CN201517131U - 一种制备类金刚石薄膜的装置 - Google Patents

Abstract

一种制备类金刚石薄膜的装置，具有由圆筒形外壳、封盖和底座构成的封闭式反应室，封盖上有进气孔，底座上设有真空泵孔和排气孔，外壳两个侧面上设置有观察窗口，其特征在于：在所述反应室内的上下空间位置分别装有由若干空心不锈钢针组成的阴极与平板筛网组成的阳极，在所述平板筛网下部固定有基片，所述不锈钢针与平板筛网之间的间距为10mm，所述平板筛网与基片之间间距为1mm；所述的阴极与阳极分别以导线与高压电源相连；本装置结构简单、操作方便、成膜速率高。

Description

一种制备类金刚石薄膜的装置

(一)技术领域：本实用新型涉及一种薄膜制备装置，具体是一种制备类金刚石薄膜的装置。

(二)现有技术：类金刚石(DLC)薄膜具有高硬度、高耐磨性及低摩擦系数等一系列的优异性能，它能够广泛应用于精密仪器、光学部件及宇宙导航等领域。特别地，类金刚石膜作为光学增透膜可以制成高电压高速光电开关、紫外线探测器、激光传感器、热敏电阻等许多电子元器件，还可以广泛的应用于半导体技术、集成电路技术以及其他新型电子材料方面，市场前景广阔。类金刚石薄膜通常分为两种，即含氢类金刚石薄膜和无氢类金刚石薄膜。含氢类金刚石薄膜主要使用化学汽相沉积法(CVD)制备，该膜中含有大量饱和sp³键的氢成分，使用过程中经常由于氢逸出导致性能退化。无氢类金刚石薄膜中sp³键全部由C原子组成，结构上更加稳定。与含氢类金刚石薄膜相比，无氢类金刚石薄膜在很多方面具有与之相似甚至更加优异的性能，如类似的电性能，相近或更高的沉积速率，与各种表面有更好的附着力以及高的热稳定性。无氢类金刚石薄膜的应用相当广泛，可以用作磁记录涂层，耐磨保护和红外窗口的抗反射涂层，轴承和滑动/摩擦件的磨损保护以及汽车工业中的精密阀等。无氢类金刚石薄膜的制备方法很多，如激光刻蚀法，溅射法，直接离子束(IB)法以及过滤式阴极电弧(FCA)沉积法等；上述方法根据各自所依据的理论设计出了相应结构的制备装置，且各有特点，但这些方法的制备装置都存在结构复杂、操作烦琐和成膜速率低等缺陷。

(三)发明内容：本实用新型的目的就是利用微空心阴极放电理论，设计了一种结构简单、操作方便、成膜速率高的制备类金刚石薄膜的装置。

本实用新型具有由圆筒形外壳、封盖和底座构成的封闭式反应室，封盖上有进气孔，底座上设有真空泵孔和排气孔，外壳两个侧面上设置有观察窗口，其特征在于：在所述反应室内的上下空间位置分别装有由若干空心不锈钢针组成的阴极与平板筛网组成的阳极，在所述平板筛网下部固定有基片，所述不锈钢针与平板筛网之间的间距为10mm，所述平板筛网与基片之间间距为1mm；所述的阴极与阳极分别以导线与高压电源相连。

所述封盖盖体为一空心圆柱体，若干空心不锈钢针通过陶瓷管固定在盖体底面。

所述气室底座上装有一托板，所述的基片即固定在此托板上。

在所述托板下部安装有加热装置及热电偶。

所述空心不锈钢针长为3cm，外径为2mm，孔径为200μm，针尖角为15°，每个空心不锈钢针之间的间距为5mm。

所述平板筛网由溅射很小的金属钼片构成，钼片纯度99.98％，厚度为2mm，其上的筛孔孔径为50μm。

本实用新型的设计原理是：类比气体激光器典型的“针-板”放电形式，提出了一种特殊的“针-板”放电结构，它由空心不锈钢针和平板电极构成，空心不锈钢针为阴极，平板为阳极，构成典型的空心阴极放电。根据空心阴极放电的特性，当孔径较大时，放电只能在低气压下工作，当孔径降到250μm以下时，放电气压能够达到大气压。本实用新型的不锈钢毛细管孔径为200μm，放电变为微空心阴极放电，它是一种高气压辉光放电，等离子体在阴极管与网格阳极(筛网阳极)之间形成，等离子体的电子密度在10¹³-10¹⁶cm^-3之间，等离子体的功率密度达到10³kW/cm³量级，并且含有大量的高能电子，这些能够满足反应气体发生化学反应的条件。当多个这样的微空心阴极放电并联运行，能够在大气压下产生规模达到立方厘米量级的稳定辉光放电等离子体，用于制备薄膜。本实用新型的平板阳极做成筛网结构，它的主要作用是使气体反应物均匀地分布在基片上，形成质量好的薄膜。

本实用新型装置中，空心不锈钢针阴极与平板阳极之间没有隔离的绝缘体，采用流动气体通过空心不锈钢针阴极孔，直接耦合到放电阳极，放电能够在高气压中稳定地维持，稳定放电时电压基本保持恒定，放电电流能够持续到很高的值。因此，该装置很容易做成大规模的微放电阵列，只需对每个微放电分别镇流即可，维持电压与单个微放电相同。气体流速对维持电压有很大的影响，当电极间距固定时，提高气体流速能够降低维持电压。放电产生的热量将影响到放电等离子体的稳定性，通过气体的快速流动能够对装置进行适当的散热和冷却。因此，在实际操作时必须选择最佳的气体流速。

本实用新型装置中，利用空心不锈钢针微空心阴极结构，提高了沉积薄膜的速率和放电的稳定性。该装置工作时，首先利用真空泵对气室进行抽真空，然后H₂/CH₄混合气体以100sccm流速从进气口进入，经过空心不锈钢针进入气室，H₂/CH₄在放电等离子体中发生化学反应，反应产物经过阳极筛网在基片上沉积形成薄膜，废气从排气口抽出。在沉积薄膜过程中，将始终保持气室气压稳定不变。为了提高薄膜质量和提高成膜速率，基片用加热电路加热到800℃，利用基片底部的热电偶来测量温度。实验结果表明：利用微空心阴极放电法制备薄膜的生长速率是双平板式电极放电法的2倍左右。

本实用新型装置的核心部分是空心不锈钢针空心阴极放电阵列，其主要特点是：(1)有非热电子能量分布，放电区域形成高电流密度，电子密度在10¹³-10¹⁶cm^-3之间；(2)放电等离子体中有极高的功率密度(＞10³kW/cm³)，含有大量的高能电子；(3)放电气体快速流动能够带走放电产生的热，降低功率损耗，提高成膜效率；(4)该装置能够在大气压下工作；(5)该装置的密封要求较低，降低了制造难度。

(四)附图说明

图1是本实用新型整体结构的俯视结构示意图；

图2是图1沿A-A方向的剖视结构示意图；

图3是图2中平板筛网的结构示意图。

图中，1-圆筒外壳，2-封盖，3-底座，4-反应室，5-进气孔，6-真空泵孔，7-排气孔，8-观察窗口，9-空心不锈钢针，10-平板筛网，11-陶瓷管，12-筛孔，13-基片，14-导线，15-高压电源，16-托板，17-加热装置，18-热电偶。

(五)具体实施方式：

参见图1、图2、图3，本实用新型具有由圆筒形外壳1、封盖2和底座3构成的封闭式反应室4，这三个部分用螺丝连接在一起，反应气体在反应室中发生各种化学反应。封盖上有进气孔5，底座上设有真空泵孔6和排气孔7，外壳两个侧面上设置有观察窗口8，在所述反应室内的上部位置装有由若干空心不锈钢针9组成的阴极，在阴极的下面装有平板筛网10组成的阳极，所述的阴极和阳极构成针-板放电结构。本实施例中的有机玻璃封盖盖体为一空心圆柱体，若干空心不锈钢针通过陶瓷管11固定在盖体底面。也可以在反应室上部安装一横板用于空心不锈钢针及陶瓷管的固定。若干个空心不锈钢针排列成一排，每个不锈钢针长为3cm，外径为2mm，孔径为200μm，针尖角为15°，每个空心不锈钢针之间的间距为5mm；所述平板筛网由溅射很小的金属钼片构成，钼片纯度99.98％，厚度为2mm，其上的筛孔12大小相等，间距相等，孔径为50μm。

在所述平板筛网下部固定有基片13，所述不锈钢针与平板筛网之间的间距为10mm，所述平板筛网与基片之间间距为1mm；所述的阴极与阳极分别以导线14与高压电源15相连。

在气室底座上装有一金属托板16，所述的基片即固定在此托板上。

在所述托板下部安装有加热装置17及热电偶18。

Claims (6)

1.一种制备类金刚石薄膜的装置，具有由圆筒形外壳、封盖和底座构成的封闭式反应室，封盖上有进气孔，底座上设有真空泵孔和排气孔，外壳两个侧面上设置有观察窗口，其特征在于：在所述反应室内的上下空间位置分别装有由若干空心不锈钢针组成的阴极与平板筛网组成的阳极，在所述平板筛网下部固定有基片，所述不锈钢针与平板筛网之间的间距为10mm，所述平板筛网与基片之间间距为1mm；所述的阴极与阳极分别以导线与高压电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种制备类金刚石薄膜的装置，其特征在于：所述封盖盖体为一空心圆柱体，若干空心不锈钢针通过陶瓷管固定在盖体底面。

3.根据权利要求1所述的一种制备类金刚石薄膜的装置，其特征在于：所述反应室底座上装有一托板，所述的基片即固定在此托板上。

4.根据权利要求3所述的一种制备类金刚石薄膜的装置，其特征在于：在所述托板下部安装有加热装置及热电偶。

5.根据权利要求1或2所述的一种制备类金刚石薄膜的装置，其特征在于：所述空心不锈钢针长为3cm，外径为2mm，孔径为200μm，针尖角为15°，每个空心不锈钢针之间的间距为5mm。

6.根据权利要求1所述的一种制备类金刚石薄膜的装置，其特征在于：所述平板筛网由溅射很小的金属钼片构成，钼片纯度99.98％，厚度为2mm，其上的筛孔孔径为50μm。

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