CN2672082Y - 热灯丝化学气相沉积装置中的加热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种均匀生长大面积薄膜的热灯丝化学气相沉积装置中由灯丝排布与灯丝架组成的加热器。它包括：灯丝、灯丝固定器、螺丝和支腿、弹簧和灯丝挂板；2根灯丝固定器分别横架在2根金属支腿顶上用螺母固定；灯丝固定器的一侧壁上开螺孔和顶面上设有沟槽；所述的灯丝为直的，并且为N根平行排列，一端嵌在沟槽内末端通过螺丝与灯丝固定器的侧壁上开螺孔安装固定住；直灯丝另一端嵌入灯丝固定器的另一端的沟槽，其直灯丝末端与钼制弹簧的一端相连接，弹簧的另一端与灯丝挂板相连，灯丝挂板用螺丝固定在两根铜支腿上；支腿与生长薄膜的反应室底盘设一绝缘套。本实用新型的灯丝平整，热场均匀，灯丝电接触良好，有利于大面积薄膜的生长。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种热灯丝化学气相沉积反应系统中用于加热的灯丝和灯丝架结构装置，特别是涉及一种均匀生长大面积薄膜的热灯丝化学气相沉积装置中由灯丝排布与灯丝架组成的加热器。
背景技术
利用化学气相沉积技术制备薄膜材料有多种不同的工艺方法，其中热灯丝化学气相沉积是一种最普遍采用的简便、有效的方法。该方法利用在反应室内设置的灯丝装置，通过加热来分解反应气体，同时对灯丝下方的衬底进行加热，来达到在一定的气体分解温度和衬底温度下薄膜材料的生长。通常灯丝的温度可以达到2000℃以上，衬底温度能达到1000℃左右。采用热灯丝方法制备大面积均匀生长的薄膜，需要在衬底上形成均匀分布的温度场，而通常以W和Ta为灯丝，长时间加热灯丝会明显变形，严重影响了温度场的均匀分布。因此，灯丝的排布和灯丝架的结构是关键。
以往热灯丝化学气相沉积装置中的灯丝排布结构如图1所示，为多根直丝平行并联排布。图1中1为直灯丝，两端的圆弧形弯曲部分为2，灯丝设置成两端呈圆弧形的目的是缓冲灯丝加热后伸长引起的变形。灯丝1的两端用钨杆灯丝固定器3联接，构成并联电路，每根灯丝的两端用普通螺丝4固定在钨杆上。由于上述多根灯丝1的平行并联排布，可以在下方衬底上形成大面积的热场，生长大面积均匀的薄膜材料。由于圆弧形灯丝2的存在，使直灯丝部分1在受热变形时得到缓冲，以利于保持灯丝的平整和灯丝与衬底的间距。但是，这种灯丝结构在较大面积和较长时间的生长时有明显的缺陷。较大面积生长时，要求灯丝也比较长，灯丝加热后的形变量比较大，此时两端的圆弧灯丝2将无法缓冲灯丝的伸长，从而造成灯丝的弯曲，灯丝与衬底不再保持等间距，无法获得薄膜均匀的生长。另一方面，由于各条灯丝1与灯丝固定器3的接触不牢，容易造成灯丝1的横向位移，使温度场不均匀。这些缺点十分不利于大面积薄膜的均匀生长。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，为了实现热灯丝化学气相沉积大面积薄膜的整个生长过程中灯丝平整不变形和不易移动，而达到沉积的薄膜面积大和薄膜均匀的目的；从而提供一种灯丝架性能可靠，并与灯丝接触良好的、安装简便、结构简单的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型提供的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器包括：灯丝1、灯丝固定器3、钼螺丝6和支腿8，其特征在于：还包括：弹簧9和灯丝挂板10；2根灯丝固定器3分别横架在2根金属铜支腿8的顶上由螺母7固定；灯丝固定器3的一侧壁上开螺孔和顶面上设有沟槽5；所述的灯丝1为直的，并且为N根平行排列，一端嵌在槽9内末端通过钼螺丝6与灯丝固定器3的侧壁上开螺孔安装固定住；直灯丝1另一端嵌入灯丝固定器3的另一端的沟槽5，其直灯丝1末端与钼制弹簧9的一端相连接，弹簧9的另一端与灯丝挂板10相连，灯丝挂板10用螺丝11固定在两根铜支腿上。
所述的支腿8由4根铜金属柱构成，其中金属柱是空心的和横截面是圆形的，其金属柱底端与冷却水管连接，金属柱下部由绝缘套14与真空室底盘15间实现电绝缘。
所述的N根直灯丝1至少为2根，该直灯丝1使用金属钽或钨制作的，并且等间距地平行排列在灯丝固定器3上。
所述的灯丝固定器3用金属钼或钨棒制作的，其一侧壁上所开螺孔和顶面上设有的沟槽5一一相对应，并且螺孔和螺孔之间或沟槽5和沟槽5之间等间距。
所述的弹簧挂板10距铜支脚8的顶端有4-5厘米距离，挂板外侧向上仰角40-50度；以减小灯丝热辐射对弹簧9寿命的影响。弹簧挂板10上有一些等间距的小空，与钼棒上与沟槽5位置相对应，用来固定弹簧9。弹簧(9)与沟槽(5)的距离为3-4厘米，弹簧(9)与直热灯丝(1)的所成角度为120-150度；固定器(3)上沟槽(5)的深度比灯丝直径大1.5-2倍，呈V形，角度为60-80度。
本实用新型的优点在于：
1.由于本实用新型采用直形灯丝，并且等间距、平行排列，因此，灯丝平整，热场均匀，灯丝电接触良好。
2.本实用新型不采用灯丝固定器水冷，而是采用直接水冷灯丝支架的腿达到整个冷却的效果，对加热器使用安全，结构简单，可长时间工作，可靠性好，有利于大面积薄膜的生长。
3.该加热器的灯丝一端固定，使用方便，寿命长；灯丝固定器上的沟槽结构使灯丝排列均匀，保证了均匀的温度场和良好的电接触；非水冷的钨棒灯丝固定器保障了高温沉积过程中的可靠性；远离高温灯丝的缓冲弹簧和其与直热灯丝所成角度，能最大发挥弹簧的缓冲作用并延长其使用寿命。
采用上述本实用新型的灯丝排布和灯丝架结构组成的加热器，在实际工作中均匀生长出直径100-150毫米的金刚石薄膜和炭化硅薄膜，并具有长时间稳定工作的特点(大于100小时)，在生长具有广泛应用领域的大面积厚膜方面表现出明显的优越性。
附图说明
图1是现有技术的有圆弧形缓冲的灯丝结构示意图
图2是本实用新型的灯丝排布和灯丝架结构组成的加热器的俯视图
图3是本实用新型图2的加热器使用状态主视图
图面说明：
1-灯丝 2-灯丝两端圆弧形突起 3-灯丝固定器 4-冷却水管
5-沟槽 6-固定灯丝用螺钉 7-钼棒固定螺母 8-铜支腿
9-弹簧 10-灯丝挂板 11-固定挂板用螺钉 12-基片
13-水冷基座 14-绝缘套 15-真空室底盘
具体实施方式
实施例1
图2、3中，12根金属钽直灯丝1平行排列，等间距地安装在灯丝架上。灯丝支架由四根铜制支腿8和分别横在两根支腿8之间的钼棒灯丝固定器3组成，支腿8是空心的其末端与冷却水管4连通，支腿内通冷却水。灯丝固定器3的横截面是圆形的，通过螺母7固定在支腿8上。每根灯丝的一端饶在固定器3上的小钼螺丝6上，并嵌入固定器上的沟槽5内。灯丝另一端嵌入固定器另一端的沟槽，与钼制弹簧9的一端相连接，弹簧的另一端与灯丝挂板10相连，灯丝挂板10用螺丝11固定在两根铜支腿上。为保证弹簧的使用寿命，灯丝挂板距离支腿顶端5厘米，挂板外侧向上仰角40度。钼制的灯丝固定器3使多根灯丝1并联，采用交流电源为灯丝供电，钼制的灯丝固定器3及铜制的支腿8起到导线的作用，四根铜支腿8通过绝缘套14与生长薄膜的反应室底盘15间是绝缘的。图中的13为衬底基座，工作时通水冷却，并可旋转，12为置于衬底基座13上的基片，其上生长薄膜材料。为了保证灯丝与固定器的接触良好和防止灯丝受热后变形或老化对缓冲灯丝受热变形的影响，固定器3上沟槽5的深度比灯丝直径大2倍，呈V形，角度为60度。弹簧距离沟槽的距离为4厘米，与热灯丝呈150度角。
采用实施例1所述的灯丝排布与灯丝架结构生长大面积的金刚石膜，沉积直径为100毫米，使用12根直径0.6毫米的钽灯丝，灯丝温度2000度，甲烷/氢气混合比例为2∶100体积比；衬底温度为700℃，反应压力为30mbar，生长时间为240小时，得到的金刚石膜平均厚度为0.4毫米，厚度的不均匀性小于5％。
实施例2
图2、3中，20根金属钨直灯丝1平行排列，等间距安装在灯丝架上。灯丝支架由四根铜制支腿8和分别横在两根支腿8之间的钼棒灯丝固定器3组成，支腿8是空心的，其间通冷却水。灯丝固定器3的横截面是圆形的，通过螺母7固定在支腿8上。每根灯丝的一端饶在固定器3上的小钼螺丝6上，并嵌入固定器上的沟槽5内。灯丝另一端嵌入固定器另一端的沟槽，与钼制弹簧9的一端相连接，弹簧的另一端与灯丝挂板10相连，灯丝挂板10用螺丝11固定在两根铜支腿上。为保证弹簧的使用寿命，灯丝挂板距离支腿顶端4厘米，挂板外侧向上仰角50度。钼制的灯丝固定器3使20根灯丝1并联，采用交流电源为灯丝供电，钼制的灯丝固定器3及铜制的支腿8起到导线的作用，四根铜支腿8通过绝缘套14与生长薄膜的反应室底盘15是绝缘的。图中的13为衬底基座，工作时通水冷却，并可旋转，12为置于衬底基座13上的基片，其上生长薄膜材料。为了保证灯丝与固定器的接触良好和防止灯丝受热后变形或老化对缓冲灯丝受热变形的影响，固定器3上沟槽5的深度比灯丝直径大1.5倍，呈V形，角度为80度。弹簧距离沟槽的距离为3厘米，与热灯丝呈120度角。
采用实施例2所述的灯丝排布与灯丝架结构生长大面积的炭化硅膜，沉积直径为150毫米，使用17根直径0.5毫米的钨灯丝灯丝，温度2000度，甲烷/硅烷/氢气的混合比例为10∶20∶100体积比；衬底温度为600℃，反应压力为20mbar，生长时间为150小时，得到的炭化硅膜平均厚度为120微米，厚度的不均匀性小于3％。
Claims (5)
1.一种热灯丝化学气相沉积装置中的加热器，包括：灯丝(1)、灯丝固定器(3)、螺丝(6)和支腿(8)；其特征在于：还包括：弹簧(9)和灯丝挂板(10)；2根灯丝固定器(3)分别横架在(2)根金属支腿(8)顶上用螺母(7)固定；灯丝固定器(3)的一侧壁上开螺孔和顶面上设有沟槽(5)；所述的灯丝(1)为直的，并且为N根平行排列，一端嵌在沟槽(5)内末端通过螺丝(6)与灯丝固定器(3)的侧壁上开螺孔安装固定住；直灯丝(1)另一端嵌入灯丝固定器(3)的另一端的沟槽(5)，其直灯丝(1)末端与钼制弹簧(9)的一端相连接，弹簧(9)的另一端与灯丝挂板(10)相连，灯丝挂板(10)用螺丝(11)固定在两根铜支腿(8)上；支腿(8)与生长薄膜的反应室底盘(15)设一绝缘套(14)。
2.按权利要求1所述的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器，其特征在于：所述的支腿(8)至少由(4)根金属柱制成，其中支腿(8)是空心的和横截面是圆形的，支腿(8)底端与冷却水管(4)连接。
3.按权利要求1所述的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器，其特征在于：所述的N根直灯丝(1)至少为2根，该直灯丝(1)使用金属钽或钨制作的，并且等间距地平行排列在灯丝固定器(3)上。
4.按权利要求1所述的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器，其特征在于：所述的灯丝固定器(3)用金属钼或钨制作的，其一侧壁上所开螺孔和顶面上设有的沟槽(5)一一相对应，并且螺孔和螺孔之间或沟槽(5)和沟槽(5)之间等间距。
5.按权利要求1所述的热灯丝化学气相沉积装置中的加热器，其特征在于：所述的弹簧挂板(10)距铜支脚(8)的顶端的距离为4-5厘米，挂板外侧向上仰角40-50度；弹簧(9)与沟槽(5)的距离为3-4厘米，弹簧(9)与直热灯丝(1)的所成角度为120-150度；固定器(3)上沟槽(5)的深度比灯丝直径大1.5-2倍，呈V形，角度为60-80度。
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