專利名稱：用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于化學(xué)氣相沉積的電弧等離子炬技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
等離子炬是一種產(chǎn)生等離子體的裝置，根據(jù)原理的不同，可以分為射頻等離子 炬和電弧等離子炬兩種。本發(fā)明屬于電弧等離子炬。電弧等離子炬最早用于切割和 噴涂， 一般有一個陰極和一個陽極，用于氣相沉積的等離子炬多在此基礎(chǔ)上t艮而 來。為了增加炬的功率和擴(kuò)大沉積面積，進(jìn)行了多種改進(jìn)。中國專利93109966. 8、 日本專利07-085992拉長了陰極和陽極間的距離，通過提高弧壓來增大功率，但沉 積面積仍然較小。日本專利06-087689、 06-183886通過一個陰極，三個陽極的結(jié) 構(gòu)來增加功率和面積，前者三個獨(dú)立陽^f及在同一個水平面互成120度角布置，后者 三個環(huán)狀陽極和陰極同軸布置，在軸向上錯開距離，而美國專利5008511則展示了 一種三陰極， 一個共同陽極的結(jié)構(gòu)來增大功率。此類炬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。中國 專利92115318. X和本發(fā)明的形式較為接近，但該炬工作時反復(fù)起弧，等離子流波 動較大，并且該炬也未涉及面積和均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其結(jié)構(gòu)簡單，利用該等 離子炬，能在保持較高功率的同時，產(chǎn)生一個較大面積、可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作 的等離子體環(huán)境，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。本發(fā)明可廣泛適用于化學(xué)氣相沉積法制造 某物質(zhì)或材料，特別是用于制造人造金剛石。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是 一種用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸 上的中心陰極、與該中心陰極同軸的一個管狀陽極，該中心陰極和管狀陽極分別連接 直流電源的負(fù)極和正極，其特征在于在該中心陰極和管狀陽極之間至少設(shè)有一個管狀 輔助電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個進(jìn) 氣結(jié)構(gòu)中具有能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)。以保證氣體進(jìn)入炬腔體 后，可以形成以炬對稱軸為軸線的旋轉(zhuǎn)氣流。
所述的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)可為下面為多孔形出口的中空夾層式絕緣套，或由管狀輔助電
極和絕緣套構(gòu)成的中空夾層式套，中間為筒狀進(jìn)氣腔，其上設(shè)有進(jìn)氣管。也可為多管 進(jìn)入等其他結(jié)構(gòu)形式。
所迷的能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的較佳結(jié)構(gòu)為筒狀進(jìn)氣腔的下端設(shè)
有切線方向的噴口，筒狀進(jìn)氣腔的下端口為封閉式或其上i殳有向下噴口，以^使氣流更
加穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。
所述的能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)也可以是筒狀進(jìn)氣腔的上端 設(shè)有沿切線方向且向下傾斜的進(jìn)氣口，筒狀進(jìn)氣腔的下端開》t，氣體進(jìn)入筒狀進(jìn)氣腔 后噴出時也可使氣流形成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
所述的管狀陽極和管狀輔助電極中可設(shè)有流水冷卻結(jié)構(gòu)。
3所迷的中心陰極較佳結(jié)構(gòu)為棒狀或管狀陰極固定于筒形陰極座的下方，筒形陰 極座中設(shè)有流水冷卻結(jié)構(gòu)。
所迷的管狀陽極的下沿低于管狀輔助電極的下沿為佳。
為進(jìn)一步提高工作的穩(wěn)定性，可在所述的管狀陽極的外面設(shè)有磁場線圈或永久磁鐵。
所述的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中進(jìn)入氣體的成分為靠近中心陰極進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)入氣體為惰性 氣體，其余進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)入氣體為氫氣、惰性氣體和反應(yīng)物氣體中的某一種氣體或某 幾種氣體的混合氣體。
本發(fā)明的積極效果是與已有技術(shù)對比，很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)中長期存在的人 們一直想解決而又一直未能解決的沉積面積小、工作時間短、等離子流不穩(wěn)定、產(chǎn)品 質(zhì)量差、效率低等問題，其結(jié)構(gòu)簡單，能在保持較高功率的同時，產(chǎn)生一個較大面積、 可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作的等離子體環(huán)境，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。本發(fā)明可廣泛 適用于化學(xué)氣相沉積法制造某物質(zhì)或材料，特別是用于制造人造金剛石。具有較高的 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例作詳迷，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖l是本發(fā)明炬的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明用于化學(xué)氣相沉積金剛石的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明用于金剛石薄膜涂層實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明中的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)筒狀進(jìn)氣腔一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖A為主 視圖，圖B為圖A的俯視圖。
圖1-圖4中，1.(中心)陰極，101.棒狀陰極，102.管狀陰極，2、 3、 4.(管 狀)輔助電極，5.(管狀)陽極，6.進(jìn)水口， 7.出水口， 8、 9、 10.(混合氣)進(jìn)氣口， 11.(惰性氣體)進(jìn)氣口， 12、 13、 14、 15.絕緣結(jié)構(gòu)(例如絕緣套)，16.陽極引線， 17.陰極引線，18J茲場線圈，19.真空室壁，20.襯底，21.筒狀進(jìn)氣腔，22.垂直出氣 孔，23.切向出氣孔。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖4，該用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸上的中心陰極 1、與該中心陰極l同軸的一個管狀陽極5，該中心陰極1和管狀陽極5分別連接直 流電源的負(fù)極和正極，在該中心陰極l和管狀陽極5之間設(shè)有管狀輔助電極2、 3、 4, 各極間由絕緣材料隔離并為密封式結(jié)構(gòu)，極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個進(jìn)氣結(jié) 構(gòu)具有能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)，以保證氣體進(jìn)入炬腔體后，可以 形成以炬對稱軸為軸線的旋轉(zhuǎn)氣流。進(jìn)氣結(jié)構(gòu)為下面為多孔形出口的中空夾層式絕 緣套或由管狀輔助電極2、 3、 4和絕緣套構(gòu)成的中空夾層式套，其上設(shè)有進(jìn)氣管，中 間為筒狀進(jìn)氣腔。氣體進(jìn)入筒狀進(jìn)氣腔后，沿絕緣套圓周切線方向的小孔和垂直方向 小孔噴入等離子炬，可使氣流穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。管狀陽極5和管狀輔助電極2、 3、 4中均設(shè) 有流水冷卻結(jié)構(gòu)。中心陰極l結(jié)構(gòu)為棒狀陰極固定于筒形陰極座的下方，筒形陰極 座中設(shè)有流水冷卻結(jié)構(gòu)(中心陰極也可為管狀)。管狀輔助電極2、 3、 4的下沿依次 低下，均高于管狀陽極5的下沿。在管狀陽極5的外面設(shè)有磁場線圈18或永久磁鐵。 靠近中心陰板l的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)11為惰性氣體進(jìn)入腔，其他的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)為氫氣、惰性氣體和反應(yīng)物氣體的混合氣體進(jìn)入腔。當(dāng)電弧在陰極和陽極之間燃燒時，由于旋轉(zhuǎn)氣流 和線圈18磁場的作用，電弧的陽極斑點(diǎn)將被固定在陽極的最下端，并且在陽極內(nèi)表 面高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個大面積的、可以連續(xù)穩(wěn)定工作的等離子弧幕。本發(fā)明中輔助陽極的數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置。陰極、輔助電極、陽極的下沿在軸 向上可以布置在一個平面上，也可以上下錯開布置，它們由進(jìn)水口 6和出水口 7通過 冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，三者之間由絕緣結(jié)構(gòu)(絕緣套)12、 13、 14、 15實(shí)現(xiàn)絕緣和 密封。只有陰極1和陽極4分別接至直流電源的負(fù)極和正極。陰極是空心管狀或?qū)嵭?桿狀的，由某種非金屬材料如石墨或高熔點(diǎn)的金屬材料如鴒、鉭等制作，輔助電極和 陽極由一種金屬材料制作，通常選擇銅。磁場線圏18由某種絕緣材料如尼龍制作骨 架，在骨架上纏繞多圏的導(dǎo)線。在線圈18中通過電流，在等離子區(qū)形成軸向的^P茲場， 即可以影響電弧的穩(wěn)定、形狀和分布。等離子炬的出口一般處于真空室中，通過位于 絕緣結(jié)構(gòu)(絕緣套)12、 13、 14、 15上的進(jìn)氣口 11、 10、 9、 8以適當(dāng)?shù)姆绞胶土髁?向炬中加入氣體。工作過程如下由進(jìn)氣口 11通入惰性氣體，通常為氬氣，由進(jìn)氣口 8、 9、 10 通入由氫氣、惰性氣體和反應(yīng)物源氣體按一定比例混合的氣體，其中的一部分氣體由 絕緣套的切線方向進(jìn)入等離子炬，使炬中形成旋轉(zhuǎn)的氣流。當(dāng)真空室壓力達(dá)到合適值 時，在陰極l和陽極4之間加直流電壓，磁場線圈5通合適電流，然后在陰極和陽極 之間疊加高頻高壓，依次擊穿陰極-輔助電極-陽極間的氣隙，最后在陰極和陽極之 間形成電弧。電弧陽極斑點(diǎn)在氣流向下方向分量的作用下，固定在陽極最下端，在氣 流圓周方向分量作用下，在陽極內(nèi)表面高速旋轉(zhuǎn)，形成一道電弧幕墻。通過幕墻的氣 流被電弧加熱后離解，噴出陽極4，淬滅于布置在陽極正下方的襯底上，即可形成沉 積物。適當(dāng)調(diào)整氣體的流量、混合比例、磁場線圈的電流，輔助陽極的位置和數(shù)量等， 可以使電弧的穩(wěn)定性和生成物的均勻性等達(dá)到更好或最佳。圖2是本專利應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積金剛石領(lǐng)域的 一個實(shí)例。標(biāo)號同上。陰極1 由鑲嵌于筒形陰極座(或銅座)上的鴒桿制做，輔助電極2、陽極5、磁場線圈18、 絕緣結(jié)構(gòu)(絕緣套)12、 13、陰極同軸布置，并且在軸向上陰極內(nèi)縮于輔助電極和陽 極。所有部件之間通過螺釘連接，由O形團(tuán)實(shí)現(xiàn)良好的密封。整個等離子炬固定在真 空室壁19上，等離子流噴射于襯底20,在襯底上生成金剛石。通過進(jìn)水管6和出水 管7為各部件提供強(qiáng)制的水冷。由進(jìn)氣口ll送入氬氣，流量為2SLM,由進(jìn)氣口 10 送入氫氣、氬氣和曱烷的混合氣體，比例為4: 1: 0.01，采用圖4所示的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)， 流量為85SLM，真空室壓力4Kpa, ^磁場線圈的電流為1. 5 A ,電《瓜引燃后，電壓96V， 電流140A,?？蛇B續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行30小時以上，在直徑60的面積上均勻沉積出多晶 金剛石，厚度不均勻性小于15%,生長速率約20jam/h。圖3是另一個應(yīng)用于金剛石薄膜涂層的實(shí)例。標(biāo)號同上。此炬有3個輔助電極， 陽極噴口直徑①300mra,由進(jìn)氣口10送入氬氣，流量3SLM,混合氣體比例為氬氣 氫氣甲烷-l: 2: 0.01;從進(jìn)氣口 9送入的混合氣體流量6SLM,從進(jìn)氣口10送入 的混合氣體流量為3SLM。進(jìn)氣結(jié)構(gòu)如圖4。工作電壓120V,電流"OA,真空室壓力 lKpa時，在①240mm的工件村底生長出均勻的薄膜涂層，生長速率0. 5 - 1 nm/h。利用該種結(jié)構(gòu)炬已試驗(yàn)制備出小60mm、 4) 100mm、小120mm的多晶金剛石自支撐 膜和d)180mm、 (j)240mm的多晶金剛石薄膜涂層。效果很好。權(quán)利要求
1、一種用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸上的中心陰極(1)、與該中心陰極(1)同軸的一個管狀陽極(5)，該中心陰極(1)和管狀陽極(5)分別連接直流電源的負(fù)極和正極，其特征在于在該中心陰極(1)和管狀陽極(5)之間至少設(shè)有一個管狀輔助電極(2、3、4)，各極間由絕緣材料隔離，至少3個極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中具有能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的進(jìn) 氣結(jié)構(gòu)為下面為多孔形出口的中空夾層式絕緣套，或由管狀輔助電極(2、 3、 4)和 絕緣套構(gòu)成的中空夾層式套，中間為筒狀進(jìn)氣腔，其上設(shè)有進(jìn)氣管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的能 使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)為簡狀進(jìn)氣腔的下端設(shè)有切線方向的噴 口，簡狀進(jìn)氣腔的下端口為封閉式或其上設(shè)有向下噴口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的管 狀陽極(5)和管狀輔助電極(2、 3、 4)中均設(shè)有流水冷卻結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的中 心陰極(l)結(jié)構(gòu)為棒狀或管狀陰極固定于簡形陰極座的下方，筒形陰極座中設(shè)有流 水冷卻結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的管 狀陽極(5)的下沿低于管狀輔助電極(2、 3、' 4)的下沿。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其 特征在于在管狀陽極(5)的外面設(shè)有磁場線圏(18)或永久磁鐵。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的進(jìn) 氣結(jié)構(gòu)中進(jìn)入氣體的成分為靠近中心陰極進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)入氣體為惰性氣體，其余進(jìn) 氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)入氣體為氫氣、惰性氣體和反應(yīng)物氣體中的某一種氣體或某幾種氣體的混 合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于化學(xué)氣相沉積的等離子炬，涉及用于化學(xué)氣相沉積的電弧等離子炬技術(shù)領(lǐng)域。包括處于中心軸上的中心陰極、與該中心陰極同軸的一個管狀陽極，該中心陰極和管狀陽極分別連接直流電源的負(fù)極和正極，該中心陰極和管狀陽極之間至少設(shè)有一個管狀輔助電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中具有能使氣體進(jìn)入炬腔體后形成旋轉(zhuǎn)氣流的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，能在保持較高功率的同時，產(chǎn)生一個較大面積、可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作的等離子體環(huán)境，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。應(yīng)用廣泛，特別適用于制造人造金剛石。
文檔編號C23C16/50GK101660144SQ200910075519
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者何奇宇, 龍 姜, 孫振路, 張永貴, 李國華, 王志娜, 輝 郭, 亮 高 申請人:河北普萊斯曼金剛石科技有限公司