专利名称：一种cvd系统衬底的无电刷测温方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热丝化学气相沉积(热丝CVD)法金刚石膜沉积系统衬底温度场测试的方法及装置，尤其是一种能够在衬底连续摆动过程中动态测量大面积衬底温度场的径向和轴线多点衬底温度的方法及装置，具体地说是一种基于曲柄连杆机构的CVD系统衬底测温方法及装置。
背景技术：
目前，金刚石是自然界中已知的最坚硬的材料，同时具有极高的热导率和传声速度、极高的耐磨性和极低的摩擦系数，成为具有优异性能的新型刀具材料。但是，天然金刚石稀少而极其昂贵，化学气相沉积方法(CVD)是近20年发展起来的新型的制备金刚石的方法，目前CVD金刚石膜的研究正逐步走向产业化，高质量稳定生长金刚石膜成为人们的研究热点。
电热丝CVD成膜质量较好，设备简单，参数易于控制，制备成本低廉，适合大面积金刚石膜的产业化生产。大量研究表明，在电热丝CVD系统的工艺参数中，衬底温度的大小和均匀性是金刚石膜生长最为重要的参数之一，对金刚石薄膜的结构、晶形、膜的质量和生长速率影响很大。深入分析和研究热丝CVD系统的温度场分布对理解金刚石的沉积机理、改进热丝CVD装置和优化金刚石薄膜制备的工艺都具有重要的意义。
电热丝CVD法沉积大面积通常采用钼作为衬底，采用热电偶测量衬底温度。传统的衬底温度场的测试方法为热电偶布置在衬底中央，测量距离衬底表面1mm左右的位置，根据传热学理论可知，此处的温度与衬底表面温度相差不大，采用电热丝CVD方法制备金刚石膜时，一般将此温度作为表征衬底表面的温度。
但是在电热丝CVD系统中，电热丝排布具有方向性，由于到电热丝的距离不同，衬底表面垂直于热丝方向和平行于热丝方向的温度的各点温度存在着明显的差异，因此，在沉积金刚石膜过程中，为了提高衬底表面温度场的均匀性，通常衬底需在沉积过程中保持连续的旋转运动，在旋转条件下测量衬底表面径向多点温度场的分布，必须采用电刷等机构，采集一个温度点需要一个电刷，多路温度信号则需要多个电刷，且各电刷不能接触，增加了机构的复杂性，并且电刷磨损后容易接触不良，影响测温系统的可靠性。因此，目前测量衬底表面多点温度时大都只在衬底静止不动的情况下测量，误差很大，这是电热丝CVD法沉积金刚石膜过程中存在的显著问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的热丝化学气相沉积(热丝CVD)法金刚石膜沉积系统中衬底温度测量不便或无法动态测量的问题，发明一种能实时连续测量衬底表面温度分布的基于曲柄连杆机构的CVD系统衬底测温方法及装置。
本发明的技术方案是一种基于曲柄连杆机构的CVD系统衬底测温方法，其特征是沿衬底工作台径向和/或轴向布置若干热电侧并通过与热电偶相连的导线将热电偶所测得的电信号引出真空室外送至控制系统，同时使衬底工作台与摆动相连，使其在摆动机构的带动下作摆动以使衬底工作台上的温度场处于均匀状态，获得最佳的金刚石膜沉积效果。
上述的摆动机构可为曲柄连杆机构，尤其是一种作摆动运动的三连杆机构或四连杆机构。
所述的衬底的摆动角为90°～180°，其摆动速度为每分钟5～8次。
一种CVD系统衬底的无电刷测温装置装置，包括电热丝1、电极2、衬底3、热电偶4，电热丝1与电极2相连，电热丝1安装在衬底3的上方，电热丝1和衬底3均位于真空室中，其特征是所述的衬底3安装在衬底托台5上，衬底托台5连接有驱动轴6，驱动轴6位于真空室外的一端连接有摆动机构7，该摆动机构7连接有驱动电机8，在衬底3上埋设有若干热电偶4，热电偶4通过连接导线引出真空室外与电控系统相连。
上述的摆动机构7可为曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构为三连杆机构或四连杆机构，其与驱动轴6相连的连杆的摆角为90°～180°。
在驱动轴6上安装有与衬底托台5相通的调温水套9。
电热丝1之间的间距小于等于6mm，衬底3与电热丝1之间的距离小于等于10mm，电热丝1的排布范围为衬底直径的1.1倍，电热丝1的长度大于等于衬底3直径的1.5倍。
在衬底3上开设有安装热电偶4的沟槽，热电偶4安装在所述的沟槽中。
所述的曲柄连杆机构7中的三根连杆满足以下关系式 其中a表示与电机相连的曲柄的长度，c表示与驱动轴6相连的短连杆的长度，b表示连接曲柄和短连杆相连的长连杆，d表示驱动电机8的中心与驱动轴6的中心之间的距离，为驱动轴的设定摆角。
本发明具有以下优点1、衬底能够连续摆动、均匀接受电热丝辐射热量，有利于同时采用多根热电偶实时监测衬底表面各点温度的变化情况，以便控制系统及时对沉积区温度进行调整，经过实测表明衬底温度场的均匀性可与转动式衬底的温度场相媲美。
2、大大简化了整个CVD系统的结构，尤其是省去了电刷测温装置，使得设备的可靠性大大提高，减少维护工作量，延长设备的无故障工作周期。
3、有利于根据多根热电偶测得的温度场分布情况，优化热丝温度、热丝与衬底之间的间距、热丝间距等参数，使得衬底表面温度场更均匀，进一步提高大面积金刚石膜的厚度和晶粒大小的均匀性。
4、热电偶布置方便简单，与控制系统可采用导线直接相连，测量准确可靠且可实时监控。
5、以下是本发明具体的实施效果例
(1)采用电热丝CVD法，在H2-C2H5OH气氛中沉积直径为100mm的金刚石膜，采用本发明实时监测衬底温度场的变化情况，采用5根直径为1mm的K型热电偶测量衬底的径向温度分布，使得热电偶与钼衬底紧密接触。实验数据表明，衬底温度的最高值出现在衬底中心，衬底中心温度大约高于衬底边缘温度50℃，衬底半径方向在平行于热丝方向与垂至于衬底方向的温度梯度也不同，垂直于热丝方向与平行于热丝方向的温度梯度大约相差20℃。在沉积过程中发现，衬底中心的温度基本保持不变，而半径方向的热电偶存在波动。而本发明以前只能测一个中心点的温度，且如果是进行动态测量，结构将十分复杂，尤其是电刷结构在高温环境中的实现难度较大。
(2)由于可采用动态实时测温，因此可根据热丝温度场的均匀性对热丝CVD法沉积金刚石进行工艺参数的优化，显著改善金刚石膜的质量。优化的工艺参数如下热丝温度Tf＝2600℃，热丝根数n＝18，热丝间距Hl＝6mm，热丝长度l＝150mm，热丝与衬底的距离HS＝5mm，热丝覆盖衬底的时，衬底中心温度为850℃，衬底边缘温度为826℃，金刚石膜的中心与边缘的厚度和晶粒尺寸的差异得到显著减小。
图1是本发明的测温装置结构示意图。
图2是本发明的热电偶的布置结构示意图。
图3是本发明的曲柄连杆机构的原理图。
具体实施例方式
下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、2、3所示。
一种CVD系统衬底的无电刷测温方法，包括以下步骤首先，沿衬底工作台径向和/或轴向布置若干热电侧；其次，将热电偶测得的电信号用与之相连的导线引出真空室外送至电控系统进行处理；第三，将衬底工作台与一曲柄连杆机构相连，使其在曲柄连杆机构的带动下作90°～180°、每分钟5～8次的摆动以使衬底工作台上的温度场处于均匀状态，获得最佳的金刚石膜沉积效果。
与上述方法相配的具体的装置可为一种CVD系统衬底的无电刷测温装置包括电热丝1、电极2、衬底3(可采用钼材质地)、热电偶4，如图1所示，电热丝1与电极2相连，电热丝1安装在衬底3的上方，电热丝1和衬底3均位于真空室中，所述的衬底3安装在衬底托台5上，衬底托台5连接有驱动轴6，在驱动轴6上安装有与衬底托台5相通的调温水套9，驱动轴6位于真空室外的一端连接有摆动机构7(具体可为曲柄连杆机构，也可为其它类似的摆动机构，如凸轮摆动机构，还可为由摆动电机直接驱动的结构)，曲柄连杆机构连接有驱动电机8，驱动电机8应选用低速电机，也可采用普通电机加减速装置的结构形式，在衬底3沿径向或沿驱动轴6的轴向埋设有3-10个热电偶4(如图2所示)，具体实施时热电偶的数量还可根据衬底工作台的尺寸进行增减，每个热电偶4均通过连接导线引出真空室外与电控系统相连。电热丝1之间的间距小于等于6mm，衬底3与电热丝1之间的距离小于等于10mm，电热丝1的排布范围为衬底直径的1.1倍，电热丝1的长度大于等于衬底3直径的1.5倍。
热电偶4的安装方式可通过在大面积钼衬底表面半径方向钻直径为1mm的孔，孔距离衬底表面的距离为1mm，在孔中布置直径为1mm的K型热电偶，孔的位置和个数根据所需测定衬底表面温度点的位置和个数决定，一般为3-10个。由于衬底3是来回摆动，信号线不会缠绕在一起，可避免使用多电刷结构将温度信号引出。
此外，热电偶4还可通过在衬底3上开设沟槽的方法实现，热电偶4安装在所述的沟槽中即可。
曲柄连杆机构7可采用如图3所示的三连杆机构，其与驱动轴6相连的连杆的摆角为90°～180°，摆动速度为每分钟5～8次。
所述的曲柄连杆机构7中的三根连杆满足以下关系式
其中a表示与电机相连的曲柄的长度，c表示与驱动轴6相连的短连杆的长度，b表示连接曲柄和短连杆相连的长连杆，d表示驱动电机8的中心与驱动轴6的中心之间的距离，为驱动轴的设定摆角。
具体尺寸可参考下表。
本实施例未涉及的部分，如CVD沉积炉的结构，电控部分等均与现有技术相同。
使衬底工作台作摆动以使衬底表面受热均匀的方式来代替传统的回转式衬底工作台是本发明的关键，正是由于摆动结构的特点，使得测温热电偶的安装和温度的采集、传导变得十分简单方便，凡利用此方法的各类装置及结构均被认为是本发明的等效替换，本实施例仅给出了一个实施例，但不仅仅限于该结构。
权利要求
1.一种CVD系统衬底的无电刷测温方法，其特征是沿衬底工作台径向和/或轴向布置若干热电侧并通过与热电偶相连的导线将热电偶所测得的电信号引出真空室外送至控制系统，同时使衬底工作台与摆动相连，使其在摆动机构的带动下作摆动以使衬底工作台上的温度场处于均匀状态，获得最佳的金刚石膜沉积效果。
2.根据权利要求1所述的CVD系统衬底的无电刷测温方法，其特征是所述的摆动机构为曲柄连杆机构。
3.根据权利要求1所述的CVD系统衬底的无电刷测温方法，其特征是所述的衬底的摆动角为90°～180°，其摆动速度为每分钟5～8次。
4.一种实现权利要求1所述的测温方法的装置，包括电热丝(1)、电极(2)、衬底(3)、热电偶(4)，电热丝(1)与电极(2)相连，电热丝(1)安装在衬底(3)的上方，电热丝(1)和衬底(3)均位于真空室中，其特征是所述的衬底(3)安装在衬底托台(5)上，衬底托台(5)连接有驱动轴(6)，驱动轴(6)位于真空室外的一端连接有摆动机构(7)，该摆动机构(7)连接有驱动电机(8)；在衬底(3)上设有若干热电偶(4)，热电偶(4)通过连接导线引出真空室外与电控系统相连。
5.根据权利要求4所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是所述的摆动机构(7)为曲柄连杆机构。
6.根据权利要求4或5所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是所述的曲柄连杆机构为三连杆机构，其与驱动轴(6)相连的连杆的摆角为90°～180°。
7.根据权利要求4所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是在驱动轴(6)上安装有与衬底托台(5)相通的调温水套(9)。
8.根据权利要求4所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是电热丝(1)之间的间距小于等于6mm，衬底(3)与电热丝(1)之间的距离小于等于10mm，电热丝(1)的排布范围为衬底直径的1.1倍，电热丝(1)的长度大于等于衬底(3)直径的1.5倍。
9.根据权利要求4所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是在衬底(3)上开设有安装热电偶(4)的沟槽，热电偶(4)安装在所述的沟槽中。
10.根据权利要求2或5所述的CVD系统衬底的无电刷测温装置，其特征是所述的曲柄连杆机构中的三根连杆满足以下关系式 其中a表示与电机相连的曲柄的长度，c表示与驱动轴(6)相连的短连杆的长度，b表示连接曲柄和短连杆相连的长连杆，d表示驱动电机(8)的中心与驱动轴(6)的中心之间的距离，为驱动轴的设定摆角。
全文摘要
本发明针对现有的热丝化学气相沉积(热丝CVD)法金刚石膜沉积系统中衬底温度测量不便或无法动态测量的问题，发明一种能实时连续测量衬底表面温度分布的CVD系统衬底的无电刷测温方法及装置，其关键是将回转式衬底工作台改变为摆动式工作台，既保证衬底表面的温度均匀性，又使得热电偶测温变得十分方便，改变传统的热电偶加电刷的结构，可对衬底表面温度进行实时监控。
文档编号C23C16/52GK1888133SQ20061004086
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者徐锋, 左敦稳, 郭魂, 卢文壮, 曾荡, 黎向锋 申请人:南京航空航天大学