CN101660144B - 用于化学气相沉积的等离子炬 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于化学气相沉积的等离子炬，涉及用于化学气相沉积的电弧等离子炬技术领域。包括处于中心轴上的中心阴极、与该中心阴极同轴的一个管状阳极，该中心阴极和管状阳极分别连接直流电源的负极和正极，该中心阴极和管状阳极之间至少设有一个管状辅助电极，各极间由绝缘材料隔离，至少三个极间设有进气结构，其中至少有一个进气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。本发明结构简单，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、可以长时间连续、稳定工作的等离子体环境，提高产品的质量和产量。应用广泛，特别适用于制造人造金刚石。
Description
技术领域
本发明涉及用于化学气相沉积的电弧等离子炬技术领域。
背景技术
等离子炬是一种产生等离子体的装置，根据原理的不同，可以分为射频等离子炬和电弧等离子炬两种。本发明属于电弧等离子炬。电弧等离子炬最早用于切割和喷涂，一般有一个阴极和一个阳极，用于气相沉积的等离子炬多在此基础上发展而来。为了增加炬的功率和扩大沉积面积，进行了多种改进。中国专利93109966.8、日本专利07-085992拉长了阴极和阳极间的距离，通过提高弧压来增大功率，但沉积面积仍然较小。日本专利06-087689、06-183886通过一个阴极，三个阳极的结构来增加功率和面积，前者三个独立阳极在同一个水平面互成120度角布置，后者三个环状阳极和阴极同轴布置，在轴向上错开距离，而美国专利5008511则展示了一种三阴极，一个共同阳极的结构来增大功率。此类炬结构复杂，制造困难。中国专利92115318.X和本发明的形式较为接近，但该炬工作时反复起弧，等离子流波动较大，并且该炬也未涉及面积和均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于化学气相沉积的等离子炬，其结构简单，利用该等离子炬，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、可以长时间连续、稳定工作的等离子体环境，提高产品的质量和产量。本发明可广泛适用于化学气相沉积法制造某物质或材料，特别是用于制造人造金刚石。
本发明的主要技术方案是：一种用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴上的中心阴极、与该中心阴极同轴的一个管状阳极，该中心阴极和管状阳极分别连接直流电源的负极和正极，其特征在于在该中心阴极和管状阳极之间至少设有一个管状辅助电极，各极间由绝缘材料隔离，至少三个极间设有进气结构，其中至少有一个进气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。以保证气体进入炬腔体后，可以形成以炬对称轴为轴线的旋转气流。
所述的进气结构可为：下面为多孔形出口的中空夹层式绝缘套，或由管状辅助电极和绝缘套构成的中空夹层式套，中间为筒状进气腔，其上设有进气管。也可为多管进入等其他结构形式。
所述的能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的较佳结构为：筒状进气腔的下端设有切线方向的喷口，筒状进气腔的下端口为封闭式或其上设有向下喷口，以使气流更加稳定旋转。
所述的能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构也可以是：筒状进气腔的上端设有沿切线方向且向下倾斜的进气口，筒状进气腔的下端开放，气体进入筒状进气腔后喷出时也可使气流形成旋转状态。
所述的管状阳极和管状辅助电极中可设有流水冷却结构。
所述的中心阴极较佳结构为：棒状或管状阴极固定于筒形阴极座的下方，筒形阴极座中设有流水冷却结构。
所述的管状阳极的下沿低于管状辅助电极的下沿为佳。
为进一步提高工作的稳定性，可在所述的管状阳极的外面设有磁场线圈或永久磁铁。
所述的进气结构中进入气体的成分为：靠近中心阴极进气结构的进入气体为惰性气体，其余进气结构的进入气体为氢气、惰性气体和反应物气体中的某一种气体或某几种气体的混合气体。
本发明的积极效果是：与已有技术对比，很好地解决了现有技术中长期存在的人们一直想解决而又一直未能解决的沉积面积小、工作时间短、等离子流不稳定、产品质量差、效率低等问题，其结构简单，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、可以长时间连续、稳定工作的等离子体环境，提高产品的质量和产量。本发明可广泛适用于化学气相沉积法制造某物质或材料，特别是用于制造人造金刚石。具有较高的经济效益和社会效益。
以下结合附图及实施例作详述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是本发明炬的结构原理图。
图2是本发明用于化学气相沉积金刚石的实施例1的结构示意图。
图3是本发明用于金刚石薄膜涂层实施例2的结构示意图。
图4是本发明中的进气结构筒状进气腔一个实施例的结构示意图，其中图A为主视图，图B为图A的俯视图。
图1～图4中，1.(中心)阴极，101.棒状阴极，102.管状阴极，2、3、4.(管状)辅助电极，5.(管状)阳极，6.进水口，7.出水口，8、9、10.(混合气)进气口，11.(惰性气体)进气口，12、13、14、15.绝缘结构(例如绝缘套)，16.阳极引线，17.阴极引线，18.磁场线圈，19.真空室壁，20.衬底，21.筒状进气腔，22.垂直出气孔，23.切向出气孔。
具体实施方式
参见图1、图4，该用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴上的中心阴极1、与该中心阴极1同轴的一个管状阳极5，该中心阴极1和管状阳极5分别连接直流电源的负极和正极，在该中心阴极1和管状阳极5之间设有管状辅助电极2、3、4，各极间由绝缘材料隔离并为密封式结构，极间设有进气结构，其中至少有一个进气结构具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构，以保证气体进入炬腔体后，可以形成以炬对称轴为轴线的旋转气流。进气结构为：下面为多孔形出口的中空夹层式绝缘套或由管状辅助电极2、3、4和绝缘套构成的中空夹层式套，其上设有进气管，中间为筒状进气腔。气体进入筒状进气腔后，沿绝缘套圆周切线方向的小孔和垂直方向小孔喷入等离子炬，可使气流稳定旋转。管状阳极5和管状辅助电极2、3、4中均设有流水冷却结构。中心阴极1结构为：棒状阴极固定于筒形阴极座的下方，筒形阴极座中设有流水冷却结构(中心阴极也可为管状)。管状辅助电极2、3、4的下沿依次低下，均高于管状阳极5的下沿。在管状阳极5的外面设有磁场线圈18或永久磁铁。靠近中心阴极1的进气结构11为惰性气体进入腔，其他的进气结构为氢气、惰性气体和反应物气体的混合气体进入腔。当电弧在阴极和阳极之间燃烧时，由于旋转气流和线圈18磁场的作用，电弧的阳极斑点将被固定在阳极的最下端，并且在阳极内表面高速旋转，从而产生一个大面积的、可以连续稳定工作的等离子弧幕。
本发明中辅助阳极的数量可以根据需要设置。阴极、辅助电极、阳极的下沿在轴向上可以布置在一个平面上，也可以上下错开布置，它们由进水口6和出水口7通过冷却水进行强制冷却，三者之间由绝缘结构(绝缘套)12、13、14、15实现绝缘和密封。只有阴极1和阳极4分别接至直流电源的负极和正极。阴极是空心管状或实心杆状的，由某种非金属材料如石墨或高熔点的金属材料如钨、钽等制作，辅助电极和阳极由一种金属材料制作，通常选择铜。磁场线圈18由某种绝缘材料如尼龙制作骨架，在骨架上缠绕多圈的导线。在线圈18中通过电流，在等离子区形成轴向的磁场，即可以影响电弧的稳定、形状和分布。等离子炬的出口一般处于真空室中，通过位于绝缘结构(绝缘套)12、13、14、15上的进气口11、10、9、8以适当的方式和流量向炬中加入气体。
工作过程如下：由进气口11通入惰性气体，通常为氩气，由进气口8、9、10通入由氢气、惰性气体和反应物源气体按一定比例混合的气体，其中的一部分气体由绝缘套的切线方向进入等离子炬，使炬中形成旋转的气流。当真空室压力达到合适值时，在阴极1和阳极4之间加直流电压，磁场线圈5通合适电流，然后在阴极和阳极之间叠加高频高压，依次击穿阴极-辅助电极-阳极间的气隙，最后在阴极和阳极之间形成电弧。电弧阳极斑点在气流向下方向分量的作用下，固定在阳极最下端，在气流圆周方向分量作用下，在阳极内表面高速旋转，形成一道电弧幕墙。通过幕墙的气流被电弧加热后离解，喷出阳极4，淬灭于布置在阳极正下方的衬底上，即可形成沉积物。适当调整气体的流量、混合比例、磁场线圈的电流，辅助阳极的位置和数量等，可以使电弧的稳定性和生成物的均匀性等达到更好或最佳。
图2是本专利应用于化学气相沉积金刚石领域的一个实例。标号同上。阴极1由镶嵌于筒形阴极座(或铜座)上的钨杆制做，辅助电极2、阳极5、磁场线圈18、绝缘结构(绝缘套)12、13、阴极同轴布置，并且在轴向上阴极内缩于辅助电极和阳极。所有部件之间通过螺钉连接，由O形圈实现良好的密封。整个等离子炬固定在真空室壁19上，等离子流喷射于衬底20，在衬底上生成金刚石。通过进水管6和出水管7为各部件提供强制的水冷。由进气口11送入氩气，流量为2SLM，由进气口10送入氢气、氩气和甲烷的混合气体，比例为4∶1∶0.01，采用图4所示的进气结构，流量为85SLM，真空室压力4Kpa，磁场线圈的电流为1.5A，电弧引燃后，电压96V，电流140A，。可连续稳定的运行30小时以上，在直径60的面积上均匀沉积出多晶金刚石，厚度不均匀性小于15％，生长速率约20μm/h。
图3是另一个应用于金刚石薄膜涂层的实例。标号同上。此炬有3个辅助电极，阳极喷口直径Φ300mm，由进气口10送入氩气，流量3SLM，混合气体比例为氩气∶氢气∶甲烷＝1∶2∶0.01；从进气口9送入的混合气体流量6SLM，从进气口10送入的混合气体流量为3SLM。进气结构如图4。工作电压120V，电流150A，真空室压力1Kpa时，在Φ240mm的工件衬底生长出均匀的薄膜涂层，生长速率0.5-1μm/h。
利用该种结构炬已试验制备出φ60mm、φ100mm、φ120mm的多晶金刚石自支撑膜和φ180mm、φ240mm的多晶金刚石薄膜涂层。效果很好。
Claims (8)
1.一种用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴上的中心阴极(1)、与该中心阴极(1)同轴的一个管状阳极(5)，该中心阴极(1)和管状阳极(5)分别连接直流电源的负极和正极，其特征在于在该中心阴极(1)和管状阳极(5)之间至少设有一个管状辅助电极(2、3、4)，中心阴极(1)、管状辅助电极(2、3、4)以及管状阳极(5)之间由绝缘材料隔离，并设有进气结构，其中至少有一个进气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。
2.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的进气结构为：下面为多孔形出口的中空夹层式绝缘套，或由管状辅助电极(2、3、4)和绝缘套构成的中空夹层式套，中间为筒状进气腔，其上设有进气管。
3.根据权利要求2所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构为：筒状进气腔的下端设有切线方向的喷口，筒状进气腔的下端口为封闭式或其上设有向下喷口。
4.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的管状阳极(5)和管状辅助电极(2、3、4)中均设有流水冷却结构。
5.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的中心阴极(1)结构为：棒状或管状阴极固定于筒形阴极座的下方，筒形阴极座中设有流水冷却结构。
6.根据权利要求1所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的管状阳极(5)的下沿低于管状辅助电极(2、3、4)的下沿。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于在管状阳极(5)的外面设有磁场线圈(18)或永久磁铁。
8.根据权利要求7所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的进气结构中进入气体的成分为：靠近中心阴极进气结构的进入气体为惰性气体，其余进气结构的进入气体为氢气、惰性气体和反应物气体中的某一种气体，或氢气、惰性气体和反应物气体的混合气体。
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