CN102127755A - 直流辉光等离子体装置及金刚石片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种直流辉光等离子体装置，包括：电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，所述电源控制系统包括脉冲直流电源。本发明提供的装置可以在高气压条件下采用放电的脉冲运行，有效地抑制辉光向弧放电转移，能够得到稳定的高气压直流辉光放电等离子体。本发明还提供一种直流辉光等离子体的处理方法和一种金刚石片的制备方法，采用从脉冲到稳态运行来产生高气压辉光等离子体。脉冲运行有效地抑制辉光向弧放电转移，同时维持等离子体的稳定；此外通入氩气有利于获得稳定的均匀等离子体。由于稳定的高气压均匀等离子体中含有大量的活性粒子，可以大大提高金刚石片的生长速率。

Description

直流辉光等离子体装置及金刚石片的制备方法

技术领域

本发明涉及到等离子体技术及材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种直流辉光等离子体装置及金刚石片的制备方法。

背景技术

等离子体化学气相沉积技术广泛应用于冶金、化工和材料制备等领域。等离子体化学气相沉积技术的关键是等离子体的产生。低气压直流辉光等离子体中的活性粒子少，导致在材料制备过程中材料的生长速率低，严重地限制了低气压直流等离子体在材料制备方面的应用。高气压直流辉光等离子体具有气压高，粒子碰撞频率大，气体温度高等优点，具有较高的气体分子离解效率，易获得更多的活性粒子，在等离子体化学气相沉积技术中具有独特的优势。同时，高气压直流辉光放电等离子体的放电装置结构简单、气体消耗低，有利于降低生产成本，易于实现大规模的工业化生产。

另一方面，由于高气压直流辉光放电等离子体的气压较高，放电时电流强度也要大幅上升，各种加热效应越加明显，等离子体的气体温度大大高于环境温度。由于在相同的压强下，温度升高使得粒子密度减小，电场和粒子密度比E/n增大，于是电子温度T_e升高。因此，电子与中性粒子的碰撞频率增大，导致等离子体温度进一步升高。大的温度梯度会引起等离子体收缩，电场，电荷密度，温度场的不均匀性在高气压下会变得非常明显，引起多种不稳定性，这些不稳定最终会导致辉光放电向弧放电转变。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种直流辉光等离子体装置、直流辉光等离子体的处理方法和金刚石片的制备方法，该装置能产生均匀稳定的高气压直流辉光等离子体。

本发明提供一种直流辉光等离子体装置，包括：

电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，

所述电源控制系统包括脉冲直流电源。

优选的，所述电极系统包括阴极和与所述阴极相对的阳极，所述阴极为杯形电极。

优选的，所述阴极和阳极为桶状电极或曲面电极。

优选的，所述脉冲直流电源的放电电压为500～1200V，放电电流为5～25A。

优选的，占空比为50％～100％。

本发明还提供一种直流辉光等离子体的处理方法，包括：

向本底压强小于1Pa的权利要求1～5任意一项所述的等离子体装置的生长室中通入H₂和Ar的混合气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃。

优选的，放电电压为500～1200V，放电电流为5～25A。

优选的，占空比为50％～100％。

本发明还提供一种金刚石片的制备方法，包括：

将基片放入直流辉光等离子体装置的生长室内，所述生长室的本底压强为1Pa以下；

向所述生长室中通入H₂和Ar的混合气体，加入碳氢化合物作为原料气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃，进行等离子体化学气相沉积，得到金刚石片。

优选的，气压为30～400Torr。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供一种直流辉光等离子体装置，包括：电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，所述电源控制系统包括脉冲直流电源。本发明提供的装置可以采用高气压放电的脉冲运行，有效地抑制辉光向弧放电转移，能够得到稳定的高气压直流辉光放电等离子体。

本发明还提供一种直流辉光等离子体的处理方法和一种金刚石片的制备方法，所述金刚石片的制备方法包括：将基片放入直流辉光等离子体装置的生长室内，所述生长室的本底压强为1Pa以下；向所述生长室中通入H₂、Ar和碳氢化合物混合气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃，进行等离子体化学气相沉积，得到金刚石片。本发明采用从脉冲到稳态运行来产生高气压辉光等离子体。脉冲运行可以起到灭弧的作用，有效地抑制辉光向弧放电转移，同时通过调节脉冲频率，维持等离子体的稳定；此外通入氩气有利于获得稳定的均匀等离子体。由于稳定的均匀等离子体中含有大量的活性粒子，可以大大提高金刚石片的生长速率，制备的金刚石片厚度和面积较大。实验结果表明，本发明制备的金刚石片的直径为60～70毫米，厚度为1～3毫米。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高气压直流辉光等离子体装置示意图；

图2为本发明提供的高气压直流辉光等离子体装置的电极示意图；

图3为本发明提供的高气压直流辉光等离子体装置的电极示意图；

图4为本发明提供的高气压直流辉光等离子体装置的电极示意图；

图5为本发明实施例1制备的金刚石片的光学显微镜图像；

图6为本发明实施例1制备的金刚石片的光学显微镜图像。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种直流辉光等离子体装置，包括：

电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，

所述电源控制系统包括脉冲直流电源。

如图1所示，为本发明优选提供的直流辉光等离子体装置，包括阴极水冷支架1、阳极水冷支架2、阴极3、基片4、光学窗口5、红外测温仪6、质量流量控制器7、气源8、真空控制阀9、真空计10、真空泵11、脉冲直流电源12、水冷真空室13、断水报警器14、阴极冷却水15、阳极冷却水16和真空室冷却水17。

阳极水冷支架2和阴极3相对。阴极3优选为杯形电极，覆盖于阴极水冷支架1外。采用杯形电极作为阴极，有效抑制小弧的产生，同时维持大面积等离子体的稳定性及均匀性。本发明阴极优选采用电子逸出功小、熔点高的金属制成，如：Ta、Mo或W等。由于阴极材料的熔点高，阴极工作温度大大低于熔点温度，可以延长阴极的寿命，增加重复使用的次数和减少对金刚石片的污染。

本发明采用脉冲直流电源12，在直流辉光等离子体装置工作时，通过直流放电的脉冲运行，起到灭弧的作用，有效地抑制辉光向弧放电转移，因此该装置能够得到稳定的高气压直流辉光放电等离子体。该装置可以根据放电情况对脉冲频率和占空比等进行调节，维持等离子体的稳定。

本发明提供的直流辉光等离子体装置的电极可以为桶状电极和曲面电极。如图2所示，为本发明提供的直流辉光等离子体装置为桶状电极，适用于平板形基片，可以制备平面金刚石片。如图3所示，为本发明提供的直流辉光等离子体装置为曲面电极，适用于非平板型曲面基片，可以制备非平面金刚石片。

温度过高会使阴极表面电子发射不均匀，辉光放电易向弧光放电转变；温度过低可能导致在高气压下阴极电子发射不足，容易使放电熄灭。稳定的辉光放电需要阴极工作在合适的温度条件下，需要对阴极温度进行控制。本发明阴极和阳极优选采用水冷控制，以保持适当的温度范围。

水冷真空室13的腔体材料优选为不锈钢，密封性能达到中高真空水平。在侧壁方向上留有观察窗。阴极水冷支架可以在一定范围内自由升降，来调节阴极和阳极间的距离。水冷真空室13通过真空泵11来获得真空，其本底真空压强约为1Pa左右，在放电时通过真空控制阀9来控制气体流速，以维持真空室在一定的压力。真空室的本底压强和工作压强分别由真空计10进行监控。

本发明提供的直流辉光等离子体装置可产生大面积均匀、长时间稳定的等离子体，放电功率可达17千瓦以上。

本发明提供一种直流辉光等离子体装置，包括：电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，所述电源控制系统包括脉冲直流电源。本发明采用脉冲直流电源，在直流辉光等离子体装置工作时，通过直流放电的脉冲运行，可以有效地抑制辉光向弧放电转移，因此该装置能够得到稳定的高气压直流辉光放电等离子体。

本发明还提供一种直流辉光等离子体的处理方法，包括：

向本底真空低于1Pa的权利要求1～5任意一项所述的等离子体装置的生长室中通入H₂和Ar的混合气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃。

放电电压优选为500～1200V，更优选为600～1100V，最优选为700～1000V；放电电流优选为5～25A，更优选为7～22A，最优选为8～20A。气压优选为30～400Torr，更优选为50～350Torr，更优选为80～300Torr。占空比优选为50％～100％，更优选为70％～95％，最优选为80％～90％。

本发明还提供一种金刚石片的制备方法，包括：

将基片放入直流辉光等离子体装置的生长室内，所述生长室的本底压强为1Pa以下；

向所述生长室中通入H₂、Ar和碳氢化合物的混合气体利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃，进行化学气相沉积，得到金刚石片。

按照本发明，占空比优选为50％～100％，更优选为70％～95％，最优选为80％～90％。氩气和氢气的体积比优选为1～10∶100，更优选为2～9∶100，最优选为3～8∶100。放电电压优选为500～1200V，更优选为600～1100V，最优选为700～1000V；放电电流优选为5～25A，更优选为7～22A，最优选为8～20A。气压优选为30～400Torr，更优选为50～350Torr，更优选为80～300Torr。

温度过高会使阴极表面电子发射不均匀，辉光放电易向弧光放电转变；温度过低可能导致在高气压下阴极电子发射不足，容易使放电熄灭。稳定的辉光放电需要阴极工作在合适的温度条件下，因此需要对阴极温度进行控制。本发明所述阴极和阳极优选采用水冷控制，以保持适当的温度范围。阴极温度为800℃～1600℃，优选为900℃～1500℃，更优选为1000℃～1400℃。

所述碳氢化合物优选为甲烷、酒精和丙酮中的一种或几种。所述碳氢化合物的质量浓度优选为0.2～3％，更优选为0.5～3％，最优选为0.5～2％。。

本发明采用脉冲直流方式激发等离子体，通过调节脉冲频率和占空比，维持等离子体的稳定，同时，通入氩气有利于获得稳定的均匀等离子体。

因此，本发明还提供一种金刚石片的制备方法，通过将基片放入本底真空为1Pa的直流辉光等离子体装置的生长室内；向所述生长室中通入H₂和Ar的混合气体，以碳氢化合物为原料，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃，进行化学气相沉积，得到金刚石片。本发明采用脉冲直流方式激发等离子体，通过调节脉冲频率，维持等离子体的稳定，同时，通入氩气有利于获得稳定的均匀等离子体。由于稳定的均匀等离子体中含有大量的活性粒子，可以大大提高金刚石片的生长速率，从而制备的金刚石片厚度和面积较大。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

将硅片表面涂金刚石粉；

将所述涂金刚石粉的硅片放在如图1所示的直流辉光等离子体装置的真空室内的阳极基座上，用机械泵将真空室抽至0.1Pa；

向所述真空室中充入氢气和氩气的混合气体，氩气与氢气的比例为1％，气压至160Torr条件下进行放电，放电占空比为80％，放电电压为1000V，放电电流为18A，脉冲频率为2kHz，阴极温度为900℃-1100℃。再通入占总流量为1％的甲烷气、保持真空室中的压强不变，进行化学气相沉积，得到金刚石片。

如图5、图6所示，为本实施例制备的金刚石片的光学显微镜图像，本实施例制备的金刚石片直径在60毫米、厚度为2毫米。

实施例2

将平板钼圆片表面涂金刚石粉；

将所述涂金刚石粉的钼片放在如图1所示的直流辉光等离子体装置的真空室内的阳极基座上，用机械泵将真空室抽至本底压强低于1Pa；

向所述真空室中充入氢气和氩气的混合气体，氩气与氢气的比例为4％，气压至200Torr的条件下进行放电，放电的占空比为85％、放电电压为1000V，放电电流为18A，脉冲频率为2kHz，阴极温度为1100℃。再通入占总流量为3％的酒精蒸气、保持真空室中的压力不变，进行化学气相沉积，得到金刚石片。本实施例制备的金刚石片直径在65毫米，厚度为1毫米。

实施例3

将球面钼片表面涂金刚石粉；

将所述涂金刚石粉的钼片放在如图1所示的直流辉光等离子体装置的真空室内的阳极基座上，用机械泵将真空室抽至本底压强低于1Pa；

向所述真空室中充入氢气和氩气的混合气体，氩气与氢气的比例为1％，气压至200Torr的条件下进行放电，放电的占空比为85％、放电电压为1000V，放电电流为18A，脉冲频率为2kHz，阴极温度为1100℃。再通入占总流量为0.7％的甲烷、保持真空室中的压力不变，进行化学气相沉积，得到金刚石片。本实施例制备的金刚石片直径在50毫米，厚度为0.8毫米。

实验结果表明，本发明制备的金刚石片厚度和面积较大，直径为60～70毫米、厚度为1～3毫米。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直流辉光等离子体装置，其特征在于，包括：

电极系统、水冷真空系统和电源控制系统，

所述电源控制系统包括脉冲直流电源。

2.根据权利要求1所述的直流辉光等离子体装置，其特征在于，

所述电极系统包括阴极和与所述阴极相对的阳极，所述阴极为杯形电极。

3.根据权利要求1所述的直流辉光等离子体装置，其特征在于，所述阴极和阳极为桶状电极或曲面电极。

4.根据权利要求1所述的直流辉光等离子体装置，其特征在于，所述脉冲直流电源的放电电压为500～1200V，放电电流为5～25A。

5.根据权利要求1所述的直流辉光等离子体装置，其特征在于，占空比为50％～100％。

6.一种直流辉光等离子体的处理方法，其特征在于，包括：

向本底压强小于1Pa的权利要求1～5任意一项所述的等离子体装置的生长室中通入H₂和Ar的混合气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃。

7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，放电电压为500～1200V，放电电流为5～25A。

8.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，占空比为50％～100％。

9.一种金刚石片的制备方法，其特征在于，包括：

将基片放入直流辉光等离子体装置的生长室内，所述生长室的本底压强为1Pa以下；

向所述生长室中通入H₂和Ar的混合气体，加入碳氢化合物作为原料气体，利用脉冲直流方式激发等离子体，脉冲频率为0.1kHz～4kHz，阴极温度为800℃～1600℃，进行等离子体化学气相沉积，得到金刚石片。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，气压为30～400Torr。

Images