[發(fā)明專利]一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811146959.0
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN108914088B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李成明;安康;陳良賢;賈鑫;魏俊俊;張建軍;劉金龍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/503;C23C16/448
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：氣體循環(huán)系統(tǒng)由直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、尾氣循環(huán)系統(tǒng)、氣體純化系統(tǒng)組成；直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)由兩臺直流電弧噴射等離子體裝置組成，一臺直流電弧噴射等離子體裝置用于沉積光學級金剛石膜，一臺直流電弧噴射等離子體裝置用于沉積熱沉級金剛石膜；氣體供給系統(tǒng)與純化系統(tǒng)以及直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)相連，負責沉積金剛石過程中的原料氣供給；所述氣體純化系統(tǒng)與氣體供給系統(tǒng)、尾氣循環(huán)系統(tǒng)以及直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)相連，氣體純化裝置含氫氣提純儀，提純儀尾氣中主要成分為氬氣和甲烷，氫氣提純儀能將氫氣體積分數(shù)大于50%的混合氣純化成大于99.9999%的高純氫氣，并將混合氣中其他的氣體過濾，以尾氣的形式排出純化系統(tǒng)；經(jīng)過氫氣提純儀純化，高純氫氣由出口流出并重新供給到直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中用于高質(zhì)量光學膜沉積，能實現(xiàn)循環(huán)氣的多次利用；通過氣體循環(huán)能夠提高沉積速率制備大面積金剛石膜，達到低成本制備高質(zhì)量金剛石的目的。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：所述直流電弧噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)包括直流噴射等離子體電弧炬，直流噴射等離子體沉積腔體；使用的原料氣包括普通氫氣、高純氬氣和高純甲烷，通入氣體的數(shù)量由流量計控制。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：氣體供給系統(tǒng)，包括普通氫氣、高純氬氣、高純甲烷、流量計一、流量計二、流量計三、流量計四、流量計五、流量計六、流量計七、流量計八、流量計九；通過引入氫氣提純系統(tǒng)，能將高純氫氣改為普通純度的氫氣，通過純化之后再通入直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)，這樣能有效降低原料氣成本。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：尾氣循環(huán)系統(tǒng)，包括熱交換器一和熱交換器二、過濾器一和過濾器二、油水分離器一和油水分離器二、羅茨泵一和羅茨泵二、氣體增壓泵；其中，熱交換器用于高溫氣體降溫，過濾器用于去除尾氣中的雜質(zhì)和粉塵，油水分離器用于去除尾氣中的油氣和水汽，羅茨泵用于抽出真空腔體內(nèi)的氣體，增壓泵用于羅茨泵抽出的尾氣增加壓力；氣體循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)⒅绷鲊娚涞入x子體化學氣相沉積系統(tǒng)中離化后用于沉積金剛石的原料氣抽出沉積系統(tǒng)之外，將尾氣降溫后除去其中的油氣、水汽以及其中的雜質(zhì)，再次增壓之后供入氣體純化系統(tǒng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：原料氣體通入直流噴射等離子體噴射裝置解離用于沉積金剛石膜之后，尾氣由真空泵吸入氣體循環(huán)系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過降溫，增壓以及過濾除去水汽和油氣之后，進入氫氣提純儀。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中的一臺直流電弧噴射等離子體裝置使用氫氣提純儀的尾氣作為原料氣，用于沉積熱沉級金剛石膜；一臺直流電弧噴射等離子體裝置使高純氬氣作為原料氣，用于沉積光學級金剛石膜。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)中添加使用的氫氣提純儀根據(jù)實際情況將氫氣流量控制在0-100?L/s?、即0-100?Slm。

8.一種如權(quán)利要求1-4所述制備高質(zhì)量金剛石的氣體循環(huán)系統(tǒng)的使用方法，其特征在于：首先，普通氫氣（6）經(jīng)過流量計二（10）控制通入氫氣提純儀（12）流量，經(jīng)過提純儀提純后，氫氣以高純氫氣形式和高純甲烷（15）以及高純氬氣（19）一起通入一號直流電弧噴射等離子體炬（1）中；在原料氣用于金剛石膜的沉積之后，尾氣由羅茨泵一（5）抽出一號直流電弧噴射等離子體沉積腔體（2）；之后尾氣經(jīng)過熱交換器一（3）降溫，過濾器一（4）和油水分離器一（8）過濾油氣、水汽以及雜質(zhì)，并經(jīng)過氣體增壓泵（7）增壓重新通入氫氣提純儀（12）提純分離，提純出的高純氫氣重新通入一號直流電弧噴射等離子體炬（1）用于金剛石膜的沉積；氫氣提純儀（12）分離后的尾氣由尾氣出口（13）排出，尾氣的主要成分是氬氣和含碳的基團，這些尾氣作為二號直流電弧噴射等離子體炬（22）制備金剛石膜的原料氣，同時為了保證原料氣的供應(yīng)，部分氬氣須由流量計六（18）控制高純氬氣（19）的供應(yīng)量；原料氣沉積金剛石膜之后尾氣由羅茨泵二（27）抽出二號直流電弧噴射等離子體沉積腔體（23）；之后尾氣經(jīng)過熱交換器二（24）降溫，過濾器二（25）和油水分離器二（28）過濾油氣、水汽以及雜質(zhì)，之后重新通入直流噴射等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)，用于金剛石膜的沉積，實現(xiàn)氣體循環(huán)利用。