CN102994978A - 纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米级高精度在线控制的热丝化学气相薄膜沉积生长设备装置，该设备除了传统的沉积腔体外置安装相连的真空系统、气路系统、电源控制系统外，新设计在沉积腔体内组合安装纳米级高精度伺服系统精密控制距离、纳米级高精度薄膜沉积生长厚度与速度，薄膜形态形貌监控系统及宽范围的沉积台温度控制系统。本发明纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备可以在线纳米级高精度控制位置与薄膜沉积生长速度与形态。通过位置和温度的精密控制，让热丝化学气相薄膜沉积生长始终处于最优状态，如最快的沉积速度与最小的缺陷等。
Description
技术领域
本发明涉及纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，特别是在三维空间上纳米级的控制精度，适用于在极高温(2000℃)背景下宽温度范围(-196～300℃)内的纳米级高精度控制。
背景技术
热丝化学气相沉积设备是当前工业化中广泛应用于生长薄膜涂层与厚膜材料的设备，设备结构简单、工艺较为成熟、制造技术要求不高、方便简单操作、沉积面积大；但是在热丝沉积设备中温度场、等离子场、以及相应的沉积场，均是以钨、钽热丝为轴心呈圆柱壳层分布，且沿圆柱的径向分布梯度相当大。在热丝设备运行过程中存在两种状况不利于薄膜良好生长，第一种不利因素是热丝在极高温度状态时(2000℃)会发生明显的热蠕变现象，即高温缓慢变长；第二种不良状况是热丝在使用过程中自身发生老化现象，即等离子体激发能力下降，其沉积场处于不断的变化中。这两种在热丝化学气相生长薄膜过程中不可避免的不利因素，可以通过不断及时细微精密调整热丝的位置来弥补，进而导致始终让热丝产生最佳的沉积场，从而生长厚度均匀的优质薄膜。如金刚石生长沉积的最优沉积区域为距离热丝2-5毫米，位置精度要求小于0.1毫米。
热丝设备沉积台温度的控制也是其使用关键因素，温度提供激发能量将化学气体裂解成碳、氢原子与其他活性基团，同时也控制着晶粒大小与生长速度。有些涂层沉积薄膜生长需要维持比较高的温度，有些涂层薄膜沉积生长则需要比较低的温度。如金刚石在硬质合金表面的沉积，若能维持室温下生产，二者之间的热膨胀应力将为零，其附着力无疑是最好的。
发明内容
发明目的：为克服热丝热蠕变和老化的缺点，本发明提供了一种基于沉积台控制的纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料装置设备。本设备可以实时监测调整沉积面，监测控制沉积形貌、沉积速度、沉积温度等数据，并可以通过实时调整热丝位置以控制沉积面的条件，如温度与纳米级的位置精度等。
技术方案：一种纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，主要包括沉积腔体外置安装相连的真空系统、气路系统和电源控制系统，还包括沉积腔体内置控制设备，该内置控制设备包括沉积台旋转杆，安装在所述沉积台旋转杆上方的沉积台系统，安装在所述沉积台旋转杆两边的冷却系统，所述沉积台旋转杆与椭圆偏振仪相连，所述沉积台系统上方设有热丝等离子体源系统，所述冷却系统下方设有伺服电机位置控制系统。
作为优化，所述伺服电机位置控制系统包括纳米级高精度伺服系统精密控制仪。
作为优化，所述沉积台系统包括纳米级高精度沉积台位置控制系统、纳米级薄膜形态形貌在线监控系统和-190～300℃宽范围的沉积台温度控制系统。该沉积台系统具有高精度沉积台位置控制技术，可以维持沉积面始终处于既定的最优薄膜沉积生长状态，可以在线监控薄膜沉积的速度与表面形态形貌，-190～300℃宽范围的沉积台温度控制技术，使得该沉积台系统的温度控制技术可以满足多种特殊要求薄膜的沉积条件。纳米级高精度沉积台位置控制系统和纳米级薄膜形态形貌在线监控系统形成比循环控制，可以实现薄膜沉积生长的纳米级微观控制技术。
本发明在传统热丝化学气相沉积装置设备上的沉积腔体内整合安装椭圆偏振光谱仪，作为一种非接触性的测试手段实时高精度测试沉积生长的速度、薄膜沉积厚度与形貌；椭圆偏振光谱仪采用卤素灯和蓝光LED双光源覆盖测量范围，以液晶盒作为偏振光调制器，无机械转动部件而无磨损，测量精度达2纳米以上，光谱采集可快达2秒，并且稳定性好，维护非常简单。椭圆偏振光谱仪采用紧凑型设计，十分小巧方便，易于整合设计到热丝化学气相沉积仪中，可以测量单膜结构与多膜膜系，精确控制薄膜沉积生长形态。
同时又在热丝化学气相沉积仪的沉积腔体内组合安装纳米级高精度激光测距仪，在沉积台上安装控制精度为纳米级的伺服电机，达到实时精密测定沉积面的位置。并安装高分辨率微区温度传感器，高精度测量沉积面温度。最后还重新设计沉积台结构，将沉积台结构制作为中空的加热模块，并可控制冷却媒介流速控制冷却温度：-196～0℃时，使用液氨为冷却媒介；0～100℃时，使用水为冷却媒介；100～300℃时，其直接使用加热并恒温控制。该模块结构的沉积平台可以满足不同的沉积温度要求，如超低温沉积台，可以更接近热丝位置，从而拥有高等离子体密度，高速沉积。100～300℃的沉积平台则可以用于某些要求长程扩散生长，低晶体缺陷的薄膜沉积生长。
有益效果：本发明纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备可以在线纳米级高精度控制位置与薄膜沉积生长速度与形态。通过位置和温度的精密控制，让热丝化学气相薄膜沉积生长始终处于最优状态，如最快的沉积速度与最小的缺陷等。
附图说明
图1为本发明沉积腔体内置控制设备结构示意图；
图2为椭圆偏振仪原理示意图；
图3为高精度伺服电机位置控制原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，主要包括沉积腔体外置安装相连的真空系统、气路系统和电源控制系统，还包括沉积腔体内置控制设备，该内置控制设备包括沉积台旋转杆1，安装在所述沉积台旋转杆1上方的沉积台系统2，安装在所述沉积台旋转杆1两边的冷却系统3，所述沉积台旋转杆1与椭圆偏振仪4相连，所述沉积台系统2上方设有热丝等离子体源系统5，所述冷却系统3下方设有伺服电机位置控制系统6，所述伺服电机位置控制系统6包括纳米级高精度伺服系统精密控制仪，所述沉积台系统2包括纳米级高精度沉积台位置控制系统、纳米级薄膜形态形貌在线监控系统和-190～300℃宽范围的沉积台温度控制系统。
如图2所示的椭圆偏振仪可以在线实时测量薄膜的生长速度，厚度与形态形貌等信息参数。4个液晶调制器可以产生16种不同的排列组合方式对光进行调制，即每次均测量了样品的16个偏振量信息。
如图3所示，高精度伺服电机可以通过闭路激光位置控制系统，纳米级高精度控制行进的位置与速度。光电脉冲发生器是一种增量式光电编码器，由光源、光电转盘、光敏元件与光电放大整形电路组成。A相与B相两个不同脉冲频率与事件管理器相连，判断直流伺服电机的转向，还可以对位置与速度进行纳米级精密测量。
Claims (3)
1.一种纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，主要包括沉积腔体外置安装相连的真空系统、气路系统和电源控制系统，还包括沉积腔体内置控制设备，其特征在于：该内置控制设备包括沉积台旋转杆(1)，安装在所述沉积台旋转杆(1)上方的沉积台系统(2)，安装在所述沉积台旋转杆(1)两边的冷却系统(3)，所述沉积台旋转杆(1)与椭圆偏振仪(4)相连，所述沉积台系统(2)上方设有热丝等离子体源系统(5)，所述冷却系统(3)下方设有伺服电机位置控制系统(6)。
2.根据权利要求1所述纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，其特征在于：所述伺服电机位置控制系统(6)包括纳米级高精度伺服系统精密控制仪。
3.根据权利要求1所述纳米级高精度控制热丝化学气相沉积生长薄膜材料设备，其特征在于：所述沉积台系统(2)包括纳米级高精度沉积台位置控制系统、纳米级薄膜形态形貌在线监控系统和-190～300℃宽范围的沉积台温度控制系统。
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