CN2856063Y - 氧化物薄膜衬底加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氧化物薄膜衬底加热装置，包括带有发热面的发热体、衬底定位组件、防热辐射罩，其中，衬底定位组件设置在发热体的发热面的上方，发热体和衬底定位组件设置在防热辐射罩内，衬底定位组件上方的防热辐射罩上带有与衬底定位组件所限定的面积大小及形状相对应的开口，衬底定位组件和防热辐射罩都固定在底座上，底座上设置有沿发热面的轴线旋转的转动装置；本实用新型氧化物薄膜衬底加热装置，结构简单，成本低，不仅提高了加热装置的热效率，减少加热装置的挥发和氧化对薄膜的污染，还提高了双面膜两面品质的一致性，最大限度地减少了热辐射，降低了发热组件的电流，延长了发热组件的寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种加热装置，特别涉及一种氧化物薄膜衬底加热装置。
背景技术
近几年来，氧化物薄膜及其器件研究取得了突飞猛进的发展，如高温超导薄膜及其器件、巨磁阻薄膜及其器件和铁电薄膜及其器件，许多器件和子系统已走出实验室进入实际应用领域，已有数千台移动通信用高温超导微波滤波器接收机前端在商业通信网络中运转。我国研制的移动通信用高温超导微波滤波器接收机前端已经开始在CDMA移动通信网络基站上进行现场试验。
高温超导薄膜是制备高温超导微波器件的前提条件之一。由于移动通信用高温超导微波滤波器工作在微波频段的低端(0.8-3GHz)，器件尺寸较大，特别是在制备带边陡峭度很高的滤波器时，要用直径为2英寸以上的高质量双面高温超导薄膜。
衬底加热系统是制备氧化物薄膜的关键环节之一。在多种氧化物薄膜(如高温超导薄膜、巨磁阻薄膜和铁电薄膜)的制备过程中，衬底需要加热到750-800℃，在薄膜生长过程中，还需要有压强足够高的氧气。高温和氧气会使加热系统的部件氧化和释放杂质，这会严重影响薄膜质量和降低加热系统部件的寿命。因此，高氧压强和高温就给衬底加热系统的设计和材质的选择提出了难题。
为了避免氧化问题，K.H.Wu等人采用二氧化碳激光器给衬底加热(K.H.Wu，C.L.Lee，J.Y.Juang，T.M.Uen，Y.S.Gou，Appl.Phys.Lett.，vol.58，no.10，1991，p.1089)，而S.R.Foltyn等人则采用三个石英灯给衬底加热(S.R.Foltyn，R.E.Muenchausen，R.C.Dye，X.D.Wu，L.Luo，and D.W.Cooke，Appl.Phys.Lett.，vol.59，no.11，1991，p.1374)。前者要求激光器具有高的功率、激光束截面上能量分布要均匀，成本较高。后者要求在衬底上各点的光通量分布均匀，在做大面积薄膜时，给设计带来很大困难，即很难达到温度均匀度要求。中国专利：ZL95224595.7公开了一种单晶硅加热器，它具有高温下变形小等多种优点，但存在抗破坏性差、成本高等缺点，同时大面积的单晶硅加热器要做到温度均匀是非常不容易的。高温和高氧压强，容易导致挥发和氧化，而挥发和氧化与温度成正比。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种能降低薄膜衬底加热系统内部温度的氧化物薄膜衬底加热装置。
为实现上述目的，本实用新型一种氧化物薄膜衬底加热装置，包括带有发热面的发热体、衬底定位组件、防热辐射罩，其中，衬底定位组件设置在发热体的发热面的上方，发热体和衬底定位组件设置在防热辐射罩内，衬底定位组件上方的防热辐射罩上带有与衬底定位组件所限定的面积大小及形状相对应的开口，衬底定位组件和防热辐射罩都固定在底座上，底座上设置有沿发热面的轴线旋转的转动装置。
进一步，所述转动装置包括底座支撑架和与其相连的马达，所述发热面、衬底定位组件所限定的衬底的截面和所述开口的截面均为圆形并且轴线重合，开口的半径大于衬底定位组件所限定的衬底的半径。
进一步，还包括截面为圆形的防热辐射屏，防热辐射屏与发热面同轴且设置在所述防热辐射罩的开口的上方，防热辐射屏的截面的半径大于开口的半径，防热辐射屏上自圆心沿径向设置有通孔。
进一步，所述通孔的径向尺寸大于或等于所述开口的半径。
进一步，所述防热辐射罩和防热辐射屏为不锈钢材料制作。
进一步，所述衬底定位组件为高温合金钢或不锈钢材料制作。
与现有技术相比，本实用新型氧化物薄膜衬底加热装置，结构简单，成本低，不仅提高了加热装置的热效率，减少加热装置的挥发和氧化对薄膜的污染，还提高了双面膜两面品质的一致性，最大限度地减少了热辐射，降低了发热组件的电流，延长了发热组件的寿命。
附图说明
图1是本实用新型氧化物薄膜衬底加热装置的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
图1和2中，安装在真空室(图中未示出)内的氧化物薄膜衬底加热装置的发热体1由圆形的发热面、加热丝、炉体和温度控制器等组成(图中未示出)，温度控制器控制发热体1的温度，发热体1安装在加热器支撑杆8上。在发热体1的发热面的上方设置有高温合金钢制成的衬底定位组件3，衬底定位组件3用于固定待加热的圆形衬底11，衬底定位组件3固定在底座6上，不锈钢制成的防热辐射罩4将发热体1和衬底定位组件3全部包围在其内，在防热辐射罩4的上部设置有圆形开口12，防热辐射罩4用螺钉固定在底座6上，在防热辐射罩4的上方还设置有不锈钢制成的圆形防热辐射屏14，防热辐射屏14安装在防热辐射屏支架10上。
在防热辐射屏14上设置有沿圆心径向延伸的通孔15，发热面、衬底11、开口12和防热辐射屏14的轴线重合，发热面的直径大于衬底11的直径，开口12的直径大于衬底11的直径但小于发热面的直径，通孔15的径向长度略大于或等于开口12的半径。底座6安装在底座支撑架7上，底座支撑架7与真空室外的马达(图中未示出)相连，由马达带动底座支撑架7旋转，从而带动衬底定位组件3、防热辐射罩14和衬底11转动。
从图1和2中可知，防热辐射罩4将除衬底11之外的发热体1、衬底定位组件3遮盖起来，防热辐射屏14还将衬底11的一部分遮盖起来，最大限度地减少热辐射，从而降低了发热体1的电流，延长了发热体1的寿命；马达通过底座支撑架7带动底座6转动，底座6上安装的衬底定位组件3和衬底11绕同一中心轴旋转，进一步提高了衬底11温度的均匀性，从而使薄膜的厚度及成份在同一圆周上的一致性得到了保证。同时，通过在防热辐射屏14上设置通孔15，保证了被淀积物可有控制的到达衬底11上的预定部分。当发热体1与防热辐射罩4的直径均大于衬底11的直径时，可以达到降低发热体1内部温度及提高衬底11温度均匀度的目的。
在本装置中，由发热体1提供热源，使衬底定位组件3上的衬底11温度得到升高，装置中的防热辐射罩4和防热辐射屏14起到防热辐射的作用，使得加热系统的热效率显著提高。实验数据显示出，在加热器中引入防热辐射罩4后，在满足薄膜生长所需温度的前提下，发热体1中的加热丝的电流降低了约12％；如果再引入防热辐射屏14后，又使加热丝的电流降低了约10％。由于大幅度降低加热体1的加热电流，使加热体1设备本身的内部温度明显降低，对于降低发热体1的挥发和氧化起到了明显的效果。本氧化物薄膜衬底加热装置，适用于脉冲激光薄膜沉积法、磁控溅射薄膜沉积法、离子束薄膜沉积法、分子束薄膜沉积法和电子束薄膜沉积法制备氧化物薄膜。
下面用具体的实施例说明利用本氧化物薄膜衬底加热装置制备高温超导薄膜的方法：
实施例1制备直径2英寸的双面钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ)高温超导薄膜
发热体1的发热面的直径大于2英寸，选用直径为2英寸、厚度为0.5毫米的(100)取向的LaAlO3单晶片作为衬底11，单晶片的双面抛光成光学平面，将衬底11固定在氧化物薄膜衬底加热装置的衬底定位组件3上，衬底11的衬底定位组件3由高温合金钢制成，防热辐射罩4和防热辐射屏14由1Cr18Ni9Ti不锈钢制成。
然后用脉冲激光法制备钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ)高温超导薄膜。激光束为XeCl准分子激光，波长308nm，在钇钡铜氧烧结靶上的激光脉冲能量密度为1-5J/cm2，重复频率为6Hz，用红外测温仪测定衬底11表面的温度，使其保持在800℃左右，衬底11和衬底定位组件3绕本加热系统的中心轴转动。氧气压强在10-100Pa之间，淀积60分钟。所制备的双面钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ)高温超导薄膜，两面零电阻临界温度均高于90K，温度77K时的临界电流密度高于1MA/cm2，微波表面电阻Rs(77K，10GHz)，第一面为360微欧，第二面为450微欧，该薄膜属于高质量的双面外延薄膜。
实施例2制备直径3英寸的双面钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ)高温超导薄膜
选用直径为3英寸的(100)取向的LaAlO3单晶片作为衬底11，将衬底11放入氧化物薄膜衬底加热装置中，发热体1的发热面的直径大于3英寸，衬底定位组件3由不锈钢制成。制备薄膜的方法与实施例1相同，所制备的双面直径3英寸的钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ)高温超导薄膜，第一面零电阻临界温度为88.6K，第二面零电阻临界温度为88.3K，当温度为77K时的临界电流密度在1MA/cm2左右。
当制备直径不同的超导薄膜时，可以根据衬底11的直径大小，选取具有相应尺寸的发热面的氧化物薄膜衬底加热装置。
Claims (6)
1、一种氧化物薄膜衬底加热装置，其特征在于，包括带有发热面的发热体、衬底定位组件、防热辐射罩，其中，衬底定位组件设置在发热体的发热面的上方，发热体和衬底定位组件设置在防热辐射罩内，衬底定位组件上方的防热辐射罩上带有与衬底定位组件所限定的面积大小及形状相对应的开口，衬底定位组件和防热辐射罩都固定在底座上，底座上设置有沿发热面的轴线旋转的转动装置。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动装置包括底座支撑架和与其相连的马达，所述发热面、衬底定位组件所限定的衬底的截面和所述开口的截面均为圆形并且轴线重合，开口的半径大于衬底定位组件所限定的衬底的半径。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括截面为圆形的防热辐射屏，防热辐射屏与发热面同轴且设置在所述防热辐射罩的开口的上方，防热辐射屏的截面的半径大于开口的半径，防热辐射屏上自圆心沿径向设置有通孔。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述通孔的径向尺寸大于或等于所述开口的半径。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述防热辐射罩和防热辐射屏为不锈钢材料制作。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述衬底定位组件为高温合金钢或不锈钢材料制作。
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