CN110273137A - 热丝固定装置及金刚石薄膜生长设备 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种热丝固定装置及金刚石薄膜生长设备，涉及金刚石薄膜制备技术领域，为解决现有热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，无法对温度场进行有效控制，从而无法获得品质良好的金刚石薄膜的问题而设计。该热丝固定装置包括至少一个用于固定热丝的丝架，至少一个丝架上安装有测温元件承载架，测温元件承载架用于安装测温元件，以对镀膜的环境温度进行测量，测温元件承载架滑动安装于丝架，安装于测温元件承载架的测温元件能够伸入镀膜区间。该金刚石薄膜生长设备包括上述热丝固定装置。本发明提供的热丝固定装置及金刚石薄膜生长设备用于在衬底上获得品质良好的金刚石薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石薄膜制备技术领域，尤其涉及一种热丝固定装置及金刚石薄膜生长设备。
背景技术
热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的基本原理如下：具有金刚石分子结构的碳源(如：甲烷和丙酮等)和氢气组成的混合气体通过金属热丝，在热丝形成的高温场中分解出甲基和氢原子，并且，在一定的腔内压力下，大量的甲基与温度合适的衬底表面作用及甲基之间的复合反应，使得高温场内生成杂化的碳氢基团，这些碳氢基团在衬底表面沉积，从而在衬底表面形成金刚石薄膜。
为了得到品质良好的金刚石薄膜，通常需要合适的温度及稳定的温度场，而影响温度场的主要因素主要包括热丝的数量、热丝的布置位置、热丝之间的间距及热丝与样品台之间的间距等。现有技术中，在热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，操作者无法根据当前的热丝布置形式获知此时的温度场情况，也就无法根据温度场情形对热丝的布置形式进行合理调整，从而也就无法在衬底表面得到品质良好的金刚石薄膜。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种热丝固定装置，以解决现有热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，无法对温度场进行有效控制，从而无法获得品质良好的金刚石薄膜的技术问题。
本发明提供的热丝固定装置，包括至少一个用于固定热丝的丝架，至少一个所述丝架上安装有测温元件承载架，所述测温元件承载架用于安装测温元件，以对镀膜的环境温度进行测量。
所述测温元件承载架滑动安装于所述丝架，安装于所述测温元件承载架的测温元件能够伸入镀膜区间。
进一步地，所述丝架为多个，各所述丝架沿衬底的长度方向间隔布置。
进一步地，所述丝架包括间隔设置的热丝固定座，各所述热丝固定座位置固定，各所述热丝的两端分别钩接于各所述热丝固定座。
进一步地，每一所述热丝固定座上均设置有多个凸柱，各所述凸柱沿热丝的排布方向间隔设置在所述热丝固定座上，各所述热丝的两端能够分别钩接于各所述热丝固定座上的凸柱。
进一步地，所述丝架还包括间隔设置的热丝承载棒，钩接于两所述热丝固定座之间的各热丝紧密贴合于各所述热丝承载棒，且各热丝能够沿所述热丝承载棒的长度方向间隔设置。
两所述热丝承载棒之间连接有绝缘撑杆，各所述热丝固定座分别固定于各所述热丝承载棒，且所述热丝固定座与所述热丝承载棒相绝缘。
电流加载于各所述热丝承载棒，对贴合于各所述热丝承载棒的热丝进行加热，使两所述热丝承载棒之间形成所述镀膜区间。
进一步地，所述测温元件承载架包括U形滑座，所述U形滑座的U形槽卡接于所述绝缘撑杆，第一锁紧件能够穿过所述U形滑座的一侧边将所述U形滑座固定于所述绝缘撑杆。
进一步地，所述测温元件承载架还包括沿衬底长度方向延伸的承载柱，所述承载柱固设于所述U形滑座，所述承载柱上滑动安装有用于固定测温元件的热电偶固定座。
进一步地，所述承载柱的横截面为圆形，所述热电偶固定座套装于所述承载柱，并由第二锁紧件锁定。
本发明热丝固定装置带来的有益效果是：
通过设置若干丝架，以对热丝进行固定，并且，至少一个丝架上还安装有测温元件承载架，以实现测温元件的安装，从而实现对镀膜温度环境的测量。其中，测温元件承载架滑动安装于丝架，安装于测温元件承载架的测温元件能够伸入镀膜区间。
在利用热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，可以通过对测温元件承载架的位置进行调整，以使安装于测温元件承载架的测温元件能够伸入至镀膜区间的不同位置，从而实现了对多个位置处镀膜环境温度的测量。这样的设置，使得操作者在气相沉积过程中，便能够根据当前的热丝布置形式实时获知镀膜区间此时的温度场情况，从而对热丝的数量、热丝的布置位置、热丝之间的间距及热丝与样品台之间的间距等热丝布置形式进行及时有效的调整，以实现对温度场的控制，从而达到优化温度场的目的，进而使得衬底表面能够得到较为优质的金刚石薄膜。并且，这种设置形式，使得对于温度场的调节更具目的性，从而大大提高了工艺探索的效率，节约了时间。
此外，当设置多个丝架时，还使得衬底能够获得较大范围的镀膜区间，增大了衬底的最适温度生长范围，使得衬底上能够实现大范围的同步镀膜，不仅提高了镀膜效率，还提高了所镀薄膜的一致性。另外，该热丝固定装置结构简单，方案易于实现，对于优化热丝气相沉积法制备金刚石薄膜过程中的温度场环境具有重要意义。
本发明的第二个目的在于提供一种金刚石薄膜生长设备，以解决现有热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，无法对温度场进行有效控制，从而无法获得品质良好的金刚石薄膜的技术问题。
本发明提供的金刚石薄膜生长设备，包括内腔、测温元件、若干热丝和上述热丝固定装置。
所述热丝固定装置位于所述内腔中，各所述热丝均安装在所述丝架上，所述测温元件安装于所述测温元件承载架，用于对所述镀膜区间的温度进行测量。
进一步地，还包括若干弹性件，各所述弹性件的一端分别连接所述丝架，另一端连接各所述热丝。
本发明金刚石薄膜生长设备带来的有益效果是：
通过在金刚石薄膜生长设备中设置上述热丝固定装置，以实现对热丝的固定，以及测温元件的安装及对测温元件测温位置的调整，相应的，该金刚石薄膜生长设备具有上述热丝固定装置的所有优势，在此不再一一赘述。
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的介绍，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为本发明实施例热丝固定装置的主视结构示意图；
图2为本发明实施例热丝固定装置的俯视结构示意图，其中，测温元件承载架未示出；
图3为本发明实施例热丝固定装置的左视结构示意图；
图4为图3中A处的局部放大图；
图5为本发明实施例热丝固定装置中，测温元件承载架在另一视角下的结构示意图；
图6为本发明实施例热丝固定装置在工作状态下的主视结构示意图；
图7为本发明实施例热丝固定装置在工作状态下的俯视结构示意图，其中，测温元件为局部示意。
图标：100-丝架；200-热丝；300-弹簧；400-第一连接件；500-第二连接件；600-测温元件承载架；700-热电偶；800-刀具固定板；900-刀具；110-热丝承载棒；120-绝缘撑杆；130-热丝固定座；140-支撑杆；111-连接段；112-承载段；113-连接孔；131-凸柱；510-陶瓷垫片；610-U形滑座；620-第一锁紧件；630-承载柱；640-热电偶固定座；650-第二锁紧件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅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”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“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图3所示，本实施例提供了一种热丝固定装置，包括至少一个用于固定热丝200的丝架100，至少一个丝架100上安装有测温元件承载架600，其中，测温元件承载架600用于安装测温元件，以对镀膜的温度环境进行测量。具体的，测温元件承载架600滑动安装于丝架100，安装于测温元件承载架600的测温元件能够伸入镀膜区间。
在利用热丝气相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，可以通过对测温元件承载架600的位置进行调整，以使安装于测温元件承载架600的测温元件能够伸入至镀膜区间的不同位置，从而实现了对多个位置处镀膜环境温度的测量。这样的设置，使得操作者在气相沉积过程中，便能够根据当前的热丝布置形式实时获知镀膜区间此时的温度场情况，从而对热丝的数量、热丝的布置位置、热丝之间的间距及热丝与样品台之间的间距等热丝布置形式进行及时有效的调整，以实现对温度场的控制，从而达到优化温度场的目的，进而使得衬底表面能够得到较为优质的金刚石薄膜。并且，这种设置形式，使得对于温度场的调节更具目的性，从而大大提高了工艺探索的效率，节约了时间。
此外，当设置多个丝架100时，还使得衬底能够获得较大范围的镀膜区间，增大了衬底的最适温度生长范围，使得衬底上能够实现大范围的同步镀膜，不仅提高了镀膜效率，还提高了所镀薄膜的一致性。另外，该热丝固定装置结构简单，方案易于实现，对于优化热丝气相沉积法制备金刚石薄膜过程中的温度场环境具有重要意义。
本实施例中，衬底可以为刀具900的表面。
请继续参照图2和图3，本实施例中，丝架100为两个，具体的，各丝架100沿刀具900的长度方向间隔布置，如图7所示。
这样的设置，增大了刀具900长度方向上的金刚石薄膜的最适生长温度范围，使得能够在具有较长刀刃的刀具900上长满金刚石，大大提高了刀具900整体涂层性能的一致性，从而延长了刀具900的工作寿命。
需要说明的是，本实施例中，丝架100可以是上述两个的设置形式，但不仅仅局限于此，还可以采用其他设置形式，如：三个、四个或者更多个等，其中，各丝架100沿刀具900的长度方向间隔布置，其只要是通过这种形式的丝架100布置形式，能够实现对较长衬底的镀膜即可，本实施例并不对丝架100的设置数量进行具体限制。
请继续参照图1，本实施例中，丝架100包括间隔设置的热丝固定座130，其中，各热丝固定座130的位置固定，各热丝200的两端分别钩接于各热丝固定座130。当需要固定热丝200时，可以直接将热丝200的两端分别钩在各热丝固定座130上，操作方便，改善了以往采用螺纹连接件固定热丝200而导致的缠丝效率低下的弊端，从而大大提高了采用热丝气相法制备金刚石薄膜的效率。
具体的，本实施例中，各热丝固定座130上均设置有多个凸柱131，各凸柱131沿热丝200的排布方向间隔设置在各热丝固定座130上。其中，各热丝200的两端能够分别钩接于各热丝固定座130上的热丝200。
这样的设置，使得该热丝固定装置能够对丝架100的设置排数、热丝200根数及各热丝200之间的间距进行自由调节，以获得金刚石生长的最佳温度场。
本实施例中，热丝200的两端可以分别设置弯钩，利用弯钩实现热丝200在凸柱131上的钩接固定。并且，为了保证连接可靠性，凸柱131的外周面还可以设置环形槽，以对弯钩进行容纳。这样的设置，在一定程度上避免了热丝200从凸柱131上的脱落，从而进一步提高了本实施例热丝固定装置对热丝200的固定可靠性。
需要说明的是，本实施例中，热丝200可以是图1中示出的这种平行布置的设置形式，但不仅仅局限于此，还可以采用其他设置形式，如交叉设置，该热丝固定装置实现了热丝200的多种位置布局，从而实现了在多种不同温度场下对金刚石薄膜的生长，提高了在刀具900上得到优质金刚石薄膜的可能，进一步保证了本实施例热丝固定装置的工作可靠性。
请继续参照图1和图2，本实施例中，丝架100还包括间隔设置的热丝承载棒110，具体的，钩接于两热丝固定座130之间的各热丝200紧密贴合于各热丝承载棒110，且各热丝200能够沿热丝承载棒110的长度方向间隔设置。其中，两热丝承载棒110之间连接有绝缘撑杆120，各热丝固定座130分别固定于各热丝承载棒110，且热丝固定座130与热丝承载棒110之间相绝缘。
在对刀具900进行沉积镀膜时，可以将电流加载于各热丝承载棒110，对贴合于各热丝承载棒110的热丝200进行加热，使两热丝承载棒110之间形成镀膜区间。这样的设置，使得两热丝承载棒110之间形成稳定的镀膜区间，实现了金刚石薄膜在刀具900表面的沉积。并且，热丝固定座130与热丝承载棒110之间的绝缘设置，在一定程度上避免了因热丝200边缘韧性变差而导致的与热丝固定座130连接失效的情形，进一步保证了本实施例热丝固定装置的工作可靠性。
本实施例中，两热丝承载棒110之间的绝缘撑杆120的设置，不仅保证了热丝固定装置的支撑稳定性，而且，这样的设置，在一定程度上避免因两热丝承载棒110在镀膜过程中导电而造成的短路现象，简化了以往还需要将连接两热丝承载棒110的导电撑杆拆除的繁琐流程，而且，还避免了因频繁拆卸而导致的定位一致性的弊端，保证了缠丝的稳定性。
具体的，本实施例中，热丝承载棒110包括承载段112和位于其两端部的连接段111，其中，热丝200由承载段112进行承载，各丝架100之间通过穿设于各连接段111上的若干第一连接件400实现多个丝架100之间的固定。并且，电极设置在连接孔113处，以实现对各热丝承载棒110上的电流加载。
需要说明的是，本实施例中，承载段112可以包括弧形段，以实现对热丝200的支撑。这样的设置，在一定程度上避免了棱角对热丝200造成的损坏，进一步延长了热丝200的工作寿命。具体的，承载段112的横截面可以为圆形。
本实施例中，用于将各丝架100连接在一起的第一连接件400可以为铜质螺丝。这样的设置，保证了各丝架100之间的导电性能，实现了各热丝承载棒110对热丝200的有效加热，保证了金刚石镀膜的温度环境。
此外，请继续参照图1-图3，本实施例中，各热丝固定座130分别通过支撑杆140与热丝承载棒110固定连接，其中，热丝固定座130、支撑杆140及热丝承载棒110的材质均为钼，用于将热丝固定座130与支撑杆140及将支撑杆140与热丝承载棒110连接在一起的第二连接件500为钼质螺丝，并且，热丝固定座130与支撑杆140之间及支撑杆140与热丝承载棒110之间均由陶瓷垫片510隔开，以实现绝缘目的。钼质固定架、钼质支撑杆、钼质承载棒及钼质连接件的设置，使得该热丝固定装置能够适应高温环境中的工作，进一步保证了本实施例热丝固定装置的工作可靠性。
本实施例中，绝缘撑杆120的材质可以为陶瓷。
请继续参照图3，并结合图4和图5，本实施例中，测温元件承载架600包括U形滑座610，具体的，U形滑座610的U形槽卡接于绝缘撑杆120，第一锁紧件620能够穿过U形滑座610的一侧边将U形滑座610固定于绝缘撑杆120。这样的设置，实现了测温元件在竖直方向多个不同位置处的温度测量。
具体的，请继续参照图3-图5，本实施例中，第一锁紧件620可以为螺纹连接件，其中，螺纹连接件旋接于U形滑座610的一侧边，并紧密抵接于绝缘撑杆120。这样的设置，实现了U形滑座610在绝缘撑杆120上任意位置处的固定，从而实现了对测温元件承载架600位置的连续调节，进一步保证了对温度场测试的有效性。
请继续参照图3-图5，本实施例中，测温元件承载架600还包括沿刀具900长度方向延伸的承载柱630，具体的，承载柱630固设于U形滑座610，并且，承载柱630上滑动安装有用于固定测温元件的热电偶固定座640。这样的设置，实现了对测温元件承载架600在刀具900长度方向上的调整，进一步扩大了测温元件的测温范围，使得对温度场的探测可靠性大大提高。
此外，本实施例中，承载柱630的截面可以为圆形，具体的，热电偶固定座640套装于承载柱630，并由第二锁紧件650锁定。这样的设置，使得热电偶固定座640能够以承载柱630为中轴线转动，从而使得测温元件能够实现在扇形区域内对镀膜环境温度的测量，进一步扩大了测温元件的测温范围，从而进一步提高了本实施例热丝固定装置对温度场探测的可靠性。
本实施例中，热电偶固定座640包括滑动部和固定部，第二锁紧件650可以为螺纹锁紧件。测温元件可以插接固定在固定部中，第二锁紧件650旋接于滑动部并紧密抵接于承载柱630，从而实现热电偶固定座640在承载柱630上的固定。
本实施例还提供了一种金刚石薄膜生长设备，包括内腔、测温元件、若干热丝200和上述热丝固定装置。具体的，热丝固定装置位于内腔中，各热丝200均安装在丝架100上，测温元件安装子在测温元件承载架600上，用于对镀膜区间的温度进行测量，如图6所示。
通过在金刚石薄膜生长设备中设置上述热丝固定装置，以实现对热丝200的固定，以及测温元件的安装及对测温元件测温位置的调整，相应的，该金刚石薄膜生长设备具有上述热丝固定装置的所有优势，在此不再一一赘述。
本实施例中，测温元件可以为热电偶700。
请继续参照图1，本实施例中，该金刚石薄膜生长设备还可以包括若干弹性件，其中，各弹性件的一端分别连接丝架100，另一端连接各热丝200。这样的设置，为热丝200提供了一定的预紧力，保证了热丝200的张紧。
具体的，弹性件可以为耐高温的弹簧300。
请继续参照图6和图7，该金刚石薄膜生长设备的内腔还可以固设刀具固定板800，其中，刀具900固设于刀具固定板800。
本实施例中，刀具900可以为铣刀，其中，铣刀的刃长可以在25mm以上。并且，热丝固定装置共包括两排丝架100，每排丝架100上均设置有16根热丝200，每排丝架100中，各热丝200的间距为25mm，两排丝架100上热丝200的间距为10mm，铣刀的端部距离下排丝的距离为20mm，热丝200的功率为9800W，甲烷的浓度为4％，气体的流量为100sccm，内腔的气压为4000Pa，生长时间为4h。
最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种热丝固定装置，其特征在于，包括至少一个用于固定热丝(200)的丝架(100)，至少一个所述丝架(100)上安装有测温元件承载架(600)，所述测温元件承载架(600)用于安装测温元件，以对镀膜的环境温度进行测量；
所述测温元件承载架(600)滑动安装于所述丝架(100)，安装于所述测温元件承载架(600)的测温元件能够伸入镀膜区间。
2.根据权利要求1所述的热丝固定装置，其特征在于，所述丝架(100)为多个，各所述丝架(100)沿衬底的长度方向间隔布置。
3.根据权利要求1所述的热丝固定装置，其特征在于，所述丝架(100)包括间隔设置的热丝固定座(130)，各所述热丝固定座(130)位置固定，各所述热丝(200)的两端分别钩接于各所述热丝固定座(130)。
4.根据权利要求3所述的热丝固定装置，其特征在于，每一所述热丝固定座(130)上均设置有多个凸柱(131)，各所述凸柱(131)沿热丝(200)的排布方向间隔设置在所述热丝固定座(130)上，各所述热丝(200)的两端能够分别钩接于各所述热丝固定座(130)上的凸柱(131)。
5.根据权利要求3所述的热丝固定装置，其特征在于，所述丝架(100)还包括间隔设置的热丝承载棒(110)，钩接于两所述热丝固定座(130)之间的各热丝(200)紧密贴合于各所述热丝承载棒(110)，且各热丝(200)能够沿所述热丝承载棒(110)的长度方向间隔设置；
两所述热丝承载棒(110)之间连接有绝缘撑杆(120)，各所述热丝固定座(130)分别固定于各所述热丝承载棒(110)，且所述热丝固定座(130)与所述热丝承载棒(110)相绝缘；
电流加载于各所述热丝承载棒(110)，对贴合于各所述热丝承载棒(110)的热丝(200)进行加热，使两所述热丝承载棒(110)之间形成所述镀膜区间。
6.根据权利要求5所述的热丝固定装置，其特征在于，所述测温元件承载架(600)包括U形滑座(610)，所述U形滑座(610)的U形槽卡接于所述绝缘撑杆(120)，第一锁紧件(620)能够穿过所述U形滑座(610)的一侧边将所述U形滑座(610)固定于所述绝缘撑杆(120)。
7.根据权利要求6所述的热丝固定装置，其特征在于，所述测温元件承载架(600)还包括沿衬底长度方向延伸的承载柱(630)，所述承载柱(630)固设于所述U形滑座(610)，所述承载柱(630)上滑动安装有用于固定测温元件的热电偶固定座(640)。
8.根据权利要求7所述的热丝固定装置，其特征在于，所述承载柱(630)的横截面为圆形，所述热电偶固定座(640)套装于所述承载柱(630)，并由第二锁紧件(650)锁定。
9.一种金刚石薄膜生长设备，其特征在于，包括内腔、测温元件、若干热丝(200)和权利要求1-8任一项所述的热丝固定装置；
所述热丝固定装置位于所述内腔中，各所述热丝(200)均安装在所述丝架(100)上，所述测温元件安装于所述测温元件承载架(600)，用于对所述镀膜区间的温度进行测量。
10.根据权利要求9所述的金刚石薄膜生长设备，其特征在于，还包括若干弹性件，各所述弹性件的一端分别连接所述丝架(100)，另一端连接各所述热丝(200)。
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| CN101514445A (zh) * | 2009-04-08 | 2009-08-26 | 南京航空航天大学 | 基于热丝法的制备双面金刚石涂层的装置 |
| CN103952686A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-07-30 | 北京大学 | 一种防断裂的热丝化学气相沉积系统及在大尺寸bdd电极制备中的应用 |
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2018
- 2018-03-16 CN CN201810220862.3A patent/CN110273137A/zh active Pending
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