專利名稱：金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱絲法CVD金剛石膜的制備裝置，尤其是穩(wěn)定生長(zhǎng)CVD金剛石膜的熱絲電極，具體地說是一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(簡(jiǎn)稱CVD)金剛石的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等各項(xiàng)性能已經(jīng)達(dá)到或接近天然金剛石的性能，在當(dāng)今高科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。熱絲CVD法制備金剛石膜具有生長(zhǎng)速度較快、生長(zhǎng)條件參數(shù)的控制要求不嚴(yán)、反應(yīng)室壓力范圍較寬、成膜面積大、設(shè)備投資小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，熱絲CVD法是目前制備CVD 金剛石膜最常用的方法之一。采用熱絲CVD法沉積金剛石膜時(shí)需要將沉積金剛石膜的襯底安放在襯底工作臺(tái)上，為了獲得均勻的襯底溫度場(chǎng)，在襯底上制備出質(zhì)量均勻的CVD金剛石膜，熱絲列陣在制備過程中始終要求保持平直狀態(tài)。在熱膨脹和碳化作用下，熱絲列陣在 CVD金剛石膜制備過程中長(zhǎng)度會(huì)增加，如不采取拉緊措施，熱絲將會(huì)下垂，這樣襯底接受的輻射能量就會(huì)不均勻，從而影響襯底溫度場(chǎng)的均勻性，造成制備出的金剛石膜質(zhì)量不均勻。 目前解決這一問題的方法是采用彈簧拉熱絲，使得熱絲保持平直狀態(tài)。采用彈簧拉熱絲時(shí)會(huì)帶來一些問題
1.彈簧拉熱絲的電極一般由固定電極和活動(dòng)電極組成，由于在真空中不能對(duì)活動(dòng)電極進(jìn)行潤(rùn)滑，很小的彈簧力拉活動(dòng)電極時(shí)容易出現(xiàn)別卡現(xiàn)象，別卡后活動(dòng)電極移不了造成熱絲彎曲。2.活動(dòng)電極冷卻機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻機(jī)構(gòu)影響彈簧拉力，造成彈簧拉力不均勻。3.由于熱絲伸長(zhǎng)量的不確定性，固定電極端和活動(dòng)電極端熱絲長(zhǎng)度不一致，影響襯底溫度場(chǎng)的均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有CVD金剛石膜的沉積裝置的熱絲在真空高溫狀態(tài)下容易下垂導(dǎo)致沉積均勻性差，而現(xiàn)有的張緊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不準(zhǔn)確，容易卡絲等問題， 設(shè)計(jì)一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，利用在結(jié)構(gòu)上完全一樣的左右兩電極在襯底工作臺(tái)兩邊對(duì)稱安裝，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電極工作性能可靠，一方面可以使得熱絲列陣在制備過程中始終保持平直狀態(tài)，另一方面熱絲在襯底兩端的伸長(zhǎng)量始終保持一致，使得襯底溫度場(chǎng)保持均勻。利用該彈性張緊的金剛石膜生長(zhǎng)電極沉積CVD金剛石膜時(shí)，CVD金剛石膜邊緣和中部的質(zhì)量基本一致。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，包括底板5和襯底工作臺(tái)21，襯底工作臺(tái)21安裝在底板5上，熱絲20位于襯底工作臺(tái)21的上部，其特征是所述熱絲20的兩端固定在對(duì)應(yīng)的左鉬電極2和右鉬電極3中，所述的左鉬電極2和右鉬電極3分別安裝在對(duì)應(yīng)的左彈性支架1和右彈性支架4的上端，所述的左彈性支架1和右彈性支架4的下端對(duì)稱安裝襯底工作臺(tái)21兩側(cè)的底板5上；所述的左彈性支架1和右彈性支架4的彈性系數(shù)k(N/mm)與熱絲20的數(shù)量η及熱絲20的半徑r滿足以下關(guān)系k=廣3η ·Γ2，其中r=0.廣Imm ；左彈性支架1和右彈性支架4向內(nèi)收縮后兩端之間的距離Lmm與熱絲的工作長(zhǎng)度L1Him之間應(yīng)滿足以下關(guān)系1^=5+1. 05 L0所述的左彈性支架1由多片左彈簧片11疊加而成，左彈簧片11的下端通過絕緣墊6、螺釘7、絕緣套8、和墊片9與底板5連接；右彈性支架4與左彈性支架1具有相同的結(jié)構(gòu)，它由多片右彈簧片30疊加而成，右彈簧片30通過絕緣墊35、螺釘32、絕緣套33、和墊片34與底板5連接。所述的左鉬電極2由左上鉬壓塊17、左下鉬壓塊18、左冷卻板14、左電極板13組成，熱絲20的左端通過螺釘19緊壓在左上鉬壓塊17和左下鉬壓塊18之間，左鉬電極2通過螺釘12連在左彈性支架1的左彈簧片11上；右鉬電極3與左鉬電極2具有相同結(jié)構(gòu)，它由右上鉬壓塊23、右下鉬壓塊對(duì)、右冷卻板四、右電極板27組成，熱絲20右端通過螺釘22 緊壓在右上鉬壓塊23和右下鉬壓塊M之間，右鉬電極3通過螺釘28連在右彈性支架4的右彈簧片30上。所述的左彈性支架1和右彈性支架4的彈性系數(shù)由彈簧片的疊加數(shù)量調(diào)整；左彈性支架1和右彈性支架4之間的距離通過改變他們?cè)诘装?上的安裝位置調(diào)整，以適應(yīng)不同面積的工作臺(tái)。所述的熱絲20呈空間列陣排布；并通過左電極板13和右電極板27加電流，與左電極板13和右電極板27連接的施加電流的導(dǎo)線為柔性的銅絲編織帶。所述的左鉬電極2通過循環(huán)水冷卻，2根帶接頭的金屬軟管10和中空的左冷卻板 14形成冷卻水通道，金屬軟管10的接頭和左冷卻板14之間金屬密封連接；右鉬電極3通過循環(huán)水冷卻，2根帶接頭的金屬軟管31和中空的右冷卻板四形成冷卻水通道，金屬軟管 31的接頭和右冷卻板四之間金屬密封連接。所述的熱絲20與襯底工作臺(tái)21之間的距離可調(diào)，所述的襯底工作臺(tái)21可通過一套升降機(jī)構(gòu)來升降襯底工作臺(tái)21進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明的有益效果
1、采用本發(fā)明的彈性張緊的金剛石膜生長(zhǎng)電極，在金剛石生長(zhǎng)過程中熱絲保持始終平直狀態(tài)，由于左右兩邊電極結(jié)構(gòu)對(duì)稱，固定電極端和活動(dòng)電極端熱絲長(zhǎng)度基本一致，襯底溫度場(chǎng)的均勻性得到改善，沉積的CVD金剛石膜均勻性提高。2、調(diào)整彈性支架的彈簧片的疊加數(shù)量調(diào)整獲得合適的彈簧系數(shù)，在金剛石生長(zhǎng)過程中熱絲保持始終平直狀態(tài)下未出現(xiàn)熱絲被拉斷問題。3、燈絲列陣按圓柱面排布，通過施加襯底工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，利用本發(fā)明制備出了球冠金剛石膜。4、本發(fā)明電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，不存在活動(dòng)電極動(dòng)密封問題，真空系統(tǒng)的可靠性增加。5、調(diào)整左彈性支架和右彈性支架在底板上的安裝位置，利用本發(fā)明制備出了大面積金剛石膜。6、左、右冷卻板內(nèi)直接通入冷卻水冷卻，冷卻板與壓熱絲的鉬壓塊大面積直接接觸，冷卻效果好。
7、本發(fā)明通過大量實(shí)驗(yàn)得到了彈性裝置的彈性系數(shù)與熱絲數(shù)量、直徑之間的關(guān)系，同時(shí)給出了使用過程中彈性裝置應(yīng)提前內(nèi)縮的值。


圖1是本發(fā)明的張緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.左彈性支架、2.左鉬電極、3.右鉬電極、4.右彈性支架、5.底板、6.絕緣墊、7.螺釘、8.絕緣套、9.墊片、10.金屬軟管、11.彈簧片、12.螺釘、13.左電極板、14.左冷卻板、15.螺釘、16.螺釘、17.左上鉬壓塊、18.左下鉬壓塊、19.螺釘、20.熱絲(燈絲陣列)、 21.工作臺(tái)、22.螺釘、23.右上鉬壓塊、24.右下鉬壓塊、25.螺釘、26.螺釘、27.右電極板、 28.螺釘、29.右冷卻板、30.右冷卻板、31.金屬軟管、32.螺釘、33.絕緣套、34.墊片、35.絕緣墊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示。一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，它主要由左彈性支架1、左鉬電極2、右鉬電極3、右彈性支架4、熱絲20 (又可稱為燈絲列陣)等部分構(gòu)成，如圖1所示，熱絲20以及與其相連的左鉬電極2、右鉬電極3即構(gòu)成本發(fā)明的電極，左彈性支架1由多片左彈簧片11 疊加而成，左彈簧片11通過絕緣墊6、螺釘7、絕緣套8、和墊片9與底板5連接；右彈性支架4與左彈性支架1具有相同的結(jié)構(gòu)，它由多片右彈簧片30疊加而成，右彈簧片30通過絕緣墊35、螺釘32、絕緣套33、和墊片34與底板5連接；左鉬電極2由左上鉬壓塊17、左下鉬壓塊18、左冷卻板14、左電極板13組成，熱絲20左端通過螺釘19緊壓在左上鉬壓塊17和左下鉬壓塊18之間，左鉬電極2通過螺釘12連在左彈性支架1上，左下鉬壓塊18通過螺釘16連接在左冷卻板14上；右鉬電極3與左鉬電極2具有相同結(jié)構(gòu)，它由右上鉬壓塊23、 右下鉬壓塊M、右冷卻板四、右電極板27組成，熱絲20右端通過螺釘22緊壓在右上鉬壓塊23和右下鉬壓塊M之間，右鉬電極3通過螺釘28連在右彈性支架4上，右下鉬壓塊M 通過螺釘25連接在右冷卻板30上；2根帶接頭的金屬軟管10和中空的左冷卻板14形成冷卻水通道，金屬軟管10的接頭和左冷卻板14之間金屬密封連接，2根帶接頭的金屬軟管 31和中空的右冷卻板四形成冷卻水通道，金屬軟管31的接頭和右冷卻板四之間金屬密封連接；左電極板13通過螺釘15連接在左冷卻板14，右電極板27通過螺釘沈連接在右冷卻板四上。具體實(shí)施時(shí)為了保證有足夠的彈力和達(dá)到既防止熱絲下降，又防止熱絲過長(zhǎng)造成浪費(fèi)的問題，本發(fā)明的左彈性支架1和右彈性支架4的彈性系數(shù)可以根據(jù)彈簧片的疊加數(shù)量調(diào)整，使彈性系數(shù)k (N/mm)與熱絲(20)數(shù)量η和半徑r (mm)之間滿足以下關(guān)系k= (Γ3) η · r2(r=0.廣lmm)；安裝熱絲20時(shí)，為了使受熱伸長(zhǎng)后的熱絲20始終處于經(jīng)張緊狀態(tài)，左彈性支架1和右彈性支架4的上端應(yīng)向內(nèi)收縮，收縮后的距離L與熱絲20的工作長(zhǎng)度L1的關(guān)系應(yīng)滿足以下1^=5+1. 05 L (單位為毫米);左彈性支架1和右彈性支架4之間的距離通過改變他們?cè)诘装?上的安裝位置調(diào)整，可以適應(yīng)不同面積的工作臺(tái)。此餐，熱絲20 還可以是空間排布的列陣，通過左電極板13和右電極板27加電流，與左電極板13和右電極板27連接的導(dǎo)線為柔性的銅絲編織帶。所述的熱絲(燈絲列陣)20與襯底工作臺(tái)21的距離可以通過各種常見的升降機(jī)構(gòu)來升降襯底工作臺(tái)21進(jìn)行調(diào)整。下面通過一個(gè)實(shí)例來進(jìn)一步說明本發(fā)明的裝置對(duì)于改善沉積效果的優(yōu)點(diǎn)。在襯底21上安放直徑120mm鉬襯底，熱絲陣列由20根直徑0. 6 mm熱絲等間距在同一平面排列，熱絲材料為W，熱絲陣列上加熱電流為400A，熱絲溫度為^KKTC，反應(yīng)氣體為H2和CH4,成核時(shí)C:H=3%,生長(zhǎng)時(shí)C:H=1. 5%，生長(zhǎng)50小時(shí)得到厚度為0. 32mm的金剛石厚膜。生長(zhǎng)過程中，采用測(cè)溫機(jī)構(gòu)測(cè)得襯底各點(diǎn)的平均溫度為穩(wěn)定在780°C左右，熱絲陣列一直處于拉直狀態(tài)，未出現(xiàn)下垂或斷裂，制備出的金剛石厚膜中心和邊緣的質(zhì)量均勻一致。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，包括底板(5)和襯底工作臺(tái)(21)，襯底工作臺(tái)(21)安裝在底板(5 )上，熱絲(20 )位于襯底工作臺(tái)(21)的上部，其特征是所述熱絲(20 ) 的兩端固定在對(duì)應(yīng)的左鉬電極(2)和右鉬電極(3)中，所述的左鉬電極(2)和右鉬電極(3) 分別安裝在對(duì)應(yīng)的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的上端，所述的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的下端對(duì)稱安裝襯底工作臺(tái)(21)兩側(cè)的底板(5)上；所述的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的彈性系數(shù)k(N/mm)與熱絲(20)的數(shù)量η及熱絲(20)的半徑r滿足以下關(guān)系k=(廣3) η · r2，其中r=0.廣Imm ；左彈性支架(1)和右彈性支架(4)向內(nèi)收縮后兩端之間的距離L (mm)與熱絲的工作長(zhǎng)度L1 (mm)之間應(yīng)滿足以下關(guān)系1^=5+1. 05 L。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的左彈性支架(1)由多片左彈簧片(11)疊加而成，左彈簧片(11)的下端通過絕緣墊(6)、螺釘(7)、絕緣套(8)、和墊片(9)與底板(5)連接；右彈性支架(4)與左彈性支架(1)具有相同的結(jié)構(gòu)， 它由多片右彈簧片(30)疊加而成，右彈簧片(30)通過絕緣墊(35)、螺釘(32)、絕緣套(33)、 和墊片(34)與底板(5)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的左鉬電極 (2 )由左上鉬壓塊(17 )、左下鉬壓塊(18 )、左冷卻板(14 )、左電極板(13 )組成，熱絲(20 )的左端通過螺釘(19)緊壓在左上鉬壓塊(17)和左下鉬壓塊(18)之間，左鉬電極(2)通過螺釘(12)連在左彈性支架(1)的左彈簧片(11)上；右鉬電極(3)與左鉬電極(2)具有相同結(jié)構(gòu)，它由右上鉬壓塊(23)、右下鉬壓塊(24)、右冷卻板(29)、右電極板(27)組成，熱絲(20) 右端通過螺釘(22)緊壓在右上鉬壓塊(23)和右下鉬壓塊(24)之間，右鉬電極(3)通過螺釘(28 )連在右彈性支架(4 )的右彈簧片(30 )上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的彈性系數(shù)由彈簧片的疊加數(shù)量調(diào)整；左彈性支架(1)和右彈性支架(4)之間的距離通過改變他們?cè)诘装?5)上的安裝位置調(diào)整，以適應(yīng)不同面積的工作臺(tái)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的熱絲(20) 呈空間列陣排布；并通過左電極板(13 )和右電極板(27 )加電流，與左電極板(13 )和右電極板(27)連接的施加電流的導(dǎo)線為柔性的銅絲編織帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的左鉬電極 (2)通過循環(huán)水冷卻，2根帶接頭的金屬軟管(10)和中空的左冷卻板(14)形成冷卻水通道， 金屬軟管(10)的接頭和左冷卻板(14)之間金屬密封連接；右鉬電極(3)通過循環(huán)水冷卻， 2根帶接頭的金屬軟管(31)和中空的右冷卻板(29)形成冷卻水通道，金屬軟管(31)的接頭和右冷卻板(29)之間金屬密封連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，其特征是所述的熱絲(20) 與襯底工作臺(tái)(21)之間的距離可調(diào)。
全文摘要
一種金剛石膜生長(zhǎng)電極彈性張緊裝置，包括底板(5)和襯底工作臺(tái)(21)，其特征是所述熱絲(20)的兩端固定在對(duì)應(yīng)的左鉬電極(2)和右鉬電極(3)中，所述的左鉬電極(2)和右鉬電極(3)分別安裝在對(duì)應(yīng)的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的上端，所述的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的下端對(duì)稱安裝襯底工作臺(tái)(21)兩側(cè)的底板(5)上；所述的左彈性支架(1)和右彈性支架(4)的彈性系數(shù)k=(1~3)n·r2，其中r=0.1~1mm；左彈性支架(1)和右彈性支架(4)向內(nèi)收縮后兩端之間的距離L(mm)與熱絲的工作長(zhǎng)度L1(mm)之間應(yīng)滿足以下關(guān)系L1=5+1.05L。本發(fā)明電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，在金剛石生長(zhǎng)過程中熱絲保持始終平直狀態(tài)，未出現(xiàn)熱絲被拉斷現(xiàn)象，襯底溫度場(chǎng)的均勻性得到改善，沉積的CVD金剛石膜均勻性提高。
文檔編號(hào)C23C16/46GK102226273SQ20111015671
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者伏廣宇, 盧文壯, 吳一帆, 孫玉利, 左敦穩(wěn), 徐鋒, 王品付, 王晗, 王正鑫 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)