一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置及方法与流程

本发明涉及单晶金刚石生长，尤其是涉及一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置及方法。

背景技术：

1、化学气相沉积(chemica l vapor depos it ion简称cvd)是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。化学气相沉积(chemica lvapor depos it ion,cvd)是一种重要的表面膜制备技术，在半导体、光电子、能源和材料等领域应用广泛。化学气相沉积设备是实现化学气相沉积技术的重要设备之一，单晶金刚石的特点是硬度和耐磨性，金刚石是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，因此它具有极高的硬度和耐磨性，是所知自然界中最硬的物质。cvd(chemica l vapor deposit ion化学气相沉积)金刚石。含碳气体(如甲烷)和氢气的混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解，形成等离子态碳原子，并在基体上沉积交互生长成聚晶金刚石(或控制沉积生长条件沉积生长金刚石单晶或者准单晶)。

2、公告号cn211170964u的专利文件中公开了一种金刚石单晶生长装置，公开了包括：壳体，所述壳体两侧内壁上固定安装有加热盘管，所述壳体的底部内壁上固定安装有固定座，所述固定座的顶部放置有石墨块和金属触媒块，且金属触媒块叠放在石墨块的顶部，所述金属触媒块的顶部设置有压紧组件。结构简单，通过可以将石墨块和金属触媒块紧密贴合，便于两者互溶，同时在壳体内的气压超过指定的数值时会报警，进而工作人员便于对晶体的生长环境的压力进行严格控制。

3、但是上述专利文件在使用过程中，不便于生长室内部进行自动清洗，无法保证长期生产的可靠性，且不便于使衬底材料均匀受热，从而导致出现温差影响单晶金刚石生长质量，为此我们提出了一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置及方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在不便于生长室内部进行自动清洗，无法保证长期生产的可靠性，且不便于使衬底材料均匀受热，从而导致出现温差影响单晶金刚石生长质量的缺点，而提出的一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置及方法。

2、本技术提供的一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置及方法采用如下的技术方案：

3、一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的装置，包括：

4、安装座；

5、两个侧板，两个侧板均固定安装在安装座的顶部，两个侧板的一侧均开设有第一滑槽，两个第一滑槽内滑动安装有同一个下支板，两个侧板的一侧均开设有第二滑槽，两个第二滑槽内滑动安装有同一个上支板，下支板的顶部和上支板的底部分别固定安装有下腔体和上腔体，上腔体内安装有加热片；

6、活动板，活动板滑动安装在安装座的顶部，活动板的顶部固定安装有竖板和水箱，竖板上设置有清洗机构，水箱的顶部开设有进水口，下腔体的底部内壁固定安装有支台和支框，支台上设置有定位组件，定位组件连接有旋转机构，支框上设置有控温机构，上腔体的顶部连接有进气口，下腔体的一侧和底部分别连接有排气口和沥水口，下腔体的顶部开设有密封槽，密封槽内固定安装有密封条，上腔体的底部固定安装有回型板；

7、升降机构，升降机构设置在两个侧板上，升降机构包括第一电机，第一电机固定安装在安装座的一侧，安装座内开设有两个第一通槽和第二通槽，安装座的一侧开设有第一通孔，第一通孔与两个第一通槽和第二通槽相通，第一通孔内转动安装有蜗杆，蜗杆上啮合有两个第一蜗轮，两个第一通槽的顶部内壁均开设有第二通孔，两个第二通孔分别与两个第一滑槽和两个第二滑槽相通，下支板的顶部和上支板上螺纹安装有两个第一双向丝杆，两个第一双向丝杆的一端分别与两个第一蜗轮固定连接。

8、所述安装座的顶部开设有第四滑槽，第四滑槽内滑动安装有连接块，连接块的外侧与活动板的外侧固定连接，第二通槽的一侧内壁开设有第四通孔，第四通孔与第四滑槽相通，连接块上转动安装有螺杆，螺杆的一端固定安装有第二蜗轮，第二蜗轮与蜗杆啮合。

9、所述控温机构包括第二电机，第二电机固定安装在下腔体的底部，第二电机的输出轴与第一转杆的一端固定连接，支框上转动安装有第三转杆，第三转杆的外侧固定连接有多个导流板，第一转杆的另一端与第三转杆的外侧均固定安装有链轮，两个链轮上啮合有同一个链条。

10、所述竖板内开设有第三空槽，竖板上转动安装有转轴，转轴的一端开设有滑孔，出水管滑动安装在滑孔内，滑孔的内壁开设有对称的两个限位槽，两个限位槽内均滑动安装有限位块，两个限位块的外侧均与出水管的外侧固定连接。

11、所述第五转杆的外侧固定安装有偏心轮，偏心轮的外侧开设有环形球槽，环形球槽内活动安装有滚珠，水箱的一侧内壁开设有导向孔，导向孔内滑动安装有导杆，导杆的一端与滚珠的外侧固定连接，导杆与环形板相配合，出水管的外侧套设有弹簧，弹簧的两端分别与出水管的外侧和环形板的外侧固定连接。

12、所述水箱的一侧固定安装有第三电机，水箱内转动安装有第四转杆和第五转杆，第四转杆的一端固定安装有第一齿轮，转轴的外侧固定安装有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮相啮合，第四转杆的外侧和第五转杆的一端分别固定安装有第三伞齿轮和第四伞齿轮，第三伞齿轮和第四伞齿轮相啮合。

13、所述清洗机构包括水泵，水泵固定安装在水箱的底部内壁，水箱内固定安装有连接管，连接管的一端与水泵的输出口固定连通，连接管内滑动安装有出水管，出水管的外侧固定连通有两个喷头，出水管的外侧固定安装有环形板。

14、所述旋转机构包括第一转杆和第二转杆，下支板上开设有第三通槽，支框内开设有第一空槽和第二空槽，第一转杆和第二转杆均转动安装在支框上，第一转杆的外侧与第二转杆的一端分别固定安装有第一伞齿轮和第二伞齿轮，第一伞齿轮和第二伞齿轮相啮合，第二转杆的一端开设有矩形槽，矩形杆滑动安装在矩形槽内。

15、所述定位组件包括两个竖杆，支台的顶部开设有对称的两个第三滑槽，两个竖杆分别滑动安装在两个第三滑槽内，支台的一侧开设有第三通孔，第三通孔与两个第三滑槽相通，两个竖杆上螺纹安装有同一个第二双向丝杆，第二双向丝杆的一端固定安装有手轮，两个竖杆上均转动安装有矩形杆，两个矩形杆的一端均固定安装有定位板。

16、本发明还提出了一种基于化学气相沉积法生长单晶金刚石的方法，包括以下步骤：

17、s1：首先，通过将衬底材料放在支台上，转动手轮，手轮带动第二双向丝杆转动，第二双向丝杆带动两个竖杆相互靠近，两个竖杆分别带动两个矩形杆和两个定位板相互靠近，进而两个定位板可以对衬底材料进行夹持定位，然后开启第一电机，第一电机带动蜗杆转动，蜗杆带动两个第一蜗轮转动，两个第一蜗轮分别带动两个第一双向丝杆转动，两个第一双向丝杆带动上支板和下支板相互靠近，上支板和下支板分别带动上腔体和下腔体相互靠近，进而可以使上腔体和下腔体闭合，通过回型板与密封条相配合的设置，可以提高上腔体和下腔体之间的密封性；

18、s2：然后，通过进气口对上腔体和下腔体中充入氮气、甲烷和氢气，通过加热片将气体加热约1000℃，常压1大气压或低压条件下，这些气体提供的碳原子会在衬底材料薄片上一层一层沉积，进而形成均匀的晶体涂层，同时可以通过开启第二电机，第二电机带动第一转杆转动，第一转杆带动第一伞齿轮转动，第一伞齿轮带动第二伞齿轮转动，第二伞齿轮带动第二转杆转动，通过矩形槽与矩形杆相配合的设置，第二转杆带动矩形杆转动，矩形杆带动定位板转动，进而两个定位板带动衬底材料旋转，同时第一转杆带动链轮转动，两个链轮通过链条传动，第三转杆带动多个导流板旋转，进而可以使气体均匀受热，从而避免出现温差温差是决定单晶金刚石生长质量的最重要的三个因素之一，其他两个是气体成分和压力，而温差是目前cvd行业里面最难解决的问题，温差的改善意味着cvd生长金刚石技术的整体跃进，为超大尺寸高质量金刚石材料的生产提供了必要条件，保证单晶金刚石生长质量，且避免气体分布不均造成金刚石生长面质量、应力分布不均，且提高了培育速率，这一过程还会产生挥发性副产物，这些副产物可以通过开启排气口跟随流经的气流被去除；

19、s3：当单晶金刚石生长完成时，通过开启第一电机反转，可以使上腔体和下腔体进行分离，方便取放衬底材料，同时第一电机带动第一蜗杆转动，第一蜗杆带动第二蜗轮转动，第二蜗轮带动螺杆转动，螺杆带动连接块水平向右移动，连接块带动活动板、竖板和水箱水平向右移动，然后通过开启水泵，水泵可以将水箱内的超纯水通过连接管和出水管输送至两个喷头，两个喷头可以对上腔体和下腔体内部进行冲洗；

20、s4：同时开启第三电机，第三电机带动第四转杆转动，第四转杆带动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮转动，第二齿轮带动转轴转动，通过两个限位槽和两个限位块的设置，转轴可以带动出水管转动，出水管带动两个喷头旋转，同时第四转杆带动第三伞齿轮转动，第三伞齿轮带动第四伞齿轮转动，第四伞齿轮带动第五转杆转动，第五转杆带动偏心轮转动，偏心轮带动滚珠和导杆往复位移，导杆挤压环形板水平移动，环形板拉伸弹簧产生形变，当偏心轮转动至一定位置时，弹簧可以通过形变力带动环形板复位，进而环形板带动出水管和两个喷头水平往复运动，从而两个喷头可以对上腔体和下腔体内部进行充分清洗，保证长期生产的可靠性。

21、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

22、1.本方案当开启第二电机时，第二电机带动第一转杆转动，第一伞齿轮带动第二伞齿轮转动，第二转杆带动矩形杆转动，两个定位板可以带动衬底材料旋转，同时两个链轮通过链条传动，第三转杆带动多个导流板旋转，进而可以使气体和衬底材料均匀受热，从而避免出现温差，保证单晶金刚石生长质量；

23、2.本方案当开启水泵，水泵将水箱内的超纯水通过连接管和出水管输送至两个喷头，进而两个喷头可以对上腔体和下腔体内部进行自动冲洗，保证长期生产的可靠性；

24、3.本方案当开启第一电机时，蜗杆带动两个第一蜗轮转动，两个第一双向丝杆带动上支板和下支板相互靠近，进而可以启闭上腔体和下腔体，方便快速取放衬底材料，且通过密封条和回型板相配合的设置，可以有效提高上腔体和下腔体之间的密封性，保证单晶金刚石生长质量。

25、本发明能够在使用过程中，便于生长室内部进行自动清洗，保证长期生产的可靠性，且便于使衬底材料均匀受热，从而避免出现温差，保证单晶金刚石生长质量，结构简单，使用方便。