计算厚度：

其中，vm2为迈克尔逊干涉仪中反射动镜的物理移动速度；

n0是单晶金刚石常温下的折射率；

dn/dt：单晶金刚石折射率随温度变化系数；

△t：单晶金刚石温度与室温温差；

t2：迈克尔逊干涉仪测试到单晶金刚石底部干涉条纹的时间；

t1：迈克尔逊干涉仪测试到单晶金刚石顶部干涉条纹的时间。

在一优选的实施方式中，如图2所示，所述控制器212还包括终止信号判断与发送模块2124，用于依据所述信息单元2123提供的单晶金刚石表面各检测处的厚度和位置数据确定是否终止单晶金刚石生长并发送终止信号。

当监测对象为单颗单晶金刚石时，满足以下任一条件则终止单晶金刚石生长：

a1)当单晶金刚石厚度小于1mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞50μm，终止单晶金刚石生长；

a2)当1mm≤单晶金刚石厚度＜2mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞100μm，终止单晶金刚石生长；

a3)当2mm≤单晶金刚石厚度≤3mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞150μm，终止单晶金刚石生长；

a4)当单晶金刚石厚度＞3mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞200μm，终止单晶金刚石生长。

距单晶金刚石表面中心点预定比例是指单晶金刚石晶种表面预定比例涵盖的单晶金刚石表面，该预定比例涵盖的单晶金刚石表面的中心在单晶金刚石晶种表面的中心轴上，所述单晶金刚石晶种表面的中心轴通过该预定比例涵盖的单晶金刚石表面的中心且垂直于单晶金刚石晶种表面。预定比例可根据经验确认，例如可以为距单晶金刚石表面中心点70％，单晶金刚石晶种表面如为8mm*8mm正方形，则单晶金刚石晶种表面70％涵盖的单晶金刚石表面的中心在单晶金刚石晶种表面的中心轴上，在5.6mm*5.6mm正方形涵盖的单晶金刚石表面，见图3种阴影部分。

在一优选的实施方式中，当监测对象为多颗单晶金刚石时，满足下列条件时终止单晶金刚石生长：良率低于预定比例则终止单晶金刚石生长，其中，良率＝不符合单颗单晶金刚石生长条件的单晶金刚石颗数/单晶金刚石的总颗数，满足以下任一条件则判定为不符合单颗单晶金刚石生长条件：

a1)当单晶金刚石厚度小于1mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞50μm，终止单晶金刚石生长；

a2)当1mm≤单晶金刚石厚度＜2mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞100μm，终止单晶金刚石生长；

a3)当2mm≤单晶金刚石厚度≤3mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞150μm，终止单晶金刚石生长；

a4)当单晶金刚石厚度＞3mm时，距单晶金刚石表面中心点预定比例的单晶金刚石表面的最高点与最低点厚度差＞200μm，终止单晶金刚石生长。

良率低于的预定比例可根据经验确认，例如可以为50％。

在一优选的实施方式中，如图2所示，所述信息单元2123还用于将单晶金刚石表面各检测处的位置数据与单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据进行三维模拟，获得单晶金刚石的三维形貌。

使用时，将单晶金刚石晶种放置于化学气相沉积设备1的沉积室11内，含碳气体(如甲烷)和氢气的混合物在高温和低于标准大气压的压力及微波下被激发分解，形成等离子态碳原子，并在单晶金刚石晶种上沉积交互生长成单晶金刚石，在生长的过程中，厚度监测设备2中物镜22经移动平台3可移动，当其在某一位置时，物镜22经可视窗13监测放置于所述沉积平台12上的单晶金刚石，物镜22与厚度监测部件21可经光纤连接，从厚度监测单元211获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度计算来源数据并计算获得单晶金刚石表面各检测处单晶金刚石厚度数据，连续移动物镜22可以获得单晶金刚石的尺寸数据，还可形成图像。生长过程中连续不间断的测试可以获得单晶金刚石表面各检测处对应的厚度和位置数据，通过处理还可以获得单晶金刚石的生长速率、表面生长状态等信息。实时监测单晶金刚石厚度，除边缘少数区域外，理想的单晶金刚石各区域生长速率应保持一致，一旦局部某些区域生长速率高于或低于整体速率，则表示有多晶、包裹体等缺陷生成，则在高度上可观测到明显的变化，进而可以决定是否中断生产，减少水、电、气、人工等各方面的损失。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。