CN111349906A - 一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法 - Google Patents

一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化学气相沉积金刚石涂层技术领域，公开了一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法，中央控制模块控制超声研磨机对硬质合金刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。本发明设置的热丝承载架可以方便金属热丝的更换操作，并且水雾发射器可以对装置外体进行快速降温，提高了效率。

Description

一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法
技术领域
本发明属于化学气相沉积金刚石图层技术领域，尤其涉及一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法。
背景技术
目前，热丝气相沉积法制备金刚石薄膜由于设备简单，方便操作，成本低，技术成熟等优点，目前已经发展成为沉积金刚石膜常见的合成方法，其工作原理是将衬底放入反应腔体内，使用真空泵将腔体抽成真空，将含碳气体和氢气的混合气体从进气阀通入腔体，加热金属热丝，加热到额定温度后，混合气体热分解，在活性粒子原子氢作用下在衬底表面形成金刚石，但现有的金刚石薄膜沉积设备在制备过程中往往因为腔体冷却速度慢引起的制备效率低，并且设备中的热丝承载架不方便对变形的金属热丝进行更换。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的金刚石薄膜沉积设备在制备过程中往往因为腔体冷却速度慢引起的制备效率低；
(2)现有的金刚石薄膜沉积设备中的热丝承载架不方便对变形的金属热丝进行更换。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法。
本发明是这样实现的，一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法包括：
第一步，使用真空泵抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；通入气源气体进行沉积反应；
第二步，通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
第三步，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
第四步，控制超声研磨机对刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。
进一步，第一步中，所述使用真空泵抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落包括：
首先，使用真空泵抽取设备中的空气；并利用压力传感器检测气体压力数据；利用流量计检测气体流量数据；
其次，基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算；
最后，当抽取速率超过预设速度时，进行真空泵速率调节，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落。
进一步，第一步中，所述开启分子泵包括：
开启分子泵，获取检测到的气体压力数据，并进行真空度的计算；当真空度达到预期值时，停止。
进一步，第一步中，所述气源气体种类为含碳气体、氢气、含氧气体、含氮气体；
所述含氧气体可以是氧气、水蒸气及含氧化合物，加速氢气和含碳气体的分解；
所述含氮气体可以是氮气及含氮的化合物，可以有利于纤维织构金刚石膜的生长。
进一步，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法还包括：采用金刚石微粉多刀具进行研磨，并将研磨后的刀具分别在丙酮和去离子水溶液中进行超声清洗，后使用压缩氮气进行吹干；
丙酮和去离子水的超声清洗将刀具表面的杂质进行冲洗；同时也由于超声波导致刀具的不断震动，表面的颗粒杂质也会脱离刀具；
进一步，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法的刀具预处理方法具体包括：
步骤一，将硬质合金刀具放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗容器中，进行研磨；
步骤二，研磨30min后，关闭研磨机，停止研磨；
步骤三，然后将研磨完成的棒状的刀具放入丙酮溶液中进行超声波处理20min；
步骤四，将丙酮超声处理的棒状的刀具转入去离子水溶液中进行超声波处理20min；
步骤五，最后使用压缩氮气进行吹干。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备包括：
真空度计算模块，与中央控制模块连接，用于基于获取检测到的气体压力数据进行真空度的计算；
真空抽取模块，与中央控制模块连接，包括真空泵、分子泵，用于使用真空泵缓慢抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；
气体通入模块，与中央控制模块连接，包括进气管、气源、气压，用于通入气源气体进行沉积反应；
热丝加热模块，与中央控制模块连接，包括热丝承载架、电源，用于通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
刀具沉积模块，与中央控制模块连接，包括衬底，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
中央控制模块，与刀具预处理模块、真空抽取模块、气体通入模块、热丝加热模块、刀具沉积模块、真空度计算模块、压力检测模块、流量检测模块、抽取速率计算模块连接，用于控制研磨机对刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。
进一步，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备还包括：
压力检测模块，与中央控制模块连接，用于利用压力传感器检测气体压力数据；
流量检测模块，与中央控制模块连接，用于利用流量计检测气体流量数据；
抽取速率计算模块，与中央控制模块连接，用于基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算；
刀具预处理模块，与中央控制模块连接，包括超声波清洗机、研磨机，将硬质合金刀具放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗容器中，进行研磨，并将研磨后的刀具分别在丙酮和去离子水溶液中进行超声清洗，后使用压缩氮气进行吹干。
进一步，所述金刚石薄膜沉积设备还包括：
冷却模块，与中央控制模块连接，包括水雾发射器，采用水雾发射器喷洒水雾对沉积设备进行降温；
观察模块，与中央控制模块连接，包括观察窗、摄像头，用于通过观察窗对反应过程进行监控，通过摄像头监控金属热丝的变形情况。
进一步，所述热丝承载架包括：电极、金属热丝、绝缘把手；金属热丝端部胶连连接有绝缘把手，金属热丝插入连接电极。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明设备简单、方便操作，设置的热丝承载架可以通过绝缘把手进行更换，方便操作，并且装置外部设置的水雾发射器可以对装置外体进行快速降温，提高了效率。
(2)本发明实施例提供的气源气体可在反应中离解、电离、活化、复合，可激发原子、分子、自由基、正负离子等多种活性物质。
(3)本发明实施例提供的含氧气体可以加速氢气和含碳气体的分解。
(4)本发明实施例提供的含氮气体可以有利于纤维织构金刚石膜的生长。
(5)本发明实施例提供的刀具预处理模块的预处理方法可以提高金刚石膜与棒状刀具的结合强度；
(6)本发明实施例提供的冷却模块可以提高对沉积设备进行降温的速度；
(7)本发明实施例提供的热丝承载架可以方便金属热丝的的更换。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备结构框图；
图2是本发明实施例提供的刀具预处理方法流程图；
图3是本发明实施例提供的热丝承载架结构示意图；
图4是本发明实施例提供的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的热丝承载架的结构示意图；
图中：1、刀具预处理模块；2、真空抽取模块；3、气体通入模块；4、热丝加热模块；5、刀具沉积模块；6、中央控制模块；7、冷却模块；8、观察模块；9、真空度计算模块；10、压力检测模块；11、流量检测模块；12、抽取速率计算模块；13、电极；14、金属热丝；15、绝缘把手。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备、控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法包括：
S101，使用真空泵抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；通入气源气体进行沉积反应；
S102，通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
S103，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
S104，控制研磨机对刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。
如图2所示，本发明实施例提供的刀具预处理方法包括：
S201，将硬质合金刀具放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗容器中，进行研磨；
S202，研磨30min后，关闭研磨机，停止研磨；
S203，然后将研磨完成的棒状的刀具放入丙酮溶液中进行超声波处理20min；
S204，将丙酮超声处理的棒状的刀具转入去离子水溶液中进行超声波处理20min；
S205，最后使用压缩氮气进行吹干。
如图3所示，本发明实施例提供的真空泵抽取速度控制方法包括：
S301，使用真空泵抽取设备中的空气；并利用压力传感器检测气体压力数据；利用流量计检测气体流量数据；
S302，基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算；
S303，当抽取速率超过预设速度时，进行真空泵速率调节，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落。
如图4所示，本发明实施例提供的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备具体包括：
刀具预处理模块1，与中央控制模块6连接，包括超声波清洗机、研磨机，将硬质合金刀具放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗容器中，进行研磨，并将研磨后的刀具分别在丙酮和去离子水溶液中进行超声清洗，后使用压缩氮气进行吹干；
丙酮和去离子水的超声清洗会在各液面产生不稳定的压力，导致气泡的产生，气泡破裂后会产生较大的瞬时压力，将刀具表面的杂质进行冲洗；同时也由于超声波导致刀具的不断震动，表面的颗粒杂质也会脱离刀具；
真空抽取模块2，与中央控制模块6连接，包括真空泵、分子泵，用于使用真空泵缓慢抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；
气体通入模块3，与中央控制模块6连接，包括进气管、气源、气压，用于通入气源气体进行沉积反应；
热丝加热模块4，与中央控制模块6连接，包括热丝承载架、电源，用于通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
刀具沉积模块5，与中央控制模块6连接，包括衬底，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
中央控制模块6，与刀具预处理模块1、真空抽取模块2、气体通入模块3、热丝加热模块4、刀具沉积模块5、真空度计算模块12、压力检测模块13、流量检测模块14、抽取速率计算模块15连接，用于控制研磨机对刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜；
冷却模块7，与中央控制模块6连接，包括水雾发射器，采用水雾发射器喷洒水雾对沉积设备进行降温；
观察模块8，与中央控制模块6连接，包括观察窗、摄像头，用于通过观察窗对反应过程进行监控，通过摄像头监控金属热丝的变形情况；
真空度计算模块9，与中央控制模块6连接，用于基于获取检测到的气体压力数据进行真空度的计算；
压力检测模块10，与中央控制模块6连接，用于利用压力传感器检测气体压力数据；
流量检测模块11，与中央控制模块6连接，用于利用流量计检测气体流量数据；
抽取速率计算模块12，与中央控制模块6连接，用于基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算。
本发明实施例提供的气源气体种类为含碳气体、氢气、含氧气体、含氮气体。
所述含氧气体可以是氧气、水蒸气及含氧化合物，可以加速氢气和含碳气体的分解。
所述含氮气体可以是氮气及含氮的化合物，可以有利于纤维织构金刚石膜的生长。
如图5所示，本发明实施例提供的热丝承载架包括：电极13、金属热丝14、绝缘把手15；金属热丝14端部胶连连接有绝缘把手15，金属热丝14插入连接电极13。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法包括：
第一步，使用真空泵抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；通入气源气体进行沉积反应；
第二步，通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
第三步，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
第四步，控制超声研磨机对刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。
2.如权利要求1所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，第一步中，所述使用真空泵抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落包括：
首先，使用真空泵抽取设备中的空气；并利用压力传感器检测气体压力数据；利用流量计检测气体流量数据；
其次，基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算；
最后，当抽取速率超过预设速度时，进行真空泵速率调节，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落。
3.如权利要求1所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，第一步中，所述开启分子泵包括：
开启分子泵，获取检测到的气体压力数据，并进行真空度的计算；当真空度达到预期值时，停止。
4.如权利要求1所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，第一步中，所述气源气体种类为含碳气体、氢气、含氧气体、含氮气体；
所述含氧气体可以是氧气、水蒸气及含氧化合物，加速氢气和含碳气体的分解；
所述含氮气体可以是氮气及含氮的化合物，可以有利于纤维织构金刚石膜的生长。
5.如权利要求1所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法还包括：采用金刚石微粉对刀具进行研磨，并将研磨后的刀具分别在丙酮和去离子水溶液中进行超声清洗，后使用压缩氮气进行吹干；
丙酮和去离子水的超声清洗将刀具表面的杂质进行冲洗；同时也由于超声波导致刀具的不断震动，表面的颗粒杂质也会脱离刀具。
6.如权利要求1所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法，其特征在于，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法的刀具预处理方法具体包括：
步骤一，将硬质合金刀具放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗容器中，进行研磨；
步骤二，研磨30min后，关闭超声研磨机，停止研磨；
步骤三，然后将研磨完成的刀具放入丙酮溶液中进行超声波处理20min；
步骤四，将丙酮超声处理的棒状的刀具转入去离子水溶液中进行超声波处理20min；
步骤五，最后使用压缩氮气进行吹干。
7.一种运行权利要求1～6任意一项所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备的控制方法的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备，其特征在于，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备包括：
真空度计算模块，与中央控制模块连接，用于基于获取检测到的气体压力数据进行真空度的计算；
真空抽取模块，与中央控制模块连接，包括真空泵、分子泵，用于使用真空泵缓慢抽取设备中的空气，放置抽取速度过快导致气流变化过快将微粉吹落，并且当装置内的气压低于10Pa时，开启分子泵，以获取更高的真空度；
气体通入模块，与中央控制模块连接，包括进气管、气源、气压，用于通入气源气体进行沉积反应；
热丝加热模块，与中央控制模块连接，包括热丝承载架、电源，用于通过电源对金属热丝进行加热，并且将混合气体中的氢气进行热分解，产生原子态氢，与含有碳元素的气体在反应过程中激发产生甲基基团，促进碳化氢的热分解，形成sp3杂化轨道；
刀具沉积模块，与中央控制模块连接，包括衬底，通过衬底接受金属热丝的热辐射进行升温，金刚石在衬底上沉积，生长形成金刚石薄膜；
中央控制模块，与刀具预处理模块、真空抽取模块、气体通入模块、热丝加热模块、刀具沉积模块、真空度计算模块、压力检测模块、流量检测模块、抽取速率计算模块连接，用于控制研磨机对棒状的刀具进行研磨，并且通过控制超声波清洗机对棒状的刀具进行杂质的去除和清洗，和压缩氮气对刀具的吹干；并且通过真空泵和分子泵对装置中的空气进行抽真空，然后控制气源、进气管向装置中充入混合气体，当达到所需要的沉积气压时，控制金属热丝进行升温，使混合气体在高温金属热丝的作用下分解，并在达到衬底表面过程中发生一系列的气相反应，生成的基团沉积到衬底表面，形成纳米金刚石薄膜。
8.如权利要求7所述的的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备，其特征在于，所述热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备还包括：
压力检测模块，与中央控制模块连接，用于利用压力传感器检测气体压力数据；
流量检测模块，与中央控制模块连接，用于利用流量计检测气体流量数据；
抽取速率计算模块，与中央控制模块连接，用于基于检测的气体压力数据以及流量数据进行抽取速率计算；
刀具预处理模块，与中央控制模块连接，包括超声波清洗机、研磨机，采用金刚石微粉多刀具进行研磨，并将研磨后的刀具分别在丙酮和去离子水溶液中进行超声清洗，后使用压缩氮气进行吹干。
9.如权利要求7所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备，其特征在于，所述金刚石薄膜沉积设备还包括：
冷却模块，与中央控制模块连接，包括水雾发射器，采用水雾发射器喷洒水雾对沉积设备进行降温；
观察模块，与中央控制模块连接，包括观察窗、摄像头，用于通过观察窗对反应过程进行监控，通过摄像头监控金属热丝的变形情况。
10.如权利要求5所述的热丝承载架及金刚石薄膜沉积设备，其特征在于，所述热丝承载架包括：电极、金属热丝、绝缘把手；金属热丝端部胶连连接有绝缘把手，金属热丝插入连接电极。
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