一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘的制作方法

1.本实用新型属于金刚石加工技术领域，具体涉及一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘。


背景技术：

2.微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)是制备高品质金刚石的首选方法，已在现在工业量产中取得了大量的应用。这是因为与产生等离子体的其他方法相比，微波激发的等离子体具有无电极物质污染、可控性好、等离子体密度高等一系列优点。mpcvd装置的核心部件之一是用于模式转换的天线，微波天线的设计结构直接影响着mpcvd装置内等离子体的分布和稳定性。
3.现阶段常用的圆柱形谐振腔由采用tm013的谐振模式，采用一块圆片状的石英板作为微波窗口，形成的等离子体位于石英板的正下方且距离较近，等离子体产生的活性离子对石英板产生严重的轰击，刻蚀掉的硅原子污染生长气氛，造成金刚石的硅污染。并且石英板受到等离子体的烘烤温度可达200℃以上，石英板上用于密封用的橡胶圈在高温下很容易老化造成漏气。同时，石英窗与等离子体区域之间出现微波电场的次强区，在输入的微波功率较高时、或者腔体压力和输入功率不匹配时，次强区不可避免地会产生次生等离子体并造成石英窗的刻蚀，出现所谓的“跳球”现象，严重者将烧坏石英玻璃窗口。因此，圆柱金属谐振腔式mpcvd装置的实际输入微波功率一般不能超过5kw，微波有效利用的功率不能提高，直接影响了合成的金刚石品质和生长速率。同时，天线作为同轴线能量传输的内导体，表面有很强的电流，易造成天线发热严重，这就导致了传统天线的使用寿命不长，增加了设备维护成本。
4.因此，本实用新型提供了一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘，解决现有水冷天线对自身使用局限性以及对金刚石生长的不利影响，能够有效带走天线使用过程中产生的的热量，同时可均匀布气保证了生长的金刚石材料的质量稳定性。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是：提供一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘，解决现有水冷天线对自身使用局限性以及对金刚石生长的不利影响。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘，包括锥形天线盘，与锥形天线盘相连的工艺气体进气管，以及套设于工艺气体进气管外并与锥形天线盘相连的水冷管；锥形天线盘内设有冷却水腔，锥形天线盘设有与工艺气体进气管相连的气流分散盘，水冷管包括同轴套设于工艺气体进气管外的冷却进水管、以及同轴套设于冷却进水管外的冷却回水管，冷却进水管和冷却回水管均与冷却水腔相连通。
8.进一步地，冷却水腔内设有隔水板，隔水板将冷却水腔由上而下分隔为回水腔和冷却腔，隔水板外缘周向均布设有若干个用于连通冷却腔和回水腔的回水缺口。
9.进一步地，隔水板中心开设有与冷却进水管相适配的进水通孔，冷却进水管密封嵌装于进水通孔内并与冷却腔相连通，冷却回水管穿设至锥形天线盘内并与回水腔相连通。
10.进一步地，气流分散盘上均布有若干个布气通孔。
11.进一步地，气流分散盘与锥形天线盘之间设有一个气流缓冲腔，气流缓冲腔为倒凹型。
12.进一步地，气流分散盘外缘周向均布设有若干个螺纹孔，气流分散盘通过螺栓固定于锥形天线盘底面。
13.进一步地，水冷管顶部设有水冷头，水冷头上安装有水冷头止水螺母，水冷头止水螺母中部开设有与工艺气体进气管相适配的进气通孔，工艺气体进气管密封嵌装于进气通孔内并与锥形天线盘相连。
14.进一步地，水冷头顶部开设有与水冷头止水螺母相适配的螺母接口，水冷头止水螺母螺纹安装于螺母接口内，水冷头止水螺母底部套设有一圈密封橡胶圈。
15.进一步地，水冷头上设有与冷却进水管相连通的进水口接口。
16.进一步地，水冷头上设有与冷却回水管相连通的出水口接口。
17.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
18.本实用新型结构简单、设计科学合理、使用方便，解决了现有水冷天线对自身使用局限性以及对金刚石生长的不利影响。本实用新型能够有效带走天线使用过程中产生的的热量，同时可均匀布气保证了生长的金刚石材料的质量稳定性。
19.本实用新型包括锥形天线盘、工艺气体进气管和水冷管，其中水冷管包括同轴套设冷却进水管和冷却回水管，能够持续有效带走天线使用过程中产生的热量，同时中部工艺气体进气管使工艺气体到达等离子体的正上方。由于采用锥形的天线盘结构，锥形的斜面切割次生强电场的电场线，占据了次生电场的区域，使得这种结构没有次生电场的产生，整个腔体区域只有一个强电场区域，等离子体能量更集中、形态更加稳定，同时可使得微波功率可以达到10kw-15kw的能量水平，大大提高了金刚石的生长速率。锥形天线盘设有气流分散盘，气流分散与工艺气体进气管相连，保证了工艺气体能够更加均匀注入等离子体区域，有效增加等离子体的均匀性，也进一步保证了生长的金刚石材料的质量稳定性。
附图说明
20.图1为本实用新型结构剖面图。
21.图2为本实用新型结构侧视图。
22.图3为本实用新型工艺气体进气管与水冷管剖面图。
23.图4为本实用新型隔水板剖面图。
24.图5为本实用新型气流分散盘结构图。
25.图6为本实用新型水冷头结构图。
26.图7为本实用新型水冷头剖面图。
27.图8为本实用新型水冷头侧视图。
28.其中，附图标记对应的名称为：
29.1-锥形天线盘，2-工艺气体进气管，3-水冷管，4-冷却水腔，5-隔水板，6-气流分散
盘，7-气流缓冲腔，8-水冷头，9-水冷头止水螺母，10-进气通孔，11-螺母接口，12-密封橡胶圈，13-进水口接口，14-出水口接口，31-冷却进水管，32-冷却回水管，41-回水腔，42-冷却腔，51-回水缺口，52-进水通孔，61-布气通孔，62-螺纹孔。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.如图1-8所示，本实用新型提供的一种具有水冷却和进气功能的微波锥形天线盘，结构简单、设计科学合理、使用方便，解决了现有水冷天线对自身使用局限性以及对金刚石生长的不利影响。本实用新型能够有效带走天线使用过程中产生的的热量，同时可均匀布气保证了生长的金刚石材料的质量稳定性。
34.本实用新型包括锥形天线盘1，与锥形天线盘1相连的工艺气体进气管2，以及套设于工艺气体进气管2外并与锥形天线盘1相连的水冷管3；锥形天线盘1内设有冷却水腔4，锥形天线盘1设有与工艺气体进气管2相连的气流分散盘6，水冷管3包括同轴套设于工艺气体进气管2外的冷却进水管31、以及同轴套设于冷却进水管31外的冷却回水管32，冷却进水管31和冷却回水管32均与冷却水腔4相连通。
35.本实用新型水冷管3能够持续有效带走天线使用过程中产生的热量，同时中部工艺气体进气管2使工艺气体到达等离子体的正上方。由于采用锥形的天线盘结构，锥形的斜面切割次生强电场的电场线，占据了次生电场的区域，使得这种结构没有次生电场的产生，整个腔体区域只有一个强电场区域，等离子体能量更集中、形态更加稳定，同时可使得微波功率可以达到10kw-15kw的能量水平，大大提高了金刚石的生长速率。锥形天线盘1设有气流分散盘，气流分散与工艺气体进气管相连，保证了工艺气体能够更加均匀注入等离子体区域，有效增加等离子体的均匀性，也进一步保证了生长的金刚石材料的质量稳定性。
36.本实用新型冷却水腔4内设有隔水板5，隔水板5将冷却水腔4由上而下分隔为回水腔41和冷却腔42，隔水板5外缘周向均布设有若干个用于连通冷却腔42和回水腔41的回水缺口51。隔水板5中心开设有与冷却进水管31相适配的进水通孔52，冷却进水管31密封嵌装于进水通孔52内并与冷却腔42相连通，冷却回水管32穿设至锥形天线盘1内并与回水腔41
相连通。冷却水由冷却进水管31注入至锥形天线盘1、经隔水板5进入冷却腔42内，在此带走锥形天线盘1内的热量，最后由隔水板5外缘均布的回水缺口51进入回水腔41，最后由冷却回水管32导出。本实用新型通过循环冷却水结构，可有效降低天线的使用温度、延长天线的使用寿命。
37.本实用新型气流分散盘6上均布有若干个布气通孔61。气流分散盘6与锥形天线盘1之间设有一个气流缓冲腔7，气流缓冲腔7为倒凹型。气流分散盘6外缘周向均布设有若干个螺纹孔62，气流分散盘6通过螺栓固定于锥形天线盘1底面。工艺气体由工艺气体进气管2直达锥形天线盘1底部的气流缓冲腔7，再通过气流分散盘6通入工艺腔体内。均布布气通孔61的气流分散盘6使得工艺气体能够更加均匀的注入等离子体区域，有效增加等离子体的均匀性。
38.本实用新型.水冷管3顶部设有水冷头8，水冷头8上安装有水冷头止水螺母9，水冷头止水螺母9中部开设有与工艺气体进气管2相适配的进气通孔10，工艺气体进气管2密封嵌装于进气通孔10内并与锥形天线盘1相连。水冷头8顶部开设有与水冷头止水螺母9相适配的螺母接口11，水冷头止水螺母9螺纹安装于螺母接口11内，水冷头止水螺母9底部套设有一圈密封橡胶圈12。通过拧紧水冷头止水螺母9进而挤压密封橡胶圈12，防止冷却水泄漏。
39.本实用新型水冷头8上设有与冷却进水管31相连通的进水口接口13。水冷头8上设有与冷却回水管32相连通的出水口接口14。进水口接口13将横向进水的冷却水转向竖直的冷却进水管31内部，再由冷却回水管32流回，最后出水口接口14横向排出。进水口接口13和出水口接口14分别与外界进水管和出水管密封相连，以持续提供循环冷却水。
40.最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本实用新型的较优实施例用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本实用新型的专利范围；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内；另外，将本实用新型的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。