專利名稱：用于化學氣相沉積的等離子炬的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于化學氣相沉積的電弧等離子炬技術領域。
背景技術：
等離子炬是一種產生等離子體的裝置，根據原理的不同，可以分為射頻等離子 炬和電弧等離子炬兩種。本發(fā)明屬于電弧等離子炬。電弧等離子炬最早用于切割和 噴涂， 一般有一個陰極和一個陽極，用于氣相沉積的等離子炬多在此基礎上t艮而 來。為了增加炬的功率和擴大沉積面積，進行了多種改進。中國專利93109966. 8、 日本專利07-085992拉長了陰極和陽極間的距離，通過提高弧壓來增大功率，但沉 積面積仍然較小。日本專利06-087689、 06-183886通過一個陰極，三個陽極的結 構來增加功率和面積，前者三個獨立陽^f及在同一個水平面互成120度角布置，后者 三個環(huán)狀陽極和陰極同軸布置，在軸向上錯開距離，而美國專利5008511則展示了 一種三陰極， 一個共同陽極的結構來增大功率。此類炬結構復雜，制造困難。中國 專利92115318. X和本發(fā)明的形式較為接近，但該炬工作時反復起弧，等離子流波 動較大，并且該炬也未涉及面積和均勻性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于化學氣相沉積的等離子炬，其結構簡單，利用該等 離子炬，能在保持較高功率的同時，產生一個較大面積、可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作 的等離子體環(huán)境，提高產品的質量和產量。本發(fā)明可廣泛適用于化學氣相沉積法制造 某物質或材料，特別是用于制造人造金剛石。
本發(fā)明的主要技術方案是 一種用于化學氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸 上的中心陰極、與該中心陰極同軸的一個管狀陽極，該中心陰極和管狀陽極分別連接 直流電源的負極和正極，其特征在于在該中心陰極和管狀陽極之間至少設有一個管狀 輔助電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個極間設有進氣結構，其中至少有一個進 氣結構中具有能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構。以保證氣體進入炬腔體 后，可以形成以炬對稱軸為軸線的旋轉氣流。
所述的進氣結構可為下面為多孔形出口的中空夾層式絕緣套，或由管狀輔助電
極和絕緣套構成的中空夾層式套，中間為筒狀進氣腔，其上設有進氣管。也可為多管 進入等其他結構形式。
所迷的能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的較佳結構為筒狀進氣腔的下端設
有切線方向的噴口，筒狀進氣腔的下端口為封閉式或其上i殳有向下噴口，以^使氣流更
加穩(wěn)定旋轉。
所述的能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構也可以是筒狀進氣腔的上端 設有沿切線方向且向下傾斜的進氣口，筒狀進氣腔的下端開》t，氣體進入筒狀進氣腔 后噴出時也可使氣流形成旋轉狀態(tài)。
所述的管狀陽極和管狀輔助電極中可設有流水冷卻結構。
3所迷的中心陰極較佳結構為棒狀或管狀陰極固定于筒形陰極座的下方，筒形陰 極座中設有流水冷卻結構。
所迷的管狀陽極的下沿低于管狀輔助電極的下沿為佳。
為進一步提高工作的穩(wěn)定性，可在所述的管狀陽極的外面設有磁場線圈或永久磁鐵。
所述的進氣結構中進入氣體的成分為靠近中心陰極進氣結構的進入氣體為惰性 氣體，其余進氣結構的進入氣體為氫氣、惰性氣體和反應物氣體中的某一種氣體或某 幾種氣體的混合氣體。
本發(fā)明的積極效果是與已有技術對比，很好地解決了現有技術中長期存在的人 們一直想解決而又一直未能解決的沉積面積小、工作時間短、等離子流不穩(wěn)定、產品 質量差、效率低等問題，其結構簡單，能在保持較高功率的同時，產生一個較大面積、 可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作的等離子體環(huán)境，提高產品的質量和產量。本發(fā)明可廣泛 適用于化學氣相沉積法制造某物質或材料，特別是用于制造人造金剛石。具有較高的 經濟效益和社會效益。
以下結合附圖及實施例作詳迷，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖l是本發(fā)明炬的結構原理圖。
圖2是本發(fā)明用于化學氣相沉積金剛石的實施例1的結構示意圖。 圖3是本發(fā)明用于金剛石薄膜涂層實施例2的結構示意圖。
圖4是本發(fā)明中的進氣結構筒狀進氣腔一個實施例的結構示意圖，其中圖A為主 視圖，圖B為圖A的俯視圖。
圖1-圖4中，1.(中心)陰極，101.棒狀陰極，102.管狀陰極，2、 3、 4.(管 狀)輔助電極，5.(管狀)陽極，6.進水口， 7.出水口， 8、 9、 10.(混合氣)進氣口， 11.(惰性氣體)進氣口， 12、 13、 14、 15.絕緣結構(例如絕緣套)，16.陽極引線， 17.陰極引線，18J茲場線圈，19.真空室壁，20.襯底，21.筒狀進氣腔，22.垂直出氣 孔，23.切向出氣孔。
具體實施例方式
參見圖1、圖4，該用于化學氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸上的中心陰極 1、與該中心陰極l同軸的一個管狀陽極5，該中心陰極1和管狀陽極5分別連接直 流電源的負極和正極，在該中心陰極l和管狀陽極5之間設有管狀輔助電極2、 3、 4, 各極間由絕緣材料隔離并為密封式結構，極間設有進氣結構，其中至少有一個進氣結 構具有能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構，以保證氣體進入炬腔體后，可以 形成以炬對稱軸為軸線的旋轉氣流。進氣結構為下面為多孔形出口的中空夾層式絕 緣套或由管狀輔助電極2、 3、 4和絕緣套構成的中空夾層式套，其上設有進氣管，中 間為筒狀進氣腔。氣體進入筒狀進氣腔后，沿絕緣套圓周切線方向的小孔和垂直方向 小孔噴入等離子炬，可使氣流穩(wěn)定旋轉。管狀陽極5和管狀輔助電極2、 3、 4中均設 有流水冷卻結構。中心陰極l結構為棒狀陰極固定于筒形陰極座的下方，筒形陰極 座中設有流水冷卻結構(中心陰極也可為管狀)。管狀輔助電極2、 3、 4的下沿依次 低下，均高于管狀陽極5的下沿。在管狀陽極5的外面設有磁場線圈18或永久磁鐵。 靠近中心陰板l的進氣結構11為惰性氣體進入腔，其他的進氣結構為氫氣、惰性氣體和反應物氣體的混合氣體進入腔。當電弧在陰極和陽極之間燃燒時，由于旋轉氣流 和線圈18磁場的作用，電弧的陽極斑點將被固定在陽極的最下端，并且在陽極內表 面高速旋轉，從而產生一個大面積的、可以連續(xù)穩(wěn)定工作的等離子弧幕。本發(fā)明中輔助陽極的數量可以根據需要設置。陰極、輔助電極、陽極的下沿在軸 向上可以布置在一個平面上，也可以上下錯開布置，它們由進水口 6和出水口 7通過 冷卻水進行強制冷卻，三者之間由絕緣結構(絕緣套)12、 13、 14、 15實現絕緣和 密封。只有陰極1和陽極4分別接至直流電源的負極和正極。陰極是空心管狀或實心 桿狀的，由某種非金屬材料如石墨或高熔點的金屬材料如鴒、鉭等制作，輔助電極和 陽極由一種金屬材料制作，通常選擇銅。磁場線圏18由某種絕緣材料如尼龍制作骨 架，在骨架上纏繞多圏的導線。在線圈18中通過電流，在等離子區(qū)形成軸向的^P茲場， 即可以影響電弧的穩(wěn)定、形狀和分布。等離子炬的出口一般處于真空室中，通過位于 絕緣結構(絕緣套)12、 13、 14、 15上的進氣口 11、 10、 9、 8以適當的方式和流量 向炬中加入氣體。工作過程如下由進氣口 11通入惰性氣體，通常為氬氣，由進氣口 8、 9、 10 通入由氫氣、惰性氣體和反應物源氣體按一定比例混合的氣體，其中的一部分氣體由 絕緣套的切線方向進入等離子炬，使炬中形成旋轉的氣流。當真空室壓力達到合適值 時，在陰極l和陽極4之間加直流電壓，磁場線圈5通合適電流，然后在陰極和陽極 之間疊加高頻高壓，依次擊穿陰極-輔助電極-陽極間的氣隙，最后在陰極和陽極之 間形成電弧。電弧陽極斑點在氣流向下方向分量的作用下，固定在陽極最下端，在氣 流圓周方向分量作用下，在陽極內表面高速旋轉，形成一道電弧幕墻。通過幕墻的氣 流被電弧加熱后離解，噴出陽極4，淬滅于布置在陽極正下方的襯底上，即可形成沉 積物。適當調整氣體的流量、混合比例、磁場線圈的電流，輔助陽極的位置和數量等， 可以使電弧的穩(wěn)定性和生成物的均勻性等達到更好或最佳。圖2是本專利應用于化學氣相沉積金剛石領域的 一個實例。標號同上。陰極1 由鑲嵌于筒形陰極座(或銅座)上的鴒桿制做，輔助電極2、陽極5、磁場線圈18、 絕緣結構(絕緣套)12、 13、陰極同軸布置，并且在軸向上陰極內縮于輔助電極和陽 極。所有部件之間通過螺釘連接，由O形團實現良好的密封。整個等離子炬固定在真 空室壁19上，等離子流噴射于襯底20,在襯底上生成金剛石。通過進水管6和出水 管7為各部件提供強制的水冷。由進氣口ll送入氬氣，流量為2SLM,由進氣口 10 送入氫氣、氬氣和曱烷的混合氣體，比例為4: 1: 0.01，采用圖4所示的進氣結構， 流量為85SLM，真空室壓力4Kpa, ^磁場線圈的電流為1. 5 A ,電《瓜引燃后，電壓96V， 電流140A,。可連續(xù)穩(wěn)定的運行30小時以上，在直徑60的面積上均勻沉積出多晶 金剛石，厚度不均勻性小于15%,生長速率約20jam/h。圖3是另一個應用于金剛石薄膜涂層的實例。標號同上。此炬有3個輔助電極， 陽極噴口直徑①300mra,由進氣口10送入氬氣，流量3SLM,混合氣體比例為氬氣 氫氣甲烷-l: 2: 0.01;從進氣口 9送入的混合氣體流量6SLM,從進氣口10送入 的混合氣體流量為3SLM。進氣結構如圖4。工作電壓120V,電流"OA,真空室壓力 lKpa時，在①240mm的工件村底生長出均勻的薄膜涂層，生長速率0. 5 - 1 nm/h。利用該種結構炬已試驗制備出小60mm、 4) 100mm、小120mm的多晶金剛石自支撐 膜和d)180mm、 (j)240mm的多晶金剛石薄膜涂層。效果很好。權利要求
1、一種用于化學氣相沉積的等離子炬，包括處于中心軸上的中心陰極(1)、與該中心陰極(1)同軸的一個管狀陽極(5)，該中心陰極(1)和管狀陽極(5)分別連接直流電源的負極和正極，其特征在于在該中心陰極(1)和管狀陽極(5)之間至少設有一個管狀輔助電極(2、3、4)，各極間由絕緣材料隔離，至少3個極間設有進氣結構，其中至少有一個進氣結構中具有能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構。
2、 根據權利要求l所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的進 氣結構為下面為多孔形出口的中空夾層式絕緣套，或由管狀輔助電極(2、 3、 4)和 絕緣套構成的中空夾層式套，中間為筒狀進氣腔，其上設有進氣管。
3、 根據權利要求2所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的能 使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構為簡狀進氣腔的下端設有切線方向的噴 口，簡狀進氣腔的下端口為封閉式或其上設有向下噴口。
4、 根據權利要求l所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的管 狀陽極(5)和管狀輔助電極(2、 3、 4)中均設有流水冷卻結構。
5、 根據權利要求l所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的中 心陰極(l)結構為棒狀或管狀陰極固定于簡形陰極座的下方，筒形陰極座中設有流 水冷卻結構。
6、 根據權利要求l所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的管 狀陽極(5)的下沿低于管狀輔助電極(2、 3、' 4)的下沿。
7、 根據權利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其 特征在于在管狀陽極(5)的外面設有磁場線圏(18)或永久磁鐵。
8、 根據權利要求7所述的用于化學氣相沉積的等離子炬，其特征在于所述的進 氣結構中進入氣體的成分為靠近中心陰極進氣結構的進入氣體為惰性氣體，其余進 氣結構的進入氣體為氫氣、惰性氣體和反應物氣體中的某一種氣體或某幾種氣體的混 合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于化學氣相沉積的等離子炬，涉及用于化學氣相沉積的電弧等離子炬技術領域。包括處于中心軸上的中心陰極、與該中心陰極同軸的一個管狀陽極，該中心陰極和管狀陽極分別連接直流電源的負極和正極，該中心陰極和管狀陽極之間至少設有一個管狀輔助電極，各極間由絕緣材料隔離，至少三個極間設有進氣結構，其中至少有一個進氣結構中具有能使氣體進入炬腔體后形成旋轉氣流的結構。本發(fā)明結構簡單，能在保持較高功率的同時，產生一個較大面積、可以長時間連續(xù)、穩(wěn)定工作的等離子體環(huán)境，提高產品的質量和產量。應用廣泛，特別適用于制造人造金剛石。
文檔編號C23C16/50GK101660144SQ200910075519
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者何奇宇, 龍 姜, 孫振路, 張永貴, 李國華, 王志娜, 輝 郭, 亮 高 申請人:河北普萊斯曼金剛石科技有限公司