CN108505019B - 热丝夹具与热丝沉积设备及其应用与利用其得到的器具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热丝夹具与热丝沉积设备及其应用与利用其得到的器具，涉及热丝气相沉积技术领域，该热丝夹具，包括夹具支架，所述夹具支架上设有两基本平行设置的热丝承载棒，所述热丝承载棒表面罩设有保护罩，所述保护罩上设有用于使热丝穿设后与所述热丝承载棒接触的开孔，以缓解现有热丝夹具在沉积过程中易于在热丝承载棒上沉积金刚石薄膜导致沉积过程温度场分布不均，沉积工艺过程稳定性差，产品质量不稳定的技术问题，达到了提高温度场均匀性和提高产品质量稳定性的技术效果。

Description

热丝夹具与热丝沉积设备及其应用与利用其得到的器具

技术领域

本发明涉及热丝气相沉积技术领域，尤其是涉及一种热丝夹具与热丝沉积设备及其应用与利用其得到的器具。

背景技术

热丝化学气相沉积法制备金刚石薄膜的基本原理如下：碳源(如甲烷、丙酮等)和氢气的混合气体通过金属热丝，在由热丝形成的高温领域内分解出甲基和氢原子，并在一定的压力下，大量的甲基与一定温度的合金衬底作用以及甲基之间发生复杂的复合反应，生成各种sp、sp2和sp3杂化的碳氢基团。由于氢原子对sp2键结构碳有很强的刻蚀作用，因而抑制了石墨的生成；同时氢原子对sp3键结构碳的刻蚀作用较小，且具有一定的稳定作用，所以最终沉积在衬底上的是热力学不稳定的金刚石，而非热力学稳定的石墨，进而在衬底表面形成不连续的金刚石晶核。要得到品质良好的金刚石薄膜需要在合适的温度以及稳定的温度场下裂解混合气体产生氢原子以及各种碳氢基团。而温度场主要受到热丝布置、设备功率及冷却条件的影响，合理的热丝布置方式、热丝间距以及样品衬底间距能够在满足金刚石薄膜沉积生长的条件下，降低生产成本，提高生产效率。

在沉积过程中发明人发现，目前现有的热丝夹具中，利用夹具支架固定热丝，用夹具支架上的热丝承载棒为热丝提供电流，而现有的热丝夹具在多次使用后，会在热丝承载棒上沉积金刚石薄膜，而金刚石薄膜属于不导电材料，因此，会影响热丝承载棒与热丝之间电流的导通，导致不同热丝之间的电流大小不一致，进而影响温度场的分布；另一方面，由于热丝承载棒表面沉积的金刚石薄膜的厚度不均，也会造成不同位置的热丝上通过的电流不同，其发热量就会不同，进而导致温度场分布不均匀，因此，上述问题最终会导致沉积工艺过程的稳定性差，不同批次产品的质量存在较大差异。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种热丝夹具，以缓解现有热丝夹具在沉积过程中易于在热丝承载棒上沉积金刚石薄膜导致沉积过程温度场分布不均，沉积工艺过程稳定性差，产品质量不稳定的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种热丝沉积设备，利用该热丝沉积设备在进行沉积时，其温度场更为均匀，沉积过程稳定性好，且同批次产品的质量一致性高。

本发明的第三目的在于提供一种上述热丝夹具和热丝沉积设备的用途。

本发明的第四目的在于提供一种利用上述热丝沉积设备沉积得到的器具。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种热丝夹具，包括夹具支架，所述夹具支架上设有两基本平行设置的热丝承载棒，所述热丝承载棒表面罩设有保护罩，所述保护罩上设有用于使热丝穿设后与所述热丝承载棒接触的开孔。

进一步的，所述开孔为细长孔，所述开孔的长度方向基本垂直于两平行热丝承载棒的轴线组成的平面；

优选地，所述保护罩为长方形套筒或正方形套筒；

优选地，所述保护罩为钼质保护罩。

进一步的，所述夹具支架包括依次基本平行间隔设置的第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆，所述第一热丝固定杆可沿所述第一热丝承载棒的垂线方向移动；可选地，所述第二热丝固定杆可沿所述第二热丝承载棒的垂线方向移动。

进一步的，所述第一热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第一热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间；

优选地，所述第二热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第二热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间。

进一步的，所述热丝夹具包括：

多根热丝平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，且与所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触；以及，

弹簧，两端分别固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，并与所述热丝平行；

优选地，所述弹簧至少为两根，且对称设置于所述热丝组的两侧。

进一步的，所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒之间设有绝缘支撑杆；

优选地，所述绝缘支撑杆为陶瓷杆。

进一步的，所述第一热丝固定杆和所述第二热丝固定杆上均设有用于缠绕固定热丝的圆柱。

一种热丝沉积设备，包括上述热丝夹具。

如上述热丝夹具或上述热丝沉积设备在热丝化学气相沉积法中的应用。

一种利用上述热丝沉积设备进行化学气相沉积得到的具有涂层结构的器具，如金刚石涂层刀具。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的热丝夹具包括用于固定热丝的夹具支架，夹具支架上设有两基本平行的热丝承载棒，当热丝固定于夹具支架后，该热丝承载棒与热丝接触并用于对热丝提供电流。在热丝承载棒表面罩设保护罩，同时，保护罩上设有用于使热丝穿设后与热丝承载棒接触的开孔，增设该结构的保护罩后既可以使热丝与热丝承载棒保持原有的接触状态，又可以有效防止碳源在热丝承载棒表面沉积形成金刚石薄膜层，从而使从热丝承载棒传导至每根热丝的电流保持较高的一致性，有效保证热丝沉积过程中温度场分布均匀，进而可以提高热丝沉积工艺过程的稳定性，同时提高产品质量的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式的夹具支架的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的热丝夹具的结构示意图；

图3为图2所示结构的侧视图。

图标：10-夹具支架；101-热丝承载棒；1011-第一热丝承载棒； 1012-第二热丝承载棒；102-保护罩；1021-开孔；103-第一热丝固定杆；104-第二热丝固定杆；105-导轨；106-钼质螺丝；107-绝缘支撑杆；108-圆柱；109-电极连接孔；20-热丝；30-弹簧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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发明中的具体含义。

如图1-3所示，本实施例是一种热丝夹具，包括夹具支架10，夹具支架10上设有两基本平行设置的热丝承载棒101，热丝承载棒 101表面罩设有保护罩102，保护罩102上设有用于使热丝穿设后与热丝承载棒101接触的开孔1021。

本实施例提供的热丝夹具包括用于固定热丝的夹具支架10，夹具支架10上设有两基本平行的热丝承载棒101，当热丝20固定于夹具支架10后，该热丝承载棒101与热丝20接触并用于对热丝20提供电流。在热丝承载棒101表面罩设保护罩102，同时，保护罩102 上设有用于使热丝20穿设后与热丝承载棒101接触的开孔1021，增设该结构的保护罩102后既可以使热丝20与热丝承载棒101保持原有的接触状态，又可以有效防止碳源在热丝承载棒101表面沉积形成金刚石薄膜层，从而使从热丝承载棒101传导至每根热丝20的电流保持较高的一致性，有效保证热丝沉积过程中温度场分布均匀，进而可以提高热丝沉积工艺过程的稳定性，同时提高产品质量的稳定性。

其中，两热丝承载棒101基本平行设置，是指两热丝承载棒101 之间在可测量的范围内保持平行状态，例如，其平行误差可以控制在 0-1°范围内。

保护罩102的材质和形貌没有特殊的要求，只要能够将热丝承载棒101包裹住且不影响热丝与热丝承载棒101之间的接触即可。同样，保护罩上的开孔1021的位置及大小也要确保不影响热丝20与热丝承载棒101之间的接触。其中，每根热丝20对应一个开孔1021，可以防止开孔面积过多造成较多的碳源气体进入保护罩102内部。

如图1所示，本实施例中的开孔1021为细长孔，其长度方向基本垂直于两平行热丝承载棒101的轴线组成的平面。其中，本实施例中的细长孔例如为长宽比大于等于3的孔。而基本垂直是指开孔的长度方向与两平行热丝承载棒的轴线组成的平面的夹角角度可以为85-95°，例如，85°、87°、90°、92°或95°。

由于在热丝沉积过程中，碳源气体的流动方向也基本垂直于两平行热丝承载棒101的轴线组成的平面，因此，该细长孔的设计方向和碳源气体的流动方向基本平行，可以最大限度地减少进入保护罩102 内部的碳源量，以防止碳源气体在热丝承载棒101表面沉积。热丝承载棒101的表面均设有保护罩102，图1中，为了能够在图中显示热丝承载棒101的位置，在图1中，仅有一根热丝承载棒上罩设有保护罩102，但是这并不说明本发明的热丝夹具中只有一根热丝承载棒上罩设有保护罩。

为了便于加工制造且方便实现细长孔的设计，保护罩102可以设计为长方形套筒或正方形套筒结构，相应地，该结构的保护罩的横截面为长方形或正方形。同时，该保护罩102为钼质保护罩。

具体的，结合图1和图2，本实施例中的夹具支架10包括依次基本平行间隔设置的第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104，其中，第一热丝承载棒 1011和第二热丝承载棒1012表面均罩设有保护罩102，图2中，为了显示热丝和热丝承载棒之间的位置关系，未画出保护罩。第一热丝固定杆103可沿第一热丝承载棒1011的垂线方向移动；此时，第二热丝固定杆104与第二热丝承载棒1012之间可以相对固定，或第二热丝固定杆104可沿第二热丝承载棒1012的垂线方向移动。

其中，第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104基本平行设置，是指第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104之间在可测量的范围内保持平行状态，例如，其平行误差可以控制在0-1°范围内。

继续参照图2和图3，热丝夹具除包括夹具支架10外，还包括：

多根热丝20平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于第一热丝固定杆103与第二热丝固定杆104，且与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012接触；以及，

弹簧30，两端分别固定连接于第一热丝固定杆103与第二热丝固定杆104，并与热丝20平行。

该热丝夹具中，第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104依次间隔设置，热丝20 固定于第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104之间，且与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012接触，同时，弹簧30的两端也分别固定连接于第一热丝固定杆103与第二热丝固定杆104之间，并与热丝20平行，此时，弹簧30处于压缩状态。

沉积时对第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012通电，在第一热丝承载棒1011、热丝20和第二热丝承载棒1012之间形成电路，热丝20通电后发热为热丝化学气相沉积工艺过程提供温度场从而实现沉积。在热丝发热的过程中，热丝20会产生一定的形变。当第二热丝固定杆104与第二热丝承载棒1012之间相对固定时，弹簧 30在回弹力的作用下推动第一热丝固定杆103沿第一热丝承载棒 1011的垂线方向移动，并远离第一热丝承载棒1011，从而使热丝20 与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012始终保持良好接触；由于不同热丝20同时固定于第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆 104上，因此，不同热丝20之间可以保持相同的形变和受力，进而使热丝夹具产生的温度场保持较好的一致性。该实施例的热丝夹具是采用弹簧30去控制第一热丝固定杆103的移动，使得热丝20之间保持一致的张紧力，从而得到更为均匀的温度场。当第二热丝固定杆 104可沿第二热丝承载棒1012的垂线方向移动时，弹簧30会以同样的作用方式作用于第二热丝固定杆104，使其沿第二热丝承载棒1012 的垂线方向移动。

第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012设置在第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104之间，使用时通过第一热丝承载棒 1011和第二热丝承载棒1012为热丝20通电，此时，第一热丝固定杆103和第一热丝承载棒1011以及第二热丝固定杆104和第二热丝承载棒1012之间的热丝是断路装态，该部分的热丝不会产生热量。

本实施方式中并未对第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒 1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104的材质做出限定，只要能在热丝化学气相沉积中使用即可。例如，在本发明的一些实施方式中，第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012和第二热丝固定杆104均采用钼制材料制作而成。弹簧30 为耐高温弹簧，针对沉积涂层的不同，热丝工艺中的温度不同，选用的耐高温弹簧的材质不同，即在热丝化学气相沉积的工艺制程中，弹簧30不会发生熔融等问题。

弹簧30要与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012分离，不可以与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012接触，也就是说，弹簧30所在的平面不同于由第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012组成的平面。为了使弹簧30与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012分离，热丝20与弹簧30分布于第一热丝承载棒 1011和第二热丝承载棒1012的不同侧，此时第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104组成的平面以及第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012组成的平面不在用一平面内，热丝20拉紧后与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012接触，弹簧30与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012分离。

其中，第一热丝固定杆103可沿第一热丝承载棒1011的垂线方向移动，能够实现该功能的连接方式有多种，例如在第一热丝承载棒 1011上设置滑槽，使第一热丝固定杆103在滑槽内移动，但是需要使第一热丝固定杆103和第一热丝承载棒1011之间处于绝缘状态；又例如，可以在第一热丝承载棒1011上垂直连接有两根导轨105，第一热丝固定杆103滑动安装于导轨105之间。例如，导轨105与第一热丝承载棒1011采用钼质螺丝106进行连接。第一热丝固定杆103 可以沿着导轨105移动。第一热丝固定杆103在弹簧30的回弹力作用下可以朝着远离第一热丝承载棒1011的方向移动，另外，第一热丝固定杆103还可以在热丝20的拉紧力的作用下朝着靠近第一热丝承载棒1011的方向移动。

同样，第二热丝固定杆104可沿第二热丝承载棒1012的垂线方向移动。第二热丝承载棒1012上垂直连接有两根导轨105，第二热丝固定杆104滑动安装于导轨105之间。例如，导轨105与第二热丝承载棒1012采用钼质螺丝106进行连接。

参照图2和图3，导轨105存在一定的弯曲，以使第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104组成的平面以及第一热丝承载棒1011 和第二热丝承载棒1012组成的平面不在用一平面内，保证弹簧30 与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012不接触。

第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012之间设有绝缘支撑杆107。设置绝缘支撑杆107既有利于第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012之间的安装定位，还可以使热丝夹具的结构更稳定，同时使第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012之间处于绝缘状态。该实施方式中，绝缘支撑杆107为陶瓷支撑杆，陶瓷支撑杆例如可以通过钼质螺丝106与分别与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012连接。

第一热丝固定杆103和第一热丝固定杆103上设有用于缠绕固定热丝20的圆柱108，热丝20的端部缠绕固定于圆柱108。与传统热丝的螺钉固定方式相比，将热丝缠绕于圆柱上可以提高操作效率，省去了拆装螺钉的步骤。

第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012上均设有电极连接孔109。使用时，将外接电源连接于电极连接孔109处以实现通电功能。

综上，该实施例中，热丝夹具主要包括：第一热丝固定杆103、第一热丝承载棒1011、第二热丝承载棒1012、第二热丝固定杆104、导轨105、热丝20、绝缘支撑杆107、电极连接孔109、弹簧30、圆柱108、钼质螺丝106和陶瓷垫片等部件。其中第一热丝承载棒1011 和第二热丝承载棒1012的作用是将热丝20通过电极连接孔109与外部电源进行电相连，热丝20与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012相接触从而获得电流。导轨105与第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012固定连接，与第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104滑动连接，第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104用于固定热丝20，即将热丝20缠绕在圆柱108上。绝缘支撑杆107的两端固定连接于第一热丝承载棒1011和第二热丝承载棒1012，起到稳定和绝缘作用。弹簧30的作用在于在第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104上施加预紧力，初始工况下高温弹簧30处于被压缩状态，当热丝由于将热膨胀发生弹性变形时，弹簧30回弹，第一热丝固定杆103和第二热丝固定杆104分别移动使两者之间的距离增大，从而保证工况下热丝始终保持平直。

该实施例的热丝夹具具有以下优点：

1)在热丝承载棒表面罩设保护罩，可以有效阻止碳源气体在热丝承载棒表面沉积形成金刚石薄膜，进而可以获得更稳定的温度场，提高热丝沉积工艺的稳定性和产品质量的稳定性；

2)采用新的结构设计来平衡热丝受热产生的膨胀，增加了热丝的一致性，同时采用缠绕方式将热丝固定在圆柱上，减少了上丝时间，提高了上丝的效率；

3)采用弹簧推动第一热丝固定杆和第二热丝固定杆移动，从而保证热丝在工况下保持平直，且每根丝的受力保持一致；

4)热丝间距的设定主要是通过第一热丝固定杆和第二热丝固定杆上的间隔设置的圆柱实现的，可以进行连续缠丝或者间隔缠丝；

5)陶瓷杆用于绝缘连接第一热丝承载棒和第二热丝承载棒，在工况下无需拆卸陶瓷杆，简化了上丝流程；

6)采用陶瓷杆连接，有利于提高热丝夹具整体的稳定性，进而提高工艺稳定性，保证产品质量的一致性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种热丝夹具，其特征在于，包括夹具支架，所述夹具支架上设有两基本平行设置的热丝承载棒，所述热丝承载棒表面罩设有保护罩，所述保护罩上设有用于使热丝穿设后与所述热丝承载棒接触的开孔，所述开孔为细长孔，所述开孔的长度方向基本垂直于两平行热丝承载棒的轴线组成的平面，细长孔的设计方向和碳源气体的流动方向基本平行；

所述保护罩为长方形套筒或正方形套筒；

所述保护罩为钼质保护罩；

所述夹具支架包括依次基本平行间隔设置的第一热丝固定杆、第一热丝承载棒、第二热丝承载棒和第二热丝固定杆，所述第一热丝固定杆可沿所述第一热丝承载棒的垂线方向移动；所述第二热丝固定杆可沿所述第二热丝承载棒的垂线方向移动；

所述热丝夹具还包括：

多根热丝平行间隔设置组成的热丝组，固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，且与所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒接触；

以及，弹簧，两端分别固定连接于所述第一热丝固定杆与所述第二热丝固定杆，并与所述热丝平行；

所述弹簧至少为两根，且对称设置于所述热丝组的两侧；

所述第一热丝固定杆和所述第二热丝固定杆上均设有用于缠绕固定热丝的圆柱。

2.根据权利要求1所述的热丝夹具，其特征在于，所述第一热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第一热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间；

所述第二热丝承载棒上垂直连接有两根导轨，所述第二热丝固定杆滑动安装于所述导轨之间。

3.根据权利要求1所述的热丝夹具，其特征在于，所述第一热丝承载棒和第二热丝承载棒之间设有绝缘支撑杆；

所述绝缘支撑杆为陶瓷杆。

4.一种热丝沉积设备，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的热丝夹具。

5.如权利要求1-3任一项所述的热丝夹具或权利要求4所述的热丝沉积设备在热丝化学气相沉积法中的应用。

6.一种利用权利要求4所述的热丝沉积设备进行化学气相沉积得到的具有涂层结构的器具。