阅读说明：本技术 一种适用于mpcvd的tm022模式微波等离子体反应器 (TM022 mode microwave plasma reactor suitable for MPCVD ) 是由 袁博 刘虎 陈实 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微波等离子体反应器技术领域,具体是一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器,用于解决现有技术反应器中在钼托盘上不能产生扁平等离子体,从而降低了金刚石晶体或镀膜生长效率的问题。本发明包括反应腔体和同轴馈入,所述反应腔体内安装有钼托盘,所述石英密封窗的顶面安装有水冷台,所述钼托盘安装在水冷台的顶面,所述水冷台内开有与同轴馈入连通的通道,所述水冷台的顶面还开有与通道连通且位于钼托盘底面的凹坑,所述钼托盘的边缘还开有与凹坑连通的通孔。本发明在微波高强场和温度场的共同作用下,在反应器中得到一个扁平分布的高折合电场区域,进而得到扁平的等离子体,提高金刚石晶体的生长效率。(The invention relates to the technical field of microwave plasma reactors, in particular to a TM022 mode microwave plasma reactor suitable for MPCVD (Multi-phase plasma deposition), which is used for solving the problem that flat plasma cannot be generated on a molybdenum tray in the reactor in the prior art, so that the growth efficiency of diamond crystals or a coating film is reduced. The reaction chamber comprises a reaction chamber body and a coaxial feed-in, wherein a molybdenum tray is arranged in the reaction chamber body, a water cooling table is arranged on the top surface of a quartz sealing window, the molybdenum tray is arranged on the top surface of the water cooling table, a channel communicated with the coaxial feed-in is arranged in the water cooling table, a pit communicated with the channel and positioned on the bottom surface of the molybdenum tray is further formed in the top surface of the water cooling table, and a through hole communicated with the pit is further formed in the edge of the molybdenum tray. Under the combined action of the microwave high-intensity field and the temperature field, a high folded electric field area which is distributed flatly is obtained in the reactor, so that a flat plasma is obtained, and the growth efficiency of the diamond crystal is improved.)

一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器

技术领域

本发明涉及微波等离子体反应器技术领域，更具体的是涉及一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器。

背景技术

CVD金刚石的独特性能使其成为高功率电子产品的理想选择，为了实现CVD金刚石的工业应用，必须同时获得对薄膜纯度的出色控制，非常低的缺陷含量和足够快的生长速度。当前，仅利用谐振腔系统的微波等离子体辅助化学气相沉积(MPCVD)工艺可提供足够的原子氢以满足这些要求，为使金刚石生长速度提高，必须有足够高微波功率密度的等离子体来提供原子氢，同时也需要等离子体更加均匀的分布在尽量大的面积上，以提高单次CVD金刚石生长的面积，从而提高金刚石的生长数量。

现有技术中等离子体的产生需要在反应器中扁平的区域上产生相当高的电场，反应器包括反应腔体，反应腔内安装有钼托盘，同轴馈入延伸至反应腔体内，金刚石晶体的生长分布在钼托盘的平面上的，等离子体放电如果是球形或者圆柱形，那么与晶体托盘相交的面积就比较小，会造成托盘边缘的原子氢数量不足，托盘表面温度不均匀，于是只有在中心很小的一片区域可以生长金刚石。若等离子体呈扁平状这样在同样微波功率，同样功率密度，等离子体放电体积相同的时候，等离子体与托盘表面相交的面积尽可能大，这样就可以提高金刚石晶体在钼托盘上的生长效率。

等离子体放电的火球在空间的分布与折合电场的空间分布相关，为了在微波功率及微波功率密度一定时，使得等离子体放电火球尽量扁平分布，则应该由微波等离子体反应器产生一个较为扁平的折合电场空间分布。根据折合电场E/n＝(E*R*T)/P，由折合电场中P为定值，R为常数，则空间中某点的折合电场与该点的温度及电场强度正相关，所以在空间中产生一个比较扁平的高电场强区域和扁平的高温度区域即可得到扁平的折合电场空间分布。

现有技术反应器中工艺气体流过钼托盘表面的面积较小，使钼托盘的边缘不能被加热，因此在钼托盘上不能产生扁平的高温度区域，从而不能得到扁平的折合电场，进而不能得到扁平的等离子体，最终导致单次金刚石晶体生长的数量，从而影响金刚石晶体的生长效率。因此，我们迫切的需要一种可以使工艺气体流过钼托盘表面的面积更大，更能产生扁平的高温度区域，从而一次性可以生长更多金刚石晶体的MPCVD反应器。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于：提供一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器，用于解决现有技术反应器中工艺气体流过钼托盘表面的面积较小，钼托盘的边缘不能被加热，在钼托盘上不能产生扁平的高温度区域，从而不能产生扁平等离子体，进而降低了金刚石晶体或镀膜生长效率的问题。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器，包括反应腔体和同轴馈入，所述反应腔体内安装有钼托盘，所述反应腔体内还安装有石英密封窗，所述石英密封窗的顶面安装有水冷台，所述钼托盘安装在水冷台的顶面，所述水冷台内开有与同轴馈入连通的通道，所述水冷台的顶面还开有与通道连通且位于钼托盘底面的凹坑，所述钼托盘的边缘还开有与凹坑连通的通孔。

作为一种优选的方式，所述通孔为圆孔型或腰孔型或弧形阵列孔。

作为一种优选的方式，所述凹坑的内表面均匀的设有多个导热鳍片。

作为一种优选的方式，所述凹坑的边缘还设有台阶，所述钼托盘安装在台阶上。

作为一种优选的方式，所述反应腔体上设有观察窗。

作为一种优选的方式，所述同轴馈入的上部呈锥形，且直径逐渐增大。

作为一种优选的方式，所述反应腔体内发生TM022模式谐振。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明微波从同轴馈入通过通道进入凹坑中，凹坑位于钼托盘的下部，且凹坑中的微波再通过钼托盘边缘的通孔进入反应腔体内，这样钼托盘表面的温度基本是均匀的，且钼托盘的边缘也能被加热，这样可以在等离子放电火球的下方形成一个大面积的高温边界，从而在钼托盘上可以得到一个扁平分布高折合电场区域，进而在钼托盘上可以得到扁平的等离子体，最终可以提高单次金刚石晶体生长的数量。

(2)本发明通过合理设计钼托盘的形状，使得钼托盘能够在1000摄氏度附近达到热平衡，即等离子体传入钼托盘的热通量等于钼托盘传入水冷台的热通量，这样可以在钼托盘上形成一个很好的热环境，从而提高金刚石晶体的生长效率。

(3)本发明中在凹坑的内表面均匀的设有多个导热鳍片，导热鳍片可以在凹坑内形成良好的导热环境，在凹坑内形成对钼托盘不断加热的热源，从而可以使钼托盘表面的温度基本恒定。

(4)本发明同轴馈入的上部呈锥形，且直径逐渐增大，这样从同轴馈入到达钼托盘底面的微波会更加均匀，从而有利于在钼托盘上形成均匀的分布高折合电场。

(5)本发明中通孔形成的气体通路能够将工艺气体从钼托盘的边缘有效排出，改善了反应器内部的流场分布，从而提高了金刚石膜及单晶金刚石的生长效率。

(6)本发明中反应腔体内发生TM022模式谐振，由TM022模式微波反应器能够在钼托盘上方产生较为扁平的微波高场强区，在微波高强场和温度场的共同作用下，在反应器中得到一个扁平分布的高折合电场区域，进而得到扁平的等离子体，最终提高单次金刚石晶体生长的数量，从而提高金刚石晶体的生长效率。

(7)本发明中TM022谐振模式反应腔体体积较大，等离子体放电区域距离反应器壁比较远，高温等离子体对容器壁的加热情况有所改善，也改善了容器壁对工艺气体的污染问题。

(8)本发明中微波通过同轴馈入从反应器底部馈入，最终高场强区集中在反应器中央的水冷台上。这样可以使得等离子体能远离观察窗，避免观察窗所产生的气氛污染及观察窗过热，进一步提高该反应器功率容量。

附图说明

图1为本发明的正面剖视结构简图；

图2为本发明同轴馈入与水冷台、钼托盘安装的正面剖视结构简图；

图3为本发明紫铜托盘和钼托盘安装在一起时的俯视结构简图；

图4为本发明钼托盘的立体结构简图；

图5为本发明紫铜托盘的立体结构简图；

图6为本发明水冷台的正面剖视结构简图；

附图标记：1同轴馈入，2石英密封窗，3反应腔体，4水冷台，41台阶，42凹坑，43通道，5钼托盘，51通孔，6观察窗，7导热鳍片。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

如图1-6所示，一种适用于MPCVD的TM022模式微波等离子体反应器，包括反应腔体3和同轴馈入1，反应腔体3内安装有钼托盘5，反应腔体3内还安装有石英密封窗2，石英密封窗2的顶面安装有水冷台4，钼托盘5安装在水冷台4的顶面，水冷台4内开有与同轴馈入1连通的通道43，水冷台4的顶面还开有与通道43连通且位于钼托盘5底面的凹坑42，钼托盘5的边缘还开有与凹坑42连通的通孔51。

工作原理：微波从同轴馈入1通过通道43进入凹坑42中，凹坑42位于钼托盘5的下部，且凹坑42中的微波再通过钼托盘5边缘的通孔51进入反应腔体3内，钼托盘5有足够的厚度，可以提高热容量，英密封窗2用于密封隔离，使反应器上部保持真空，这样钼托盘5表面的温度基本是均匀的，且钼托盘5的边缘也能被加热，钼托盘5表面的高温面积更大，温度更均匀，这样可以在等离子放电火球的下方形成一个大面积的高温边界，从而在钼托盘5上可以得到一个扁平分布高折合电场区域，进而在钼托盘5上可以得到扁平的等离子体，最终可以提高单次金刚石晶体生长的数量。

优选的，通孔51为圆孔型或腰孔型或弧形阵列孔，各种形状的通孔51可以相互交错设置，从而可以进一步提高钼托盘5的热通量，使钼托盘5表面的温度场更加均匀，从而有利于产生扁平的等离子体。

优选的，凹坑42的内表面均匀的设有多个导热鳍片7，凹坑42的边缘还设有台阶41，钼托盘5安装在台阶41上，导热鳍片7可以在凹坑42内形成良好的导热环境，在凹坑42内形成对钼托盘5不断加热的热源，从而可以使钼托盘5表面的温度基本恒定。

优选的，反应腔体3上设有观察窗6，通过观察窗6可以观察到钼托盘5上金刚石晶体的生长情况。同轴馈入1的上部呈锥形，且直径逐渐增大，这样从同轴馈入1到达钼托盘5底面的微波会更加均匀，从而有利于在钼托盘5上形成均匀的分布高折合电场。

在反应腔体3内发生TM022模式谐振，选择TM022模式谐振的原因如下：由于TM01×等谐振模式的微波高场强区尺寸较小，但谐振腔的高场强区又受到微波波长的限制不可能无限放大，TM03x谐振模式会导致反应器谐振腔体尺寸过大，难以加工，所以我们选择TM02x模式作为反应器的主谐振模式。

进一步的，由于MPCVD装置正常运行时，为反应器内部所填充的气体大部分为氢气，气体热导率较高，为了避免反应器壁被过分加热导致微波能量损失，需要使得等离子体区距离反应器容器壁较远，但又不能使反应器体积过大，因此在TM02x中我们选择TM022模式来设计微波反应器。TM022模式微波反应器能够在钼托盘5上方产生较为扁平的微波高场强区，在微波高强场和温度场的共同作用下，在反应器中得到一个扁平分布的高折合电场区域，进而得到扁平的等离子体，最终提高单次金刚石晶体生长的数量，从而进一步提高金刚石晶体的生长效率。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。