CN110616410A - 一种掠角沉积设备及其样品台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种样品台，包括固定装置、冷却装置、加热装置，旋转装置以及样品托盘。所述冷却装置和所述加热装置同时固定于所述固定装置上，所述冷却装置设置于所述加热装置的中间，所述旋转装置包括旋转罩，所述样品托盘固定在所述旋转罩开口处；本发明还公开了一种掠角沉积设备，包括转动臂、主动齿轮和所述样品台，样品台一端与所述转动臂连接。本发明的样品台实现了在实验过程中不改变样品位置进行原位加热和冷却，使得高真空和超高真空薄膜沉积系统中的通用设备上的实验对温度调控范围更广，实验结果更为精确有效。
Description
技术领域
本发明涉及一种高真空或超高真空薄膜沉积设备系统，更具体的说，涉及一种掠角沉积设备及其样品台。
背景技术
高真空或超高真空薄膜沉积设备系统中，除了沉积角度、沉积速率、样品台自转速率和模式等参数外，样品衬底温度是控制纳米结构尺寸和形貌生长的重要参数。
根据现有理论，在沉积初始时，保持较低的样品衬底温度，即Ts/Tm≤0.3，其中Ts是样品衬底温度，Tm是沉积源材料的熔点，使得气态物质的原子或分子在衬底表面的扩散受到抑制，形成分散的岛状成核区域，是实现DSG(Dynamic Shadowing Growth，动态自影蔽生长)技术的必要条件。
而在薄膜生长阶段，保持较高的样品衬底温度则有利于气态物质的原子或分子在衬底的表面扩散形成晶体结构。由于DSG技术是掠角沉积技术的基础，且依赖于样品台的倾斜和自转，而在高真空和超高真空中样品台又受机电结构和传动密封结构等因素的限制，通常只能分别设计出仅能够进行低温实验的样品台以及仅能够进行高温实验的样品台，但是单独进行低温或者高温实验时，一个样品台的温度调控范围有限，不利于进行更为精确、更为复杂和高度均一的纳米结构阵列薄膜的生长制备。其次，在某些沉积工艺中更是需要在高温沉积后进行快速退火，单独的高温样品台通常无法满足快速退火要求，并且由于绝大多数沉积过程伴随热辐射，造成衬底表面温度升高，导致某些易氧化金属以及纳米结构沉积完毕后，需要经过长时间的冷却，才能从真空腔室中取出，否则会对薄膜的生长制备造成不利的影响，并显著延长工艺时间降低效率。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种同时具备加热功能和冷却功能的样品台和使用该样品台的掠角沉积设备。
在一个总体方面，提供了一种样品台，包括一端用于连接工艺设备的固定装置、冷却装置、加热装置，旋转装置以及外表面用于放置样品的样品托盘，所述旋转装置包括旋转罩，所述样品托盘固定在所述旋转罩开口处与旋转罩形成容纳空间，所述冷却装置和所述加热装置局部位于所述容纳空间内且同时固定于所述固定装置上，所述冷却装置与所述样品托盘内表面抵接。
优选地，所述固定装置包括一端用于连接工艺设备的固定套管、从动齿轮盘、转动轴承和固定盘，所述固定盘连接在所述固定套管的另一端，所述从动齿轮盘通过所述转动轴承与所述固定套管配合连接。
优选地，所述冷却装置包括冷却腔体、导管、第一支撑杆和低温传导铜辫，所述冷却腔体设置在所述固定盘的下方，所述第一支撑杆位于所述冷却腔体与所述固定盘之间，所述低温传导铜辫固定在所述冷却腔体底部并与所述样品托盘内表面抵接，所述导管一端与所述冷却腔体连通，另一端与冷却液供给设备连接。
优选地，所述加热装置包括隔热罩固定板、加热器、隔热罩和第二支撑杆，所述隔热罩固定板位于所述固定盘下方，所述第二支撑杆位于所述隔热罩固定板和所述固定盘之间并与之相对固定，所述隔热罩位于所述隔热罩固定板和所述加热器之间并与所述隔热罩固定板相对固定。
优选地，所述隔热罩固定板、加热器和隔热罩均为环形，所述冷却装置位于所述加热装置中间。
优选地，所述低温传导铜辫数目为多个，且截面形状为U型，所有的所述低温传导铜辫关于样品台中心轴环形阵列分布。
优选地，所述旋转装置还包括第三支撑杆，所述第三支撑杆位于所述旋转罩和所述从动齿轮盘之间并与之相对固定。
优选地，所述加热器包括热阻丝、第四支撑杆和至少两个固定片，所述第四支撑杆设置于所述隔热罩固定板和所述固定片之间，一端与所述隔热罩固定板相对固定，另一端与所述固定片相对固定，所述热阻丝设置在所述两个固定片的上表面并关于所述两个固定片的中部连接线对称。
在另一个总体方面，本发明还提供了一种掠角沉积设备，包括转动臂、主动齿轮和所述的样品台，所述固定套管一端与所述转动臂连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮盘啮合。
本发明提供了一种在高真空或超高真空薄膜沉积设备系统中同时具备加热功能和冷却功能的样品台，通过将加热装置与冷却装置同时设置在固定装置上，实现在实验过程中不改变样品位置进行原位加热和冷却，使得高真空和超高真空薄膜沉积系统中的通用设备上的实验对温度调控范围更广，实验结果更为精确有效。
附图说明
图1是本发明的样品台的结构示意图；
图2是本发明的低温传导铜瓣的结构示意图；
图3是本发明的加热器的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的一种样品台包括一端用于连接工艺设备的固定装置1、冷却装置2、加热装置3，旋转装置4以及外表面用于放置样品的样品托盘5。所述旋转装置4包括旋转罩41，所述样品托盘5固定在所述旋转罩41开口处与旋转罩41形成容纳空间，所述冷却装置2和所述加热装置3局部位于所述容纳空间内，旋转罩的旋转功能不会受到冷却装置2和加热装置3的影响，所述冷却装置2和所述加热装置3同时固定于所述固定装置1上，使得所述的样品台具备了加热和冷却的功能，冷却装置2和加热装置3对样品托盘进行顺序冷却和加热时温度可控范围更广更灵活，效率相对较高。
作为一种优选地实施方式，本实施例的固定装置1包括一端用于连接工艺设备的固定套管11、从动齿轮盘12、转动轴承13和固定盘14，所述固定盘14套接在所述固定套管11的另一端，所述从动齿轮盘12通过所述转动轴承13与所述固定套管11配合连接，从动齿轮盘12可以在固定套管11上转动，并且通过限位弹簧片15对轴承13进行限位，阻止从动齿轮盘12在固定套管11上轴向滑动。
作为一种优选地实施方式，本实施例的冷却装置2包括冷却腔体21、导管22、第一支撑杆23和低温传导铜辫24，所述冷却腔体21设置在所述固定盘(14)的下方，所述第一支撑杆23位于所述冷却腔体21与所述固定盘14之间，一端与所述冷却腔体21相对固定，另一端与所述固定盘14相对固定，所述低温传导铜辫环24固定在所述冷却腔体21底部并与所述样品托盘5内表面抵接，由于冷却只能通过接触传导热量才能对样品进行降温，所以低温传导铜辫24与所述样品托盘5抵接，从而在样品托盘5和冷却腔体21之间进行热量交换，所述导管22一端与所述冷却腔体21连通，另一端与冷却液供给设备连接，导管内可以通入液氮或者冷却水进入到所述冷却腔体21内部对样品进行冷却，冷却温度范围为室温至-50℃。
作为一种优选地实施方式，本实施例的加热装置3包括隔热罩固定板31、加热器32、隔热罩33和第二支撑杆34，所述隔热罩固定板31位于所述固定盘14下方，所述第二支撑杆34一端与所述隔热罩固定板31相对固定，另一端与所述固定盘14相对固定，所述隔热罩33位于所述隔热罩固定板31和所述加热器32之间并与所述隔热罩固定板31相对固定，隔热罩33可以阻止加热器32产生的热量向四周及顶部传导，使得所述加热器32产生的热量集中向位于样品托盘5外表面的样品传导，对样品进行加热。
作为一种优选地实施方式，本实施例的隔热罩固定板31、加热器32和隔热罩33均为环形，所述冷却装置2位于所述加热装置3中间，冷却装置2位于隔热罩33中部，可以利用隔热罩33将冷却装置2与加热装置3隔开，保证两个装置能够独立工作，互不影响，且由于冷却过程中需要用冷却液循环带走热量，位于中间位置可以使得循环管道集中布置，而不干扰旋转罩转动,并且冷却速率更快。
如图2所示，本实施例的所述低温传导铜辫24数目为多个，且截面形状为U型，U型的低温传导铜辫24具有很好的弹性，可以保证U型的外表面在任何时刻都可以分别抵接冷却腔体21和样品托盘5；同时，所有的所述低温传导铜辫24关于样品台中心轴环形阵列分布，扩大了接触面积，使得热量的传递更为迅速。
作为一种优选地实施方式，本实施例的旋转装置4还包括第三支撑杆42，所述第三支撑杆42一端与所述旋转罩41相对固定，另一端与所述从动齿轮盘12相对固定，通过第三支撑杆42的固定连接，旋转罩41可以随着从动齿轮盘12转动。
如图3所示，本实施例的加热器32包括热阻丝321、第四支撑杆322和至少两个固定片323，所述第四支撑杆322设置于所述隔热罩固定板31和所述固定片323之间，一端与所述隔热罩固定板31相对固定，另一端与所述固定片323相对固定，所述热阻丝321设置在所述两个固定片323的上表面并关于所述两个固定片323的中部连接线对称。所述两个固定片上均设置有关于两个固定片中部连接线对称布置的固定柱，所述热阻丝321一端固定在下方的固定片左侧最外端的固定柱上并绕向上方的固定片左侧最外端的固定柱，接着回绕至下方的固定片第二层固定柱，如此循环往复至左侧固定柱均缠绕完；所述热阻丝321的另一端从固定片右侧开始，同左侧的热阻丝缠绕方式相同，直至与左侧的热阻丝在中间位置完成对接，形成一个对称的整体。所述热阻丝321缠绕时每段热阻丝均为圆弧状，且彼此之间均留有间隙，可以使加热时样品受热均匀，加热效果好。所述加热器32与所述样品托盘5之间留有间隙，加热器32对样品台的加热温度范围为室温至1000℃。
作为一种优选地实施方式，当本实施例的工艺开始时，先将样品固定于样品托盘5上，样品托盘5固定于旋转罩41上，接着启动旋转装置4，带动样品进行旋转，与此同时启动冷却装置2，对样品进行冷却，在获得较低的样品衬底温度后，气态的沉积源材料在衬底表面扩散受到抑制，形成分散的岛状成核区域；接着进入薄膜生长阶段，由于较高的温度有利于气态物质的扩散和形成晶体结构，需要快速的将样品的温度升高，此时关闭冷却装置2并启动加热装置3对样品进行加热，加热装置可将样品加热至1000℃；在获得需要的温度后，气态的沉积源材料扩散形成晶体结构；在高温沉积后，则可以关闭加热装置3对样品进行冷却，对于某些需要进行快速退火沉积工艺，可以再次启动冷却装置2，原位对样品进行迅速的降温，待温度冷却至室温，即可将样品从真空腔室内取出。
本实施例还提供了一种掠角沉积设备，包括转动臂、主动齿轮和所述的样品台，所述固定套管11一端与所述转动臂连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮盘12啮合。在进行沉积工艺时，样品台可以在由主动齿轮带动所述从动齿轮盘从而带动自身回转的同时随着转动臂转动，样品台回转中心与转动臂转动中心相垂直，转动臂的转动角度偏离初始位置大于70°。
本发明提供了一种在高真空或超高真空薄膜沉积设备系统中同时具备加热功能和冷却功能的样品台，通过将加热装置与冷却装置同时设置在固定装置上，实现在实验过程中不改变样品位置进行原位加热和冷却，使得高真空和超高真空薄膜沉积系统中的通用设备上的实验对温度调控范围更广，实验结果更为精确有效，本发明还提供了一种安装有该样品台的掠角沉积设备，样品台在自身回转时还可以随掠角沉积设备的转动臂转动。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种样品台，其特征在于，包括一端用于连接工艺设备的固定装置(1)、冷却装置(2)、加热装置(3)，旋转装置(4)以及外表面用于放置样品的样品托盘(5)，所述旋转装置(4)包括旋转罩(41)，所述样品托盘(5)固定在所述旋转罩(41)开口处与旋转罩(41)形成容纳空间，所述冷却装置(2)和所述加热装置(3)至少局部位于所述容纳空间内且同时固定于所述固定装置(1)上，所述冷却装置(2)与所述样品托盘(5)内表面抵接。
2.根据权利要求1所述的样品台，其特征在于，所述固定装置(1)包括一端用于连接工艺设备的固定套管(11)、从动齿轮盘(12)、转动轴承(13)和固定盘(14)，所述固定盘(14)连接在所述固定套管(11)的另一端，所述从动齿轮盘(12)通过所述转动轴承(13)与所述固定套管(11)配合连接。
3.根据权利要求2所述的样品台，其特征在于，所述冷却装置(2)包括冷却腔体(21)、导管(22)、第一支撑杆(23)和低温传导铜辫(24)，所述冷却腔体(21)设置在所述固定盘(14)的下方，所述第一支撑杆(23)一端与所述冷却腔体(21)相对固定，另一端与所述固定盘(14)相对固定，所述低温传导铜辫(24)固定在所述冷却腔体(21)底部并与所述样品托盘(5)内表面抵接，所述导管(22)一端与所述冷却腔体(21)连通，另一端与冷却液供给设备连接。
4.根据权利要求2所述的样品台，其特征在于，所述加热装置(3)包括隔热罩固定板(31)、加热器(32)、隔热罩(33)和第二支撑杆(34)，所述隔热罩固定板(31)位于所述固定盘(14)下方，所述第二支撑杆(34)一端与所述隔热罩固定板(31)相对固定，另一端与所述固定盘(14)相对固定，所述隔热罩(33)位于所述隔热罩固定板(31)和所述加热器(32)之间并与所述隔热罩固定板(31)相对固定。
5.根据权利要求4所述的样品台，其特征在于，所述隔热罩固定板(31)、加热器(32)和隔热罩(33)均为环形，所述冷却装置(2)位于所述加热装置(3)中间。
6.根据权利要求3所述的样品台，其特征在于，所述低温传导铜辫(24)数目为多个，且截面形状为U型，所有的所述低温传导铜辫(24)关于样品台中心轴环形阵列分布。
7.根据权利要求2所述的样品台，其特征在于，所述旋转装置(4)还包括第三支撑杆(42)，所述第三支撑杆(42)一端与所述旋转罩(41)相对固定，另一端与所述从动齿轮盘(12)相对固定。
8.根据权利要求4所述的样品台，其特征在于，所述加热器(32)包括热阻丝(321)、第四支撑杆(322)和至少两个固定片(323)，所述第四支撑杆(322)设置于所述隔热罩固定板(31)和所述固定片(323)之间，一端与所述隔热罩固定板(31)相对固定，另一端与所述固定片(323)相对固定，所述热阻丝(321)设置在所述两个固定片(323)的上表面并关于所述两个固定片(323)的中部连接线对称。
9.一种掠角沉积设备，其特征在于，包括转动臂、主动齿轮和权利要求2-8任一所述的样品台，所述固定套管(11)一端与所述转动臂连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮盘(12)啮合。
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2018
- 2018-06-20 CN CN201810637258.0A patent/CN110616410B/zh active Active
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