CN203999801U - 物理气相沉积基片的控温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种物理气相沉积基片的控温装置，包括真空室、设置在所述真空室内的样品台、以及固定在所述样品台上的加热器，所述控温装置还包括：贴置在所述样品台上的水冷装置；设置在所述样品台附近的气冷装置；用于测量所述样品台的温度并提供测量信号的测温元件；以及与所述测温元件、水冷装置、及气冷装置电连接、且根据所述测量信号来控制所述水冷装置和气冷装置的启闭的闭环控制器。这种控温装置可以很好地对基片样品的温度进行控制。

Description

物理气相沉积基片的控温装置

技术领域

本实用新型涉及一种控温装置，更具体地说，涉及一种物理气相沉积基片的控温装置。

背景技术

在切削刀具等多种工具及零部件的表面沉积硬质薄膜可以大幅度提高它们的使用性能，因此在工具及零部件的表面沉积薄膜已经获得广泛应用。物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术是制备硬质薄膜的主要方法。PVD的工艺开发，通常是调节工艺制备出不同成分、微观结构的硬质薄膜，进而得到相应的使用性能。

直至今日，人们仍然采用Thornton于1977年提出的模型来分析膜的微观组织。图1示出了多晶单质膜的模型，纵坐标为参比温度Ts/Tm(Ts指膜沉积过程各瞬间的膜温，由于膜很薄，可用基片温度来代替，Tm指膜材料的熔点)，横坐标为真空室的惰性气体(如氩气)的压强。在图中的区域101将形成呈锥形或纤维状的晶粒和带有微孔洞的晶界，在转变区也就是区域102将形成具有致密晶界排列和高位错密度的膜，在区域103将发展柱状晶，在区域104由于再结晶和晶粒长大，将出现等轴晶组织。

许多试验结果说明，也可以利用该模型来分析非单质膜的微观组织。在形成硬质薄膜的过程中，基片温度是决定薄膜微观组织的一个关键因素，而膜的微观组织对其力学性能有根本性的影响。而现有的PVD技术中，均不能很好地控制基片的温度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中基片的温度不能被很好地控制的缺陷，提供一种物理气相沉积基片的控温装置，能够很好地对基片的温度进行控制。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种物理气相沉积基片的控温装置，包括真空室、设置在所述真空室内的样品台、以及固定在所述样品台上的加热器，所述控温装置还包括：

贴置在所述样品台上的水冷装置；

设置在所述样品台附近的气冷装置；

用于测量所述样品台的温度并提供测量信号的测温元件；以及

与所述测温元件、水冷装置、及气冷装置电连接、且根据所述测量信号来控制所述水冷装置和气冷装置的启闭的闭环控制器。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述水冷装置包括贴置在所述样品台顶部的导热块、设置在所述真空室外的水箱、以及与所述水箱相连并通过所述导热块内部的循环冷却水道。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述样品台呈倒置的L形，包括竖直部、以及从所述竖直部的顶部垂直向后延伸的水平部，所述导热块贴置在所述水平部的顶部。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，在所述循环冷却水道上设置有用于监控水的流速的水流表，所述水流表与所述闭环控制器电连接。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，在所述循环冷却水道上设置有电磁阀，所述电磁阀与与所述闭环控制器电连接。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述气冷装置包括设置在所述真空室外的气瓶、以及与所述气瓶相连且延伸到所述样品台附近的冷却气道，在所述冷却气道上开设有正对所述样品台的多个气孔。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，在所述冷却气道上，设置有气体流量控制器，所述气体流量控制器与所述闭环控制器电连接。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述控温装置还包括：用于向所述真空室内提供工作气体、且在所述冷却气道开启时关闭、在所述冷却气道关闭时开启的进气管道；以及用于从所述真空室内抽离空气的出气管道，其中所述进气管道与所述气瓶相连，在所述进气管道上设置有阀门，所述阀门与所述闭环控制器电连接。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述控温装置还包括在所述多个气孔打开时关闭、在所述多个气孔关闭时打开的进气孔，所述进气孔开设在所述冷却气道上除正对所述样品台的其它位置。

根据本实用新型所述的物理气相沉积基片的控温装置，所述控温装置还包括与所述闭环控制器电连接的电脑。

实施本实用新型的物理气相沉积基片的控温装置，具有以下有益效果：可以对样品台上的样品的温度进行监控，并在温度偏离设定值时，自动开启水冷装置和气冷装置，对样品台进行冷却；当温度接近设定值时，自动关闭水冷装置和气冷装置，进行动态调节。使得样品的温度在20-350度内可调。偏离设定值的范围设置在±3度。这种控温装置可以很好地对基片样品的温度进行控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1示出了多晶单质膜的模型；

图2示出了本实用新型的物理气相沉积基片的控温装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图2示出了本实用新型的物理气相沉积基片的控温装置200的结构示意图。如图2所示，控温装置200包括真空室201、设置在真空室201内的样品台202、贴置在样品台202上的水冷装置、设置在样品台202附近的气冷装置、用于测量样品台202的温度的测温元件208、以及与测温元件208、水冷装置、及气冷装置电连接、且根据测温元件208所测得的温度来控制水冷装置和气冷装置的启闭的闭环控制器203。

具体而言，样品台202呈倒置的L形，包括竖直部202a、以及从竖直部202a的顶部垂直向后延伸的水平部202b。在竖直部202a的前表面上，设置有样品固定部202c，其数量为两个且彼此相对设置，样品300固定在两个样品固定部202c之间。在竖直部202a的后表面上，固定设置有加热器207，用于对样品台202进行加热以便沉积薄膜。

测温元件208可以是红外测温仪，用于对样品台202的温度进行测量，并提供温度测量信号至闭环控制器203，闭环控制器203会据此判断样品台202的温度是否适宜，若温度过高，则开启水冷装置对样品台202进行冷却，当需要快速冷却时，则同时开启水冷装置和气冷装置。若温度适宜或过低，则关闭水冷装置和气冷装置。

水冷装置包括贴置在水平部202b的顶部的导热块204、设置在真空室201外的水箱205、以及与水箱205相连并通过导热块204内部的循环冷却水道206。导热块204由导热性能良好的材料制成，例如铜，能够快速地吸收样品台202的热量。而样品台202呈倒置的L形，使得其水平部202b具有较大的顶部面积，能够快速导热。水箱205内的冷却水通过循环冷却水道206流到导热块204处，将热量带走。流回水箱的热水可以在循环冷却水道206中被空气冷却，也可以在水箱205中单独进行冷却。

在循环冷却水道206上设置有水流表215，水流表215与闭环控制器203电连接，用于监控水的流速，并提供流速测量信号至闭环控制器203，闭环控制器203可据此调节水的流速，从而对水冷装置的冷却速度和效果进行控制。在循环冷却水道208上还设置有电磁阀209，电磁阀209与与闭环控制器203电连接。根据温度测量信号，当需要对样品台202进行水冷时，则开启电磁阀209，当不需要对样品台202进行水冷时，则关闭电磁阀209。

气冷装置包括设置在真空室201外的气瓶210、以及与气瓶210相连且延伸到样品固定部202c附近的冷却气道211。为便于安装，在样品台202的上方设置有安装法兰212，循环冷却水道206和冷却气道211都从安装法兰212中通过并固定在安装法兰212上。冷却气道211延伸到样品固定部202c附近，在冷却气道211上开设有多个气孔(未图示)，这些气孔正对样品固定部202c，可以很方便地对样品台202上的样品300进行冷却。

在冷却气道211上，设置有气体流量控制器213，该气体流量控制器213与闭环控制器203电连接。根据温度测量信号，闭环控制器203可对气体流量控制器213进行控制，从而调节气流的大小、改变气体冷却的效果。

需要说明的是，真空室201内的压力保持在大约10^-1Pa，为使得物理气相沉积过程中能够进行电离，真空室201内需要少许的工作气体。因此，该控温装置还包括用于向真空室201提供工作气体的进气管道和用于从真空室201抽离空气的出气管道(均未图示)，其中进气管道与气瓶210相连，在工作过程中，一边通过进气管道进气，一边通过出气管道抽真空，使得真空室201内的压力保持在大约10^-1Pa。在进气管道上设置有阀门，与闭环控制器203电连接。进气管道在冷却气道211开启时关闭、在冷却气道211关闭时开启，以保持真空室201内的压力不变。

根据温度测量信号，当样品台200上的样品300的温度严重偏离设定值时，闭环控制器203控制水冷装置对样品台200进行冷却，若需要快速冷却，气冷装置开启，此时通过冷却气道211进气，对样品台202上的样品300进行冷却。为使得真空室201内的压力保持不变，在冷却气道211进气的同时，使得进气管道关闭。优选地，为了减少元件，可以不必单独设置进气管道，而是在冷却气道211上除了正对样品台202的其它位置开设进气孔，该进气孔在正对样品台202的多个气孔打开时关闭、在正对样品台202的多个气孔关闭时打开，并通过气体流量控制器213来控制进气量的大小。若需要快速冷却样品台202上的样品300，正对样品固定部202c的气孔打开，其它位置上的进气孔关闭，以避免进入过多的气体，保持真空室201内的压力不变。

本实用新型的控温装置200还可以包括与闭环控制器203电连接的电脑214，用于方便用户直接通过电脑214对闭环控制器203进行操控。

控温装置200可以对样品台202上的样品300的温度进行监控，并在温度偏离设定值时，自动开启水冷装置和气冷装置，对样品台202进行冷却；当温度接近设定值时，自动关闭水冷装置和气冷装置，进行动态调节。使得样品的温度在20-350度内可调。偏离设定值的范围设置在+3度。这种控温装置200可以很好地对基片样品300的温度进行控制。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物理气相沉积基片的控温装置，包括真空室、设置在所述真空室内的样品台、以及固定在所述样品台上的加热器，其特征在于，所述控温装置还包括：

贴置在所述样品台上的水冷装置；

设置在所述样品台附近的气冷装置；

用于测量所述样品台的温度并提供测量信号的测温元件；以及

与所述测温元件、水冷装置、及气冷装置电连接、且根据所述测量信号来控制所述水冷装置和气冷装置的启闭的闭环控制器。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述水冷装置包括贴置在所述样品台顶部的导热块、设置在所述真空室外的水箱、以及与所述水箱相连并通过所述导热块内部的循环冷却水道。

3.根据权利要求2所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述样品台呈倒置的L形，包括竖直部、以及从所述竖直部的顶部垂直向后延伸的水平部，所述导热块贴置在所述水平部的顶部。

4.根据权利要求2所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，在所述循环冷却水道上设置有用于监控水的流速的水流表，所述水流表与所述闭环控制器电连接。

5.根据权利要求2或4所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，在所述循环冷却水道上设置有电磁阀，所述电磁阀与与所述闭环控制器电连接。

6.根据权利要求1所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述气冷装置包括设置在所述真空室外的气瓶、以及与所述气瓶相连且延伸到所述样品台附近的冷却气道，在所述冷却气道上开设有正对所述样品台的多个气孔。

7.根据权利要求6所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，在所述冷却气道上，设置有气体流量控制器，所述气体流量控制器与所述闭环控制器电连接。

8.根据权利要求6所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述控温装置还包括：用于向所述真空室内提供工作气体、且在所述冷却气道开启时关闭、在所述冷却气道关闭时开启的进气管道；以及用于从所述真空室内抽离空气的出气管道，其中所述进气管道与所述气瓶相连，在所述进气管道上设置有阀门，所述阀门与所述闭环控制器电连接。

9.根据权利要求6所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述控温装置还包括在所述多个气孔打开时关闭、在所述多个气孔关闭时打开的进气孔，所述进气孔开设在所述冷却气道上除正对所述样品台的其它位置。

10.根据权利要求1所述的物理气相沉积基片的控温装置，其特征在于，所述控温装置还包括与所述闭环控制器电连接的电脑。