本发明专利技术针对目前的强制冷却工作台上存在的起始升温慢而降温快易造成在基体侧面沿着厚度方向上的温度场和反应气体流场不一致，沉积的ＣＶＤ金刚石膜的残余应力高、厚度均匀性差等问题，公开了一种能多面沉积ＣＶＤ金刚石膜的高热阻镂空衬底工作台，其特征是上框（１）的内部安装有丝网（２），上框（１）和支座（４）通过支架（３）相连，沉积ＣＶＤ金刚石膜的基体（６）均匀安放在丝网（２）上，丝网（２）安放基体（６）的平面与支座（４）下底面平行。保证了刚开始沉积金刚石时基体温度上升迅速，在沉积金刚石结束时基体温度下降缓慢，改善了反应气体流场均匀性，在该衬底工作台上沉积的衬底侧面和上表面的ＣＶＤ金刚石膜厚度和质量基本一致，ＣＶＤ金刚石膜的残余应力降低，特别适合于硬质合金刀具的表面沉积。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种CVD金刚石膜沉积过程中使用的工作台，尤其是一种 高热阻工作台，具体地说是一种能改善反应气体流场均匀性，在衬底侧面制 备出和衬底上表面质量一致的CVD金刚石膜的能多面沉积CVD金刚石膜的 高热阻镂空衬底工作台及其应用。技术背景目前，化学气相沉积(简称CVD)金刚石的力学、热学、声学、电学、 光学和化学等各项性能已经达到或接近天然金刚石的性能，在当今高科技领 域具有广阔的应用前景。热丝CVD法制备金刚石膜具有生长速度较快、生长 条件参数的控制要求不严、反应室压力范围较宽、成膜面积大、设备投资小、 结构简单、能够实现工业化生产等优点，热丝CVD法是目前制备CVD金刚石 膜最常用的方法之一。采用热丝CVD法沉积金刚石膜时需要将沉积金刚石膜 的衬底安放在衬底工作台上，循环冷却液强制冷却工作台是目前热丝CVD法 中普遍采用的衬底工作台，采用这种工作台时基体与周围环境热交换能量主 要是向衬底工作台热传导的能量。由于强制冷却工作台的冷却效果非常好， 这种工作台的系统可以采用较高的热丝温度和密排热丝等方式增加系统功 率，从而提高反应气体的热解能力，它在高速和大面积沉积CVD金刚石厚膜 时具有明显的优势。但这样制备CVD金刚石涂层时会带来一些问题(1) 由于循环冷却液强制冷却工作台是非镂空的衬底工作台，它对反应 气体流动产生阻挡，使得在衬底侧面沿着厚度方向上的温度场和反应气体流 场不一致，这样在衬底侧面上金刚石膜的厚度逐渐变薄，质量也逐渐变差。(2) 刚开始沉积金刚石时，基体温度上升缓慢，需要数分钟才能达到沉 积温度，而这时反应气体已经被热丝分解产生了活性基团，在较低的基体温 度下，活性基团会迅速在基体表面形成一层s/结构的碳。如果这层碳在基体温度上升到沉积温度后不能完全被原子氢^刻蚀掉，这样在基体表面就会留下留s/结构的碳，残留的s/结构的碳与基体结合性能较差，同时s/结构的碳会影响金刚石的成核，降低金刚石的成核密度。(3) 在沉积金刚石结束时基体温度下降迅速，这时衬底和金刚石涂层中 的部分应力来不及释放，使得金刚石涂层中的残余应力很大。金刚石涂层中 的残余应力会造成涂层与基体的结合性能降低，甚至会造成涂层碎裂、脱落。(4) 由于底面升温和降温速度快，因此这种工作台侧面沉积层的效果和 质量与上表面相比相对较差，这对一些具有多个表面的基体如硬质合金刀具 的性能影响较大，在一定程序上影响了其性能的充分发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的是于针对的衬底强冷工作台存在的易影响沉积层质量的问题，设计一种丝网结构的能多面沉积CVD金刚石膜的高热阻镂空衬底工作 台，这种丝网结构工作台一方面有利于反应气体在衬底侧面产生均匀流场， 另一方面使得衬底与衬底工作台的接触面积大大减少，降低了热量通过衬底 工作台传递的能力，使得刚开始沉积金刚石时基体温度上升迅速，在沉积金 刚石结束时基体温度下降缓慢。在该衬底工作台上沉积CVD金刚石膜时，衬 底侧面和上表面的CVD金刚石膜厚度和质量基本一致。 本专利技术的技术方案是一种能多面沉积CVD金刚石膜的高热阻镂空衬底工作台，其特征是它主 要由上框l、丝网2、支架3和支座4组成，所述的上框l为石墨上框，丝网 2为Mo、 W、 Ta或其合金丝的编织体，支架3均为热传导率低的耐高温陶瓷 材料体，支座4为耐腐蚀金属体(如不锈钢)，用于放置需多面沉积CVD金刚 石膜的基体6的丝网2安装在上框1中，上框1通过至少三根支架3和支座 4相连，丝网2与支座4的下底面平行。所述的上框1的截面尺寸不大于5删X5鹏。所述的编织丝网2的合金丝的直径为0. ltnra 0. 2mm，其编织方式为平行 或交叉方式，编织形成的网眼大小为所承载的基体6尺寸的1/8 1/4。 所述的支架3的截面直径不大于4mm。所述的上框1和支座4为矩形框或圆环形框。所述的上框1和支座4的上表面之间的距离H二(1/3 1/2)L，L为矩形上 框的边长或圆环形上框的直径。一种能多面沉积CVD金刚石膜的高热阻镂空衬底工作台，其特征是其在 硬质合金基体6表面沉积CVD金刚石涂层或厚膜上的应用，尤其是其在硬质 合金刀具上的应用。本专利技术的有益效果1、 采用本专利技术的镂空结构的衬底工作台可以有效改善衬底周围流场的 均匀性，在衬底的侧面上可以沉积出与衬底上表面质量基本均匀一致的CVD 金刚石膜。镂空结构的衬底工作台降低了热量通过衬底工作台传递的能力， 使得刚开始沉积金刚石时基体温度上升迅速，在沉积金刚石结束时基体温度 下降缓慢，沉积的CVD金刚石膜的残余应力降低、厚度均匀性提高。2、 上框材料为石墨，其熔点在3500。C以上，在沉积CVD金刚石的真空环境下其蒸发很小，同时其蒸发物质为碳，基本不会污染沉积的膜。上框截 面尺寸小于5鹏X5mm，通过上框吸收和辐射的热量少，使得热丝能量更多被 衬底利用。3、 丝网的材料为高熔点的Mo、 W、 Ta或它们的合金，可以承受较高的 温度，真空环境下其蒸发很小，对沉积的膜的污染很小，同时在高温下能够 保持一定的强度。金属丝的直径为O. lmra 0.2mm，它即容易编织，有一定强 度，同时传导的热量较少。金属丝编织形成的网眼大小为基体尺寸的1/8 1/4，即可满足基体的放置又可以减少热量的传导。4、 支架材料为热传导率低的耐高温陶瓷材料，其截面直径小于4ram，保 证支架传递到热量很少。5、 上框和支座的距离H二(1/3 1/2)L(L为矩形框边长或圆环形框直径)，使得反应气体能够顺利从丝网下面流走。6、 本专利技术通过大量试验对工作台所选用材料及尺寸进行了总结，找出 了上框、丝网、支架和支座的最佳材料组合及相互之间的尺寸关系，按本发 明所公开的材料、尺寸所制造的工作台性能稳定，能制备出合格的CVD金刚石涂层(详见本专利技术的具体效果例)。7、本专利技术可适用于各种材料基体的表面沉积，尤其是适合于硬质合金 刀具表面的沉积，能明显改善沉积质量，提高刀具的切削性能。6、以下是应用本专利技术的工作台沉积CVD金刚石膜的具体效果例(1) 将本专利技术的工作台放入沉积炉中，在H2-CH,体系下制备金刚石涂层 刀具，采用尺寸为lOOmmXlOOmm的矩形框镂空衬底工作台，热丝采用钽丝， 衬底工作台上一次可以放置25片12mmX12腿X3. 5mm硬质合金刀具，后刀面 和前刀面上的CVD金刚石膜厚度和质量基本一致，沉积10小后硬质合金刀具 上CVD金刚石涂层厚为23"m。与不采用本专利技术相比，沉积10小后硬质合金 刀具后刀面上CVD金刚石涂层最厚处的厚度为22um，最薄处的厚度为0，同 时后刀面沿着厚度方向上CVD金刚石涂层的质量不一致，薄处的金刚石涂层 中非金刚石成分含量高。(2) 将本专利技术的工作台放入沉积炉中，在H2-CH,体系下制备金刚石涂层， 采用直径为lOOmm的圆环框镂空衬底工作台，热丝采用钽丝，衬底工作台上 一次放置46片^6誦X2腿硬质合金拉丝膜芯，在直径为0. 5mm的内孔表面 8小后均匀沉积了厚度为15um的CVD金刚石涂层。与不采用本专利技术相比， 硬质合金拉丝膜芯内孔直径较大时，为了在膜芯内孔获得厚度和质量均匀的 CVD金刚石涂层，需要将热丝穿入膜芯内孔，这样每次沉积的拉丝膜芯数量 较少；而对于小直径的膜芯内孔，不能采用热本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种能多面沉积ＣＶＤ金刚石膜的高热阻镂空衬底工作台，其特征是它主要由上框（１）、丝网（２）、支架（３）和支座（４）组成，所述的上框（１）为石墨上框，丝网（２）为Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ或其合金丝的编织体，支架（３）均为热传导率低的耐高温陶瓷材料体，支座（４）为耐腐蚀金属体，用于放置需多面沉积ＣＶＤ金刚石膜的基体（６）的丝网（２）安装在上框（１）中，上框（１）通过至少三根支架（３）和支座（４）相连，丝网（２）与支座（４）的下底面平行。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卢文壮，左敦稳，徐锋，黎向锋，任卫涛，杨春，袁佳晶，黄铭敏，吴小军，蒋艳，王珉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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