CN205368490U - 基片控温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基片控温系统，所述基片控温系统包括：真空腔室；用于放置基片的样品台，设置在所述真空腔室内，且包括用于对所述基片进行加热的加热器；与所述样品台连接的循环管道，包括入口和出口；惰性气体源，通过进气阀连接在所述循环管道的入口处；冷水机水箱，通过进水阀连接在所述循环管道的入口处；以及与所述加热器、进气阀和进水阀电连接的控制单元，当需要对所述基片加热时，打开所述进气阀且保持所述进水阀关闭；当需要对所述基片进行降温时，打开所述进水阀且保持所述进气阀关闭。本实用新型可以对基片的温度进行控制。

Description

基片控温系统

技术领域

本实用新型涉及一种控温装置，更具体地说，涉及一种基片控温系统。

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(PhysicalVaporDeposition，PVD)技术是制备硬质薄膜的主要方法。在真空条件下采用物理方法，将材料源气化成气态原子、分子，或部分电离成离子，并通过低压气体或等离子体，在基片表面沉积薄膜。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。

在广泛采用的PVD工艺沉积的硬质膜中，往往存在过高的残余应力。为了改善膜基系统的使用性能，必须把这种残余应力控制在合理的水平。基片的温度是决定薄膜的微观组织的一个关键因素，而膜的微观组织对其残余应力有根本性的影响，因此，探讨基片温度对薄膜微观组织的影响，进而研究它对薄膜残余应力的影响具有很高的应用价值。在现有技术制备硬质薄膜的过程中，通常会对基片进行加热，但没有降温措施，温度较高的等离子体落在基片上，会导致基片的温度升高至几百度说明书，根据经典的Thornton模型，沉积温度对于薄膜的微观结构有显著影响，进而对调节薄膜性能十分重要。特别的，如果通过低温沉积硬质薄膜得到非晶结构，再进行非晶晶化，将得到纳米晶、等轴晶结构的硬质薄膜，性能会明显区别于常规的柱状晶结构的硬质薄膜。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术制备硬质薄膜的过程中没有对基片的温度进行控制的缺陷，提供一种基片控温系统，可以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：构造一种基片控温系统，包括：

真空腔室；

用于放置基片的样品台，设置在所述真空腔室内，且包括用于对所述基片进行加热的加热器；

与所述样品台连接的循环管道，包括入口和出口；

惰性气体源，通过进气阀连接在所述循环管道的入口处；

冷水机水箱，通过进水阀连接在所述循环管道的入口处；以及

与所述加热器、进气阀和进水阀电连接的控制单元，当需要对所述基片加热时，打开所述进气阀且保持所述进水阀关闭；当需要对所述基片进行降温时，打开所述进水阀且保持所述进气阀关闭。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述样品台包括用于放置所述基片的水冷基片台、用于对所述水冷基片台进行加热的所述加热器、以及用于固定所述水冷基片台和加热器且用于连接到所述真空腔室内部的安装底座，所述加热器设置在所述水冷基片台和所述安装底座之间，所述基片控温系统还包括与所述水冷基片台相对设置的电弧源。

根据本实用新型所述的基片控温系统，在所述水冷基片台上，设有绝缘套管连接孔；所述样品台还包括插置在所述绝缘套管连接孔内的绝缘套管；所述绝缘套管由高导热率的材料制成，在所述绝缘套管内，固定设置有温度传感器。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述样品台还包括设置在所述水冷基片台和所述加热器之间的绝缘挡板，在所述绝缘挡板的中心，开设有加热辐射孔。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述样品台还包括设置在所述加热器和所述安装底座之间的热反射器，所述热反射器具有朝向所述加热器的前侧开口。

根据本实用新型所述的基片控温系统，在所述热反射器的左右两侧上，设置有用于固定所述加热器的多个凹口，所述加热器的两端分别支撑在所述凹口内；所述样品台还包括两个呈长条状的加热器固定件，所述加热器固定件分别压在所述加热器的两端，且所述加热器固定件的两端分别连接到所述热反射器的对应一侧上。

根据本实用新型所述的基片控温系统，在所述绝缘挡板和所述安装底座之间，还设置有支撑间隔件，所述支撑间隔件与所述加热器的两端固定连接，且与所述安装底座固定连接。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述安装底座上设置有用于将所述样品台固定到所述真空腔室内的垂直支撑脚和水平支撑脚，所述水平支撑脚包括与所述样品台固定连接的转动连接件、以及与所述转动连接件转动连接的水平支撑杆。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述转动连接件上设置有转动连接孔、以及围绕所述转动连接孔的弧形孔；所述水平支撑杆的端部与所述转动连接孔可转动地连接，在所述水平支撑杆上还设置有与所述弧形孔配合的小凸柱。

根据本实用新型所述的基片控温系统，所述样品台还包括依次穿过所述水冷基片台、所述绝缘挡板后与所述安装底座连接的长连接件。

实施本实用新型的基片控温系统，具有以下有益效果：可以对基片的温度进行准确控制，不仅可以使得基片所在的样品台升温、还可以对其进行降温，进而达到对基片上沉积的薄膜的性能进行控制的目的。

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是本实用新型中基片控温系统的结构示意图；

图2是本实用新型中样品台的结构示意图；

图3是本实用新型中样品台的分解示意图；

图4是本实用新型中样品台的另一分解示意图；

图5是本实用新型中基片控温系统的一个实施例的框图；

图6是本实用新型中基片控温系统的另一个实施例的框图。

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1是本实用新型中基片控温系统100的结构示意图。如图1所示，本实用新型的基片控温系统100包括：真空腔室101、设置在真空腔室101内且包括加热器108的样品台102、与样品台102连接的循环管道103、通过进气阀104连接在循环管道103的入口103a处的惰性气体源105、通过进水阀106连接在循环管道103的入口103a处的冷水机水箱107、以及与加热器108、进气阀104、进水阀106电连接以便进行控制的控制单元109。当需要对基片110加热时，打开进气阀104且保持进水阀106关闭；当需要对基片110进行降温时，打开进水阀106且保持进气阀104关闭。

具体而言，样品台102设置在真空腔室101内，而基片110设置在样品台102上，在真空腔室101上设置有与样品台102相对的电弧源111。电弧源111用于溅射等离子体至基片110上，从而在基片110表面上沉积薄膜。

循环管道103从真空腔室101外部延伸至真空腔室101内部，通过样品台102后再延伸至真空腔室101外部，以便对样品台102进行冷却。循环管道103包括入口103a和出口103b，惰性气体源105通过进气阀104连接在循环管道103的入口103a处，冷水机水箱107也通过进水阀106连接在循环管道103的入口103a处，循环管道103的出口103b连接到冷水机水箱107，以便对流出的水重新进行冷却。但是本实用新型不限于此，循环管道103的出口103b也可以不连接到冷水机水箱107，而直接对流出的水进行回收。进气阀104和进水阀106一般处于关闭状态。

为了保持真空腔室101为真空，在真空腔室101上安装有绝缘法兰112。循环管道103从绝缘法兰112中通过并固定在绝缘法兰112上，本领域的技术人员可理解，由于循环管道103为循环式的，所以按照循环方向分别在绝缘法兰112上的两处通过并固定。

当样品台102的温度过高需要冷却时，控制单元109控制进水阀106打开，冷水机水箱107内的水从循环管道103的入口103a进入，到达样品台102并对其进行冷却，之后回到冷水机水箱107内，被冷水机再次冷却。达到期望的温度后，控制单元109控制进水阀106关闭。当样品台102的温度过低需要加热时，控制单元109控制进气阀104打开，惰性气体源105内的惰性气体从循环管道103的入口103a进入，惰性气体将循环管道103内的水吹走。这是为了防止加热温度高于水的沸点时，循环管道103内残留的水会变成水蒸气、使得循环管道103内的压力快速增大、甚至造成破裂，对加热造成不利影响；同时还可以防止循环管道103内残留的水流带走热量、降低升温速率。进气阀104开启预设的时间后，循环管道103内的水足以被吹走，控制单元109关闭进气阀104。

图2是本实用新型中样品台102的结构示意图；图3是本实用新型中样品台102的分解示意图；图4是本实用新型中样品台102的另一分解示意图。如图2-4所示，样品台102包括用于放置基片110的水冷基片台113、用于对水冷基片台113进行加热的加热器108、以及用于固定水冷基片台113和加热器108并用于连接到真空腔室101内部的安装底座109。

具体而言，水冷基片台113由导热率良好的金属制成，优选铜。在水冷基片台113内设置有蜿蜒的冷却管道(未图示)，该冷却管道通过水冷入口管114、以及水冷出口管115连接在循环管道103上。循环管道103内的水或者空气通过水冷入口管114进入水冷基片台113内的冷却管道，之后通过水冷出口管115流出，并通过循环管道103回到出口103b。

在水冷基片台113正对电弧源111的前表面上，设置有基片夹紧件116。该基片夹紧件116是可拆卸地连接到水冷基片台113上的两根夹紧片。将基片110放置到水冷基片台113上以后，采用螺钉等将基片夹紧件116紧固在基片110的边缘，使基片110紧贴在水冷基片台113上。

在水冷基片台113的侧面，设置有偏压电连接孔117。为了测量水冷基片台113的温度且不受到水冷基片台113上的偏压的影响，在水冷基片台113的顶面上设有绝缘套管连接孔113a，绝缘套管120通过过盈配合插置在绝缘套管连接孔113a内。在绝缘套管120内，固定设置有温度传感器130，该温度传感器130通过绝缘套管120与水冷基片台113绝缘。温度传感器130可以是热电偶。绝缘套管120优选导热率较高的陶瓷材料，例如氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷等，可以迅速传导水冷基片台113的热量，使得温度传感器130测得的温度非常接近或者等于水冷基片台113的温度。

在水冷基片台113上，还设置有多个水冷基片台连接孔118。该水冷基片台连接孔118贯穿水冷基片台113。

加热器108设置在水冷基片台113和安装底座109之间。在这个实施例中，加热器108是并排平行设置的多根红热灯管，但加热器108也可以是其它形式。在加热器108和水冷基片台113之间，设置有绝缘挡板119。绝缘挡板119使得水冷基片台113与其它元件绝缘，该绝缘挡板119优选地由陶瓷制成。为了不阻碍加热器108对水冷基片台113进行加热，在绝缘挡板119的中心，开设有加热辐射孔119b，在绝缘挡板119上还设有绝缘挡板连接孔119a。该加热辐射孔119b的尺寸较大，足以使得加热器108的绝大部分热量直接辐射到水冷基片台113上。绝缘挡板119可以由例如陶瓷制成。

为了将加热器108所发出的热量反射到水冷基片台113所在的方向，在加热器108和安装底座109之间，设置有热反射器121。在本实施例中，该热反射器121呈前侧开口的立方体形，其朝向加热器108的前侧开口。在热反射器121的内表面上，镀有金属反射层。热反射器121可以由金属制成。在热反射器121的左右两侧上，设置有用于固定加热器108的多个凹口121a、以及固定件连接孔121b。在本实施例中，加热器108呈管状，多个加热器108的两端分别支撑在热反射器121的左右两侧的对应凹口121a内。水冷基片台113还包括两个加热器固定件122，该加热器固定件122呈长条状，包括中间窄部122a、以及从中间窄部122a的两端朝向安装底座109所在的方向延伸的两端宽部122b，其中两端宽部122b上设有连接孔。两个加热器固定件122的中间窄部122a分别压在多个加热器108的两端，而两端宽部122b分别通过连接件与热反射器121的对应一侧的固定件连接孔121b连接，从而使加热器108固定在热反射器121上。

在图示的实施例中，热反射器121的数量为多个，且具体为三个。这多个热反射器121的结构相同，但外部尺寸依次变小，且依次嵌套。由于采用了多个热反射器121，可以很好地控制热量。但是本实用新型不限于此，也可以仅采用一个热反射器121。

在绝缘挡板119远离水冷基片台113的背面，固定设置有多个连接柱123。连接柱123的末端设有外螺纹，在连接柱123的外表面上套设有绝缘套管。在热反射器121远离绝缘挡板119的背侧表面上，设有贯穿的连接孔。绝缘挡板119的连接柱123穿过热反射器121上的连接孔，并采用螺帽与连接柱123末端的外螺纹连接，从而使热反射器121固定在绝缘挡板119上。

为了对加热器108进行支撑，在绝缘挡板119与安装底座109之间，还设置有支撑间隔件124。支撑间隔件124位于热反射器121的左右两侧。在支撑间隔件124上，设置有加热器连接孔125、以及安装底座连接孔126。加热器108的两端分别支撑在热反射器121的左右两侧的对应凹口121a内，并延伸至支撑间隔件124处，在加热器108的两端设有连接孔108a。采用连接件穿过加热器108的连接孔108a后，与支撑间隔件124上的加热器连接孔125相连。另外采用连接件穿过安装底座109，并与支撑间隔件124上的安装底座连接孔126连接，从而将支撑间隔件124固定在安装底座109上。

样品台102还包括依次穿过水冷基片台113上的水冷基片台连接孔118、绝缘挡板119上的绝缘挡板连接孔119a后与安装底座109连接的长连接件127。长连接件127可以是长螺栓、以及与其端部配合的螺母。这样使得水冷基片台113、绝缘挡板119以及安装底座109依序连接，并将加热器108和热反射器121固定在绝缘挡板119与安装底座109之间。为了绝缘，在长连接件127外周套设有绝缘套。

在安装底座109的背面，设置有垂直支撑脚128和水平支撑脚129。该垂直支撑脚128和水平支撑脚129用于将整个样品台102固定到真空腔室101内。该垂直支撑脚128包括L形连接块128a、以及与L形连接块128a相连的垂直支撑杆128b。其中L形连接块的第一部分贴置固定在安装底座109的背面，第二部分与垂直支撑杆128b垂直连接。水平支撑脚129包括贴置固定在安装底座109的背面的连接板129a、连接在连接板129上的转动连接件129b、以及与转动连接件129b相连的水平支撑杆129c，其中转动连接件129b的数量为两个，两者从连接板129a上延伸且彼此相对，转动连接件129b上均设有转动连接孔129d、以及围绕转动连接孔129d的弧形孔129e。水平支撑杆129e的端部与转动连接孔129d可转动地连接，同时，在水平支撑杆129c上设置有与弧形孔129e配合的小凸柱(未图示)，当水平支撑杆129c转动时，小凸柱在弧形孔129e内滑动，借助于弧形孔129e的长度范围限制水平支撑杆129c的转动角度。

当样品台102借助于垂直支撑脚128和水平支撑脚129插入真空腔室101内的对应固定孔时，可以根据电弧源111的位置在水平方向上转动样品台102，使得样品台102正对电弧缘111。

图5是本实用新型中基片控温系统100的一个实施例的框图；图6是本实用新型中基片控温系统100的另一个实施例的框图。基片控温方法利用本实用新型的基片控温系统100。其中控制单元109可以包括温控器109a和电力调整器109b。在基片控温系统100的工作状态下，加热器108一直开启。该基片控温方法适用于包括单个温控阶段的情况、以及包括多个温控阶段的情况，这多个温控阶段内，在不同的温度持续不同的时间。

具体而言，在单个温控阶段的情况下，该基片控温方法包括步骤：

S1、根据实际需求，将目标温度SV_N输入至温控器109a；

S2、温控器109a比较温度传感器130测得的实际温度PV和目标温度SV_N，并据此输出电流信号至电力调整器109b，该电流信号可以是4-10mA的电流信号；

S3、电力调整器109b根据电流信号确定至加热器108的输出电压，该输出电压是加热器108的实际电压值，为0-220V的交流电。

其中步骤S2进一步包括：

若实际温度PV小于目标温度SV_N，表明需要加热升温，此时控制单元109控制进气阀104开启，惰性气体源105内的惰性气体从循环管道103的入口进入，惰性气体将循环管道103内的水吹走。持续预定的时间后关闭。该预定的时间可以是例如10秒。

若实际温度PV高于目标温度SV_N，表明需要冷却降温，此时控制单元109控制进水阀106开启，冷水机水箱107内的冷却水通过循环管道103进入，到达样品台102并对其进行冷却，之后回到冷水机水箱107内。冷却降温的过程可以在整个控温阶段持续。

在包括多个(例如N个)温控阶段的情况下，该基片控温方法包括步骤：

S1、根据实际需求，将多个温控阶段的各目标温度SV₁-SV_N和对应的持续时间输入至温控器109a；

S2、温控器109a比较上一目标温度SV_N-1和下一目标温度SV_N，并据此输出电流信号至电力调整器109b，该电流信号可以是4-10mA的电流信号；

S3、电力调整器109b根据电流信号确定至加热器108的输出电压，该输出电压是加热器108的实际电压值，为0-220V的交流电。

其中步骤S2进一步包括：

若下一目标温度SV_N小于上一目标温度SV_N-1，表明需要加热升温，此时控制单元109控制进气阀104开启，惰性气体源105内的惰性气体从循环管道103的入口进入，惰性气体将循环管道103内的水吹走。持续预定的时间后关闭。该预定的时间可以是例如10秒。

若下一目标温度SV_N高于上一目标温度SV_N-1，表明需要冷却降温，此时控制单元109控制进水阀106开启，冷水机水箱107内的冷却水通过循环管道103进入，到达样品台102并对其进行冷却，之后回到冷水机水箱107内。冷却降温的过程可以在整个控温阶段持续。

采用本实用新型的基片控温系统100及方法，可以对基片110的温度进行准确控制，不仅可以使得基片110所在的样品台102升温、还可以对其进行降温，进而达到对基片110上沉积的薄膜的性能进行控制的目的。

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)

1.一种基片控温系统，其特征在于，包括：

真空腔室；

用于放置基片的样品台，设置在所述真空腔室内，且包括用于对所述基片进行加热的加热器；

与所述样品台连接的循环管道，包括入口和出口；

惰性气体源，通过进气阀连接在所述循环管道的入口处；

冷水机水箱，通过进水阀连接在所述循环管道的入口处；以及

与所述加热器、进气阀和进水阀电连接的控制单元，当需要对所述基片加热时，打开所述进气阀且保持所述进水阀关闭；当需要对所述基片进行降温时，打开所述进水阀且保持所述进气阀关闭。

2.根据权利要求1所述的基片控温系统，其特征在于，所述样品台包括用于放置所述基片的水冷基片台、用于对所述水冷基片台进行加热的所述加热器、以及用于固定所述水冷基片台和加热器且用于连接到所述真空腔室内部的安装底座，所述加热器设置在所述水冷基片台和所述安装底座之间，所述基片控温系统还包括与所述水冷基片台相对设置的电弧源。

3.根据权利要求2所述的基片控温系统，其特征在于，在所述水冷基片台上，设有绝缘套管连接孔；所述样品台还包括插置在所述绝缘套管连接孔内的绝缘套管；所述绝缘套管由高导热率的材料制成，在所述绝缘套管内，固定设置有温度传感器。

4.根据权利要求2所述的基片控温系统，其特征在于，所述样品台还包括设置在所述水冷基片台和所述加热器之间的绝缘挡板，在所述绝缘挡板的中心，开设有加热辐射孔。

5.根据权利要求4所述的基片控温系统，其特征在于，所述样品台还包括设置在所述加热器和所述安装底座之间的热反射器，所述热反射器具有朝向所述加热器的前侧开口。

6.根据权利要求5所述的基片控温系统，其特征在于，在所述热反射器的左右两侧上，设置有用于固定所述加热器的多个凹口，所述加热器的两端分别支撑在所述凹口内；所述样品台还包括两个呈长条状的加热器固定件，所述加热器固定件分别压在所述加热器的两端，且所述加热器固定件的两端分别连接到所述热反射器的对应一侧上。

7.根据权利要求6所述的基片控温系统，其特征在于，在所述绝缘挡板和所述安装底座之间，还设置有支撑间隔件，所述支撑间隔件与所述加热器的两端固定连接，且与所述安装底座固定连接。

8.根据权利要求2所述的基片控温系统，其特征在于，所述安装底座上设置有用于将所述样品台固定到所述真空腔室内的垂直支撑脚和水平支撑脚，所述水平支撑脚包括与所述样品台固定连接的转动连接件、以及与所述转动连接件转动连接的水平支撑杆。

9.根据权利要求8所述的基片控温系统，其特征在于，所述转动连接件上设置有转动连接孔、以及围绕所述转动连接孔的弧形孔；所述水平支撑杆的端部与所述转动连接孔可转动地连接，在所述水平支撑杆上还设置有与所述弧形孔配合的小凸柱。

10.根据权利要求5所述的基片控温系统，其特征在于，所述样品台还包括依次穿过所述水冷基片台、所述绝缘挡板后与所述安装底座连接的长连接件。