CN105021288A - 一种用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置 - Google Patents

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杨彬
余青霓
李�浩
雷乐成
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Abstract

本发明公开了一种用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，包括气相沉积系统和用于检测衬底温度的测温装置，所述的气相沉积系统包括密闭腔室，在密闭腔室的内部设有基片台，基片台端面用于放置衬底，基片台的底部固定用于驱动基片台运动的旋转轴，旋转轴的另一端从密闭腔室的底部伸出；所述的测温装置为红外测温仪，在密闭腔室的侧壁设有测量通道，测量通道的端部设有观察窗，所述红外测温仪的探头与所述观察窗对正。该装置可用于热丝化学气相沉积过程中，衬底表面温度的测定。通过采用红外测温的技术，实时无损的监测该温度在反应过程中的变化情况。该技术属于非接触式测量技术，不会对反应过程中基片台的其它行为(如旋转、升降等)产生影响。

Description

一种用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置
技术领域
本发明属于薄膜制备领域，具体涉及一种采用红外测温技术在热丝化学气相沉积反应过程中实时监测衬底表面温度的方法。
背景技术
化学气相沉积是目前制备金刚石薄膜最常用的一项技术，其中实际应用中尤以热丝化学气相沉积(HFCVD)和微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)最为常见。采用HFCVD技术制备大面积金刚石薄膜(一般指直径在10cm以上)时，为了获得均匀分布、高质量的薄膜，控制热丝温度、衬底表面温度、基片台相对位置是至关重要的几个部分。通常热丝温度控制在2000℃以上，由外接加热电机直接控制；衬底置于热丝正下方的基片台上方，衬底表面温度控制在700～900℃之间，由基片台与热丝之间的距离决定；另外可以通过基片台的旋转，使衬底表面沉积得到的大面积金刚石薄膜呈均匀分布。
目前衬底表面温度的测定主要通过热电偶实现，将热电偶的末端置于基片台某一预定的位置，通过连接线将其与腔室外的表头连接，直接读出该点的温度值。该方法整体价格较低，操作相对简单，但是该方法测量精度较低，只能测量基片台的温度，无法直接显示衬底表面的温度，且由于基片台内部又插入了热电偶，将导致基片台位置固定，无法旋转，对于大面积的金刚石薄膜，会对薄膜的均匀性产生一定的影响。
因此设计一种更准确直接、非接触式的测量衬底表面温度的方法，对于制备高质量的大面积金刚石薄膜显得尤为重要。
发明内容
针对以上热电偶测量衬底温度存在的缺陷，本发明提供了一种采用红外测温的方法，可以以非接触方式直接测量衬底表面的温度。
一种用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，包括气相沉积系统和用于检测衬底温度的测温装置，所述的气相沉积系统包括密闭腔室，在密闭腔室的内部设有基片台，基片台端面用于放置衬底，基片台的底部固定用于驱动基片台运动的旋转轴，旋转轴的另一端从密闭腔室的底部伸出；
所述的测温装置为红外测温仪，在密闭腔室的侧壁设有测量通道，测量通道的端部设有观察窗，所述红外测温仪的探头与所述观察窗对正。其中，所述的基片台可以随旋转轴自由转动，也可以上下移动。
该装置可用于热丝化学气相沉积过程中，衬底表面温度的测定。通过采用红外测温的技术，实时无损的监测该温度在反应过程中的变化情况。该技术属于非接触式测量技术，不会对反应过程中基片台的其它行为(如旋转、升降等)产生影响。
观察窗的材料选用有机玻璃，且应使产生的红外线能很好的穿透有机玻璃；观察窗与腔室的连接处的材料选用与腔室相同的材料，保证整个装置的稳定性。
采用的红外测温仪为常见的各类商用红外测温仪，一般至少包括红外探头和显示表两部分。红外探头置于观察窗外面，采用以一定的角度固定安放，测量所得的温度直接通过显示表显示。作为优选，所述的测量通道斜向布置，所述的衬底设置于所述测量通道的延长线上。
作为优选，所述的密闭腔室的内部固定有热丝架，在热丝架上平行等距地分布有若干根热丝。热丝为钽丝或者钨丝等贵金属材料，热丝直径一般为0.5mm。数量不等的热丝平行等距排列，热丝两两间距保持在10mm不变。所述的热丝采用外接加热电机进行加热。
根据本发明，观察窗的位置应选择在高于热丝所在平面的位置，且观察窗与腔室的连接处不采用垂直连接，而是采用以一定角度的方式。这样的结构设计有利于使红外测温仪能更好的对准衬底表面。
作为优选，所述的旋转轴内部设有冷却水通道，所述冷却水通道均匀分布于基片台的下方，此时可以保证基片台温度均匀分布。
所述的基片台为圆形铜台，作为优选，所述的衬底为直接放置于基片台上表面的平板。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：红外测温准确性高，采用非接触式的方式测量，不会影响腔室内部基片台的运行。在测量的同时基片台可以自由旋转，有利于获得高质量均匀分布的大面积金刚石薄膜。
附图说明
图1为本发明的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置的结构示意图；图中，1：红外测温仪；2：密闭腔室；3：观察窗；4：热丝；5：衬底；6：基片台；7：旋转轴；
图2为采用热电偶与红外测温仪温度测量对比图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的内容做进一步的描述。
如图1所示，本发明的测温装置包括密闭腔室2，密闭腔室2的内部设有基片台6，基片台6的底部固定连接有旋转轴7，旋转轴7从密闭腔室2的底部伸出，可在外部驱动设备的驱动下转动或者上下移动，并带动基片台6运动。基片台6的端面上用于放置待沉积薄膜的衬底5，在衬底5的上方一定距离设有固定于闭腔室2内壁上的热丝架，在热丝架上设有若干根平行布置的热丝4。
在密闭腔室2的外部设有红外测温仪1，在密闭腔室2的侧壁上设有与红外测温仪1的探头相对应的检测通道，检测通道的端部设有观察窗3，观察窗3的材料为有机玻璃，该材料能够使红外线顺利的通过。检测通道与密闭腔室2的侧壁呈一定夹角，衬底5位于检测通道的延长线上。
使用时，将若干根完全相同的热丝平行等距的安装于热丝架上，装入腔室内某一特定放置热丝处，并将其固定。将待沉积的衬底置于基片台表面中心位置，上下移动基片台的高度，控制衬底与热丝之间的距离(一般起始距离可以控制在10mm)。往基片台底部通入冷却水，用于冷却基片台，并使其表面有一均匀分布的温度梯度。调整红外测温仪的高度及位置，使测温仪可以穿过热丝间的缝隙，聚焦于衬底表面。
所有安装准备工作结束后，就可对热丝加热，使用外接加热电机加热，并采用梯度升温的方式，至热丝温度达2000℃以上。观察红外测温仪显示的数值，通过升降机片台，调整衬底与热丝间的相对距离，将衬底温度稳定在800℃左右。反应过程中需维持热丝和衬底的温度均不变或在一较小的范围内波动。
红外测温仪测温方法的校正采用与热电偶方法对比，可以通过不同温度梯度下，两者测量结果的比较，得出该测量方法的准确性。
在微波等离子体化学气相沉积系统中，在衬底加热过程中，通过衬底上安装的热电偶及腔体外的红外测温仪分别测定衬底表面温度，并对比两种结果，如图2所示。由图可知，红外测温仪测定的温度值略微小于热电偶所测定的值，而且随着所测温度的升高，其差值越来越小。当热电偶显示为750℃时，红外测温仪显示为726℃，两者仅相差24℃，相当于热电偶显示温度的3.2％。由于CVD法沉积金刚石过程中对衬底的温度并不要求维持在一特定温度下进行，因此该测量误差属于可接受范围。

Claims (7)

1.一种用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，包括气相沉积系统和用于检测衬底温度的测温装置，其特征在于，所述的气相沉积系统包括密闭腔室(2)，在密闭腔室(2)的内部设有基片台(6)，基片台(6)端面用于放置衬底(5)，基片台(6)的底部固定用于驱动基片台(6)运动的旋转轴(7)，旋转轴(7)的另一端从密闭腔室(2)的底部伸出；
所述的测温装置为红外测温仪(1)，在密闭腔室(2)的侧壁设有测量通道，测量通道的端部设有观察窗(3)，所述红外测温仪(1)的探头与所述观察窗(3)对正。
2.根据权利要求1所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的观察窗(3)的材料为石英玻璃，所述的测量通道的材料与腔室相同。
3.根据权利要求1所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的测量通道斜向布置，所述的衬底(5)设置于所述测量通道的延长线上。
4.根据权利要求1所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的密闭腔室(2)的内部固定有热丝架，在热丝架上平行等距地分布有若干根热丝。
5.根据权利要求4所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的热丝采用外接加热电机进行加热。
6.根据权利要求1所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的旋转轴内部设有冷却水通道，所述冷却水通道均匀分布于基片台的下方。
7.根据权利要求1所述的用于热丝化学气相沉积衬底表面温度测量的装置，其特征在于，所述的衬底为直接放置于基片台上表面的平板。
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