一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备及生长方法
技术领域
1.本发明属于金刚石制备领域，具体涉及一种无外接原料气体的高品质金刚石微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)装置及生长方法。


背景技术：

2.金刚石材料，尤其是单晶金刚石材料，凭借其优异的性能(高热导率、高透过率、高稳定性、高载流子迁移率、高硬度等)在航空宇航、电力电子、精密加工等领域都有极其重要的应用价值。微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)技术是目前制备大尺寸、高品质单晶金刚石的有效途径之一。相比于传统的高温高压(hpht)金刚石合成技术，mpcvd金刚石制备具有纯度高、尺寸大、效率高等优点。然而mpcvd金刚石制备所依赖的mpcvd生长设备，采用了氢气、甲烷等作为原料气体，在安装使用中需配套外接的气体管路和气瓶，相关耐腐蚀管路和气瓶储藏场所根据场地情况设计复杂且造价昂贵，在大规模生产时同样面临安全问题，这些制约了金刚石材料的大批量生产进程。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有mpcvd生长设备需要以氢气、甲烷等作为原料气体，气体管路安装复杂的问题，而提供一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备及生长方法。
4.本发明一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备包括反应室内腔腔体、反应室内腔抽速控制阀、石墨碳源可控样品台、反应室外腔腔体、反应室外腔抽速控制阀、氢气发生器、样品测温计、碳源测温计、真空泵、微波源和波导管，所述的反应室内腔腔体套设在反应室外腔腔体内部，反应室内腔腔体和反应室外腔腔体之间形成间隔腔体，反应室内腔腔体的底部与竖直波导管相连通，水平波导管的一端与竖直波导管相连通，水平波导管的另一端与微波源相连，石墨碳源可控样品台设置在反应室内腔腔体内，石墨碳源可控样品台与竖直波导管同轴设置，在石墨碳源可控样品台的上表面开有沟槽，沟槽内装填有石墨碳源，石墨碳源可控样品台的底部设置有升降装置；
5.反应室内腔腔体和间隔腔的底部分别通过第一气路与真空泵相连，反应室内腔腔体和真空泵相连的第一气路上设置有反应室内腔抽速控制阀，间隔腔体和真空泵相连的第一气路上设置有反应室外腔抽速控制阀，氢气发生器通过第二气路与反应室内腔腔体相连通，通过样品测温计探测样品温度，碳源测温计探测石墨碳源的温度。
6.本发明应用一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备生长高品质金刚石的方法按照以下步骤实现：
7.一、将石墨粉填充于石墨碳源可控样品台表面的沟槽中，将清洗过的金刚石籽晶放置于石墨碳源可控样品台上，关闭反应室内腔腔体和反应室外腔腔体；
8.二、打开氢气发生器，设定氢气流量为100-500sccm，打开微波源在反应室内腔腔
体中形成等离子体；
9.三、逐步升高反应室内腔腔体的气压与微波输入功率，通过升降装置调节石墨碳源可控样品台的高度控制金刚石样品达到生长工艺所需温度t1，同时调节升降装置控制石墨碳源的表面温度t2达到400-700℃；
10.四、控制反应室外腔腔体的气压p2为反应室内腔腔体的工作气压p1的0.2-0.6倍，保证外界杂质气体不进入到反应室内腔腔体中；
11.五、在生长过程中随着石墨碳源的不断消耗，石墨碳源上表面距离等离子体核心距离逐渐变大，在此过程中通过控制升降装置来维持石墨碳源上表面温度恒定，直至高品质金刚石生长完成。
12.本发明应用一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备生长高品质金刚石的方法在整个生长过程通过氢气发生器供气，属于动态生长。本发明通过控制升降装置调整碳源距离等离子体的位置来控制温度。
13.本发明所述的一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备中的氢气来源于设备自身内置的氢气发生器，碳源来自于固态碳源石墨粉末刻蚀，因而不需要任何外接管路，这不仅减少了mpcvd金刚石生长设备车间的布置成本，也避免了大量管路、接头、阀门带来的杂质，提高了生长样品的纯度与生长过程的安全性；同时由于反应室内腔气压在生长过程中始终大于反应室外腔气压，杜绝了外界杂质气体进入反应室内腔污染样品的可能，进一步提高了生长样品的纯度和品质。
附图说明
14.图1为本发明一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备的结构示意图；
15.图2为石墨碳源可控样品台的结构示意图；
16.图3为实施例中金刚石样品生长的实物照片；
17.图4为应用实施例得到的高品质金刚石生长样品图；
18.图5为应用实施例得到的高品质金刚石生长样品拉曼光谱图。
具体实施方式
19.具体实施方式一：本实施方式一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备包括反应室内腔腔体1、反应室内腔抽速控制阀3、石墨碳源可控样品台4、反应室外腔腔体5、反应室外腔抽速控制阀7、氢气发生器8、样品测温计9、碳源测温计10、真空泵11、微波源12和波导管13，所述的反应室内腔腔体1套设在反应室外腔腔体5内部，反应室内腔腔体1和反应室外腔腔体5之间形成间隔腔体，反应室内腔腔体1的底部与竖直波导管16相连通，水平波导管13的一端与竖直波导管16相连通，水平波导管13的另一端与微波源12相连，石墨碳源可控样品台4设置在反应室内腔腔体1内，石墨碳源可控样品台4与竖直波导管16同轴设置，在石墨碳源可控样品台4的上表面开有沟槽，沟槽内装填有石墨碳源，石墨碳源可控样品台4的底部设置有升降装置；
20.反应室内腔腔体1和间隔腔的底部分别通过第一气路11-1与真空泵11相连，反应室内腔腔体1和真空泵11相连的第一气路11-1上设置有反应室内腔抽速控制阀3，间隔腔体
和真空泵11相连的第一气路11-1上设置有反应室外腔抽速控制阀7，氢气发生器8通过第二气路8-1与反应室内腔腔体1相连通，通过样品测温计9探测样品温度，碳源测温计10探测石墨碳源的温度。
21.本实施方式在石墨碳源可控样品台的上表面开有沟槽，沟槽内装填有石墨碳源，通过升降装置来调整碳源与等离子体距离来控制温度。现有升降式水冷台则为了调整微波反射和等离子体，水冷台表面为平面，通过升降水冷台保证内部籽晶的温度并调整等离子体，因此本发明石墨碳源可控样品台的作用与其是不同的。
22.本实施方式设计了一种一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备，在安装使用过程中无需外接氢气、甲烷等原料气体，节约了大量气体管路及相关成本，简化了安装复杂度，能够满足大批量高品质金刚石的生产需求。
23.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在间隔腔体内设置有反应室外腔气压计6，反应室内腔腔体1内设置有反应室内腔气压计2。
24.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在水平波导管13内设置有三销钉调节器14。
25.本实施方式三销钉调节器14的作用是用于调整微波反射功率。
26.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是石墨碳源可控样品台4包括金刚石样品台4-1、碳源座4-2和碳源承载环4-3，碳源座4-2为凹座，碳源座4-2的底部连接有中空的连接杆4-4，碳源承载环4-3设置在碳源座4-2的上沿，碳源承载环4-3上开有沟槽，金刚石样品台4-1嵌入凹座内，金刚石样品台4-1的底部连接有杆件4-5，杆件4-5同轴装配在连接杆4-4的中空结构中。
27.本实施方式石墨碳源可控样品台是用于承载金刚石样品并控制碳源含量的装置，其主要由金刚石样品台4-1、碳源座4-2和碳源承载环4-3组成，其三者呈同轴装配，金刚石样品台4-1底部的连接杆4-4与升降装置相连，碳源座4-2底部的杆件4-5与升降装置相连。金刚石样品台升降装置上表面用于放置生长的金刚石样品，并可通过升降来控制样品距离等离子体核心的距离，进而控制金刚石样品的温度；碳源承载环为带沟槽的环状结构，根据生长工艺所需碳源含量和生长时间来确定；碳源承载环放置于碳源升降装置上，可通过升降来控制碳源距离等离子体核心的距离，进而控制碳源的温度。
28.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是所述沟槽的宽度为0.5-5mm，沟槽的深度为0.1-10mm。
29.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是电气控制装置15分别与氢气发生器8、反应室内腔气压计2、反应室外腔气压计6、反应室内腔抽速控制阀3、反应室外腔抽速控制阀7、真空泵11和微波源12电连。
30.具体实施方式七：本实施方式应用一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备生长高品质金刚石的方法按照以下步骤实施：
31.一、将石墨粉填充于石墨碳源可控样品台4表面的沟槽中，将清洗过的金刚石籽晶放置于石墨碳源可控样品台4上，关闭反应室内腔腔体1和反应室外腔腔体5；
32.二、打开氢气发生器8，设定氢气流量为100-500sccm，打开微波源12在反应室内腔腔体中形成等离子体；
33.三、逐步升高反应室内腔腔体1的气压与微波输入功率，通过升降装置调节石墨碳
源可控样品台4的高度控制金刚石样品达到生长工艺所需温度t1，同时调节升降装置控制石墨碳源的表面温度t2达到400-700℃；
34.四、控制反应室外腔腔体5的气压p2为反应室内腔腔体1的工作气压p1的0.2-0.6倍，保证外界杂质气体不进入到反应室内腔腔体中；
35.五、在生长过程中随着石墨碳源的不断消耗，石墨碳源上表面距离等离子体核心距离逐渐变大，在此过程中通过控制升降装置来维持石墨碳源上表面温度恒定，直至高品质金刚石生长完成。
36.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤一中石墨粉的粒径为50-500微米。
37.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤三中升高微波输入功率至2500w-3500w。
38.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是步骤三中控制金刚石样品达到生长工艺所需温度t1为800-1100℃。
39.应用实施例：本实施例应用一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备生长高品质金刚石的方法按照以下步骤实施：
40.一、将纯度为99.99％的石墨粉填充于石墨碳源可控样品台4表面的沟槽中，填充至与承载环4-3上表面平齐，将清洗过的金刚石籽晶放置于石墨碳源可控样品台4上，关闭反应室内腔腔体1和反应室外腔腔体5；
41.二、打开氢气发生器8，设定氢气流量为250sccm，打开微波源12在反应室内腔腔体中形成等离子体；
42.三、逐步升高反应室内腔腔体的气压与微波输入功率，微波输入功率达到3000w，通过升降装置调节石墨碳源可控样品台4的高度控制金刚石样品达到生长工艺所需温度t1为950℃，同时调节升降装置控制石墨碳源的表面温度t2达到550℃；
43.四、控制反应室外腔腔体5的气压p2为反应室内腔腔体1的工作气压p1的0.5倍，保证外界杂质气体不进入到反应室内腔腔体中；
44.五、在生长过程中随着石墨碳源的不断消耗，石墨碳源上表面距离等离子体核心距离逐渐变大，在此过程中通过控制升降装置来维持石墨碳源上表面温度恒定，直至高品质金刚石生长完成。
45.由于本实施例所述的高品质金刚石mpcvd生长设备中氢气来源于设备自身内置的氢气发生器，碳源来自于固态碳源石墨粉末刻蚀，因而不需要任何外接管路，这不仅减少了mpcvd金刚石生长设备车间的布置成本。
46.图3是使用本发明一体化无外接原料气体的高品质金刚石mpcvd生长设备进行高品质金刚石生长的过程，外圈石墨碳源环中的石墨经过氢等离子体刻蚀产生含碳基团，随后沉积在中间单晶金刚石籽晶上，通过控制二者距离等离子体核心的距离可以在生长过程中稳定控制温度，整个过程无需外接气体；
47.图4是本实施例制备得到的高品质单晶金刚石样品的光学照片，表面平整无多晶点及杂质；
48.图5是本实施例制备得到的高品质单晶金刚石样品的拉曼光谱测试结果，除尖锐的1332.5cm-1
金刚石拉曼特征峰外，光谱基线平整，无氮杂质荧光峰，表明金刚石的品质优
异、纯度极高。