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：
本实用新型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。本实用新型属于电弧等离子炬。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发展而来。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 极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和本实用新型的形式较为接近，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。
发明内容本实用新型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。本实用新型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。 本实用新型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。 所述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设有向下喷口，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放，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。[0009] 所述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。 所述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。 本实用新型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。本实用新型可广泛适用于化学 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述，但不作为对本实用新型的限定。
图1是本实用新型炬的结构原理图。 图2是本实用新型用于化学气相沉积金刚石的实施例1的结构示意图。 图3是本实用新型用于金刚石薄膜涂层实施例2的结构示意图。 图4是本实用新型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，IOI.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，ll.(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，18.磁场线 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，在该中心阴极1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1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。靠近中心阴极1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。 本实用新型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 l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钨、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。磁场线圈18由某种绝缘材料如尼龙制作骨架，在骨架上缠绕多圈的导线。在线 圈18中通过电流，在等离子区形成轴向的磁场，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 ll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)上的钨杆制做，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縮于辅助电极和阳极。所有部件之间通过 螺钉连接，由0形圈实现良好的密封。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、氩气和甲烷的混合气体，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. 5A，电弧引燃后，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20 ii m/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①300mm，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=1 : 2 : 0.01 ;从进气口 9送入的混合气体流量6SLM，从进气口 IO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150A，真空室压力1Kpa时，在①240mm 的工件衬底生长出均匀的薄膜涂层，生长速率0. 5-1 ii m/h。 利用该种结构炬已试验制备出小60mm、小100mm、小120mm的多晶金刚石自支撑膜 和小180mm、小240mm的多晶金刚石薄膜涂层。效果很好。
权利要求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1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设有向下喷口。
4. 根据权利要求1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1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 (1)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。
6. 根据权利要求1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1、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)的外面设有磁场线圈(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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型结构简单，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H05H1/34GK201515548SQ20092021726
公开日2010年6月23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, 姜龙, 孙振路, 张永贵, 李国华, 王志娜, 郭辉, 高亮 申请人:河北普莱斯曼金刚石科技有限公司