CN207552442U - 一种大面积热丝cvd金刚石薄膜生长装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种大面积热丝化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜生长装置。该装置设有密闭的反应腔体，反应腔体内的上部设有气体喷淋环，气体喷淋环通过管路与外部气源连接，反应腔体的外侧设有抽真空系统和真空测控系统；气体喷淋环下方于反应腔体内，平行依次布置热丝、基片、导电层、绝缘层、水冷样品台，基片、导电层、绝缘层叠放于水冷样品台上，水冷样品台通过转轴与外部调速电机相连接。本实用新型可以实现在大面积基片上快速、均匀沉积金刚石薄膜电极，减少反应气体的消耗，沉积过程中能测控热丝的温度、工件表面的温度和反应腔内的压强，能准确控制金刚石薄膜沉积各项主要工艺参数，工艺重复性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种大面积热丝化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜生长装置。
背景技术
金刚石薄膜以其优越的性能成为21世纪的新型功能材料。从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，因为金刚石膜具有一系列优异性能十分接近自然界中金刚石，具有最高硬度，高的弹性模量，极低的摩擦系数，极高的热导率，高的室温电阻率，极佳的绝缘性能，又有很高的电子和空穴转移率，并且在较宽的光波段范围内透明，具有较高的禁带宽度，成为新一代的功能半导体材料；同时它还具有极好的耐酸碱，抗腐蚀性是很好的耐蚀材料。作为电极材料它不同于普通的金属电极，因为它表面的共价结构、很宽的带隙和掺杂等，性能大大优于传统的玻璃碳、热解石墨及其他形式的电极；金刚石膜电极有很宽的势窗、很小的背景电流、很高的化学和电化学稳定性、没有有机物和生物化合物的吸附、其电化学响应在很长的时间内保持稳定、耐腐蚀等，可用于对有毒有机化合物的电化学处理，高灵敏度有害化合物的探测及分析，特别是微电极可用于生物细胞组织中核酸及微量成分的测量和监控。金刚石与水介质问有效势垒高达 3V(激活碳是1V)，可用来制备高电容比的电容器。另外，由于微型金刚石电极的稳定性，仅有小的电容漏电流和欧姆电阻变化，因而可在微秒时间尺度内，经由电压测量来研究快速动态过程。这些集力学、电学、热学、声学、光学、耐腐蚀等各种优异性能于一体的薄膜材料在未来全球应用领域中显示出强大的生命力。
金刚石膜用作电极在电化学合成和污水处理方面应用广泛，但是现今的金刚石薄膜面积不够大，反应生成产物检测、及处理效果上不是很不明显，限制它的广泛研究应用。为实现金刚石薄膜的产业化应用与发展，在金刚石薄膜制备技术上；追求高速大面积优质的沉积方法已成为各国竞相开发研究的重点，已是众多金刚石薄膜科技工作者十分关注的发展方向之一。小功率CVD薄膜沉积系统沉积面积小，沉积速率低，而且受温度场边缘效应的影响膜厚分布不均匀，难以实现工业级的应用，因此在已有的系统设备的基础上，研制大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，可以大面积、均匀、高速率、主要工艺参数可控的在基片表面沉积金刚石薄膜。
本实用新型的技术方案：
一种大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，该装置设有密闭的反应腔体，反应腔体内的上部设有气体喷淋环，气体喷淋环通过管路与外部气源连接，反应腔体的外侧设有抽真空系统和真空测控系统；气体喷淋环下方于反应腔体内，平行依次布置热丝、基片、导电层、绝缘层、水冷样品台，基片、导电层、绝缘层叠放于水冷样品台上，水冷样品台通过转轴与外部调速电机相连接。
所述的大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，水冷样品台的上方于反应腔体外设有工件内表面温度红外测温仪和热丝温度红外测温仪。
所述的大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，反应腔体外部设有冷水机、直流加热电源和偏压电源，冷水机与水冷样品台通过管路连接，偏压电源两端分别与导电层、反应腔体的一端连接，直流加热电源两端分别与热丝连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点及有益效果：
1、本实用新型的反应腔体内的上部设有气体喷淋环，另一端设有抽真空系统和真空测控系统，气体喷淋环下方平行依次布置热丝、基片、导电层、绝缘层、水冷样品台；水冷样品台通过转轴由外部调速电机相连接，反应气体经喷淋环喷淋后直接进入基片表面区域，经热丝裂解后，就近在工件表面沉积，其他副产物气体经抽空系统排到室外，各反应气体的利用率高，减少反应气体的消耗。
2、由于本实用新型中反应腔体内部有水冷样品台，水冷样品台向上依次设有绝缘层基片、导电层、基片，导电层与直流偏压电源相连，在热丝和样品台之间加直流偏压，这样活跃的原子自由基就可以在电场下作加速运动，从而提高薄膜的形核率和沉积速率。
3、本实用新型水冷样品台通过转轴由外部调速电机相连接，通过调节电机带动水冷样品台均匀旋转，解决金刚石薄膜沉积过程中基片表面处反应气体的均匀性问题，能够保证基片表面处不同位置都处在相同的气氛中，从而保证大面积的镀膜时薄膜性能的一致性，可以在大尺寸的基片上沉积金刚石薄膜。
4、由于本实用新型中水冷样品台上方有工件内表面温度红外测温仪、热丝温度红外测温仪，反应腔体的另一端设有抽真空系统和真空测控系统，可以实现在大面积基片表面快速、均匀沉积金刚石薄膜电极，减少反应气体的消耗，沉积过程中能测控热丝、工件表面的温度和反应腔内压强，能准确控制金刚石薄膜沉积各项主要工艺参数，工艺重复性好。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：1—气体喷淋环；2—热丝；3—基片；4—导电层；5—绝缘层；6—反应腔体；7—外部气源；8—直流加热电源；9—偏压电源；10—冷水机；11—调速电机；12—真空系统；13—水冷样品台；14—真空测控系统；15—工件内表面温度红外测温仪；16—热丝温度红外测温仪。
具体实施方式：
下面，结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。对于这些实施例的详细描述，应该理解为本领域的技术人员可以通过本实用新型来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权利要求书的精神和本实用新型范畴的情况下，对所示实例进行更改和/或改变。此外，虽然在实施例中公布本实用新型的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本实用新型的功能。
如图1所示，本实用新型在工件内孔沉积金刚石薄膜的热丝化学气相沉积装置，该装置主要包括：气体喷淋环1、热丝2、基片3、导电层4、绝缘层5、反应腔体6、外部气源7、直流加热电源8、偏压电源9、冷水机10、调速电机 11、真空系统12、水冷样品台13、真空测控系统14、工件内表面温度红外测温仪15、热丝温度红外测温仪16等，具体结构如下：
密闭的反应腔体6内上部设有气体喷淋环1，气体喷淋环1通过管路与外部气源7连接，反应腔体6的外侧设有真空系统12和真空测控系统14；气体喷淋环1的下方于反应腔体6内，平行依次布置热丝2、基片3、导电层4、绝缘层 5、水冷样品台13，基片3、导电层4、绝缘层5叠放于水冷样品台13上，水冷样品台13通过转轴与外部调速电机11相连接。水冷样品台13的上方于反应腔体6外设有工件内表面温度红外测温仪15和热丝温度红外测温仪16。反应腔体 6外部设有冷水机10、直流加热电源8和偏压电源9，冷水机10与水冷样品台13 通过管路连接，偏压电源9两端分别与导电层4、反应腔体6的一端连接，直流加热电源8的两端分别与热丝2连接。
实施例
本实施例中，先将预先清洗干净处理好的基片3(基片直径为600mm)放入水冷样品台13的导电层4上面，连接好热丝2，然后用真空系统12将反应腔体 6内的压强抽至10-4～10-5Pa，通过调节直流加热电源8对热丝2进行加热，使反应腔体6内热丝的温度达到2000～2400℃(通过热丝温度红外测温仪16得到温度值)，调整冷水机10的冷却水流量使反应腔体6内基片3上表面温度达到 800～900℃(通过工件内表面温度红外测温仪15得到温度值)，通过外部气源7 将流量为600sccm的H2、50sccm的CH4和20sccm的1％体积比浓度的B(CH3)3通入反应腔体6，同时开启真空测控系统14，将反应腔体6的压强控制在2000～6000Pa，开启偏压电源9，将电压设置在100～300V。在反应过程中，只需维持通入的CH4和H2比例及反应腔体6内反应气压不变，整个沉积过程即可持续不断进行。等到生长到需求的厚度后，即可停止反应气体的通入，关闭偏压电源 9，同时缓慢的降低热丝2两端的直流加热电源8的电压，直到电压降为0，同时反应腔体6自然冷却，直至反应腔体6内工件3表面温度达到室温，即可打开反应腔体6，取出基片。
实施例结果表明，本实用新型提供一种大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，可以实现在基片表面快速、均匀沉积金刚石薄膜电极材料，减少反应气体的消耗，过程中能测控热丝、基片表面的温度和反应腔内压强，能准确控制金刚石薄膜沉积各项主要工艺参数，工艺重复性好。因此，本实用新型不仅可以应用于实验室在金刚石薄膜电极方面的研究，也可应用于大规模的金刚石薄膜电极片的工业化生产，就有很高的实用价值。
以上所述的仅是本实用新型所列举的最优实施方式。需要指出，对于本技术领域的所有技术人员，在不脱离所附权利要求书的精神和本实用新型所示原理的范畴情况下，还可以对所示实例进行更改和/或改变，这些改变也应被视为本实用新型的权利保护范围。
Claims (3)
1.一种大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，其特征在于，该装置设有密闭的反应腔体，反应腔体内的上部设有气体喷淋环，气体喷淋环通过管路与外部气源连接，反应腔体的外侧设有抽真空系统和真空测控系统；气体喷淋环下方于反应腔体内，平行依次布置热丝、基片、导电层、绝缘层、水冷样品台，基片、导电层、绝缘层叠放于水冷样品台上，水冷样品台通过转轴与外部调速电机相连接。
2.按照权利要求1所述的大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，其特征在于，水冷样品台的上方于反应腔体外设有工件内表面温度红外测温仪和热丝温度红外测温仪。
3.按照权利要求1所述的大面积热丝CVD金刚石薄膜生长装置，其特征在于，反应腔体外部设有冷水机、直流加热电源和偏压电源，冷水机与水冷样品台通过管路连接，偏压电源两端分别与导电层、反应腔体的一端连接，直流加热电源两端分别与热丝连接。
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