[发明专利]一种制备高质量金刚石的气体循环系统及其使用方法

权利要求书

1.一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：气体循环系统由直流喷射等离子体化学气相沉积系统、气体供给系统、尾气循环系统、气体纯化系统组成；直流喷射等离子体化学气相沉积系统由两台直流电弧喷射等离子体装置组成，一台直流电弧喷射等离子体装置用于沉积光学级金刚石膜，一台直流电弧喷射等离子体装置用于沉积热沉级金刚石膜；气体供给系统与纯化系统以及直流喷射等离子体化学气相沉积系统相连，负责沉积金刚石过程中的原料气供给；所述气体纯化系统与气体供给系统、尾气循环系统以及直流喷射等离子体化学气相沉积系统相连，气体纯化装置含氢气提纯仪，提纯仪尾气中主要成分为氩气和甲烷，氢气提纯仪能将氢气体积分数大于50%的混合气纯化成大于99.9999%的高纯氢气，并将混合气中其他的气体过滤，以尾气的形式排出纯化系统；经过氢气提纯仪纯化，高纯氢气由出口流出并重新供给到直流喷射等离子体化学气相沉积系统中用于高质量光学膜沉积，能实现循环气的多次利用；通过气体循环能够提高沉积速率制备大面积金刚石膜，达到低成本制备高质量金刚石的目的。

2.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：所述直流电弧喷射等离子体化学气相沉积系统包括直流喷射等离子体电弧炬，直流喷射等离子体沉积腔体；使用的原料气包括普通氢气、高纯氩气和高纯甲烷，通入气体的数量由流量计控制。

3.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：气体供给系统，包括普通氢气、高纯氩气、高纯甲烷、流量计一、流量计二、流量计三、流量计四、流量计五、流量计六、流量计七、流量计八、流量计九；通过引入氢气提纯系统，能将高纯氢气改为普通纯度的氢气，通过纯化之后再通入直流喷射等离子体化学气相沉积系统，这样能有效降低原料气成本。

4.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：尾气循环系统，包括热交换器一和热交换器二、过滤器一和过滤器二、油水分离器一和油水分离器二、罗茨泵一和罗茨泵二、气体增压泵；其中，热交换器用于高温气体降温，过滤器用于去除尾气中的杂质和粉尘，油水分离器用于去除尾气中的油气和水汽，罗茨泵用于抽出真空腔体内的气体，增压泵用于罗茨泵抽出的尾气增加压力；气体循环系统能够将直流喷射等离子体化学气相沉积系统中离化后用于沉积金刚石的原料气抽出沉积系统之外，将尾气降温后除去其中的油气、水汽以及其中的杂质，再次增压之后供入气体纯化系统。

5.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：原料气体通入直流喷射等离子体喷射装置解离用于沉积金刚石膜之后，尾气由真空泵吸入气体循环系统，尾气经过降温，增压以及过滤除去水汽和油气之后，进入氢气提纯仪。

6.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：直流喷射等离子体化学气相沉积系统中的一台直流电弧喷射等离子体装置使用氢气提纯仪的尾气作为原料气，用于沉积热沉级金刚石膜；一台直流电弧喷射等离子体装置使高纯氩气作为原料气，用于沉积光学级金刚石膜。

7.根据权利要求1所述一种制备高质量金刚石的气体循环系统，其特征在于：直流喷射等离子体化学气相沉积系统中添加使用的氢气提纯仪根据实际情况将氢气流量控制在0-100 L/s 、即0-100 Slm。

8.一种如权利要求1-4所述制备高质量金刚石的气体循环系统的使用方法，其特征在于：首先，普通氢气（6）经过流量计二（10）控制通入氢气提纯仪（12）流量，经过提纯仪提纯后，氢气以高纯氢气形式和高纯甲烷（15）以及高纯氩气（19）一起通入一号直流电弧喷射等离子体炬（1）中；在原料气用于金刚石膜的沉积之后，尾气由罗茨泵一（5）抽出一号直流电弧喷射等离子体沉积腔体（2）；之后尾气经过热交换器一（3）降温，过滤器一（4）和油水分离器一（8）过滤油气、水汽以及杂质，并经过气体增压泵（7）增压重新通入氢气提纯仪（12）提纯分离，提纯出的高纯氢气重新通入一号直流电弧喷射等离子体炬（1）用于金刚石膜的沉积；氢气提纯仪（12）分离后的尾气由尾气出口（13）排出，尾气的主要成分是氩气和含碳的基团，这些尾气作为二号直流电弧喷射等离子体炬（22）制备金刚石膜的原料气，同时为了保证原料气的供应，部分氩气须由流量计六（18）控制高纯氩气（19）的供应量；原料气沉积金刚石膜之后尾气由罗茨泵二（27）抽出二号直流电弧喷射等离子体沉积腔体（23）；之后尾气经过热交换器二（24）降温，过滤器二（25）和油水分离器二（28）过滤油气、水汽以及杂质，之后重新通入直流喷射等离子体化学气相沉积系统，用于金刚石膜的沉积，实现气体循环利用。