一种带有加速筒的金刚石膜制备装置的制作方法

本实用新型涉及金刚石膜的制备技术，具体是一种带有加速筒的金刚石膜制备装置。

背景技术：

金刚石膜是一种集各种优异性能于一身的功能材料，其广泛应用于微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等领域。目前，大面积制备金刚石膜的主要方法之一是热丝化学气相沉积法。然而实践表明，采用热丝化学气相沉积法大面积制备金刚石膜时，存在如下问题：由于等离子体气流在基片的径向上存在不均匀性，且等离子体和基片之间的相对速度较低，导致金刚石膜的沉积厚度在径向上不均匀、沉积速度受限，由此导致金刚石膜的制备质量和速度受限。基于此，有必要发明一种全新的制备技术，以解决采用热丝化学气相沉积法大面积制备金刚石膜时制备质量和速度受限的问题。

技术实现要素：

本实用新型为了解决采用热丝化学气相沉积法大面积制备金刚石膜时制备质量和速度受限的问题，提供了一种带有加速筒的金刚石膜制备装置。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种带有加速筒的金刚石膜制备装置，包括圆筒形反应室、外层水管、圆饼形载台、内层水管、径向支撑杆、圆饼形水冷腔、驱动电机、驱动齿轮、l形支撑杆、导电触头、热丝阵列、圆形加速筒、径向安装杆、下圆形导电加速栅网、上圆形导电加速栅网、下圆形大导电栅网、上圆形大导电栅网、喇叭形导气罩、u形导气管、下圆形小导电栅网、上圆形小导电栅网、放电针、接地针、抽气孔、矩形窗孔、第一至第九电源；

圆筒形反应室的下端和上端均设有端壁；圆筒形反应室的下端壁中央贯通开设有下装配孔；圆筒形反应室的上端壁贯通开设有两个左右对称的上装配孔；外层水管的外侧面下端与下装配孔的孔壁固定配合；圆饼形载台为空心结构，且圆饼形载台的下端壁中央贯通开设有出水孔；圆饼形载台的下外端面内边缘转动支撑于外层水管的上端面，且圆饼形载台的下外端面内边缘与外层水管的上端面之间设有迷宫密封；圆饼形载台的下外端面延伸设置有圆筒形凸台，且圆筒形凸台的轴线与圆饼形载台的轴线重合；圆筒形凸台的内侧面与外层水管的外侧面之间留有距离；圆筒形凸台的外侧面下端设有驱动外轮齿；内层水管穿设于外层水管的内腔，且内层水管的轴线与外层水管的轴线重合；内层水管的外侧面与外层水管的内侧面之间留有出水间隙；内层水管的下端面与外层水管的下端面齐平；内层水管的上端面超出圆饼形载台的下内端面；径向支撑杆的数目为多根；各根径向支撑杆的内端面均与内层水管的外侧面固定；各根径向支撑杆的外端面均与外层水管的内侧面固定；各根径向支撑杆沿周向等距排列；圆饼形水冷腔位于圆饼形载台的内腔；圆饼形水冷腔的下外端面与圆饼形载台的下内端面之间、圆饼形水冷腔的上外端面与圆饼形载台的上内端面之间、圆饼形水冷腔的外侧面与圆饼形载台的内侧面之间均留有冷却间隙；圆饼形水冷腔的下端壁中央贯通开设有进水孔；圆饼形水冷腔的上端壁贯通开设有多个喷水孔；圆饼形水冷腔的下外端面内边缘固定支撑于内层水管的上端面；驱动电机安装于圆筒形反应室的下内端面，且驱动电机的输出轴朝上；驱动齿轮固定装配于驱动电机的输出轴上，且驱动齿轮与驱动外轮齿啮合；l形支撑杆的水平段垂直固定于圆筒形反应室的内侧面，且l形支撑杆的竖直段朝下；导电触头安装于l形支撑杆的竖直段下端，且导电触头与圆筒形凸台的外侧面接触；热丝阵列水平安装于圆筒形反应室的内腔，且热丝阵列位于圆饼形载台的上方；圆形加速筒位于热丝阵列的上方，且圆形加速筒的轴线与圆饼形载台的轴线平行；圆形加速筒的外径小于圆饼形载台的外径；径向安装杆的内端面与圆形加速筒的外侧面固定；径向安装杆的外端面与圆筒形反应室的内侧面固定；下圆形导电加速栅网的侧面与圆形加速筒的内侧面下部固定配合；上圆形导电加速栅网的侧面与圆形加速筒的内侧面上部固定配合；

下圆形大导电栅网的侧面与圆筒形反应室的内侧面固定配合，且下圆形大导电栅网位于圆形加速筒的上方；上圆形大导电栅网的侧面与圆筒形反应室的内侧面固定配合，且上圆形大导电栅网位于下圆形大导电栅网的上方；喇叭形导气罩的细端朝上、粗端朝下；喇叭形导气罩的下端敞口边沿与圆筒形反应室的内侧面密封固定，且喇叭形导气罩位于上圆形大导电栅网的上方；u形导气管的两个侧边分别固定贯穿两个上装配孔，且u形导气管的两个管口均朝上；u形导气管的底边中央贯通开设有朝下的导气孔，且导气孔与喇叭形导气罩的上端敞口密封连通；下圆形小导电栅网的侧面与u形导气管的左侧边内侧面固定配合；上圆形小导电栅网的侧面与u形导气管的左侧边内侧面固定配合，且上圆形小导电栅网位于下圆形小导电栅网的上方；放电针的数目为多根；各根放电针均垂直固定于上圆形小导电栅网的下端面；接地针的数目为两排；每排接地针均包括多根接地针；两排接地针相互正对地垂直固定于u形导气管的左侧边内侧面，且两排接地针均位于上圆形小导电栅网的上方；抽气孔贯通开设于圆筒形反应室的侧壁，且抽气孔位于圆饼形载台的下方；矩形窗孔贯通开设于圆筒形反应室的侧壁；矩形窗孔的上孔壁高于热丝阵列；矩形窗孔的下孔壁与圆饼形载台的上外端面齐平；矩形窗孔上安装有矩形透明窗门；

第一电源的两极分别与驱动电机的两个电源端连接；第二电源的两极分别与热丝阵列的两个电源端连接；第三至第九电源均为直流电源；第三电源的正极与上圆形小导电栅网连接；第三电源的负极、第四电源的正极均与下圆形小导电栅网连接；第四电源的负极、第五电源的正极均与上圆形大导电栅网连接；第五电源的负极、第六电源的正极均与下圆形大导电栅网连接；第六电源的负极、第七电源的正极均与上圆形导电加速栅网连接；第七电源的负极、第八电源的正极均与下圆形导电加速栅网连接；第八电源的负极、第九电源的正极均与热丝阵列的其中一个电源端连接；第九电源的负极与导电触头连接；两排接地针均接地。

具体工作过程如下：首先，将内层水管的下端管口与水泵连通，将出水间隙的下端与水箱连通，将u形导气管的左管口通过管道与含碳气体钢瓶连通，将u形导气管的右管口通过管道与辅助气体钢瓶连通，将抽气孔与真空泵连通；然后，打开矩形透明窗门，并透过矩形窗孔将基片放置在圆饼形载台的上外端面，然后关闭矩形透明窗门；然后，利用真空泵对圆筒形反应室进行抽真空；然后，启动第二电源，第二电源向热丝阵列持续供电，使得热丝阵列开始工作；然后，启动水泵，水泵将冷却水持续泵送至内层水管，冷却水经进水孔持续流入圆饼形水冷腔，并经各个喷水孔持续喷入冷却间隙，然后依次经出水孔、出水间隙持续排入水箱；在流经冷却间隙时，冷却水与圆饼形载台进行热交换，由此对圆饼形载台进行冷却；然后，启动第一电源，第一电源向驱动电机持续供电，驱动电机依次通过驱动齿轮、圆筒形凸台驱动圆饼形载台进行持续旋转；然后，分别启动第三至第九电源；第三电源在上圆形小导电栅网和下圆形小导电栅网之间施加直流电压，使得上圆形小导电栅网和下圆形小导电栅网之间形成第一加速电场，同时使得各根放电针进行尖端放电；第四电源在下圆形小导电栅网和上圆形大导电栅网之间施加直流电压，使得下圆形小导电栅网和上圆形大导电栅网之间形成第二加速电场；第五电源在上圆形大导电栅网和下圆形大导电栅网之间施加直流电压，使得上圆形大导电栅网和下圆形大导电栅网之间形成第三加速电场；第六电源在下圆形大导电栅网和上圆形导电加速栅网之间施加直流电压，使得下圆形大导电栅网和上圆形导电加速栅网之间形成第四加速电场；第七电源在上圆形导电加速栅网和下圆形导电加速栅网之间施加直流电压，使得上圆形导电加速栅网和下圆形导电加速栅网之间形成第五加速电场；第八电源在下圆形导电加速栅网和热丝阵列之间施加直流电压，使得下圆形导电加速栅网和热丝阵列之间形成第六加速电场；第九电源在热丝阵列和圆饼形载台之间施加直流电压，使得热丝阵列和圆饼形载台之间形成第七加速电场；然后，分别打开含碳气体钢瓶的阀门和辅助气体钢瓶的阀门；含碳气体经u形导气管的左管口导入，并在尖端放电的作用下电离成为带正电含碳气体；辅助气体经u形导气管的右管口导入；在第一加速电场、第二加速电场的共同作用下，带正电含碳气体高速喷向导气孔，并在导气孔上方与辅助气体混合成为带正电混合气体；在第二加速电场、第三加速电场、第四加速电场、第五加速电场、第六加速电场、第七加速电场的共同作用下，带正电混合气体一路依次经导气孔、喇叭形导气罩、上圆形大导电栅网、下圆形大导电栅网、上圆形导电加速栅网、下圆形导电加速栅网以相对较高的速度喷射至热丝阵列，另一路依次经导气孔、喇叭形导气罩、上圆形大导电栅网、下圆形大导电栅网以相对较低的速度喷射至热丝阵列，并在热丝阵列的高温作用下分解成为两路等离子体后喷射至基片的上端面，由此在基片的上端面沉积形成金刚石膜；在喷射过程中，由于两路带正电混合气体及等离子体之间存在喷射速度差，使得二者之间存在压力差，由此使得喷射速度较低的一路带正电混合气体及等离子体向着喷射速度较高的一路带正电混合气体及等离子体进行偏转，从而在基片的上端面沉积形成厚度均匀的金刚石膜；在沉积过程中，利用真空泵对圆筒形反应室进行持续抽气，使得圆筒形反应室内的气压保持稳定。若带正电含碳气体发生回流，则两排接地针能够将回流气体中的正离子导入大地，由此防止回流气体引发爆炸事故。

基于上述过程，与热丝化学气相沉积法相比，本实用新型所述的一种带有加速筒的金刚石膜制备装置通过利用两路带正电混合气体及等离子体之间的喷射速度差和加速电场，一方面使得等离子体气流在基片的径向上变得均匀，另一方面使得等离子体和基片之间的相对速度大幅提高，由此一方面使得金刚石膜的沉积厚度在径向上变得均匀，另一方面使得金刚石膜的沉积速度进一步提高，从而使得金刚石膜的制备质量和速度进一步提高。

本实用新型有效解决了采用热丝化学气相沉积法大面积制备金刚石膜时制备质量和速度受限的问题，适用于金刚石膜的大面积制备。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1-圆筒形反应室，2-外层水管，3-圆饼形载台，4-内层水管，5-径向支撑杆，6-圆饼形水冷腔，7-驱动电机，8-驱动齿轮，9-l形支撑杆，10-导电触头，11-热丝阵列，12-圆形加速筒，13-径向安装杆，14-下圆形导电加速栅网，15-上圆形导电加速栅网，16-下圆形大导电栅网，17-上圆形大导电栅网，18-喇叭形导气罩，19-u形导气管，20-下圆形小导电栅网，21-上圆形小导电栅网，22-放电针，23-接地针，24-抽气孔，25-矩形窗孔。

具体实施方式

一种带有加速筒的金刚石膜制备装置，包括圆筒形反应室1、外层水管2、圆饼形载台3、内层水管4、径向支撑杆5、圆饼形水冷腔6、驱动电机7、驱动齿轮8、l形支撑杆9、导电触头10、热丝阵列11、圆形加速筒12、径向安装杆13、下圆形导电加速栅网14、上圆形导电加速栅网15、下圆形大导电栅网16、上圆形大导电栅网17、喇叭形导气罩18、u形导气管19、下圆形小导电栅网20、上圆形小导电栅网21、放电针22、接地针23、抽气孔24、矩形窗孔25、第一至第九电源；

圆筒形反应室1的下端和上端均设有端壁；圆筒形反应室1的下端壁中央贯通开设有下装配孔；圆筒形反应室1的上端壁贯通开设有两个左右对称的上装配孔；外层水管2的外侧面下端与下装配孔的孔壁固定配合；圆饼形载台3为空心结构，且圆饼形载台3的下端壁中央贯通开设有出水孔；圆饼形载台3的下外端面内边缘转动支撑于外层水管2的上端面，且圆饼形载台3的下外端面内边缘与外层水管2的上端面之间设有迷宫密封；圆饼形载台3的下外端面延伸设置有圆筒形凸台，且圆筒形凸台的轴线与圆饼形载台3的轴线重合；圆筒形凸台的内侧面与外层水管2的外侧面之间留有距离；圆筒形凸台的外侧面下端设有驱动外轮齿；内层水管4穿设于外层水管2的内腔，且内层水管4的轴线与外层水管2的轴线重合；内层水管4的外侧面与外层水管2的内侧面之间留有出水间隙；内层水管4的下端面与外层水管2的下端面齐平；内层水管4的上端面超出圆饼形载台3的下内端面；径向支撑杆5的数目为多根；各根径向支撑杆5的内端面均与内层水管4的外侧面固定；各根径向支撑杆5的外端面均与外层水管2的内侧面固定；各根径向支撑杆5沿周向等距排列；圆饼形水冷腔6位于圆饼形载台3的内腔；圆饼形水冷腔6的下外端面与圆饼形载台3的下内端面之间、圆饼形水冷腔6的上外端面与圆饼形载台3的上内端面之间、圆饼形水冷腔6的外侧面与圆饼形载台3的内侧面之间均留有冷却间隙；圆饼形水冷腔6的下端壁中央贯通开设有进水孔；圆饼形水冷腔6的上端壁贯通开设有多个喷水孔；圆饼形水冷腔6的下外端面内边缘固定支撑于内层水管4的上端面；驱动电机7安装于圆筒形反应室1的下内端面，且驱动电机7的输出轴朝上；驱动齿轮8固定装配于驱动电机7的输出轴上，且驱动齿轮8与驱动外轮齿啮合；l形支撑杆9的水平段垂直固定于圆筒形反应室1的内侧面，且l形支撑杆9的竖直段朝下；导电触头10安装于l形支撑杆9的竖直段下端，且导电触头10与圆筒形凸台的外侧面接触；热丝阵列11水平安装于圆筒形反应室1的内腔，且热丝阵列11位于圆饼形载台3的上方；圆形加速筒12位于热丝阵列11的上方，且圆形加速筒12的轴线与圆饼形载台3的轴线平行；圆形加速筒12的外径小于圆饼形载台3的外径；径向安装杆13的内端面与圆形加速筒12的外侧面固定；径向安装杆13的外端面与圆筒形反应室1的内侧面固定；下圆形导电加速栅网14的侧面与圆形加速筒12的内侧面下部固定配合；上圆形导电加速栅网15的侧面与圆形加速筒12的内侧面上部固定配合；

下圆形大导电栅网16的侧面与圆筒形反应室1的内侧面固定配合，且下圆形大导电栅网16位于圆形加速筒12的上方；上圆形大导电栅网17的侧面与圆筒形反应室1的内侧面固定配合，且上圆形大导电栅网17位于下圆形大导电栅网16的上方；喇叭形导气罩18的细端朝上、粗端朝下；喇叭形导气罩18的下端敞口边沿与圆筒形反应室1的内侧面密封固定，且喇叭形导气罩18位于上圆形大导电栅网17的上方；u形导气管19的两个侧边分别固定贯穿两个上装配孔，且u形导气管19的两个管口均朝上；u形导气管19的底边中央贯通开设有朝下的导气孔，且导气孔与喇叭形导气罩18的上端敞口密封连通；下圆形小导电栅网20的侧面与u形导气管19的左侧边内侧面固定配合；上圆形小导电栅网21的侧面与u形导气管19的左侧边内侧面固定配合，且上圆形小导电栅网21位于下圆形小导电栅网20的上方；放电针22的数目为多根；各根放电针22均垂直固定于上圆形小导电栅网21的下端面；接地针23的数目为两排；每排接地针23均包括多根接地针23；两排接地针23相互正对地垂直固定于u形导气管19的左侧边内侧面，且两排接地针23均位于上圆形小导电栅网21的上方；抽气孔24贯通开设于圆筒形反应室1的侧壁，且抽气孔24位于圆饼形载台3的下方；矩形窗孔25贯通开设于圆筒形反应室1的侧壁；矩形窗孔25的上孔壁高于热丝阵列11；矩形窗孔25的下孔壁与圆饼形载台3的上外端面齐平；矩形窗孔25上安装有矩形透明窗门；

第一电源的两极分别与驱动电机7的两个电源端连接；第二电源的两极分别与热丝阵列11的两个电源端连接；第三至第九电源均为直流电源；第三电源的正极与上圆形小导电栅网21连接；第三电源的负极、第四电源的正极均与下圆形小导电栅网20连接；第四电源的负极、第五电源的正极均与上圆形大导电栅网17连接；第五电源的负极、第六电源的正极均与下圆形大导电栅网16连接；第六电源的负极、第七电源的正极均与上圆形导电加速栅网15连接；第七电源的负极、第八电源的正极均与下圆形导电加速栅网14连接；第八电源的负极、第九电源的正极均与热丝阵列11的其中一个电源端连接；第九电源的负极与导电触头10连接；两排接地针23均接地。

第一电源的两极分别通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与驱动电机7的两个电源端连接；第二电源的两极分别通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与热丝阵列11的两个电源端连接；第三电源的正极通过密封贯穿圆筒形反应室1和u形导气管19的导线与上圆形小导电栅网21连接；第三电源的负极、第四电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1和u形导气管19的导线与下圆形小导电栅网20连接；第四电源的负极、第五电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与上圆形大导电栅网17连接；第五电源的负极、第六电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与下圆形大导电栅网16连接；第六电源的负极、第七电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1和圆形加速筒12的导线与上圆形导电加速栅网15连接；第七电源的负极、第八电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1和圆形加速筒12的导线与下圆形导电加速栅网14连接；第八电源的负极、第九电源的正极均通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与热丝阵列11的其中一个电源端连接；第九电源的负极通过密封贯穿圆筒形反应室1的导线与导电触头10连接；两排接地针23均通过密封贯穿圆筒形反应室1和u形导气管19的导线接地。

所述圆筒形反应室1采用不锈钢制成；所述外层水管2、圆饼形载台3、内层水管4、径向支撑杆5、圆饼形水冷腔6、驱动齿轮8、导电触头10、放电针22、接地针23均采用黄铜制成；所述下圆形导电加速栅网14、上圆形导电加速栅网15、下圆形大导电栅网16、上圆形大导电栅网17、下圆形小导电栅网20、上圆形小导电栅网21均采用钨丝或钽丝编织而成；所述l形支撑杆9、圆形加速筒12、径向安装杆13、喇叭形导气罩18、u形导气管19均采用耐高温绝缘材料制成；所述矩形透明窗门采用耐高温玻璃制成；外层水管2的外侧面下端与下装配孔的孔壁之间、驱动电机7与圆筒形反应室1的下内端面之间、下圆形大导电栅网16的侧面与圆筒形反应室1的内侧面之间、上圆形大导电栅网17的侧面与圆筒形反应室1的内侧面之间均设有绝缘层。

所述耐高温绝缘材料为氧化铝陶瓷。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。