CN108660433B - 一种金刚石膜的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金刚石膜的制备技术，具体是一种金刚石膜的制备装置及方法。本发明解决了现有金刚石膜的制备方法制备效率低、制备质量差的问题。一种金刚石膜的制备装置，包括主体部分和控制部分；所述主体部分包括真空反应室、热丝阵列、支撑柱、杯形水冷腔、进水管、出水管、金属散热板、基片、传动柱、传动板、防水散热罩、超声波换能器、速度传感器、位移传感器、加速度传感器；所述控制部分包括微分器、积分器、三位转换开关、放大器、移相器、主施密特触发器、锁相环、第一PWM控制芯片、第一MOSFET、第一开关电源变压器、第一整流器、第一衰减器、第一从施密特触发器。本发明适用于金刚石膜的制备。

Description

一种金刚石膜的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及金刚石膜的制备技术，具体是一种金刚石膜的制备装置及方法。

背景技术

金刚石膜是一种集各种优异性能于一身的功能材料，其广泛应用于微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等领域。在现有技术条件下，金刚石膜的制备方法主要包括热丝化学气相沉积法、微波化学气相沉积法、直流等离子体射流化学气相沉积法等。实践表明，采用上述方法制备金刚石膜时，由于等离子体和基片之间的相对速度较低，且沉积过程容易析出非金刚石碳，导致金刚石膜的沉积速度低、沉积品质差，由此导致金刚石膜的制备效率低、制备质量差。基于此，有必要发明一种全新的制备技术，以解决现有金刚石膜的制备方法制备效率低、制备质量差的问题。

发明内容

本发明为了解决现有金刚石膜的制备方法制备效率低、制备质量差的问题，提供了一种金刚石膜的制备装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种金刚石膜的制备装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括真空反应室、热丝阵列、支撑柱、杯形水冷腔、进水管、出水管、金属散热板、基片、传动柱、传动板、防水散热罩、超声波换能器、速度传感器、位移传感器、加速度传感器；

真空反应室的顶壁中央贯通开设有进气孔；真空反应室的底壁中央贯通开设有出气孔；热丝阵列水平安装于真空反应室的内腔上部；支撑柱的数目为若干个；各个支撑柱均垂直固定于真空反应室的内底壁；杯形水冷腔支撑固定于各个支撑柱的上端面，且杯形水冷腔的杯口朝上；杯形水冷腔的侧壁的径向截面为S形截面；杯形水冷腔的底壁分别贯通开设有进水孔和出水孔；进水管密封贯穿真空反应室的侧壁下部，且进水管的一端与进水孔密封连通；出水管密封贯穿真空反应室的侧壁下部，且出水管的一端与出水孔密封连通；金属散热板封盖于杯形水冷腔的杯口上；基片水平安装于金属散热板的上表面中央，且基片位于热丝阵列的下方；传动柱的数目为若干个；各个传动柱均垂直固定于金属散热板的下表面；传动板支撑固定于各个传动柱的下端面；防水散热罩密封扣接于传动板的下表面边缘；超声波换能器的上端面与传动板的下表面中央固定；超声波换能器的下端面与防水散热罩的内底壁中央固定；速度传感器、位移传感器、加速度传感器均安装于传动板的下表面；

所述控制部分包括微分器、积分器、三位转换开关、放大器、移相器、主施密特触发器、锁相环、第一PWM控制芯片、第一MOSFET、第一开关电源变压器、第一整流器、第一衰减器、第一从施密特触发器、第二PWM控制芯片、第二MOSFET、第二开关电源变压器、第二整流器、第二衰减器、第二从施密特触发器、直流双电源转换开关、超声波发生器；

速度传感器的输出端与三位转换开关的第一个输入端连接；位移传感器的输出端与微分器的输入端连接；微分器的输出端与三位转换开关的第二个输入端连接；加速度传感器的输出端与积分器的输入端连接；积分器的输出端与三位转换开关的第三个输入端连接；三位转换开关的输出端与放大器的输入端连接；放大器的输出端与移相器的输入端连接；移相器的输出端与主施密特触发器的输入端连接；主施密特触发器的输出端与锁相环的参考输入端连接；锁相环的两个输出端分别与第一PWM控制芯片的输入端和第二PWM控制芯片的输入端连接；第一PWM控制芯片的输出端与第一MOSFET的输入端连接；第一MOSFET的两个输出端分别与第一开关电源变压器的两个输入端连接；第一开关电源变压器的两个输出端分别与第一整流器的两个输入端连接；第一整流器的正输出端分别与第一衰减器的输入端和直流双电源转换开关的第一个正输入端连接；第一整流器的负输出端与直流双电源转换开关的第一个负输入端连接；第一衰减器的输出端与第一从施密特触发器的输入端连接；第一从施密特触发器的输出端与锁相环的第一个反馈输入端连接；第二PWM控制芯片的输出端与第二MOSFET的输入端连接；第二MOSFET的两个输出端分别与第二开关电源变压器的两个输入端连接；第二开关电源变压器的两个输出端分别与第二整流器的两个输入端连接；第二整流器的正输出端与直流双电源转换开关的第二个正输入端连接；第二整流器的负输出端分别与第二衰减器的输入端和直流双电源转换开关的第二个负输入端连接；第二衰减器的输出端与第二从施密特触发器的输入端连接；第二从施密特触发器的输出端与锁相环的第二个反馈输入端连接；直流双电源转换开关的正输出端与热丝阵列连接；直流双电源转换开关的负输出端与金属散热板连接；超声波发生器的输出端与超声波换能器的输入端连接。

一种金刚石膜的制备方法（该方法是基于本发明所述的一种金刚石膜的制备装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，超声波发生器将市电转换为超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号传输至超声波换能器；然后，超声波换能器将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，由此使得金属散热板、基片、传动柱、传动板、防水散热罩、速度传感器、位移传感器、加速度传感器同步进行超声频机械振动；然后，碳源气体经进气孔喷向热丝阵列，并在热丝阵列的高温作用下分解为等离子体；等离子体与基片发生接触，由此在基片的上表面沉积形成金刚石膜；

在沉积过程中，冷却水一方面经进水管持续流入杯形水冷腔，另一方面经出水管持续流出杯形水冷腔；在流经杯形水冷腔时，冷却水分别与金属散热板、各个传动柱、传动板、防水散热罩进行热交换，由此分别对基片、超声波换能器、速度传感器、位移传感器、加速度传感器进行冷却；

与此同时，速度传感器实时采集基片的振动速度信号；位移传感器实时采集基片的振动位移信号，振动位移信号经微分器转换为振动速度信号；加速度传感器实时采集基片的振动加速度信号，振动加速度信号经积分器转换为振动速度信号；在三位转换开关的切换控制下，上述三路振动速度信号中的一路依次经三位转换开关、放大器、移相器传输至主施密特触发器，并经主施密特触发器整形为方波信号；方波信号经锁相环分为两路：第一路经第一PWM控制芯片传输至第一MOSFET，由此使得第一MOSFET输出驱动信号；驱动信号施加于第一开关电源变压器，由此使得第一开关电源变压器输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第一整流器转换为正向脉冲电压，且正向脉冲电压与基片的振动速度信号同频同相；正向脉冲电压依次经第一衰减器、第一从施密特触发器反馈至锁相环；第二路经第二PWM控制芯片传输至第二MOSFET，由此使得第二MOSFET输出驱动信号；驱动信号施加于第二开关电源变压器，由此使得第二开关电源变压器输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第二整流器转换为负向脉冲电压，且负向脉冲电压与基片的振动速度信号同频反相；负向脉冲电压依次经第二衰减器、第二从施密特触发器反馈至锁相环。

与现有金刚石膜的制备方法相比，本发明所述的一种金刚石膜的制备装置及方法通过对基片施加超声频机械振动、正向脉冲电场、负向脉冲电场，一方面使得等离子体和基片之间的相对速度大幅提高，另一方面使得等离子体与基片发生间歇性接触；在间歇期内，等离子体中的氢原子、氢离子对沉积过程中析出的非金刚石碳进行刻蚀，由此有效提高了金刚石膜的沉积速度、有效改善了金刚石膜的沉积品质，从而有效提高了金刚石膜的制备效率、有效改善了金刚石膜的制备质量。

本发明有效解决了现有金刚石膜的制备方法制备效率低、制备质量差的问题，适用于金刚石膜的制备。

附图说明

图1是本发明中主体部分的结构示意图。

图2是本发明中控制部分的结构示意图。

图中：101-真空反应室，102-热丝阵列，103-支撑柱，104-杯形水冷腔，105-进水管，106-出水管，107-金属散热板，108-基片，109-传动柱，110-传动板，111-防水散热罩，112-超声波换能器，113-速度传感器，114-位移传感器，115-加速度传感器，116-进气孔，117-出气孔，201-微分器，202-积分器，203-三位转换开关，204-放大器，205-移相器，206-主施密特触发器，207-锁相环，208-第一PWM控制芯片，209-第一MOSFET，210-第一开关电源变压器，211-第一整流器，212-第一衰减器，213-第一从施密特触发器，214-第二PWM控制芯片，215-第二MOSFET，216-第二开关电源变压器，217-第二整流器，218-第二衰减器，219-第二从施密特触发器，220-直流双电源转换开关，301-第一信号线，302-第二信号线，303-第三信号线，304-第四信号线，401-第一电源线，402-第二电源线。

具体实施方式

实施例一

一种金刚石膜的制备装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括真空反应室101、热丝阵列102、支撑柱103、杯形水冷腔104、进水管105、出水管106、金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115；

真空反应室101的顶壁中央贯通开设有进气孔116；真空反应室101的底壁中央贯通开设有出气孔117；热丝阵列102水平安装于真空反应室101的内腔上部；支撑柱103的数目为若干个；各个支撑柱103均垂直固定于真空反应室101的内底壁；杯形水冷腔104支撑固定于各个支撑柱103的上端面，且杯形水冷腔104的杯口朝上；杯形水冷腔104的侧壁的径向截面为S形截面；杯形水冷腔104的底壁分别贯通开设有进水孔和出水孔；进水管105密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且进水管105的一端与进水孔密封连通；出水管106密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且出水管106的一端与出水孔密封连通；金属散热板107封盖于杯形水冷腔104的杯口上；基片108水平安装于金属散热板107的上表面中央，且基片108位于热丝阵列102的下方；传动柱109的数目为若干个；各个传动柱109均垂直固定于金属散热板107的下表面；传动板110支撑固定于各个传动柱109的下端面；防水散热罩111密封扣接于传动板110的下表面边缘；超声波换能器112的上端面与传动板110的下表面中央固定；超声波换能器112的下端面与防水散热罩111的内底壁中央固定；速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115均安装于传动板110的下表面；

所述控制部分包括微分器201、积分器202、三位转换开关203、放大器204、移相器205、主施密特触发器206、锁相环207、第一PWM控制芯片208、第一MOSFET209、第一开关电源变压器210、第一整流器211、第一衰减器212、第一从施密特触发器213、第二PWM控制芯片214、第二MOSFET215、第二开关电源变压器216、第二整流器217、第二衰减器218、第二从施密特触发器219、直流双电源转换开关220、超声波发生器；

速度传感器113的输出端与三位转换开关203的第一个输入端连接；位移传感器114的输出端与微分器201的输入端连接；微分器201的输出端与三位转换开关203的第二个输入端连接；加速度传感器115的输出端与积分器202的输入端连接；积分器202的输出端与三位转换开关203的第三个输入端连接；三位转换开关203的输出端与放大器204的输入端连接；放大器204的输出端与移相器205的输入端连接；移相器205的输出端与主施密特触发器206的输入端连接；主施密特触发器206的输出端与锁相环207的参考输入端连接；锁相环207的两个输出端分别与第一PWM控制芯片208的输入端和第二PWM控制芯片214的输入端连接；第一PWM控制芯片208的输出端与第一MOSFET209的输入端连接；第一MOSFET209的两个输出端分别与第一开关电源变压器210的两个输入端连接；第一开关电源变压器210的两个输出端分别与第一整流器211的两个输入端连接；第一整流器211的正输出端分别与第一衰减器212的输入端和直流双电源转换开关220的第一个正输入端连接；第一整流器211的负输出端与直流双电源转换开关220的第一个负输入端连接；第一衰减器212的输出端与第一从施密特触发器213的输入端连接；第一从施密特触发器213的输出端与锁相环207的第一个反馈输入端连接；第二PWM控制芯片214的输出端与第二MOSFET215的输入端连接；第二MOSFET215的两个输出端分别与第二开关电源变压器216的两个输入端连接；第二开关电源变压器216的两个输出端分别与第二整流器217的两个输入端连接；第二整流器217的正输出端与直流双电源转换开关220的第二个正输入端连接；第二整流器217的负输出端分别与第二衰减器218的输入端和直流双电源转换开关220的第二个负输入端连接；第二衰减器218的输出端与第二从施密特触发器219的输入端连接；第二从施密特触发器219的输出端与锁相环207的第二个反馈输入端连接；直流双电源转换开关220的正输出端与热丝阵列102连接；直流双电源转换开关220的负输出端与金属散热板107连接；超声波发生器的输出端与超声波换能器112的输入端连接。

所述控制部分位于真空反应室101的外部；速度传感器113的输出端通过第一信号线301与三位转换开关203的第一个输入端连接；第一信号线301密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第一信号线301穿设于进水孔和进水管105内；位移传感器114的输出端通过第二信号线302与微分器201的输入端连接；第二信号线302密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第二信号线302穿设于进水孔和进水管105内；加速度传感器115的输出端通过第三信号线303与积分器202的输入端连接；第三信号线303密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第三信号线303穿设于进水孔和进水管105内；超声波发生器的输出端通过第四信号线304与超声波换能器112的输入端连接；第四信号线304密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第四信号线304穿设于出水孔和出水管106内；直流双电源转换开关220的正输出端通过第一电源线401与热丝阵列102连接；第一电源线401密封贯穿真空反应室101的侧壁；直流双电源转换开关220的负输出端通过第二电源线402与金属散热板107连接；第二电源线402密封贯穿真空反应室101的侧壁。

进水管105和真空反应室101之间绝缘；出水管106和真空反应室101之间绝缘。

所述移相器205采用TCA785型移相器；所述主施密特触发器206、第一从施密特触发器213、第二从施密特触发器219均采用74LS14型施密特触发器；所述锁相环207采用74HC4046型锁相环；所述第一PWM控制芯片208、第二PWM控制芯片214均采用LD7575型PWM控制芯片。

一种金刚石膜的制备方法（该方法是基于本发明所述的一种金刚石膜的制备装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，超声波发生器将市电转换为超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号传输至超声波换能器112；然后，超声波换能器112将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，由此使得金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115同步进行超声频机械振动；然后，碳源气体经进气孔116喷向热丝阵列102，并在热丝阵列102的高温作用下分解为等离子体；等离子体与基片108发生接触，由此在基片108的上表面沉积形成金刚石膜；

在沉积过程中，冷却水一方面经进水管105持续流入杯形水冷腔104，另一方面经出水管106持续流出杯形水冷腔104；在流经杯形水冷腔104时，冷却水分别与金属散热板107、各个传动柱109、传动板110、防水散热罩111进行热交换，由此分别对基片108、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115进行冷却；

与此同时，速度传感器113实时采集基片108的振动速度信号；位移传感器114实时采集基片108的振动位移信号，振动位移信号经微分器201转换为振动速度信号；加速度传感器115实时采集基片108的振动加速度信号，振动加速度信号经积分器202转换为振动速度信号；在三位转换开关203的切换控制下，上述三路振动速度信号中的一路依次经三位转换开关203、放大器204、移相器205传输至主施密特触发器206，并经主施密特触发器206整形为方波信号；方波信号经锁相环207分为两路：第一路经第一PWM控制芯片208传输至第一MOSFET209，由此使得第一MOSFET209输出驱动信号；驱动信号施加于第一开关电源变压器210，由此使得第一开关电源变压器210输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第一整流器211转换为正向脉冲电压，且正向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频同相；正向脉冲电压依次经第一衰减器212、第一从施密特触发器213反馈至锁相环207；第二路经第二PWM控制芯片214传输至第二MOSFET215，由此使得第二MOSFET215输出驱动信号；驱动信号施加于第二开关电源变压器216，由此使得第二开关电源变压器216输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第二整流器217转换为负向脉冲电压，且负向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频反相；负向脉冲电压依次经第二衰减器218、第二从施密特触发器219反馈至锁相环207。

所述碳源气体包括碳氢化合物和氢；所述正向脉冲电压的占空比、负向脉冲电压的占空比均为0.45~0.5。

在本实施例中，在直流双电源转换开关220的切换控制下，正向脉冲电压经直流双电源转换开关220施加于热丝阵列102和金属散热板107之间，由此使得热丝阵列102和金属散热板107之间产生正向脉冲电场；在正向脉冲电场的作用下，等离子体和基片108之间的相对速度大幅提高，由此有效提高了金刚石膜的沉积速度。

实施例二

一种金刚石膜的制备装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括真空反应室101、热丝阵列102、支撑柱103、杯形水冷腔104、进水管105、出水管106、金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115；

真空反应室101的顶壁中央贯通开设有进气孔116；真空反应室101的底壁中央贯通开设有出气孔117；热丝阵列102水平安装于真空反应室101的内腔上部；支撑柱103的数目为若干个；各个支撑柱103均垂直固定于真空反应室101的内底壁；杯形水冷腔104支撑固定于各个支撑柱103的上端面，且杯形水冷腔104的杯口朝上；杯形水冷腔104的侧壁的径向截面为S形截面；杯形水冷腔104的底壁分别贯通开设有进水孔和出水孔；进水管105密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且进水管105的一端与进水孔密封连通；出水管106密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且出水管106的一端与出水孔密封连通；金属散热板107封盖于杯形水冷腔104的杯口上；基片108水平安装于金属散热板107的上表面中央，且基片108位于热丝阵列102的下方；传动柱109的数目为若干个；各个传动柱109均垂直固定于金属散热板107的下表面；传动板110支撑固定于各个传动柱109的下端面；防水散热罩111密封扣接于传动板110的下表面边缘；超声波换能器112的上端面与传动板110的下表面中央固定；超声波换能器112的下端面与防水散热罩111的内底壁中央固定；速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115均安装于传动板110的下表面；

所述控制部分包括微分器201、积分器202、三位转换开关203、放大器204、移相器205、主施密特触发器206、锁相环207、第一PWM控制芯片208、第一MOSFET209、第一开关电源变压器210、第一整流器211、第一衰减器212、第一从施密特触发器213、第二PWM控制芯片214、第二MOSFET215、第二开关电源变压器216、第二整流器217、第二衰减器218、第二从施密特触发器219、直流双电源转换开关220、超声波发生器；

速度传感器113的输出端与三位转换开关203的第一个输入端连接；位移传感器114的输出端与微分器201的输入端连接；微分器201的输出端与三位转换开关203的第二个输入端连接；加速度传感器115的输出端与积分器202的输入端连接；积分器202的输出端与三位转换开关203的第三个输入端连接；三位转换开关203的输出端与放大器204的输入端连接；放大器204的输出端与移相器205的输入端连接；移相器205的输出端与主施密特触发器206的输入端连接；主施密特触发器206的输出端与锁相环207的参考输入端连接；锁相环207的两个输出端分别与第一PWM控制芯片208的输入端和第二PWM控制芯片214的输入端连接；第一PWM控制芯片208的输出端与第一MOSFET209的输入端连接；第一MOSFET209的两个输出端分别与第一开关电源变压器210的两个输入端连接；第一开关电源变压器210的两个输出端分别与第一整流器211的两个输入端连接；第一整流器211的正输出端分别与第一衰减器212的输入端和直流双电源转换开关220的第一个正输入端连接；第一整流器211的负输出端与直流双电源转换开关220的第一个负输入端连接；第一衰减器212的输出端与第一从施密特触发器213的输入端连接；第一从施密特触发器213的输出端与锁相环207的第一个反馈输入端连接；第二PWM控制芯片214的输出端与第二MOSFET215的输入端连接；第二MOSFET215的两个输出端分别与第二开关电源变压器216的两个输入端连接；第二开关电源变压器216的两个输出端分别与第二整流器217的两个输入端连接；第二整流器217的正输出端与直流双电源转换开关220的第二个正输入端连接；第二整流器217的负输出端分别与第二衰减器218的输入端和直流双电源转换开关220的第二个负输入端连接；第二衰减器218的输出端与第二从施密特触发器219的输入端连接；第二从施密特触发器219的输出端与锁相环207的第二个反馈输入端连接；直流双电源转换开关220的正输出端与热丝阵列102连接；直流双电源转换开关220的负输出端与金属散热板107连接；超声波发生器的输出端与超声波换能器112的输入端连接。

所述控制部分位于真空反应室101的外部；速度传感器113的输出端通过第一信号线301与三位转换开关203的第一个输入端连接；第一信号线301密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第一信号线301穿设于进水孔和进水管105内；位移传感器114的输出端通过第二信号线302与微分器201的输入端连接；第二信号线302密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第二信号线302穿设于进水孔和进水管105内；加速度传感器115的输出端通过第三信号线303与积分器202的输入端连接；第三信号线303密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第三信号线303穿设于进水孔和进水管105内；超声波发生器的输出端通过第四信号线304与超声波换能器112的输入端连接；第四信号线304密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第四信号线304穿设于出水孔和出水管106内；直流双电源转换开关220的正输出端通过第一电源线401与热丝阵列102连接；第一电源线401密封贯穿真空反应室101的侧壁；直流双电源转换开关220的负输出端通过第二电源线402与金属散热板107连接；第二电源线402密封贯穿真空反应室101的侧壁。

进水管105和真空反应室101之间绝缘；出水管106和真空反应室101之间绝缘。

所述移相器205采用TCA785型移相器；所述主施密特触发器206、第一从施密特触发器213、第二从施密特触发器219均采用74LS14型施密特触发器；所述锁相环207采用74HC4046型锁相环；所述第一PWM控制芯片208、第二PWM控制芯片214均采用LD7575型PWM控制芯片。

一种金刚石膜的制备方法（该方法是基于本发明所述的一种金刚石膜的制备装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，超声波发生器将市电转换为超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号传输至超声波换能器112；然后，超声波换能器112将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，由此使得金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115同步进行超声频机械振动；然后，碳源气体经进气孔116喷向热丝阵列102，并在热丝阵列102的高温作用下分解为等离子体；等离子体与基片108发生接触，由此在基片108的上表面沉积形成金刚石膜；

在沉积过程中，冷却水一方面经进水管105持续流入杯形水冷腔104，另一方面经出水管106持续流出杯形水冷腔104；在流经杯形水冷腔104时，冷却水分别与金属散热板107、各个传动柱109、传动板110、防水散热罩111进行热交换，由此分别对基片108、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115进行冷却；

与此同时，速度传感器113实时采集基片108的振动速度信号；位移传感器114实时采集基片108的振动位移信号，振动位移信号经微分器201转换为振动速度信号；加速度传感器115实时采集基片108的振动加速度信号，振动加速度信号经积分器202转换为振动速度信号；在三位转换开关203的切换控制下，上述三路振动速度信号中的一路依次经三位转换开关203、放大器204、移相器205传输至主施密特触发器206，并经主施密特触发器206整形为方波信号；方波信号经锁相环207分为两路：第一路经第一PWM控制芯片208传输至第一MOSFET209，由此使得第一MOSFET209输出驱动信号；驱动信号施加于第一开关电源变压器210，由此使得第一开关电源变压器210输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第一整流器211转换为正向脉冲电压，且正向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频同相；正向脉冲电压依次经第一衰减器212、第一从施密特触发器213反馈至锁相环207；第二路经第二PWM控制芯片214传输至第二MOSFET215，由此使得第二MOSFET215输出驱动信号；驱动信号施加于第二开关电源变压器216，由此使得第二开关电源变压器216输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第二整流器217转换为负向脉冲电压，且负向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频反相；负向脉冲电压依次经第二衰减器218、第二从施密特触发器219反馈至锁相环207。

所述碳源气体包括碳氢化合物和氢；所述正向脉冲电压的占空比、负向脉冲电压的占空比均为0.45~0.5。

在本实施例中，在直流双电源转换开关220的切换控制下，负向脉冲电压经直流双电源转换开关220施加于热丝阵列102和金属散热板107之间，由此使得热丝阵列102和金属散热板107之间产生负向脉冲电场；在负向脉冲电场的作用下，等离子体与基片108发生间歇性接触；在间歇期内，等离子体中的氢原子、氢离子对沉积过程中析出的非金刚石碳进行刻蚀，由此有效改善了金刚石膜的沉积品质。

实施例三

一种金刚石膜的制备装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括真空反应室101、热丝阵列102、支撑柱103、杯形水冷腔104、进水管105、出水管106、金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115；

真空反应室101的顶壁中央贯通开设有进气孔116；真空反应室101的底壁中央贯通开设有出气孔117；热丝阵列102水平安装于真空反应室101的内腔上部；支撑柱103的数目为若干个；各个支撑柱103均垂直固定于真空反应室101的内底壁；杯形水冷腔104支撑固定于各个支撑柱103的上端面，且杯形水冷腔104的杯口朝上；杯形水冷腔104的侧壁的径向截面为S形截面；杯形水冷腔104的底壁分别贯通开设有进水孔和出水孔；进水管105密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且进水管105的一端与进水孔密封连通；出水管106密封贯穿真空反应室101的侧壁下部，且出水管106的一端与出水孔密封连通；金属散热板107封盖于杯形水冷腔104的杯口上；基片108水平安装于金属散热板107的上表面中央，且基片108位于热丝阵列102的下方；传动柱109的数目为若干个；各个传动柱109均垂直固定于金属散热板107的下表面；传动板110支撑固定于各个传动柱109的下端面；防水散热罩111密封扣接于传动板110的下表面边缘；超声波换能器112的上端面与传动板110的下表面中央固定；超声波换能器112的下端面与防水散热罩111的内底壁中央固定；速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115均安装于传动板110的下表面；

所述控制部分包括微分器201、积分器202、三位转换开关203、放大器204、移相器205、主施密特触发器206、锁相环207、第一PWM控制芯片208、第一MOSFET209、第一开关电源变压器210、第一整流器211、第一衰减器212、第一从施密特触发器213、第二PWM控制芯片214、第二MOSFET215、第二开关电源变压器216、第二整流器217、第二衰减器218、第二从施密特触发器219、直流双电源转换开关220、超声波发生器；

速度传感器113的输出端与三位转换开关203的第一个输入端连接；位移传感器114的输出端与微分器201的输入端连接；微分器201的输出端与三位转换开关203的第二个输入端连接；加速度传感器115的输出端与积分器202的输入端连接；积分器202的输出端与三位转换开关203的第三个输入端连接；三位转换开关203的输出端与放大器204的输入端连接；放大器204的输出端与移相器205的输入端连接；移相器205的输出端与主施密特触发器206的输入端连接；主施密特触发器206的输出端与锁相环207的参考输入端连接；锁相环207的两个输出端分别与第一PWM控制芯片208的输入端和第二PWM控制芯片214的输入端连接；第一PWM控制芯片208的输出端与第一MOSFET209的输入端连接；第一MOSFET209的两个输出端分别与第一开关电源变压器210的两个输入端连接；第一开关电源变压器210的两个输出端分别与第一整流器211的两个输入端连接；第一整流器211的正输出端分别与第一衰减器212的输入端和直流双电源转换开关220的第一个正输入端连接；第一整流器211的负输出端与直流双电源转换开关220的第一个负输入端连接；第一衰减器212的输出端与第一从施密特触发器213的输入端连接；第一从施密特触发器213的输出端与锁相环207的第一个反馈输入端连接；第二PWM控制芯片214的输出端与第二MOSFET215的输入端连接；第二MOSFET215的两个输出端分别与第二开关电源变压器216的两个输入端连接；第二开关电源变压器216的两个输出端分别与第二整流器217的两个输入端连接；第二整流器217的正输出端与直流双电源转换开关220的第二个正输入端连接；第二整流器217的负输出端分别与第二衰减器218的输入端和直流双电源转换开关220的第二个负输入端连接；第二衰减器218的输出端与第二从施密特触发器219的输入端连接；第二从施密特触发器219的输出端与锁相环207的第二个反馈输入端连接；直流双电源转换开关220的正输出端与热丝阵列102连接；直流双电源转换开关220的负输出端与金属散热板107连接；超声波发生器的输出端与超声波换能器112的输入端连接。

所述控制部分位于真空反应室101的外部；速度传感器113的输出端通过第一信号线301与三位转换开关203的第一个输入端连接；第一信号线301密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第一信号线301穿设于进水孔和进水管105内；位移传感器114的输出端通过第二信号线302与微分器201的输入端连接；第二信号线302密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第二信号线302穿设于进水孔和进水管105内；加速度传感器115的输出端通过第三信号线303与积分器202的输入端连接；第三信号线303密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第三信号线303穿设于进水孔和进水管105内；超声波发生器的输出端通过第四信号线304与超声波换能器112的输入端连接；第四信号线304密封贯穿防水散热罩111的底壁，且第四信号线304穿设于出水孔和出水管106内；直流双电源转换开关220的正输出端通过第一电源线401与热丝阵列102连接；第一电源线401密封贯穿真空反应室101的侧壁；直流双电源转换开关220的负输出端通过第二电源线402与金属散热板107连接；第二电源线402密封贯穿真空反应室101的侧壁。

进水管105和真空反应室101之间绝缘；出水管106和真空反应室101之间绝缘。

所述移相器205采用TCA785型移相器；所述主施密特触发器206、第一从施密特触发器213、第二从施密特触发器219均采用74LS14型施密特触发器；所述锁相环207采用74HC4046型锁相环；所述第一PWM控制芯片208、第二PWM控制芯片214均采用LD7575型PWM控制芯片。

一种金刚石膜的制备方法（该方法是基于本发明所述的一种金刚石膜的制备装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，超声波发生器将市电转换为超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号传输至超声波换能器112；然后，超声波换能器112将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，由此使得金属散热板107、基片108、传动柱109、传动板110、防水散热罩111、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115同步进行超声频机械振动；然后，碳源气体经进气孔116喷向热丝阵列102，并在热丝阵列102的高温作用下分解为等离子体；等离子体与基片108发生接触，由此在基片108的上表面沉积形成金刚石膜；

在沉积过程中，冷却水一方面经进水管105持续流入杯形水冷腔104，另一方面经出水管106持续流出杯形水冷腔104；在流经杯形水冷腔104时，冷却水分别与金属散热板107、各个传动柱109、传动板110、防水散热罩111进行热交换，由此分别对基片108、超声波换能器112、速度传感器113、位移传感器114、加速度传感器115进行冷却；

与此同时，速度传感器113实时采集基片108的振动速度信号；位移传感器114实时采集基片108的振动位移信号，振动位移信号经微分器201转换为振动速度信号；加速度传感器115实时采集基片108的振动加速度信号，振动加速度信号经积分器202转换为振动速度信号；在三位转换开关203的切换控制下，上述三路振动速度信号中的一路依次经三位转换开关203、放大器204、移相器205传输至主施密特触发器206，并经主施密特触发器206整形为方波信号；方波信号经锁相环207分为两路：第一路经第一PWM控制芯片208传输至第一MOSFET209，由此使得第一MOSFET209输出驱动信号；驱动信号施加于第一开关电源变压器210，由此使得第一开关电源变压器210输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第一整流器211转换为正向脉冲电压，且正向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频同相；正向脉冲电压依次经第一衰减器212、第一从施密特触发器213反馈至锁相环207；第二路经第二PWM控制芯片214传输至第二MOSFET215，由此使得第二MOSFET215输出驱动信号；驱动信号施加于第二开关电源变压器216，由此使得第二开关电源变压器216输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第二整流器217转换为负向脉冲电压，且负向脉冲电压与基片108的振动速度信号同频反相；负向脉冲电压依次经第二衰减器218、第二从施密特触发器219反馈至锁相环207。

所述碳源气体包括碳氢化合物和氢；所述正向脉冲电压的占空比、负向脉冲电压的占空比均为0.45~0.5。

在本实施例中，在直流双电源转换开关220的切换控制下，正向脉冲电压和负向脉冲电压经直流双电源转换开关220交替施加于热丝阵列102和金属散热板107之间，由此使得热丝阵列102和金属散热板107之间交替产生正向脉冲电场和负向脉冲电场；在正向脉冲电场和负向脉冲电场的共同作用下，一方面使得等离子体和基片108之间的相对速度大幅提高，由此有效提高了金刚石膜的沉积速度，另一方面使得等离子体与基片108发生间歇性接触；在间歇期内，等离子体中的氢原子、氢离子对沉积过程中析出的非金刚石碳进行刻蚀，由此有效改善了金刚石膜的沉积品质。

Claims (9)

1.一种金刚石膜的制备装置，其特征在于：包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括真空反应室（101）、热丝阵列（102）、支撑柱（103）、杯形水冷腔（104）、进水管（105）、出水管（106）、金属散热板（107）、基片（108）、传动柱（109）、传动板（110）、防水散热罩（111）、超声波换能器（112）、速度传感器（113）、位移传感器（114）、加速度传感器（115）；

真空反应室（101）的顶壁中央贯通开设有进气孔（116）；真空反应室（101）的底壁中央贯通开设有出气孔（117）；热丝阵列（102）水平安装于真空反应室（101）的内腔上部；支撑柱（103）的数目为若干个；各个支撑柱（103）均垂直固定于真空反应室（101）的内底壁；杯形水冷腔（104）支撑固定于各个支撑柱（103）的上端面，且杯形水冷腔（104）的杯口朝上；杯形水冷腔（104）的侧壁的径向截面为S形截面；杯形水冷腔（104）的底壁分别贯通开设有进水孔和出水孔；进水管（105）密封贯穿真空反应室（101）的侧壁下部，且进水管（105）的一端与进水孔密封连通；出水管（106）密封贯穿真空反应室（101）的侧壁下部，且出水管（106）的一端与出水孔密封连通；金属散热板（107）封盖于杯形水冷腔（104）的杯口上；基片（108）水平安装于金属散热板（107）的上表面中央，且基片（108）位于热丝阵列（102）的下方；传动柱（109）的数目为若干个；各个传动柱（109）均垂直固定于金属散热板（107）的下表面；传动板（110）支撑固定于各个传动柱（109）的下端面；防水散热罩（111）密封扣接于传动板（110）的下表面边缘；超声波换能器（112）的上端面与传动板（110）的下表面中央固定；超声波换能器（112）的下端面与防水散热罩（111）的内底壁中央固定；速度传感器（113）、位移传感器（114）、加速度传感器（115）均安装于传动板（110）的下表面；

所述控制部分包括微分器（201）、积分器（202）、三位转换开关（203）、放大器（204）、移相器（205）、主施密特触发器（206）、锁相环（207）、第一PWM控制芯片（208）、第一MOSFET（209）、第一开关电源变压器（210）、第一整流器（211）、第一衰减器（212）、第一从施密特触发器（213）、第二PWM控制芯片（214）、第二MOSFET（215）、第二开关电源变压器（216）、第二整流器（217）、第二衰减器（218）、第二从施密特触发器（219）、直流双电源转换开关（220）、超声波发生器；

速度传感器（113）的输出端与三位转换开关（203）的第一个输入端连接；位移传感器（114）的输出端与微分器（201）的输入端连接；微分器（201）的输出端与三位转换开关（203）的第二个输入端连接；加速度传感器（115）的输出端与积分器（202）的输入端连接；积分器（202）的输出端与三位转换开关（203）的第三个输入端连接；三位转换开关（203）的输出端与放大器（204）的输入端连接；放大器（204）的输出端与移相器（205）的输入端连接；移相器（205）的输出端与主施密特触发器（206）的输入端连接；主施密特触发器（206）的输出端与锁相环（207）的参考输入端连接；锁相环（207）的两个输出端分别与第一PWM控制芯片（208）的输入端和第二PWM控制芯片（214）的输入端连接；第一PWM控制芯片（208）的输出端与第一MOSFET（209）的输入端连接；第一MOSFET（209）的两个输出端分别与第一开关电源变压器（210）的两个输入端连接；第一开关电源变压器（210）的两个输出端分别与第一整流器（211）的两个输入端连接；第一整流器（211）的正输出端分别与第一衰减器（212）的输入端和直流双电源转换开关（220）的第一个正输入端连接；第一整流器（211）的负输出端与直流双电源转换开关（220）的第一个负输入端连接；第一衰减器（212）的输出端与第一从施密特触发器（213）的输入端连接；第一从施密特触发器（213）的输出端与锁相环（207）的第一个反馈输入端连接；第二PWM控制芯片（214）的输出端与第二MOSFET（215）的输入端连接；第二MOSFET（215）的两个输出端分别与第二开关电源变压器（216）的两个输入端连接；第二开关电源变压器（216）的两个输出端分别与第二整流器（217）的两个输入端连接；第二整流器（217）的正输出端与直流双电源转换开关（220）的第二个正输入端连接；第二整流器（217）的负输出端分别与第二衰减器（218）的输入端和直流双电源转换开关（220）的第二个负输入端连接；第二衰减器（218）的输出端与第二从施密特触发器（219）的输入端连接；第二从施密特触发器（219）的输出端与锁相环（207）的第二个反馈输入端连接；直流双电源转换开关（220）的正输出端与热丝阵列（102）连接；直流双电源转换开关（220）的负输出端与金属散热板（107）连接；超声波发生器的输出端与超声波换能器（112）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石膜的制备装置，其特征在于：所述控制部分位于真空反应室（101）的外部；速度传感器（113）的输出端通过第一信号线（301）与三位转换开关（203）的第一个输入端连接；第一信号线（301）密封贯穿防水散热罩（111）的底壁，且第一信号线（301）穿设于进水孔和进水管（105）内；位移传感器（114）的输出端通过第二信号线（302）与微分器（201）的输入端连接；第二信号线（302）密封贯穿防水散热罩（111）的底壁，且第二信号线（302）穿设于进水孔和进水管（105）内；加速度传感器（115）的输出端通过第三信号线（303）与积分器（202）的输入端连接；第三信号线（303）密封贯穿防水散热罩（111）的底壁，且第三信号线（303）穿设于进水孔和进水管（105）内；超声波发生器的输出端通过第四信号线（304）与超声波换能器（112）的输入端连接；第四信号线（304）密封贯穿防水散热罩（111）的底壁，且第四信号线（304）穿设于出水孔和出水管（106）内；直流双电源转换开关（220）的正输出端通过第一电源线（401）与热丝阵列（102）连接；第一电源线（401）密封贯穿真空反应室（101）的侧壁；直流双电源转换开关（220）的负输出端通过第二电源线（402）与金属散热板（107）连接；第二电源线（402）密封贯穿真空反应室（101）的侧壁。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石膜的制备装置，其特征在于：进水管（105）和真空反应室（101）之间绝缘；出水管（106）和真空反应室（101）之间绝缘。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石膜的制备装置，其特征在于：所述移相器（205）采用TCA785型移相器；所述主施密特触发器（206）、第一从施密特触发器（213）、第二从施密特触发器（219）均采用74LS14型施密特触发器；所述锁相环（207）采用74HC4046型锁相环；所述第一PWM控制芯片（208）、第二PWM控制芯片（214）均采用LD7575型PWM控制芯片。

5.一种金刚石膜的制备方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种金刚石膜的制备装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

首先，超声波发生器将市电转换为超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号传输至超声波换能器（112）；然后，超声波换能器（112）将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，由此使得金属散热板（107）、基片（108）、传动柱（109）、传动板（110）、防水散热罩（111）、速度传感器（113）、位移传感器（114）、加速度传感器（115）同步进行超声频机械振动；然后，碳源气体经进气孔（116）喷向热丝阵列（102），并在热丝阵列（102）的高温作用下分解为等离子体；等离子体与基片（108）发生接触，由此在基片（108）的上表面沉积形成金刚石膜；

在沉积过程中，冷却水一方面经进水管（105）持续流入杯形水冷腔（104），另一方面经出水管（106）持续流出杯形水冷腔（104）；在流经杯形水冷腔（104）时，冷却水分别与金属散热板（107）、各个传动柱（109）、传动板（110）、防水散热罩（111）进行热交换，由此分别对基片（108）、超声波换能器（112）、速度传感器（113）、位移传感器（114）、加速度传感器（115）进行冷却；

与此同时，速度传感器（113）实时采集基片（108）的振动速度信号；位移传感器（114）实时采集基片（108）的振动位移信号，振动位移信号经微分器（201）转换为振动速度信号；加速度传感器（115）实时采集基片（108）的振动加速度信号，振动加速度信号经积分器（202）转换为振动速度信号；在三位转换开关（203）的切换控制下，上述三路振动速度信号中的一路依次经三位转换开关（203）、放大器（204）、移相器（205）传输至主施密特触发器（206），并经主施密特触发器（206）整形为方波信号；方波信号经锁相环（207）分为两路：第一路经第一PWM控制芯片（208）传输至第一MOSFET（209），由此使得第一MOSFET（209）输出驱动信号；驱动信号施加于第一开关电源变压器（210），由此使得第一开关电源变压器（210）输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第一整流器（211）转换为正向脉冲电压，且正向脉冲电压与基片（108）的振动速度信号同频同相；正向脉冲电压依次经第一衰减器（212）、第一从施密特触发器（213）反馈至锁相环（207）；第二路经第二PWM控制芯片（214）传输至第二MOSFET（215），由此使得第二MOSFET（215）输出驱动信号；驱动信号施加于第二开关电源变压器（216），由此使得第二开关电源变压器（216）输出脉冲交流电压；脉冲交流电压经第二整流器（217）转换为负向脉冲电压，且负向脉冲电压与基片（108）的振动速度信号同频反相；负向脉冲电压依次经第二衰减器（218）、第二从施密特触发器（219）反馈至锁相环（207）。

6.根据权利要求5所述的一种金刚石膜的制备方法，其特征在于：所述碳源气体包括碳氢化合物和氢；所述正向脉冲电压的占空比、负向脉冲电压的占空比均为0.45~0.5。

7.根据权利要求5所述的一种金刚石膜的制备方法，其特征在于：在直流双电源转换开关（220）的切换控制下，正向脉冲电压经直流双电源转换开关（220）施加于热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间，由此使得热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间产生正向脉冲电场；在正向脉冲电场的作用下，等离子体和基片（108）之间的相对速度大幅提高，由此有效提高了金刚石膜的沉积速度。

8.根据权利要求5所述的一种金刚石膜的制备方法，其特征在于：在直流双电源转换开关（220）的切换控制下，负向脉冲电压经直流双电源转换开关（220）施加于热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间，由此使得热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间产生负向脉冲电场；在负向脉冲电场的作用下，等离子体与基片（108）发生间歇性接触；在间歇期内，等离子体中的氢原子、氢离子对沉积过程中析出的非金刚石碳进行刻蚀，由此有效改善了金刚石膜的沉积品质。

9.根据权利要求5所述的一种金刚石膜的制备方法，其特征在于：在直流双电源转换开关（220）的切换控制下，正向脉冲电压和负向脉冲电压经直流双电源转换开关（220）交替施加于热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间，由此使得热丝阵列（102）和金属散热板（107）之间交替产生正向脉冲电场和负向脉冲电场；在正向脉冲电场和负向脉冲电场的共同作用下，一方面使得等离子体和基片（108）之间的相对速度大幅提高，由此有效提高了金刚石膜的沉积速度，另一方面使得等离子体与基片（108）发生间歇性接触；在间歇期内，等离子体中的氢原子、氢离子对沉积过程中析出的非金刚石碳进行刻蚀，由此有效改善了金刚石膜的沉积品质。