CN1175127C - 一种微波等离子体激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波等离子体激励装置，由微波天线内导体(1)、陶瓷或玻璃等材料制成的介质管(2)、微波反射外导体(3)、以及微波能量输入及调节组件(4)所组成。可有效地扩展并控制等离子体的空间分布，从而实现金刚石涂层的大面积、三维空间的化学气相沉积。具有可控制性好、易于放大、热辐射能量适中、可维护性好的优点，可被用于工具的金刚石涂层的制备。

Description

一种微波等离子体激励装置

技术领域

本发明提供了一种微波等离子体激励装置，可应用于以化学气相沉积方法沉积金刚石涂层，在三维空间的特定范围内产生所需要的分布的等离子体的组合式微波等离子体激励装置。其特点在于可有效地扩展并控制等离子体的空间分布，从而实现金刚石涂层的大面积、三维空间的化学气相沉积。

背景技术

金刚石具有极高的硬度，而金刚石涂层的工具，是加工许多难加工材料，如先进陶瓷、复合材料、有色金属合金等所需要的超硬工具。这类涂层工具既具有金刚石的高硬度、高耐磨性，又具有形状自由度大，制造成本低的特性，因而是现代工业各个领域大量需要的工具材料。

由于金刚石在常温常压条件下处于亚稳状态，因而制备金刚石涂层需要借助各种非常规的方法，以形成较为苛刻的低压等离子体环境。目前，利用各种等离子体的激发手段，包括热丝方法、直流电弧方法以及微波方法均可以在低压条件下产生等离子体，制备出金刚石涂层。但是，要保证金刚石涂层的均匀性、尤其是要保证大量的工件的金刚石涂层的一致性和涂层的质量，所使用的等离子体激发手段必须满足以下要求：

1、具有工业规模的可放大性，可以在较大的面积或体积内激发出均匀的等离子体。

2、具有较好的可控制性，可以较容易地，有重现性地产生和维持上述等离子体。

3、上述等离子体的产生方法对被涂层工具的热辐射效应不能太高。

然而，以往用于金刚石涂层制备的等离子体激发技术均具有一些缺点。

应用最多的金刚石涂层方法是热丝方法(S.Matsumoto et al，Jpn.J.Appl.Phys.21(1982)L183)。这种方法利用多根被加热至极高温度(高于2000摄氏度)的金属细丝，以扩大激发的等离子体的面积与体积。但是，随着所需的等离子体面积或体积的增加，所需要的热丝的长度和根数也急剧增加。由于炽热的热金属丝在金刚石涂层的同时会发生不断的碳化和脆性化，因而随着热金属丝长度与根数的增加，这种热丝排列的可靠性和可重现性将发生急剧的恶化。

另一种较为常用的产生等离子体的方法是直流电弧等离子体方法(K.Kurihara et al，Appl.Phys.Lett.，52(1988)437)。这种方法依赖于气体放电现象产生的炽热的电弧弧柱来维持所需要的等离子体。只有当电弧弧柱温度很高的情况下，电弧自身才能得以维持。因此，电弧弧柱的电流强度越大，弧柱的长度越短，则所产生的等离子体越稳定。这不仅使得等离子体的大面积均匀化较为困难，而且电弧弧柱产生的大量的热能往往会造成对被涂层工件的剧烈的热辐射效应，影响金刚石涂层过程中温度的控制和涂层的质量。

第三种常被用来产生等离子体的方法即微波方法(M.Kamo et al，J.Cryst.Growth，62(1983)642)。它是依靠微波产生的极高频率的电磁振荡，使得气体分子发生剧烈的相互碰撞，从而激发与维持等离子体的。这种方法具有较好的可控制性，可以通过改变电磁场的振荡模式，有重现性地激发设定分布的等离子体。但是，传统使用的微波等离子体激发技术多采用一个微波激励装置，它在特定的空间内只产生出一个球状的等离子体区域，不能较容易地扩大等离子体的面积或体积而用于大面积的金刚石涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种的微波等离子体激发装置，它利用了类似同轴线形式的微波激发天线，用以产生主要为横电磁场的微波振荡模式，以形成沿天线长度方向的固定分布的等离子体。同时，将多个上述形式的微波等离子体激发装置按照所需要的等离子体分布组合起来，以构成特定空间内等离子体的均匀、可控分布。

本发明的构成：

本发明有由微波天线内导体(1)、陶瓷或玻璃等材料制成的介质管(2)、微波反射外导体(3)、以及微波能量输入及调节组件(4)所组成。在内导体(1)、介质管(2)之间通入冷却气体以对此二者进行必要的冷却，同时在介质管(2)、外导体(3)之间通入氢气和其它任意一种含有碳元素的气体的混合气体，维持100-3000Pa的工作气压。同时，由能量输入及调节组件(4)输入800-6000瓦功率的微波能量，即可沿着介质管方向、围绕介质管外部形成柱状的等离子体(5)。

微波天线内导体(1)、介质管(2)、微波反射外导体(3)三者构成了微波等离子体激发装置的核心部分。内导体(1)与外导体(3)之间构成了类似于微波传输同轴线的微波传输空间。由于内导体(1)、外导体(3)之间具有沿轴向平行的几何关系，因而由微波能量输入及调节组件(4)所传入的微波能量将被转换成主要是沿径向分布的横电磁场，而其传输方向为沿内导体(1)、外导体(3)的轴向方向；同时，内导体(1)、外导体(3)也构成了一个微波共振腔，它使得沿轴向传播的微波在二者之间形成电磁场的共振。

在介质管(2)与外导体(3)之间维持较低的气体压力的情况下，上述共振的微波电磁场将依附介质管的外壁形成沿介质管方向分布的等离子体。这时，调节产生等离子体的气体种类、压力、温度、能量，即可构成可以被利用来进行金刚石涂层的等离子体。

将需要被金刚石涂层的工件放置至接近介质管的位置，则可在其表面进行金刚石涂层。

如图1所示的单个的微波等离子体激发装置只能被用于较小的工件的涂层。这是因为单个的微波激发装置只能在较小的空间内产生等离子体，而且这时的等离子体只是形成一根围绕介质管的等离子体柱，其有效面积较小。

为了增加上述微波等离子体装置的效率，可以以适当的方式组合多个微波等离子体激发装置，本发明可由1-10个相同的微波激发装置安置在一个平面上，而每个装置的轴线均与外导体轴线方向平行，每个装置所产生的微波电磁场将仍然是横电磁场的振荡模式，多个装置共同产生的电磁场和等离子体则是它们各自电磁场和等离子体的叠加。如图2a，b，c所示。在这些组合装置中，主要的组成部分包括单个的微波等离子体激发装置(1)、微波外导体(2)以及工件放置架(3)。在图2a所示的装置中，6个相同的微波激发装置被安置在一个平面上，而每个装置的轴线均与外导体轴线方向平行。因此，每个装置所产生的微波电磁场将仍然是横电磁场的振荡模式，多个装置共同产生的电磁场则是它们各自电磁场的叠加。在对每个装置分别提供微波能量的情况下，每个装置均将在其周围激发出相应的等离子体柱。这样，调整各个微波激发装置的相互位置和功率，则可使其形成的等离子体柱连成一体，在工件放置架的上方形成一个由等离子体构成的平面。

本发明的优点在于：

等离子体分布的可控制性好。由于由内导体(1)激发、介质管(2)维持的微波的传输方式决定了微波的能量主要是以横电磁波的形式沿介质管的方向传播，因而它激发的等离子体的分布主要取决于上述激发元件的几何形状。这样就避免了传统的微波等离子体激发装置只能产生球状等离子体分布的局限性，使得等离子体的分布具有较好的可控制性。

2、可实现等离子体分布的均匀放大。如图2所示、将多个上述单个的微波激发装置组合起来，可以很方便地形成平面(图2a)、柱面(图2b)或者三维空间(图2c)的等离子体分布。这是因为，对于单个的上述等离子体激发装置来讲，其激发的等离子体分布是由激发装置的几何形状来决定的，因此，将多个这样的激发装置组合起来之后，其产生的等离子体的分布即是上述单个装置产生的等离子体的加和。这样，可以根据需要组合多个微波等离子体激发装置，达到扩大所需的等离子体面积和体积的目的。

3、对等离子体能量密度的可控制性好。微波电磁场所激发的等离子体可以是温度较高的高温等离子体，也可以是温度较低的低温等离子体。这是因为微波等离子体激发方法与一般的电弧放电等离子体产生方法相比，并不需要很高温度、很大电流强度的电弧放电过程加以维持，而只要维持一定的气体压力并输入适当的微波能量即可维持等离子体的稳定激发。这样就可以避免传统的直流电弧放电方法所不可避免的热辐射能量过高的缺点。

4、设备的可维护性好。由于微波等离子体激发装置内不包含容易损坏的元件，如热丝方法中易于损坏的高温金属丝，因而其使用寿命可以得到大幅度的提高。而多个上述的微波激发装置可以被很方便地组合在一起，因此，上述组合装置具有使用寿命长、易于维护保养的特点，因而极为适用于工业应用。

综上所述，采用多个微波等离子体激发装置并加以组合之后，可以在所需要的两维或三维空间内产生所需分布的等离子体。上述装置具有可控制性好、易于放大、热辐射能量适中、可维护性好的特点，可被用于工具的金刚石涂层的制备。

附图说明

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

图1是本发明的单个微波等离子体激发装置的示意图。(1)为内导体、(2)为介质管、(3)为微波反射外导体、(4)为微波能量输入及调节组件。

图2多个微波等离子体激发装置组合构成的装置的示意图。

(a)平面等离子体产生装置。

(b)柱面等离子体产生装置。

(c)三维立体空间等离子体产生装置。

图3利用图2a的微波等离子体激发装置获得的工具金刚石涂层。

实施例一：应用图2a所给出的微波平面等离子体激发装置，利用98.5％的氢气、1.5％的甲烷作为工作气体，在下述的条件下对硬质合金机卡刀具进行了金刚石涂层。具体的涂层工艺为：

微波频率    2.45GHz

微波功率    4.5kW

气体压力    1000Pa

气体流量    50cc(毫升)/min

工具温度    800℃

装炉量      机卡硬质合金刀具25片

涂层时间    8hr(小时)

由此，获得了如图3显微照片所示的金刚石涂层。此金刚石涂层厚度为5μm，且涂层均匀致密。而且，每个刀具的金刚石涂层的一致性很好。

上述实例表明，本发明所提出的组合式微波等离子体激励装置，可以被利用来进行金刚石涂层。而且，这一装置具有较好的可控制性和可放大性，并且保持了微波等离子体对工件的热辐射效应适当的优点。

Claims (2)

1、一种微波等离子体激励装置，由微波天线内导体(1)、陶瓷或玻璃材料制成的介质管(2)、微波反射外导体(3)、以及微波能量输入及调节组件(4)组成，其特征在于：在内导体(1)、介质管(2)之间通入冷却气体以对此二者进行冷却，同时在介质管(2)、外导体(3)之间通入氢气和其它任意一种含有碳元素的气体的混合气体，维持100-3000Pa的工作气压；同时，由能量输入及调节组件(4)输入800-6000瓦功率的微波能量，即沿着介质管方向、围绕介质管外部形成柱状的等离子体(5)；微波天线内导体(1)、介质管(2)、微波反射外导体(3)三者构成了微波等离子体激发装置的核心部分；内导体(1)与外导体(3)之间构成了类似于微波传输同轴线的微波传输空间；由于内导体(1)、外导体(3)之间具有沿轴向平行的几何关系，因而由微波能量输入及调节组件(4)所传入的微波能量将被转换成沿径向分布的横电磁场，而其传输方向为沿内导体(1)、外导体(3)的轴向方向；同时，内导体(1)、外导体(3)也构成了一个微波共振腔，它使得沿轴向传播的微波在二者之间形成电磁场的共振。

2、按照权利要求1所述的微波等离子体激励装置，其特征在于：由1-10个相同的微波激发装置安置在一个平面上，而每个装置的轴线均与外导体轴线方向平行，每个装置所产生的微波电磁场将仍然是横电磁场的振荡模式，多个装置共同产生的电磁场和等离子体则是它们各自电磁场和等离子体的叠加。

Images