CN100562196C - 一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，它包括：加热丝支撑盘、加热丝和金属箔电极，加热丝支撑盘上分布有具一定几何排布规律绕线孔阵列，加热丝按照一定绕线规则穿过绕线孔阵列绕至支撑盘上，在支撑盘两端边缘对称分布有两个接线柱插孔，加热丝端线在此与金属箔电极相连形成良好电接触。本发明能提供高于800℃加热温度，且温场均匀。与传统加热丝型加热器相比，由于采用合理几何设计，具有最少的部件，使用及维护成本很低；与商用石墨体加热器相比，使用寿命长，且无碳污染，因此非常适宜氧化物薄膜的生长。

Description

一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器

技术领域

本发明涉及一种高真空薄膜生长过程中所使用的加热装置，尤其是使用射频等离子体分子束外延技术生长氧化物薄膜所使用的单电阻丝平面辐射线阵加热器。

背景技术

在真空薄膜生长技术中(包括真空蒸镀法，磁控溅射法，脉冲激光法，化学气相沉积法等)，通常要对衬底进行加热以使吸附至衬底表面的原子获得足够迁移能量以得到高质量薄膜。特别是对于使用RF-MBE(射频等离子体分子束外延法)生长高熔点氧化物薄膜，必须使用足够高的生长温度以保证薄膜的原子层状生长模式并在高温下退火以进一步改善成薄质量。同时由于RF-MBE技术生长氧化物薄膜处于活性氧原子环境下，加热器在高温状态下更易被氧化，从而大大影响使用寿命和加热效率。因此，在设计用于真空生长技术制备氧化物薄膜的加热器时，必须考虑以下因素：

1.能满足薄膜生长所需的高温条件；

2.加热器温度均匀性好，控温精度高；

3.在氧环境下使用寿命长，稳定性好；

4.所用材料在高温时蒸发量少，对薄膜生长污染小。

另外，加热器在性能上满足上述要求之外，还必须综合考虑使用成本和维护的简易性。

目前用于薄膜生长的加热方式种类较多，如卤素灯加热，激光加热以及电阻式加热等，这些方法各具特点，但使用最多的还是电阻式加热器。电阻式加热器具有加热面积大，热均匀性好，加热温度范围宽等优点。按加热方式可分为电阻体加热，如专利98101216.7(制备薄膜装置中用的金属平板加热器)、95224595.7(用于制备双面薄膜的单晶硅辐射式加热器)、98101016.7(石墨体加热器)以及电阻丝加热，如专利03263585.0(热灯丝化学气相沉积装置中的加热器)和200510088871.4(新型平面辐射加热器)，这些加热器类型虽能满足获得较高温度以及温场均匀性要求，但要专门用于高真空氧化物薄膜生长环境以及在使用维护成本方面，仍有较大局限性。如专利98101216.7所述金属平板加热器，由于金属电阻很小，其加热装置必须使用特殊大电流变压器(15V，500A)才能获得很高加热温度。而专利95224595.7所述单晶硅平板加热器在氧环境下使用时表面很容易氧化为绝缘的氧化硅层，导致电极接触绝缘无法使用，必须在真空环境下首先制备优良接触电极同时还应保证电极材料不会在高温条件下对高真空生长环境造成污染。专利03263585.0及200510088871.4所述电阻丝型加热器采用多电阻丝以及复杂支撑架结构，在加工以及维护方面都具有相当大的难度。

目前商用分子束外延系统加热器所使用的石墨体加热器，通过将圆形石墨片加工成如图1所示结构以获得更大电阻与温度均匀性。但在活性氧环境中，石墨很容易氧化成为二氧化碳，实验表明在活性氧环境下加热器高温工作较长时间后真空腔内剩余二氧化碳气压可达10^-8mbar，对超高真空环境是极大的污染，且使用时间超过一年后，石墨片减薄程度严重以致无法使用。商用解决方案是在石墨加热器外涂高纯氮化硼(PBN)保护层，但价格昂贵且由于电接触部分不能使用绝缘氮化硼层保护，碳的污染仍无法完全解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，该加热器具有安装方便、结构简单、加热温度高、温度均匀性好、控温精度好、低污染、耐氧化、耐酸碱等优点，特别适合用作真空氧化物薄膜生长的加热器。

为达到上述目的，本发明提出的一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器包括：加热丝支撑盘、加热丝和金属箔电极，加热丝支撑盘上分布有绕线孔阵列，在支撑盘两端边缘对称分布有两个接线柱插孔，所述绕线孔阵列以两个接线柱插孔中心连线中垂线为准，绕线孔在平行于中垂线方向为平行排布的孔列，且以中垂线为准左右对称；孔列与孔列之间间距以最靠近中垂线孔列开始，分别为d，2d，d，2d，……最靠近中垂线的两孔列间距为2d，总列数与d值与加热丝支撑盘大小相适配；所述加热丝等间距纵横相间地穿过加热丝支撑盘上绕线孔阵列形成加热丝单元阵列，该加热丝端线通过金属箔电极安装在所述接线柱插孔上。

进一步地，所述加热丝支撑盘是由高纯透明石英制得的圆盘。

进一步地，所述加热丝由钽丝、铌丝或钼丝构成。

进一步地，所述金属箔电极由钽片、铌片或钼片制成。

进一步地，所述孔列间距在接近盘边缘部分小于d。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用单电阻加热丝与单个加热丝支撑盘结构提供了一种真空用加热丝型平面加热器中所用部件最少、相对使用及维护成本最低的设计；

2.本发明采用高纯的石英作为加热丝支撑盘，利用了石英对红外热辐射的良好透过率，使绕在背面的加热丝几乎以同样的效率起到加热衬底的作用，从而大大提高了加热均匀性以及能量利用率；

3.本发明加热丝几何绕线方式保证了加热丝分别在支撑盘两面形成相同的线形平行小加热单元，这些相同的小加热单元构成平面加热阵列，且两面的线形加热阵列方向相互垂直，使得支撑盘两面温场纵横方向分布更加均匀；

4.本发明加热丝在支撑盘边缘分布较中心分布密，大大降低了温场沿加热器径向分布的不均匀性；

5.本发明在一定大小加热丝支撑盘上能获得相当长绕线长度，进而显著提高总工作电阻值，相对于前述种种电阻型加热器，尤其是电阻体加热器，在获得相同功率情况下能显著降低工作电流，大大降低对电源设备的技术要求，利用PID控制单元可以更加容易地精确控制衬底温度；

6.本发明加热丝支撑盘材料为高纯石英，加热丝采用高纯钽，铌，钼金属，这些材料熔点很高，化学稳定性好，在高温使用时蒸汽压很小，对真空环境污染极小；

7.本发明可根据实际需要灵活确定加热器的尺寸，特别适用于制作直径大于1英寸的加热器；

采用上述加热丝绕线方式以及加热丝支撑盘结构的加热器，在实际工作中应用于直流与交流工作模式并在氧环境下能长时间在＞800℃温度下稳定工作，控温精度高，经四极质谱仪测试发现真空腔内碳含量大幅下降，说明能有效解决石墨加热器所带来碳污染问题。维护时只需使用酸腐蚀即可去除加热器上所粘氧化物质而不损坏加热器本身。

附图说明：

图1是目前商用石墨加热器结构示意图；

图2a是本发明平面线阵辐射加热器结构示意图，图2b是本发明平面线阵辐射加热器穿上加热丝的结构示意图。

其中，

1石英加热丝支撑盘，2接线柱插孔，3绕线孔，4钽加热丝单元阵列，5钽金属箔电极

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图2所示的本发明平面线阵辐射加热器包括：石英加热丝支撑盘1、接线柱插孔2、绕线孔3、钽加热丝单元阵列4、钽金属箔电极5；其中支撑盘直径73mm，厚3mm；而接线柱插孔2左右对称分布于支撑盘1上，直径4mm，两个孔心距为62mm。绕线孔3的直径为1mm，整个支撑盘1上共有146个，其排布规律是：绕线孔3在平行于两个接线柱插孔2中心连线中垂线方向形成平行排布的16列孔列，且以中垂线为准左右对称，孔列间距以最靠近中垂线孔列开始，分别为3mm，6mm，3mm，6mm，……最靠近中垂线的两孔列间距为6mm。，绕线孔3阵列在垂直于中垂线方向为平行排布的孔列，且以接线柱插孔2中心连线为准左右对称，中间列位于接线柱插孔2中心连线上，以中间列开始，孔列间距均为3mm，接近盘边缘部分孔列间距小于中间部分孔列间距。钽加热丝直径为0.5mm，先平行穿过加热丝支撑盘1中心两个绕线孔，再等间距纵横相间地穿过加热丝支撑盘1上绕线孔阵列形成加热丝单元阵列4，每一单元长度为6mm，在靠近支撑盘1边缘处纵向加热单元长度为4mm或5mm，边缘处较密的加热单元排布能保证加热器中心温度与边缘温度具有较小的温差。钽加热丝两端与钽金属箔电极5焊接，同种金属形成良好电接触，大大降低接触电阻。将此加热器装于真空腔内，使用钼接线柱与直流稳压电源连接，＜10^-8mbar真空条件下用钨铼热偶与红外测温仪进行测试，结果表明加热温度可达800℃，在800℃条件下直径73mm加热器平面上中心点与边缘温差＜5℃。

将加热器装于真空腔内，使用钼接线柱与交流电源连接，在＜10^-8mbar真空条件下使用Eurotherm 818 PID控制器进行控温试验，结果如下表所示：

控温指标完全达到目前商用石墨加热器标准。在800℃时经质谱仪测试，腔内剩余二氧化碳气压＜10^-9mbar，碳污染程度已大大降低。

本发明的加热丝也可以铌丝或钼丝，金属箔电极也可以由铌片或钼片制成。

Claims (5)

1、一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，其特征在于，包括：加热丝支撑盘、加热丝和金属箔电极，加热丝支撑盘上分布有绕线孔阵列，在支撑盘两端边缘对称分布有两个接线柱插孔，所述绕线孔阵列以两个接线柱插孔中心连线中垂线为准，绕线孔在平行于中垂线方向为平行排布的孔列，且以中垂线为准左右对称；孔列与孔列之间间距以最靠近中垂线孔列开始，分别为d，2d，d，2d，……，最靠近中垂线的两孔列间距为2d，总列数与d值与加热丝支撑盘大小相适配；所述加热丝等间距纵横相间地穿过加热丝支撑盘上绕线孔阵列形成加热丝单元阵列，该加热丝端线通过金属箔电极安装在所述接线柱插孔上。

2、根据权利要求1所述的一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，其特征在于，所述加热丝支撑盘是由高纯透明石英制得的圆盘。

3、根据权利要求1所述的一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，其特征在于，所述加热丝由钽丝、铌丝或钼丝构成。

4、根据权利要求1所述的一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，其特征在于，所述金属箔电极由钽片、铌片或钼片制成。

5、根据权利要求1至4任一所述的一种耐活性氧腐蚀的平面线阵辐射加热器，其特征在于，所述孔列间距在接近盘边缘部分小于d。

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