[实用新型]一种多炬等离子体喷射CVD法沉积超硬膜的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及化学气相沉积功能材料技术领域，具体涉及一种多炬等离子体喷射化学气相沉积法沉积超硬膜的装置。 

背景技术

在金刚石及其他超硬膜（立方氮化硼、氮化碳等）的沉积方法中，化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition 简称CVD）是一种重要的方法。CVD技术主要包含热丝化学气相沉积法（HFCVD）、等离子体喷射化学气相沉积（PJCVD）及微波化学气相沉积法（MPCVD）等。HFCVD沉积超硬膜面积较大，沉积速率较低,膜质量较低, 一般限于工具涂层或耐磨部件涂层等机械领域的应用； MPCVD沉积超硬膜无电极污染，膜质量高，但沉积速率较低，成本高，目前主要用于光学、热学、电子器件及半导体领域应用；PJCVD沉积超硬膜质量高、速率快，相比前两种方法，具有明显的工业化应用前景。 

PJCVD主要包括:直流电弧等离子体喷射化学气相沉积（DC arc plasma jet CVD）、射频等离子体喷射化学气相沉积（Rf-PCVD）、微波等离子体喷射化学气相沉积(MP jet CVD)等。以直流电弧等离子体喷射法为例，参见北京科技大学吕反修等论文“大面积高光学质量金刚石自支撑膜的制备”（《材料研究学报》2001年第15卷第1期，41至48页）、“直流电弧等离子喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用”（《金属热处理》2008年第33卷第1期，43至48页），“一种化学气相沉积金刚石或其它物质的装置”（公开(公告)号: CN101709457A，申请日:2009.11.05），它主要由真空沉积室（包含等离子体炬和水冷基底支撑台）、气体供给及气体循环利用系统、炬电源、真空系统、操作控制系统等部分组成；其原理是在圆环状的阳极和通过其中的棒状阴极之间通入反应气体（如CH₄，H₂等），这些反应气体被旋转的高温电弧加热到高温状态，急剧膨胀的高温气体以很高的速度从圆环状阳极喷口喷出，形成一个大约5～10cm长的等离子体，温度达到4000℃以上，高温等离子体使气体离解充分，从而在基底上快速沉积得到高质量的超硬膜。但该法的缺陷是生长大面积膜时，由于电弧等离子体径向的均匀性较差，膜中心和边缘厚度相差可达10%以上，膜中心和边缘的质量也有明显差异；超硬膜和基底热膨胀系数通常相差较大，在膜由生长温度冷却至室温过程中膜基间会产生非常大的热应力而导致膜破碎，为了得到直支撑较均匀厚膜，通常基底直径限制在Φ80mm以下。 

    目前直流电弧等离子体喷射CVD法制备金刚石膜的生产中，采用了增加设备数量的方法来批量生长直支撑较均匀厚膜或裂纹较少的厚膜，来满足产业化生产要求。为了达到金刚石膜工业化生产规模，常常需要制造数十到数百台金刚石膜制备设备，以沉积Φ60mm超硬厚膜设备计，每台设备制造成本在50万左右人民币，设备投资巨大。这种方法的缺点在于：各台设备单独运行，不仅制造设备本身所需的材料（如不锈钢、铜等）耗量极大，而且各台设备运行所需的真空设备（罗茨泵、机械泵等）、炬电源、引弧电源等相关设备均需独立配备；罗茨泵、机械泵的抽气能力也没有得到充分利用；单台设备运行所需的电量、气量、水量等耗量大，能源利用率低，造成了材料、能源的极大浪费；因而超硬膜的制备成本较高，不利于金刚石膜产业化应用的快速推广。 

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种在单台沉积设备内能同时进行多块膜沉积、显著降低制膜成本的装置。 

为了达到上述目的，本实用新型公开了一种多炬等离子体喷射CVD法沉积超硬膜的装置，包括炬电源、引弧电源、气体供给系统、抽气系统、冷却水系统、真空反应室、设于真空反应室内的水冷基底支撑台和设于各水冷基底支撑台正上方的各等离子体炬；等离子体炬固定在真空反应室上部盖板上，等离子体炬的阳极位于真空反应室内部，与下方的水冷基底支撑台相对；炬电源和引弧电源分别与等离子体炬相连；气体供给系统和抽气系统分别与等离子体炬和真空反应室相连；冷却水系统分别与水冷基底支撑台、等离子体炬和真空反应室的水冷夹层壁相连；其中，等离子体炬为多个；多个等离子体炬并联接入炬电源和引弧电源；气体供给系统分别与各等离子体炬相连；抽气系统与真空反应室相连而且为循环抽气系统，使得大部分反应尾气被循环使用，节省气体消耗。