CN112553591A - 一种热丝法化学气相沉积设备及化学气相沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学气相沉积技术领域，具体公开了一种热丝法化学气相沉积设备，包括腔体、载具、加热组件及调压组件，其中，腔体至少设置有两个腔室，每个腔室均设置有进气口和出气口；载具包括竖直紧固于腔室内的升降台、以及设置于升降台的载盘，载盘设置有1～3排待镀膜的工件；加热组件包括加热丝，以及电极组件；电极组件与供电装置电连接；调压组件用于腔室压力调节及腔室中气体的输入输出。本发明能够有效提升工件镀膜效率及其灵活性，且镀膜一致性和均匀性好，同时还能够有效节省镀膜成本。此外，本发明还提供了一种采用上述热丝法化学气相沉积设备的化学气相沉积方法，该方法操作方便灵活，能够有效提升工件镀膜效率，节省工件镀膜成本。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种热丝法化学气相沉积设备及化学气相沉积方法。
背景技术
随着工业应用要求的提升，制造技术和能力不断发展，一些领域需要的材料加工难度不断加大，传统的物理气相沉积(PVD，PhysicalVaporDeposition)镀膜刀具也难以应付，因此需要使用更厚、更硬的薄膜来满足寿命需求。热丝法化学气相沉积(HFCVD，HotFilamentChemicalVaporDeposition)是工业镀膜领域广泛应用的镀膜技术，相比物理气相沉积镀膜，可在刀具上沉积更厚的薄膜来应付重切削环境，其更突出的优势在于可沉积金刚石薄膜，化学气相沉积(CVD，ChemicalVaporDeposition)技术是目前唯一能在刀具上沉积金刚石薄膜材料的方法。要制备高品质化学气相沉积薄膜，首当其冲要有好的化学气相沉积设备，该设备将两种或两种以上气态原材料导入反应腔时，气态原材料经热丝高温热解成活性物质，相互之间发生化学反应，形成一种新的材料并沉积到刀具或模具表面，形成硬质薄膜以提高产品的耐磨、耐腐蚀等性能。
而现有技术下化学气相沉积设备存在两大问题：
首先，增加单炉产能会导致同一炉里沉积在刀具表面的膜层厚度及性质差异增大。影响化学气相沉积薄膜生长的因素主要分为两类：温度场和气流场，前者影响活性物质在工件表面发生化学反应的速度，后者影响反应物质达到和离开工件表面的速度；其次，当订单数量变化时，排产不灵活且单炉成本上升。由于刀具数量及尺寸不同，对热丝的热辐射吸收能力也不同，会导致相同工艺参数下，刀具数量和尺寸变化，膜的品质也会发生变化。为了保证品质稳定性，在订单刀具数量减少的情况下，需要使用尺寸相同的刀进行配炉以填充数量，确保腔体内温度场的稳定性。显然，在订单数量减少，用电量、气量和热丝材料的数量不变，生产一炉的成本便显著上升。因此需要一种更灵活的技术方式来降低制造成本。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种热丝法化学气相沉积设备，该热丝法化学气相沉积设备能够有效提升工件镀膜效率及其镀膜均匀性和一致性，同时还能够有效节省镀膜成本。
本发明的第二目的在于提供一种采用热丝法化学气相沉积设备的化学气相沉积方法，该方法操作方便灵活，能够有效提升工件镀膜效率，节省工件镀膜成本。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种热丝法化学气相沉积设备，包括：
腔体，至少设置有两个腔室，每个所述腔室均设置有进气口和出气口；
载具，架设于所述腔室，所述载具包括竖直紧固于所述腔室内的升降台、以及设置于所述升降台的载盘，所述载盘设置有1～3排待镀膜的工件；
加热组件，用于所述工件均匀加热，所述加热组件包括架设于所述工件上方的加热丝，以及设置于所述加热丝两端的电极组件；所述电极组件与供电装置电连接；
调压组件，用于所述腔室的压力调节及所述腔室中气体的输入输出。
其中，所述电极组件包括正导电杆、负导电杆及电极，所述电极包括设置于两所述正导电杆之间的正电极，以及设置于两所述负导电杆之间的负电极。
其中，所述正电极和所述负电极之间平行间隔设置有多条所述加热丝。
其中，相邻所述加热丝之间成排设置有所述工件。
其中，所述加热丝的长度大于所述工件的排列长度。
其中，所述载盘设置为石墨载盘。
其中，所述调压组件包括设置于所述进气口的流量计，以及与所述出气口相连接的真空泵，所述进气口与外部供气装置相连接。
其中，所述流量计、所述真空泵、所述升降台、所述供电装置及所述外部供气装置均与外部电控装置电连接。
其中，两所述电极均设置为钼条。
一种化学气相沉积方法，采用上述所述的热丝法化学气相沉积设备，该方法包括以下步骤：
S1.将所述工件成排设置于所述载盘，之后将载有所述工件的载盘放置于所述腔室中的升降台，然后关闭腔门；
S2.打开所述真空泵，对摆放有工件的所述腔室抽真空，之后向所述腔室中放入混合气体及辅助气体，并通过所述真空泵调节所述腔室中的压力；
S3.控制所述升降台上升，使所述工件与所述加热丝之间保持预设距离；
S4.打开所述供电装置为所述加热丝供电，使所述加热丝达到预定温度后为所述工件镀膜。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种热丝法化学气相沉积设备，包括腔体、载具、加热组件及调压组件，其中，腔体至少设置有两个腔室，每个腔室均设置有进气口和出气口；载具包括竖直紧固于腔室内的升降台、以及设置于升降台的载盘，载盘设置有1～3排待镀膜的工件；加热组件包括架设于工件上方的加热丝，以及设置于加热丝两端的电极组件；电极组件与供电装置电连接；调压组件用于腔室压力调节及腔室中气体的输入输出。本发明能够有效提升工件镀膜效率及其灵活性，且镀膜一致性和均匀性好，同时还能够有效节省镀膜成本；此外，本发明还提供了一种采用热丝法化学气相沉积设备的化学气相沉积方法，该方法操作方便灵活，能够有效提升工件镀膜效率，节省工件镀膜成本。
附图说明
图1是本发明一种热丝法化学气相沉积设备的结构示意图；
图中：
1、腔体；11、腔室；12、进气口；13、出气口；
21、升降台；22、载盘；23、工件；
31、正电极；32、正导电杆；33、加热丝；
41、流量计；42、真空泵；5、供电装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
结合图1所示，本实施例提供了一种热丝法化学气相沉积设备，包括腔体1、载具、加热组件及调压组件。
具体的，本实施为了提升工件23的镀膜效率，上述腔体1至少设置有两个腔室11，每个腔室11均设置有进气口12和出气口13，作为优选，进气口12设置于腔室11的顶部，出气口13设置于腔室11的底部，更进一步的，为了方便控制腔室11内的气压，且方便向腔室11中输入混合气体和辅助气体，作为优选，本实施例还设置有上述调压组件，该调压组件包括设置于进气口12的流量计41，以及与出气口13相连接的真空泵42；进一步优选的，进气口12与外部供气装置相连接。
采用上述连接方式设置的调压组件，在外部供气装置向腔室11注入气体之前，可以先通过真空泵42将腔室11抽真空，之后再通过流量计41和真空泵42的作用，将其腔室11中的气压调节至预设值。
更进一步的，为了方便腔室11中气压的自动调节，作为优选，本实施例中的流量计41、真空泵42及外部供气装置均与外部电控装置电连接，有关外部电控装置的具体控制原理及电路设置，相关技术中都较为常用，在此不做具体赘述。
进一步具体的，本实施例中，为了方便工件23的摆放，在腔室11中架设有载具，具体的，该载具包括竖直紧固于腔室11内的升降台21、以及设置于升降台21的载盘22，载盘22设置有1～3排待镀膜的工件23；优选的，本实施例中载盘22设置为石墨载盘，工件23平行间隔设置为两排，更进一步的，本实施例中的工件23设置为刀具，石墨载盘22上并排设置有多个定位孔，多个刀具分别插在定位孔内。
更进一步的，为了提升上述刀具的镀膜效率，使得刀具镀膜更加均匀，作为优选，本实施例中的刀具设置为2排。
更进一步的，为了使得刀具在镀膜时加热更加均匀，本实施例中设置于腔室11内的加热组件包括架设于工件23上方的加热丝33，以及设置于加热丝33两端的电极组件；优选的，电极组件包括正导电杆32、负导电杆及电极，具体的，电极包括设置于两正导电杆32之间的正电极31，以及设置于两负导电杆之间的负电极，多条加热丝33平行间隔连接于正电极31和负电极之间且位于工件23的上方。
进一步的，为了使得每排工件23更加均匀的受热，作为优选，本实施例中相邻加热丝33之间成排设置有工件23，也即每一排工件23均位于上方的两相邻加热丝33之间。以此方式摆放的工件23，之后通过上述升降台21的驱动，使工件23与加热丝33之间保持预设距离；更进一步的，作为优选，本实施例中加热丝33的长度大于工件23的排列长度。
此外，两电极均设置为钼条，由于横跨于两排工件23的上方，因此长度也较短，继而减少了钼条过长和加热丝数量多导致的加热丝电流差异，提高了不同炉次刀具品质的稳定性；作为优选，本实施例中，为了提升升降台21的自动化能力，可以通过电机驱动，之后再与外部电控装置电连接。有关升降台21的具体结构设计，相关技术中都较为常用，在此不做具体赘述。
此外，本实施例中的上述供电装置5与外部电控装置电连接，且供电装置5的正负极分别与上述正导电杆32和负导电杆对应电连接，也可以根据需要，每个腔室11单独设置一台供电装置5。
更进一步的，本实施例还提供了一种化学气相沉积方法，包括上述热丝法化学气相沉积设备，该方法包括以下步骤：
S1.将工件23成排设置于载盘22，之后将载有工件23的载盘22放置于腔室11中的升降台21，然后关闭腔门；
S2.打开真空泵42，对摆放有工件23的腔室11抽真空，之后向腔室11中放入混合气体及辅助气体，并通过真空泵42调节腔室11中的压力；
S3.控制升降台21上升，使工件23与加热丝33之间保持预设距离；
S4.打开供电装置5为加热丝33供电，使加热丝33达到预定温度后为工件镀膜。
采用上述化学气相沉积方法进行工件23镀膜，工件23受热均匀，镀膜效率高，节省成本，省时省力。
更进一步的，采用上述热丝法化学气相沉积设备及化学气相沉积方法加工的工件23，还具有以下优点：
1、性能一致。由于每个腔室11只有两排刀，不存在中间排列刀具温度高，外围温度低的差别，同时也无中间与外围刀具附近气流速度慢和浓度低的影响，每支刀的膜厚及晶粒大小一致性高。此外，由于每个腔室11内加热丝数量少，且导电用的钼条短，减少了钼条过长和加热丝数量多导致的加热丝电流差异，提高了不同炉次刀具品质的稳定性；
2、排产灵活。每个腔室11内部组件可独立工作，相同工艺的情况下，可根据不同刀具数量，选择一个或多个腔室11同时进行工作；进一步的，可单独控制每个腔室11的气压，电流和气体流量，使每个腔体1运行不同工艺来应对不同刃径刀具；
3、成本节约。由于可根据不同刀具数量来选择工作的腔室11数量，因此在刀具数量少时，使用较少的腔室11，避免像传统设备为确保工艺参数稳定，不管刀具数量多少，电量和气量不变，进而造成生产成本浪费等问题发生；
4、生产高效。由于每个腔室11只有两排刀，因此每支刀具附近气流无遮挡，流速更快，在合适的加热丝温度和刀具温度下，长膜速率也将快于当前设备。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，包括：
腔体(1)，至少设置有两个腔室(11)，每个所述腔室(11)均设置有进气口(12)和出气口(13)；
载具，架设于所述腔室(11)，所述载具包括竖直紧固于所述腔室(11)内的升降台(21)、以及设置于所述升降台(21)的载盘(22)，所述载盘(22)设置有1～3排待镀膜的工件(23)；
加热组件，用于所述工件(23)均匀加热，所述加热组件包括架设于所述工件(23)上方的加热丝(33)，以及设置于所述加热丝(33)两端的电极组件；所述电极组件与供电装置(5)电连接；
调压组件，用于所述腔室(11)的压力调节及所述腔室(11)中气体的输入输出。
2.根据权利要求1所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述电极组件包括正导电杆(32)、负导电杆及电极，所述电极包括设置于两所述正导电杆(32)之间的正电极(31)，以及设置于两所述负导电杆之间的负电极。
3.根据权利要求2所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述正电极(31)和所述负电极之间平行间隔设置有多条所述加热丝(33)。
4.根据权利要求3所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，相邻所述加热丝(33)之间成排设置有所述工件(23)。
5.根据权利要求3所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述加热丝(33)的长度大于所述工件(23)的排列长度。
6.根据权利要求1所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述载盘(22)设置为石墨载盘。
7.根据权利要求1所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述调压组件包括设置于所述进气口(12)的流量计(41)，以及与所述出气口(13)相连接的真空泵(42)，所述进气口(12)与外部供气装置相连接。
8.根据权利要求7所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，所述流量计(41)、所述真空泵(42)、所述升降台(21)、所述供电装置(5)及所述外部供气装置均与外部电控装置电连接。
9.根据权利要求2所述的一种热丝法化学气相沉积设备，其特征在于，两所述电极均设置为钼条。
10.一种化学气相沉积方法，其特征在于，采用权利要求1至9任意一项所述的热丝法化学气相沉积设备，该方法包括以下步骤：
S1.将所述工件(23)成排设置于所述载盘(22)，之后将载有所述工件(23)的载盘(22)放置于所述腔室(11)中的所述升降台(21)，然后关闭腔门；
S2.打开真空泵(42)，对摆放有工件(23)的所述腔室(11)抽真空，之后向所述腔室(11)中通入混合气体及辅助气体，并通过所述真空泵(42)调节所述腔室(11)中的压力；
S3.控制所述升降台(21)上升，使所述工件(23)与所述加热丝(33)之间保持预设距离；
S4.打开所述供电装置(5)为所述加热丝(33)供电，使所述加热丝(33)达到预定温度后为所述工件(23)镀膜。
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