專利名稱：一種用于直流弧光放電pcvd金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于等離子體化學(xué)氣相沉積的基底托架裝置，具體涉及一種用于直 流弧光放電等離子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積的水冷基底托架裝置。
二背景技術(shù)：
金剛石集眾多優(yōu)越的物理化學(xué)性能于一身，被譽(yù)為二十一世紀(jì)的新材料而得到廣泛重視，
目前金剛石的制備方法主要有高溫高壓法、化學(xué)氣相法?；瘜W(xué)氣相法(CVD)制備的為多晶 金剛石，非常適合作為超硬耐磨涂層、光學(xué)窗口、電子散熱塊以及摻雜半導(dǎo)體、傳感器而得 到廣泛的應(yīng)用，其市場(chǎng)潛力極大。目前，制備CVD金剛石薄膜的方法主要有熱絲法、微波法、
直流弧光放電法等。
雖然CVD金剛石薄膜的制備方法不同，但是在金剛石薄膜的制備中，卻有其共性，如
適合金剛石薄膜沉積的基底溫度；需要金剛石生長(zhǎng)所需的碳源前驅(qū)物；需要有原子氫、氧來 刻蝕金剛石薄膜生長(zhǎng)過程中的非晶碳；需要足夠的能量來分解、活化碳源氣體來提供金剛石 薄膜織構(gòu)生長(zhǎng)所需的碳?xì)浠鶊F(tuán)等等。從而，對(duì)于任何一種CVD金剛石薄膜的生長(zhǎng)方法，反應(yīng) 氣氛、反應(yīng)壓力及基底溫度都是非常關(guān)鍵的生長(zhǎng)因素，尤其是溫度條件，在CVD的工藝參數(shù) 中扮演著重要的作用，它影響著金剛石薄膜的形貌、織構(gòu)及品質(zhì)，適合金剛石薄膜沉積的基 底溫度為700—900°C。
在化學(xué)氣相金剛石薄膜的制備過程中，提供碳源氣體分解、活化所需能量的方式主要為 熱解、等離子體，由于它們提供的能量存在較大的差異，從而對(duì)應(yīng)的基底托架裝置也明顯不 同，如熱絲法由于提供的能量較低，基底不但不需要冷卻，反而需要通過電阻絲進(jìn)行加熱； 對(duì)于微波等離子體法由于采用的微波發(fā)生器功率不同，目前采用的基底托架裝置分為加熱及 冷卻兩種，但是其托架臺(tái)只能為石墨或其它不導(dǎo)電材料；對(duì)于直流弧光放電等離子體法，由 于其產(chǎn)生的能量較高，基底托架普遍需要冷卻。
對(duì)于直流弧光放電法等提供高能量的氣相化學(xué)沉積設(shè)備而言，目前，所涉及的基底托架 裝置方面的技術(shù)難點(diǎn)主要涉及以下4個(gè)方面
1、 基底托架的單獨(dú)冷卻
目前，大多數(shù)直流弧光放電法采用的基底托架是與反應(yīng)腔體焊接在一起的，反應(yīng)腔體溫 度的變化會(huì)導(dǎo)致基底托架溫度的波動(dòng)，在這種方式下，基底托架的溫度難以成為一個(gè)獨(dú)立的 參數(shù)，從而只有將基底托架與反應(yīng)腔體絕熱，在基底托架中采用一套獨(dú)立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)， 采用解決此問題。
2、 基底托架上下自由度的調(diào)節(jié)在等離子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積中，基底托架至等離子體區(qū)的距離是一個(gè)重要的參 數(shù)，甚至在反應(yīng)過程中需要對(duì)基底托架至等離子體的間距進(jìn)行調(diào)整，從而需要保證基底托架 具有上下移動(dòng)的自由度。
3、 基底托架的真空、絕緣和密封
在等離子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積前，首先需要對(duì)反應(yīng)腔進(jìn)行預(yù)抽真空至10_3Pa以
排除其中的雜質(zhì)氣體，另外沉積過程中要保證基底托架上下移動(dòng)時(shí)不漏氣及漏水，再者對(duì)于 低成核基底材料，需要對(duì)基底加入偏壓，從而基底托架與反應(yīng)腔體需要具有良好的絕緣性。
4、 基底托架中溫度傳感器的設(shè)置
目前在等離子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積設(shè)備中，大多釆用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)作為執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的開環(huán)控制方式，其僅僅只能維持進(jìn)水流量的恒定，當(dāng)氣體流量、等離子源以及水溫季節(jié) 變化時(shí)，基底溫度會(huì)發(fā)生較大的變化，從而不能保證基底溫度的恒定，在調(diào)節(jié)工藝參數(shù)時(shí)會(huì) 產(chǎn)生了多個(gè)變量，如果要對(duì)基底溫度進(jìn)行精確控溫，就需要對(duì)基底溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，轉(zhuǎn)而 采用閉環(huán)控制方式對(duì)其恒溫，從而在基底托架中設(shè)置熱電偶，對(duì)于今后采用溫控及計(jì)算機(jī)精 確控溫提供傳感器至關(guān)重要。
鑒于上述基底托架裝置在氣相金剛石薄膜方面沉積過程中的技術(shù)難點(diǎn)，我們?cè)诒ＷC等離 子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積工藝條件的基礎(chǔ)上，研究出了一種用于直流弧光放電PCVD金剛 石薄膜制備的水冷基底托架裝置。
三、發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型目的是，提供一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托 架裝置，真空、絕緣、水冷性能好，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可有效的解決直流弧光放電等離 子體化學(xué)氣相金剛石薄膜制備過程中基底托架冷卻、真空、絕緣、升降等難點(diǎn)問題。
本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)1、使用聚砜法蘭裝配水冷基底托架裝置；2、使 用水冷套管、熱電偶套管、水箱連接件組成獨(dú)立的基底托架裝置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；3、為今后 的精確控溫，在基底托架裝置中設(shè)置熱電偶溫度傳感器。
根據(jù)以上技術(shù)方案，如圖1、 3所示，本發(fā)明涉及一種用于直流弧光放電PCVD金剛石 薄膜制備的水冷基底托架裝置，它包括有"T"型基底托架(2)、鎖緊螺母(6)、水箱連接件
(7)、水嘴(8)、鎧裝熱電偶(9)、鎖緊件(10)、 "0"型密封圈(12)，冷卻水套管(13)、 熱電偶套管(14)、石英件(15)，并通過不銹鋼真空法蘭(3)、聚砜法蘭(4)、不銹鋼壓片
(5)、鎖緊螺母(6—1)、鎖緊螺栓(11)、 "0"型密封圈(12—1)與反應(yīng)腔(2)裝配，其 特征在于反應(yīng)腔(1)底部中心位置由氬弧焊焊接有不銹鋼真空法蘭(3)，聚砜法蘭(4) 由"0"型密封圈(14—1)、不銹鋼壓片(5)、鎖緊螺栓(11)固定在不銹鋼真空法蘭(3) 中；通過"0"型密封圈(12—2)、鎖緊螺母(6_1)使其固定在聚砜法蘭(4)中，并可以 通過調(diào)整鎖緊螺母(6—1)松緊程度實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果
1、 使用聚砜法蘭裝配水冷基底托架裝置以解決絕緣、真空密封、移動(dòng)問題。
2、 使用水冷套管、熱電偶套管、水箱連接件組成獨(dú)立的基底托架裝置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)， 使其與反應(yīng)腔體的循環(huán)系統(tǒng)隔離，從而基底溫度成為一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。
3、在基底托架裝置中設(shè)置熱電偶，對(duì)基底溫度進(jìn)行間接測(cè)量，為今后測(cè)、控溫系統(tǒng)升級(jí) 提供溫度傳感器。
4、基底水冷托架裝置同時(shí)具有絕緣、真空密封、冷卻水密封，安裝、拆卸操作性能好的優(yōu)點(diǎn)。
四

圖1為一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置與反應(yīng)腔體的 裝配圖。
圖2為一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的基底自動(dòng)恒溫裝置中基底托架裝 置的裝配圖。
圖3為一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置中絕緣、真空 密封法蘭的零件圖。
圖4為一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置中水箱連接件 的裝配圖。
圖中L "t"型基底托架，2.反應(yīng)腔體，3.不銹鋼真空法蘭，4.聚砜法蘭，5.不銹 鋼壓片，6.鎖緊螺母，7.水箱連接件，8.水嘴，9.鎧裝熱電偶，IO.鎖緊件，ll.鎖緊螺栓，12. "0"型密封圈，13.冷卻水套管，14.熱電偶套管，15.石英玻璃件。
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖1、 3所示， 一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置， 是通過不銹鋼真空法蘭(3)、聚砜法蘭(4)、不銹鋼壓片(5)、鎖緊螺母(6)、鎖緊螺栓(11)、 "0"型密封圈(12)與反應(yīng)腔(1)進(jìn)行裝配的，首先，通過氬弧焊將不銹鋼真空法蘭(3) 焊接在反應(yīng)腔(1)底部中心位置，其次通過"0"型密封圈(12 — 1)、不銹鋼壓片(5)、 鎖緊螺栓(11)將聚砜法蘭(4)固定在不銹鋼真空法蘭(3)中，然后通過"0"型密封圈 (12—2)、鎖緊螺母(6—1)使其固定在聚砜法蘭(4)中，并可以通過調(diào)整鎖緊螺母(6—1) 松緊程度實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。
如圖2、 4所示， 一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置， 它包括有"T"型基底托架(2)、鎖緊螺母(6)、水箱連接件(7)、水嘴(8)、鎧裝熱電偶(9)、 鎖緊件(10)、 "0"型密封圈(12)，冷卻水套管(13)、熱電偶套管(14)、石英玻璃件(15),水箱連接件(7)由上部組件(7—1)與下部組件(7_2)通過氬弧焊焊接而成，水箱連接件 (7—1)外側(cè)左端通過螺紋、"0"型密封圈(12—4)與進(jìn)水嘴(8—2)連接，水箱連接件 (7—2)外側(cè)右端通過螺紋、"0"型密封圈(12—5)與出水嘴(8 — 1)連接。
如圖2所示，"T"型基底托架(2)頂部背面、水箱連接件組件(7—1)上端內(nèi)部中心
位置分別通過氬弧焊焊接有熱電偶套管(14)、冷卻水套管(13)，兩者通過螺紋、"0"型密
封圈(12—3)連接形成水循環(huán)空間，冷卻水由進(jìn)水嘴(8—2)進(jìn)入，注滿"T"型基底托架 (2)、冷卻水套管(13)間空隙后，沿冷卻水套管(13)、熱電偶套管(14)間空隙流入水箱
連接件(7—2)后經(jīng)出水嘴(8 — 1)排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)"T"型基底托架(2)頂部樣品的冷卻。 如圖2所示，水箱連接件(7—2)下端通過螺紋、"0"型密封圈(12—6)與鎖緊螺母 (6—2)對(duì)此處熱電偶套管(14)進(jìn)行固定及冷卻水密封，熱電偶套管(14)下端通過螺紋
與鎖緊件(10)連接，鎖緊螺母(6_2)通過螺紋、"0"型密封圈(12—7)與鎖緊件(10)
連接，并使鎧裝熱電偶(9)頂部緊貼在"T"型基底托架(2)頂部背面，鎧裝熱電偶(9)
可對(duì)"T"型基底托架(2)表面溫度進(jìn)行間接測(cè)量。
如圖1、 2、 3、 4所示，"T"型基底托架(2)在反應(yīng)腔(1)中的部分套有石英玻璃件 (15)用于與等離子體絕緣，聚砜法蘭(4)使其與反應(yīng)腔體(2)絕緣，"T"型基底托架(2)、 水箱連接件(7)、冷卻水套管(13)、不銹鋼真空法蘭(3)、熱電偶套管(14)其材質(zhì)均為 1Crl8Ni， "0"型密封圈(12)材質(zhì)均為氟橡膠，"0"型密封圈(12—1)、 (12—2)用于 真空密封，"0"型密封圈(12—3)、 (12—4)、 (12_5)、 (12—6)用于冷卻水密封，"0"型 密封圈(12—2)、 (12_6)、 (14一7)具有鎖緊部件的作用。
權(quán)利要求1、一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托架裝置，它包括有“T”型基底托架(2)、鎖緊螺母(6)、水箱連接件(7)、水嘴(8)、鎧裝熱電偶(9)、鎖緊件(10)、“O”型密封圈(12)，冷卻水套管(13)、熱電偶套管(14)、石英件(15)，并通過不銹鋼真空法蘭(3)、聚砜法蘭(4)、不銹鋼壓片(5)、鎖緊螺母(6-1)、鎖緊螺栓(11)、“O”型密封圈(12-1)與反應(yīng)腔(2)裝配，其特征在于反應(yīng)腔(1)底部中心位置由氬弧焊焊接有不銹鋼真空法蘭(3)，聚砜法蘭(4)由“O”型密封圈(14-1)、不銹鋼壓片(5)、鎖緊螺栓(11)固定在不銹鋼真空法蘭(3)中；通過“O”型密封圈(12-2)、鎖緊螺母(6-1)使其固定在聚砜法蘭(4)中，并可以通過調(diào)整鎖緊螺母(6-1)松緊程度實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托 架裝置，其特征在于"T"型基底托架(2)頂部背面中心部位通過氬弧焊焊接有熱電偶套管(14)， "T"型基底托架(2)下端通過螺紋、"0"型密封圈(12 — 3)與水箱連接件上部組 件(7—1)上端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托 架裝置，其特征在于水箱連接件(7)由上部組件(7 — 1)與下部組件(7—2)通過氬弧焊 焊接而成，水箱連接件(7—1)上端底部中心處通過氬弧焊焊接有分別通過冷卻水套管(13)， 水箱連接件(7—1)外側(cè)左端通過螺紋、"0"型密封圈(12—4)與進(jìn)水嘴(8—2)連接， 水箱連接件(7—2)外側(cè)右端通過螺紋、"O"型密封圈(12—5)與出水嘴(8 — 1)連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托 架裝置，其特征在于水箱連接件(7—2)下端通過螺紋、"O"型密封圈(12—6)與鎖緊 螺母(6—2)對(duì)此處熱電偶套管(14)進(jìn)行固定及冷卻水密封，熱電偶套管(14)下端通過 螺紋與鎖緊件(10)連接，鎖緊螺母(6—2)通過螺紋、"0"型密封圈(12—7)與鎖緊件(10)連接，并使鎧裝熱電偶(9)頂部緊貼在"T"型基底托架(2)頂部背面，鎧裝熱電偶 (9)可對(duì)"T"型基底托架(2)表面溫度進(jìn)行間接測(cè)量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直流弧光放電PCVD金剛石薄膜制備的水冷基底托 架裝置，其特征在于"T"型基底托架(2)在反應(yīng)腔(1)中的部分套有石英玻璃件(15) 用于與等離子體絕緣，聚砜法蘭(4)使其與反應(yīng)腔體(2)絕緣，"O"型密封圈(14)材質(zhì) 均為氟橡膠，"T"型基底托架(2)、水箱連接件(7)、冷卻水套管(13)、不銹鋼真空法蘭(3)、 熱電偶套管(14)其材質(zhì)均為1Crl8Ni。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于直流弧光放電等離子體化學(xué)氣相金剛石薄膜沉積的水冷基底托架裝置，它由不銹鋼真空法蘭、聚砜法蘭、“T”型基底托架、水箱連接件、冷卻水套管、熱電偶套管、熱電偶、水嘴、鎖緊螺母組成，其特征在于“T”型基底托架背面、水箱連接件中心部位分別焊接有熱電偶套管、冷卻水套管，兩者由螺紋連接后形成水循環(huán)空間，“T”型基底托架通過聚砜法蘭與反應(yīng)腔體絕緣，并可上下移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，托架表面溫度由熱電偶測(cè)量，所有部件均可靈活拆卸，真空、水冷性能好，并采用在此裝置制備出高品質(zhì)的金剛石薄膜。
文檔編號(hào)C23C16/27GK201309963SQ200820140648
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者張湘輝, 靈 汪, 龍劍平 申請(qǐng)人:成都理工大學(xué)