本發明涉及一種裝置及其工作方法，尤其是涉及一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置及其工作方法，它屬于金剛石制備相關領域。

背景技術：

1、大尺寸金剛石生長mpcvd裝置：即微波等離子體化學氣相沉積設備，也稱作mpcvd(microwave?plasma?chemical?vapor?deposition)，是用來生長大尺寸單晶、多晶金剛石的一種設備，所生長的金剛石尺寸可達4-6英寸。

2、氣流沖擊：指用于生長大尺寸金剛石的微波等離子體化學氣相沉積設備，由于進氣量大、進氣速率快，在氣體剛進入時會產生較大的沖擊力，形成氣流沖擊。

3、等離子體：是部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質。

4、人造金剛石合成方法主要有高溫高壓法（hthp）、微波等離子化學氣相沉積法（mpcvd）、直流電弧等離子體噴射法（dcapj）/熱絲化學氣相沉積法（hfcvd）等。mpcvd法具有等離子體能量密度高、雜質含量低、可控性好等優點，是合成高質量金剛石最具潛力的方法之一。mpcvd設備工作原理是通過將微波發生器產生的微波，經波導傳輸系統進入反應設備的反應腔內，且往反應腔中通入甲烷和氫氣等的混合氣體，在微波的激勵下，在反應腔內產生輝光放電，使反應氣體的分子離化產生等離子體，在金剛石襯底上沉積得到金剛石膜。

5、目前在防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置方面，在下進微波式設備類型中，沒有與本發明相似的方案。

6、在現有技術中，防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，工作時往mpcvd裝置的反應腔中通入甲烷、氫氣等混合氣體的裝置，為了氣體進入之后能夠更均勻的分布在腔體內，氣體入口一般分布在腔體的正上方腔蓋的中心位置，或者在腔蓋上均勻分布若干進氣孔。這種裝置在大尺寸mpcvd設備中，由于氣流量比較大，氣體在突然進入真空腔后沖擊力比較大，會導致工作臺上方的金剛石襯底被吹離原位置甚至吹落工作臺，從而影響金剛石晶體的生長。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，而提供一種結構設計合理，安全可靠，采用下進微波形式時，氣流自腔體上方進入后，避免了氣流沖擊金剛石襯底，提高金剛石均勻性的防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置及其工作方法。

2、本發明解決上述問題所采用的技術方案是：該防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，包括工藝氣體進入系統、冷卻液循環管路和測溫系統，其特征在于：還包括反應腔、外環冷卻腔、內環勻氣腔和工藝氣體緩沖腔，所述外環冷卻腔設置在反應腔的腔體外環頂部，外環冷卻腔上方與工藝氣體緩沖腔連接，內環勻氣腔設置在反應腔的腔體中心頂部，內環勻氣腔將反應腔與工藝氣體緩沖腔隔離；反應腔包括工作臺、石英環、金剛石襯底和等離子體，該工作臺位于反應腔的中心，金剛石襯底放置在工作臺上方，等離子體呈球狀形成于金剛石襯底上；在微波場的作用下，微波自反應腔的下方饋入，透過石英環進入反應腔，工藝氣體自反應腔上方的內環勻氣腔進入，在金剛石襯底上方被激發為等離子體狀態；內環勻氣腔包括內環底盤、內環外壁、內微波屏蔽環、內環上蓋、勻氣管、測溫通道和冷卻液出入口，該內環外壁的外側設置內微波屏蔽環，與外環冷卻腔彈性緊密接觸，內環底盤與內環上蓋匹配，形成空腔，用于冷卻液的熱傳遞，內環勻氣腔中心設置測溫通道，該內環勻氣腔上設置若干均勻分布的勻氣管；工藝氣體緩沖腔包括腔體上密封蓋和測溫管道，工藝氣體緩沖腔頂部為腔體上密封蓋，該腔體上密封蓋兩側對稱設置工藝氣體進入系統；冷卻液循環管路分為冷卻液進入管路和冷卻液流出管路；測溫系統包括紅外測溫儀和紅外測溫儀支架，紅外測溫儀設置在紅外測溫儀支架上，紅外測溫儀通過測溫管道上方的石英玻璃，并經測溫管道直接監測到等離子體。

3、作為優選，本發明所述外環冷卻腔包括腔體下端蓋、腔體外壁、腔體內壁、冷卻液進入導管、腔體上端蓋和外微波屏蔽環，腔體外壁安裝外微波屏蔽環，冷卻液自空腔內冷卻液進入導管直接通入腔體底部，直至密封空腔注滿冷卻液之后，冷卻液自腔體上端蓋上方的出口流出。

4、作為優選，本發明所述內環底盤上設置環形凹槽，與內環上蓋焊接一體。

5、作為優選，本發明所述工藝氣體緩沖腔還包括下支撐板和上支撐板，冷卻液進入管路、冷卻液流出管路均為兩根金屬中空管道，一根固定在下支撐板，穿過腔體上密封蓋，進入外環勻氣腔，一根固定在上支撐板，穿過腔體上密封蓋后，進入內環勻氣腔。

6、本發明還提供一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置的工作方法，其特征在于：具體步驟如下：（s1）在微波場的作用下，微波自反應腔的下方饋入，透過石英環進入反應腔，工藝氣體自反應腔上方的內環勻氣腔進入，在金剛石襯底上方被激發為等離子體狀態，等離子體呈球狀形成于金剛石襯底上，利用等離子體的高溫使襯底加熱到一定的溫度；（s2）外環冷卻腔隔離高速工藝氣體與反應腔作用，內部通入冷卻液，同時起到輔助控制反應腔內工作溫度；冷卻液自空腔內冷卻液進入導管直接通入腔體底部，直至密封空腔注滿冷卻液之后，冷卻液自腔體上端蓋上方的出口流出；（s3）內環勻氣腔將反應腔與工藝氣體緩沖腔隔離，內環底盤上設置環形凹槽，與內環上蓋焊接一體，形成空腔，用于冷卻液的熱傳遞；內環勻氣腔上設置若干均勻分布的勻氣管，工藝氣體在工藝氣體緩沖腔經過緩沖之后，速度已經下降，再通過勻氣管流出，進入反應腔；（s4）工藝氣體通過金屬管道及接口，進入工藝氣體緩沖腔，在充滿工藝氣體緩沖腔之后，氣流的速度在緩沖腔內變緩變平穩；（s5）工藝氣體通過進氣口總管道，經過三通后，金屬通道一分為二，自兩側彎管進入金屬接口，并通過與金屬接口連接的法蘭盤中心孔；氣體進入口徑設置為逐漸變大的方式用于氣流緩沖。

7、本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：整體結構設計合理，安全可靠，在采用下進微波形式時，氣流自腔體上方進入后，可防止氣流沖擊金剛石襯底；此裝置避免了氣流沖擊金剛石襯底，可以提高金剛石的均勻性。

技術特征：

1.一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，包括工藝氣體進入系統（5）、冷卻液循環管路（6）和測溫系統（7），其特征在于：還包括反應腔（1）、外環冷卻腔（2）、內環勻氣腔（3）和工藝氣體緩沖腔（4），所述外環冷卻腔（2）設置在反應腔（1）的腔體外環頂部，外環冷卻腔（2）上方與工藝氣體緩沖腔（4）連接，內環勻氣腔（3）設置在反應腔（1）的腔體中心頂部，內環勻氣腔（3）將反應腔（1）與工藝氣體緩沖腔（4）隔離；反應腔（1）包括工作臺（11）、石英環（12）、金剛石襯底（13）和等離子體（14），該工作臺（11）位于反應腔（1）的中心，金剛石襯底（13）放置在工作臺（11）上方，等離子體（14）呈球狀形成于金剛石襯底（13）上；微波自反應腔（1）的下方饋入，透過石英環（12）進入反應腔（1），工藝氣體自反應腔（1）上方的內環勻氣腔（3）進入，在金剛石襯底（13）上方被激發為等離子體（14）狀態；內環勻氣腔（3）包括內環底盤（31）、內環外壁（32）、內微波屏蔽環（33）、內環上蓋（34）、勻氣管（35）、測溫通道（36）和冷卻液出入口（37），該內環外壁（32）的外側設置內微波屏蔽環（33），與外環冷卻腔（2）彈性緊密接觸，內環底盤（31）與內環上蓋（34）匹配，形成空腔，用于冷卻液的熱傳遞，內環勻氣腔（3）中心設置測溫通道（36），該內環勻氣腔（3）上設置若干均勻分布的勻氣管（35）；工藝氣體緩沖腔（4）包括腔體上密封蓋（41）和測溫管道（45），工藝氣體緩沖腔（4）頂部為腔體上密封蓋（41），該腔體上密封蓋（41）兩側對稱設置工藝氣體進入系統（5）；冷卻液循環管路（6）分為冷卻液進入管路（44）和冷卻液流出管路（46）；測溫系統（7）包括紅外測溫儀（71）和紅外測溫儀支架（70），紅外測溫儀（71）設置在紅外測溫儀支架（70）上，紅外測溫儀（71）通過測溫管道（45）上方的石英玻璃，并經測溫管道（45）直接監測到等離子體（14）。

2.根據權利要求1所述的防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，其特征在于：所述外環冷卻腔（2）包括腔體下端蓋（21）、腔體外壁（22）、腔體內壁（23）、冷卻液進入導管（24）、腔體上端蓋（25）和外微波屏蔽環（26），腔體外壁（22）安裝外微波屏蔽環（26），冷卻液自空腔內冷卻液進入導管（24）直接通入腔體底部，直至密封空腔注滿冷卻液之后，冷卻液自腔體上端蓋（25）上方的出口流出。

3.根據權利要求1所述的防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，其特征在于：所述內環底盤（31）上設置環形凹槽，與內環上蓋（34）焊接一體。

4.根據權利要求1所述的防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，其特征在于：所述工藝氣體緩沖腔（4）還包括下支撐板（42）和上支撐板（43），冷卻液進入管路（44）、冷卻液流出管路（46）均為兩根金屬中空管道，一根固定在下支撐板（42），穿過腔體上密封蓋（41），進入外環勻氣腔（2），一根固定在上支撐板（43），穿過腔體上密封蓋（41）后，進入內環勻氣腔（3）。

5.一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置的工作方法，?采用如權利要求1～4任一項所述的防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長mpcvd裝置，其特征在于：具體步驟如下：

技術總結
本發明涉及一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長MPCVD裝置及其工作方法，它屬于金剛石制備相關領域。本發明包括反應腔、外環冷卻腔、內環勻氣腔、工藝氣體緩沖腔、工藝氣體進入系統，外環冷卻腔設置在反應腔的腔體外環頂部，外環冷卻腔上方與工藝氣體緩沖腔連接，內環勻氣腔設置在反應腔的腔體中心頂部，內環勻氣腔將反應腔與工藝氣體緩沖腔隔離，工藝氣體緩沖腔頂部的腔體上密封蓋兩側對稱設置工藝氣體進入系統。本發明還提供了一種防氣流沖擊的大尺寸金剛石生長MPCVD裝置的工作方法。本發明結構設計合理，安全可靠，采用下進微波形式時，氣流自腔體上方進入后，避免了氣流沖擊金剛石襯底，提高金剛石均勻性，滿足使用需求。

技術研發人員：郭森,趙聰,萬志炳
受保護的技術使用者：杭州晶馳機電科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28