專利名稱：納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，特別是在三維空間上納米級的控制精度，適用于在極高溫(2000°C)背景下寬溫度范圍(-196 3000C )內的納米級高精度控制。
背景技術：
熱絲化學氣相沉積設備是當前工業化中廣泛應用于生長薄膜涂層與厚膜材料的設備，設備結構簡單、工藝較為成熟、制造技術要求不高、方便簡單操作、沉積面積大；但是在熱絲沉積設備中溫度場、等離子場、以及相應的沉積場，均是以鎢、鉭熱絲為軸心呈圓柱殼層分布，且沿圓柱的徑向分布梯度相當大。在熱絲設備運行過程中存在兩種狀況不利于薄膜良好生長，第一種不利因素是熱絲在極高溫度狀態時(2000°C )會發生明顯的熱蠕變現象，即高溫緩慢變長；第二種不良狀況是熱絲在使用過程中自身發生老化現象，即等離子體激發能力下降，其沉積場處于不斷的變化中。這兩種在熱絲化學氣相生長薄膜過程中不可避免的不利因素，可以通過不斷及時細微精密調整熱絲的位置來彌補，進而導致始終讓熱絲產生最佳的沉積場，從而生長厚度均勻的優質薄膜。如金剛石生長沉積的最優沉積區域為距離熱絲2-5毫米，位置精度要求小于O.1毫米。
熱絲設備沉積臺溫度的控制也是其使用關鍵因素，溫度提供激發能量將化學氣體裂解成碳、氫原子與其他活性基團，同時也控制著晶粒大小與生長速度。有些涂層沉積薄膜生長需要維持比較高的溫度，有些涂層薄膜沉積生長則需要比較低的溫度。如金剛石在硬質合金表面的沉積，若能維持室溫下生產，二者之間的熱膨脹應力將為零，其附著力無疑是最好的。發明內容
發明目的為克服熱絲熱蠕變和老化的缺點，本發明提供了一種基于沉積臺控制的納米級高精度控制熱絲化學氣相沉·積生長薄膜材料裝置設備。本設備可以實時監測調整沉積面，監測控制沉積形貌、沉積速度、沉積溫度等數據，并可以通過實時調整熱絲位置以控制沉積面的條件，如溫度與納米級的位置精度等。
技術方案一種納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，主要包括沉積腔體外置安裝相連的真空系統、氣路系統和電源控制系統，還包括沉積腔體內置控制設備，該內置控制設備包括沉積臺旋轉桿，安裝在所述沉積臺旋轉桿上方的沉積臺系統， 安裝在所述沉積臺旋轉桿兩邊的冷卻系統，所述沉積臺旋轉桿與橢圓偏振儀相連，所述沉積臺系統上方設有熱絲等離子體源系統，所述冷卻系統下方設有伺服電機位置控制系統。
作為優化，所述伺服電機位置控制系統包括納米級高精度伺服系統精密控制儀。
作為優化，所述沉積臺系統包括納米級高精度沉積臺位置控制系統、納米級薄膜形態形貌在線監控系統和-190 300°C寬范圍的沉積臺溫度控制系統。該沉積臺系統具有高精度沉積臺位置控制技術，可以維持沉積面始終處于既定的最優薄膜沉積生長狀態，可以在線監控薄膜沉積的速度與表面形態形貌，-190 300°C寬范圍的沉積臺溫度控制技術，使得該沉積臺系統的溫度控制技術可以滿足多種特殊要求薄膜的沉積條件。納米級高精度沉積臺位置控制系統和納米級薄膜形態形貌在線監控系統形成比循環控制，可以實現薄膜沉積生長的納米級微觀控制技術。
本發明在傳統熱絲化學氣相沉積裝置設備上的沉積腔體內整合安裝橢圓偏振光譜儀，作為一種非接觸性的測試手段實時高精度測試沉積生長的速度、薄膜沉積厚度與形貌；橢圓偏振光譜儀采用鹵素燈和藍光LED雙光源覆蓋測量范圍，以液晶盒作為偏振光調制器，無機械轉動部件而無磨損，測量精度達2納米以上，光譜采集可快達2秒，并且穩定性好，維護非常簡單。橢圓偏振光譜儀采用緊湊型設計，十分小巧方便，易于整合設計到熱絲化學氣相沉積儀中，可以測量單膜結構與多膜膜系，精確控制薄膜沉積生長形態。
同時又在熱絲化學氣相沉積儀的沉積腔體內組合安裝納米級高精度激光測距儀， 在沉積臺上安裝控制精度為納米級的伺服電機，達到實時精密測定沉積面的位置。并安裝高分辨率微區溫度傳感器，高精度測量沉積面溫度。最后還重新設計沉積臺結構，將沉積臺結構制作為中空的加熱模塊，并可控制冷卻媒介流速控制冷卻溫度-196 0°C時，使用液氨為冷卻媒介；0 100°C時，使用水為冷卻媒介；100 300°C時，其直接使用加熱并恒溫控制。該模塊結構的沉積平臺可以滿足不同的沉積溫度要求，如超低溫沉積臺，可以更接近熱絲位置，從而擁有高等離子體密度，高速沉積。100 300°C的沉積平臺則可以用于某些要求長程擴散生長，低晶體缺陷的薄膜沉積生長。
有益效果本發明納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備可以在線納米級高精度控制位置與薄膜沉積生長速度與形態。通過位置和溫度的精密控制，讓熱絲化學氣相薄膜沉積生長始終處于最優狀態，如最快的沉積速度與最小的缺陷等。


圖1為本發明沉積腔體內置控制設備結構示意圖2為橢圓偏振儀原理示意圖；
圖3為高精度伺服電機位置控制原理示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，主要包括沉積腔體外置安裝相連的真空系統、氣路系統和電源控制系統，還包括沉積腔體內置控制設備，該內置控制設備包括沉積臺旋轉桿1，安裝在所述沉積臺旋轉桿I上方的沉積臺系統2，安裝在所述沉積臺旋轉桿I兩邊的冷卻系統3，所述沉積臺旋轉桿I與橢圓偏振儀4 相連，所述沉積臺系統2上方設有熱絲等離子體源系統5，所述冷卻系統3下方設有伺服電機位置控制系統6，所述伺服電機位置控制系統6包括納米級高精度伺服系統精密控制儀， 所述沉積臺系統2包括納米級高精度沉積臺位置控制系統、納米級薄膜形態形貌在線監控系統和-190 300°C寬范圍的沉積臺溫度控制系統。
如圖2所示的橢圓偏振儀可以在線實時測量薄膜的生長速度，厚度與形態形貌等信息參數。4個液晶調制器可以產生16種不同的排列組合方式對光進行調制，即每次均測量了樣品的16個偏振量信息。
如圖3所示，高精度伺服電機可以通過閉路激光位置控制系統，納米級高精度控制行進的位置與速度。光電脈沖發生器是一種增量式光電編碼器，由光源、光電轉盤、光敏元件與 光電放大整形電路組成。A相與B相兩個不同脈沖頻率與事件管理器相連，判斷直流伺服電機的轉向，還可以對位置與速度進行納米級精密測量。
權利要求
1.一種納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，主要包括沉積腔體外置安裝相連的真空系統、氣路系統和電源控制系統，還包括沉積腔體內置控制設備，其特征在于該內置控制設備包括沉積臺旋轉桿(I)，安裝在所述沉積臺旋轉桿(I)上方的沉積臺系統(2)，安裝在所述沉積臺旋轉桿(I)兩邊的冷卻系統(3)，所述沉積臺旋轉桿(I)與橢圓偏振儀(4)相連，所述沉積臺系統(2)上方設有熱絲等離子體源系統(5)，所述冷卻系統(3)下方設有伺服電機位置控制系統(6)。
2.根據權利要求1所述納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，其特征在于所述伺服電機位置控制系統(6)包括納米級高精度伺服系統精密控制儀。
3.根據權利要求1所述納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備，其特征在于所述沉積臺系統(2)包括納米級高精度沉積臺位置控制系統、納米級薄膜形態形貌在線監控系統和-190 300°C寬范圍的沉積臺溫度控制系統。
全文摘要
本發明公開了一種基于納米級高精度在線控制的熱絲化學氣相薄膜沉積生長設備裝置，該設備除了傳統的沉積腔體外置安裝相連的真空系統、氣路系統、電源控制系統外，新設計在沉積腔體內組合安裝納米級高精度伺服系統精密控制距離、納米級高精度薄膜沉積生長厚度與速度，薄膜形態形貌監控系統及寬范圍的沉積臺溫度控制系統。本發明納米級高精度控制熱絲化學氣相沉積生長薄膜材料設備可以在線納米級高精度控制位置與薄膜沉積生長速度與形態。通過位置和溫度的精密控制，讓熱絲化學氣相薄膜沉積生長始終處于最優狀態，如最快的沉積速度與最小的缺陷等。
文檔編號C23C16/44GK102994978SQ20111027207
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者馬科鋒, 陳華, 孫愛武 申請人:南通晶科超膜材料有限公司