专利名称：多用途批量制备cvd金刚石膜的工业设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热丝化学气相沉积法制备金刚石薄膜中使用的装置，主要适用于线形、片状等形状试样批量制备金刚石薄膜的工业生产中。
背景技术：
金刚石具有优异的力、热、声、光、电、化学等各项性能。人造金刚石薄膜的性能已经基本接近天然金刚石，优异的性能使其在高科技领域具有广泛的应用前景。目前，金刚石薄膜技术已在刀具、高性能电子元件，航天材料等众多场合得到应用，收到极好的效果，其应用在高科技领域被人们倍加关注。热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜制备方法是目前工业化CVD金刚石薄膜中的主要制备方法，该工艺方法操作简单，成本低，设备简易，容易控制沉积的衬底温度，可获得质量较高、面积尺寸较大的金刚石薄膜。采用HFCVD法制备金刚石薄膜是将反应气体混合后通入真空反应室内，混合气体经高温热丝裂解后，其气体中的活性碳原子就会沉积在基体表面，从而生长出金刚石薄膜。目前这种制备方法的设备中主要存在以下问题
(1) 通常将混合气体充满整个反应室，只有与高温热丝接触的气体才发生裂解，大部分气体未参与裂解反应被气泵抽出，因而造成气体的利用率低，原材料浪费，且金刚石膜生长速率较慢。
(2) 目前很多设备的基体被放置在基台上，由于基体位置被固定，只能上表面部分生成金刚石薄膜，且薄膜厚度不均匀，存在很大表面应力。多种基体在装载和取出时不方便，影响生产效率的提高和生产成本的降低。
(3) 目前很多设备工作台结构设计对温度场、气流场分布影响较大，在基体表面很难保证温度场、气流场均匀，从而极大影响金刚石薄膜的质量，也给批量制备高质量金刚石膜带来一定困难。
(4) 目前很多设备其热丝多为水平放置，其热膨胀及重力引起的变形影响热丝到基体表面的距离，进而影响基体表面的沉积温度，从而导致薄膜不均匀。热丝老化后变脆，在移动过程中易发生断裂。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备，以克服现有热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜的设备中存在混合气体利用率低、温度场与气流场分布不均、多基体的装载生产不便、以及裂解热丝热膨胀和重力引起的变形的问题。为解决上述技术问题，本发明所采用的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备，包括气体裂解热丝，底座上设有上盖，所述的底座内设有内基座，所述的底座设有窄缝气体束集腔，在所述的内基座上设有旋转台及其旋转台驱动装置，所述的旋转台与所述的上盖的侧壁之间形成有窄缝环形反应腔，与所述的上盖顶端之间形成有窄缝气体均布腔，在所述的环形反应腔内设有下整流罩，在所述的旋转台上设有上整流罩，在所述的旋转台上设有基体安装架，所述的气体裂解热丝沿所述的环形反应室的内壁周向竖直排列设置且与所述的基体安装架对应，由真空泵、滤油器和补气管设备组成的腔外滤油循环通道一端通过排气口与所述的窄缝气体束集腔连接，另一端通过进气口与所述的窄缝气体均布腔连接。
所述的气体裂解热丝距所述的旋转台内壁和所述的上盖内壁之间的距离大于5cm，所述的基体安装架上的基体待沉积面与所述的气体裂解热丝距离在3cm以内。
所述的气体裂解热丝通过弹簧浮动固定安装在热丝固定棒上，所述的热丝固定棒安装在所述的环形反应室内壁上。
所述的旋转台驱动装置是在所述的内基座上固定设有大齿圈，在所述的内基座上设有太阳轮，所述的太阳轮和所述的大齿圈之间设有行星轮，所述的行星轮的行星架轴安装在所述的旋转台上，所述的太阳轮与外部的动力传动机构连接。
所述的动力传动机构为减速电机通过联轴器与真空旋转阀连接，所述的真空旋转阀通过锥齿轮、主传动轴与所述的太阳轮传动连接。
在所述的行星架轴上通过销钉连接安装有主动齿轮卡盘，在所述的旋转台上安装有多组与所述的主动齿轮卡盘啮合传动的从动齿轮卡盘组，所述的基体安装架由为小尺寸基体安装架和大尺寸基体安装架组成，每组所述的小尺寸基体安装架上端通过上卡盘组和上卡盘滑动环安装在所述的旋转台上，下端安装在所述的主动齿轮卡盘和从动齿轮卡盘组上，所述的小尺寸基体安装架上设有固定线形小尺寸基体的卡位，所述的大尺寸基体安装架为环状，固定在所述的旋转台的外面，其上根据不同基体的形状开有很多固定孔，可以固定大尺寸线形、片状基体。
所述的固定上卡盘组的上卡盘固定环通过固定螺钉安装在所述的旋转台外壁的竖直导轨上，并能配合所述的竖直导轨固定在合适的竖直高度位置。
所述的基体安装架为大尺寸基体安装架，所述的大尺寸基体安装架为环状，固定在所述的旋转台的外面，其上根据不同基体的形状开有很多固定孔，可以固定大尺寸线形、片状基体。
所述的上整流罩为可在所述的旋转台上滑动的中空的环形块，所述的下整流罩为分别固定在所述的旋转台上的下整流块和安装在所述的环形反应室上的下整流板。在上盖的外壁设有冷却腔。
所述的基体安装架、卡盘以及热丝固定棒的材料选用高熔点的Mo、
W、 Ti组成的耐热合金或耐热不锈钢。
采用上述技术方案的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备，所述的气体进排放锥面窄缝通气腔为具有窄缝锥面的通气腔，由窄缝气体均布腔与窄缝气体束集腔组成。窄缝气体均布腔为上盖和上整流罩之间的锥型区域，其作用是将进口混合反应气体分散均布于窄缝环形反应腔内的气流。窄缝气体束集腔将窄缝环形反应腔内的气体抽出。裂解热丝沿窄缝环形反应腔壁竖直排列设置。气体进入窄缝气体均布腔，流经窄缝环形反应腔，被热丝裂解后，在基体表面沉积金刚石薄膜，然后被窄缝气体束集腔抽出，其目的是将气体束集在基体和气体裂解热丝之间的环形窄缝区域内，以提高气体被裂解的比例，提高气体的利用率。上整流罩为可在旋转台上滑动的中空的环形块，其作用是填补窄缝环形反应腔顶层的无效空间，为气流导向，分散气流。下整流罩的作用是束集窄缝环形反应腔内的气流，改变气体流向，使气流更平稳。基体支撑齿轮卡盘经过行星轮系与真空旋转阀连接，而真空旋转阀与外部的动力机构传动连接，其目的是可以使得基体安装架可以自转和围绕设备轴线公转，以提高基体沉积面薄膜沉积的均匀度。
具体来说，所述行星轮系传动是大齿圈固定，旋转台做行星架，太阳轮通过中间传动经真空旋转阀与外部的动力传动机构连接。行星轮与主动齿轮卡盘通过钉销连接，继而带动从动齿轮卡盘组运动。动力传动机构包括电机和减速器，所述的电机与减速器连接，所述的减速器与真空旋转阀连接。
上盖在换装基体时从上方取出，安装就绪后，使用密封圈与底座压合在一起。所述的旋转台，通过自身重力被放置在太阳轮的盘面上，在一直径较大的轴承上转动，更换方便。当基体尺寸过大时，可以根据需要更换上盖和旋转台，使基体待沉积面与热丝的距离在3cm之内。
所述的主动齿轮卡盘与从动齿轮卡盘啮合，每一组卡盘都可以固定一个基体安装架。主动齿轮卡盘通过固定销使主齿轮卡盘与行星轮保持同步或异步，可以使基体安装架有只进行公转和公转与自转同时进行两种模式，更适用于批量制配CVD金刚石膜。
基体为线形基体或组合成圆柱体时，使行星轮同时公转和自转，自转速度应控制在0.5 5r/min范围内。当基体安装在安装架上后，待沉积面为单个或多个侧面时，使安装架只公转，且安装架上基体沉积面与裂解热丝周向切面平行且距离最近，沉积结束后转动到其他沉积面并保持一段时间。
本发明装置主要应用于主要适用于线形、片状等基体表面沉积HFCVD金刚石薄膜，同时特别适合工业化批量制备金刚石薄膜。本发明的有益效果-1、 混合反应气体被抽入后，经上锥面窄缝通气腔，气体被导流均匀进入环形反应腔内，被热丝裂解后，在基体表面沉积金刚石薄膜，然后被束集腔抽出，其目的是能保证气体均匀流过竖直方向放置的基体表面，将气体束集在基体和气体裂解热丝之间的环形窄缝区域内，以提高气体被裂解的比例，也提高了金刚石膜在基体表面的生长速率，提高了气体的利用率。
2、 裂解热丝竖直排列分布在环形腔体内表面，并由弹簧浮动固定，一方面解决了水平安装热丝热膨胀及重力导致变形的问题，使基体表面温度分布更均匀，另一方面在外壳向上取出时，热丝竖直方向刚度大，热丝不易断裂。热丝安装架垂直轴线方向设置多个固定位置，通过更换
固定位，调节热丝与基体环面的距离使热丝移动和更换方便。
3、 上盖在换装基体时从上方取出，安装就绪后，使用密封圈与底座压合在一起。使基体安装架更易于放入设备中，同时更换老化损坏的热丝。所述的旋转台，通过自身重力被放置在太阳轮的盘面上，在一直径较大的轴承上转动，更换方便。当基体尺寸过大时，可以根据需要更换上盖和旋转台，使机体待沉积面与热丝的距离在3cm之内。
4、 此设备安装腔外滤油循环通道，连接排气口和进气口，依次安装真空泵、滤油器和补气管设备，滤去混合气体中的油气，循环利用未反应的混合气体，进一步提高气体利用率，降低生产成本。
5、 小尺寸基体安装架由上卡盘和下齿轮卡盘固定，其上有固定线形小尺寸基体的卡位，不同基体使用与之配套的基体安装架。固定基体安装架的上卡盘托架通过固定螺钉安装在旋转台外壁竖直导轨上，并能配合导轨固定在合适的竖直高度位置。大尺寸基体安装架为环状，固定在旋转台的外面，其上根据不同基体的形状开有很多固定孔，可以固定大尺寸线形、片状基体。由此实现基体安装架在安装时的方便，或基体安装架在高度不同时均可得到固定。安装基体工序在设备外进行，可以和在基体表面沉积金刚石工序分开，提高生产效率。 一组上下卡盘安装一个基体安装架，更利于批量化金刚石薄膜的制备。
6、 真空设备的传动系统采用腔外传动方式，经过真空旋转阀将动力传入真空反应室，经行星轮系传动，拖动基体安装架公转或自转。腔外动力传动可以避免反应室温度过高对电机和其他设备的影响。
7、 行星轮与主动齿轮卡盘连接，通过固定销可以选择公转和公转与自转同时进行两种模式。基体为线形基体或组合成圆柱体时，使行星轮同时公转和自转，自转速度应控制在0.5 5r/min范围内。当基体安装在安装架上后，待沉积面为单个或多个侧面时，使安装架只公转，且安装架上基体沉积面与裂解热丝周向切面平行且距离最近，沉积结束后转动到其他沉积面并保持一段时间。行星轮拖动基体自转或公转可以满足不同薄膜帝!j备工艺的需要。
8、基体安装架、卡盘以及热丝固定棒的材料选用高熔点的Mo、 W、Ti组成的耐热合金或耐热不锈钢制成，其在真空环境下蒸发小，对金刚石沉积薄膜的污染小，变形系数小，位置精度高，在高温下有一定的刚度°
S图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是锥面窄缝通气腔对混合气体分布与束集作用示意图。图3是行星轮系传动的沉积小尺寸基体结构示意图。图4是行星轮系传动的沉积大尺寸基体结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明在小尺寸线形基体和普通铣刀沉积金刚石中的应用作进一步说明。
实施方式1:如图1、图2、图3所示为小尺寸线形基体的圆周面
沉积金刚石薄膜。
底座17和上盖1通过密封圈11连接，在上盖1的外壁设有冷却腔37,底座17内设有内基座16，底座17设有窄缝气体束集腔36，在内基座16上设有旋转台21，在内基座16上固定设有大齿圈24，在内基座16上设有太阳轮20，太阳轮20和大齿圈24之间设有行星轮23，行星轮23的行星架轴25安装在旋转台21上，减速电机13通过联轴器14与真空旋转阀15连接，真空旋转阀15通过锥齿轮18、主传动轴19与太阳轮20传动连接，在行星架轴25上通过销钉12连接安装有主动齿轮卡盘10，在旋转台21上安装有多组与主动齿轮卡盘10啮合传动的从动齿轮卡盘组22，每个主动齿轮卡盘10和从动齿轮卡盘组22安装有每组小尺寸基体安装架6，每组小尺寸基体安装架6上端通过上卡盘组5和上卡盘滑动环4安装在旋转台21上，上卡盘滑动环4通过固定螺钉安装在旋转台21外壁的竖直导轨27上，并能配合竖直导轨27固定在合适的竖直高度位置，小尺寸基体安装架6上设有固定线形基体28的卡位，旋转台21与上盖1之间形成有窄缝环形反应腔35，在旋转台21的外面设有环状的大尺寸基体安装架29，其上根据不同基体的形状开有很多固定孔，可以固定大尺寸线形、片状基体，大尺寸基体安装架29与从动齿轮卡盘组22啮合传动，在旋转台21上设有上整流罩2，上整流罩2为可在旋转台21上滑动的中空的环形块，在旋转台21下面固定有下整流块26，在上盖1上安装有下整流板9，上盖l设有窄缝气体均布腔34，气体裂解热丝7通过弹簧8浮动固定安装在热丝固定棒3上，热丝固定棒3安装在上盖1内壁上，气体裂解热丝7沿环形反应室35的内壁周向竖直排列设置且与小尺寸基体安装架6和大尺寸基体安装架29对应，气体裂解热丝7距旋转台内壁和上盖1内壁之间的距离为5 10cm，大尺寸基体安装架29和小尺寸基体安装架6上的基体待沉积面与气体裂解热丝7距离在3cm以内，由真空泵31、滤油器32和补气管设备33组成的腔外滤油循环通道一端通过排气口 38与窄缝气体束集腔35连接，另一端通过进气口 39与窄缝气体均布腔34连接。小尺寸基体安装架6、大尺寸基体安装架29、上卡盘组5、主动齿轮卡盘10以及热丝固定棒3的材料选用高熔点的Mo、 W、 Ti组成的耐热合金或耐热不锈钢，其余大多使用不锈钢制成。
上盖1、上整流罩2和旋转台21上部做成平行错开的锥面，混合气体通入后被均匀分散在窄缝环形反应腔35内，然后被束集在气体裂解热丝7和基体之间的区域内。在这一区域，气体裂解率高，金刚石薄膜沉积速度快。下整流块26和下整流板9将气体收集起来后排出装置。
固定上卡盘组5的上卡盘固定环4通过固定螺钉安装在旋转台21的外壁的竖直导轨27上，并能配合竖直导轨27固定在合适的竖直高度位置，便于小尺寸基体安装架6的固定。将主动齿轮卡盘10上的销钉12插入，主动齿轮卡盘10带动从动齿轮卡盘组22转动，使小尺寸基体安装架6自转和围绕设备轴心公转，使金刚石沉积时更均匀。热丝固定棒3在垂直于小尺寸基体安装架6轴线方向设置多个固定位置，可以调节气体裂解热丝7与基体环面的距离，控制在3cm内。气体裂解热丝7的两端由弹簧8浮动连接，提高竖直方向的强度。多条气体裂解热丝7竖直均匀布置在窄缝环形反应腔35圆周方向。
此处，使用小尺寸基体安装架6，在几组垂直轴线的固定盘片上的圆周上均匀钻多个固定孔。使用时，将圆柱状的小尺寸线形插入这些孔中，让线形基体28轴线竖直并排列在小尺寸基体安装架6的圆周上，同样安装好多组小尺寸基体安装架6。
减速电机13在真空反应室外部提供动力，经过真空旋转阀15传入真空室内，带动锥齿轮18转动，使太阳轮20自转，由于大齿圈24固定，行星轮23具有自转和公转两种运动。销钉12使主动齿轮卡盘10与行星轮23同步，齿轮间的啮合最终使从动齿轮卡盘组22也具有同样的运动形式。
上盖1在换装基体时从上方取出，安装就绪后，使用密封圈ll与底座17压合在一起。使基体安装架更易于放入设备中，同时更换老化损坏的气体裂解热丝7。旋转台21通过自身重力被放置在太阳轮20的盘面上，在一直径较大的轴承上转动，这样可以更换方便。当基体尺寸过大时，可以根据需要更换上盖1和旋转台21。
在上盖1的外壁设有冷却腔37，运行设备前，应首先通入冷却水，防止温度过高导致上盖1变形和密封圈11粘接。出口处依次安装真空泵31、滤油器32和补气管设备33。真空泵31可以使用机械泵和涡轮分子泵的组合形式。滤油器32可以除去未反应混合气体中夹杂的油，然后循环利用反应气体。
在实施小尺寸的线形基体28圆周表面沉积金刚石的作业时，操作顺序为将线形基体28插入多组小尺寸基体安装架6的安装孔中；将上盖1向上取出，检查并更换气体裂解热丝7;用卡盘固定好小尺寸基体安装架6;将上盖1压下，将窄缝环形反应腔35抽成真空；通入冷却
水；打开电源，启动减速电机13;气体裂解热丝7通电，窄缝环形反应腔35温度保持在恒定温度一段时间；停减速电机13，打开上盖1并取出小尺寸基体安装架6，准备下一次操作。
实施方式2:如图1、图2、图4所示为在普通铣刀的端面上沉积
金刚石薄膜。
设备的制造如实施方式1所述的相同。但须去除小尺寸基体安装架
6和上卡盘滑动环4，在旋转台21的竖直导轨27上安装大尺寸基体安装架29，如图4所示，在大尺寸基体安装架29圆周上开出铣刀柄相配合的圆形固定孔。将主动齿轮卡盘IO上的销钉12插入，主动齿轮卡盘10带动从动齿轮卡盘组22转动，使大尺寸基体安装架29自转和围绕设备轴心公转，使金刚石沉积时更均匀。
在实施普通铣刀的端面上沉积金刚石薄膜的作业时，操作顺序为将铣刀基体30插入大尺寸基体安装架29的安装孔中；将上盖1向上取出，检查并更换气体裂解热丝7;将大尺寸基体安装架29套在旋转台
21的竖直导轨27上；固定上整流罩2;将上盖1压下，将窄缝环形反应腔35抽成真空；通入冷却水；打开电源，启动减速电机13;气体裂
解热丝7通电，窄缝环形反应腔35温度保持在恒定温度一段时间；停减速电机13，打开上盖1并取出上整流罩2和大尺寸基体安装架29，
准备下一次操作。
权利要求
1、一种多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备，包括气体裂解热丝(7)，其特征是底座(17)上设有上盖(1)，所述的底座(17)内设有内基座(16)，所述的底座(17)设有窄缝气体束集腔(36)，在所述的内基座(16)上设有旋转台(21)及其旋转台驱动装置，所述的旋转台(21)与所述的上盖(1)的侧壁之间形成有窄缝环形反应腔(35)，与所述的上盖(1)顶端之间形成有窄缝气体均布腔(34)，在所述的环形反应腔(35)内设有下整流罩，在所述的旋转台(21)上设有上整流罩(2)，在所述的旋转台(21)上设有基体安装架，所述的气体裂解热丝(7)沿所述的环形反应室(35)的内壁周向竖直排列设置且与所述的基体安装架对应，由真空泵(31)、滤油器(32)和补气管设备(33)组成的腔外滤油循环通道一端通过排气口(38)与所述的窄缝气体束集腔(35)连接，另一端通过进气口(39)与所述的窄缝气体均布腔(34)连接。
2、 根据权利要求1所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备， 其特征是所述的气体裂解热丝(7)距所述的旋转台内壁和所述的上盖 (1)内壁之间的距离大于5cm，所述的基体安装架上的基体待沉积面与所 述的气体裂解热丝(7)距离在3cm以内。
3、 根据权利要求1或2所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业 设备，其特征是所述的气体裂解热丝(7)通过弹簧(8)浮动固定安装在 热丝固定棒(3)上，所述的热丝固定棒(3)安装在所述的上盖(1)内壁上。
4、 根据权利要求1或2所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业 设备，其特征是所述的旋转台驱动装置是在所述的内基座(16)上固定 设有大齿圈(24)，在所述的内基座(16)上设有太阳轮(20)，所述的太阳 轮(20)和所述的大齿圈(24)之间设有行星轮(23)，所述的行星轮(23)的 行星架轴(25)安装在所述的旋转台(21)上，所述的太阳轮(20)与外部的动力传动机构连接。
5、 根据权利要求4所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备， 其特征是所述的动力传动机构为减速电机(13)通过联轴器(14)与真空 旋转阀(15)连接，所述的真空旋转阀(15)通过锥齿轮(18)、主传动轴(19) 与所述的太阳轮(20)传动连接。
6、 根据权利要求4所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备， 其特征是在所述的行星架轴(25)上通过销钉(12)连接安装有主动齿轮 卡盘(IO)，在所述的旋转台(21)上安装有多组与所述的主动齿轮卡盘 (10)啮合传动的从动齿轮卡盘组(22)，所述的基体安装架由为小尺寸基 体安装架(6)和大尺寸基体安装架(29)组成，每组所述的小尺寸基体安 装架(6)上端通过上卡盘组(5)和上卡盘滑动环(4)安装在所述的旋转台 (21)上，下端安装在所述的主动齿轮卡盘(10)和从动齿轮卡盘组(22)上，所述的小尺寸基体安装架(6)上设有固定线形小尺寸基体的卡位， 所述的大尺寸基体安装架(29)为环状，固定在所述的旋转台(21)的外 面，其上根据不同基体的形状开有很多固定孔，可以固定大尺寸线形、 片状基体。
7、 根据权利要求6所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备， 其特征是所述的固定上卡盘组(5)的上卡盘固定环(4)通过固定螺钉安 装在所述的旋转台(21)外壁的竖直导轨(27)上，并能配合所述的竖直导 轨(27)固定在合适的竖直高度位置。
8、 根据权利要求1或4所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业 设备，其特征是所述的上盖(1)的外壁设有冷却腔(37)。
9、 根据权利要求1或2所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工业 设备，其特征是所述的上整流罩(2)为可在所述的旋转台(21)上滑动 的中空的环形块，所述的下整流罩为分别固定在所述的旋转台(21)上的 下整流块(26)和安装在所述的上盖(1)上的下整流板(9)。
10、 根据权利要求1或2所述的多用途批量制备CVD金刚石膜的工 业设备，其特征是所述的基体安装架、卡盘以及热丝固定棒的材料选 用高熔点的Mo、 W、 Ti组成的耐热合金或耐热不锈钢。
全文摘要
本发明公开了一种多用途批量制备CVD金刚石膜的工业设备，包括真空环形反应室和气体裂解热丝、气体进排放锥面窄缝通气腔、行星轮系、用于放置基体的基体安装架装置、上下整流罩、冷却腔以及腔外滤油循环通道，所述的气体进排放锥面窄缝通气腔和整流罩使气流束集在基体和热丝之间的环形狭小区域内，以提高气体被裂解的比例，提高气体的利用率。气体裂解热丝沿环形反应腔壁竖直排列设置，提高移动时的强度且更换方便。行星轮系带动基体安装架自转和公转。基体安装架上可同时固定大量线形、片状等多类基体。腔外滤油循环通道连接排气口和进气口并滤除气体中混杂的油，循环利用反应气体，进一步提高混合气体的利用率。
文档编号C23C16/54GK101560649SQ20091004358
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者余志明, 娄俊岭, 尹登峰, 杨永青, 陈永勤, 魏秋平 申请人:中南大学