專利名稱：一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高真空薄膜生長過程中所使用的加熱裝置，尤其是使用射頻等離子體分子束外延技術生長氧化物薄膜所使用的單電阻絲平面輻射線陣加熱器。
背景技術：
在真空薄膜生長技術中(包括真空蒸鍍法，磁控濺射法，脈沖激光法，化學氣相沉積法等)，通常要對襯底進行加熱以使吸附至襯底表面的原子獲得足夠遷移能量以得到高質量薄膜。特別是對于使用RF-MBE(射頻等離子體分子束外延法)生長高熔點氧化物薄膜，必須使用足夠高的生長溫度以保證薄膜的原子層狀生長模式并在高溫下退火以進一步改善成薄質量。同時由于RF-MBE技術生長氧化物薄膜處于活性氧原子環境下，加熱器在高溫狀態下更易被氧化，從而大大影響使用壽命和加熱效率。因此，在設計用于真空生長技術制備氧化物薄膜的加熱器時，必須考慮以下因素1.能滿足薄膜生長所需的高溫條件；2.加熱器溫度均勻性好，控溫精度高；3.在氧環境下使用壽命長，穩定性好；4.所用材料在高溫時蒸發量少，對薄膜生長污染小。
另外，加熱器在性能上滿足上述要求之外，還必須綜合考慮使用成本和維護的簡易性。
目前用于薄膜生長的加熱方式種類較多，如鹵素燈加熱，激光加熱以及電阻式加熱等，這些方法各具特點，但使用最多的還是電阻式加熱器。電阻式加熱器具有加熱面積大，熱均勻性好，加熱溫度范圍寬等優點。按加熱方式可分為電阻體加熱，如專利98101216.7(制備薄膜裝置中用的金屬平板加熱器)、95224595.7(用于制備雙面薄膜的單晶硅輻射式加熱器)、98101016.7(石墨體加熱器)以及電阻絲加熱，如專利03263585.0(熱燈絲化學氣相沉積裝置中的加熱器)和200510088871.4(新型平面輻射加熱器)，這些加熱器類型雖能滿足獲得較高溫度以及溫場均勻性要求，但要專門用于高真空氧化物薄膜生長環境以及在使用維護成本方面，仍有較大局限性。如專利98101216.7所述金屬平板加熱器，由于金屬電阻很小，其加熱裝置必須使用特殊大電流變壓器(15V，500A)才能獲得很高加熱溫度。而專利95224595.7所述單晶硅平板加熱器在氧環境下使用時表面很容易氧化為絕緣的氧化硅層，導致電極接觸絕緣無法使用，必須在真空環境下首先制備優良接觸電極同時還應保證電極材料不會在高溫條件下對高真空生長環境造成污染。專利03263585.0及200510088871.4所述電阻絲型加熱器采用多電阻絲以及復雜支撐架結構，在加工以及維護方面都具有相當大的難度。
目前商用分子束外延系統加熱器所使用的石墨體加熱器，通過將圓形石墨片加工成如圖1所示結構以獲得更大電阻與溫度均勻性。但在活性氧環境中，石墨很容易氧化成為二氧化碳，實驗表明在活性氧環境下加熱器高溫工作較長時間后真空腔內剩余二氧化碳氣壓可達10-8mbar，對超高真空環境是極大的污染，且使用時間超過一年后，石墨片減薄程度嚴重以致無法使用。商用解決方案是在石墨加熱器外涂高純氮化硼(PBN)保護層，但價格昂貴且由于電接觸部分不能使用絕緣氮化硼層保護，碳的污染仍無法完全解決。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，該加熱器具有安裝方便、結構簡單、加熱溫度高、溫度均勻性好、控溫精度好、低污染、耐氧化、耐酸堿等優點，特別適合用作真空氧化物薄膜生長的加熱器。
為達到上述目的，本發明提出的一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器包括加熱絲支撐盤、加熱絲和金屬箔電極，加熱絲支撐盤上分布有繞線孔陣列，在支撐盤兩端邊緣對稱分布有兩個接線柱插孔，所述繞線孔陣列以兩個接線柱插孔中心連線中垂線為準，繞線孔在平行于中垂線方向為平行排布的孔列，且以中垂線為準左右對稱；孔列與孔列之間間距以最靠近中垂線孔列開始，分別為d，2d，d，2d，……最靠近中垂線的兩孔列間距為2d，總列數與d值與加熱絲支撐盤大小相適配；所述加熱絲等間距縱橫相間地穿過加熱絲支撐盤上繞線孔陣列形成加熱絲單元陣列，該加熱絲端線通過金屬箔電極安裝所述接線柱插孔上。
進一步地，所述加熱絲支撐盤是由高純透明石英制得的圓盤。
進一步地，所述加熱絲由鉭絲、鈮絲或鉬絲構成。
進一步地，所述金屬箔電極由鉭片、鈮片或鉬片制成。
進一步地，所述孔列間距在接近盤邊緣部分小于d。
本發明的有益效果是1.本發明采用單電阻加熱絲與單個加熱絲支撐盤結構提供了一種真空用加熱絲型平面加熱器中所用部件最少、相對使用及維護成本最低的設計；
2.本發明采用高純的石英作為加熱絲支撐盤，利用了石英對紅外熱輻射的良好透過率，使繞在背面的加熱絲幾乎以同樣的效率起到加熱襯底的作用，從而大大提高了加熱均勻性以及能量利用率；3.本發明加熱絲幾何繞線方式保證了加熱絲分別在支撐盤兩面形成相同的線形平行小加熱單元，這些相同的小加熱單元構成平面加熱陣列，且兩面的線形加熱陣列方向相互垂直，使得支撐盤兩面溫場縱橫方向分布更加均勻；4.本發明加熱絲在支撐盤邊緣分布較中心分布密，大大降低了溫場沿加熱器徑向分布的不均勻性；5.本發明在一定大小加熱絲支撐盤上能獲得相當長繞線長度，進而顯著提高總工作電阻值，相對于前述種種電阻型加熱器，尤其是電阻體加熱器，在獲得相同功率情況下能顯著降低工作電流，大大降低對電源設備的技術要求，利用PID控制單元可以更加容易地精確控制襯底溫度；6.本發明加熱絲支撐盤材料為高純石英，加熱絲采用高純鉭，鈮，鉬金屬，這些材料熔點很高，化學穩定性好，在高溫使用時蒸汽壓很小，對真空環境污染極小；7.本發明可根據實際需要靈活確定加熱器的尺寸，特別適用于制作直徑大于1英寸的加熱器；采用上述加熱絲繞線方式以及加熱絲支撐盤結構的加熱器，在實際工作中應用于直流與交流工作模式并在氧環境下能長時間在＞800℃溫度下穩定工作，控溫精度高，經四極質譜儀測試發現真空腔內碳含量大幅下降，說明能有效解決石墨加熱器所帶來碳污染問題。維護時只需使用酸腐蝕即可去除加熱器上所粘氧化物質而不損壞加熱器本身。
圖1是目前商用石墨加熱器結構示意圖；圖2a是本發明平面線陣輻射加熱器結構示意圖，圖2b是本發明平面線陣輻射加熱器穿上加熱絲的結構示意圖。
其中，1石英加熱絲支撐盤，2接線柱插孔，3繞線孔，4鉭加熱絲單元陣列，5鉭金屬箔電極
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明，但不能理解為對本發明保護范圍的限制。
如圖2所示的本發明平面線陣輻射加熱器包括石英加熱絲支撐盤1、接線柱插孔2、繞線孔3、鉭加熱絲單元陣列4、鉭金屬箔電極5；其中支撐盤直徑73mm，厚3mm；而接線柱插孔2左右對稱分布于支撐盤1上，直徑4mm，兩個孔心距為62mm。繞線孔3的直徑為1mm，整個支撐盤1上共有146個，其排布規律是繞線孔3在平行于兩個接線柱插孔2中心連線中垂線方向形成平行排布的16列孔列，且以中垂線為準左右對稱，孔列間距以最靠近中垂線孔列開始，分別為3mm，6mm，3mm，6mm，……最靠近中垂線的兩孔列間距為6mm。，繞線孔3陣列在垂直于中垂線方向為平行排布的孔列，且以接線柱插孔2中心連線為準左右對稱，中間列位于接線柱插孔2中心連線上，以中間列開始，孔列間距均為3mm，接近盤邊緣部分孔列間距小于中間部分孔列間距。鉭加熱絲直徑為0.5mm，先平行穿過加熱絲支撐盤1中心兩個繞線孔，再等間距縱橫相間地穿過加熱絲支撐盤1上繞線孔陣列形成加熱絲單元陣列4，每一單元長度為6mm，在靠近支撐盤1邊緣處縱向加熱單元長度為4mm或5mm，邊緣處較密的加熱單元排布能保證加熱器中心溫度與邊緣溫度具有較小的溫差。鉭加熱絲兩端與鉭金屬箔電極5焊接，同種金屬形成良好電接觸，大大降低接觸電阻。將此加熱器裝于真空腔內，使用鉬接線柱與直流穩壓電源連接，＜10-8mbar真空條件下用鎢錸熱偶與紅外測溫儀進行測試，結果表明加熱溫度可達800℃，在800℃條件下直徑73mm加熱器平面上中心點與邊緣溫差＜5℃。
將加熱器裝于真空腔內，使用鉬接線柱與交流電源連接，在＜10-8mbar真空條件下使用Eurotherm 818PID控制器進行控溫試驗，結果如下表所示
控溫指標完全達到目前商用石墨加熱器標準。在800℃時經質譜儀測試，腔內剩余二氧化碳氣壓＜10-9mbar，碳污染程度已大大降低。
本發明的加熱絲也可以鈮絲或鉬絲，金屬箔電極也可以由鈮片或鉬片制成。
權利要求
1.一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，其特征在于，包括加熱絲支撐盤、加熱絲和金屬箔電極，加熱絲支撐盤上分布有繞線孔陣列，在支撐盤兩端邊緣對稱分布有兩個接線柱插孔，所述繞線孔陣列以兩個接線柱插孔中心連線中垂線為準，繞線孔在平行于中垂線方向為平行排布的孔列，且以中垂線為準左右對稱；孔列與孔列之間間距以最靠近中垂線孔列開始，分別為d，2d，d，2d，……最靠近中垂線的兩孔列間距為2d，總列數與d值與加熱絲支撐盤大小相適配；所述加熱絲等間距縱橫相間地穿過加熱絲支撐盤上繞線孔陣列形成加熱絲單元陣列，該加熱絲端線通過金屬箔電極安裝所述接線柱插孔上。
2.根據權利要求1所述的一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，其特征在于，所述加熱絲支撐盤是由高純透明石英制得的圓盤。
3.根據權利要求1所述的一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，其特征在于，所述加熱絲由鉭絲、鈮絲或鉬絲構成。
4.根據權利要求1所述的一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，其特征在于，所述金屬箔電極由鉭片、鈮片或鉬片制成。
5.根據權利要求1至4任一所述的一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，其特征在于，所述孔列間距在接近盤邊緣部分小于d。
全文摘要
本發明公開了一種耐活性氧腐蝕的新型平面線陣輻射加熱器，它包括加熱絲支撐盤、加熱絲和金屬箔電極，加熱絲支撐盤上分布有具一定幾何排布規律繞線孔陣列，加熱絲按照一定繞線規則穿過繞線孔陣列繞至支撐盤上，在支撐盤兩端邊緣對稱分布有兩個接線柱插孔，加熱絲端線在此與金屬箔電極相連形成良好電接觸。本發明能提供高于800℃加熱溫度，且溫場均勻。與傳統加熱絲型加熱器相比，由于采用合理幾何設計，具有最少的部件，使用及維護成本很低；與商用石墨體加熱器相比，使用壽命長，且無碳污染，因此非常適宜氧化物薄膜的生長。
文檔編號C23C14/50GK1822725SQ200610007269
公開日2006年8月23日 申請日期2006年2月16日 優先權日2006年2月16日
發明者李含冬, 杜小龍, 袁洪濤, 曾兆權, 張天沖, 董靖, 王喜娜, 梅增霞, 薛其坤, 賈金鋒 申請人:中國科學院物理研究所