專利名稱：一種cvd系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱絲化學(xué)氣相沉積(熱絲CVD)法金剛石膜沉積系統(tǒng)襯底溫度場測試的方法及裝置，尤其是一種能夠在襯底連續(xù)擺動過程中動態(tài)測量大面積襯底溫度場的徑向和軸線多點襯底溫度的方法及裝置，具體地說是一種基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的CVD系統(tǒng)襯底測溫方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，金剛石是自然界中已知的最堅硬的材料，同時具有極高的熱導(dǎo)率和傳聲速度、極高的耐磨性和極低的摩擦系數(shù)，成為具有優(yōu)異性能的新型刀具材料。但是，天然金剛石稀少而極其昂貴，化學(xué)氣相沉積方法(CVD)是近20年發(fā)展起來的新型的制備金剛石的方法，目前CVD金剛石膜的研究正逐步走向產(chǎn)業(yè)化，高質(zhì)量穩(wěn)定生長金剛石膜成為人們的研究熱點。
電熱絲CVD成膜質(zhì)量較好，設(shè)備簡單，參數(shù)易于控制，制備成本低廉，適合大面積金剛石膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。大量研究表明，在電熱絲CVD系統(tǒng)的工藝參數(shù)中，襯底溫度的大小和均勻性是金剛石膜生長最為重要的參數(shù)之一，對金剛石薄膜的結(jié)構(gòu)、晶形、膜的質(zhì)量和生長速率影響很大。深入分析和研究熱絲CVD系統(tǒng)的溫度場分布對理解金剛石的沉積機(jī)理、改進(jìn)熱絲CVD裝置和優(yōu)化金剛石薄膜制備的工藝都具有重要的意義。
電熱絲CVD法沉積大面積通常采用鉬作為襯底，采用熱電偶測量襯底溫度。傳統(tǒng)的襯底溫度場的測試方法為熱電偶布置在襯底中央，測量距離襯底表面1mm左右的位置，根據(jù)傳熱學(xué)理論可知，此處的溫度與襯底表面溫度相差不大，采用電熱絲CVD方法制備金剛石膜時，一般將此溫度作為表征襯底表面的溫度。
但是在電熱絲CVD系統(tǒng)中，電熱絲排布具有方向性，由于到電熱絲的距離不同，襯底表面垂直于熱絲方向和平行于熱絲方向的溫度的各點溫度存在著明顯的差異，因此，在沉積金剛石膜過程中，為了提高襯底表面溫度場的均勻性，通常襯底需在沉積過程中保持連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在旋轉(zhuǎn)條件下測量襯底表面徑向多點溫度場的分布，必須采用電刷等機(jī)構(gòu)，采集一個溫度點需要一個電刷，多路溫度信號則需要多個電刷，且各電刷不能接觸，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，并且電刷磨損后容易接觸不良，影響測溫系統(tǒng)的可靠性。因此，目前測量襯底表面多點溫度時大都只在襯底靜止不動的情況下測量，誤差很大，這是電熱絲CVD法沉積金剛石膜過程中存在的顯著問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的熱絲化學(xué)氣相沉積(熱絲CVD)法金剛石膜沉積系統(tǒng)中襯底溫度測量不便或無法動態(tài)測量的問題，發(fā)明一種能實時連續(xù)測量襯底表面溫度分布的基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的CVD系統(tǒng)襯底測溫方法及裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的CVD系統(tǒng)襯底測溫方法，其特征是沿襯底工作臺徑向和/或軸向布置若干熱電側(cè)并通過與熱電偶相連的導(dǎo)線將熱電偶所測得的電信號引出真空室外送至控制系統(tǒng)，同時使襯底工作臺與擺動相連，使其在擺動機(jī)構(gòu)的帶動下作擺動以使襯底工作臺上的溫度場處于均勻狀態(tài)，獲得最佳的金剛石膜沉積效果。
上述的擺動機(jī)構(gòu)可為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，尤其是一種作擺動運(yùn)動的三連桿機(jī)構(gòu)或四連桿機(jī)構(gòu)。
所述的襯底的擺動角為90°～180°，其擺動速度為每分鐘5～8次。
一種CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置裝置，包括電熱絲1、電極2、襯底3、熱電偶4，電熱絲1與電極2相連，電熱絲1安裝在襯底3的上方，電熱絲1和襯底3均位于真空室中，其特征是所述的襯底3安裝在襯底托臺5上，襯底托臺5連接有驅(qū)動軸6，驅(qū)動軸6位于真空室外的一端連接有擺動機(jī)構(gòu)7，該擺動機(jī)構(gòu)7連接有驅(qū)動電機(jī)8，在襯底3上埋設(shè)有若干熱電偶4，熱電偶4通過連接導(dǎo)線引出真空室外與電控系統(tǒng)相連。
上述的擺動機(jī)構(gòu)7可為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，該曲柄連桿機(jī)構(gòu)為三連桿機(jī)構(gòu)或四連桿機(jī)構(gòu)，其與驅(qū)動軸6相連的連桿的擺角為90°～180°。
在驅(qū)動軸6上安裝有與襯底托臺5相通的調(diào)溫水套9。
電熱絲1之間的間距小于等于6mm，襯底3與電熱絲1之間的距離小于等于10mm，電熱絲1的排布范圍為襯底直徑的1.1倍，電熱絲1的長度大于等于襯底3直徑的1.5倍。
在襯底3上開設(shè)有安裝熱電偶4的溝槽，熱電偶4安裝在所述的溝槽中。
所述的曲柄連桿機(jī)構(gòu)7中的三根連桿滿足以下關(guān)系式 其中a表示與電機(jī)相連的曲柄的長度，c表示與驅(qū)動軸6相連的短連桿的長度，b表示連接曲柄和短連桿相連的長連桿，d表示驅(qū)動電機(jī)8的中心與驅(qū)動軸6的中心之間的距離，為驅(qū)動軸的設(shè)定擺角。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、襯底能夠連續(xù)擺動、均勻接受電熱絲輻射熱量，有利于同時采用多根熱電偶實時監(jiān)測襯底表面各點溫度的變化情況，以便控制系統(tǒng)及時對沉積區(qū)溫度進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過實測表明襯底溫度場的均勻性可與轉(zhuǎn)動式襯底的溫度場相媲美。
2、大大簡化了整個CVD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尤其是省去了電刷測溫裝置，使得設(shè)備的可靠性大大提高，減少維護(hù)工作量，延長設(shè)備的無故障工作周期。
3、有利于根據(jù)多根熱電偶測得的溫度場分布情況，優(yōu)化熱絲溫度、熱絲與襯底之間的間距、熱絲間距等參數(shù)，使得襯底表面溫度場更均勻，進(jìn)一步提高大面積金剛石膜的厚度和晶粒大小的均勻性。
4、熱電偶布置方便簡單，與控制系統(tǒng)可采用導(dǎo)線直接相連，測量準(zhǔn)確可靠且可實時監(jiān)控。
5、以下是本發(fā)明具體的實施效果例
(1)采用電熱絲CVD法，在H2-C2H5OH氣氛中沉積直徑為100mm的金剛石膜，采用本發(fā)明實時監(jiān)測襯底溫度場的變化情況，采用5根直徑為1mm的K型熱電偶測量襯底的徑向溫度分布，使得熱電偶與鉬襯底緊密接觸。實驗數(shù)據(jù)表明，襯底溫度的最高值出現(xiàn)在襯底中心，襯底中心溫度大約高于襯底邊緣溫度50℃，襯底半徑方向在平行于熱絲方向與垂至于襯底方向的溫度梯度也不同，垂直于熱絲方向與平行于熱絲方向的溫度梯度大約相差20℃。在沉積過程中發(fā)現(xiàn)，襯底中心的溫度基本保持不變，而半徑方向的熱電偶存在波動。而本發(fā)明以前只能測一個中心點的溫度，且如果是進(jìn)行動態(tài)測量，結(jié)構(gòu)將十分復(fù)雜，尤其是電刷結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的實現(xiàn)難度較大。
(2)由于可采用動態(tài)實時測溫，因此可根據(jù)熱絲溫度場的均勻性對熱絲CVD法沉積金剛石進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，顯著改善金剛石膜的質(zhì)量。優(yōu)化的工藝參數(shù)如下熱絲溫度Tf＝2600℃，熱絲根數(shù)n＝18，熱絲間距Hl＝6mm，熱絲長度l＝150mm，熱絲與襯底的距離HS＝5mm，熱絲覆蓋襯底的時，襯底中心溫度為850℃，襯底邊緣溫度為826℃，金剛石膜的中心與邊緣的厚度和晶粒尺寸的差異得到顯著減小。


圖1是本發(fā)明的測溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的熱電偶的布置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)構(gòu)附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1、2、3所示。
一種CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法，包括以下步驟首先，沿襯底工作臺徑向和/或軸向布置若干熱電側(cè)；其次，將熱電偶測得的電信號用與之相連的導(dǎo)線引出真空室外送至電控系統(tǒng)進(jìn)行處理；第三，將襯底工作臺與一曲柄連桿機(jī)構(gòu)相連，使其在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的帶動下作90°～180°、每分鐘5～8次的擺動以使襯底工作臺上的溫度場處于均勻狀態(tài)，獲得最佳的金剛石膜沉積效果。
與上述方法相配的具體的裝置可為一種CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置包括電熱絲1、電極2、襯底3(可采用鉬材質(zhì)地)、熱電偶4，如圖1所示，電熱絲1與電極2相連，電熱絲1安裝在襯底3的上方，電熱絲1和襯底3均位于真空室中，所述的襯底3安裝在襯底托臺5上，襯底托臺5連接有驅(qū)動軸6，在驅(qū)動軸6上安裝有與襯底托臺5相通的調(diào)溫水套9，驅(qū)動軸6位于真空室外的一端連接有擺動機(jī)構(gòu)7(具體可為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，也可為其它類似的擺動機(jī)構(gòu)，如凸輪擺動機(jī)構(gòu)，還可為由擺動電機(jī)直接驅(qū)動的結(jié)構(gòu))，曲柄連桿機(jī)構(gòu)連接有驅(qū)動電機(jī)8，驅(qū)動電機(jī)8應(yīng)選用低速電機(jī)，也可采用普通電機(jī)加減速裝置的結(jié)構(gòu)形式，在襯底3沿徑向或沿驅(qū)動軸6的軸向埋設(shè)有3-10個熱電偶4(如圖2所示)，具體實施時熱電偶的數(shù)量還可根據(jù)襯底工作臺的尺寸進(jìn)行增減，每個熱電偶4均通過連接導(dǎo)線引出真空室外與電控系統(tǒng)相連。電熱絲1之間的間距小于等于6mm，襯底3與電熱絲1之間的距離小于等于10mm，電熱絲1的排布范圍為襯底直徑的1.1倍，電熱絲1的長度大于等于襯底3直徑的1.5倍。
熱電偶4的安裝方式可通過在大面積鉬襯底表面半徑方向鉆直徑為1mm的孔，孔距離襯底表面的距離為1mm，在孔中布置直徑為1mm的K型熱電偶，孔的位置和個數(shù)根據(jù)所需測定襯底表面溫度點的位置和個數(shù)決定，一般為3-10個。由于襯底3是來回擺動，信號線不會纏繞在一起，可避免使用多電刷結(jié)構(gòu)將溫度信號引出。
此外，熱電偶4還可通過在襯底3上開設(shè)溝槽的方法實現(xiàn)，熱電偶4安裝在所述的溝槽中即可。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)7可采用如圖3所示的三連桿機(jī)構(gòu)，其與驅(qū)動軸6相連的連桿的擺角為90°～180°，擺動速度為每分鐘5～8次。
所述的曲柄連桿機(jī)構(gòu)7中的三根連桿滿足以下關(guān)系式
其中a表示與電機(jī)相連的曲柄的長度，c表示與驅(qū)動軸6相連的短連桿的長度，b表示連接曲柄和短連桿相連的長連桿，d表示驅(qū)動電機(jī)8的中心與驅(qū)動軸6的中心之間的距離，為驅(qū)動軸的設(shè)定擺角。
具體尺寸可參考下表。

本實施例未涉及的部分，如CVD沉積爐的結(jié)構(gòu)，電控部分等均與現(xiàn)有技術(shù)相同。
使襯底工作臺作擺動以使襯底表面受熱均勻的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的回轉(zhuǎn)式襯底工作臺是本發(fā)明的關(guān)鍵，正是由于擺動結(jié)構(gòu)的特點，使得測溫?zé)犭娕嫉陌惭b和溫度的采集、傳導(dǎo)變得十分簡單方便，凡利用此方法的各類裝置及結(jié)構(gòu)均被認(rèn)為是本發(fā)明的等效替換，本實施例僅給出了一個實施例，但不僅僅限于該結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法，其特征是沿襯底工作臺徑向和/或軸向布置若干熱電側(cè)并通過與熱電偶相連的導(dǎo)線將熱電偶所測得的電信號引出真空室外送至控制系統(tǒng)，同時使襯底工作臺與擺動相連，使其在擺動機(jī)構(gòu)的帶動下作擺動以使襯底工作臺上的溫度場處于均勻狀態(tài)，獲得最佳的金剛石膜沉積效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法，其特征是所述的擺動機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法，其特征是所述的襯底的擺動角為90°～180°，其擺動速度為每分鐘5～8次。
4.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的測溫方法的裝置，包括電熱絲(1)、電極(2)、襯底(3)、熱電偶(4)，電熱絲(1)與電極(2)相連，電熱絲(1)安裝在襯底(3)的上方，電熱絲(1)和襯底(3)均位于真空室中，其特征是所述的襯底(3)安裝在襯底托臺(5)上，襯底托臺(5)連接有驅(qū)動軸(6)，驅(qū)動軸(6)位于真空室外的一端連接有擺動機(jī)構(gòu)(7)，該擺動機(jī)構(gòu)(7)連接有驅(qū)動電機(jī)(8)；在襯底(3)上設(shè)有若干熱電偶(4)，熱電偶(4)通過連接導(dǎo)線引出真空室外與電控系統(tǒng)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是所述的擺動機(jī)構(gòu)(7)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是所述的曲柄連桿機(jī)構(gòu)為三連桿機(jī)構(gòu)，其與驅(qū)動軸(6)相連的連桿的擺角為90°～180°。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是在驅(qū)動軸(6)上安裝有與襯底托臺(5)相通的調(diào)溫水套(9)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是電熱絲(1)之間的間距小于等于6mm，襯底(3)與電熱絲(1)之間的距離小于等于10mm，電熱絲(1)的排布范圍為襯底直徑的1.1倍，電熱絲(1)的長度大于等于襯底(3)直徑的1.5倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是在襯底(3)上開設(shè)有安裝熱電偶(4)的溝槽，熱電偶(4)安裝在所述的溝槽中。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫裝置，其特征是所述的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的三根連桿滿足以下關(guān)系式 其中a表示與電機(jī)相連的曲柄的長度，c表示與驅(qū)動軸(6)相連的短連桿的長度，b表示連接曲柄和短連桿相連的長連桿，d表示驅(qū)動電機(jī)(8)的中心與驅(qū)動軸(6)的中心之間的距離，為驅(qū)動軸的設(shè)定擺角。
全文摘要
本發(fā)明針對現(xiàn)有的熱絲化學(xué)氣相沉積(熱絲CVD)法金剛石膜沉積系統(tǒng)中襯底溫度測量不便或無法動態(tài)測量的問題，發(fā)明一種能實時連續(xù)測量襯底表面溫度分布的CVD系統(tǒng)襯底的無電刷測溫方法及裝置，其關(guān)鍵是將回轉(zhuǎn)式襯底工作臺改變?yōu)閿[動式工作臺，既保證襯底表面的溫度均勻性，又使得熱電偶測溫變得十分方便，改變傳統(tǒng)的熱電偶加電刷的結(jié)構(gòu)，可對襯底表面溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。
文檔編號C23C16/52GK1888133SQ20061004086
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者徐鋒, 左敦穩(wěn), 郭魂, 盧文壯, 曾蕩, 黎向鋒 申請人:南京航空航天大學(xué)