專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及化學(xué)氣相沉積金剛石膜領(lǐng)域，特別是熱絲化學(xué)氣相沉積裝置中的熱絲架。
背景技術(shù)：
目前，金剛石薄膜的制備技術(shù)主要包括微波等離子體化學(xué)氣相沉積、直流等離子體噴射化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積等。相對(duì)于其它兩種技術(shù)，熱絲法可制備大面積金剛石薄膜，且綜合成本最低，具有良好的工業(yè)推廣潛能。熱絲架的設(shè)計(jì)是熱絲CVD沉積系統(tǒng)制備大面積金剛石膜的核心內(nèi)容。水平布置的熱絲陣列在通電后，熱絲被迅速加熱，從而產(chǎn)生膨脹，長(zhǎng)度隨之增加。如果此時(shí)燈絲拉長(zhǎng)得不到及時(shí)消除的話，原本平行于基底的熱絲將產(chǎn)生下垂。燈絲下垂導(dǎo)致燈絲與基底間距發(fā) 生改變，甚至出現(xiàn)燈絲直接接觸基底材料，從而造成溫度場(chǎng)的不均勻，成膜質(zhì)量嚴(yán)重受損，甚至無(wú)法合成金剛石薄膜。因此，為了獲得穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，必須保證熱絲在沉積過(guò)程中與基底的間距始終保持穩(wěn)定。因此，一般采用將熱絲一端固定，另一段采用彈性良好且能耐高溫的彈簧連接。當(dāng)燈絲通電被加熱后燈絲長(zhǎng)度增加，此時(shí)，利用彈簧拉力變形使燈絲變形量得到消除，燈絲不產(chǎn)生下垂，從而達(dá)到保持燈絲始終平直的效果。中國(guó)專(zhuān)利200610039088. 3公開(kāi)了一種實(shí)用新型熱絲架包括一個(gè)固定電極和一個(gè)移動(dòng)電極和相應(yīng)的熱絲。熱絲采用單根扁平狀金屬絲，繞在固定電極與移動(dòng)電極的電極柱上形成熱絲陣列。該方案雖然可以保證熱絲始終處于平直狀態(tài)且可能會(huì)增加能量利用率，但是由于采用單根燈絲，如果在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于燈絲溫度很高，燈絲與導(dǎo)電柱接觸點(diǎn)的潤(rùn)滑性不足時(shí)，很可能造成燈絲局部無(wú)法拉直，從而導(dǎo)致整個(gè)熱絲架的拉直無(wú)法實(shí)現(xiàn)。中國(guó)專(zhuān)利201010181903. 6公開(kāi)了另一種熱絲架的張緊機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)同樣采取一根長(zhǎng)燈絲的往復(fù)纏繞實(shí)現(xiàn)大面積的金剛石膜沉積。該方法采用一個(gè)固定電極橫梁和一個(gè)活動(dòng)電極，燈絲通過(guò)彈簧的拉力實(shí)現(xiàn)緊繃。該方案結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是在方案實(shí)施過(guò)程中，活動(dòng)螺釘和活動(dòng)電極均是導(dǎo)電通道，它們本身就會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，此時(shí)彼此之間的連接可能出現(xiàn)滑動(dòng)不暢，或者接觸電阻太大，從而導(dǎo)致導(dǎo)電能力不足或補(bǔ)充燈絲變形失敗等結(jié)果。此夕卜，以上兩個(gè)公開(kāi)實(shí)用新型中，采用的燈絲均是單根燈絲，如果在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于某一接觸點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致燈絲變形沒(méi)有得到及時(shí)消除，則整個(gè)絲架系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。因此，改用單根燈絲的話，則可避免單根長(zhǎng)燈絲受限制點(diǎn)過(guò)多的缺陷，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和燈絲的重復(fù)利用率。美國(guó)專(zhuān)利US5997650公開(kāi)了一種方案熱絲架米用一個(gè)固定電極和一個(gè)活動(dòng)電極?；顒?dòng)電極通過(guò)彈簧連接。隨著燈絲受熱變長(zhǎng)，彈簧拉動(dòng)電極進(jìn)行補(bǔ)償。該方案中活動(dòng)電極的連接可能會(huì)存在缺陷。比如在長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，活動(dòng)電極與導(dǎo)線連接處的冷卻無(wú)法得到有效疏散的話，活動(dòng)電極的滑動(dòng)將受阻，使得燈絲變形后無(wú)法得到及時(shí)的拉升，從而造成燈絲下墜，實(shí)驗(yàn)失敗。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)定生長(zhǎng)大面積金剛石薄膜的熱絲架及其制造方法。該實(shí)用新型可克服已有技術(shù)中的一些技術(shù)缺陷，提高熱絲的利用率和穩(wěn)定性，用于制備大面積金剛石薄膜。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架制造方法，其特征在于，具體步驟如下I. I整個(gè)熱絲架首先在沉積腔室外進(jìn)行整體安裝；先通過(guò)兩根支撐桿(8)將左鑰電極(I)和右鑰電極(2)進(jìn)行固定；未安裝彈簧的彈簧架(5)通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極
(2)進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角；在左鑰電極(I)上等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，凹槽口背對(duì)右鑰電極(2);右鑰電極(2)上具有弧型槽(4)，弧型槽(4)與銷(xiāo)釘
(3)分布規(guī)律相同，且弧型槽(4)底部與銷(xiāo)釘(3)的凹槽水平一致；鉭或鎢材質(zhì)的燈絲(7)依據(jù)需要剪成長(zhǎng)度相等的燈絲段若干根，然后在兩頭擰出圓環(huán)狀；燈絲一端套在帶凹槽銷(xiāo)釘(3)上，另一端跨過(guò)右鑰電極(2)后與彈簧(9) 一端連接，彈簧(9)另一端通過(guò)鉤連接在外邊條(6)的相應(yīng)孔上，外邊條(6)上的孔與弧型槽(4)和銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同，從而完 成固定；I. 2所有燈絲布置完后，將整個(gè)燈絲陣列放入反應(yīng)腔室中，左、右鑰電極與四個(gè)帶水冷銅電極支柱(10)進(jìn)行連接；熱絲架固定后，將兩根支持桿(8)拆除，即可關(guān)閉腔室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架，包括左鑰電極(1)，右鑰電極(2)，帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，弧形槽(4)，彈簧架(5)，外邊條(6)，若干根長(zhǎng)度相等的燈絲(7)，支持桿(8)及彈黃(9);所述左鑰電極(I)和右鑰電極(2)通過(guò)支持桿(8)固定；左鑰電極(I)上等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，凹槽口背對(duì)右鑰電極(2);右鑰電極(2)上具有弧型槽(4)，弧型槽(4)與銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同，且弧型槽(4)底部與銷(xiāo)釘
(3)的凹槽水平一致；彈簧架(5)通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角；燈絲(7)—端套在帶凹槽銷(xiāo)釘(3)上，另一端跨過(guò)右鑰電極(2)后與彈簧(9) 一端連接，彈簧(9)另一端通過(guò)鉤連接在外邊條(6)的相應(yīng)孔上，外邊條(6)上的孔與弧型槽(4)和銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同。3、一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架，包括左鑰電極(1)，右鑰電極(2)，帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，弧形槽(4)，彈簧架(5)，外邊條(6)，若干根長(zhǎng)度相等的燈絲(7)，彈簧(9)及銅電極支柱(10)；所述左鑰電極(I)和右鑰電極(2 )與四個(gè)帶水冷銅電極支柱(10 )進(jìn)行連接固定；左鑰電極(I)上等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，凹槽口背對(duì)右鑰電極(2);右鑰電極(2)上具有弧型槽(4)，弧型槽(4)與銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同，且弧型槽(4)底部與銷(xiāo)釘
(3)的凹槽水平一致；彈簧架(5)通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角；燈絲(7)—端套在帶凹槽銷(xiāo)釘(3)上，另一端跨過(guò)右鑰電極(2)后與彈簧(9) 一端連接，彈簧(9)另一端通過(guò)鉤連接在外邊條(6)的相應(yīng)孔上，外邊條(6)上的孔與弧型槽(4)和銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同。上述技術(shù)方案中，左鑰電極(I)通過(guò)兩個(gè)帶水冷銅電極支柱(10 )固定，為長(zhǎng)條型。其上表面等間距分布有螺孔。所述帶槽銷(xiāo)釘(3)為鑰材質(zhì)，下部分加工成螺釘，上半部分加工出凹槽，安裝時(shí)凹槽方向背向右鑰電極；所述的右鑰電極(2)通過(guò)兩個(gè)帶水冷銅電極支柱(10)固定，為圓柱形，與銅電極支柱連接處為平面連接。右鑰電極(2)表面刻有等間距的弧型凹槽，間距與左鑰柱螺孔間距相同，弧型槽(4)最低點(diǎn)水平高度與左鑰電極上的凹形槽水平高度一致；彈簧架(5)與水平呈30度夾角，彈簧架的外邊條(6)及兩側(cè)采用不銹鋼條，且外邊條上開(kāi)孔，孔間距與左鑰柱螺孔間距相同，彈簧架(5)與右鑰電極(2)之間的連接采用陶瓷絕緣連接；支撐桿(8)為不銹鋼條，為安裝燈絲架過(guò)程中固定整個(gè)電極陣列所用；彈簧(9)為耐高溫不銹鋼材質(zhì)，兩端帶鉤；燈絲(7)為鉭或鎢材質(zhì)，兩端擰成圓環(huán)狀，一端套在左鑰電極的帶槽銷(xiāo)釘上，燈絲跨過(guò)右鑰電極時(shí)，卡在右鑰電極的弧型槽中。燈絲另一端連接彈簧一端，然后彈簧的另一端再固定到彈簧夾外邊條上的孔中。本實(shí)用新型的有益效果如下·[0025]I、利用彈簧架對(duì)每根燈絲進(jìn)行單獨(dú)控制，可使每根燈絲都能夠充分受力，且不受其他燈絲狀態(tài)的影響，從而達(dá)到平直狀態(tài)。左、右鑰電極與水冷銅電極進(jìn)行固定連接，避免了采用活動(dòng)電極連接過(guò)程中，電極的冷卻不足以及滑動(dòng)受阻的缺陷；左鑰電極上設(shè)有等間距螺孔，可滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)燈絲間距的參數(shù)變化的要求。2、帶槽銷(xiāo)釘可方便的布置在左鑰電極上，燈絲一端卡在帶槽銷(xiāo)釘?shù)陌疾壑袑?shí)現(xiàn)定位；在右鑰電極上刻有弧型槽，燈絲陷在弧型槽里，然后通過(guò)傾斜30度的彈簧進(jìn)行拉伸固定。傾斜彈簧架的作用是一方面可以保證熱絲與右鑰電極柱之間形成面接觸，從而保證良好的歐姆接觸及滑動(dòng)順暢，同時(shí)弧面的接觸連接也能確保熱絲受熱膨脹后只發(fā)生軸向移動(dòng)，而不會(huì)發(fā)生徑向滑動(dòng)，避免燈絲工作過(guò)程中產(chǎn)生抖動(dòng)。3、由于左鑰電極上帶槽銷(xiāo)釘?shù)陌疾叟c弧型槽最低點(diǎn)水平高度一致，因此使得在載物臺(tái)上方的燈絲架處于水平位置，整個(gè)燈絲架保持與基底的間距一致。彈簧架與右鑰電極之間采用絕緣連接，且與水平呈30度后，保證每根彈簧及彈簧架邊框均未有電流通過(guò)，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，整個(gè)彈簧架的熱量主要來(lái)自燈絲的輻射熱量。4、由于采用了傾斜模式，因此，當(dāng)載物臺(tái)上升后可阻擋一部分熱量輻射至彈簧，從而避免了每根彈簧的溫度過(guò)高，進(jìn)而保證了在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中彈簧始終保持較好的拉力，燈絲變形后迅速被彈簧的收縮相抵消。彈簧在整個(gè)過(guò)程中始終保持良好的拉力和及時(shí)收縮對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定生長(zhǎng)大面積金剛石薄膜至關(guān)重要，是熱絲CVD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。5、為了方便整個(gè)燈絲架的安裝與更換，在設(shè)備非運(yùn)行狀態(tài)，采用兩根支撐桿對(duì)燈絲架進(jìn)行固定，保證整個(gè)絲架在安裝燈絲和彈簧后保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
圖I為熱絲陣列裝置俯視圖。圖2為熱絲陣列裝置側(cè)視圖。圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)1.左鑰電極，2.右鑰電極，3.帶凹槽銷(xiāo)釘，4.弧形槽，5.彈簧架，6.外邊條，7.燈絲，8.支持桿；9.彈簧，10.水冷銅電極支柱，11.載物臺(tái)。
具體實(shí)施方式
[0037]本實(shí)用新型提供的是可供大面積穩(wěn)定生長(zhǎng)金剛石膜的熱絲架陣列系統(tǒng)，主要包括左鑰電極，右鑰電極，帶凹槽銷(xiāo)釘，弧形限位槽，燈絲，彈簧和彈簧架，外邊條，支持桿以及水冷銅電極支柱。整個(gè)熱絲架首先在沉積腔室外進(jìn)行整體安裝。先通過(guò)兩根支撐桿8將左鑰電極I和右鑰電極2進(jìn)行固定。未安裝彈簧的彈簧架5通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極2進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角。此時(shí)整個(gè)絲架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定；在左鑰電極I上根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘3，凹槽口背對(duì)右鑰電極2 ;鉭或鎢材質(zhì)的燈絲7依據(jù)實(shí)驗(yàn)需要剪成長(zhǎng)度相等的燈絲段若干根，然后在兩頭擰出圓環(huán)狀；燈絲一端套在帶凹槽銷(xiāo)釘3上，另一端跨過(guò)右鑰電極2后與彈簧9 一端連接，彈簧9另一端通過(guò)鉤連接在外邊條6的相應(yīng)孔上，從而完成固定。由于左鑰電極I上的帶槽銷(xiāo)釘3，與右鑰電極2上的弧型槽4，以及外邊條6上的孔分布規(guī)律完全一致，而且銷(xiāo)釘3的凹槽與弧型槽4底部水平高度一致，因此保證了整個(gè)燈絲陣列處于水平位置，而且燈絲間距一致。此外，實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，通過(guò)改變帶槽銷(xiāo)釘3的布置以及弧形槽4及外邊條6上面孔的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同燈絲間距的控制；整個(gè)彈簧架5與燈絲陣列平面呈30度夾角，所以保證每根燈絲7受拉后，能與左 鑰電極I上的帶槽銷(xiāo)釘3，右鑰電極2上的弧型槽4實(shí)現(xiàn)面接觸，從而保證燈絲7與左鑰電極I及右鑰電極2的良好導(dǎo)電連接。燈絲7限在弧型槽4中避免了在加熱過(guò)程中，燈絲的徑向擺動(dòng)，從而保證整個(gè)過(guò)程中燈絲間距的完全一致。燈絲陣列面能夠與載物臺(tái)11的間距保持不變。所有燈絲布置完后，將整個(gè)燈絲陣列放入反應(yīng)腔室中，左、右鑰電極正好與四個(gè)帶水冷銅電極支柱10進(jìn)行連接。絲架固定后，將兩根支持桿8拆除。隨后可關(guān)閉腔室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通電后，燈絲隨著溫度上升發(fā)生膨脹變形，此時(shí)通過(guò)彈簧的收縮進(jìn)行抵消。燈絲7在右鑰電極2上的弧型槽4中滑行順暢，從而使得燈絲始終能保持平直狀態(tài)。此外，由于彈簧架5與右鑰電極2之間采用絕緣連接，保證了彈簧架5本身無(wú)電流通過(guò)，不發(fā)生電阻生熱。而且彈簧架5與燈絲陣列面呈30度夾角，從而減少了燈絲的熱輻射對(duì)彈簧的熱影響，使得彈簧升溫得到緩解，彈簧始終工作在相對(duì)溫和的溫度范圍，提高了彈簧工作的穩(wěn)定性。實(shí)施例在采用硅作為襯底材料的熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜的過(guò)程中，熱絲陣列由15根Φ0. 5 mm的鉭絲組成,鉭絲間距15 mm,兩鑰電極間距250 mm,熱絲陣列寬210 mm。熱絲與載物臺(tái)間距8 mm，熱絲總電流600 A，單根燈絲電流40 A，熱絲溫度2200 °C，滿(mǎn)足甲烷及氫氣的裂解溫度要求。在通電過(guò)程中，燈絲變形后被彈簧迅速有效拉伸，變形被完全抵消，燈絲始終處于平直狀態(tài)。整個(gè)熱絲陣列面始終保持與載物臺(tái)的相對(duì)位置固定，沒(méi)有發(fā)生燈絲的斷裂及抖動(dòng)；10小時(shí)沉積后，彈簧架沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，彈簧仍能保持完好的彈性，可重復(fù)使用。實(shí)驗(yàn)完成后，載物臺(tái)中心與邊緣均制備出具有良好質(zhì)量的金剛石薄膜，表現(xiàn)形貌及厚度顯示中心與邊緣的成膜質(zhì)量無(wú)明顯差異。該裝置完全具備生長(zhǎng)大面積金剛石膜的能力。
權(quán)利要求1.一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架，包括左鑰電極(1)，右鑰電極(2)，帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，弧形槽(4)，彈簧架(5)，外邊條(6)，若干根長(zhǎng)度相等的燈絲(7)，支持桿(8)及彈簧(9)，其特征在于 所述左鑰電極(I)和右鑰電極(2 )通過(guò)支持桿(8 )固定； 左鑰電極(I)上等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，凹槽口背對(duì)右鑰電極(2);右鑰電極 (2)上具有弧型槽(4)，弧型槽(4)與銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同，且弧型槽(4)底部與銷(xiāo)釘(3)的凹槽水平一致； 彈簧架(5)通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角； 燈絲(7)—端套在帶凹槽銷(xiāo)釘(3)上，另一端跨過(guò)右鑰電極(2)后與彈簧(9)一端連接，彈簧(9 )另一端通過(guò)鉤連接在外邊條(6 )的相應(yīng)孔上，外邊條(6 )上的孔與弧型槽(4 )和銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同。
2.一種大面積沉積金剛石膜的熱絲架，包括左鑰電極(1)，右鑰電極(2)，帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，弧形槽(4)，彈簧架(5)，外邊條(6)，若干根長(zhǎng)度相等的燈絲(7)，彈簧(9)及銅電極支柱(10)，其特征在于 所述左鑰電極(I)和右鑰電極(2 )與四個(gè)帶水冷銅電極支柱(10 )進(jìn)行連接固定； 左鑰電極(I)上等間距布置一排帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，凹槽口背對(duì)右鑰電極(2);右鑰電極(2)上具有弧型槽(4)，弧型槽(4)與銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同，且弧型槽(4)底部與銷(xiāo)釘(3)的凹槽水平一致； 彈簧架(5)通過(guò)陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)進(jìn)行連接，整個(gè)彈簧架平面與水平呈30度夾角； 燈絲(7)—端套在帶凹槽銷(xiāo)釘(3)上，另一端跨過(guò)右鑰電極(2)后與彈簧(9)一端連接，彈簧(9 )另一端通過(guò)鉤連接在外邊條(6 )的相應(yīng)孔上，外邊條(6 )上的孔與弧型槽(4 )和銷(xiāo)釘(3)分布規(guī)律相同。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及化學(xué)氣相沉積金剛石膜領(lǐng)域，特別是熱絲化學(xué)氣相沉積裝置中的熱絲架及其制造方法。熱絲架包括左鉬電極(1)，右鉬電極(2)，帶凹槽銷(xiāo)釘(3)，弧形槽(4)，彈簧架(5)，外邊條(6)，若干根長(zhǎng)度相等的燈絲(7)，支持桿(8)及彈簧(9)。整個(gè)熱絲架首先在沉積腔室外進(jìn)行整體安裝，所有燈絲布置完后，將整個(gè)燈絲陣列放入反應(yīng)腔室中，左、右鉬電極與四個(gè)帶水冷銅電極支柱(10)進(jìn)行連接；熱絲架固定后，將兩根支持桿(8)拆除，即可關(guān)閉腔室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)用新型可克服已有技術(shù)中的一些技術(shù)缺陷，提高熱絲的利用率和穩(wěn)定性，可用于制備大面積金剛石薄膜。
文檔編號(hào)C23C16/27GK202643836SQ201220201458
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月6日
發(fā)明者魏俊俊, 李成明, 高旭輝, 黑立富, 呂反修 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)