專利名稱：一種多炬等離子體噴射cvd法沉積超硬膜的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及化學氣相沉積功能材料技術領域，具體涉及一種多炬等離子體噴射化學氣相沉積法沉積超硬膜的裝置。
背景技術：
在金剛石及其他超硬膜(立方氮化硼、氮化碳等)的沉積方法中，化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition簡稱CVD)是一種重要的方法。CVD技術主要包含熱絲化學氣相沉積法(HFCVD)、等離子體噴射化學氣相沉積(PJCVD)及微波化學氣相沉積法(MPCVD)等。HFCVD沉積超硬膜面積較大，沉積速率較低，膜質量較低，一般限于工具涂層或耐磨部件涂層等機械領域的應用；MPCVD沉積超硬膜無電極污染，膜質量高，但沉積速率較低，成本高，目前主要用于光學、熱學、電子器件及半導體領域應用；PJCVD沉積超硬膜質量高、 速率快，相比前兩種方法，具有明顯的工業化應用前景。PJCVD主要包括直流電弧等離子體噴射化學氣相沉積(DC arc plasma jetCVD )、射頻等離子體噴射化學氣相沉積(Rf-PCVD )、微波等離子體噴射化學氣相沉積(MPjet CVD)等。以直流電弧等離子體噴射法為例，參見北京科技大學呂反修等論文“大面積高光學質量金剛石自支撐膜的制備”(《材料研究學報》2001年第15卷第I期，41至48頁)、“直流電弧等離子噴射在金剛石膜制備和產業化中的應用”(《金屬熱處理》2008年第33卷第I期，43至48頁)，“一種化學氣相沉積金剛石或其它物質的裝置”(公開(公告)號CN101709457A,申請日2009. 11. 05)，它主要由真空沉積室(包含等離子體炬和水冷基底支撐臺)、氣體供給及氣體循環利用系統、炬電源、真空系統、操作控制系統等部分組成；其原理是在圓環狀的陽極和通過其中的棒狀陰極之間通入反應氣體(如CH4, H2等)，這些反應氣體被旋轉的高溫電弧加熱到高溫狀態，急劇膨脹的高溫氣體以很高的速度從圓環狀陽極噴口噴出，形成一個大約5 IOcm長的等離子體，溫度達到4000°C以上，高溫等離子體使氣體離解充分，從而在基底上快速沉積得到高質量的超硬膜。但該法的缺陷是生長大面積膜時，由于電弧等離子體徑向的均勻性較差，膜中心和邊緣厚度相差可達10%以上，膜中心和邊緣的質量也有明顯差異；超硬膜和基底熱膨脹系數通常相差較大，在膜由生長溫度冷卻至室溫過程中膜基間會產生非常大的熱應力而導致膜破碎，為了得到直支撐較均勻厚膜，通常基底直徑限制在OSOmm以下。目前直流電弧等離子體噴射CVD法制備金剛石膜的生產中，采用了增加設備數量的方法來批量生長直支撐較均勻厚膜或裂紋較少的厚膜，來滿足產業化生產要求。為了達到金剛石膜工業化生產規模，常常需要制造數十到數百臺金剛石膜制備設備，以沉積o 60mm超硬厚膜設備計，每臺設備制造成本在50萬左右人民幣，設備投資巨大。這種方法的缺點在于各臺設備單獨運行，不僅制造設備本身所需的材料(如不銹鋼、銅等)耗量極大，而且各臺設備運行所需的真空設備(羅茨泵、機械泵等)、炬電源、引弧電源等相關設備均需獨立配備；羅茨泵、機械泵的抽氣能力也沒有得到充分利用；單臺設備運行所需的電量、氣量、水量等耗量大，能源利用率低，造成了材料、能源的極大浪費；因而超硬膜的制備成本較高，不利于金剛石膜產業化應用的快速推廣。
發明內容本實用新型的目的是為了解決現有技術中存在的缺陷，提供一種在單臺沉積設備內能同時進行多塊膜沉積、顯著降低制膜成本的裝置。為了達到上述目的，本實用新型公開了一種多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，包括炬電源、引弧電源、氣體供給系統、抽氣系統、冷卻水系統、真空反應室、設于真空反應室內的水冷基底支撐臺和設于各水冷基底支撐臺正上方的各等離子體炬；等離子體炬固定在真空反應室上部蓋板上，等離子體炬的陽極位于真空反應室內部，與下方的水冷基底支撐臺相對；炬電源和引弧電源分別與等離子體炬相連；氣體供給系統和抽氣系統分別與等離子體炬和真空反應室相連；冷卻水系統分別與水冷基底支撐臺、等離子體炬和真空反應室的水冷夾層壁相連；其中，等離子體炬為多個；多個等離子體炬并聯接入炬電源和引弧電源；氣體供給系統分別與各等離子體炬相連；抽氣系統與真空反應室相連而且為循環抽氣系統，使得大部分反應尾氣被循環使用，節省氣體消耗。 對本實用新型的進一步改進在于所述多個等離子體炬并聯接入炬電源和引弧電源，且各等離子體炬與炬電源和引弧電源相連處均設有電源開關。相鄰等離子體炬之間設有隔板，且通過隔板將所述真空反應室隔開形成多個腔室；抽氣系統分別與各腔室相連。隔板為高熔點金屬板或水冷不銹鋼板等，優選鎢或鑰。本實用新型相比現有技術具有以下優點I、通過在單臺真空反應室中增加等離子體炬的數量，使其成為多炬等離子體噴射裝置，從而實現多個等離子體炬單獨或同時進行超硬膜沉積，從而大幅降低了設備制造成本及其附屬儀器、設備的數量，提高了能源利用率，顯著降低了設備制造成本，有利于金剛石及其他超硬膜的研發及產業化。2、各等離子體炬工作空間通過隔板間隔，將真空反應室分隔成多個獨立的腔室，隔板材料選用鑰等高熔點金屬板或其他材料，可使各等離子炬所處腔室的溫度場和其流場互不干擾，各腔室可單獨進行工藝調控。3、各等離子體炬共用一套炬電源、引弧電源、氣體供給系統、抽氣系統和冷卻水系統，充分利用了抽氣系統的抽氣能力，節省大量材料，降低能源消耗，從而大幅降低了等離子體噴射法沉積金剛石膜或其他超硬膜的膜制備成本；同時各等離子體炬的工藝參數可通過相應的調節閥等進行調控。

圖I為本實用新型多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置的一種結構示意圖；圖2為本實用新型多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置的另一種結構示意圖；圖3為圖2中真空反應室的俯視圖；圖4為本實用新型多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置中真空反應室的另一種結構俯視圖。[0016]圖中，I-等離子體炬，2-引弧電源開關，3-引弧電源，4-真空反應室，5-充氣閥，6-冷卻水系統，7-等離子體，8-基底，9-水冷基底支撐臺，10-腔壓真空計，11-隔板，12-冷卻水調節閥，13-調節閥，14-羅茨泵機組,15-泵壓真空計，16-機械泵，17-油氣分離過濾器，18-供氣調節閥，19-氣路截止閥，20-質量流量控制計。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型內容作進一步詳細說明，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本實用新型的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。實施例一如圖I為無隔腔的多炬等離子體噴射的裝置示意圖。本實施例以3炬直流電弧等離子體噴射CVD裝置為例進行闡述，真空反應室4的制造尺寸可使3個等離子體炬I在 其間安置(可均勻分布)，3個炬安裝間隙合理，盡量減小3個等離子體炬間的溫度場和流場的相互影響，3個等離子體炬可單獨或同時進行噴射沉積。各等離子體炬I分別固定在真空反應室4上部蓋板上，各等離子體炬I陽極位于真空反應室內部，與下方設置的各水冷基底支撐臺相對(包括基底8和基底下方的基底升降臺9)，可采用同一個升降機構對水冷基底支撐臺統一升降，亦可安裝3個升降機構對3個水冷基底支撐臺進行單獨升降控制。引弧電源3可同時或單獨為3個炬提供引弧電壓，炬電源(未畫出，其與各等離子體炬的連接關系同引弧電源)作為共享電源為各炬提供功率。氣體供給系統包括三條進氣管路，一條氬氣總進氣管、一條氫氣總進氣管以及一條制膜所需其他氣體總進氣管(以金剛石膜為例，此線為甲烷進氣線)，三條管路分別與3臺等離子體炬I相通，且每個等離子體炬的進氣管路加裝供氣調節閥18，可單獨或同時給3個等離子體炬I同時供給氣體。在三條總進氣管路中安裝氣路截止閥和質量流量控制計(圖中未畫出)，以減少質量流量計的數量。3個等離子體炬I共用一套抽氣系統，該抽氣系統為循環系統，包括羅茨泵機組14和機械泵16 ;羅茨泵14及機械泵16可對真空反應室4進行抽氣，使真空反應室4內的真空度達到工藝要求，10%左右的氣體通過機械泵16排入大氣中，剩余90%左右的氣體與新進入的氫氣和甲烷混合后重新通入各等離子體炬I內，可對氣體進行大部分循環重復使用，以減小氣體消耗；在無隔腔的多炬等離子體噴射中，只需安裝腔壓表真空計10 (測真空反應室4內壓力)與泵壓表15 (測羅茨泵機組14的出口壓力)。3個等離子體炬I共用一套冷卻水系統6，冷卻水系統6同時給真空反應室4的鐘罩水冷夾層壁、水冷基底支撐臺及羅茨泵機組14進行水循環冷卻，各等離子體炬I及基底8的冷卻水路均安裝循環冷卻水調節閥12以便于單獨控制，而且基底8的冷卻水流量可通過調節閥進行流量大小調節，以便對基底溫度進行調控。在使用過程中，首先開機，將基底升降臺9升至基底8距等離子體炬I陽極下部約10-20 mm的位置，關閉充氣閥5，開機械泵16，預抽系統真空，真空反應室4內真空壓力IOOOPa以下時，依次開冷卻水系統6、羅茨泵機組14，向系統內充氬氣，羅茨泵機組14的出口泵壓到IOKPa左右時，打開電弧旋轉磁場電源開關，接通炬電源，打開氫氣和甲烷的供氣調節閥，立即按下引弧按鈕，引燃電弧，形成穩定電弧等離子體噴射，在基底表面沉積膜。各等離子體炬可單獨或同時工作，因為3個等離子體炬處于同一真空反應室4內，各炬工藝參數(等離子體炬功率、冷卻水流量、供氣調節閥圈數等)應調節至相同的數值，以使各炬工作條件穩定，基底溫度、氣壓及其他參數保持恒定，使3個等離子體炬穩定進行超硬膜的沉積。實施例二圖2所示為有隔腔多炬等離子體噴射CVD法的裝置示意圖。本實施例同樣以3炬直流電弧等離子體噴射CVD裝置為例進行闡述，在真空反應室4中加上3個隔板11(或如圖3所示設置板狀隔板)，隔板材料可選用鑰等高熔點金屬板或其他材料，使之成為3個獨立的沉積腔室，隔板11在真空反應室內安裝可無需滿足真空密封要 求，例如可使用螺釘或其他方式將其固定于真空反應室4內，各等離子體炬處于獨立的氣體氛圍中，3個炬之間的溫度場和流場互不干擾，3個炬可以單獨或同時噴射，而且每個等離子體炬的工藝參數可以獨立進行調節，以滿足不同要求的超硬膜的沉積。炬電源、引弧電源和氣體供給系統與上述實施例I中相同，均可單獨或同時給各等離子體炬供電或供氣；每個等離子體炬I的進氣管路加裝氣路截止閥19和質量流量控制計20，使氣體流量得到定量控制，總進氣管路中加裝氣路截止閥19。通過對羅茨泵14與機械泵16抽氣前端氣閥調節，可使各沉積腔室的壓力達到工藝要求，每個獨立的腔室分別安裝調節閥13與腔壓真空計10，用來確定每個腔室內的腔壓。工作過程同實施例一。實施例三圖4所示為等離子體炬I在真空反應室4內的安置方式。真空反應室4為水冷筒形構造。等離子體炬I為5個，圓環狀均勻分布在真空反應室內。炬電源、引弧電源、冷卻水系統、抽氣系統和供氣系統，以及裝置的具體工作過程同實施例一。
權利要求1.一種多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，包括炬電源、引弧電源、氣體供給系統、抽氣系統、冷卻水系統、真空反應室、設于真空反應室內的水冷基底支撐臺和設于水冷基底支撐臺正上方的離子體炬；所述等離子體炬固定在真空反應室上部蓋板上，等離子體炬的陽極位于真空反應室內部，與下方的水冷基底支撐臺相對；所述炬電源和引弧電源分別與等離子體炬相連；所述氣體供給系統和抽氣系統分別與等離子體炬和真空反應室相連；所述冷卻水系統分別與水冷基底支撐臺、等離子體炬和真空反應室的水冷夾層壁相連；其特征在于所述等離子體炬為多個；所述多個等離子體炬并聯接入炬電源和引弧電源；所述氣體供給系統分別與各等離子體炬相連；所述抽氣系統與真空反應室相連。
2.根據權利要求I所述的多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，其特征在于所述各等離子體炬與炬電源和引弧電源相連處均設有開關。
3.根據權利要求I所述的多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，其特征在于所述相鄰等離子體炬之間設有隔板，且通過隔板將所述真空反應室隔開形成多個腔室；所述抽氣系統分別與各腔室相連。
4.根據權利要求3所述的多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，其特征在于所述隔板為高熔點金屬板或水冷金屬板。
專利摘要本實用新型公開了一種多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的裝置，該裝置包括炬電源、引弧電源、反應氣體供給系統、抽氣系統、冷卻水系統、真空反應室、多個等離子體炬和設于各等離子體炬正下方的各水冷基底支撐臺；各等離子體炬分別固定在真空反應室上部蓋板上，各等離子體炬陽極位于真空反應室內部，與各水冷基底支撐臺相對；炬電源和引弧電源，分別與各等離子體炬相連；氣體供給系統分別與各等離子體炬相連；抽氣系統和真空反應室相連；冷卻水系統分別與各水冷工作臺、羅茨泵、各等離子體炬和真空反應室的水冷夾層壁相連。本實用新型采用多炬等離子體噴射CVD法，單臺設備能同時進行多塊超硬膜沉積、顯著降低制膜成本。
文檔編號C23C16/44GK202519327SQ201220165200
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者左敦穩, 徐鋒, 朱其豹, 李文帥, 相炳坤 申請人:南京航空航天大學