专利名称：用于制备大面积均匀薄膜的非线性热丝结构的制作方法
技术领域：
本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种制备大面积均匀薄膜的热催化器中的热丝结构设计。
背景技术：
热催化化学气相沉积是一种常用的薄膜制备方法，在面向工业化生产中，薄膜的大面积均匀性是关键技术之一。采用热催化化学气相沉积技术制备薄膜，其大面积均匀性主要受进气系统和热催化器中热丝结构的影响。通常采用平行线性热丝结构，如图1所示，多根直线形状金属热丝2平行排列，其两端通过绝缘接头3固定在一热丝架1上。图中，以4根热丝为例，采用钨丝为辐射体，衬底为玻璃。均匀性定义为U＝(Emax-Emin)/Emax，U≤0.1对应的长度或面积，其中Emax和Emin分别为在衬底上热丝辐射能量的最大值与最小值。在垂直热丝长度方向(横向)的衬底热场分布的均匀性，可通过改变平行热丝的数量及合理排列间隔来增加；沿平行热丝长度方向(纵向)热场分布的均匀性，由于受热丝端点温度降低的影响，纵向热场均匀长度Ul只有热丝长度的约60％，通常采用增加热丝长度的方法来增加Ul，但过长的热丝在受热后容易由于热胀而弯曲，降低热场均匀性，同时减少了热场均匀面积S0与热丝结构面积S之比F＝Us/S，而且增加热丝长度需要增加反应腔体的尺寸，这是不利的。采用图1结构通过计算表明，由于有限热丝长度及端点温度降低的影响，线性热丝结构对应的热场均匀面积S0与热丝结构面积S之比F约45％。
发明内容
本发明的目的是为克服采用平行线性热丝结构制备的薄膜纵向均匀性难以增加及热丝易弯曲等缺点，设计出一种新型用于制备大面积均匀薄膜的非线性热丝结构，能够增加热场均匀面积S0与热丝结构面积S之比F。
本发明设计的一种用于制备大面积均匀薄膜的热丝结构，包括热丝架、多根热丝和热丝绝缘接头；该热丝绝缘接头固定在热丝架的两个相对的边框上，该热丝的两端头与热丝绝缘接头相连；其特征在于，各根热丝热丝采用不均匀弹簧状的热丝，在热丝的两端区域的圈数/cm大于热丝中间区域的圈数/cm(中间区域的圈数可为零)。
本发明的上述热丝结构可明显提高沿平行热丝长度方向(纵向)热场分布的均匀性。在垂直热丝长度方向(横向)的衬底热场分布的均匀性，可采取已有的通过改变平行热丝的数量及合理排列间隔来增加；还可在此基础上，还可采用靠近该热丝架的两个相对的边框的热丝的圈数/cm大于该热丝架中间区域的热丝的圈数/cm。
本发明热丝结构的热丝的根数、每根热丝的长度、每段区域的圈数/cm数及长度均可根据实现应用的要求设计。如中间区域圈数为零，则表明是直线。
本发明的工作原理本发明是在对热场理论计算的基础上提出的。对于一个理想的进气系统，可以通过Lambert定律(E＝I0π，E为单位时间内从辐射源单位面积上发射到半球空间的能量，I0为单位时间内辐射源单位面积发射到法向单位立体角内的辐射能)和Stefan-Boltzmann定律(E=ϵfBTf4,]]>εf为辐射体黑度，B为Stefan-Boltzmann常数，Tf为辐射体温度)来计算不同热丝结构情况下，热催化器辐射到衬底上的热量分布。
本发明通过用热场理论计算证明了非线性热丝结构可提高热场均匀性，并采用纵向不同的密度的弹簧状热丝实现非线性的热丝结构。
以四根热丝组成的热丝结构为例，其热丝之间的距离和等效电阻对应的具体位置的等效电路如图2所示。图2中，4为位于热丝架中间两根热丝的中部区域的等效电阻R1(温度T1)，5为四根热丝两端头区域的等效电阻R2(温度T2)，6为靠近热丝架的两个边框的两根热丝的中部区域的等效电阻R3(温度T3)。R1、R2和R3对应相应部分的热丝温度T1、T2和T3，适当提高端点与边缘部分的热丝温度，例取T1＝2073K、T2＝2423K和T3＝2273K。根据等效电路图来计算非线性热丝结构情况下的热场均匀性。计算中所采用的热丝架长度为16cm，热丝到衬底距离为df-s＝4cm。计算得到非线性热丝结构对应的热场均匀面积S0与热丝结构面积S之比F＝82％。即采用满足图2所示等效电路的非线性热丝结构，同等热丝结构面积对应的热场均匀面积增加了近一倍。
本发明根据图2的等效电阻的分析及计算，设计了如图3所示的非线性结构。其中不同的电阻值是通过热丝是直线或热丝的弹簧结构形成的。可分成热丝方向y的均匀性及垂直热丝方向x来讨论，其中热丝架y方向长度L在10～20cm，两端非线性电阻所占的长度为2.5cm。若使y方向的热场均匀性达到热丝长度的70％，热丝端电阻R2绕成弹簧的圈数m1与热丝架长度L满足以下的经验公式m1=2.5Dπ×10.76exp(-L/3.96)+1.61,]]>其中D为弹簧的直径，单位是cm.在x方向的均匀热场的长度Ux(单位是cm)与所需热丝的根数n满足以下的经验公式Ux＝3.5n-2.9(n为偶数)Ux＝3.9n-2.8(n为奇数)。
考虑到多热丝结构中(n＞3)边缘热丝的边缘效应，边缘热丝也设计成弹簧结构。边缘部分的热丝，图2中的R3绕成弹簧的圈数满足以下的关系m2=1.82πD(L-5),]]>本发明的特点及良好效果本发明利用等效电路的设计和理论计算，提出了非线性热丝结构，通过改变热丝环状密度的办法来实现所需均匀热场的面积，大大提高了F＝S0/S，避免了增加热丝长度提高热丝方向均匀性而引起的热丝弯曲，和热丝架尺寸过大的问题。
本发明可以有效提高热丝纵向热场均匀性，有助于沉积大面积均匀的薄膜；消除过长热丝在高温下热膨胀而下垂和增加反应腔体尺寸的缺点。
本发明实现方法简单独特、易于操作，安装方便、重复可靠的特点。在用于工业生产的大面积热催化化学气相沉积过程中有明确应用价值。
图1是通常所用线性热丝结构示意图。
图2是本发明的非线性热丝结构的等效电路。
图3是本发明设计的非线性热丝结构实施例示意图。
图4是实验得到的不同热丝结构条件下制备的薄膜厚度分布情况。
具体实施例方式
本发明设计的用于制备大面积均匀薄膜的热丝结构结合实施例及附图详细说明如下本实施例的热丝结构由四根热丝组成，如图3所示。包括热丝架1、4根热丝2和热丝绝缘接头3。热丝通过绝缘接头相互串联，热丝的横向均匀排列，热丝绕成弹簧状，在不同位置具有不同的密度(圈/cm)，以达到等效电路中纵向非线性情况对电阻和温度的要求。
本实施例的具体参数为在均匀进气的前提下，热丝架面积16×16cm2，采用线性与非线性的热丝结构来沉积微晶硅薄膜。热丝架长度为16cm，热丝之间相距4cm，如图2所示，热丝与衬底间距为6cm，热丝绕成的弹簧状的密度有三种即直、密及松，分别对应图2中的三种等效电阻R1、R2和R3。三种电阻分别对应中间、端点和边缘部分的热丝温度T1、T2和T3。薄膜厚度通过透射谱测得，考虑到纵向和横向综合效果，薄膜厚度沿着衬底对角线方向测量，其结果如图4所示。对线性热丝结构，F＝0.20。对非线性热丝结构，设定T1＝1800℃，T2＝2223K，T3＝2123K，实验得到F＝0.43，设定T1＝1800℃，T2＝2423K，T3＝2223K，F＝0.69，热丝方向的均匀性达到了热丝长度的71％。本实施例与计算结果基本相符。可见采用非线性热丝结构，明显提高了均匀薄膜面积与热丝面积之比F。
以上热丝的具体参数均为举例说明实现本发明的具体例子，并不能用以限定本权利要求所确认的保护范围。
权利要求
1.一种用于制备大面积均匀薄膜的热丝结构，包括热丝架、多根热丝和热丝绝缘接头；该热丝绝缘接头固定在热丝架的两个相对的边框上，该热丝的两端头与热丝绝缘接头相连；其特征在于，各根热丝热丝采用不均匀弹簧状的热丝，在热丝的两端区域的圈数/cm大于热丝中间区域的圈数/cm。
2.如权利要求1所述的热丝结构，其特征在于，所述的多根热丝中，靠近该热丝架的两个相对的边框的热丝的圈数/cm大于该热丝架中间区域的热丝的圈数/cm。
全文摘要
本发明涉及一种用于制备大面积均匀薄膜的热丝结构，属于材料制备技术领域。该结构包括热丝架、多根热丝和热丝绝缘接头；该热丝绝缘接头固定在热丝架的两个相对的边框上，该热丝的两端头与热丝绝缘接头相连；其特征在于，各根热丝热丝采用不均匀弹簧状的热丝，在热丝的两端区域的圈数/cm大于热丝中间区域的圈数/cm。本发明设计的热丝结构，通过提高端点热丝温度较好解决了限制大面积应用的热丝边界冷端效应，提高了热丝纵向的热场均匀性，避免了依靠增加热丝长度提高热丝方向均匀性而引起的热丝弯曲和腔体过大问题，明显增加了均匀热场面积与热丝结构面积之比F，有效实现大面积均匀的薄膜沉积，具有简单、实用方便的特点。
文档编号C23C16/46GK1603463SQ20041008685
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月4日 优先权日2004年11月4日
发明者朱美芳, 谷锦华, 刘丰珍 申请人:中国科学院研究生院