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使用激光等離子體 CVD 制造實驗室生長的鉆石

更新時間:2024-06-27點擊次數:265

等離子體增強 CVD 是當前主流的實驗室制造鉆石制造技術。現代等離子體增強 CVD的主要類型包括:


l 直流等離子射流

l 微波等離子體

l 射頻等離子體  


激光等離子體 CVD 是自 20 世紀 90 年代以來存在的一種不太為人所知的等離子體增強 CVD 子類型,它在環境壓力和正壓下運行,并且具有比以前的子類型更高的理論金剛石生長速率。對于 CVD 系統制造商和鉆石制造商來說,將這些系統從大學當前的研究環境擴展到商業實驗室培育鉆石市場可能會帶來高額利潤。


正如其他金剛石 CVD 系統一樣,艾里卡特的質量流量控制器和壓力控制器可以為激光等離子體 CVD 系統提供很好的氣體混合和腔室壓力操作條件。


激光等離子體 CVD 系統的主要優點

工作壓力條件限制較少

與所有其他等離子體增強 CVD 技術相比,激光等離子體 CVD 的主要優點之一是,激光等離子體 CVD 金剛石制造可在環境壓力和正壓 (1-4.5 atm) 下實現,而其他等離子體增強 CVD 金剛石制造技術則依賴于在低于大氣壓的情況下。因此,激光等離子體 CVD 系統中的壓力調節比傳統的等離子體增強 CVD 技術更便宜,在傳統的等離子體增強 CVD 技術中,腔室真空條件必須保持在 100 Torr 以下。    


更高的理論鉆石增長率

激光等離子體 CVD 的另一個巨大優勢是,根據巴赫曼模型,它可以將理論金剛石沉積速率比現有技術提高 2-3 個數量級(預測高達103 104 μm /小時)。出現這種情況是因為激光等離子體 CVD 中的激光功率密度遠遠優于其他等離子體增強 CVD 方法,從而可以實現更快的理論反應。盡管如此,在目前的研究階段,激光等離子體CVD沉積速率僅為100 微米/小時,仍然超過許多其他等離子體增強CVD生長速率,但遠低于預期。實現激光等離子體 CVD 的理論鉆石生長速率是一個令人興奮的持續研究領域,具有很好的利潤的潛在成果。


設計更好的激光等離子體 CVD 系統

激光等離子 CVD 金剛石制造使用激光等離子管沉積金剛石薄膜。在此系統中,連續的CO2激光穿過密封窗口,并通過專門設計的噴嘴使用鏡子將其集中到反應室中。進入腔室后,CO2激光器與 Ar 或 Xe 氣體等離子體混合,后者與主要進料氣體(主要是CH4 H2,但有時也有 CH4 CO2 )相互作用。Alicat 氣體流量控制器提供很好的氣體混合,而壓力控制器則維持腔室工作壓力。氣體混合物的等離子點火是通過高壓放電或細鎢絲來實現的。生長金剛石薄膜的基底通過循環水冷卻并通過激光加熱。液體質量流量控制器通過控制回路驅動水將基材冷卻至設定點溫度。


改善氣體混合控制  

根據測試激光等離子體 CVD 的研究論文,這些系統的理想氣體混合物是 0.05% CO2 + 0.2% CH4 + 4.75% H2 + 95.25% Ar,這與其他等離子體增強中使用的混合物顯著不同CVD 技術。需要對激光等離子體 CVD 進行進一步研究,以便為這些系統創造更好的氣體混合物。  

Alicat 的MC 系列質量流量控制器可精確控制進入反應室的等離子體和進料氣體的流量,具有以下優點:


l 按百萬分之一 (ppm) 定制氣體混合物

l 無需預熱

l 30 毫秒的響應速度

l 標準 NIST 可溯源精度高達讀數的 ±0.6% 或滿量程的 ±0.1%,以較大者為準

l 量程范圍0.01% – 100%

l 重復性高達 ±(讀數的 0.1% + 滿量程的 0.02%)


改善基板溫度控制

此外,Alicat 的LC 系列和 CODA KC 系列液體流量控制器可控制冷卻金剛石生長基質的水流,從而提供:


l LC 系列 NIST 可溯源精度高達滿量程的 ±2%

l CODA KC 系列科里奧利控制器 NIST 可溯源精度高達讀數的 ±0.2% 或滿量程的 ±0.05%

l CODA KC 系列對外部振動不敏感  

l 使用液體體積流量或壓力進行多變量流量控制,并同時測量控制回路命令的溫度


改善壓力控制

由于激光等離子體 CVD 需要正壓調節,Alicat 的PC 系列壓力控制器可以與真空泵結合調節下游室壓力調節,從而快速排出多余的室氣體。對于此應用,Alicat 的 PC 系列提供:


l NIST 可追溯精度高達滿量程的 ±0.125%

l 控制范圍為滿量程的 0.01% – 100%

l 重復性高達滿量程的 0.08%