CN102226273B

CN102226273B - 金刚石膜生长电极弹性张紧装置

Info

Publication number: CN102226273B
Application number: CN201110156711A
Authority: CN
Inventors: 卢文壮; 左敦稳; 王正鑫; 王晗; 徐锋; 孙玉利; 王品付; 吴一帆; 伏广宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: CN102226273A

Abstract

一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置，包括底板（5）和衬底工作台（21），其特征是所述热丝（20）的两端固定在对应的左钼电极（2）和右钼电极（3）中，所述的左钼电极（2）和右钼电极（3）分别安装在对应的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的上端，所述的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的下端对称安装衬底工作台（21）两侧的底板（5）上；所述的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的弹性系数k=（1~3）n·r²，其中r=0.1~1mm；左弹性支架（1）和右弹性支架（4）向内收缩后两端之间的距离L（mm）与热丝的工作长度L₁（mm）之间应满足以下关系L₁=5+1.05L。本发明电极结构简单，制造成本低，在金刚石生长过程中热丝保持始终平直状态，未出现热丝被拉断现象，衬底温度场的均匀性得到改善，沉积的CVD金刚石膜均匀性提高。

Description

金刚石膜生长电极弹性张紧装置

技术领域

本发明涉及一种热丝法CVD金刚石膜的制备装置，尤其是稳定生长CVD金刚石膜的热丝电极，具体地说是一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置。

背景技术

化学气相沉积（简称CVD）金刚石的力学、热学、声学、电学、光学和化学等各项性能已经达到或接近天然金刚石的性能，在当今高科技领域具有广阔的应用前景。热丝CVD法制备金刚石膜具有生长速度较快、生长条件参数的控制要求不严、反应室压力范围较宽、成膜面积大、设备投资小、结构简单、能够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。采用热丝CVD法沉积金刚石膜时需要将沉积金刚石膜的衬底安放在衬底工作台上，为了获得均匀的衬底温度场，在衬底上制备出质量均匀的CVD金刚石膜，热丝列阵在制备过程中始终要求保持平直状态。在热膨胀和碳化作用下，热丝列阵在CVD金刚石膜制备过程中长度会增加，如不采取拉紧措施，热丝将会下垂，这样衬底接受的辐射能量就会不均匀，从而影响衬底温度场的均匀性，造成制备出的金刚石膜质量不均匀。目前解决这一问题的方法是采用弹簧拉热丝，使得热丝保持平直状态。采用弹簧拉热丝时会带来一些问题：

1.弹簧拉热丝的电极一般由固定电极和活动电极组成，由于在真空中不能对活动电极进行润滑，很小的弹簧力拉活动电极时容易出现别卡现象，别卡后活动电极移不了造成热丝弯曲。

2.活动电极冷却机构的结构复杂，冷却机构影响弹簧拉力，造成弹簧拉力不均匀。

3.由于热丝伸长量的不确定性，固定电极端和活动电极端热丝长度不一致，影响衬底温度场的均匀性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有CVD金刚石膜的沉积装置的热丝在真空高温状态下容易下垂导致沉积均匀性差，而现有的张紧装置结构复杂，调整不准确，容易卡丝等问题，设计一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置，利用在结构上完全一样的左右两电极在衬底工作台两边对称安装，这种结构简单的电极工作性能可靠，一方面可以使得热丝列阵在制备过程中始终保持平直状态，另一方面热丝在衬底两端的伸长量始终保持一致，使得衬底温度场保持均匀。利用该弹性张紧的金刚石膜生长电极沉积CVD金刚石膜时，CVD金刚石膜边缘和中部的质量基本一致。

本发明的技术方案是：

一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置，包括底板5和衬底工作台21，衬底工作台21安装在底板5上，热丝20位于衬底工作台21的上部，其特征是所述热丝20的两端固定在对应的左钼电极2和右钼电极3中，所述的左钼电极2和右钼电极3分别安装在对应的左弹性支架1和右弹性支架4的上端，所述的左弹性支架1和右弹性支架4的下端对称安装衬底工作台21两侧的底板5上；所述的左弹性支架1和右弹性支架4的弹性系数k(N/mm)与热丝20的数量n及热丝20的半径r满足以下关系k=1~3n·r²，其中r=0.1~1mm；左弹性支架1和右弹性支架4向内收缩后两端之间的距离Lmm与热丝的工作长度L₁mm之间应满足以下关系L₁=5+1.05 L。

所述的左弹性支架1由多片左弹簧片11叠加而成，左弹簧片11的下端通过绝缘垫6、螺钉7、绝缘套8、和垫片9与底板5连接；右弹性支架4与左弹性支架1具有相同的结构，它由多片右弹簧片30叠加而成，右弹簧片30通过绝缘垫35、螺钉32、绝缘套33、和垫片34与底板5连接。

所述的左钼电极2由左上钼压块17、左下钼压块18、左冷却板14、左电极板13组成，热丝20的左端通过螺钉19紧压在左上钼压块17和左下钼压块18之间，左钼电极2通过螺钉12连在左弹性支架1的左弹簧片11上；右钼电极3与左钼电极2具有相同结构，它由右上钼压块23、右下钼压块24、右冷却板29、右电极板27组成，热丝20右端通过螺钉22紧压在右上钼压块23和右下钼压块24之间，右钼电极3通过螺钉28连在右弹性支架4的右弹簧片30上。

所述的左弹性支架1和右弹性支架4的弹性系数由弹簧片的叠加数量调整；左弹性支架1和右弹性支架4之间的距离通过改变他们在底板5上的安装位置调整，以适应不同面积的工作台。

所述的热丝20呈空间列阵排布；并通过左电极板13和右电极板27加电流，与左电极板13和右电极板27连接的施加电流的导线为柔性的铜丝编织带。

所述的左钼电极2通过循环水冷却，2根带接头的金属软管10和中空的左冷却板14形成冷却水通道，金属软管10的接头和左冷却板14之间金属密封连接；右钼电极3通过循环水冷却，2根带接头的金属软管31和中空的右冷却板29形成冷却水通道，金属软管31的接头和右冷却板29之间金属密封连接。

所述的热丝20与衬底工作台21之间的距离可调，所述的衬底工作台21可通过一套升降机构来升降衬底工作台21进行调整。

本发明的有益效果：

1、采用本发明的弹性张紧的金刚石膜生长电极，在金刚石生长过程中热丝保持始终平直状态，由于左右两边电极结构对称，固定电极端和活动电极端热丝长度基本一致，衬底温度场的均匀性得到改善，沉积的CVD金刚石膜均匀性提高。

2、调整弹性支架的弹簧片的叠加数量调整获得合适的弹簧系数，在金刚石生长过程中热丝保持始终平直状态下未出现热丝被拉断问题。

3、灯丝列阵按圆柱面排布，通过施加衬底工作台旋转，利用本发明制备出了球冠金刚石膜。

4、本发明电极结构简单，制造成本低，不存在活动电极动密封问题，真空系统的可靠性增加。

5、调整左弹性支架和右弹性支架在底板上的安装位置，利用本发明制备出了大面积金刚石膜。

6、左、右冷却板内直接通入冷却水冷却，冷却板与压热丝的钼压块大面积直接接触，冷却效果好。

7、本发明通过大量实验得到了弹性装置的弹性系数与热丝数量、直径之间的关系，同时给出了使用过程中弹性装置应提前内缩的值。

附图说明

图1是本发明的张紧装置的结构示意图。

图中：1.左弹性支架、2.左钼电极、3.右钼电极、4.右弹性支架、5.底板、6.绝缘垫、7.螺钉、8.绝缘套、9.垫片、10.金属软管、11.弹簧片、12.螺钉、13.左电极板、14.左冷却板、15.螺钉、16.螺钉、17.左上钼压块、18.左下钼压块、19.螺钉、20.热丝（灯丝阵列）、21.工作台、22.螺钉、23.右上钼压块、24.右下钼压块、25.螺钉、26.螺钉、27.右电极板、28.螺钉、29.右冷却板、30.右冷却板、31.金属软管、32.螺钉、33.绝缘套、34.垫片、35.绝缘垫。

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所示。

一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置，它主要由左弹性支架1、左钼电极2、右钼电极3、右弹性支架4、热丝20（又可称为灯丝列阵）等部分构成，如图1所示，热丝20以及与其相连的左钼电极2、右钼电极3即构成本发明的电极，左弹性支架1由多片左弹簧片11叠加而成，左弹簧片11通过绝缘垫6、螺钉7、绝缘套8、和垫片9与底板5连接；右弹性支架4与左弹性支架1具有相同的结构，它由多片右弹簧片30叠加而成，右弹簧片30通过绝缘垫35、螺钉32、绝缘套33、和垫片34与底板5连接；左钼电极2由左上钼压块17、左下钼压块18、左冷却板14、左电极板13组成，热丝20左端通过螺钉19紧压在左上钼压块17和左下钼压块18之间，左钼电极2通过螺钉12连在左弹性支架1上，左下钼压块18通过螺钉16连接在左冷却板14上；右钼电极3与左钼电极2具有相同结构，它由右上钼压块23、右下钼压块24、右冷却板29、右电极板27组成，热丝20右端通过螺钉22紧压在右上钼压块23和右下钼压块24之间，右钼电极3通过螺钉28连在右弹性支架4上，右下钼压块24通过螺钉25连接在右冷却板30上；2根带接头的金属软管10和中空的左冷却板14形成冷却水通道，金属软管10的接头和左冷却板14之间金属密封连接，2根带接头的金属软管31和中空的右冷却板29形成冷却水通道，金属软管31的接头和右冷却板29之间金属密封连接；左电极板13通过螺钉15连接在左冷却板14，右电极板27通过螺钉26连接在右冷却板29上。具体实施时为了保证有足够的弹力和达到既防止热丝下降，又防止热丝过长造成浪费的问题，本发明的左弹性支架1和右弹性支架4的弹性系数可以根据弹簧片的叠加数量调整，使弹性系数k（N/mm）与热丝（20）数量n和半径r（mm）之间满足以下关系k=（1~3）n·r²(r=0.1~1mm)；安装热丝20时，为了使受热伸长后的热丝20始终处于经张紧状态，左弹性支架1和右弹性支架4的上端应向内收缩，收缩后的距离L与热丝20的工作长度L₁的关系应满足以下：L₁=5+1.05 L（单位为毫米）；左弹性支架1和右弹性支架4之间的距离通过改变他们在底板5上的安装位置调整，可以适应不同面积的工作台。此餐，热丝20还可以是空间排布的列阵，通过左电极板13和右电极板27加电流，与左电极板13和右电极板27连接的导线为柔性的铜丝编织带。所述的热丝（灯丝列阵）20与衬底工作台21的距离可以通过各种常见的升降机构来升降衬底工作台21进行调整。

下面通过一个实例来进一步说明本发明的装置对于改善沉积效果的优点。

在衬底21上安放直径120mm钼衬底，热丝阵列由20根直径0.6 mm热丝等间距在同一平面排列，热丝材料为W，热丝阵列上加热电流为400A，热丝温度为2600℃，反应气体为H₂和CH₄，成核时C:H=3%，生长时C:H=1.5%，生长50小时得到厚度为0.32mm的金刚石厚膜。生长过程中，采用测温机构测得衬底各点的平均温度为稳定在780℃左右，热丝阵列一直处于拉直状态，未出现下垂或断裂，制备出的金刚石厚膜中心和边缘的质量均匀一致。

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

1.一种金刚石膜生长电极弹性张紧装置，包括底板（5）和衬底工作台（21），衬底工作台（21）安装在底板（5）上，热丝（20）位于衬底工作台（21）的上部，其特征是所述热丝（20）的两端固定在对应的左钼电极（2）和右钼电极（3）中，所述的左钼电极（2）和右钼电极（3）分别安装在对应的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的上端，所述的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的下端对称安装在衬底工作台（21）两侧的底板（5）上；所述的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的弹性系数k与热丝（20）的数量n及热丝（20）的半径r满足以下关系k=（1~3）n·r²，其中r=0.1~1mm；左弹性支架（1）和右弹性支架（4）向内收缩后两端之间的距离L与热丝的工作长度L₁之间应满足以下关系L₁=5+1.05 L，其中k的单位为N/mm， L和 L₁的单位为mm。

2.根据权利要求1所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的左弹性支架（1）由多片左弹簧片（11）叠加而成，左弹簧片（11）的下端通过绝缘垫（6）、螺钉（7）、绝缘套（8）、和垫片（9）与底板（5）连接；右弹性支架（4）与左弹性支架（1）具有相同的结构，它由多片右弹簧片（30）叠加而成，右弹簧片（30）通过绝缘垫（35）、螺钉（32）、绝缘套（33）、和垫片（34）与底板（5）连接。

3.根据权利要求1所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的左钼电极（2）由左上钼压块（17）、左下钼压块（18）、左冷却板（14）、左电极板（13）组成，热丝（20）的左端通过螺钉（19）紧压在左上钼压块（17）和左下钼压块（18）之间，左钼电极（2）通过螺钉（12）连在左弹性支架（1）的左弹簧片（11）上；右钼电极（3）与左钼电极（2）具有相同结构，它由右上钼压块（23）、右下钼压块（24）、右冷却板（29）、右电极板（27）组成，热丝（20）右端通过螺钉（22）紧压在右上钼压块（23）和右下钼压块（24）之间，右钼电极（3）通过螺钉（28）连在右弹性支架（4）的右弹簧片（30）上。

4.根据权利要求1所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的左弹性支架（1）和右弹性支架（4）的弹性系数由弹簧片的叠加数量调整；左弹性支架（1）和右弹性支架（4）之间的距离通过改变它们在底板（5）上的安装位置调整，以适应不同面积的工作台。

5.根据权利要求3所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的热丝（20）呈空间列阵排布；并通过左电极板（13）和右电极板（27）加电流，与左电极板（13）和右电极板（27）连接的施加电流的导线为柔性的铜丝编织带。

6.根据权利要求1所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的左钼电极（2）通过循环水冷却，2根带接头的金属软管（10）和中空的左冷却板（14）形成冷却水通道，金属软管（10）的接头和左冷却板（14）之间金属密封连接；右钼电极（3）通过循环水冷却，2根带接头的金属软管（31）和中空的右冷却板（29）形成冷却水通道，金属软管（31）的接头和右冷却板（29）之间金属密封连接。

7.根据权利要求1所述的金刚石膜生长电极弹性张紧装置，其特征是所述的热丝（20）与衬底工作台（21）之间的距离可调。