专利名称：一种稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热丝法生长金刚石膜的设备，特别涉及稳定生长大面积金刚石厚膜的热丝阵列电极装置。
背景技术：
金刚石膜工具已开发了多年，沉积金刚石膜的方法很多，通常有微波等离子体化学气相沉积法、直流等离子体喷射法和热丝法，其中因为热丝法设备简单、操作方便、可制备大面积膜、生长速度适中而备受关注。
美国专利US5997650公开了如下一种方案给热丝阵列提供电能的电极系统为一个固定电极和一个可随的热丝长度变化而沿热丝轴向移动的移动电极，拉动移动电极的拉力由弹簧来提供，有一个拉力调整机构可改变弹簧中拉力大小。该方法对提高热丝法稳定生长大面积金刚石膜有了很大改进，但仍有许多缺陷。移动电极通过一系列圆柱状滚子与移动电极支撑件接触，移动电极可在移动电极支撑件上沿热丝阵列轴向移动，给移动电极这一端加电功率的引线通常是铜引线，当较大电流通过时必然需要较粗大铜引线，而粗大铜引线连接移动电极，会使可移动电极不能方便顺畅地移动，而导致热丝工作过程中不能被较好地拉直而下垂影响金刚石膜的质量。若生长大面积的膜或用较粗热丝(Φ0.4～0.8mm)，通过引线上的电流更大，上述缺陷更明显；热丝法生长金刚石膜一般生长速度较慢(通常0.5～10μm/h)，要生长较厚的金刚石膜，一般需要几十～几百小时。在这长时间生长过程中，热丝阵列两端的固定电极和移动电极上尤其与高温热丝接触部分的温度可达到一千多℃，在这一千多℃高温下生长出的含碳混合物和电极附着力较差，崩裂的碎片时常会脱落在衬底上已生长的金刚石膜表面上，这些崩裂的碎片，较小的会被后续生长的金刚石膜掩埋在金刚石膜中，降低金刚石膜的性能，较大的会成为石墨生长的源点而快速长高长大，由于热丝阵列与金刚石膜表面垂直距离很短(通常3～8mm)，这些快速生长的石墨接触热丝后，热丝上电流通过它放电而使金刚石膜烧蚀或炸裂，金刚石膜的性能严重受损，而试验表明如果电极温度控制在600～950℃大致范围，电极上生长的含碳膜却附着牢固；热丝阵列大量热量辐射到移动电极上，移动电极如果不被充分冷却，其温度可以达到几百-上千℃，高温使得移动电极与移动电极支撑件接触部分变形而导致移动电极不能顺畅滑动；固定热丝阵列电极材料一般为高熔点金属例如钼等，钼电极多次使用后，表面上形成碳化钼层，其导电导热性能下降，热丝与钼电极接触不良，在大电流通过热丝时热丝会不停抖动，高温(大于2000℃)下热丝的长期抖动，常常会加速热丝的断裂。中国专利CN2325390Y提供了一种热丝排布固定装置热丝阵列安装在两端水冷铜电极之间，每根热丝直接和铜电极接触，热丝阵列中每根热丝由弹簧提供拉力。为了使热丝与电极很顺畅滑动接触，铜电极必须充分冷却，例如保持在200℃以下，在这样低的温度下，与水冷电极接触的部分热丝上就会结碳，随着生长过程进行，热丝上结碳部分会从两电极端向热丝中心延伸，当结碳结到衬底正上方热丝部分时，会严重影响金刚石膜的质量，如果给热丝两端预留结碳长度，则电能浪费很大；另一方面，热丝与电极是滑动接触，当热丝中通过较大电流时，有时会产生电弧放电，热丝会和铜电极焊牢，使得这根热丝不能继续滑动，随着生长过程进行，这根热丝会下垂而影响膜的均匀性；因热丝伸长过程时间很长，通常可达十几个小时，期间热丝与电极是持续滑动接触，每根热丝与电极在不同时间接触电阻不同，热丝中通过电流也随之变化，热丝阵列中不同根热丝通过的电流变化会导致热丝抖动，影响热丝的寿命。
发明内容
本发明提供一种稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统以克服现有技术缺陷的，以保障稳定生长出的质量好，能耗小，成本低的金刚石膜。
一种稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，包括左钼电极、右钼电极、左支撑板、右支撑板及热丝阵列，其特征在于(1)、左钼电极由左上电极和左下电极组成，左下电极上表面水平嵌有与热丝阵列垂直的，且有一部分露出其上表面的小铜管，左上电极和左下电极紧密接触，通过小铜管将热丝阵列中的每根热丝左端卡死；左钼电极固定在左支撑板的右端；左支撑板的左端固定在两根冷却电极柱上借以被支撑，左支撑板靠近左钼电极附近有一通孔，该通孔将两个导水管导通。
(2)、右钼电极由右上电极和右下电极组成，右下电极上表面水平嵌有与热丝阵列垂直的，且有一部分露出其上表面的小铜管，右上电极和右下电极紧密接触，通过小铜管将热丝阵列中的每根热丝右端卡死；右支撑板的右端固定在两个冷却电极柱上借以被支撑，右支撑板上表面左端附近固定一导轨，导轨运动方向与热丝方向一致，右钼电极固定在与导轨相配合的滑块上，滑块右端通过弹簧与右支撑板上表面右端附近固定的支柱相连，滑块上靠近右钼电极附近有一通孔，该通孔将两根螺旋导水管导通。
采用弹簧牵拉的滑动导轨，使得移动电极滑动顺畅，热丝阵列保持平直状态，不下垂，有利于生长均匀的金刚石膜。
通过调节左支撑板通孔中的水量及右支撑板上滑块中通孔中的水量，控制左、右钼电极达到适当温度，使得在左、右钼电极上生长附着较好的含碳膜，不易崩落。保证金刚石膜的纯度；同时还可控制热丝的结碳程度，有利于节约电能，提高金刚石膜的质量。
左钼电极和右钼电极中，由于小铜管在紧固力作用下变形，使得上电极、下电极与热丝阵列充分紧密接触，保证热丝阵列中每根热丝通过的电流均匀稳定，热丝阵列几乎不抖动，显著提高了高温下热丝阵列的寿命，这对长时间生长大面积金刚石厚膜尤为重要。
四
图1是稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统示意图。
图1中标号名称1.左钼电极，2.右钼电极，3.热丝阵列，4.反应室地板，11.冷却电极柱，17.冷却电极柱，12.左支撑板，13.左下电极，14.左上电极，15.铜管，16.导水管，18.导水管，21.冷却电极柱29.冷却电极柱，22.右支撑板，23.右下电极，24.右上电极，25.铜管，26.滑块，27.导轨，28.螺旋导水管，30.螺旋导水管，31.支柱，32.弹簧。
五具体实施例方式
如图1所示，本发明提供的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统主要包括一个固定冷却电极系统、一个移动冷却电极系统以及相应的热丝阵列3。
其中，固定冷却电极系统由左钼电极1、冷却电极柱11、冷却电极柱17、左支撑板12、导水管16、导水管18组成。其中左钼电极1由左上电极14和左下电极13组成。左下电极13上表面水平嵌有与热丝阵列3垂直的，且有一部分露出其上表面的小铜管15。左上电极14与热丝接触的表面上横向开有深度与热丝直径相同、间隔与热丝间隔相同的一些浅槽或浅凹坑，每根热丝卡在对应浅槽或浅凹坑中。通过螺钉连接，把左上电极14、热丝阵列3左端、左下电极13及其沟槽中的铜管15紧密压接在左支撑板12上。铜管15的实体截面积小于左下电极13中的沟槽截面积，但直径大于沟槽的深度，铜管15被压变形后，左上电极14和左下电极13可无缝接触在左支撑板12上靠近左电极1处有通水孔，导水管16和导水管18与通水孔进出口相连，冷水在水孔流过带走左电极1的部分热量，调节水流量，可控制左电极1的温度。
其中，移动冷却电极系统由右钼电极2、右支撑板12、冷却电极柱21、冷却电极柱29、螺旋导水管28、螺旋导水管30、导轨27、滑块26、弹簧32、支柱31组成。其中右钼电极2由右上电极24和右下电极23组成。冷却电极柱21和冷却电极柱29下端固定在反应室地板4上，右支撑板22右端与冷却电极柱21、冷却电极柱29上端固定，右支撑板22与反应室地板4平行。导轨27固定在右支撑板22左上，其导向方向与热丝轴向方向一致，滑块26导轨27配合，可在其上里沿热丝轴向自由移动。与固定电极系统相同，右上电极24与热丝接触的表面上横向开有深度与热丝直径相同、间隔与热丝间隔相同的一些浅槽或浅凹坑，每根热丝卡在对应浅槽或浅凹坑中。通过螺钉连接，把右上电极24、热丝阵列3右端、右下电极23及其沟槽中的铜管25紧密接在滑块26上。铜管25的实体截面积小于右下电极23中的沟槽截面积，但直径大于沟槽的深度，铜管25被压变形后，右上电极24、右下电极23可无缝接触。滑块26上靠近右电极2处有通水孔，螺旋导水管28和螺旋导水管30与通水孔进出口相连，冷水在水孔流过带走右电极2的部分热量，调节水流量，可控制右电极2的温度。
由于螺旋导水管28和螺旋导水管30用紫铜管制成，有一定的弹性，可以随滑块26滑动。另外，还可以省略弹簧32，以螺旋导水管28和螺旋导水管30作为拉动热丝阵列3移动的弹簧使用。如果将螺旋导水管28和螺旋导水管30按右钼电极2移动方向安装，使得螺旋导水管28和螺旋导水管30弹力方向与热丝阵列3伸长方向一致，热丝阵列3工作更稳定。其次，螺旋导水管28和螺旋导水管30也可作为加热电流引线使用。
在工作时，加热电流经冷却电极柱11和冷却电极柱17从反应室外流入，经过右支撑板12、左下电极13、铜管15及左上电极14到达热丝阵列3右端。再流过热丝阵列3到达铜管25及右上电极24、右下电极23、滑块26，然后电流分两路，一路由螺旋导水管28和螺旋导水管30到反应室外，另一路由导轨27、右支撑板22、冷却电极柱21和冷却电极柱29到达反应室外，第一路是电流流过的主要通道。
本发明采用弹簧牵拉的滑动导轨，使得移动电极滑动顺畅，热丝阵列保持平直状态，不下垂，有利于生长均匀的金刚石膜。
通过调节左支撑板12或滑块26中的冷却水孔中的水流量，可稳定控制左钼电极1和右钼电极2到适当温度，使得在左钼电极1和右钼电极2上生长附着较好的含碳膜，在生长金刚石膜过程中这些含碳膜不崩落，保证金刚石膜的纯度，同时也控制了热丝结碳程度，因为少量的结碳使热丝与电极接触更紧密可靠，过多的结碳既浪费电能又影响金刚石膜的质量。
在左钼电极1和右钼电极2中，由于小铜管在螺钉紧固力作用下变形，与热丝阵列充分紧密接触，保证热丝阵列3中每根热丝通过的电流均匀稳定，热丝阵列3几乎不抖动，显著提高了高温下热丝阵列3的寿命，这对长时间生长大面积金刚石厚膜尤为重要。
另外，左上电极14和右上电极24的下表面开有浅槽，此浅槽深度与热丝直径相同或略大，间隔与热丝间隔相同，并与热丝平行，使热丝被卡在其中。这样保证上电极和下电极能紧密压合在一起，上电极的热量可通过较冷的下电极带走，不至上电极温度过高。
左上电极、右上电极相对的端面开有浅槽或浅凹坑，增大表面粗糙度，提高其上生长的含碳膜的附着力，使含碳膜或其碎片不易脱落。
螺旋导水管28或30的使用，可克服采用铜编织引线的缺陷，在通过螺旋导水管加电时，由于水冷作用，使得右钼电极2工作稳定，可以通过更大的电流生长更大面积的金刚石膜。
实施例热丝阵列由26根Φ0.6mm钽丝组成，热丝中心间距6mm，两电极间热丝长度170mm，热丝阵列宽为150.6mm，衬底为Φ150mm金属Mo，热丝阵列与Mo衬底距离6mm，热丝阵列上加热电流1000A，热丝温度2600℃，反应气体采用H2和CH4的混合气，体积比为CH4∶H2＝4∶96，生长120小时得到Φ150mm厚度为1mm金刚石膜。在长时间生长过程中，移动电极滑动顺畅，热丝阵列一直处于直拉状态，没有一根下垂或断裂，也没有明显抖动；上下钼电极温度稳定控制在600～700℃，钼电极上生长了一层坚固的附着很牢的碳膜，中途没有碎片从钼电极上脱落；热丝与电极接触部分有少量结碳，在120小时内热丝结碳向中心延伸了5mm左右，设备运行稳定可靠。
权利要求
1.一种稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，包括左钼电极(1)、右钼电极(2)、左支撑板(12)、右支撑板(22)及热丝阵列(3)，其特征在于(1)、左钼电极(1)由左上电极(14)和左下电极(13)组成，左下电极(13)上表面水平嵌有与热丝阵列(3)垂直的，且有一部分露出其上表面的小铜管(15)，左上电极(14)和左下电极(13)紧密接触，通过小铜管(15)将热丝阵列(3)中的每根热丝左端卡死；左钼电极(1)固定在左支撑板(12)的右端；左支撑板(12)的左端固定在冷却电极柱(11)和冷却电极柱(17)上借以被支撑，左支撑板(12)靠近左钼电极(1)附近有一通孔，该通孔将导水管(16)和导水管(18)导通；(2)、右钼电极(2)由右上电极(24)和右下电极(23)组成，右下电极(23)上表面水平嵌有与热丝阵列(3)垂直的，且有一部分露出其上表面的小铜管(25)，右上电极(24)和右下电极(23)紧密接触，通过小铜管(25)将热丝阵列(3)中的每根热丝右端卡死；右支撑板(22)的右端固定在冷却电极柱(21)和冷却电极柱(29)上借以被支撑，右支撑板(22)上表面左端附近固定一导轨(27)，导轨运动方向与热丝方向一致，右钼电极固定在与导轨(27)相配合的滑块(26)上，滑块(26)右端通过弹簧(32)与右支撑板(22)上表面右端附近固定的支柱(31)相连，滑块(26)上靠近右钼电极(2)附近有一通孔，该通孔将螺旋导水管(28)和螺旋导水管(30)导通。
2.按照权利要求1所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于所述的系统不包含弹簧(32)，而由具有弹性的螺旋导水管(28)和螺旋导水管(30)起到拉平热丝阵列(3)的作用，并且螺旋导水管(28)和螺旋导水管(30)按右钼电极(2)移动方向安装，使得螺旋导水管(28)和螺旋导水管(30)弹力方向与热丝阵列(3)伸长方向一致。
3.按照权利要求1或2所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于通过螺旋导水管(28)和螺旋导水管(30)给右钼电极(2)加电流。
4.按照权利要求1或2所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于所述左上电极(14)、右上电极(24)下表面开有浅槽，此浅槽深度与热丝直径相同或略大，间隔与热丝间隔相同，并与热丝平行。
5.按照权利要求3所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于所述左上电极(14)、右上电极(24)下表面开有浅槽，此浅槽深度与热丝直径相同或略大，间隔与热丝间隔相同，并与热丝平行。
6.按照权利要求1或2所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于左上电极(14)、右上电极(24)相对的端面开有浅槽或浅凹坑。
7.按照权利要求3所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于左上电极(14)、右上电极(24)相对的端面开有浅槽或浅凹坑。
8.按照权利要求4所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于左上电极(14)、右上电极(24)相对的端面开有浅槽或浅凹坑。
9.按照权利要求5所述的稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，其特征在于左上电极(14)、右上电极(24)相对的端面开有浅槽或浅凹坑。
全文摘要
一种稳定生长大面积金刚石膜的热丝阵列电极系统，属热丝阵列电极装置领域。它由一个固定电极系统和一个依靠弹簧、导轨使热丝阵列保持平直的移动电极系统组成。两个电极系统的钼电极都是分别由上、下钼电极及铜管组成的，它们分别夹紧热丝阵列两端。另外，在固定电极系统和移动电极系统的钼电极附近都设有起冷却作用的导水管。其中移动电极系统中的导水管设计成螺旋状，以便上端可以随滑块移动。由于水冷作用，使得热丝阵列及钼电极附近附着物不易脱落。并且使得热丝阵列与钼电极电接触良好、平直、不易断丝、以保障稳定生长大面积高质量金刚石膜。如果在两个上钼电极相对的表面上开有浅槽，对提高两个上钼电极生长的含碳膜附着力效果更好。
文档编号C23C16/44GK1831187SQ20061003908
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者相炳坤, 左敦稳, 黎向锋, 徐锋, 卢文壮, 闫静 申请人:南京航空航天大学