专利名称：用于化学气相沉积的等离子炬的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于化学气相沉积的电弧等离子炬技术领域。
背景技术：
等离子炬是一种产生等离子体的装置，根据原理的不同，可以分为射频等离子 炬和电弧等离子炬两种。本发明属于电弧等离子炬。电弧等离子炬最早用于切割和 喷涂， 一般有一个阴极和一个阳极，用于气相沉积的等离子炬多在此基础上t艮而 来。为了增加炬的功率和扩大沉积面积，进行了多种改进。中国专利93109966. 8、 日本专利07-085992拉长了阴极和阳极间的距离，通过提高弧压来增大功率，但沉 积面积仍然较小。日本专利06-087689、 06-183886通过一个阴极，三个阳极的结 构来增加功率和面积，前者三个独立阳^f及在同一个水平面互成120度角布置，后者 三个环状阳极和阴极同轴布置，在轴向上错开距离，而美国专利5008511则展示了 一种三阴极， 一个共同阳极的结构来增大功率。此类炬结构复杂，制造困难。中国 专利92115318. X和本发明的形式较为接近，但该炬工作时反复起弧，等离子流波 动较大，并且该炬也未涉及面积和均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于化学气相沉积的等离子炬，其结构简单，利用该等 离子炬，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、可以长时间连续、稳定工作 的等离子体环境，提高产品的质量和产量。本发明可广泛适用于化学气相沉积法制造 某物质或材料，特别是用于制造人造金刚石。
本发明的主要技术方案是 一种用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴 上的中心阴极、与该中心阴极同轴的一个管状阳极，该中心阴极和管状阳极分别连接 直流电源的负极和正极，其特征在于在该中心阴极和管状阳极之间至少设有一个管状 辅助电极，各极间由绝缘材料隔离，至少三个极间设有进气结构，其中至少有一个进 气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。以保证气体进入炬腔体 后，可以形成以炬对称轴为轴线的旋转气流。
所述的进气结构可为下面为多孔形出口的中空夹层式绝缘套，或由管状辅助电
极和绝缘套构成的中空夹层式套，中间为筒状进气腔，其上设有进气管。也可为多管 进入等其他结构形式。
所迷的能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的较佳结构为筒状进气腔的下端设
有切线方向的喷口，筒状进气腔的下端口为封闭式或其上i殳有向下喷口，以^使气流更
加稳定旋转。
所述的能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构也可以是筒状进气腔的上端 设有沿切线方向且向下倾斜的进气口，筒状进气腔的下端开》t，气体进入筒状进气腔 后喷出时也可使气流形成旋转状态。
所述的管状阳极和管状辅助电极中可设有流水冷却结构。
3所迷的中心阴极较佳结构为棒状或管状阴极固定于筒形阴极座的下方，筒形阴 极座中设有流水冷却结构。
所迷的管状阳极的下沿低于管状辅助电极的下沿为佳。
为进一步提高工作的稳定性，可在所述的管状阳极的外面设有磁场线圈或永久磁铁。
所述的进气结构中进入气体的成分为靠近中心阴极进气结构的进入气体为惰性 气体，其余进气结构的进入气体为氢气、惰性气体和反应物气体中的某一种气体或某 几种气体的混合气体。
本发明的积极效果是与已有技术对比，很好地解决了现有技术中长期存在的人 们一直想解决而又一直未能解决的沉积面积小、工作时间短、等离子流不稳定、产品 质量差、效率低等问题，其结构简单，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、 可以长时间连续、稳定工作的等离子体环境，提高产品的质量和产量。本发明可广泛 适用于化学气相沉积法制造某物质或材料，特别是用于制造人造金刚石。具有较高的 经济效益和社会效益。
以下结合附图及实施例作详迷，但不作为对本发明的限定。
图l是本发明炬的结构原理图。
图2是本发明用于化学气相沉积金刚石的实施例1的结构示意图。 图3是本发明用于金刚石薄膜涂层实施例2的结构示意图。
图4是本发明中的进气结构筒状进气腔一个实施例的结构示意图，其中图A为主 视图，图B为图A的俯视图。
图1-图4中，1.(中心)阴极，101.棒状阴极，102.管状阴极，2、 3、 4.(管 状)辅助电极，5.(管状)阳极，6.进水口， 7.出水口， 8、 9、 10.(混合气)进气口， 11.(惰性气体)进气口， 12、 13、 14、 15.绝缘结构(例如绝缘套)，16.阳极引线， 17.阴极引线，18J兹场线圈，19.真空室壁，20.衬底，21.筒状进气腔，22.垂直出气 孔，23.切向出气孔。
具体实施例方式
参见图1、图4，该用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴上的中心阴极 1、与该中心阴极l同轴的一个管状阳极5，该中心阴极1和管状阳极5分别连接直 流电源的负极和正极，在该中心阴极l和管状阳极5之间设有管状辅助电极2、 3、 4, 各极间由绝缘材料隔离并为密封式结构，极间设有进气结构，其中至少有一个进气结 构具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构，以保证气体进入炬腔体后，可以 形成以炬对称轴为轴线的旋转气流。进气结构为下面为多孔形出口的中空夹层式绝 缘套或由管状辅助电极2、 3、 4和绝缘套构成的中空夹层式套，其上设有进气管，中 间为筒状进气腔。气体进入筒状进气腔后，沿绝缘套圆周切线方向的小孔和垂直方向 小孔喷入等离子炬，可使气流稳定旋转。管状阳极5和管状辅助电极2、 3、 4中均设 有流水冷却结构。中心阴极l结构为棒状阴极固定于筒形阴极座的下方，筒形阴极 座中设有流水冷却结构(中心阴极也可为管状)。管状辅助电极2、 3、 4的下沿依次 低下，均高于管状阳极5的下沿。在管状阳极5的外面设有磁场线圈18或永久磁铁。 靠近中心阴板l的进气结构11为惰性气体进入腔，其他的进气结构为氢气、惰性气体和反应物气体的混合气体进入腔。当电弧在阴极和阳极之间燃烧时，由于旋转气流 和线圈18磁场的作用，电弧的阳极斑点将被固定在阳极的最下端，并且在阳极内表 面高速旋转，从而产生一个大面积的、可以连续稳定工作的等离子弧幕。本发明中辅助阳极的数量可以根据需要设置。阴极、辅助电极、阳极的下沿在轴 向上可以布置在一个平面上，也可以上下错开布置，它们由进水口 6和出水口 7通过 冷却水进行强制冷却，三者之间由绝缘结构(绝缘套)12、 13、 14、 15实现绝缘和 密封。只有阴极1和阳极4分别接至直流电源的负极和正极。阴极是空心管状或实心 杆状的，由某种非金属材料如石墨或高熔点的金属材料如鴒、钽等制作，辅助电极和 阳极由一种金属材料制作，通常选择铜。磁场线圏18由某种绝缘材料如尼龙制作骨 架，在骨架上缠绕多圏的导线。在线圈18中通过电流，在等离子区形成轴向的^P兹场， 即可以影响电弧的稳定、形状和分布。等离子炬的出口一般处于真空室中，通过位于 绝缘结构(绝缘套)12、 13、 14、 15上的进气口 11、 10、 9、 8以适当的方式和流量 向炬中加入气体。工作过程如下由进气口 11通入惰性气体，通常为氩气，由进气口 8、 9、 10 通入由氢气、惰性气体和反应物源气体按一定比例混合的气体，其中的一部分气体由 绝缘套的切线方向进入等离子炬，使炬中形成旋转的气流。当真空室压力达到合适值 时，在阴极l和阳极4之间加直流电压，磁场线圈5通合适电流，然后在阴极和阳极 之间叠加高频高压，依次击穿阴极-辅助电极-阳极间的气隙，最后在阴极和阳极之 间形成电弧。电弧阳极斑点在气流向下方向分量的作用下，固定在阳极最下端，在气 流圆周方向分量作用下，在阳极内表面高速旋转，形成一道电弧幕墙。通过幕墙的气 流被电弧加热后离解，喷出阳极4，淬灭于布置在阳极正下方的衬底上，即可形成沉 积物。适当调整气体的流量、混合比例、磁场线圈的电流，辅助阳极的位置和数量等， 可以使电弧的稳定性和生成物的均匀性等达到更好或最佳。图2是本专利应用于化学气相沉积金刚石领域的 一个实例。标号同上。阴极1 由镶嵌于筒形阴极座(或铜座)上的鴒杆制做，辅助电极2、阳极5、磁场线圈18、 绝缘结构(绝缘套)12、 13、阴极同轴布置，并且在轴向上阴极内缩于辅助电极和阳 极。所有部件之间通过螺钉连接，由O形團实现良好的密封。整个等离子炬固定在真 空室壁19上，等离子流喷射于衬底20,在衬底上生成金刚石。通过进水管6和出水 管7为各部件提供强制的水冷。由进气口ll送入氩气，流量为2SLM,由进气口 10 送入氢气、氩气和曱烷的混合气体，比例为4: 1: 0.01，采用图4所示的进气结构， 流量为85SLM，真空室压力4Kpa, ^磁场线圈的电流为1. 5 A ,电《瓜引燃后，电压96V， 电流140A,。可连续稳定的运行30小时以上，在直径60的面积上均匀沉积出多晶 金刚石，厚度不均匀性小于15%,生长速率约20jam/h。图3是另一个应用于金刚石薄膜涂层的实例。标号同上。此炬有3个辅助电极， 阳极喷口直径①300mra,由进气口10送入氩气，流量3SLM,混合气体比例为氩气 氢气甲烷-l: 2: 0.01;从进气口 9送入的混合气体流量6SLM,从进气口10送入 的混合气体流量为3SLM。进气结构如图4。工作电压120V,电流"OA,真空室压力 lKpa时，在①240mm的工件村底生长出均匀的薄膜涂层，生长速率0. 5 - 1 nm/h。利用该种结构炬已试验制备出小60mm、 4) 100mm、小120mm的多晶金刚石自支撑 膜和d)180mm、 (j)240mm的多晶金刚石薄膜涂层。效果很好。权利要求
1、一种用于化学气相沉积的等离子炬，包括处于中心轴上的中心阴极(1)、与该中心阴极(1)同轴的一个管状阳极(5)，该中心阴极(1)和管状阳极(5)分别连接直流电源的负极和正极，其特征在于在该中心阴极(1)和管状阳极(5)之间至少设有一个管状辅助电极(2、3、4)，各极间由绝缘材料隔离，至少3个极间设有进气结构，其中至少有一个进气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。
2、 根据权利要求l所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的进 气结构为下面为多孔形出口的中空夹层式绝缘套，或由管状辅助电极(2、 3、 4)和 绝缘套构成的中空夹层式套，中间为筒状进气腔，其上设有进气管。
3、 根据权利要求2所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的能 使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构为简状进气腔的下端设有切线方向的喷 口，简状进气腔的下端口为封闭式或其上设有向下喷口。
4、 根据权利要求l所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的管 状阳极(5)和管状辅助电极(2、 3、 4)中均设有流水冷却结构。
5、 根据权利要求l所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的中 心阴极(l)结构为棒状或管状阴极固定于简形阴极座的下方，筒形阴极座中设有流 水冷却结构。
6、 根据权利要求l所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的管 状阳极(5)的下沿低于管状辅助电极(2、 3、' 4)的下沿。
7、 根据权利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其 特征在于在管状阳极(5)的外面设有磁场线圏(18)或永久磁铁。
8、 根据权利要求7所述的用于化学气相沉积的等离子炬，其特征在于所述的进 气结构中进入气体的成分为靠近中心阴极进气结构的进入气体为惰性气体，其余进 气结构的进入气体为氢气、惰性气体和反应物气体中的某一种气体或某几种气体的混 合气体。
全文摘要
本发明提供了一种用于化学气相沉积的等离子炬，涉及用于化学气相沉积的电弧等离子炬技术领域。包括处于中心轴上的中心阴极、与该中心阴极同轴的一个管状阳极，该中心阴极和管状阳极分别连接直流电源的负极和正极，该中心阴极和管状阳极之间至少设有一个管状辅助电极，各极间由绝缘材料隔离，至少三个极间设有进气结构，其中至少有一个进气结构中具有能使气体进入炬腔体后形成旋转气流的结构。本发明结构简单，能在保持较高功率的同时，产生一个较大面积、可以长时间连续、稳定工作的等离子体环境，提高产品的质量和产量。应用广泛，特别适用于制造人造金刚石。
文档编号C23C16/50GK101660144SQ200910075519
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者何奇宇, 龙 姜, 孙振路, 张永贵, 李国华, 王志娜, 辉 郭, 亮 高 申请人:河北普莱斯曼金刚石科技有限公司