一种可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台的制作方法

1.本发明涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台。


背景技术：

2.微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition)系统，简称mpcvd，是一种低气压沉积技术，基于此技术的mpcvd设备是制备金刚石薄膜材料的关键装备。利用mpcvd可以合成一系列关键薄膜材料，如：金刚石、石墨烯、碳化硅和氮化硼等材料。其中，金刚石薄膜不仅具有优异的机械性能，其热学性能和光学性能包括热导率、光谱透过范围、抗热震能力等也十分优越。正是由于具有这些优异性能，金刚石是一种极佳的光学窗口材料可以用于红外热成像导弹头罩等军事领域。以金刚石薄膜材料制成的光学窗口可以拥有高达106000w(mpa)1/2/cm的抗热震优值，而相比之下，常用于红外光学窗口的zns的抗热震优值只有550w(mpa)
1/2
/cm，因此金刚石薄膜特别适用于制造在极端恶劣的环境中工作的各种光学窗口。
3.mpcvd设备是制备金刚石薄膜光学材料的首选技术，但mpcvd最主要的缺点是其金刚石薄膜的沉积速率低，特别是在制备较大面积的金刚石膜材料时其沉积速率一般只有0.5μm/h左右。而工业和军事领域急需的2英寸、4英寸、6英寸及8英寸等大尺寸金刚石膜窗口对厚度要求较高，一般要求大于0.5mm，因此普通的高功率mpcvd不能满足生长大尺寸金刚石窗口材料的要求。研究表明，在mpcvd装置沉积基片表面加入负偏压将有助于提高金刚石膜在基片上的形核速率和沉积速率，可以实现金刚石膜窗口材料的快速生长要求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，在mpcvd装置沉积基片表面加入负偏压，并能够保证不同尺寸的基片使用对应尺寸钼台，不同尺寸的基片都处于相同的偏压电场气体氛围中，从而实现金刚石膜窗口材料的快速生长要求同时保证批量镀膜时薄膜性能的一致性。
5.本发明解决其问题所采取的技术方案是：
6.一种可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，该样品台包括：支撑螺栓、样品台支座、样品台陶瓷板、钼螺栓、钼台、基片、左l型立板、右l型立板，具体结构如下：
7.基片放置在钼台的顶部凹槽内，钼台的底部中心沿竖向安装钼螺栓，上下相对水平设置的样品台支座、样品台陶瓷板，与左右相对设置的左l型立板、右l型立板组合为长方体框架结构，钼台通过钼螺栓固定在水平设置的样品台陶瓷板上，样品台支座通过竖向设置的支撑螺栓固定在腔室底板上。
8.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，长方体框
架结构及样品台陶瓷板、钼螺栓、钼台、基片设置于反应腔室中，从上到下依次设置的腔室上盖、密封绝缘垫、腔室壳体、腔室底板组成反应腔室，腔室壳体设置于腔室底板上，腔室壳体的顶部安装腔室上盖，腔室壳体与腔室上盖之间通过密封绝缘垫密闭连接。
9.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，反应腔室的腔室上盖物理接地作为零点电位，直流偏压电源的正极依次通过电源线、航空密封接头、高温导线、钼螺栓与钼台相连接，直流偏压电源的负极通过电源线物理接地作为零点电位与反应腔室的腔室上盖形成回路，直流偏压电源为-500～0v的可调负偏压电源。
10.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，钼螺栓为钼螺栓杆、钼螺栓上端头、钼螺栓上平板同轴一体的组合结构，钼螺栓杆的顶部为钼螺栓上平板，钼螺栓上平板的顶部为钼螺栓上端头，钼台的底部中心设有螺纹孔，钼螺栓通过钼螺栓上端头与钼台底部中心的螺纹孔通过螺纹连接，钼螺栓上平板位于样品台陶瓷板顶部中心的凹槽内，样品台陶瓷板中心设有通孔，钼螺栓杆穿设于样品台陶瓷板，钼螺栓上依次安装片状螺母、导线上夹持螺栓、高温导线一端、导线下夹持螺栓，片状螺母与钼螺栓通过螺纹连接并固定于样品台陶瓷板底部，导线上夹持螺栓与钼螺栓通过螺纹连接并固定于片状螺母底部，导线下夹持螺栓与钼螺栓通过螺纹连接，高温导线一端套在钼螺栓上且通过导线上夹持螺栓、导线下夹持螺栓夹紧固定，高温导线另一端与航空密封接头连接。
11.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，样品台支座与左l型立板的水平短边端部、右l型立板的水平短边端部之间通过止口对接，左l型立板的竖直长边下端、右l型立板的竖直长边下端之间与样品台支座通过止口对接。
12.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，钼台、钼螺栓采用纯度99.99wt％以上的高纯钼材料制作，样品台陶瓷板采用纯度99.99wt％以上的高纯氧化铝材料制作，密封绝缘垫采用氟橡胶制作，腔室上盖、腔室壳体、腔室底板采用铝合金制作。
13.所述的可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，高温导线的额定电压为600v，工作温度为-65～200℃，其绝缘层为特氟龙。
14.本发明的设计思想是：本发明设计出一种可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，在mpcvd装置沉积基片表面加入负偏压，针对不同尺寸的基片在负偏压电场作用下设计相应尺寸的钼台，根据金刚石形形核机理和偏压电场的作用机理基片达到不同尺寸的样品都处于相同的偏压电场气体氛围中，实现不同尺寸的样品上快速生长出薄膜性能一致的金刚石薄膜材料。
15.本发明适用于可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，具有以下优点及有益效果：
16.1、本发明在原有高功率mpcvd的基础上使用样品台陶瓷板替换原有的钼基片台，在样品台陶瓷板上放置钼台，钼台与负偏压电源线连接，在基片表面形成负偏压电场，提高了碳离子在基片表面的形核速率，实现金刚石膜窗口材料的快速生长要求。
17.2、本发明中不同尺寸的基片使用对应的不同尺寸的钼台，达到不同尺寸基片表面处不同位置都处在相同的场强气氛中，从而保证大面积的镀膜时薄膜性能的一致性。
18.3、本发明结构简单、制作简易、钼台拆卸更换方便快捷、造价低廉，具有高效理想的实验室和工业化应用效果。
附图说明
19.图1为本发明的结构图。
20.图中：1-腔室上盖；2-密封绝缘垫；3-腔室壳体；4-腔室底板；5-直流偏压电源；6-电源线；7-航空密封接头；8-高温导线；9-支撑螺栓；10-样品台支座；11-样品台陶瓷板；12-钼螺栓；13-钼台；14-基片；15-左l型立板；16-右l型立板。
21.图2为图1中a处的局部放大图。图中：11-样品台陶瓷板；12-钼螺栓；13-钼台；14-基片；17-导线上夹持螺栓；18-导线下夹持螺栓；19-钼螺栓杆；20-钼螺栓上端头；21-钼螺栓上平板；22-片状螺母。
22.图3(a)-图3(d)为本发明可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台的4种尺寸钼台主要型号外形尺寸图。其中，图3(a)为第一种钼台，图3(b)为第二种钼台，图3(c)为第三种钼台，图3(d)为第四种钼台。图中：13-钼台；23-凹槽；24-螺纹孔。
具体实施方式：
23.下面，结合附图和实施例对发明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发明来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权利要求书的精神和本发明范畴的情况下，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发明的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本发明的功能。
24.如图1-图3所示，本发明高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台，主要包括：腔室上盖1、密封绝缘垫2、腔室壳体3、腔室底板4、直流偏压电源5、电源线6、航空密封接头7、高温导线8、支撑螺栓9、样品台支座10、样品台陶瓷板11、钼螺栓12、钼台13、基片14、左l型立板15、右l型立板16等，具体结构如下：
25.基片14放置在钼台13的顶部凹槽23内，钼台13的底部中心沿竖向安装钼螺栓12，上下相对水平设置的样品台支座10、样品台陶瓷板11，与左右相对设置的左l型立板15、右l型立板16组合为长方体框架结构，钼台13通过钼螺栓12固定在水平设置的样品台陶瓷板11上，样品台支座10通过竖向设置的支撑螺栓9固定在腔室底板4上；
26.从上到下依次设置的腔室上盖1、密封绝缘垫2、腔室壳体3、腔室底板4组成反应腔室，腔室壳体3设置于腔室底板4上，腔室壳体3的顶部安装腔室上盖1，腔室壳体3与腔室上盖1之间通过密封绝缘垫2密闭连接，所述长方体框架结构及样品台陶瓷板11、钼螺栓12、钼台13、基片14设置于反应腔室中。
27.钼螺栓12为钼螺栓杆19、钼螺栓上端头20、钼螺栓上平板21同轴一体的组合结构，钼螺栓杆19的顶部为钼螺栓上平板21，钼螺栓上平板21的顶部为钼螺栓上端头20，钼台13的底部中心设有螺纹孔24，钼螺栓12通过钼螺栓上端头20与钼台13底部中心的螺纹孔24通过螺纹连接，钼螺栓上平板21位于样品台陶瓷板11顶部中心的凹槽内，样品台陶瓷板11中心设有通孔，钼螺栓杆19穿设于样品台陶瓷板11，钼螺栓12上依次安装片状螺母22、导线上夹持螺栓17、高温导线8一端、导线下夹持螺栓18，片状螺母22与钼螺栓12通过螺纹连接并固定于样品台陶瓷板11底部，导线上夹持螺栓17与钼螺栓12通过螺纹连接并固定于片状螺母22底部，导线下夹持螺栓18与钼螺栓12通过螺纹连接，高温导线8一端套在钼螺栓12上且通过导线上夹持螺栓17、导线下夹持螺栓18夹紧固定，高温导线8另一端与航空密封接头7
连接。
28.样品台支座10与左l型立板15的水平短边端部、右l型立板16的水平短边端部之间通过止口对接，左l型立板15的竖直长边下端、右l型立板16的竖直长边下端之间与样品台支座10通过止口对接。
29.如图3(a)-图3(d)所示，本发明可变尺寸的高功率微波等离子体化学气相沉积设备偏压样品台的4种尺寸钼台主要型号外形尺寸图。钼台13顶部中心为凹槽23，钼台13底部中心为螺纹孔24。其中，图3(a)为第一种钼台凹槽23的有效尺寸φ＝2英寸(52
±
0.1mm)，图3(b)为第二种钼台凹槽23的有效尺寸φ＝4英寸(104
±
0.1mm)，图3(c)为第三种钼台凹槽的有效尺寸φ＝6英寸(156
±
0.1mm)，图3(d)为第四种钼台凹槽的有效尺寸φ＝8英寸(208
±
0.1mm)。
30.钼台13、钼螺栓12采用纯度99.99wt％及以上的高纯钼材料制作，样品台陶瓷板11采用纯度99.99wt％及以上的高纯氧化铝材料制作，密封绝缘垫2采用氟橡胶制作，腔室上盖1、腔室壳体3、腔室底板4采用铝合金制作。
31.高温导线8的额定电压为600v，工作温度为-65～200℃，其绝缘层为特氟龙。
32.反应腔室的腔室上盖1物理接地作为零点电位，直流偏压电源5的正极依次通过电源线6、航空密封接头7、高温导线8、钼螺栓12与钼台13相连接，直流偏压电源5的负极通过电源线物理接地作为零点电位与反应腔室的腔室上盖1形成回路，直流偏压电源5为-500～0v的可调负偏压电源。
33.结果表明，本发明解决了微波法化学气相沉积金刚石薄膜沉积过程中反应腔体内基片表面增加负偏压电场的均匀性问题，能够保证不同尺寸基片使用对应尺寸的钼台，而且钼台拆卸更换方便快捷，达到不同尺寸基片表面处不同位置都处在相同的场强气氛中，从而保证大面积的镀膜时薄膜性能的一致性，可以在不同尺寸基片上沉积金刚石薄膜，制备出不同面积、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量金刚石单晶膜。
34.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施例仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属本发明的保护之内。