專利名稱：一種用于線形試樣制備cvd金剛石膜的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于線形試樣制備CVD (即化學氣相沉積)金剛石膜的裝置。
技術背景金剛石具有良好的物理化學性能，但天然金剛石數量稀少。人造金剛石薄膜的性能 已經基本接近天然金剛石，是性能優良的新型材料，具有廣泛的應用，而目前已經用在 刀具、高性能電子元件等眾多場合。制備金剛石薄膜已形成產業化，熱絲化學氣相沉積 (HFCVD)金剛石薄膜制備方法是目前工業化CVD金剛石薄膜中的主要生產制備方 法，該工藝方法設備簡易，制造成本低，容易控制沉積的襯底溫度，操作簡單方便，能 獲得質量較高、面積尺寸較大的金剛石多晶薄膜。采用HFCVD法制備金剛石薄膜是將 反應氣體混合后通入反應室內，混合氣體經高溫裂解后，其活性氣體中的碳原子在基體 上沉積，生長出金剛石。目前的設備中主要存在以下問題(1) 通常混合氣體充滿整個反應室，只有與高溫熱絲接觸的氣體才發生裂解，大 部分未參與裂解反應被氣泵抽出，因而造成氣體的利用率低，浪費原材料，且金剛石晶 體生長速率較慢。(2) 現有很多設備的基體被固定在基臺上，由于基體位置被固定，只能在其一側 的部分生成金剛石薄膜，且薄膜厚度不均勻，存在很大表面應力。對于如棒、桿、軸、 線和絲狀的基體(統稱為線性基體)，很難制備出厚度均勻的金剛石薄膜。發明內容本發明的所要解決的技術問題是提供一種用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝 置，以克服現有熱絲化學氣相沉積制備金剛石薄膜的設備中存在混合氣體利用率低下， 以及不能在其他如棒、桿和軸狀的基體上生成均勻的高質量金剛石薄膜的問題。 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為一種用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，包括真空反應室和位于該真空反 應室內部的氣體裂解熱絲、氣體排出裝置以及用于放置線性基體的基體支撐架，其特征 在于，所述的氣體排出裝置為一個具有窄縫通氣腔的氣體收集器。作為改進，所述的氣體收集器具有V形橫截面，所述的氣體裂解熱絲、線性基體 和氣體收集器的入口自上而下依次排列設置，其目的是將氣體束集在一個較小的且和氣 體裂解熱絲和線性基體配合的區域，以提高氣體被裂解的比例，提高氣體的利用率。更進一步改進，所述的基體支撐架通過傳動軟軸和真空旋轉閥與外部的動力機構 傳動連接，其目的是使得線性基體旋轉，以提高薄膜沉積的均勻度。具體來說，所述的動力機構包括步進電機、減速機和皮帶，所述的步進電機連接 減速機，所述的減速機通過皮帶與所述的真空旋轉闊連接。另一個改進是所述的基體支撐架安裝在一個位移調節器上，所述的位移調節器 與一水平導軌相配合；而且，所述的基體支撐架通過垂直方向的螺栓安裝在所述的位移 調節器上；由此可以通過位移調節器實現基體支撐架在水平和垂直方向上的位置調節。作為改進，所述的基體支撐架的材料選用高熔點的Mo、 W、 Ti或其合金。 另一種實施方式，更適用于批量制配CVD金剛石膜所述的氣體通入裝置具有窄 縫通氣腔，所述的氣體通入裝置和氣體排出裝置水平布置、所述的氣體裂解熱絲(多根) 和線性基體上下方向排列設置。作為改進，基體支撐架具有使基體自轉的支持機構，使得基體上的薄膜能均勻沉積。本發明的特點主要體現在新型基臺及氣體排放裝置，該裝置包括氣體收集器、基 體支撐架、位移調節器、真空設備腔外傳動裝置，其中真空設備腔外傳動機構由步進電 機、減速箱、皮帶、真空旋轉閥、傳動軟軸組成。所述氣體收集器為不銹鋼經折彎焊接 制成的內有窄縫通氣腔的裝置(為風箱形狀)。基體支撐架是由耐高溫、變形系數小的 Mo、 W、 Ti或其合金制成。位移調節器能夠精確調節線形基體的水平和垂直位置。所述真空設備腔外傳動機構是由反應室腔外電機提供動力，經過真空旋轉閥將動力 傳入真空反應室，再經傳動軟軸帶動基體支撐架拖動基體旋轉。所述位移調節器用于調節基體表面與氣體收集器的窄縫通氣腔的入口的垂直距離， 且可以帶動基體支撐架，根據基體的長度在導軌上沿基體軸向移動，調節水平距離。支 撐臺可以帶動整個裝置上下移動調節基體表面與裂解熱絲的垂直距離，能夠滿足多種基體尺寸和最佳沉積條件的要求。所述基體支撐架上安裝有基體夾持裝置，所述基體夾持裝置用于夾持基體，并可帶 動其旋轉。所述的氣體收集器的窄縫通氣腔的入口截面與基體平行，其寬度不大于4mm，長度大于基體的長度。所述線形基體為圓柱狀時的旋轉速度應控制在0.5 5r/min范圍內，當基體為其他 形狀時，應編程控制步進電機的運動，使被沉積面與氣體裂解熱絲平面平行，沉積結束 后轉動到其他沉積面并保持一段時間。所述熱電偶固定夾可以安裝溫度傳感器以檢測基體溫度，通過調節氣體裂解熱絲 的功率或者基體和熱絲距離來控制基體溫度在60(TC 11(MTC中的某一個溫度值并保持穩定。本發明裝置主要應用于直徑2cm-l um的線形基體表面沉積(HFCVD)金剛石 薄膜，在基體較多時，可以多套裝置成組使用。本發明的有益效果1、 采用本發明所述的裝置，混合反應氣體在被抽出前被束集成V型截面，很大部 分均被熱絲裂解，活性氣體大部分需經過基體后抽出，提高了基體表面金剛石薄膜的生 長速率，同時大大提高了混合反應氣體的利用率，降低了金剛石薄膜生產成本。2、 位移調節器可以調節基體表面與氣體收集器的窄縫通氣腔入口的垂直距離。基體 支撐架可根據基體長度沿導軌方向調節水平距離。支撐臺可以帶動整個裝置上下移動調 節基體表面與裂解熱絲的垂直距離。基體表面到氣體收集器的窄縫通氣腔的入口距離， 基體表面到裂解熱絲的垂直距離均對氣體流場的分布有影響，本發明方便調節三者之間 的距離，能夠滿足多種基體尺寸和最佳沉積條件的要求。3、 真空設備的傳動機構采用腔外傳動方式，由反應室腔外步進電機提供動力，經過 真空旋轉閥將動力傳入真空反應室，再經傳動軟軸帶動基體旋轉支撐架拖動基體旋轉。 此動力裝置可以避免反應室溫度過高對電機和其他設備的影響。傳動軟軸的使用可以在 基體支撐架位置改變的情況下，能傳遞可靠的動力。4、 基體支撐架上安裝基體夾持裝置，夾持裝置更換方便且可以根據實驗和生產需要 夾持不同的線形基體，并能帶動基體旋轉。5、 通過傳動裝置，可以使基體勻速旋轉，而且速度可調，線形基體的低轉速勻速轉 動能夠保證基體圓周表面金剛石晶體的均勻沉積、晶粒結構均勻和表面應力小。6、 基體支撐架選用高熔點的Mo、 W、 Ti或其合金制成，其在真空環境下蒸發小， 對金剛石沉積薄膜的污染小，變形系數小，位置精度高，高溫穩定性好。7、 采用圖3所示的氣體通入裝置和氣體排出裝置均采用帶有窄縫通氣腔且水平布置 的裝置，使氣流場形成平流層，均勻通過與其平行的多件基體，使反應氣體束集在較小 的一塊區域內，可以在多件基體上沉積金剛石膜時，即適合于批量制備金剛石薄膜，減 少生產設備制造成本，提高生產效率。
圖1是本發明的總體結構示意圖；圖2是收集器對混合氣體束集作用示意圖。圖3是氣體進出口裝置采用水平布置時的結構示意圖。圖1、圖2標號說明1-氣體裂解熱絲，2-氣體收集器，3-線性基體，4-基體支撐 架，5-位移調節器，6-步進電機，7-減速箱，8-皮帶，9-真空旋轉閥，10-傳動軟軸， ll-支撐臺，12-熱電偶固定夾。圖3標號說明1-氣體裂解熱絲，13-固定支撐架，14-從動齒輪組，15-支撐板，16-氣體通入裝置，17-活動支撐架，3-線性基體，18-主動齒輪固定架，19-主動齒輪及軸， 20-聯軸器，10-傳動軟軸，2-氣體收集器。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步說明。 實施例l :如圖l、圖2所示，該裝置包括氣體收集器2、基體支撐架4、位移調節器5、真 空設備腔外傳動裝置，其中所述真空設備腔外傳動裝置由步進電機6、減速箱7、皮帶 8、真空旋轉閥9、傳動軟軸10組成。所述氣體收集器2為不銹鋼經折彎焊接制成的內 有窄縫通氣腔的裝置。基體支撐架4是由耐高溫、變形系數小的Mo、 W、 Ti或其合金 制成。位移調節器能夠精確調節線形基體的水平和垂直位置。真空設備腔外傳動裝置由 腔外提供動力，經過真空旋轉閥9將動力傳入真空反應腔，經傳動軟軸10帶動線性基體3旋轉，基體支撐架4支撐線性基體3旋轉。具體實施時，氣體收集器2的窄縫通氣腔的入口截面與基體平行，其寬度不大于 4mm，長度大于基體的長度。線形基體的旋轉速度應控制在0.5 5r/min范圍內。基體 表面與氣體收集器2的窄縫通氣腔的入口的垂直距離在0 30 mm范圍內調節。圖1是本發明的結構示意圖。圖中，電機選擇步進電機，因此轉速調節方便，控 制簡單。通過齒輪減速器和皮帶傳動的減速，使基體的轉速可以在0.5 5r/min范圍內 調節。氣體收集器的窄縫通氣腔入口截面寬度為3mm。位移調節器能夠調節基體到氣 體收集器窄縫通氣腔入口的距離在0 30 mm范圍內變化。基體支撐架的水平調節距離 最大為180mm。圖2為收集器對混合氣體束集作用的示意圖，圖2中混合氣體流經氣體裂解熱絲 時，充分發生裂解反應，活性氣體氣流經過收集器的抽吸作用束集成如圖2所示的V 型截面，然后經過線性基體表面時，沉積出金剛石晶體薄膜。其束集作用顯著提高了混 合氣體的裂解比例，加快了金剛石晶體的生長，提高了混合氣體的利用率。氣體裂解熱 絲、氣體收集器和線性基體間的距離均可調節。實施例2:如圖3所示，氣體通入裝置16和氣體收集器2采用水平布置時的結構， 圖中氣體通入裝置16和氣體收集器2均采用帶有窄縫通氣腔且水平布置的裝置，使氣 流場形成平流層，均勻通過與其平行的多件線性基體3，使反應氣體束集在較小的一塊 區域內。氣體通入裝置16和氣體收集器2應遠離固定和活動支撐架一定距離，以減小 由于支撐架阻隔氣流流動方向和齒輪的旋轉而引起的氣流場的紊亂。真空室腔外傳動系 統將動力傳到室內后，連接傳動軟軸IO并帶動主動齒輪及軸19轉動，使相互嚙合的從 動齒輪組14帶動線性基體3自轉。活動支撐架17沿著支撐板15上的槽移動，根據基 體長度調節距離。固定支撐架13和活動支撐架17安裝在支撐板15上，而支撐板15 又安裝在真空室中的升降臺上，升降臺上下移動時，會調節基體組平面與熱絲平面的垂 直距離。
權利要求
1. 一種用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，包括真空反應室和位于該真空反應室內部的氣體裂解熱絲、氣體排出裝置以及用于放置線性基體的基體支撐架，其特征在于，所述的氣體排出裝置為一個具有窄縫通氣腔的氣體收集器。
2. 根據權利要求1所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所 述的氣體收集器具有V形橫截面，所述的氣體裂解熱絲、線性基體和氣體收集器的 入口自上而下依次排列設置。
3. 根據權利要求1所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所述的基體支撐架通過傳動軟軸和真空旋轉閥與外部的動力機構傳動連接。
4. 根據權利要求3所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所述的動力機構包括步進電機、減速機和皮帶，所述的步進電機連接減速機，所述的 減速機通過皮帶與所述的真空旋轉閥連接。
5. 根據權利要求1~4任一項所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征 在于，所述的基體支撐架安裝在一個位移調節器上，所述的位移調節器與一水平導 軌相配合。
6. 根據權利要求5所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所述的基體支撐架通過垂直方向的螺栓安裝在所述的位移調節器上。
7. 根據權利要求6所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所 述的基體支撐架的材料選用高熔點的Mo、 W、 Ti或其合金。
8. 根據權利要求1所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，所 述的氣體通入裝置具有窄縫通氣腔，所述的氣體通入裝置和氣體排出裝置水平布置、 所述的氣體裂解熱絲和線性基體上下方向排列設置。
9. 根據權利要求8所述的用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，其特征在于，基 體支撐架具有使基體自轉的支持機構。
全文摘要
本發明公開了一種用于線形試樣制備CVD金剛石膜的裝置，包括真空反應室和位于該真空反應室內部的氣體裂解熱絲、氣體排出裝置以及用于放置線性基體的基體支撐架，其特征在于，所述的氣體排出裝置為一個具有窄縫通氣腔的氣體收集器。所述的氣體收集器具有V形橫截面，所述的氣體裂解熱絲、線性基體和氣體收集器的入口自上而下依次排列設置，其目的是將氣體束集在一個較小的且和氣體裂解熱絲和線性基體配合的區域，以提高氣體被裂解的比例，提高氣體的利用率。本裝置可使氣流場分布成V型截面，提高混合氣體的利用率和金剛石晶體的生長速率，保證基體表面沉積均勻的金剛石薄膜。
文檔編號C23C16/44GK101503796SQ20091004295
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月25日 優先權日2009年3月25日
發明者余志明, 婁俊嶺, 澤 孟, 楊永青, 陳永勤, 魏秋平, 黃登高 申請人:中南大學