[發(fā)明專利]一種多炬等離子體噴射CVD法沉積超硬膜的方法及裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210114255.1
• 申請日: 2012-04-18
• 公開（公告）號: CN102618846A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設計）人: 相炳坤;李文帥;朱其豹;徐鋒;左敦穩(wěn)
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C16/44
• 分類號: C23C16/44
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 裴詠萍

技術領域

????本發(fā)明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方法及裝置。

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(zhì)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(zhì)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(zhì)量高、速率快，相比前兩種方法，具有明顯的工業(yè)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?jet?CVD）、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(MP?jet?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(zhì)量金剛石自支撐膜的制備”（《材料研究學報》2001年第15卷第1期，41至48頁）、“直流電弧等離子噴射在金剛石膜制備和產(chǎn)業(yè)化中的應用”（《金屬熱處理》2008年第33卷第1期，43至48頁），“一種化學氣相沉積金剛石或其它物質(zhì)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(huán)利用系統(tǒng)、炬電源、真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等部分組成；其原理是在圓環(huán)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(zhuǎn)的高溫電弧加熱到高溫狀態(tài)，急劇膨脹的高溫氣體以很高的速度從圓環(huán)狀陽極噴口噴出，形成一個大約5～10cm長的等離子體，溫度達到4000℃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(zhì)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(zhì)量也有明顯差異；超硬膜和基底熱膨脹系數(shù)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(chǎn)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Φ80mm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(chǎn)中，采用了增加設備數(shù)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(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求。為了達到金剛石膜工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，常常需要制造數(shù)十到數(shù)百臺金剛石膜制備設備，以沉積Φ60mm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(chǎn)業(yè)化應用的快速推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷，提供一種在單臺沉積設備內(nèi)能同時進行多塊膜沉積、顯著降低制膜成本的方法及裝置。

為了達到上述目的，本發(fā)明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(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、真空反應室、設于真空反應室內(nèi)的水冷基底支撐臺和設于水冷基底支撐臺正上方的等離子體炬；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(nèi)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(tǒng)和抽氣系統(tǒng)分別與等離子體炬和真空反應室相連；冷卻水系統(tǒng)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(lián)接入炬電源和引弧電源；氣體供給系統(tǒng)分別與各等離子體炬相連；抽氣系統(tǒng)與真空反應室相連而且為循環(huán)抽氣系統(tǒng)，使得大部分反應尾氣被循環(huán)使用，節(jié)省氣體消耗。