CN102560427A - 一种真空镀膜设备中的冷却挡板装置 - Google Patents

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李文帅
相炳坤
朱其豹
庆振华
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Abstract

本发明公开了一种真空镀膜设备中的冷却挡板装置，包括底板，其特征在于：还包括挡板腔体及与挡板腔体联通的挡板连杆，挡板连杆与挡板腔体内设置冷却循环装置，所述挡板连杆的杆身动密封设置在底板上。本装置由于阻挡制备初期非超硬膜在基底上的沉积，因而提高了超硬膜成核密度，提高了膜基附着力，并减小了所制备超硬膜的内应力，提高了其机械性能。

Description

一种真空镀膜设备中的冷却挡板装置
技术领域
本发明涉及一种冷却挡板装置，特别是一种在真空镀膜设备中使用的冷却挡板装置。
背景技术
在金刚石薄膜及其他超硬膜（立方氮化硼、氮化碳等）的沉积方法中，热丝化学气相沉积法（HFCVD）、等离子体喷射化学气相沉积法（P jet CVD）是化学气相沉积方法（CVD）中几种重要的沉积方法。上述两种沉积超硬膜的方法中，由于一些金属杂质和含石墨碳键的基团沉积到基底表面，生成一层非金刚石成分的薄膜，会减低金刚石薄膜或其他超硬膜的成核密度，基底表面会生长一层非超硬膜或含其他电极材料杂质的膜，这会降低膜基结合力、膜纯度，并对制备超硬膜薄膜的机械性能产生不利影响。
在HFCVD中，主要采用两种方法来降低杂质不利影响：一是采用热丝碳化后再放入基底进行沉积，但热丝碳化后会变脆，极易断丝，因而这种方法极少采用；二是在热丝碳化阶段将基底与热丝间距调大，减小落到基底上的杂质数量，但仍然在基底上沉积含有金属及大量石墨碳键的非金刚石膜。在P jet CVD中，主要采用在引弧阶段时加大基底与阳极间距来减小落到基底上的杂质数量。上述加大基底与阳极距离的方法只是减少了非金刚石成分的膜的厚度，稍许减轻了对制备高质量薄膜的影响，但是在生长高质量、高纯度的金刚石膜、立方氮化硼膜、氮化碳膜等其他超硬膜仍会产生非常不利的影响。
发明目的
本发明的目的是，设计一种真空镀膜设备中的冷却挡板，阻挡在超硬膜成核生长前非金刚石或其他超硬膜成分在基底表面沉积，以提高薄膜的成核密度和质量。
本发明所采用的技术方案是：
一种真空镀膜设备中的冷却挡板装置，包括底板，还包括挡板腔体及与挡板腔体连通的挡板连杆，挡板连杆与挡板腔体内设置冷却循环装置，所述挡板连杆的杆身动密封设置在底板上。
所述冷却循环装置包括介质循环管路以及冷却循环介质，所述介质循环管路包括进介质管和出介质管，进介质管与出介质管的两个管口通过挡板连杆密封伸进挡板腔体，且进介质管伸入挡板腔体的长度较出介质管长。
还包括转动平移控制机构，该转动平移机构设置在挡板连杆的一端。
所述挡板腔体包括上挡板以及下挡板，上、下挡板材料为不锈钢板。
所述上、下挡板上设置一层耐高温金属板。
本发明的有益效果为：
通过在镀膜设备中添加冷却挡板装置，在超硬膜制备过程中初期不稳定的阶段，使等离子激发源和基底隔开一段时间，避免等离子激发源部位的金属杂质及大量石墨碳键沉积在基底上，导致超硬膜在沉积过程中的成核阶段的成核质量变差；加上冷却挡板装置后，能有效避免金属杂质及大量石墨碳键在基底上沉积，提高了超硬膜成核密度及膜均匀性，增大了膜基附着力，减少了薄膜中的内应力，降低了制备的薄膜材料裂纹产生的概率。
附图说明
图 1 为本发明冷却挡板装置的构造示意图；
图 2 为热丝化学气相沉积法反应腔及其挡板设计的示意图；
图 3 为等离子体喷射化学气相沉积法反应腔及其挡板设计的示意图。
图中：1，反应腔；2，热丝；3，基底；4，支撑台；5，冷却挡板装置；6，转动平移控制机构；7，进气口；8，直流电源；9，热电偶；10，压力计；11，冷却循环介质；12，阀门；13，真空；14，反应腔；15，等离子炬；16，引弧气体；17，反应气体；18，观察窗凸台；19，冷却循环介质；20，等离子体弧焰；21，冷却循环介质；22，上挡板；23，下挡板；24，密封薄板；25，挡板连杆；26，进介质管；27，出介质管； 28，密封圈；29，底板；30，冷却循环介质。
具体实施方式
使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明内容作进一步详细说明，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在超硬薄膜沉积中，化学气相沉积是其中沉积质量和速率较高、经常使用的方法，热丝化学气相沉积法、等离子体喷射化学气相沉积法是化学气相沉积方法中重要的沉积方法。在HFCVD法沉积中，由于热丝在沉积之前一般要采取碳化工艺，但是在热丝完全碳化之前，会有金属杂质、大量石墨碳键沉积基底表面，对后续金刚石膜成核和生长带来非常不利的影响；等离子喷射制备金刚石膜初期，由于引弧初期阳极及附近部位有颗粒状的杂质落下，可以明显观察到落下的杂质在基底上发出明亮的光；这些沉积方法在初期落到基底上的杂质使薄膜成核密度减小，使制备的薄膜材料膜基附着力降低，内应力增大，裂痕增多，从而降低了沉积所得薄膜的质量。
基于上述问题，本发明从阻挡金属杂质及石墨碳键沉积在基底上这一环节入手，解决薄膜沉积成核初期由上述原因引起的成核密度底、膜基附着力差的问题。具体的，设计一种真空镀膜设备中的冷却挡板，在沉积初期等离子激发源上杂质被挡板遮住，并对挡板采用循环介质（液体、气体或其他方式）冷却，防止等离子激发源热辐射造成挡板温度过高烧坏，尤其是在直流等离子体喷射装置中等离子温度大约在4000°C左右，当等离子激发源状态稳定，观察没有明亮的颗粒落到挡板后1分钟内将冷却挡板移开，然后正常工艺进行薄膜沉积。
本发明提供了在所述CVD沉积方法中挡板的使用顺序和方法以及挡板的结构。
图 1 是本发明冷却挡板装置构造示意图，两个不锈钢板用薄板通过氩弧焊焊在一起，保证钢板之间是密封的，且有良好的循环空间，在密封薄板24上钻两个孔，将挡板连杆25通过接头焊接在侧壁上；如果等离子激发源温度比较高，不锈钢板熔点较低，可以采用在上不锈钢挡板上粘接耐高温的金属板，例如钼、钨材料等其他耐高温材料；转动平移控制机构6采用挡板连杆25通过动密封结构连接在底板上，并可以方便地转动，使挡板完全移开等离子激发源，并可以上下方向沉降，完全不影响反应腔内的气流；进介质管26、出介质管27可接在挡板连杆内，进介质管26通进挡板内长度要长一些，与出介质管27组合在一起构成冷却循环；挡板面积要大于基底面积，并且转动时不影响反应腔气流；挡板空间结构的布局设计以具体设备为准。挡板的形状任意，但必须大于基底的面积，在热丝阵列中可以采用长方形的挡板。
实施例1，如图 2，为HFCVD设备反应腔及其挡板设计的示意图，在HFCVD法沉积金刚石膜或其他超硬膜中，首先将设备开机，打开机械泵抽到要求的真空度，通入冷却循环水，同时一路循环冷却水通入挡板，使其进行循环。在热丝2（钨丝、钽丝等）进行通电之前调节挡板移动装置将挡板移至完全遮蔽基底的位置，然后打开电源，对热丝进行通电加热，并通入反应气体，观察热丝电流电压变化，热丝碳化后电压电流与未碳化之前不同，据此，当电流变化至碳化电流时，通过观察窗观察热丝状态稳定后1分钟内慢慢将挡板移至不遮挡基底的位置，移动方式可以采取抽拉式将挡板抽至不遮挡热丝及不影响反应腔温度场、流场的位置，或可以采用在挡板上转动的方式将挡板转动，然后将挡板下降到要求的位置，然后按照正常工艺进行薄膜的沉积。
实施例2，图 3，P jet CVD设备及反应腔其挡板设计的示意图，在此法沉积超硬膜中，首先开机，按下支撑台4升降按钮，调整基底3到等离子炬15下部阳极喷嘴的距离约40mm左右，打开磁场，调节主电流至要求的工艺参数范围，开机械泵，预抽系统真空，系统真空压力1000Pa以下时，依次开制冷机组及泵；然后通过转动平移控制机构6将挡板移至完全遮蔽基底3的位置；关闭配气柜排气阀门，向系统内充氩气，泵压到10KPa左右，打开配气柜阀门，接通主电源，打开氢气阀控，立即按下引弧按钮，引燃电弧，此时铜阳极附近的金属杂质会随着等离子体弧焰20而落下到挡板上，观察等离子状态及阳极是否继续有金属杂质落下，待等离子稳定，观察不再有明显杂质落下后，将挡板慢慢移开，与实施例1相同，移开挡板的方式可以采用抽拉式或旋转沉降的方式，但不能影响反应腔内的温度场及流场，再通入反应气体，按照沉积超硬膜正常工艺参数进行薄膜沉积。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的情况下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种真空镀膜设备中的冷却挡板装置，包括底板，其特征在于：还包括挡板腔体及与挡板腔体连通的挡板连杆，挡板连杆与挡板腔体内设置冷却循环装置，所述挡板连杆的杆身动密封设置在底板上。
2.如权利要求1所述真空镀膜设备中的冷却挡板装置，其特征在于：所述冷却循环装置包括介质循环管路以及冷却循环介质，所述介质循环管路包括进介质管和出介质管，进介质管与出介质管的两个管口通过挡板连杆密封伸进挡板腔体，且进介质管伸入挡板腔体的长度较出介质管长。
3.如权利要求1或2所述真空镀膜设备中的冷却挡板装置，其特征在于：还包括转动平移控制机构，该转动平移机构设置在挡板连杆的一端。
4.如权利要求3所述真空镀膜设备中的冷却挡板装置，其特征在于：所述挡板腔体包括上挡板以及下挡板，上、下挡板材料为不锈钢板。
5.如权利要求4所述真空镀膜设备中的冷却挡板装置，其特征在于：所述上、下挡板上设置一层耐高温金属板。
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