[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

说明书

一种制备高质量金刚石的气体循环系统及使用方法，属于材料制备领域。气体循环系统包括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。气体供给系统为两台直流喷射等离子体化学气相沉积装置提供原料气。尾气循环系统可将沉积系统中的尾气抽出，并供给到由氢气提纯仪组成的气体纯化系统，尾气经过提纯之后分离出高纯氢气和含氩、碳元素的混合气，其中高纯氢气供给回沉积装置，含氩、碳尾气作为原料气供给到其中一台沉积装置中沉积热沉级金刚石，另一台沉积装置可以实现高纯气体的供给，沉积光学级金刚石膜。通过上述过程，实现高纯氢气的循环使用，既可满足高质量金刚石膜的制备需求，也可降低制备成本。

技术领域

本发明涉及一种制备高质量金刚石的气体循环系统及其使用方法，尤其是直流电弧等离子体喷射化学气相沉积方法制备高质量金刚石膜的过程中，属于材料制备领域。

背景技术

目前，在众多沉积金刚石膜的技术中，直流电弧等离子体化学气相沉积金刚石技术以其沉积速率快的特点得到了广泛应用。但是，较大的气体消耗量导致金刚石膜的制备成本较高。

 为了解决该问题，国内外科研工作者做了大量的工作。美国西屋电气的IvanMartorell和北京科技大学的Fanxiu Lu分别在1999年和2000年在《Diamond and RelatedMaterials》上报道了使用气体循环系统降低金刚石膜的制备成本。但是，气体的循环使用难免会在沉积系统中引入杂质，这些杂质将会影响金刚石膜的质量，尤其是光学质量。

以上所有气体循环系统都存在使用循环气体时难免会在系统中引入杂质，这些杂质会影响金刚石的质量，尤其是光学质量。

发明内容

本发明目的是提供用于直流电弧喷射等离子体化学气相沉积制备金刚石的气体循环系统和使用方法。本系统中含有氢气提纯仪，可以实现了普通纯度原料氢气的高纯供给，故可以保证循环系统中氢气的纯度，由此满足高质量金刚石膜的沉积条件；同时使用普通纯度的氢气可以降低沉积金刚石过程中的成本。此外，通过气体循环使用，也降低了制备高质量金刚石膜的成本。

一种制备高质量金刚石的气体循环系统，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；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；通过气体循环可以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。

进一步地，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。

进一步地、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，可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。

进一步地，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；气体循环系统可以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。