[转载]宝石级人造钻石（大颗粒单晶金刚石）的设备介绍----MPCVD新型的方法_Tigers

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apollo公司生产0.28-0.67克拉的粉红CVD钻石，目前无色钻石最大可达16克拉

微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的首选方法。主要优点为：无内部电极,可避免电极放电污染;运行气压范围宽; 能量转换效率高;可以产生大范围的高密度等离子体;微波和等离子体参数均可方便地控制等. 所以,它是制备大面积均匀、无杂质污染的高质量金刚石膜的有开发前景的重要方法.

MPCVD 装置通常分为微波系统、等离子体反应室、真空系统和供气系统等四大部分. 微波系统包括微波功率源、环行器、水负载、阻抗调配器,有时还包括测量微波入射和反射功率的定向耦合器及功率探头和显示仪表. 微波频率通常选用工业用加热频段的2. 45GHz. 真空和统由真空泵、真空阀门和真空测量仪器(包括真空规管和显示仪器) 组成. 供气系统由气源、管道和控制气体流量的阀和流量计等组成. 这三个部分各自都是通用型的,可以适用于各种类型的MPCVD 装置和其他用途的实验装置. 等离子体反应室包括微波与等离子体的耦合器、真空沉积室以及基片台等. 不同类型的PCVD 装置的区别在于等离子体反应室形式的不同. 从真空沉积室的形式来分,有石英管式、石英钟罩式和带有微波窗的金属腔体式. 从微波与等离子体的耦合方式分,有表面波耦合式、直接耦合式和天线耦合式.

在过去的20年里，金刚石膜MPCVD装置经历了从早期的石英管、石英钟罩式，到后期的圆柱谐振腔式、椭球谐振腔式以及圆周天线式(CAP)谐振腔的发展。下面一一进行介绍：

1. 直接耦合石英管式MPCVD装置的结构

装置图

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结构图
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这也是最常用、最简单也是最早出现的微波等离子装置是直接耦合石英管式装置。此装置的基本工作原理是：2．45 GHz微波经过波导管、磁控管和环行器，在阻抗螺钉和波导管中的短路活塞共同调节下进入直径50 mm的石英管真空反应室，从而在电场最强的放电管中部生成稳定的等离子体球。装置如上图所示。等离子体球的精确位置可以通过波导终端的短路滑片来调节。当微波功率增大到一定时击穿气体放电并形成等离子体球。该装置的特点是将石英管真空室直接插入到波导管内，微波在阻抗调配器和短路活塞的调节下直接耦合激励产生等离子体。在直接耦合石英管式反应器中，当微波功率加大时。石英管会受热软化，因此该类反应器的微波功率受到限制，微波发生器产生的微波频率为2．45 GHz，但其输出可调功率范围为0—800 W，有效最大功率仅为400-500 W。这类小功率设备发展比较成熟，用于摸索参数和研究性的实验具有高的性价比，

2. 天线耦合石英钟罩式微波等离子体CVD 装置

装置图：以SEKI公司的AX5010为例，最大功率为1.5 kw，目前售价为10万美金

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结构图

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我国已于1993 年成功研制出天线耦合石英钟罩式800 W的MPCVD 装置。石英钟罩式MPCVD 装置原理及特点: 与石英管式不同的是石英钟罩式MPCVD 装置存在模式转换。该装置的工作原理是微波产生频率为2.45 GHz 的微波, 沿矩形波导以TE10 模式传播, 经过环行器、三螺钉调配器和发射天线等的共同作用, 微波传播模式转换为沿圆形波导传播的TM01 模式, 最后在谐振腔( 石英钟罩)内激励其中的气体形成均匀等离子体球。沉积腔体直径达到!120 mm, 等离子体球的直径取决于沉积腔体中的气体压力和微波功率。沉积温度以微波自加热方式来达到。此装置由于存在模式转换而能够在石英真空腔体中激励出等离子体球。石英钟罩距离等离子体球较远, 因此不易产生器壁污染, 同时薄膜的沉积面积也得到扩大。这样对于面积较大、纯净度要求高的金刚石薄膜的沉积极为有利。随着真空腔体尺寸的扩大, 改善了石英管式沉积装置中微波功率和沉积气压等参数的限制, 从而拓展了金刚石薄膜沉积规律的研究范围。

3. 天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD 装置

装置图：5kw 天线耦合不锈钢谐振腔

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结构图

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该装置包括2.45 GHz、5.0 kW的磁控管微波源、环形器与水负载、定向耦合器与微波功率计、三螺钉阻抗调配器、天线耦合式微波模式转换器、内径为1143 mm 的带有石英微波窗和观察窗的水冷却不锈钢反应室以及4 路质量流量控制器、机械真空泵、红外测温仪、热偶真空计和U 形水银压力计等。其中微波模式转换器可把矩形波导的TE10 模式转换为圆波导的TM01 模式, TM01 模式激发低压含碳气体( 133 ～ 9 310 Pa, H2 中混入0.1%～5.0%的CH4) 形成等离子体。由于TM01 驻波模式的电场等势面分布为不接触谐振腔壁的同心椭球, 故TM01 模式能激发不接触腔壁的椭球状等离子体, 避免了接触污染, 从而可制备出高质量的金刚石薄膜。

石英钟罩式设备用钟罩形（或杯形，盘形）石英窗，不锈钢反应室式设备用圆形平板石英窗，是两种能通过微波并隔离大气与真空环境的微波等离子体装置的关键部件。从形成清洁环境（指没有金属腔体的金属对处理试样的污染）和激励等离子体的场强分布等方面来看，钟罩形石英窗优于圆形平板石英窗；从制造成本和石英窗的散热冷却方面来说，圆形平板石英窗优于钟罩形石英窗（钟罩面积大）。两者各有优缺点。制备金刚石膜的基体温度通常为600 ～1200 C°。对于较高功率的装置，不锈钢反应室（用圆形平板石英窗）可加水冷夹套，使得设备制造成本偏高。在1000 C°以下石英制品的长期使用是稳定和安全的，反应室由不锈钢底盘和石英钟罩以及金属圆筒形微波腔构成，制造成本可明显下降。所以石英钟罩式是微波功率在2KW以下的一种很好的装置类型。以前美国Wavemat公司生产和销售的就是这类装置产品。对于更高功率和更大体积的微波等离子体制备金刚石膜设备，因石英钟罩的制造成本和散热冷却要求等不足之处成为主要问题，故通常采用水冷夹套不锈钢反应室式为宜。SEKI公司是世界上著名的金刚石膜制备装置制造厂商，微波功率从1KW直至75KW，是目前唯一出售第三代大功率（75KW）微波等离子体制备金刚石膜专用装置的一家公司。

对不锈钢谐振腔式MPCVD 装置进行进一步改进，可实现10kW 的微波功率输入，并可进一步提高沉积速率。基于装置尺寸的局限性，微波频率为2.45GHz 下制备的等离子体面积有限，同样可以利用石英钟罩式对装置尺寸扩大的思想，通过改变微波的频率来增大石英板式圆柱形谐振腔内激发的等离子体面积。

改进不锈钢谐振腔式MPCVD 装置图：Model AX6550/6560

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4. 椭球形MPCVD 装置

椭球形MPCVD 装置的谐振腔可看作是一种准光学谐振腔，腔体的设计主要利用了椭球的焦点的原理。准光学谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。整个微波系统包括微波源，传输微波的矩形波导，调节系统阻抗的三螺钉阻抗调配器和短路活塞，以及耦合微波的模式转换天线。从磁控管出发的微波沿着矩形波导以TE10 模式传播，然后经三螺钉调配器和短路活塞的调节，使得整个系统内的阻抗达到匹配状态，同时，将模式转换天线放置在矩形波导中电场最强处，利于微波耦合到椭球形谐振腔中。微波经由天线从一个焦点馈入，在另一个焦点产生稳定的较大的电场，等离子体区域主要分布在椭球的下方焦点处。在下方焦点处放置一个石英钟罩，钟罩内放置水冷基片台，等离子体将在石英钟
罩内激发。椭球形谐振腔具有诸多优异的性能，如：激发的等离子体强度和位置十分稳定，不管气压和工作的微波功率如何变化，它始终保持在基片台上方处，与基片台具有良好的接触。同时，微波与等离子体的耦合效率非常高，不需要采用多余的器件来进行整个系统的阻抗调配。虽然椭球形谐振腔相较圆柱形谐振腔更适合高功率，高压力的金刚石薄膜沉积环境。但椭球形谐振腔却存在尺寸较大，并且采用石英钟罩包围基片台的方式，不利于系统的冷却等缺点，因此，在一定程度上限制了它的应用。

椭球形MPCVD 装置图

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结构图为

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由于微波等离子体CVD法是制备优质金刚石薄膜的主流方法，同时微波等离子体在材料制备和处理，微电子器件制造，纺织品表面改性，机械产品加工等众多领域有极为广泛的应用，国外有许多公司正在研制和生产与销售微波等离子体CVD制备金刚石膜设备，这类设备同样可以应用于微波等离子体的其他应用领域。用微波等离子体化学气相渗透(CVI)法可制备高性能的金刚石复合材料。美国Crystallume公司曾研制出一类新的合成金刚石,称为金刚石复合陶瓷,用微波等离子体制备金刚石膜的类似方法将高温高压法生产的金刚石颗粒的聚集体进行固结，能以相当低的费用生产出直径为10cm厚4mm的具有光洁平滑表面的金刚石复合体部件。近年来，美国Garnegie研究所和 Alabama大学合作，用改造过的Wavemat MPDR313E MP型微波等离子体化学气相沉积装置制备成功人造金刚石单晶（钻石）。美国Apollo 公司用类似于ASTeX公司的微波等离子体制备金刚石膜装置制造出人造金刚石单晶（钻石）并在世界各国销售，价格约为天然钻石的三分之一。这方面的进展更突出了微波等离子体方法制造金刚石膜产品的优越性和重要性。

下面罗列出国外出售的MPCVD装置

SEKI公司研制的MPCVD设备简介

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AX500 MPCVD装置

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输入的最大微波功率为1.5 kw

该设备的金刚石膜及其拉曼光谱

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Model AX5250/AX5400 (5 kW)

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AX6300

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