CN101514445B - 基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置 - Google Patents
基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明针对现有热丝法沉积金刚石膜工艺中采用的电极只能在衬底上单面沉积金刚石膜且效率较低的问题，公开了一种基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，它主要包由电极机构、进气机构、预紧力调节机构、测温机构、衬底机构组成。它实现了在不改变衬底大小的情况下，能同时沉积更多的工件，且一次沉积能在工件两面形成均匀稳定的金刚石膜，大大提高了金刚石膜的制备效率。同时通过测温机构与预紧力调节机构实现了多点测温与反应过程中的预紧力实时调节，为高效制备金刚石膜提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石涂层制备设备，尤其是能两面快速沉积金刚石涂层的装置，具体地说是一种基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置。
背景技术
自二十世纪八十年代日本学者首次用化学气相沉积(简称CVD)合成金刚石膜以来，CVD金刚石膜技术得到迅速发展，目前CVD金刚石的力学、热学、声学、电学、光学和化学等各项性能已达到或接近天然金刚石的性能。热丝CVD法制备金刚石膜具有生长速度较快、生长条件参数控制要求不严、反应室压力范围较宽、成膜面积大、设备投资小、结构简单、能实现工业化生产等优点，热丝CVD法是目前制备CVD金刚石膜最常用的方法之一。
热丝法生长金刚石膜通常采用多根热丝组成的热丝阵列来实现，混合反应气体由反应室中的进气口从上部流向热丝阵列，经高温热丝加热，部分反应气体分解成含含碳活性集团和原子氢，这些含碳活性基团和原子氢流向衬底，在一定的工艺条件下在衬底沉积除金刚石膜。
目前热丝法生长金刚石膜所采用的电极均为沿水平方向排布的二维热丝阵列。在这种热丝阵列下，经热丝分解的生成的含碳活性集团和原子氢绝大部分沉积在衬底上工件的上表面，在工件侧面只有少量沉积，尤其是在片状工件(如电极板、刀片等)上沉积金刚石膜时，由于工件只能水平放置在衬底上工作台，每个工件占用衬底面积大，并且一次只能在一个面上沉积，造成生产效率不高。传统的衬底工件测温工艺是在工件底部安放一根固定的热电偶，只能测定一点温度。传统的预紧力装置只采用固定的不可调节的弹性装置提供预紧力，在金刚石膜生长过程中不能根据热丝的伸长量实时调节，尤其是在长时间生长厚膜时，热丝伸长量较大，仅靠初始设定的预紧力往往不能达到很好的拉伸效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有的金刚石涂层沉积设备不能进行双面沉积而造成效率低，以及测温设计不合理的问题，设计一种不仅能进行双面沉积，同时测温更为方便准确的基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置。。
本发明的技术方案是：
一种基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，包括沉积炉12和安装在沉积炉12中的电极机构8、进气机构7、预紧力调节机构18及衬底机构23，待沉积涂层的工件5安装在衬底机构23和进气机构7之间，其特征是所述的电极机构8包括活动电极架10和固定电极架26，活动电极架10和固定电极架26的四个侧面均开有于安装冷却水管9的凹槽3，固定电极架26固定安装在左支撑架25上，活动电极架10通过滑动导轨19连接在右支撑架20上并通过弹簧11与安装在炉壁上的预紧力调节机构18相连，在活动电极架10和固定电极架26上对称安装有可拆卸电极4，每个可拆卸电极4由压板34与电极块35组成，电极块35通过螺栓33活动固定在各自的电极架上，压板34通过螺钉36固定在电极块35上，热丝21的一端被压板34压紧固定在电极块35上，活动电极架10和固定电极架26上同时安装有数量相等的一组或一组以上的可拆卸电极组，每组可拆卸电极组包括两个可拆卸电极4，每组可拆卸电极组之间，即同一个电极架上相邻两个可拆卸电极4之间的间距l可调，l与工件5的厚度t、热丝21的直径d的关系为： l＝(8～10)+t+20d，每个可拆卸电极4上沿纵向安装有2-10根热丝21，热丝21从上至下按密-疏-密排列，密部热丝间距3-5mm，疏部热丝间距5-8mm。
所述的固定电极架26的中心位置处开有用于插装测温装置32的圆孔37。
所述的测温装置32包括热电偶6、冷却操作杆31、观察窗口1。冷却操作杆31通过弹性真空管30、卡箍27与炉壁2连接，并能在0～10°范围内活动；冷却操作杆31内部有冷却水进水管29、出水管28与热电偶通道39，热电偶6从热电偶通道39中进入炉腔，冷却操作杆31和热电偶6前端穿过固定电极架26上的圆孔37伸入到热丝阵列中，热电偶6前端设有一个与工件5接触的弯曲端，移动操作杆31可探测工件不同位置的温度，在炉壁2上设有观察测温操作过程的观察窗口1。
所述的活动电极架10和固定电极架26的正面上下各形有两条用于穿装螺栓33的槽孔38，以便于调整可拆卸电极4的安装位置。
所述的衬底机构23包括工作台24与夹持机构22，工作台24上设置有若干个夹持机构22，每个夹持机构22能使得工件5直立安放在工作台24上，并能调节位置使工件5处于两组热丝21之间。
所述的预紧力调节机构18包括预紧力弹簧11、调节螺母14、拉杆16，拉杆16通过预紧力弹簧11连接活动电极架10，调节螺母14位于炉腔外，旋动调节螺母14可改变拉杆16深入炉腔的长度，通过改变弹簧拉力而调节预紧力。
所述的进气机构7包括进气室40与可更换气孔板41，气孔板上有气孔42，可根据不同的电极间距更换相应的气孔板，使得气孔42正对热丝组上方。
本发明的有益效果：
1、由于电极架及可拆卸电极的使用，使得热丝可以呈立体排列，可在工件的双面沉积金刚石；工件因垂直安放在工作台上，使得每个工件占用工作台面积减小，在同样的衬底上可安放更多的工件，沉积效率大大提高。
2、测温机构中冷却操作杆与炉壁的连接是柔性的，操作杆可在0～10°的角度范围内活动，因此可通过移动操作杆使热电偶测得工件上多点的温度，使得能够更直接明显的测得温度场的分布。
3、预紧力调节机构的调节旋钮在炉腔外，可在反应过程中根据热丝的状态实时调节预紧力，大大减小了断丝情况的发生。
附图说明
图1为本发明的双面高效制备金刚石涂层设备的结构示意图。
图2为本发明的电极机构的示意图。图2中，热丝21由可拆卸电极的压板34和电极块35夹持，两端分别夹持在两个可拆卸电极4上，通过螺钉36压紧，热丝可根据工件的高度与沉积参数安装不同根数，热丝间距采用非均匀排列，由于上部热丝分解气体及下部热丝靠近衬底而热量损失较中部热丝大，为得到一个均匀的温度场，上部与下部热丝排列较密，中部排列热丝较疏，密部热丝间距3-5mm，疏部热丝间距5-8mm。根据工件数量不同，可选择安装多组电极，距每组间距l可调，l与工件5的厚度t、热丝21直径d的关系为：l＝(8～10)+t+20d，可拆卸电极通过钼螺栓33安装在电极架上，电极位置可根据工件的位置进行调节。工件通过夹持机构22垂直安放在工作台上，工件与热丝方向平行，安放于两组热丝之间。
预紧力调节机构可根据热丝的初始长度不同而调节预紧力，通过旋动调节旋钮14，拉杆16深入炉腔内的长度随之变化，从而改变预紧力弹簧的拉力大小以改变预紧力。拉杆与炉壁间通过密封圈17密封，拉杆尾端通过螺母15锁定。
图3本发明的进气机构的示意图。进气机构包括进气室40与可更换气孔板41，气孔板上有若干进气孔42，根据热丝的位置选择相应的气孔板，使得进气孔处于热丝正上方，以利于气体分解。
图4为本发明的测温机构的结构及冷却操作杆的结构示意图。操作杆内有冷却水进水管29、出水管28与热电偶通道39，热电偶6安装在热电偶通道中，热电偶顶端伸出操作杆，操作杆通过固定电极架上的圆孔37伸入热丝阵列，热电偶顶端与工件接触，通过移动操作杆改变电偶与工件接触的位置，达到多点测温的目的。
图1-4中各标号代表的零部的名称为：
1.观察窗口，2.炉壁，3.凹槽，4.可拆卸电极，5.工件，6.热电偶，7.进气机构，8.电极机构，9.冷却水管，10.移动电极架，11.预紧力弹簧，12.沉积炉炉体，13.端盖，14.调节旋钮，15.螺母，16.拉杆，17.密封圈，18.预紧力调节机构，19.滑动导轨，20.右支撑架，21.热丝，22.夹持机构，23.衬底机构，24.工作台，25.左支撑架，26.固定电极架，27.卡箍，28.出水口，29.进水口，30.弹性真空管，31.冷却操作杆，32.测温机构，33.螺栓(钼螺栓)，34.压板，35.电极块，36.螺钉，37.圆孔，38.槽孔，39.热电偶通道，40.进气室，41.可更换气孔板，42.气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示。
一种基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，它包括电极机构8、进气机构7、预紧力调节机构18、测温机构32和衬底机构23，如图1所示。其中的电极机构8包括活动电极架10和固定电极架26，活动电极架10和固定电极架26的四个侧面均开有于安装铜制冷却水管9的凹槽3，背部各开有两道宽度为6mm的槽孔38，固定电极架26固定安装在左支撑架25上，活动电极架10通过滑动导轨19连接在右支撑架20上，固定电极架26中心位置开有直径20mm的圆孔37；可拆卸电极4由压板34与电极块35组成，材料均为钼，通过钼螺栓33安装在两个电极架上，可拆卸电极4可按使要求多组安装，每组包括两个可拆卸电极，每组间距l可调，l与工件5的厚度t、热丝21直径d的关系为：l＝(8～10)+t+20d；热丝21的两端由压板34和电极块35通过螺钉36压紧固定，根据工件高度不同，可安装2-10根热丝，热丝从上至下按密-疏-密排列，密部热丝间距3-5mm，疏部热丝间距5-8mm，如图2所示。所述的进气机构7包括进气室40与可更换气孔板41，气孔板上有气孔42，可根据不同的电极间距更换相应的气孔板，使得气孔42正对热丝组上方，如图3所示。所述的预紧力调节机构18包括预紧力弹簧11、调节旋钮14、拉杆16，拉杆16通过预紧力弹簧11连接活动电极架10，调节旋钮14位于炉腔外，旋动调节旋钮14可改变拉杆16深入炉腔的长度，通过改变弹簧拉力而调节预紧力，如图1右侧所示。所述的测温机构32包括热电偶6、冷却操作杆31、观察窗口1。冷却操作杆31通过弹性真空管30、卡箍27与炉壁2连接，并可以在0～10°范围内活动；冷却操作杆31内部有冷却水进水管29、出水管28与热电偶通道39，热电偶6为K型，从热电偶通道39中进入炉腔，冷却操作杆31和热电偶6前端通过权利要求2所述20mm圆孔37伸入到热丝阵列中，热电偶6前端弯曲3mm并与工件5接触，通过移动操作杆31可探测工件不同位置的温度，测温结束后操作杆31与热电偶6可从热丝阵列中撤出，以减小对金刚石生长的影响，测温过程可从炉壁上的观察窗口1中观察，如图1、图4所示。所述的衬底机构23包括工作台24
与夹持机构22，工作台24上可安放若干夹持机构22，夹持机构22使得工件5能直立安放在工作台24上，并可调节位置使工件5处于两组热丝21之间，任何本领域的或相关机械设计领域的普通技术人员均可根据本发明的衬底机构的要求设计出相应的夹持机构来完成其应用的功能，可利用机械手、弹簧夹、定位块、凸轮等常见的机械零部件进行组合搭配设计出符合要求的衬底机构23，故不再细述和图纸设计。
以下是一个根据本发明的要点进行的沉积试验的数据，本领域的普通技术人员根据本发明的内容和实例的内容结合实际衬底及零件的形状、尺寸、热丝直径、长度等进行适当的修正和有限次的实验均可得到理想的沉积效果，故不再列举更多的实例。
实施：在衬底23上通过夹持机构22安放工件5共4件，需安装热丝5组，每组5根，热丝直径0.3mm，热丝间距分别为5mm、6mm、6mm、4mm，每组热丝的间距为15mm，热丝长度100mm，在进气室上安装相应的气孔板，工件为20mm×20mm×0.5mm的钛电极，用夹持机构垂直安放在衬底上，热丝阵列上加热电流为250A，热丝温度为2500℃，反应气体为H2和含10000ppm B2O3的C2H5OH，C∶H＝2％，生长5小时得到双面厚度为20μm的导电金刚石涂层。生长过程中，采用测温机构测得工件各点的平均温度为稳定在810℃左右，根据热丝的状态实时改变预紧力，使热丝阵列一直处于拉直状态，未出现下垂或断裂，设备运行良好。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，包括沉积炉(12)和安装在沉积炉(12)中的电极机构(8)、进气机构(7)、预紧力调节机构(18)及衬底机构(23)，待沉积涂层的工件(5)安装在衬底机构(23)和进气机构(7)之间，其特征是所述的电极机构(8)包括活动电极架(10)和固定电极架(26)，活动电极架(10)和固定电极架(26)的四个侧面均开有安装冷却水管(9)的凹槽(3)，固定电极架(26)固定安装在左支撑架(25)上，活动电极架(10)通过滑动导轨(19)连接在右支撑架(20)上并通过弹簧(11)与安装在炉壁上的预紧力调节机构(18)相连，在活动电极架(10)和固定电极架(26)上对称安装有可拆卸电极(4)，每个可拆卸电极(4)由压板(34)与电极块(35)组成，电极块(35)通过螺栓(33)活动固定在各自的电极架上，压板(34)通过螺钉(36)固定在电极块(35)上，热丝(21)的一端被压板(34)压紧固定在电极块(35)上，活动电极架(10)和固定电极架(26)上同时安装有数量相等的一组以上的可拆卸电极组，每组可拆卸电极组包括两个可拆卸电极(4)，每组可拆卸电极组之间，即同一个电极架上相邻两个可拆卸电极(4)之间的间距l可调，l与工件(5)的厚度t、热丝(21)的直径d的关系为：l＝(8～10)+t+20d，每个可拆卸电极(4)上沿纵向安装有2-10根热丝(21)，热丝(21)从上至下按密-疏-密排列，密部热丝间距3-5mm，疏部热丝间距5-8mm；所述的固定电极架(26)的中心位置处开有用于插装测温装置(32)的圆孔(37)；所述的测温装置(32)包括热电偶(6)、冷却操作杆(31)、观察窗口(1)；冷却操作杆(31)通过弹性真空管(30)、卡箍(27)与炉壁(2)连接，并能在0～10°范围内活动；冷却操作杆(31)内部有冷却水进水管(29)、出水管(28)与热电偶通道(39)，热电偶(6)从热电偶通道(39)中进入炉腔，冷却操作杆(31)和热电偶(6)前端穿过固定电极架(26)上的圆孔(37)伸入到热丝阵列中，热电偶(6)前端设有一个与工件(5)接触的弯曲端，移动操作杆(31)可探测工件不同位置的温度，在炉壁(2)上设有观察测温操作过程的观察窗口(1)；所述的衬底机构(23)包括工作台(24)与夹持机构(22)，工作台(24)上设置有若干个夹持机构(22)，每个夹持机构(22)能使得工件(5)直立安放在工作台(24)上，并能调节位置使工件(5)处于两组热丝(21)之间。
2.根据权利要求1所述的基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，其特征是所述的活动电极架(10)和固定电极架(26)的正面上下各有两条用于穿装螺栓(33)的槽孔(38)，以便于调整可拆卸电极(4)的安装位置。
3.根据权利要求1所述的基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，其特征是所述的预紧力调节机构(18)包括预紧力弹簧(11)、调节旋钮(14)、拉杆(16)，拉杆(16)通过预紧力弹簧(11)连接活动电极架(10)，调节螺母(14)位于炉腔外，旋动调节螺母(14)可改变拉杆(16)深入炉腔的长度，通过改变弹簧拉力而调节预紧力。
4.根据权利要求1所述的基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置，其特征是所述的进气机构(7)包括进气室(40)与可更换气孔板(41)，气孔板上有气孔(42)，可根据不同的电极间距更换相应的气孔板，使得气孔(42)正对热丝组上方。
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