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使用激光等离子体 CVD 制造实验室生长的钻石

更新时间:2024-06-27点击次数:145

等离子体增强 CVD 是当前主流的实验室制造钻石制造技术。现代等离子体增强 CVD的主要类型包括:


l 直流等离子射流

l 微波等离子体

l 射频等离子体  


激光等离子体 CVD 是自 20 世纪 90 年代以来存在的一种不太为人所知的等离子体增强 CVD 子类型,它在环境压力和正压下运行,并且具有比以前的子类型更高的理论金刚石生长速率。对于 CVD 系统制造商和钻石制造商来说,将这些系统从大学当前的研究环境扩展到商业实验室培育钻石市场可能会带来高额利润。


正如其他金刚石 CVD 系统一样,艾里卡特的质量流量控制器和压力控制器可以为激光等离子体 CVD 系统提供很好的气体混合和腔室压力操作条件。


激光等离子体 CVD 系统的主要优点

工作压力条件限制较少

与所有其他等离子体增强 CVD 技术相比,激光等离子体 CVD 的主要优点之一是,激光等离子体 CVD 金刚石制造可在环境压力和正压 (1-4.5 atm) 下实现,而其他等离子体增强 CVD 金刚石制造技术则依赖于在低于大气压的情况下。因此,激光等离子体 CVD 系统中的压力调节比传统的等离子体增强 CVD 技术更便宜,在传统的等离子体增强 CVD 技术中,腔室真空条件必须保持在 100 Torr 以下。    


更高的理论钻石增长率

激光等离子体 CVD 的另一个巨大优势是,根据巴赫曼模型,它可以将理论金刚石沉积速率比现有技术提高 2-3 个数量级(预测高达103 104 μm /小时)。出现这种情况是因为激光等离子体 CVD 中的激光功率密度远远优于其他等离子体增强 CVD 方法,从而可以实现更快的理论反应。尽管如此,在目前的研究阶段,激光等离子体CVD沉积速率仅为100 微米/小时,仍然超过许多其他等离子体增强CVD生长速率,但远低于预期。实现激光等离子体 CVD 的理论钻石生长速率是一个令人兴奋的持续研究领域,具有很好的利润的潜在成果。


设计更好的激光等离子体 CVD 系统

激光等离子 CVD 金刚石制造使用激光等离子管沉积金刚石薄膜。在此系统中,连续的CO2激光穿过密封窗口,并通过专门设计的喷嘴使用镜子将其集中到反应室中。进入腔室后,CO2激光器与 Ar 或 Xe 气体等离子体混合,后者与主要进料气体(主要是CH4 H2,但有时也有 CH4 CO2 )相互作用。Alicat 气体流量控制器提供很好的气体混合,而压力控制器则维持腔室工作压力。气体混合物的等离子点火是通过高压放电或细钨丝来实现的。生长金刚石薄膜的基底通过循环水冷却并通过激光加热。液体质量流量控制器通过控制回路驱动水将基材冷却至设定点温度。


改善气体混合控制  

根据测试激光等离子体 CVD 的研究论文,这些系统的理想气体混合物是 0.05% CO2 + 0.2% CH4 + 4.75% H2 + 95.25% Ar,这与其他等离子体增强中使用的混合物显着不同CVD 技术。需要对激光等离子体 CVD 进行进一步研究,以便为这些系统创造更好的气体混合物。  

Alicat 的MC 系列质量流量控制器可精确控制进入反应室的等离子体和进料气体的流量,具有以下优点:


l 按百万分之一 (ppm) 定制气体混合物

l 无需预热

l 30 毫秒的响应速度

l 标准 NIST 可溯源精度高达读数的 ±0.6% 或满量程的 ±0.1%,以较大者为准

l 量程范围0.01% – 100%

l 重复性高达 ±(读数的 0.1% + 满量程的 0.02%)


改善基板温度控制

此外,Alicat 的LC 系列和 CODA KC 系列液体流量控制器可控制冷却金刚石生长基质的水流,从而提供:


l LC 系列 NIST 可溯源精度高达满量程的 ±2%

l CODA KC 系列科里奥利控制器 NIST 可溯源精度高达读数的 ±0.2% 或满量程的 ±0.05%

l CODA KC 系列对外部振动不敏感  

l 使用液体体积流量或压力进行多变量流量控制,并同时测量控制回路命令的温度


改善压力控制

由于激光等离子体 CVD 需要正压调节,Alicat 的PC 系列压力控制器可以与真空泵结合调节下游室压力调节,从而快速排出多余的室气体。对于此应用,Alicat 的 PC 系列提供:


l NIST 可追溯精度高达满量程的 ±0.125%

l 控制范围为满量程的 0.01% – 100%

l 重复性高达满量程的 0.08%