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：
本實(shí)用新型涉及用于化學(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。本實(shí)用新型屬于電弧等離子炬。電弧等離子炬最早用于切割和噴 涂，一般有一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極，用于氣相沉積的等離子炬多在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。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(guó)專利93109966. 8、日本專利07-085992 拉長(zhǎng)了陰極和陽(yáng)極間的距離，通過(guò)提高弧壓來(lái)增大功率，但沉積面積仍然較小。日本專利 06-087689、06-183886通過(guò)一個(gè)陰極，三個(gè)陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)來(lái)增加功率和面積，前者三個(gè)獨(dú)立陽(yáng) 極在同一個(gè)水平面互成120度角布置，后者三個(gè)環(huán)狀陽(yáng)極和陰極同軸布置，在軸向上錯(cuò)開 距離，而美國(guó)專利5008511則展示了一種三陰極，一個(gè)共同陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)來(lái)增大功率。此類炬 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。中國(guó)專利92115318. X和本實(shí)用新型的形式較為接近，但該炬工作時(shí) 反復(fù)起弧，等離子流波動(dòng)較大，并且該炬也未涉及面積和均勻性。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型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(jiǎn)單，利用 該等離子炬，能在保持較高功率的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)較大面積、可以長(zhǎng)時(shí)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。本實(shí)用新型可廣泛適用于化學(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。 本實(shí)用新型的主要技術(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(gè)管狀陽(yáng)極，該中心陰極和管狀陽(yáng)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(yáng)極之間至少設(shè)有一個(gè)管狀輔助 電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個(gè)極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個(gè)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(duì)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。 所述的能使氣體進(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設(shè)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)氣腔的下端開放，氣體進(jìn)入筒狀進(jìn)氣腔后噴 出時(shí)也可使氣流形成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。 所述的管狀陽(yáng)極和管狀輔助電極中可設(shè)有流水冷卻結(jié)構(gòu)。[0009] 所述的中心陰極較佳結(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)。 所述的管狀陽(yáng)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(yáng)極的外面設(shè)有磁場(chǎng)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。 本實(shí)用新型的積極效果是與已有技術(shù)對(duì)比，很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)中長(zhǎng)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(shí)間短、等離子流不穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì) 量差、效率低等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在保持較高功率的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)較大面積、可以長(zhǎng)時(shí) 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。本實(shí)用新型可廣泛適用于化學(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(huì) 效益。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例作詳述，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。
圖1是本實(shí)用新型炬的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2是本實(shí)用新型用于化學(xué)氣相沉積金剛石的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本實(shí)用新型用于金剛石薄膜涂層實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本實(shí)用新型中的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)筒狀進(jìn)氣腔一個(gè)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，IOI.棒狀陰極，102.管狀陰極，2、3、4.(管狀)輔 助電極，5.(管狀)陽(yáng)極，6.進(jìn)水口，7.出水口，8、9、10.(混合氣)進(jìn)氣口，ll.(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(yáng)極引線，17.陰極引線，18.磁場(chǎng)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1同軸的一個(gè)管狀陽(yáng)極5，該中心陰極1和管狀陽(yáng)極5分別連接直流電源 的負(fù)極和正極，在該中心陰極1和管狀陽(yáng)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(gè)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(duì)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(yáng)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1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(yáng)極5的下沿。在管狀陽(yáng)極5的外面設(shè)有磁場(chǎng)線圈18或永久磁鐵?？拷行年帢O1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(yáng)極之間燃燒時(shí)，由于 旋轉(zhuǎn)氣流和線圈18磁場(chǎng)的作用，電弧的陽(yáng)極斑點(diǎn)將被固定在陽(yáng)極的最下端，并且在陽(yáng)極內(nèi) 表面高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)大面積的、可以連續(xù)穩(wěn)定工作的等離子弧幕。 本實(shí)用新型中輔助陽(yáng)極的數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置。陰極、輔助電極、陽(yáng)極的下沿在 軸向上可以布置在一個(gè)平面上，也可以上下錯(cuò)開布置，它們由進(jìn)水口6和出水口7通過(guò)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 l和陽(yáng)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)嵭臈U狀的，由某種非金屬 材料如石墨或高熔點(diǎn)的金屬材料如鎢、鉭等制作，輔助電極和陽(yáng)極由一種金屬材料制作，通 常選擇銅。磁場(chǎng)線圈18由某種絕緣材料如尼龍制作骨架，在骨架上纏繞多圈的導(dǎo)線。在線 圈18中通過(guò)電流，在等離子區(qū)形成軸向的磁場(chǎng)，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(guò)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)姆绞胶土髁肯蚓嬷屑尤霘怏w。 工作過(guò)程如下由進(jìn)氣口 ll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(shí)，在陰極l和陽(yáng) 極4之間加直流電壓，磁場(chǎng)線圈5通合適電流，然后在陰極和陽(yáng)極之間疊加高頻高壓，依次 擊穿陰極-輔助電極-陽(yáng)極間的氣隙，最后在陰極和陽(yáng)極之間形成電弧。電弧陽(yáng)極斑點(diǎn)在氣 流向下方向分量的作用下，固定在陽(yáng)極最下端，在氣流圓周方向分量作用下，在陽(yáng)極內(nèi)表面 高速旋轉(zhuǎn)，形成一道電弧幕墻。通過(guò)幕墻的氣流被電弧加熱后離解，噴出陽(yáng)極4，淬滅于布置 在陽(yáng)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(chǎng)線圈的電 流，輔助陽(yáng)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(gè)實(shí)例。標(biāo)號(hào)同上。陰極1由 鑲嵌于筒形陰極座(或銅座)上的鎢桿制做，輔助電極2、陽(yáng)極5、磁場(chǎng)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(yáng)極。所有部件之間通過(guò) 螺釘連接，由0形圈實(shí)現(xiàn)良好的密封。整個(gè)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(guò)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、氬氣和甲烷的混合氣體，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(chǎng)線圈的電流 為1. 5A，電弧引燃后，電壓96V，電流140A，?？蛇B續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行30小時(shí)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(zhǎng)速率約20 ii m/h。 圖3是另一個(gè)應(yīng)用于金剛石薄膜涂層的實(shí)例。標(biāo)號(hào)同上。此炬有3個(gè)輔助電極， 陽(yáng)極噴口直徑①300mm，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=1 : 2 : 0.01 ;從進(jìn)氣口 9送入的混合氣體流量6SLM，從進(jìn)氣口 IO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150A，真空室壓力1Kpa時(shí)，在①240mm 的工件襯底生長(zhǎng)出均勻的薄膜涂層，生長(zhǎng)速率0. 5-1 ii m/h。 利用該種結(jié)構(gòu)炬已試驗(yàn)制備出小60mm、小100mm、小120mm的多晶金剛石自支撐膜 和小180mm、小240mm的多晶金剛石薄膜涂層。效果很好。
權(quán)利要求一種用于化學(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(gè)管狀陽(yáng)極(5)，該中心陰極(1)和管狀陽(yáng)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(yáng)極(5)之間至少設(shè)有一個(gè)管狀輔助電極(2、3、4)，各極間由絕緣材料隔離，至少3個(gè)極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個(gè)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1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設(shè)有向下噴口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1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(yáng)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1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 (1)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)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1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(yáng)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1、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(yáng)極(5)的外面設(shè)有磁場(chǎng)線圈(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。
專利摘要本實(shí)用新型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(gè)管狀陽(yáng)極，該中心陰極和管狀陽(yáng)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(yáng)極之間至少設(shè)有一個(gè)管狀輔助電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個(gè)極間設(shè)有進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，其中至少有一個(gè)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)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在保持較高功率的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)較大面積、可以長(zhǎng)時(shí)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(hào)H05H1/34GK201515548SQ20092021726
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)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, 姜龍, 孫振路, 張永貴, 李國(guó)華, 王志娜, 郭輝, 高亮 申請(qǐng)人:河北普萊斯曼金剛石科技有限公司