等离子体外部沉积设备及方法与流程

本发明涉及光通信，尤其涉及一种等离子体外部沉积设备及方法。

背景技术：

1、随着全光算力网络、跨洋高速通信及高端特种光纤的规模化发展，市场对光纤的传输性能、制备效率及成本控制提出了更高要求。高掺氟石英包层作为超低损耗光纤、高功率激光传输光纤的核心结构，其掺杂均匀性、氟掺杂浓度及制备尺寸直接决定光纤的传输衰减、机械性能与规模化生产潜力，是高端光纤制造的关键技术瓶颈。

2、目前，光纤预制棒高掺氟包层的主流制备工艺多采用等离子体外沉积路线，但现有工艺普遍将硅源从喷灯底部通入射频线圈激发的等离子体中，这会带来两个根本上的技术问题，严重制约其工业化应用与性能提升：其一，沉积速率与沉积效率偏低，目前常规等离子体掺氟外沉积方案沉积速率常规仅有0.3g/min-0.5g/min，难以满足大尺寸预制棒批量生产的需求，导致生产周期延长、制造成本居高不下；其二，工艺过程中易出现炬管堆粉现象，堆粉会逐步堵塞炬管通道、干扰等离子体稳定性，进而导致设备无法连续长时间稳定工作，一般工作10h-20h就需要清理或更换外壁炬管，不仅影响预制棒产品一致性，还会增加设备维护成本与停机损耗。

3、因此，亟需一种等离子体外部沉积设备及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种等离子体外部沉积设备及方法，旨在解决现有沉积设备的沉积效率低，且易产生堆粉，降低生产效率的问题，该等离子体外部沉积设备及方法能够实现高浓度氟掺杂的二氧化硅玻璃沉积，提高沉积速率和沉积效率，同时能够减少堆粉产生。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、等离子体外部沉积设备，包括：

4、箱体，所述箱体内设置靶棒；

5、底座，设置于所述箱体的底部，所述底座上设置喷灯结构，所述喷灯结构包括套管组件、射频线圈和sicl4料管，所述套管组件包括由外向内依次套设的第一石英管、第二石英管、第三石英管和第四石英管，所述第一石英管和所述第二石英管之间构成第一环形通道，所述第一环形通道用于通入氮气，所述第二石英管和所述第三石英管之间构成第二环形通道，所述第二环形通道用于通入氩气和氮气，所述第三石英管和所述第四石英管之间构成第三环形通道，所述第三环形通道用于通入氧气，所述第四石英管内具有中心气体管道，所述中心气体管道用于通入氧气和c2f6；其中，

6、所述第二石英管的上端凸出于所述第一石英管、第三石英管和第四石英管，所述sicl4料管设置于所述第二石英管的顶部，所述射频线圈套设于所述第二石英管的上端，借助所述射频线圈的能量，所述第二石英管内能够激发并喷出等离子体焰流，且所述靶棒设置于所述sicl4料管的上方。

7、在一些可能的实施方式中，所述等离子体外部沉积设备还包括冷却氮气层流发生器，所述冷却氮气层流发生器包括第一储气室，所述第一储气室的外周面具有多个层流孔，所述层流孔与所述第一环形通道连通，多个所述层流孔沿所述第一储气室的周向均匀分布，所述层流孔的轴线和所述喷灯结构的轴线共面且呈夹角设置。

8、在一些可能的实施方式中，所述层流孔的轴线和所述喷灯结构的轴线的夹角范围为30°-60°；所述层流孔的直径范围为2mm-6mm。

9、在一些可能的实施方式中，所述等离子体外部沉积设备还包括第一旋流气体发生器和第二旋流气体发生器，所述第一旋流气体发生器包括第二储气室，所述第二储气室的外周面具有多个第一旋流孔，所述第一旋流孔与所述第二环形通道连通，多个所述第一旋流孔沿所述第二储气室的周向均匀分布，所述第一旋流孔的轴线和所述喷灯结构的轴线异面设置，且所述第一旋流孔的轴线相对水平面呈夹角设置；

10、所述第二旋流气体发生器包括第三储气室，所述第三储气室的外周面具有多个第二旋流孔，所述第二旋流孔与所述第三环形通道连通，多个所述第二旋流孔沿所述第二储气室的周向均匀分布，所述第二旋流孔的轴线和所述喷灯结构的轴线异面设置，且所述第二旋流孔的轴线相对水平面呈夹角设置。

11、在一些可能的实施方式中，所述第一旋流孔的轴线和水平面的夹角范围为30°-60°；所述第二旋流孔的轴线和水平面的夹角范围为30°-60°。

12、在一些可能的实施方式中，所述等离子体外部沉积设备还包括氧氟气体混合发生器，所述氧氟气体混合发生器包括分流板，所述分流板具有多个贯穿上端面和下端面的分流孔，多个所述分流孔沿所述分流板的周向均匀分布，所述分流板的轴线和所述分流孔的轴线异面设置，且所述分流孔的轴线相对水平面呈夹角设置。

13、在一些可能的实施方式中，所述分流孔的轴线和水平面的夹角范围为30°-60°。

14、在一些可能的实施方式中，所述靶棒呈水平设置，且所述靶棒和所述sicl4料管相互平行设置。

15、在一些可能的实施方式中，所述第一石英管的外径为70mm-80mm；所述第二石英管的外径为60mm-70mm；所述第三石英管的外径为35mm-45mm；所述第四石英管的外径为20mm-25mm；

16、所述射频线圈的内径为65mm-75mm，匝数为3匝或4匝，所述射频线圈的铜管直径为6mm-10mm；

17、所述射频线圈的射频源频率为2mhz-5mhz，射频功率为50kw-150kw。

18、等离子体外部沉积方法，使用上述任一方案所述的等离子体外部沉积设备完成，所述等离子体外部沉积方法包括步骤：

19、s1、设备安装和程序调试：安装所述靶棒，编写相应的沉积程序，并开启冷却系统，保护振荡柜；

20、s2、设备对位、机构调节与预通气：调节所述靶棒和所述喷灯结构的位置，驱动特斯拉线圈尖端点火针至所述喷灯结构上方，在所述第一环形通道中通入氮气，在所述第二环形通道中通入氩气，预载准备启辉点火；

21、s3、设备预热与等离子体启辉：启动振荡柜，接通灯丝电源进行预热，灯丝预热完成后，接通阳极高压，并升压至预设电压，电压稳定后启动特斯拉线圈点火器，完成点火，等离子体焰流稳定后，将点火器恢复至原位置；

22、s4、工艺气氛切换和靶棒预热：点火完成后，逐步将所述第二环形通道内的氩气替换为氮气，在所述第三环形通道内逐步通入氧气，气体调整过程中射频源功率逐步升高，在预热过程中，所述靶棒的移动速度逐步降低，所述喷灯结构和所述靶棒的间距阶梯式缩小；

23、s5、靶棒抛光、氟掺杂、二氧化硅沉积：预热完成后，对所述靶棒表面抛光，在所述中心气体管道通入混合的氧气和c2f6，对所述靶棒表面进行抛光，抛光程序完成后，通过所述sicl4料管向所述等离子体焰流中通入sicl4原料，在所述喷灯结构的顶部区域，sicl4和氧气反应生成sio2微粒，在所述等离子体焰流和所述靶棒的接触区，发生非平衡化学反应，等离子体焰流中的高活性氟基团和sio2蒸汽微粒受急冷沉积在所述靶棒表面，完成玻璃化沉积过程；

24、s6、工艺终止、退火冷却和成品出料：当测径仪监测到所述靶棒直径达到工艺设定标准值后，在掉头区停止通入硅料和氧氟混合气，终止沉积反应，系统自动启动退火程序，对沉积后的所述靶棒进行退火稳型处理，消除内部应力退火，退火工艺程序执行完毕后，设备自动完成降压、灭弧、停机操作，待设备与所述靶棒自然冷却后，即可得到合格的氟掺杂预制棒成品。

25、本发明的有益效果：

26、本发明提供的等离子体外部沉积设备，通过向第一环形通道内通入氮气，增强第二石英管和射频线圈之间的气体对流，减少因为热辐射造成射频线圈内外温度不均的问题；通过向第二环形通道通入氮气，以保护第三石英管，同时可维持等离子体焰流稳定，还可隔绝sicl4的提前反应,避免产生微粉堆积；通过向第三环形通道内通入氧气，氧气可以调节等离子体形态，有助于等离子体形态的收缩；通过将sicl4料管设置在第二石英管的顶部（即，喷灯结构的顶部），与现有sicl4从底部通入，从下到上流动时通过等离子体焰流中心相比，sicl4并未通过等离子体焰流中心，因此等离子体焰流不会因为sicl4的通量提高而影响等离子体自身的稳定性，解除了射频功率和sicl4通量的限制，而c2f6作为强电负性气体，从底部通入可以有效的从等离子体中获得能量进而产生大量的高能活性基团，在喷灯结构的顶部与sicl4和o2反应生成的sio2结合发生非平衡反应，实现高浓度氟掺杂的二氧化硅玻璃沉积，提高沉积速率和沉积效率。

27、本发明提供的等离子体外部沉积方法，由于sicl4料管设置在第二石英管的顶部（即，喷灯结构的顶部），沉积时，sicl4并未通过等离子体焰流中心，因此等离子体焰流不会因为sicl4的通量提高而影响等离子体自身的稳定性，解除了射频功率和sicl4通量的限制，而c2f6作为强电负性气体，从底部通入可以有效的从等离子体中获得能量进而产生大量的高能活性基团，在喷灯结构的顶部与sicl4和o2反应生成的sio2结合发生非平衡反应，实现高浓度氟掺杂的二氧化硅玻璃沉积，提高沉积速率和沉积效率。