CN1844450A - 一种金刚石膜生长设备的热丝及电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的金刚石膜生长设备的热丝及电极结构，属于热丝法金刚石膜生长技术领域。本发明主要包括一个固定电极、一个移动电极和相应的热丝，其特征在于：所述的固定电极上等间距的设有一组电极柱；所述的移动电极上也等间距的设有一组电极柱，且所述间距与固定电极上电极柱间距相等，所述电极柱与固定电极上电极柱错开半个间距；所述的热丝为一根扁平状热丝，绕在固定电极与移动电极的电极柱上形成热丝阵列。由于采用了扁丝结构，与圆丝相比增大了反应气体与热丝的接触面积和接触时间，提高反应气体分解率，使得金刚石膜的生长速率得到很大提高；扁状热丝间互相辐射加热，节约了电能，降低了金刚石膜的生长成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种热丝法生长金刚石膜的设备，特别是涉及热丝及其电极结构。
背景技术
金刚石膜技术已开发了多年，现其产品已在机械加工等领域开始应用(如焊接式厚膜刀具、涂层刀具、拉丝模等)显示出广阔的应用前景和巨大的潜在市场。沉积金刚石膜的方法很多。通常有微波等离子体化学气相沉积法、直流等离子体喷射法和热丝法。其中因为热丝法设备简单、成本较低、膜质量较好，比较适合机械领域的应用。
近期国内外金刚石膜工具市场调查表明，金刚石膜工具市场规模及发展速度比权威的国际资源投资公司预测要低得多，其主要原因在于CVD金刚石膜生产及后续加工成本过高。因此，为了尽快推进金刚石膜工具产业化进程，必须设法降低金刚石膜的生长成本。
热丝法生长大面积金刚石膜通常采用多根热丝组成栅状热丝阵列来实现，如图1所示，混合反应气体(例如H2和CH4混合)由反应室中进气口从上部流向热丝阵列，经高温热丝加热，部分反应气体分解成含碳活性基团和原子氢，这些含碳活性基团和原子氢流向衬底，在一定的工艺条件下在衬底上沉积出金刚石膜。生长金刚石膜消耗的主要是电能和反应气体，其中电能所占成本通常在总成本80％以上。由于高温圆丝向四周辐射能量，对金刚石膜生长有效的辐射主要为向热丝下方衬底表面辐射，向热丝上方辐射能量基本浪费了。如何有效地减少电能消耗成为降低金刚石膜的生长成本的关键。
发明内容
本发明提供一种扁状热丝阵列及电极结构，以减少生生长金刚石膜过程中的电能消耗。
一种金刚石膜生长设备的热丝及电极结构，包括一个固定电极、一个移动电极，和依靠固定电极与移动电极装夹的热丝，其特征在于：所述的固定电极上等间距的设有一组电极柱；所述的移动电极上等间距的设有一组电极柱，且所述间距与固定电极上电极柱间距相等，所述电极柱与固定电极上电极柱错开半个间距；所述的热丝为一根扁平状热丝，绕在固定电极与移动电极的电极柱上形成热丝阵列。
扁丝与同截面积的圆丝相比，具有以下特点：
(1)扁状热丝外表面积增大，与反应气体的接触面积增大，同时增加了反应气体与热丝接触时间，提高反应气体尤其是H2的催化分解率，有助于大幅度提高金刚石膜成核密度和生长速率，降低金刚石中sp2碳等缺陷的含量，改善金刚石膜的机械性能，成核密度的大幅度提高也有助于改善金刚石膜与工具表面的结合力。
(2)扁状热丝阵列减少了反应气体前进方向阻挡截面，使气流较易穿过热丝阵列流向衬底，从而减少热阻塞和热绕流现象，有利于提高生长速率和膜厚的均匀性。
(3)扁状热丝表面的热辐射由于扁丝截面长边部分互相正对且相距较近，热辐射能量大部分被相邻扁丝吸收和反射，辐射到反应室内壁及衬底表面的能量减少，提高了电能利用率，降低了金刚石膜生长成本；衬底表面辐射能量的减少不仅使得水冷衬底的温度易于控制，而且可以选用较粗的热丝阵列较快生长金刚石膜，这在对没有进行水冷的刀具表面涂层时效果更为明显。
(4)扁状热丝较薄，热丝碳化时间大为缩短，有利于提高工作效率。
附图说明
图1为圆丝阵列法生长金刚石膜示意图。
图2为扁丝阵列法生长金刚石膜示意图。
图3为扁丝阵列拉伸装置示意图。
图1中标号名称：1.反应气体，2.热丝阵列，3.金刚石膜，4.衬底。
图3中标号名称：5.电极柱。
具体实施方式
根据图3所示，本发明的热丝及电极结构，包括一个固定电极、一个移动电极，和依靠固定电极与移动电极装夹的热丝，其特征在于：所述的固定电极为长条钼电极，其上等间距的设有一组电极柱；所述的移动电极为长条钼电极，其上等间距的设有一组电极柱，且所述间距与固定电极上电极柱间距相等，所述电极柱与固定电极上电极柱错开半个间距；所述的热丝为一根扁平状热丝，绕在固定电极与移动电极的电极柱上形成热丝阵列。
扁状热丝采用高熔点的金属材料，如钨、钽、铌等。制作扁丝的方法有多种，对于钽材料，可采用退火的软态的钽丝，经滚压处理，把圆丝压扁到所需尺寸；对于很硬的钨材料，可用较薄的钨皮(厚度0.1mm～0.6mm)经线切割或激光切割成符合所需尺寸的扁状钨丝。
实施例：
采用退火的软态Φ2mmTa丝压制成截面为7×0.45mm2扁状热丝，与φ2mm圆丝相比，外表面积增加2.4倍，安装固定成扁状热丝阵列，与Φ2mm圆丝阵列对比试验，当其它工艺参数如热丝温度2400℃、衬底温度800℃、反应气压35Torr、气体总流量200SCCM，体积配比CH4∶H2＝3∶97等条件相同，结果观测表明成核密度提高三个数量级达2×109/cm2，生长速率提高1.5倍，由10um/hr→15um/hr，每克拉电能消耗减少30％。
Claims (2)
1、一种金刚石膜生长设备的热丝及电极结构，包括一个固定电极、一个移动电极，和依靠固定电极与移动电极装夹的热丝，其特征在于：所述的固定电极上等间距的设有一组电极柱；所述的移动电极上等间距的设有一组电极柱，且所述间距与固定电极上电极柱间距相等，所述电极柱与固定电极上电极柱错开半个间距；所述的热丝为一根扁平状热丝，绕在固定电极与移动电极的电极柱上形成热丝阵列。
2、按照权利要求1所述的金刚石膜生长设备的热丝及电极结构，其特征在于：所述热丝在缠绕中，形成相临两段热丝的夹角的中心线为水平线。
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