CN110042362B - 一种多用途化学气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多用途化学气相沉积装置，顶部为等离子体源，装置内空腔中部设置换热器，所述换热器将装置内部腔体分隔为上部的沉积反应室和下部的气体收集室两部分；所述换热器设有能够使所述沉积反应室和气体收集室连通的通孔；所述沉积反应室内设有沉积台，所述沉积台下方连接沉积台驱动轴，所述沉积台驱动轴向下穿过所述换热器和气体收集室两部分、并延伸至气体收集室外部；所述气体收集室下方中部设有真空系统接口。本发明能够克服现有技术的不足，准确把控沉积环境的操作条件，得到均匀的沉积涂层或薄膜，特别适用于金刚石材料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积设备技术领域，具体涉及一种多用途化学气相沉积装置，特别适用于金刚石涂层和金刚石薄膜的制备。
背景技术
金刚石是碳的一种同素异构体，具有一系列优异的物理性能，已知自然界物质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的的禁带宽度，极高的载流子迁移率以及很好的化学稳定性。
类金刚石涂层和硬质合金的较好韧性相结合，解决了金刚石的脆性缺陷，由于涂层比较薄，大大降低了制作成本，因此在机械行业有着广泛的应用，如拉丝模具涂层，刀具涂层和锯切工具涂层等。
化学气相沉积金刚石可以生成单晶金刚石和多晶金刚石，目前实验室合成钻石已经用于首饰制作。多晶金刚石除了具有上述优异物理性能，还具有很高的强度，可以制作大尺寸膜片，在机械，电子，光学等方面广泛应用。
现有化学气相沉积装置对沉积位置及环境的调整控制极为不便，并且环境调整的响应速度较为缓慢，沉积区域局部工作温度、角度、以及气流等条件容易偏离操作控制范围，使得金刚石沉积的均匀性难以达到较高的精度，并且容易造成结构损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多用途化学气相沉积装置，能够克服现有技术的不足，准确把控沉积环境的操作条件，得到均匀的沉积涂层或薄膜，特别适用于金刚石材料的制备。
本发明的多用途化学气相沉积装置，顶部为等离子体源，装置内空腔中部设置换热器，所述换热器将装置内部腔体分隔为上部的沉积反应室和下部的气体收集室两部分；所述换热器设有能够使所述沉积反应室和气体收集室连通的通孔；所述沉积反应室内设有沉积台，所述沉积台下方连接沉积台驱动轴，所述沉积台驱动轴向下穿过所述换热器和气体收集室两部分、并延伸至气体收集室外部；所述气体收集室下方中部设有真空系统接口。
所述等离子体源是热丝等离子体源、或火焰燃烧等离子枪、或微波、电弧等离子体源；所述等离子体源采用热丝法，热丝为钨丝，热丝布置包括外周环形布置以及内部平行布置，环形布置的环形直径为250mm-300mm，平行布置的热丝尺寸为150mm×150mm；所述等离子体源为一个或多个均布；所述等离子体源与沉积台为一对一、一对多、多对一或者多对多布置。
所述换热器内的通孔均布设置。
所述沉积台呈环形均布，环形中心设置或不设置沉积台，中心位置设置的沉积台与环形布置的沉积台在同一水平高度、或者不在同一水平高度所述沉积台的尺寸相同或不同，对称布置的沉积台尺寸相同。沉积台上安装一个或者多个用于沉积的工件。
所述沉积台驱动轴为中空腔体，中空腔体中部设有冷却水管，冷却水管将沉积台驱动轴的中空腔体分为内腔和外腔；所述沉积台驱动轴底部连接有基座，所述基座底部分别设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口分别与沉积台驱动轴的内腔和外腔连通。所述沉积台驱动轴的外壁通过至少一个轴承旋转固定于基座内，至少一个所述轴承下方设有锁母，所述锁母压紧轴承内圈；所述沉积台驱动轴的外壁端部与基座之间还设有油封圈。所述基座连接有升降电机，能够带动所述基座连同沉积台驱动轴与沉积台共同进行升降运动；所述沉积台驱动轴的外壁与旋转电机旋转连接，所述旋转电机的位置与所述沉积台的位置相对固定。
所述沉积台驱动轴、换热器分别通过管道与外部的冷却系统连接，所述等离子体源和沉积反应室的侧壁也进一步设置循环冷却机构并与外部的冷却系统连接。
所述装置还设有红外测温装置和真空测量装置。
本发明提供的化学气相沉积装置用途广泛，面积大，热效率高，成本低，能够利用等离子体特源在径向和轴向上的差异以及沉积台多方面多角度的操控要求，满足不同工况下多角度多层次涂层的性能要求，能够保证不同位置工件具有均匀稳定的涂层/薄膜和性能，很好的解决了化学气相沉积类金刚石涂层、金刚石薄膜的沉积需要，也能够适用于其他材料的沉积制备。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1本发明装置的整体结构示意图；
图2是等离子体源热丝布置结构示意图；
图3是沉积台布置的结构示意图；
图4是沉积台驱动轴及其基座的内部结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细描述。
本发明的多用途化学气相沉积装置结构如图1所示，装置顶部为等离子体源1，装置内空腔中部设置换热器4，所述换热器4将装置内部腔体分隔为上部的沉积反应室3和下部的气体收集室5两部分；所述换热器4中部设有能够使所述沉积反应室3和气体收集室5连通的通孔；所述沉积反应室3内设有沉积台6，所述沉积台6下方连接沉积台驱动轴7，所述沉积台驱动轴7向下穿过所述换热器4和气体收集室5两部分、并延伸至气体收集室5外部；所述气体收集室5下方中部设有真空系统接口9，所述真空系统接口9与外部的真空系统12连接。
所述等离子体源1可以是热丝等离子体源，也可以是火焰燃烧等离子枪，或者微波、电弧等离子体源等。所述等离子体源1可以采用热丝法，热丝优选为钨丝，热丝布置包括两部分(图2)，分别为外周环形布置以及内部平行布置，环形布置的环形直径在250mm-300mm，平行布置的热丝尺寸为150mm×150mm。所述等离子体源1可以为一个或多个均布；所述等离子体源1与沉积台6可以为一对一、一对多、多对一或者多对多布置，即一个等离子体源1对应一个或者多个沉积台6，或者多个等离子体源1对应一个或者多个沉积台6。
所述换热器4内的通孔均布设置，中部设置的换热器能够在气体通过时增大换热速率，提高系统环境温度的调节控制能力，使得系统环境能够在目标温度下迅速调整和稳定。
所述沉积台6呈环形均布(图3)，环形中心不设置沉积台，或者环形中心设置沉积台，但环形中心位置的沉积台可以上升、或者下降(即与环形均布设置的沉积台在或不在同一水平高度)，达到中心沉积台上安装工件的沉积条件(包括温度、能量密度、气体流速等)。
如图4所示，所述沉积台驱动轴7为中空腔体，中空腔体中部设有冷却水管8，冷却水管8将沉积台驱动轴7的中空腔体分为内腔和外腔；所述沉积台驱动轴7底部连接有基座18，所述基座18底部分别设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口分别与沉积台驱动轴7的内腔和外腔连通。所述沉积台驱动轴7的外壁通过至少一个轴承15旋转固定于基座18内，至少一个所述轴承15下方设有锁母16，所述锁母16压紧轴承15内圈，能够有效防止沉积台驱动轴7在旋转过程中发生晃动，提高沉积的稳定性；所述沉积台驱动轴7的外壁端部与基座18之间还设有油封圈17，防止冷却水渗出。所述基座18连接有升降电机11，能够带动所述基座18连同沉积台驱动轴7与沉积台6共同进行升降运动；所述沉积台驱动轴7的外壁通过齿轮啮合等作用与旋转电机10旋转连接，并通过所述旋转电机10驱动旋转，所述旋转电机10的位置与所述沉积台6的位置相对固定。
所述沉积台6的尺寸可以相同或不同，对称布置的沉积台一般要求尺寸相同。沉积台6上可以直接沉积类金刚石或者金刚石薄膜，也可以在沉积台上安装一个或者多个工件，在工件上沉积类金刚石涂层或者金刚石薄膜。
所述基座18的冷却水进口和冷却水出口、以及换热器4的冷却水进出口分别通过管道与外部的冷却系统14连接，所述等离子体源1和沉积反应室3的侧壁也可以进一步设置循环冷却机构并与外部的冷却系统14连接，有利于环境温度的进一步稳定；这些循环冷却机构的连接、设计方式可采用现有技术设置并容易被实现，例如，在等离子体源1的固定装置上设置循环冷却水管道，以及将沉积反应室3的侧壁设置为夹层结构，使循环冷却水能够在循环冷却水管道和夹层结构内循环从而实现冷却降温。
所述装置还设有红外测温装置2和真空测量装置13，分别用于检测装置内的温度和真空度，属于气相沉积装置的常规检测装置，可以直接采用现有的检测装置进行安装检测。
本装置通过竖向设置沉积反应室3、换热器4和气体收集室5，并在气体收集室5下方中部设置真空系统接口9，使得等离子气体能够在沉积过程中被有序引导和流动，换热器4内的通孔除给气体降温外，进一步起到导流和稳流作用，使得沉积反应室3内各处的气流流速比较均匀，有利于减小真空反应室的等离子体气体紊流，有利于含碳成分均匀沉积到沉积台6上，得到厚度比较均匀的涂层或者金刚石薄膜，图1中箭头示出了气体的流动情况。本装置内设有多级冷却，中部设置的换热器4有利于等离子体气体参加反应后加速冷却，同时沉积台驱动轴7内冷却水的流动设置使得冷却水能够直接作用于沉积台6的底部，能够对沉积台6的沉积部位快速降温，提高了对局部温度的把控，有效改善了局部温度调节的相应速度，有利于沉积效果的改进。本装置的沉积台6集升降、旋转、冷却等多重性能于一体，并能够各自独立进行操作控制，且稳定可控性好，能够有效适应沉积所需的各种工况要求，制备不同规格要求的制品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多用途化学气相沉积装置，顶部为等离子体源(1)，装置内空腔中部设置换热器(4)，所述换热器(4)将装置内部腔体分隔为上部的沉积反应室(3)和下部的气体收集室(5)两部分；所述换热器(4)设有能够使所述沉积反应室(3)和气体收集室(5)连通的通孔，所述换热器(4)内的通孔均布设置；所述沉积反应室(3)内设有沉积台(6)，所述沉积台(6)下方连接沉积台驱动轴(7)，所述沉积台驱动轴(7)向下穿过所述换热器(4)和气体收集室(5)两部分、并延伸至气体收集室(5)外部；所述气体收集室(5)下方中部设有真空系统接口(9)。
2.根据权利要求1所述的多用途化学气相沉积装置，其特征在于，所述等离子体源(1)是热丝等离子体源、或火焰燃烧等离子枪、或微波、电弧等离子体源；
所述等离子体源(1)采用热丝法，热丝为钨丝，热丝布置包括外周环形布置以及内部平行布置，环形布置的环形直径为250mm-300mm，平行布置的热丝尺寸为150mm×150mm；
所述等离子体源(1)为一个或多个均布；所述等离子体源(1)与沉积台(6)为一对一、一对多、多对一或者多对多布置。
3.根据权利要求1所述的多用途化学气相沉积装置，其特征在于，所述沉积台(6)呈环形均布，环形中心设置或不设置沉积台，中心位置设置的沉积台与环形布置的沉积台在同一水平高度、或者不在同一水平高度；
所述沉积台(6)的尺寸相同或不同，对称布置的沉积台尺寸相同；
沉积台(6)上安装一个或者多个用于沉积的工件。
4.根据权利要求1所述的多用途化学气相沉积装置，其特征在于，所述沉积台驱动轴(7)为中空腔体，中空腔体中部设有冷却水管(8)，冷却水管(8)将沉积台驱动轴(7)的中空腔体分为内腔和外腔；所述沉积台驱动轴(7)底部连接有基座(18)，所述基座(18)底部分别设有冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水进口和冷却水出口分别与沉积台驱动轴(7)的内腔和外腔连通；
所述沉积台驱动轴(7)的外壁通过至少一个轴承(15)旋转固定于基座(18)内，至少一个所述轴承(15)下方设有锁母(16)，所述锁母(16)压紧轴承(15)内圈；
所述沉积台驱动轴(7)的外壁端部与基座(18)之间还设有油封圈(17)；
所述基座(18)连接有升降电机(11)，能够带动所述基座(18)连同沉积台驱动轴(7)与沉积台(6)共同进行升降运动；
所述沉积台驱动轴(7)的外壁与旋转电机(10)旋转连接，所述旋转电机(10)的位置与所述沉积台(6)的位置相对固定。
5.根据权利要求1所述的多用途化学气相沉积装置，其特征在于，所述沉积台驱动轴(7)、换热器(4)分别通过管道与外部的冷却系统(14)连接，所述等离子体源(1)和沉积反应室(3)的侧壁进一步设置循环冷却机构并与外部的冷却系统(14)连接。
6.根据权利要求1所述的多用途化学气相沉积装置，其特征在于，所述装置还设有红外测温装置(2)和真空测量装置(13)。
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