CN113265649B - 一种用于mpcvd腔体连接的法兰及mpcvd装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于MPCVD腔体连接的法兰及MPCVD装置。法兰包括上法兰、下法兰、屏蔽条和密封圈；上法兰和下法兰配合，用于固定MPCVD腔体；下法兰上设有环状的开槽一，开槽一的宽度为以分隔板为介质，微波在介质中传输的半波长的整数倍，开槽一用于安装分隔板；下法兰上开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三；开槽二和开槽三为同心的环状槽且开槽二的半径小于开槽三的半径；开槽二用于安装屏蔽条，开槽三用于安装密封圈。MPCVD装置包括法兰、上半腔体、下半腔体、分隔板、同轴传输段、同轴天线和生长台。本申请能够实现真空密封和微波屏蔽，减缓密封圈老化，防止微波打火烧毁密封圈，降低法兰对微波场的影响，防止打火和次生等离子的产生。
Description
技术领域
本申请涉及设备连接件技术领域，特别是涉及一种用于MPCVD腔体连接的法兰及MPCVD装置。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，以其产品质量高、可控性强、无污染等诸多优势越来越受到行业的重视。
常规MPCVD设备的结构，微波经由同轴段传入腔体内，在生长台上方激发产生等离子体用于金刚石合成。腔体分上半腔体和下半腔体，上半腔体和下半腔体之间用介电常数较低的介质(通常为石英玻璃)进行隔离。上半腔体内为常压，下半腔体为低压，即真空区域。两个腔体之间采用法兰进行连接。该法兰的连接需要同时做到真空密封和微波屏蔽。
然而，目前的连接法兰，通过在玻璃下方添加橡胶圈来确保下半腔体的气密性，橡胶圈受微波影响容易老化；通过增加两个法兰之间的螺钉数量来防止微波泄露，而法兰螺钉的数量太多容易造成石英玻璃的损坏；另外，现有法兰会在下腔体的顶端边缘形成较强的电场区域，会造成等离子的不稳定。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够真空密封、微波屏蔽还可以避免等离子不稳定的用于MPCVD腔体连接的法兰。
一种用于MPCVD腔体连接的法兰，所述法兰包括：上法兰、下法兰、屏蔽条和密封圈；
所述上法兰和所述下法兰配合，用于固定MPCVD腔体；
所述下法兰上设有环状的开槽一，所述开槽一的宽度为以分隔板为介质，微波在所述介质中传输的半波长的整数倍，所述开槽一用于安装所述分隔板；
所述下法兰上开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三；所述开槽二和所述开槽三为同心的环状槽且所述开槽二的半径小于所述开槽三的半径；所述开槽二用于安装所述屏蔽条，所述开槽三用于安装所述密封圈。
在其中一个实施例中，所述上法兰还包括：开槽四、开槽五和开槽六；
所述开槽四为环状槽，所述开槽四的高度与所述开槽一的高度之和等于所述分隔板的厚度，所述开槽四的宽度等于所述开槽一的宽度；
所述开槽五和所述开槽六设置于所述开槽四的槽底，所述开槽五和所述开槽六为同心的环状槽且所述开槽五的半径小于所述开槽六的半径；所述开槽五用于安装所述屏蔽条，所述开槽六用于安装所述密封圈。
在其中一个实施例中，所述法兰包括：螺纹连接法兰、焊接法兰或卡夹法兰。
一种MPCVD装置，所述MPCVD装置包括所述法兰。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：上半腔体、下半腔体和分隔板；
所述分隔板设置于所述上半腔体和所述下半腔体之间，所述上半腔体和所述下半腔体通过所述法兰进行连接固定。
在其中一个实施例中，所述分隔板与所述上半腔体围成常压区，所述分隔板与所述下半腔体围成真空区。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：设置于上半腔体顶部的同轴传输段，所述同轴传输段用于连接微波源。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：设置于所述同轴传输段顶部中央的同轴天线，所述同轴天线伸入所述常压区，所述同轴天线用于微波的输入。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：设置于下半腔体底部的生长台，所述生长台用于产生金刚石。
在其中一个实施例中，所述分隔板的材质包括：石英玻璃、陶瓷或刚玉。
上述用于MPCVD腔体连接的法兰及MPCVD装置，通过密封圈实现了真空密封；通过屏蔽条实现了微波屏蔽，减少了螺钉的数量，防止了微波的泄露；同时，由于开槽二与开槽三同心设置且开槽二的半径小于开槽三的半径，可以防止微波进入密封圈进而减缓密封圈的老化，也能防止微波打火烧毁密封圈；另外，由于开槽一的宽度设置为以分隔板为介质，微波在所述介质中传输的半波长的整数倍，可以降低法兰对腔体内微波场的影响，避免除生长台上方之外的所有强电场区域，防止下半腔体法兰边缘打火和次生等离子的产生，避免了等离子的不稳定。
附图说明
图1为一个实施例中用于MPCVD腔体连接的法兰的示意图；
图2为一个实施例中用于MPCVD腔体连接的法兰的下法兰的示意图；
图3为一个实施例中用于MPCVD腔体连接的法兰的下法兰的原理示意图；
图4为一个实施例中MPCVD装置的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的一种用于MPCVD腔体连接的法兰，法兰包括：上法兰、下法兰、屏蔽条和密封圈；上法兰和下法兰配合，用于固定MPCVD腔体；下法兰上设有环状的开槽一，开槽一的宽度为以分隔板为介质，微波在介质中传输的半波长的整数倍，开槽一用于安装分隔板；下法兰上开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三；开槽二和开槽三为同心的环状槽且开槽二的半径小于开槽三的半径；开槽二用于安装屏蔽条，开槽三用于安装密封圈。
在其中一个实施例中，如图1所示，MPCVD装置的上半腔体和下半腔体通过上法兰和下法兰进行连接，上法兰和下法兰之间采用螺钉进行固定，上半腔体和下半腔体之间的分隔板在本实施例中可以为石英玻璃，用于常压区和真空区的隔离。上法兰平整，下法兰设有开槽一、开槽二和开槽三，开槽一、开槽二和开槽三均为环状槽，开槽一用于安装分隔板，开槽二用于安装屏蔽条，开槽三用于安装密封圈。
如图2所示，开槽一的高度b可以与石英玻璃的厚度一致，具体可以根据实际情况选择，如10mm；开槽一的宽度a为以分隔板为介质，微波在介质中传输的半波长的整数倍，即满足以下关系：
式中，a表示开槽一的宽度，n为自然整数，λ表示微波在介质中的波长，λ′表示微波在真空中的波长，ε表示传输介质的相对介电常数。
具体地，开槽一的宽度可以取最小值λ/2，例如：对于2450MHz的MPCVD设备，其波长为122.4mm，石英玻璃的相对介电常数为3.75，因此计算得到的开槽一的宽度为31.6mm。
如图3所示，开槽一的宽度设置利用了传输线内阻抗的变化规律，采用等效短路点(λ/2的整数倍，图中取最小值1倍)的原理来降低输入端电场的畸变。传输线短路点的特征是：电流最大而电压为零。图中③、④为短路面，其输入阻抗为零，相对电压也为零。经过λ/2的整数倍后，根据传输线内阻抗的变化规律，其输入阻抗不变，仍然为零。因此①、②端也可看成短路，等电压，即电接触良好，相当于没有此开槽一的结构，从而避免了①、②两个金属角因尖端效应给电场带来的突变，降低了法兰对腔体内微波场的影响。
通常情况下，尖端会汇聚大量电荷，形成较强的电场区域，对MPCVD的腔体来说，主要是①、②区域。①、②两个区域中，①位于大气压中，②位于真空中，因此同等条件下②位置很容易打火。打火会产生等离子体，由于②位置位于真空的下半腔体的顶部，距离微波输入端更近，若在此处打火，产生的等离子体会优先吸收微波，产生稳定的次生离子体，从而影响生长台上方稳定等离子体的行成。而开槽一的宽度经过严格设置，避免了尖端效应，从而防止了打火和次生等离子的产生。
开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三，分别安装了屏蔽条和密封圈；屏蔽条和密封圈为同心设置，且屏蔽条的半径小于密封圈的半径；开槽二和开槽三的尺寸可以根据实际情况设置，本发明不做限定，只要开槽二的尺寸与屏蔽条相配合，开槽三的尺寸与密封圈相配合，且开槽二的半径小于开槽三的半径，就可以实现其相应的功能；开槽二和开槽三的距离可以根据实际情况设置，本发明不做限定。
屏蔽条为金属屏蔽条，密封圈为橡胶密封圈，也可以根据实际情况选择其他的材质，本发明不做限定。
上述用于MPCVD腔体连接的法兰，通过密封圈实现了真空密封；通过屏蔽条实现了微波屏蔽，减少了螺钉的数量，防止了微波的泄露；同时，由于开槽二与开槽三同心设置且开槽二的半径小于开槽三的半径，可以防止微波进入密封圈进而减缓密封圈的老化，也能防止微波打火烧毁密封圈；另外，由于开槽一的宽度设置为以分隔板为介质，微波在所述介质中传输的半波长的整数倍，可以降低法兰对腔体内微波场的影响，避免除生长台上方之外的所有强电场区域，防止下半腔体法兰边缘打火和次生等离子的产生，避免了等离子的不稳定。
优选地，上法兰还包括：开槽四、开槽五和开槽六；开槽四为环状槽，开槽四的高度与开槽一的高度之和等于分隔板的厚度，开槽四的宽度等于开槽一的宽度；开槽五和开槽六设置于开槽四的槽底，开槽五和开槽六为同心的环状槽且开槽五的半径小于开槽六的半径；开槽五用于安装屏蔽条，开槽六用于安装密封圈。
在本实施例中，上法兰上设有开槽四、开槽五和开槽六，其尺寸及功能分别与下法兰上的开槽一、开槽二、开槽三相同，上法兰与下法兰相配合，可以更好地实现真空密封和微波屏蔽，减少螺钉的数量，防止微波的泄露，防止微波进入密封圈进而减缓密封圈的老化，也能防止微波打火烧毁密封圈，还可以降低法兰对腔体内微波场的影响，防止打火和次生等离子的产生，避免等离子的不稳定。
在其中一个实施例中，法兰包括：螺纹连接法兰、焊接法兰或卡夹法兰。
在实际使用时，可以根据不同的应用场合对压力的不同要求，选择不同类型的法兰，如选择螺纹连接法兰、焊接法兰或者卡夹法兰中的任意一种，也可以根据MPCVD腔体的尺寸等参数，选择不同型号的法兰，本发明均不做限定。
一种MPCVD装置，MPCVD装置包括法兰。
在本实施例中，MPCVD装置使用法兰进行连接固定，该法兰包括：上法兰、下法兰、屏蔽条和密封圈；上法兰和下法兰配合，用于固定MPCVD腔体；下法兰上设有环状的开槽一，开槽一的宽度为以分隔板为介质，微波在介质中传输的半波长的整数倍，开槽一用于安装分隔板；下法兰上开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三；开槽二和开槽三为同心的环状槽且开槽二的半径小于开槽三的半径；开槽二用于安装屏蔽条，开槽三用于安装密封圈。
上述MPCVD装置，使用法兰进行固定，该法兰可以通过密封圈实现MPCVD装置的真空密封；通过屏蔽条实现MPCVD装置的微波屏蔽，减少了螺钉的数量，防止了微波的泄露；同时，由于开槽二与开槽三同心设置且开槽二的半径小于开槽三的半径，可以防止微波进入密封圈进而减缓密封圈的老化，也能防止微波打火烧毁密封圈；另外，由于开槽一的宽度设置为以分隔板为介质，微波在所述介质中传输的半波长的整数倍，可以降低法兰对MPCVD装置内微波场的影响，避免除生长台上方之外的所有强电场区域，防止下半腔体法兰边缘打火和次生等离子的产生，避免了等离子的不稳定。
如图4所示，在其中一个实施例中，所述装置还包括：上半腔体、下半腔体和分隔板；分隔板设置于上半腔体和下半腔体之间，上半腔体和下半腔体通过法兰进行连接固定。
分隔板可以对上半腔体和下半腔体进行气压的隔离，保持下半腔体的真空度。在本实施例中，分隔板可以使用石英玻璃，也可使用其他材质替代，只要相关材质可以实现微波的传输，又能保证气压的隔离即可。
在其中一个实施例中，分隔板与上半腔体围成常压区，分隔板与下半腔体围成真空区。
常压区是普通的环境，温度和压力均不高，金刚石不够稳定，有自发变成石墨的趋势；而真空区是特殊的环境，金刚石比较稳定，并可以防止过多的空气原子参与高温的化学反应引入杂质，从而有利于金刚石的生成。
在其中一个实施例中，装置还包括：设置于上半腔体顶部的同轴传输段，同轴传输段用于连接微波源。
同轴传输段可以连接到外部的微波源。微波源发出预先设置好频率和输出有效功率的微波，经同轴传输段传输至MPCVD装置内，以用于金刚石的生成。
在其中一个实施例中，装置还包括：设置于同轴传输段顶部中央的同轴天线，同轴天线伸入常压区，同轴天线用于微波的输入。
同轴天线由于耦合而具有低衰减的特点，能够以特定的频率传导微波源输入的微波信号，屏蔽干扰并引导微波信号，使其以最大的强度和最小的失真到达目的地。
在其中一个实施例中，装置还包括：设置于下半腔体底部的生长台，生长台用于产生金刚石。
生长台的材质、尺寸可以根据具体需求和MPCVD装置的大小进行详细的设置，本发明不做限定。
在其中一个实施例中，分隔板的材质包括：石英玻璃、陶瓷或刚玉。
在实际情况中，分隔板可以选择石英玻璃、陶瓷、刚玉中的一种，也可以根据具体情形选择其他合适的材质，只要介质的介电常数较低、表面平整且可以实现常压区和真空区气压的隔离即可，本发明不做限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种用于MPCVD腔体连接的法兰，其特征在于，所述法兰包括：上法兰、下法兰、屏蔽条和密封圈；
所述上法兰和所述下法兰配合，用于固定MPCVD腔体；
所述下法兰上设有环状的开槽一，所述开槽一的宽度为以分隔板为介质，微波在所述介质中传输的半波长的整数倍，以降低法兰对腔体内微波场的影响，避免除生长台上方之外的所有强电场区域，防止下半腔体法兰边缘打火和次生等离子的产生，避免了等离子的不稳定，开槽一的高度与分隔板的厚度一致，分隔板的材质包括：石英玻璃、陶瓷或刚玉，所述开槽一用于安装所述分隔板；
所述下法兰上开槽一的槽底上设有开槽二和开槽三；所述开槽二和所述开槽三为同心的环状槽且所述开槽二的半径小于所述开槽三的半径；所述开槽二用于安装所述屏蔽条，所述开槽三用于安装所述密封圈。
2.根据权利要求1所述的法兰，其特征在于，所述上法兰还包括：开槽四、开槽五和开槽六；
所述开槽四为环状槽，所述开槽四的高度与所述开槽一的高度之和等于所述分隔板的厚度，所述开槽四的宽度等于所述开槽一的宽度；
所述开槽五和所述开槽六设置于所述开槽四的槽底，所述开槽五和所述开槽六为同心的环状槽且所述开槽五的半径小于所述开槽六的半径；所述开槽五用于安装所述屏蔽条，所述开槽六用于安装所述密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的法兰，其特征在于，所述法兰包括：螺纹连接法兰、焊接法兰或卡夹法兰。
4.一种MPCVD装置，其特征在于，所述MPCVD装置包括权利要求1至3任一项所述的法兰。
5.根据权利要求4所述的MPCVD装置，其特征在于，所述装置还包括：上半腔体、下半腔体和分隔板；
所述分隔板设置于所述上半腔体和所述下半腔体之间，所述上半腔体和所述下半腔体通过所述法兰进行连接固定。
6.根据权利要求5所述的MPCVD装置，其特征在于，所述分隔板与所述上半腔体围成常压区，所述分隔板与所述下半腔体围成真空区。
7.根据权利要求6所述的MPCVD装置，其特征在于，所述装置还包括：设置于上半腔体顶部的同轴传输段，所述同轴传输段用于连接微波源。
8.根据权利要求7所述的MPCVD装置，其特征在于，所述装置还包括：设置于所述同轴传输段顶部中央的同轴天线，所述同轴天线伸入所述常压区，所述同轴天线用于微波的输入。
9.根据权利要求5至8任一项所述的MPCVD装置，其特征在于，所述装置还包括：设置于下半腔体底部的生长台，所述生长台用于产生金刚石。
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2021
- 2021-06-18 CN CN202110681101.XA patent/CN113265649B/zh active Active
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