一種防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)及在大尺寸bdd電極制備中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)制備摻硼金剛石膜(BDD)領(lǐng)域，特別是一種防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)及其在大面積BDD制備中的應(yīng)用。所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，包括左鉬電極，右鉬電極，主熱絲彈簧架，副熱絲彈簧架，彈性鉬片架，副熱絲拉緊彈簧，主熱絲拉緊彈簧，主熱絲，副熱絲，十字空心絕緣Al2O3陶瓷，若干彈性鉬片等，其中所述彈性鉬片架平面及主熱絲彈簧架平面均可與水平面呈現(xiàn)10°～45°不同的角度，高效保證了熱絲平面的水平拉直且不斷裂狀態(tài)。所述的HFCVD系統(tǒng)，可用于直徑最大為200mm的BDD電極的制備，其電極性能及污染物降解效果良好。
【專利說明】一種防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)及在大尺寸BDD電極制備中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(HFCVD)，具體的說，通過實(shí)現(xiàn)彈性鑰片架平面、主熱絲彈簧架平面與水平面角度同時(shí)可調(diào)節(jié)，使熱絲平面保持水平拉直且不斷裂狀態(tài)，高效保證了 HFCVD系統(tǒng)均勻穩(wěn)定的沉積熱環(huán)境。本發(fā)明適用于大面積摻硼金剛石電極(BDD)的制備，其他材料的大面積電極制備也可參考。
【背景技術(shù)】
[0002]CVD (Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積)法是一種氣相成核生長方法，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、氧化物、氮化物、碳化物等納米薄膜材料的制備。與等離子體CVD法、射頻等離子體CVD法、微波等離子體CVD法、脈沖等離子體CVD法等相比，熱絲CVD法(HFCVD)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成膜過程易控制，操作方便，工藝成熟，成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]HFCVD法應(yīng)用于BDD電極的制備已有大量報(bào)道。其中，性能良好的熱絲系統(tǒng)是成功制得大面積BDD膜電極的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的水平布置熱絲會(huì)導(dǎo)致通電后的平行熱絲受熱伸長、變松下垂，進(jìn)而燈絲與襯底間距發(fā)生改變，襯底溫度場(chǎng)不均勻，無法沉積出大面積均勻的金剛石膜。
[0004]專利201010181903.6通過一根長熱絲在兩電極間往復(fù)纏繞來實(shí)現(xiàn)大面積金剛石膜電極的沉積制備。該熱絲系統(tǒng)包含一個(gè)固定電極和一個(gè)活動(dòng)電極，燈絲通過彈簧的拉力實(shí)現(xiàn)繃緊。然而，由于使用了一整根熱絲，在熱絲受熱伸長后，難以滿足兩電極間每段熱絲的變形量都得到補(bǔ)償；且在沉積過程當(dāng)中，活動(dòng)電極可能由于高溫與活動(dòng)螺釘之間連接不暢或接觸電阻過大，影響整體熱絲電流分布，導(dǎo)致熱絲導(dǎo)電能力過小或明顯變形等，不利于大面積均勻金剛石膜電極的沉積制備。專利201210138893.7改進(jìn)的熱絲系統(tǒng)包括兩個(gè)固定電極、一個(gè)彈簧架和若干根獨(dú)立熱絲，每根熱絲一端固定在電極上，另一端通過彈簧拉直，彈簧架與水平面呈三十度角。該措施雖然可以保證熱絲始終處于平行拉直狀態(tài)，但是僅一端通過滑動(dòng)位移點(diǎn)與彈簧連接，且熱絲架與水平面之間的夾角無法改變，無法保證變形量不同的熱絲完全拉直且不斷裂。美國專利US5997650改良的熱絲系統(tǒng)由一個(gè)固定電極和一個(gè)與彈簧連接的活動(dòng)電極組成。熱絲通電受熱變長后通過彈簧拉動(dòng)活動(dòng)電極保證熱絲的水平拉直狀態(tài)。活動(dòng)電極雖然可以有效地減小熱絲形變，但是長時(shí)間運(yùn)行過程中，活動(dòng)電極與導(dǎo)線之間容易冷卻，導(dǎo)致活動(dòng)電極受阻增大，熱絲受熱變形后無法及時(shí)拉直，影響了沉積過程穩(wěn)定的受熱環(huán)境。
[0005]由于長時(shí)間受熱過程中熱絲形變無法保證均勻穩(wěn)定的沉積熱環(huán)境，而現(xiàn)有改進(jìn)手段存在種種缺陷，大面積BDD電極的制備受到極大限制。開發(fā)簡(jiǎn)單有效的改進(jìn)手段對(duì)HFCVD法制備大面積BDD電極具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單有效、適用于大面積BDD電極制備的熱絲系統(tǒng)改進(jìn)方法。該發(fā)明可克服之前已有技術(shù)中存在的若干缺陷，顯著提高熱絲利用率和襯底溫度場(chǎng)的均勻性，進(jìn)而提聞BDD電極制備面積和沉積質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用如景。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]改進(jìn)的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，包括左鑰電極(I)，右鑰電極(2)，左鑰電極弧形槽(3)，右鑰電極弧形槽(4)，絕緣Al2O3陶瓷弧形槽(5)，主熱絲彈簧架(6)，副熱絲彈簧架
(7)，彈性鑰片架(8)，副熱絲拉緊彈簧(9)，主熱絲拉緊彈簧(10)，若干長度相等的主熱絲 (11)，副熱絲(12)，十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)，若干螺栓(14)，若干彈性鑰片(15)，副熱絲支持桿(16)，，帶水冷的銅電極支柱(17)，見圖1。
[0009]熱絲系統(tǒng)安裝步驟如下:
[0010]整體框架:將熱絲框架擰緊固定，未安裝彈簧的主彈簧架(6)通過陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)連接，主熱絲彈簧架(6)與水平面的角度為10°~45°，可調(diào)節(jié)。
[0011]水平方向:將主熱絲(11) 一端固定在左側(cè)彈性鑰片(15)上，之后嵌入左鑰電極弧形槽(3)，穿過十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)后，嵌入右鑰電極弧形槽(4)，將嵌入后的主熱絲擰成圓環(huán)狀鉤連在主熱絲拉緊彈簧(10)左端，主熱絲拉緊彈簧(10)右端通過彎鉤連接在主熱絲彈簧架(6)相應(yīng)的小孔上。
[0012]垂直方向:將副熱絲(12) —端通過螺栓(14)固定在副熱絲支持桿(16)上，穿過十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)，嵌入絕緣Al2O3陶瓷弧形槽(5)，鉤連在副熱絲拉緊彈簧(9)上，副熱絲拉緊彈簧(9)另一端通過彎鉤連接于副熱絲彈簧架(7)，熱絲布置即完成。布置過程中應(yīng)保證直徑Imm的副熱絲(12)上端與長度相等的主熱絲(11)下端處于同一水平面。
[0013]熱絲布置完以后，將整個(gè)熱絲架放入反應(yīng)腔室中，左、右鑰電極與四個(gè)帶水冷的銅電極支柱(17)用螺栓相互連接固定；檢查主熱絲(11)與副熱絲(12)是否跳離弧形槽，檢查無誤后，即可關(guān)閉反應(yīng)腔室進(jìn)行BDD電極沉積實(shí)驗(yàn)。
[0014]所述主熱絲(11)為鉭或鎢材質(zhì)，依據(jù)電沉積需要剪成長度相等的若干段；副熱絲
(12)為直徑Imm的鉭絲；主熱絲彈簧架(6)和鑰片架(8)的外邊條及兩側(cè)為不銹鋼條，用陶瓷絕緣連接；副熱絲支持桿(16)為鑰材質(zhì)，長條型，其上表面等間距分布有螺紋；螺栓(14)為鑰材質(zhì)，下端加工成螺紋，上端連接副熱絲。
[0015]所述左鑰電極(I)和右鑰電極(2)通過副熱絲彈簧架(7)和副熱絲支持桿(16)相連接固定；左鑰電極(I)和右鑰電極(2)上分別等間距分布左鑰電極弧形槽(3)和右鑰電極弧形槽(4)，且分布規(guī)律相同，所有左鑰電極弧形槽(3)和右鑰電極弧形槽⑷的底端都處于同一水平面上。
[0016]若干個(gè)彈性鑰片(15)通過銷釘固定在彈性鑰片架(8)上，與左鑰電極弧形槽(3)平行且一一對(duì)應(yīng)，彈性鑰片架(8)與左鑰電極(I)連接固定，整個(gè)彈性鑰片架(8)平面可與水平面呈現(xiàn)10°~45°不同的夾角。
[0017]主熱絲彈簧架(6)通過陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)相連接，整個(gè)主熱絲彈簧架(6)平面也可與水平面呈現(xiàn)10°~45°可調(diào)節(jié)的夾角，調(diào)節(jié)角度與彈性鑰片架(8)的角度相一致，角度調(diào)節(jié)程度取決于沉積條件。
[0018]所述十字空心絕緣Al2O3陶瓷，其特征在于:十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)兩個(gè)方向的空心不相通，一端穿過副熱絲(12)，一端穿過主熱絲(11)，避免了兩者的直接接觸。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0020](I)彈性鑰片架平面、主熱絲彈簧架平面與水平面角度為10°~45°，且可視沉積條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，高效保證了大面積BDD電極制備過程中熱絲平面的水平拉直且不斷裂狀態(tài)。
[0021](2)利用彈簧架與鑰片對(duì)每根熱絲進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，且在熱絲中間下端垂直固定拉緊的、通過Al2O3陶瓷隔離絕緣的副熱絲，保證了每根熱絲在通電加熱時(shí)能夠單獨(dú)受力，彼此不受影響；采用冷銅電極進(jìn)行固定連接，避免了活動(dòng)電極冷卻不足以及滑動(dòng)受阻的缺陷，進(jìn)而使每根熱絲能夠均能夠保持水平拉直且不斷裂狀態(tài)。
[0022](3)左右鑰電極上設(shè)有等間距的弧形槽，保證了沉積過程中基底均勻受熱輻射。彈性鑰片架、彈簧架與鑰電極之間采用絕緣連接，保證了每根彈簧、彈性鑰片及相應(yīng)的框架均無電流通過，沉積過程中整個(gè)外圍框架的熱量主要來自于熱絲輻射。彈簧架和彈性鑰片可保證熱絲與鑰電極之間形成良好的歐姆接觸，且滑動(dòng)順暢，同時(shí)兩端弧面的接觸可使熱絲受熱膨脹后只發(fā)生軸向移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生徑向滑動(dòng)，避免熱絲在沉積過程中出現(xiàn)分布不均和抖動(dòng)。[0023](4)采用絕緣Al2O3陶瓷連接主熱絲與副熱絲，保證主熱絲通電加熱過程中，副熱絲不通電，熱量來源僅僅是主熱絲的輻射熱量。副熱絲由于Al2O3的絕緣作用不會(huì)通電發(fā)生形變，保證了主熱絲中部水平拉直狀態(tài)。由于副熱絲的固定，兩端的彈簧用很小的力即可拉緊主熱絲，保證了主熱絲不易斷裂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1本發(fā)明改進(jìn)的熱絲系統(tǒng)俯視與側(cè)視圖
[0025]圖2十字絕緣空心Al2O3陶瓷結(jié)構(gòu)圖
[0026]圖3固定螺栓結(jié)構(gòu)圖
[0027]圖4改進(jìn)前后熱絲受力圖和彎矩對(duì)比圖
[0028]圖5實(shí)驗(yàn)室制備的電極SM圖和洛倫茲曲線擬合圖
[0029]圖6實(shí)驗(yàn)室制備的電極與德國鈮基電極的SEM和Raman對(duì)比圖
[0030]圖中數(shù)字說明:左鑰電極(I)，右鑰電極(2)，左鑰電極弧形槽(3)，右鑰電極弧形槽(4)，絕緣Al2O3陶瓷弧形槽(5)，主熱絲彈簧架(6)，副熱絲彈簧架(7)，彈性鑰片架(8)，副熱絲拉緊彈簧(9)，主熱絲拉緊彈簧(10)，若干長度相等的主熱絲(11)，副熱絲(12)，十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)，若干螺栓(14)，若干彈性鑰片(15)，副熱絲支持桿(16)，銅電極支柱(17)，載物臺(tái)(18)，絕緣Al2O3陶瓷(19)，螺紋孔(20)，水平通心孔(21)。
[0031]實(shí)施實(shí)例
[0032]實(shí)施案例I
[0033]如上所述安裝HFCVD系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室以直徑200mm的鈦為襯底，甲烷和氫氣為混合氣，制備BDD電極。熱絲陣列由15根直徑0.5mm的鉭絲組成，鉭絲間距15mm，兩鑰電極間距240mm,陣列寬210mm。熱絲與載物臺(tái)間距為8mm,總電流為525A,單根熱絲電流為35A,沉積溫度為2000°C。溫度上升至2000°C以后，變形的熱絲兩端被彈簧和彈性鑰片迅速有效地拉直，使熱絲始終處于平行拉直的平面狀態(tài)，保證了襯底溫度場(chǎng)的均勻性；10小時(shí)沉積過程中，彈簧和彈性鑰片均未出現(xiàn)過熱變形失效的狀態(tài)，熱絲也未發(fā)生斷裂。SEM及Raman表征、電化學(xué)降解實(shí)驗(yàn)等表明，制備出的直徑200mm的大面積BDD電極性能良好，基底中心與邊緣的成膜質(zhì)量無明顯差異。改進(jìn)前的熱絲系統(tǒng)，由于在加熱過程中出現(xiàn)熱絲彎曲或者斷裂，導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻而無法沉積出大面積BDD電極，或沉積出質(zhì)量較差的BDD電極。與之相比，改進(jìn)后的系統(tǒng)制備出的BDD電極尺寸由直徑60mm增加到直徑200mm，且電極性能良好。
[0034]實(shí)施案例2
[0035] 以直徑30mm的鈦為襯底，甲燒和氫氣為混合氣,米用該熱絲系統(tǒng)制備BDD電極。熱絲陣列由6根直徑0.5mm的鉭絲組成，鉭絲間距15mm,兩鑰電極間距240mm,陣列寬75mm。熱絲與載物臺(tái)間距為8mm，總電流為210A，單根熱絲電流為35A，沉積溫度為2000°C。沉積過程中，熱絲始終保持平直且未斷裂狀態(tài)。SEM表征表明，改進(jìn)后制備的BDD電極基底金剛石顆粒密集且均勻排列，表明金剛石沉積均勻；拉曼光譜洛倫茲曲線擬合出現(xiàn)了典型的硼原子特征峰和金剛石特征峰，說明成功制備出了質(zhì)量較高的硼摻雜金剛石膜電極。該BDD電極與德國鈮基BDD電極表征結(jié)果十分接近，與改進(jìn)前相比性能顯著提高。
【權(quán)利要求】
1.一種防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，包括左鑰電極(1)，右鑰電極(2)，左鑰電極弧形槽(3)，右鑰電極弧形槽(4)，絕緣Al2O3陶瓷弧形槽(5)，主熱絲彈簧架(6)，副熱絲彈簧架(7)，彈性鑰片架(8)，副熱絲拉緊彈簧(9)，主熱絲拉緊彈簧(10)，若干長度相等的主熱絲(11)，副熱絲(12)，十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)，若干螺栓(14)，若干彈性鑰片(15)，副熱絲支持桿(16)，帶水冷的銅電極支柱(17)。
2.權(quán)利要求1所述的防斷裂的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其安裝步驟如下: 整體框架:將熱絲框架擰緊固定，未安裝彈簧的主熱絲彈簧架(6)通過陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)連接，主熱絲彈簧架(6)與水平面的角度為10°~45°，可調(diào)節(jié)； 水平方向:將主熱絲(11) 一端固定在左側(cè)彈性鑰片(15)上，之后嵌入左鑰電極弧形槽(3)，穿過十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)后，嵌入右鑰電極弧形槽(4)，將嵌入后的主熱絲擰成圓環(huán)狀鉤連在主熱絲拉緊彈簧(10)左端，主熱絲拉緊彈簧(10)右端通過彎鉤連接在主熱絲彈簧架(6)相應(yīng)的小孔上； 垂直方向:將副熱絲(12) —端通過螺栓(14)固定在副熱絲支持桿(16)上，穿過十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)，嵌入絕緣Al2O3陶瓷弧形槽(5)，鉤連在副熱絲拉緊彈簧(9)上，副熱絲拉緊彈簧(9)另一端通過彎鉤連接于副熱絲彈簧架(7)，熱絲布置即完成，布置過程中應(yīng)保證直徑Imm的副熱絲(12)上端與長度相等的主熱絲(11)下端處于同一水平面； 熱絲布置完以后，將整個(gè)熱絲架放入反應(yīng)腔室中，左、右鑰電極與四個(gè)帶水冷的銅電極支柱(17)用螺栓相互連接固定；檢查主熱絲(11)與副熱絲(12)是否跳離弧形槽，檢查無誤后，即可關(guān)閉反應(yīng)腔室進(jìn)行BDD電極沉積實(shí)驗(yàn)。
3.權(quán)利要求1所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其中主熱絲(11)為鉭或鎢材質(zhì)，依據(jù)電沉積需要剪成長度相等的若干段；副熱絲(12)為直徑Imm的鉭絲；主熱絲彈簧架(6)和彈性鑰片架(8)的外邊條及兩側(cè)為不銹鋼條，用陶瓷絕緣連接；副熱絲支持桿(16)為鑰材質(zhì)，長條型，其上表面等間距分布有螺紋；螺栓(14)為鑰材質(zhì)，下端加工成螺紋，上端連接副熱絲。
4.權(quán)利要求1所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其中所述左鑰電極⑴和右鑰電極⑵通過副熱絲彈簧架(7)和副熱絲支持桿(16)相連接固定；左鑰電極(1)和右鑰電極(2)上分別等間距分布左鑰電極弧形槽(3)和右鑰電極弧形槽(4)，且分布規(guī)律相同，所有左鑰電極弧形槽(3)和右鑰電極弧形槽(4)的底端都處于同一水平面上。
5.權(quán)利要求1所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其中若干個(gè)彈性鑰片(15)通過銷釘固定在彈性鑰片架(8)上，與左鑰電極弧形槽(3)平行且一一對(duì)應(yīng)，彈性鑰片架(8)與左鑰電極(1)連接固定，整個(gè)彈性鑰片架(8)平面可與水平面呈現(xiàn)10°~45°不同的夾角。
6.權(quán)利要求1所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其中主熱絲彈簧架(6)通過陶瓷絕緣片與右鑰電極(2)相連接，整個(gè)主熱絲彈簧架(6)平面也可與水平面呈現(xiàn)10°~45°可調(diào)節(jié)的夾角，調(diào)節(jié)角度與彈性鑰片架(8)的角度相一致，角度調(diào)節(jié)程度取決于沉積條件。
7.權(quán)利要求1所述熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其中十字空心絕緣Al2O3陶瓷(13)兩個(gè)方向的空心不相通，一端穿過副熱絲(12)，一端穿過主熱絲(11)，避免了兩者的直接接觸。
【文檔編號(hào)】C23C16/46GK103952686SQ201410220223
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】倪晉仁, 苑奎, 崔鋒, 王婷 申請(qǐng)人:北京大學(xué)