[发明专利]一种金刚石膜的等离子体电弧沉积装置与方法

权利要求书

1.一种等离子体电弧沉积共形金刚石膜的装置，其特征在于包括阴极、阳极、稳弧磁场线圈、扩展弧磁场线圈、引导弧磁场线圈、沉积衬底、电源；产生电弧的阴极位于所产生的等离子体电弧通道的上方中心位置；稳弧磁场线圈位于电弧通道外部，产生的磁场实现对阴极产生稳定的旋转电弧等离子体；扩展弧磁场线圈位于电弧通道下部，沉积衬底外围；在进一步稳定电弧的同时，扩展旋转电弧与沉积衬底尺寸相适应，实现电弧的大面积稳定旋转导向沉积金刚石的沉积衬底；此外，位于沉积衬底底部的引导弧磁场线圈则通过产生的磁场引导等离子体向沉积衬底的凹陷部分移动，实现不同形状沉积衬底表面的等离子体均匀分布而进一步实现金刚石均匀沉积；电源为等离子体电弧提供稳定大电流的逆变直流电源，从供电角度保障等离子体电弧的稳定性；

所述产生电弧的阴极带有相应的水冷系统，侧面有气体导入系统；产生电弧的阳极为桶状结构并位于阴极外围，构成电弧通道。

2.如权利要求1所述等离子体电弧沉积共形金刚石膜的装置，其特征在于所述稳弧磁场线圈、扩展弧磁场线圈和引导弧磁场线圈均为0-50 V连续可调；所述逆变直流电源在100-500 A范围连续可调。

3.一种采用如权利要求1所述等离子体电弧沉积共形金刚石膜的装置沉积共形金刚石膜的方法，其特征在于采用具有多级磁场控制方法沉积共形金刚石膜；其制备过程为：将与等离子体通道喷口尺寸相适应的沉积衬底经过表面处理后放置于沉积台上，抽真空到极限后，充入氩气到定值，给定初设的稳弧磁场线圈和扩展弧磁场线圈电压和电流，并设定电源引弧电流，然后利用阴极和阳极间产生的电弧，调节稳弧磁场线圈和扩展弧磁场线圈电压稳定电弧，充入氢气；在氩气和氢气的混合气氛中，接着逐步增加等离子体电弧电源的电流，使得沉积衬底达到金刚石生长温度，进行金刚石膜的形核和生长的同时设定沉积衬底底部的引导弧磁场线圈调节等离子体电弧状态和位置后，通入碳源甲烷气体，在经过一定时间可达到在沉积衬底表面沉积一定厚度的均匀金刚石膜。

4.如权利要求3所述沉积共形金刚石膜的方法，其特征在于具体制备的步骤如下：

1）、将经过表面处理的沉积衬底放入装置中，抽真空到低于10^-1 Pa极限真空度；

2）、将氩气充入真空室中到1-10 kPa，设定稳弧磁场线圈和扩展弧磁场线圈电压、电流参数及等离子体电弧电源引弧电流参数；

3）、应用等离子体电弧电源中的引弧机构引燃阴极和阳极间的电弧，按比例充入氢气，调节稳弧磁场线圈和扩展弧磁场线圈电压使得电弧在沉积衬底的上方稳定旋转运行；

4）、设定引导弧磁场线圈电压1-20 V，电流1.0-3.0 A，引导电弧等离子体电弧向沉积衬底的凹陷部分移动，实现沉积衬底的凹陷部分表面等离子体均匀分布；

5）、逐步增加等离子体电弧电源电流，使得沉积衬底的温度达到金刚石的稳定生长温度，按一定比例充入甲烷气体进行金刚石的形核20 min-40 min; 随后降低甲烷比例进行金刚石的外延生长；

6）、根据所需金刚石膜的厚度，选择沉积时间，缓慢降低等离子体电弧电源电流，使得沉积衬底的温度逐步降低，灭弧关闭充入气体，抽真空进一步冷却；

7）、当沉积衬底的温度降到100℃以下时，取出已经沉积金刚石的沉积衬底，去除沉积衬底即可获得所需要的金刚石自支撑膜。

5.如权利要求4所述沉积共形金刚石膜的方法，其特征在于步骤2）所述稳弧磁场线圈和扩展弧磁场线圈电压1-20 V、电流1.0-3.0 A，等离子体电弧电源引弧电流100-180 A。

6.如权利要求4所述沉积共形金刚石膜的方法，其特征在于步骤3）所述比例为Ar:H₂=0.1-1:1。

7.如权利要求4所述沉积共形金刚石膜的方法，其特征在于步骤5）所述金刚石的稳定生长温度为700-1200℃，CH₄:H₂比例为5%-8%，金刚石的形核后的甲烷比例为CH₄:H₂=3%-5%。