CN111441037B - 一种用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的刀具托盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的刀具托盘，包含一呈圆形的微波等离子体基片台，所述基片台上设置一托盘呈圆形的托盘，所述托盘的上方放置含金属成分的刀具，利用微波激发的等离子体，在刀具表面沉积CVD金刚石膜，所述托盘上表面有多个圆柱状或者圆台状凸起，含金属成分的刀具放置在突起物的间隙。利用微波等离子体(MPCVD)方法，在含金属成分的刀具表面沉积均匀金刚石膜。涉及通过对刀具托盘表面凸起的设计，减少微波场中含金属成分的刀具因为尖端放电而导致表面沉积金刚石膜不均匀性的影响，提高MPCVD法在含金属成分的刀具表面沉积均匀金刚石膜的方法。刀具托盘表面形状的改造成本低廉，操作简便。

Description

一种用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的刀具托盘
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种制备金刚石膜的装置及使用该装置在含金属成分的刀具表面制备金刚石膜的方法。
背景技术
等离子体是继固态，液态，气态之后的作为物质的第四态，在很多领域有着广泛的应用。而要使物质处于等离子体状态，就需要提供一定的能量。微波作为一种电磁波，比较容易的将气体激发成等离子体状态，因此微波等离子体技术在很多领域得到了广泛的应用。
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个自旋转基片台，以制备金刚石膜为例，微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及调整等离子体的工艺参数，可以在基片台表面沉积金刚石薄膜。
在含金属成分的刀具表面沉积金刚石膜，能大幅度提升刀具的使用寿命，也能提高加工的质量。但由于刀具切削特有的要求，往往将刀头设计成尖锐的外形。这些尖锐外形的刀具，尤其是含有金属成分的刀具，在微波电场中往往会形成“尖端放电”现象，导致在刀具刀头附近等离子体密度很高，导致在刀头表面沉积的金刚石膜速率很快，大大高于在刀具其他部位沉积金刚石膜的速率，最后往往因为刀头附近金刚石膜厚度太大而脱落，导致在刀具表面无法沉积均匀的金刚石膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的托盘，包含一呈圆形的所用微波等离子体基片台为圆形，所述基片台上设置一托盘为呈圆形的托盘，所述托盘其的上方放置含金属成分的刀具，利用微波激发的等离子体，在刀具表面沉积CVD金刚石膜，所述托盘的上表面有多个圆柱状或者圆台状凸起，含金属成分的刀具放置在凸起的间隙。
可选地，其上表面有多个圆柱状或者圆台状凸起，含金属成分的刀具放置在凸起的间隙。
可选地，所述托盘和凸起成分为金属W或者金属Mo或者含有W或者Mo的合金。
可选地，所述圆柱形或者圆台状凸起的各水平截面的直径可以一样，也可以不一样相同。
可选地，所述圆柱形或者圆台状凸起的各水平截面直径不同如果不一样，越靠近基片台圆心越近的凸起直径越大，距离基片台圆心越远的凸起直径越小。
可选地，圆柱形或者圆台状凸起的高度可以一样，也可以不一样。如果不一样，靠近基片台圆心越近的凸起高度越低，距离基片台圆心越远的凸起高度越高。优选地，所述凸起包含粗凸起和细凸起，其中，所述粗凸起直径4.0毫米，高度9.0毫米；细凸起直径2.0毫米，高度9.0毫米。
可选地，所述凸起的高度都高于含金属成分的刀具的高度。
本发明还提供了用于采用微波等离子体化学气相沉积装置，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球。
本发明提供的利用微波等离子体CVD方法，在含有金属成分的刀具表面沉积均匀金刚石膜的托盘设计，目的是在刀具表面形成均匀的等离子体分布，从而得到均匀厚度的金刚石膜的沉积。
这里设置金属凸起的用途是将原本在含金属成分的刀具刀头附近的强电场引导到金属凸起的顶端，在凸起顶端进行“尖端放电”，从而转移在刀具尖端的放电；而凸起直径的变化是利用越“尖”的金属物在微波电场中越容易放电的特点，根据微波等离子体中等离子体球中央电场强度大，边缘电场强度小的特点，将托盘边缘设置较“尖”的凸起，从而能在较弱的电场环境中维持放电，这样可以将微波激发的等离子球的能量从中央集中区适当分散到周围，从而提高了等离子体能量分布的均匀性。对基片台上刀具表面沉积金刚石膜的均匀性有提升效果。
附图说明
图1托盘与刀具摆放主视示意图。
图2实施例1中托盘与刀具摆放俯视示意图。
图3实施例2中托盘与刀具摆放俯视示意图。
附图标记：1. 微波等离子体；2.粗圆柱状凸起；3.含金属成分的刀具；4.细圆柱状凸起；5.托盘；6.基片台。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1-3，为本发明的一实施例，包含用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的托盘，包含一呈圆形的所用微波等离子体1、基片台6为圆形，所述基片台6上设置一托盘为呈圆形的托盘5，所述托盘其的上方放置含金属成分的刀具3，利用微波激发的等离子体，在刀具表面沉积CVD金刚石膜，所述其上表面有多个圆柱状或者圆台状凸起，含金属成分的刀具放置在凸起的间隙。
实施例1：
基片台6直径为60毫米；托盘5直径为60毫米，托盘5厚度4.0毫米，托盘5材料为金属Mo(Mo的熔点为2620℃，在CVD金刚石膜沉积环境中能保持相对的稳定)，托盘5表面平整，上表面不设置凸起；刀片为株洲钻石YG6(42510H8)(大致几何尺寸：22*22*8.5mm)，刀片4片。具体摆放见图2所示。
金刚石膜的沉积工艺参数为：微波功率3500W，沉积气压11.5kPa，H2和CH4的流量比200:2.0(sccm)，沉积温度850℃，沉积时间8.0h。(注：sccm:标准立方厘米每分钟)。
结果为：在刀具冷却的过程中，刀具在刀头附近金刚石膜脱落，脱落后测量金刚石膜的厚度为13.7微米；刀具表面非刀头区域金刚石膜均未脱落，测量金刚石膜厚度为4.7-4.9微米之间。刀具表面金刚石膜沉积的速率刀头处是刀体表面非刀头处的2.8-2.9倍。
实施例2：
沉积金刚石膜的刀具型号：株洲钻石YG6(42510H8)；基片台6直径为60毫米；托盘5直径为60毫米，托盘5厚度4.0毫米，托盘5材料为金属Mo，托盘5上表面设置了凸起，凸起为圆柱状，材料为金属Mo，直径分别为：粗圆柱状凸起2直径4.0毫米，高度9.0毫米(略高于刀片的高度)；细圆柱状凸起4直径2.0毫米(直径4.0和2.0毫米Mo圆柱体都是商业销售的标准规格)，高度9.0毫米；凸起焊接在托盘5上表面；刀片4片。具体摆放见图3所示。
金刚石膜的沉积工艺参数为：微波功率4000W，沉积气压11.5kPa，H2和CH4的流量比200:2.0(sccm)，沉积温度850℃，沉积时间8.0h。
结果为：在刀具冷却后，刀具刀头处金刚石膜未脱落，测量刀具刀头处金刚石膜的厚度为4.8微米，非刀头处金刚石膜的厚度在4.5-4.6微米之间。刀具表面金刚石膜整体分布均匀。刀具表面金刚石膜沉积的速率刀头处是刀体表面非刀头处的1.04-1.07倍。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于微波等离子体沉积金刚石膜装置中的刀具托盘，其特征在于，包含一呈圆形的微波等离子体基片台，所述基片台上设置一托盘呈圆形的托盘，所述托盘的上方放置含金属成分的刀具，利用微波激发的等离子体，在刀具表面沉积CVD金刚石膜，所述托盘的上表面设有多个圆柱状凸起；凸起包含粗凸起和细凸起，含金属成分的刀具放置放在粗凸起与细凸起之间的间隙中，其中，所述粗凸起直径4.0毫米，高度9.0毫米；细凸起直径2.0毫米，高度9.0毫米；
托盘和凸起成分为金属W或者金属Mo或者含有W或者Mo的合金；
越靠近基片台圆心越近的凸起直径越大，距离基片台圆心越远的凸起直径越小；
靠近基片台圆心越近的凸起高度越低，距离基片台圆心越远的凸起高度越高；
凸起的高度都高于含金属成分的刀具的高度。
2.一种用微波等离子体方法在含金属成分的刀具表面制备金刚石膜的装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的基片台是圆形的，基片台上方放置圆形的托盘：还包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，其中，所述托盘放置在基片台上并设置在等离子体反应室中，含金属成分的刀具放置在托盘上，工作过程中微波系统产生的微波能进入等离子体反应室，在放置有含金属成分的刀具的托盘上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球。
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