CN104862670B - 一种热丝拉紧装置 - Google Patents

Abstract

一种热丝拉紧装置，属于机械滑动部件与装置，用于有效地防止热丝因加热而产生的伸长下垂。本发明包括盒体、滑轨，滑动板、支撑板、上端盖、左端盖、中间连接板、左端连接板、钼棒螺杆，滑轨、滑动板以及固定在滑动板上方的支撑板共同构成了滑动系统；使用时，所述左端盖通过螺栓与热丝沉积系统的腔体外壁连接，左端盖的左侧面朝向热丝沉积系统内腔。本发明利用简单的弹簧、滑道等机械部件以及铜片的温度特性，简单有效的实现了HFCVD系统中热丝在加热过程中自动拉紧的目的，不仅保证衬底材料附近温度场的稳定，而且提高了热丝的寿命。

Description

一种热丝拉紧装置

技术领域

本发明属于机械滑动部件与装置，具体涉及一种热丝拉紧装置，用于热丝化学气相沉积设备中克服热丝变形下垂。

背景技术

热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical Vapor Deposition，HFCVD)是一种利用热丝(或称灯丝)作为加热热源、以气体反应物作为原料在衬底(基体)材料表面沉积薄膜的工艺方法，非常适合沉积金刚石薄膜或直接沉积金刚石晶体。由于金刚石的形成条件十分苛刻，在HFCVD沉积金刚石过程中，碳源浓度、气体压力、热丝温度以及衬底温度等工艺参数，对金刚石薄膜的生长速率、形貌、结构和性能都有不同程度的影响，相关工艺参数稍有变化，会导致金刚石无法生成，其中衬底温度对沉积的金刚石质量和速率影响尤为显著。

目前HFCVD系统中的加热热丝主要是钨丝、钽丝和铼丝，钽丝和铼丝较为昂贵，在实际生产中一般选择钨丝作为加热热源。钨丝是比较好的加热载体，其熔点可达3400℃，具有合适的电阻。一般加热功率越大，热丝的工作温度也越高，普通HFCVD系统中钨丝的工作温度常在2000℃～2300℃之间，热丝的工作温度远超过钨丝的再结晶温度，此时，热丝在其自重的作用下，两电极之间的丝段将产生下垂现象，这将导致热丝与衬底材料之间的相对位置发生改变，从而影响反应腔内衬底材料附件温度场的改变，严重影响HFCVD沉积的金刚石质量和金刚石沉积速率。

因此，需要设计一种能够有效防止钨丝因加热而产生的伸长下垂的装置，使衬底附近温度场在反应过程中保持稳定，从而提高沉积的金刚石薄膜的质量和速率。

发明内容

本发明提供一种热丝拉紧装置，用于有效地防止热丝因加热而产生的伸长下垂。

本发明所提供的一种热丝拉紧装置，包括盒体、滑轨，滑动板、支撑板、上端盖、左端盖、中间连接板、左端连接板、钼棒螺杆，其特征在于：

所述盒体由四个侧面和底面连接构成，上端面敞开，盒体左侧面开有窗口，盒体右侧面装有穿过右侧面的套筒，套筒内孔具有内螺纹，调节螺杆旋入套筒与其螺纹配合；

所述滑轨通过滑轨垫板固定于盒体内底面上，滑轨上装有滑动板，两者构成滑动配合，所述支撑板固定在滑动板上，支撑板的右端和所述调节螺杆的左端之间通过弹簧连接；

所述上端盖通过螺栓连接于所述盒体上端面，将其封闭；

所述左端盖通过螺栓连接于所述盒体左侧面，左端盖上开有贯穿口，其位置与盒体左侧面的窗口对应；

所述中间连接板置于所述支撑板之上并受其制约而随其移动，中间连接板的左端穿过所述盒体左侧面的窗口及左端盖的贯穿口，与所述左端连接板的右端连接，所述左端连接板的左端开有螺纹孔，所述钼棒螺杆通过该螺纹孔与左端连接板螺纹连接，铜片电极通过螺母固定于钼棒螺杆的下端，钼棒螺杆的上端用于安装热丝架；

使用时，所述左端盖通过螺栓与热丝沉积系统的腔体外壁连接，左端盖的左侧面朝向热丝沉积系统内腔。

所述的热丝拉紧装置，其进一步特征在于：

所述支撑板的上表面自左向右具有凸出的左弧形导轨和右弧形导轨，左弧形导轨和右弧形导轨分别构成以所述左端连接板左端的螺纹孔中心为圆心的内圆弧和外圆弧；

所述中间连接板底面装有多个滚轮，它们的位置分别位于所述左弧形导轨右侧和右弧形导轨左侧，多个滚轮分别与左弧形导轨和右弧形导轨配合，使得中间连接板受所述支撑板的制约只能以钼棒螺杆的轴心为圆心沿左弧形导轨和右弧形导轨进行圆弧摆动；

所述中间连接板上固接平衡支撑条，平衡支撑条向右伸出中间连接板，平衡支撑条的右端套有两块相同的铜块，并用螺钉固定；每块铜块下部均具有通孔，所述弹簧穿过两块铜块上的通孔，弹簧左右两端分别连接支撑板和调节螺杆。

所述的热丝拉紧装置，其更进一步特征在于：

所述调节螺杆的杆身上开有环形沟槽，其内安装有调节螺杆密封圈，使得调节螺杆在左右移动的同时，保证装置的气密性；

所述上端盖和盒体上端面之间安装有上端盖密封圈；

所述左端盖和盒体左侧面之间安装有右侧盖密封圈，

使用时，左端盖与热丝沉积系统的腔体外壁之间安装有左侧密封圈，以保证整个热丝沉积系统的密封性要求。

所述左端盖内环绕其贯穿口可以开有矩形冷却孔，用于通入冷却水，以防止左侧密封圈和右侧密封圈因靠近高温反应腔体受热失效而导致系统泄露。

滑轨、滑动板以及固定在滑动板上方的支撑板共同构成了滑动系统，滑动板上方固定支撑板时，可增加合适厚度的垫片，以将支撑板调节到合适的高度；滑动系统通过支撑板、弹簧与调节螺杆连接，保证了热丝在其伸长方向上的平稳移动。旋转调节螺杆可以改变弹簧的初始位置，从而调节对热丝架的初始预紧力。

铜片电极端部与热丝沉积系统底座相接触，一方面作为导电电极，一方面可以控制弹簧对热丝的拉紧力，在沉积系统反应腔还未开始加热时，热丝不受热，不产生膨胀伸长现象，不需要弹簧提供过大的拉力，弹簧的拉力都施加在与热丝沉积系统底座相接触的铜片电极上，而此时因为铜片在低温条件下有一定的强度，不会产生变形和位移，所以承担来自弹簧的大部分拉力，热丝基本不受拉力，防止热丝受拉力过大而影响寿命；而当沉积系统反应腔开始工作，热丝温度逐渐升高，开始产生膨胀拉伸下垂现象，此时的铜片电极也因腔内温度升高而逐渐发生软化，其能够承受的弹簧的拉伸力逐渐变小，在弹簧的拉力下，铜片电极和热丝架将会一起延热丝伸长方向移动，将伸长下垂的热丝重新拉直。

支撑板、中间连接板、平衡支撑条及两块铜块构成了摆动结构，中间连接板受所述支撑板的制约只能以钼棒螺杆的轴心为圆心沿左弧形导轨和右弧形导轨进行圆弧摆动；

当摆动结构摆动的时候，连接在平衡支撑条尾部的两块相同的铜块通过其自身的重力，对整体摆动结构产生与其摆动方向相反的一个阻力，从而使整体摆动结构的摆幅不至于过大而造成装置的震动和不稳定性。

摆动结构有如下两个作用：

第一，在当沉积系统开始工作，腔体内热丝开始发热，在热丝架上排列的多根热丝，在受热膨胀的时候，由于各部分的膨胀程度不尽相同，使热丝架在长度方向的变形不一致；并且由于铜片电极受热变软，受弹簧的拉伸力而发生位移，使热丝架的位置发生变化。由于开始安装热丝架时的装配误差，使热丝架的中心与中间连接板的中心不在一条轴线上，导致热丝架所受的拉伸力并不全部都在其拉伸方向上，而有垂直于拉伸方向的分力，进而给滑动导轨的滑动造成了一定的阻碍。这种能够整体摆动的结构，则解决了上述问题。当热丝架的中心与中间连接板的中心不在一条轴线上，导致热丝架所受的力不全在拉伸方向上时，通过整体的摆动将垂直于拉伸方向的分力平衡掉，从而使滑动导轨在滑动的时候只有滑动方向的力，使装置在不受阻碍的情况下能够自由的拉伸热丝。

第二，由于该摆动结构的整体是绕以钼棒螺杆的轴心为圆心的圆弧进行摆动，而热丝架也固定在钼棒螺杆上，也就是当该摆动结构整体摆动时，热丝架不会随之摆动，从而防止了因热丝架的摆动而导致热丝的排列位置发生改变，从而间接影响衬底材料附近温度场的稳定性。

在装置中容易引起泄露的地方都可以安装有密封件，以避免与反应腔连接后发生泄露。

本发明不涉及电机和自动控制系统，利用简单的弹簧、滑道等机械部件，并且巧妙的利用了铜片的温度特性，简单有效的实现了热丝在加热过程中自动拉紧的目的，节约了制造成本；在HFCVD系统中可随着反应的进行实时地调节对热丝的拉紧力，从而使热丝在加热过程中一直保持拉紧状，而又不至于承受过大的拉力而被拉断，因此不仅保证衬底材料附近温度场的稳定，而且提高了热丝的寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一主视图的半剖视图；

图2为图1俯视图的剖视图；

图3为图1侧视图；

图4为本发明实施例二主视图的半剖视图；

图5为实施例二中支撑板的俯视图；

图6为本发明与热丝架连接的俯视图；

图7本发明与热丝架连接的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的实施例一，包括盒体10、滑轨20，滑动板22、支撑板23、上端盖13、左端盖14、中间连接板30、左端连接板31、钼棒螺杆40，其特征在于：

所述盒体10由四个侧面和底面连接构成，上端面敞开，盒体10左侧面开有窗口，盒体10右侧面装有穿过右侧面的套筒11，套筒11内孔具有内螺纹，调节螺杆12旋入套筒11与其螺纹配合；

所述滑轨20通过滑轨垫板21固定于盒体10内底面上，滑轨20上装有滑动板22，两者构成滑动配合，所述支撑板23固定在滑动板22上，支撑板23的右端和所述调节螺杆12的左端之间通过弹簧15连接；

所述上端盖13通过螺栓连接于所述盒体10上端面，将其封闭；

所述左端盖14)通过螺栓连接于所述盒体10左侧面，左端盖14上开有贯穿口14C，其位置与盒体左侧面的窗口对应；

所述中间连接板30置于所述支撑板23之上并受其制约而随其移动，中间连接板30的左端穿过所述盒体左侧面的窗口及左端盖14的贯穿口，与所述左端连接板31的右端连接，所述左端连接板31的左端开有螺纹孔31A，所述钼棒螺杆40通过该螺纹孔与左端连接板31螺纹连接，铜片电极41通过螺母固定于钼棒螺杆40的下端，钼棒螺杆40的上端用于安装热丝架；

使用时，所述左端盖14通过螺栓与热丝沉积系统的腔体外壁连接，左端盖14的左侧面朝向热丝沉积系统内腔。

本发明的实施例二，如图4所示，其组成和结构与实施例一基本相同，区别之处在于：

所述支撑板23的上表面自左向右具有凸出的左弧形导轨23A和右弧形导轨23B，如图5所示，左弧形导轨23A和右弧形导轨23B分别构成以所述左端连接板31左端的螺纹孔31A中心为圆心的内圆弧和外圆弧；

所述中间连接板30底面装有多个滚轮30A，它们的位置分别位于所述左弧形导轨右侧和右弧形导轨左侧，多个滚轮30A分别与左弧形导轨和右弧形导轨配合，使得中间连接板30受所述支撑板23的制约只能以钼棒螺杆40的轴心为圆心沿左弧形导轨和右弧形导轨进行圆弧摆动；

所述中间连接板30上固接平衡支撑条32，平衡支撑条32向右伸出中间连接板30，平衡支撑条32的右端套有两块相同的铜块50，并用螺钉固定；每块铜块50下部均具有通孔，所述弹簧15穿过两块铜块50上的通孔，弹簧15左右两端分别连接支撑板23和调节螺杆12。

分别如图1、图4所示，上述实施例一、实施例二中，所述调节螺杆12的杆身上开有环形沟槽，其内安装有调节螺杆密封圈12A，使得调节螺杆12在左右移动的同时，保证装置的气密性；

所述上端盖13和盒体10上端面之间安装有上端盖密封圈13A；

所述左端盖14和盒体10左侧面之间安装有右侧密封圈14A，

使用时，左端盖14与热丝沉积系统的腔体外壁之间安装有左侧密封圈14B，以保证整个热丝沉积系统的密封性要求。

分别如图1、图3、图4所示，上述实施例一、实施例二中，所述左端盖14内环绕其贯穿口14C开有矩形冷却孔14D，用于通入冷却水，以防止左侧密封圈14B和右侧密封圈14A因靠近高温反应腔体受热失效而导致系统泄露。

如图6、图7所示，本发明用于热丝沉积系统时，所述左端盖14通过螺栓与热丝沉积系统的腔体外壁连接，左端盖的左侧面朝向热丝沉积系统内腔。钼棒螺杆40的上端用于安装热丝架60；热丝架60由左侧钼片夹61、右侧钼片夹62和多条热丝63构成，多条热丝63被平行地夹持于左侧钼片夹61、右侧钼片夹62之间，左侧钼片夹61上还连接有正极电极64。

Claims (4)

1.一种热丝拉紧装置，包括盒体(10)、滑轨(20)，滑动板(22)、支撑板(23)、上端盖(13)、左端盖(14)、中间连接板(30)、左端连接板(31)、钼棒螺杆(40)，其特征在于：

所述盒体(10)由四个侧面和底面连接构成，上端面敞开，盒体(10)左侧面开有窗口，盒体(10)右侧面装有穿过右侧面的套筒(11)，套筒(11)内孔具有内螺纹，调节螺杆(12)旋入套筒(11)与其螺纹配合；

所述滑轨(20)通过滑轨垫板(21)固定于盒体(10)内底面上，滑轨(20)上装有滑动板(22)，两者构成滑动配合，所述支撑板(23)固定在滑动板(22)上，支撑板(23)的右端和所述调节螺杆(12)的左端之间通过弹簧(15)连接；

所述上端盖(13)通过螺栓连接于所述盒体(10)上端面，将其封闭；

所述左端盖(14)通过螺栓连接于所述盒体(10)左侧面，左端盖(14)上开有贯穿口(14C)，其位置与盒体左侧面的窗口对应；

所述中间连接板(30)置于所述支撑板(23)之上并受其制约而随其移动，中间连接板(30)的左端穿过所述盒体左侧面的窗口及左端盖(14)的贯穿口，与所述左端连接板(31)的右端连接，所述左端连接板(31)的左端开有螺纹孔(31A)，所述钼棒螺杆(40)通过该螺纹孔与左端连接板(31)螺纹连接，铜片电极(41)通过螺母固定于钼棒螺杆(40)的下端，钼棒螺杆(40)的上端用于安装热丝架；

使用时，所述左端盖(14)通过螺栓与热丝沉积系统的腔体外壁连接，左端盖(14)的左侧面朝向热丝沉积系统内腔。

2.如权利要求1所述的热丝拉紧装置，其特征在于：

所述支撑板(23)的上表面自左向右具有凸出的左弧形导轨(23A)和右弧形导轨(23B)，左弧形导轨(23A)和右弧形导轨(23B)分别构成以所述左端连接板(31)左端的螺纹孔(31A)中心为圆心的内圆弧和外圆弧；

所述中间连接板(30)底面装有多个滚轮(30A)，它们的位置分别位于所述左弧形导轨右侧和右弧形导轨左侧，多个滚轮(30A)分别与左弧形导轨和右弧形导轨配合，使得中间连接板(30)受所述支撑板(23)的制约只能以钼棒螺杆(40)的轴心为圆心沿左弧形导轨和右弧形导轨进行圆弧摆动；

所述中间连接板(30)上固接平衡支撑条(32)，平衡支撑条(32)向右伸出中间连接板(30)，平衡支撑条(32)的右端套有两块相同的铜块(50)，并用螺钉固定；每块铜块(50)下部均具有通孔，所述弹簧(15)穿过两块铜块(50)上的通孔，弹簧(15)左右两端分别连接支撑板(23)和调节螺杆(12)。

3.如权利要求1或2所述的热丝拉紧装置，其特征在于：

所述调节螺杆(12)的杆身上开有环形沟槽，其内安装有调节螺杆密封圈(12A)，使得调节螺杆(12)在左右移动的同时，保证装置的气密性；

所述上端盖(13)和盒体(10)上端面之间安装有上端盖密封圈(13A)；

所述左端盖(14)和盒体(10)左侧面之间安装有右侧密封圈(14A)，

使用时，左端盖(14)与热丝沉积系统的腔体外壁之间安装有左侧密封圈(14B)，以保证整个热丝沉积系统的密封性要求。

4.如权利要求3所述的热丝拉紧装置，其特征在于：

所述左端盖(14)内环绕其贯穿口(14C)开有矩形冷却孔(14D)，用于通入冷却水，以防止左侧密封圈(14B)和右侧密封圈(14A)因靠近高温反应腔体受热失效而导致系统泄露。