专利名称：一种用于直流弧光放电pcvd金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于等离子体化学气相沉积的基底托架装置，具体涉及一种用于直 流弧光放电等离子体化学气相金刚石薄膜沉积的水冷基底托架装置。
二背景技术：
金刚石集众多优越的物理化学性能于一身，被誉为二十一世纪的新材料而得到广泛重视，
目前金刚石的制备方法主要有高温高压法、化学气相法。化学气相法(CVD)制备的为多晶 金刚石，非常适合作为超硬耐磨涂层、光学窗口、电子散热块以及掺杂半导体、传感器而得 到广泛的应用，其市场潜力极大。目前，制备CVD金刚石薄膜的方法主要有热丝法、微波法、
直流弧光放电法等。
虽然CVD金刚石薄膜的制备方法不同，但是在金刚石薄膜的制备中，却有其共性，如
适合金刚石薄膜沉积的基底温度；需要金刚石生长所需的碳源前驱物；需要有原子氢、氧来 刻蚀金刚石薄膜生长过程中的非晶碳；需要足够的能量来分解、活化碳源气体来提供金刚石 薄膜织构生长所需的碳氢基团等等。从而，对于任何一种CVD金刚石薄膜的生长方法，反应 气氛、反应压力及基底温度都是非常关键的生长因素，尤其是温度条件，在CVD的工艺参数 中扮演着重要的作用，它影响着金刚石薄膜的形貌、织构及品质，适合金刚石薄膜沉积的基 底温度为700—900°C。
在化学气相金刚石薄膜的制备过程中，提供碳源气体分解、活化所需能量的方式主要为 热解、等离子体，由于它们提供的能量存在较大的差异，从而对应的基底托架装置也明显不 同，如热丝法由于提供的能量较低，基底不但不需要冷却，反而需要通过电阻丝进行加热； 对于微波等离子体法由于采用的微波发生器功率不同，目前采用的基底托架装置分为加热及 冷却两种，但是其托架台只能为石墨或其它不导电材料；对于直流弧光放电等离子体法，由 于其产生的能量较高，基底托架普遍需要冷却。
对于直流弧光放电法等提供高能量的气相化学沉积设备而言，目前，所涉及的基底托架 装置方面的技术难点主要涉及以下4个方面
1、 基底托架的单独冷却
目前，大多数直流弧光放电法采用的基底托架是与反应腔体焊接在一起的，反应腔体温 度的变化会导致基底托架温度的波动，在这种方式下，基底托架的温度难以成为一个独立的 参数，从而只有将基底托架与反应腔体绝热，在基底托架中采用一套独立的冷却水循环系统， 采用解决此问题。
2、 基底托架上下自由度的调节在等离子体化学气相金刚石薄膜沉积中，基底托架至等离子体区的距离是一个重要的参 数，甚至在反应过程中需要对基底托架至等离子体的间距进行调整，从而需要保证基底托架 具有上下移动的自由度。
3、 基底托架的真空、绝缘和密封
在等离子体化学气相金刚石薄膜沉积前，首先需要对反应腔进行预抽真空至10_3Pa以
排除其中的杂质气体，另外沉积过程中要保证基底托架上下移动时不漏气及漏水，再者对于 低成核基底材料，需要对基底加入偏压，从而基底托架与反应腔体需要具有良好的绝缘性。
4、 基底托架中温度传感器的设置
目前在等离子体化学气相金刚石薄膜沉积设备中，大多釆用玻璃转子流量计作为执行机 构的开环控制方式，其仅仅只能维持进水流量的恒定，当气体流量、等离子源以及水温季节 变化时，基底温度会发生较大的变化，从而不能保证基底温度的恒定，在调节工艺参数时会 产生了多个变量，如果要对基底温度进行精确控温，就需要对基底温度进行实时测量，转而 采用闭环控制方式对其恒温，从而在基底托架中设置热电偶，对于今后采用温控及计算机精 确控温提供传感器至关重要。
鉴于上述基底托架装置在气相金刚石薄膜方面沉积过程中的技术难点，我们在保证等离 子体化学气相金刚石薄膜沉积工艺条件的基础上，研究出了一种用于直流弧光放电PCVD金刚 石薄膜制备的水冷基底托架装置。
三、发明内容
本实用新型目的是，提供一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托 架装置，真空、绝缘、水冷性能好，操作方便，结构简单，可有效的解决直流弧光放电等离 子体化学气相金刚石薄膜制备过程中基底托架冷却、真空、绝缘、升降等难点问题。
本实用新型采用如下的技术方案实现1、使用聚砜法兰装配水冷基底托架装置；2、使 用水冷套管、热电偶套管、水箱连接件组成独立的基底托架装置冷却水循环系统；3、为今后 的精确控温，在基底托架装置中设置热电偶温度传感器。
根据以上技术方案，如图1、 3所示，本发明涉及一种用于直流弧光放电PCVD金刚石 薄膜制备的水冷基底托架装置，它包括有"T"型基底托架(2)、锁紧螺母(6)、水箱连接件
(7)、水嘴(8)、铠装热电偶(9)、锁紧件(10)、 "0"型密封圈(12)，冷却水套管(13)、 热电偶套管(14)、石英件(15)，并通过不锈钢真空法兰(3)、聚砜法兰(4)、不锈钢压片
(5)、锁紧螺母(6—1)、锁紧螺栓(11)、 "0"型密封圈(12—1)与反应腔(2)装配，其 特征在于反应腔(1)底部中心位置由氩弧焊焊接有不锈钢真空法兰(3)，聚砜法兰(4) 由"0"型密封圈(14—1)、不锈钢压片(5)、锁紧螺栓(11)固定在不锈钢真空法兰(3) 中；通过"0"型密封圈(12—2)、锁紧螺母(6_1)使其固定在聚砜法兰(4)中，并可以 通过调整锁紧螺母(6—1)松紧程度实现上下移动、旋转。本实用新型与现有技术相比具有以下优点和效果
1、 使用聚砜法兰装配水冷基底托架装置以解决绝缘、真空密封、移动问题。
2、 使用水冷套管、热电偶套管、水箱连接件组成独立的基底托架装置冷却水循环系统， 使其与反应腔体的循环系统隔离，从而基底温度成为一个独立的参数。
3、在基底托架装置中设置热电偶，对基底温度进行间接测量，为今后测、控温系统升级 提供温度传感器。
4、基底水冷托架装置同时具有绝缘、真空密封、冷却水密封，安装、拆卸操作性能好的优点。
四
图1为一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置与反应腔体的 装配图。
图2为一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的基底自动恒温装置中基底托架装 置的装配图。
图3为一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置中绝缘、真空 密封法兰的零件图。
图4为一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置中水箱连接件 的装配图。
图中L "t"型基底托架，2.反应腔体，3.不锈钢真空法兰，4.聚砜法兰，5.不锈 钢压片，6.锁紧螺母，7.水箱连接件，8.水嘴，9.铠装热电偶，IO.锁紧件，ll.锁紧螺栓，12. "0"型密封圈，13.冷却水套管，14.热电偶套管，15.石英玻璃件。
五具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述
如图1、 3所示， 一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置， 是通过不锈钢真空法兰(3)、聚砜法兰(4)、不锈钢压片(5)、锁紧螺母(6)、锁紧螺栓(11)、 "0"型密封圈(12)与反应腔(1)进行装配的，首先，通过氩弧焊将不锈钢真空法兰(3) 焊接在反应腔(1)底部中心位置，其次通过"0"型密封圈(12 — 1)、不锈钢压片(5)、 锁紧螺栓(11)将聚砜法兰(4)固定在不锈钢真空法兰(3)中，然后通过"0"型密封圈 (12—2)、锁紧螺母(6—1)使其固定在聚砜法兰(4)中，并可以通过调整锁紧螺母(6—1) 松紧程度实现上下移动、旋转。
如图2、 4所示， 一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置， 它包括有"T"型基底托架(2)、锁紧螺母(6)、水箱连接件(7)、水嘴(8)、铠装热电偶(9)、 锁紧件(10)、 "0"型密封圈(12)，冷却水套管(13)、热电偶套管(14)、石英玻璃件(15),水箱连接件(7)由上部组件(7—1)与下部组件(7_2)通过氩弧焊焊接而成，水箱连接件 (7—1)外侧左端通过螺纹、"0"型密封圈(12—4)与进水嘴(8—2)连接，水箱连接件 (7—2)外侧右端通过螺纹、"0"型密封圈(12—5)与出水嘴(8 — 1)连接。
如图2所示，"T"型基底托架(2)顶部背面、水箱连接件组件(7—1)上端内部中心
位置分别通过氩弧焊焊接有热电偶套管(14)、冷却水套管(13)，两者通过螺纹、"0"型密
封圈(12—3)连接形成水循环空间，冷却水由进水嘴(8—2)进入，注满"T"型基底托架 (2)、冷却水套管(13)间空隙后，沿冷却水套管(13)、热电偶套管(14)间空隙流入水箱
连接件(7—2)后经出水嘴(8 — 1)排出，实现对"T"型基底托架(2)顶部样品的冷却。 如图2所示，水箱连接件(7—2)下端通过螺纹、"0"型密封圈(12—6)与锁紧螺母 (6—2)对此处热电偶套管(14)进行固定及冷却水密封，热电偶套管(14)下端通过螺纹
与锁紧件(10)连接，锁紧螺母(6_2)通过螺纹、"0"型密封圈(12—7)与锁紧件(10)
连接，并使铠装热电偶(9)顶部紧贴在"T"型基底托架(2)顶部背面，铠装热电偶(9)
可对"T"型基底托架(2)表面温度进行间接测量。
如图1、 2、 3、 4所示，"T"型基底托架(2)在反应腔(1)中的部分套有石英玻璃件 (15)用于与等离子体绝缘，聚砜法兰(4)使其与反应腔体(2)绝缘，"T"型基底托架(2)、 水箱连接件(7)、冷却水套管(13)、不锈钢真空法兰(3)、热电偶套管(14)其材质均为 1Crl8Ni， "0"型密封圈(12)材质均为氟橡胶，"0"型密封圈(12—1)、 (12—2)用于 真空密封，"0"型密封圈(12—3)、 (12—4)、 (12_5)、 (12—6)用于冷却水密封，"0"型 密封圈(12—2)、 (12_6)、 (14一7)具有锁紧部件的作用。
权利要求1、一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托架装置，它包括有“T”型基底托架(2)、锁紧螺母(6)、水箱连接件(7)、水嘴(8)、铠装热电偶(9)、锁紧件(10)、“O”型密封圈(12)，冷却水套管(13)、热电偶套管(14)、石英件(15)，并通过不锈钢真空法兰(3)、聚砜法兰(4)、不锈钢压片(5)、锁紧螺母(6-1)、锁紧螺栓(11)、“O”型密封圈(12-1)与反应腔(2)装配，其特征在于反应腔(1)底部中心位置由氩弧焊焊接有不锈钢真空法兰(3)，聚砜法兰(4)由“O”型密封圈(14-1)、不锈钢压片(5)、锁紧螺栓(11)固定在不锈钢真空法兰(3)中；通过“O”型密封圈(12-2)、锁紧螺母(6-1)使其固定在聚砜法兰(4)中，并可以通过调整锁紧螺母(6-1)松紧程度实现上下移动、旋转。
2、 根据权利要求1所述的一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托 架装置，其特征在于"T"型基底托架(2)顶部背面中心部位通过氩弧焊焊接有热电偶套管(14)， "T"型基底托架(2)下端通过螺纹、"0"型密封圈(12 — 3)与水箱连接件上部组 件(7—1)上端连接。
3、 根据权利要求1所述的一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托 架装置，其特征在于水箱连接件(7)由上部组件(7 — 1)与下部组件(7—2)通过氩弧焊 焊接而成，水箱连接件(7—1)上端底部中心处通过氩弧焊焊接有分别通过冷却水套管(13)， 水箱连接件(7—1)外侧左端通过螺纹、"0"型密封圈(12—4)与进水嘴(8—2)连接， 水箱连接件(7—2)外侧右端通过螺纹、"O"型密封圈(12—5)与出水嘴(8 — 1)连接。
4、 根据权利要求1所述的一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托 架装置，其特征在于水箱连接件(7—2)下端通过螺纹、"O"型密封圈(12—6)与锁紧 螺母(6—2)对此处热电偶套管(14)进行固定及冷却水密封，热电偶套管(14)下端通过 螺纹与锁紧件(10)连接，锁紧螺母(6—2)通过螺纹、"0"型密封圈(12—7)与锁紧件(10)连接，并使铠装热电偶(9)顶部紧贴在"T"型基底托架(2)顶部背面，铠装热电偶 (9)可对"T"型基底托架(2)表面温度进行间接测量。
5、 根据权利要求1所述的一种用于直流弧光放电PCVD金刚石薄膜制备的水冷基底托 架装置，其特征在于"T"型基底托架(2)在反应腔(1)中的部分套有石英玻璃件(15) 用于与等离子体绝缘，聚砜法兰(4)使其与反应腔体(2)绝缘，"O"型密封圈(14)材质 均为氟橡胶，"T"型基底托架(2)、水箱连接件(7)、冷却水套管(13)、不锈钢真空法兰(3)、 热电偶套管(14)其材质均为1Crl8Ni。
专利摘要本实用新型涉及一种用于直流弧光放电等离子体化学气相金刚石薄膜沉积的水冷基底托架装置，它由不锈钢真空法兰、聚砜法兰、“T”型基底托架、水箱连接件、冷却水套管、热电偶套管、热电偶、水嘴、锁紧螺母组成，其特征在于“T”型基底托架背面、水箱连接件中心部位分别焊接有热电偶套管、冷却水套管，两者由螺纹连接后形成水循环空间，“T”型基底托架通过聚砜法兰与反应腔体绝缘，并可上下移动、旋转，托架表面温度由热电偶测量，所有部件均可灵活拆卸，真空、水冷性能好，并采用在此装置制备出高品质的金刚石薄膜。
文档编号C23C16/27GK201309963SQ200820140648
公开日2009年9月16日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者张湘辉, 灵 汪, 龙剑平 申请人:成都理工大学