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

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

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

介绍CVD金刚石设备，主要为微波CVD设备，是被公认的能够制备高品级的大颗粒金刚石和大面积金刚石厚膜。有需要CVD设备，主要提供1 kW 5 kW 8 kW 微波等离子体CVD 设备，也欢迎咨询！

目前化学气相沉积（CVD）法制备金刚石主要有：热丝CVD，直流电弧CVD，微波等离子体CVD。这些方法在本质上都是用某种形式的能量来激励和分解含碳化合物气体分子,并在一定条件下使金刚石在基片表面成核和生长。

用于刀具涂层的热丝设备能够工业化得直流设备能够制备高品级钻石的微波设备

热丝

CVD

直流

CVD

微波CVD

各自的内部结构图，可以发现三者就是激发等离子体的方式不一样，有各自的优缺点

做出来的金刚石的质量也是不一样的哦，看对比就知道

了

热丝主要用于刀具涂层

上直流法生长不够稳定微波法最好，但是耗资较大

三者对比可是看的出来的哦，三种方法做出来的东西就

是不一样的

因此，只有微波法能做出高品级金刚石！

直接看看微波CVD金刚石的应用就知道好了：光学级金

刚石能够应用到各个领域

更重要的是，可以做钻石的！

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

结构图

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

结构图

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

结构图

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