專利名稱：一種金剛石膜生長設備的熱絲及電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱絲法生長金剛石膜的設備，特別是涉及熱絲及其電極結(jié)構(gòu)。
背景技術：
金剛石膜技術已開發(fā)了多年，現(xiàn)其產(chǎn)品已在機械加工等領域開始應用(如焊接式厚膜刀具、涂層刀具、拉絲模等)顯示出廣闊的應用前景和巨大的潛在市場。沉積金剛石膜的方法很多。通常有微波等離子體化學氣相沉積法、直流等離子體噴射法和熱絲法。其中因為熱絲法設備簡單、成本較低、膜質(zhì)量較好，比較適合機械領域的應用。
近期國內(nèi)外金剛石膜工具市場調(diào)查表明，金剛石膜工具市場規(guī)模及發(fā)展速度比權(quán)威的國際資源投資公司預測要低得多，其主要原因在于CVD金剛石膜生產(chǎn)及后續(xù)加工成本過高。因此，為了盡快推進金剛石膜工具產(chǎn)業(yè)化進程，必須設法降低金剛石膜的生長成本。
熱絲法生長大面積金剛石膜通常采用多根熱絲組成柵狀熱絲陣列來實現(xiàn)，如圖1所示，混合反應氣體(例如H2和CH4混合)由反應室中進氣口從上部流向熱絲陣列，經(jīng)高溫熱絲加熱，部分反應氣體分解成含碳活性基團和原子氫，這些含碳活性基團和原子氫流向襯底，在一定的工藝條件下在襯底上沉積出金剛石膜。生長金剛石膜消耗的主要是電能和反應氣體，其中電能所占成本通常在總成本80％以上。由于高溫圓絲向四周輻射能量，對金剛石膜生長有效的輻射主要為向熱絲下方襯底表面輻射，向熱絲上方輻射能量基本浪費了。如何有效地減少電能消耗成為降低金剛石膜的生長成本的關鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種扁狀熱絲陣列及電極結(jié)構(gòu)，以減少生生長金剛石膜過程中的電能消耗。
一種金剛石膜生長設備的熱絲及電極結(jié)構(gòu)，包括一個固定電極、一個移動電極，和依靠固定電極與移動電極裝夾的熱絲，其特征在于所述的固定電極上等間距的設有一組電極柱；所述的移動電極上等間距的設有一組電極柱，且所述間距與固定電極上電極柱間距相等，所述電極柱與固定電極上電極柱錯開半個間距；所述的熱絲為一根扁平狀熱絲，繞在固定電極與移動電極的電極柱上形成熱絲陣列。
扁絲與同截面積的圓絲相比，具有以下特點(1)扁狀熱絲外表面積增大，與反應氣體的接觸面積增大，同時增加了反應氣體與熱絲接觸時間，提高反應氣體尤其是H2的催化分解率，有助于大幅度提高金剛石膜成核密度和生長速率，降低金剛石中sp2碳等缺陷的含量，改善金剛石膜的機械性能，成核密度的大幅度提高也有助于改善金剛石膜與工具表面的結(jié)合力。
(2)扁狀熱絲陣列減少了反應氣體前進方向阻擋截面，使氣流較易穿過熱絲陣列流向襯底，從而減少熱阻塞和熱繞流現(xiàn)象，有利于提高生長速率和膜厚的均勻性。
(3)扁狀熱絲表面的熱輻射由于扁絲截面長邊部分互相正對且相距較近，熱輻射能量大部分被相鄰扁絲吸收和反射，輻射到反應室內(nèi)壁及襯底表面的能量減少，提高了電能利用率，降低了金剛石膜生長成本；襯底表面輻射能量的減少不僅使得水冷襯底的溫度易于控制，而且可以選用較粗的熱絲陣列較快生長金剛石膜，這在對沒有進行水冷的刀具表面涂層時效果更為明顯。
(4)扁狀熱絲較薄，熱絲碳化時間大為縮短，有利于提高工作效率。
圖1為圓絲陣列法生長金剛石膜示意圖。
圖2為扁絲陣列法生長金剛石膜示意圖。
圖3為扁絲陣列拉伸裝置示意圖。
圖1中標號名稱1.反應氣體，2.熱絲陣列，3.金剛石膜，4.襯底。
圖3中標號名稱5.電極柱。
具體實施例方式
根據(jù)圖3所示，本發(fā)明的熱絲及電極結(jié)構(gòu)，包括一個固定電極、一個移動電極，和依靠固定電極與移動電極裝夾的熱絲，其特征在于所述的固定電極為長條鉬電極，其上等間距的設有一組電極柱；所述的移動電極為長條鉬電極，其上等間距的設有一組電極柱，且所述間距與固定電極上電極柱間距相等，所述電極柱與固定電極上電極柱錯開半個間距；所述的熱絲為一根扁平狀熱絲，繞在固定電極與移動電極的電極柱上形成熱絲陣列。
扁狀熱絲采用高熔點的金屬材料，如鎢、鉭、鈮等。制作扁絲的方法有多種，對于鉭材料，可采用退火的軟態(tài)的鉭絲，經(jīng)滾壓處理，把圓絲壓扁到所需尺寸；對于很硬的鎢材料，可用較薄的鎢皮(厚度0.1mm～0.6mm)經(jīng)線切割或激光切割成符合所需尺寸的扁狀鎢絲。
實施例采用退火的軟態(tài)Φ2mmTa絲壓制成截面為7×0.45mm2扁狀熱絲，與φ2mm圓絲相比，外表面積增加2.4倍，安裝固定成扁狀熱絲陣列，與Φ2mm圓絲陣列對比試驗，當其它工藝參數(shù)如熱絲溫度2400℃、襯底溫度800℃、反應氣壓35Torr、氣體總流量200SCCM，體積配比CH4∶H2＝3∶97等條件相同，結(jié)果觀測表明成核密度提高三個數(shù)量級達2×109/cm2，生長速率提高1.5倍，由10um/hr→15um/hr，每克拉電能消耗減少30％。
權(quán)利要求
1.一種金剛石膜生長設備的熱絲及電極結(jié)構(gòu)，包括一個固定電極、一個移動電極，和依靠固定電極與移動電極裝夾的熱絲，其特征在于所述的固定電極上等間距的設有一組電極柱；所述的移動電極上等間距的設有一組電極柱，且所述間距與固定電極上電極柱間距相等，所述電極柱與固定電極上電極柱錯開半個間距；所述的熱絲為一根扁平狀熱絲，繞在固定電極與移動電極的電極柱上形成熱絲陣列。
2.按照權(quán)利要求1所述的金剛石膜生長設備的熱絲及電極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱絲在纏繞中，形成相臨兩段熱絲的夾角的中心線為水平線。
全文摘要
本發(fā)明的金剛石膜生長設備的熱絲及電極結(jié)構(gòu)，屬于熱絲法金剛石膜生長技術領域。本發(fā)明主要包括一個固定電極、一個移動電極和相應的熱絲，其特征在于所述的固定電極上等間距的設有一組電極柱；所述的移動電極上也等間距的設有一組電極柱，且所述間距與固定電極上電極柱間距相等，所述電極柱與固定電極上電極柱錯開半個間距；所述的熱絲為一根扁平狀熱絲，繞在固定電極與移動電極的電極柱上形成熱絲陣列。由于采用了扁絲結(jié)構(gòu)，與圓絲相比增大了反應氣體與熱絲的接觸面積和接觸時間，提高反應氣體分解率，使得金剛石膜的生長速率得到很大提高；扁狀熱絲間互相輻射加熱，節(jié)約了電能，降低了金剛石膜的生長成本。
文檔編號H05B3/03GK1844450SQ200610039088
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者左敦穩(wěn), 相炳坤, 黎向鋒, 徐鋒, 盧文壯 申請人:南京航空航天大學