EACVD金刚石膜沉积设备衬底温度的测量

　　0　前言

　　化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)金刚石膜沉积利用在衬底附近通过加热的高温热丝来热解流入反应室的碳源气体和H2的混合气体,从而在衬底上沉积金刚石膜。热丝法是成功制备金刚石膜的最早方法之一,具有设备简单、成膜过程易控、易大面积沉积等优点。CVD金刚石膜因其优异的物理性能使其开发与应用越来越受到人们的青睐。国内外进行了一些很有成效的研究,但在技术上都严加保密。当前,研究金刚石膜的生长机理,改进CVD设备是个重要而且是必要的工作。因此,设计了一种能够对衬底温度进行多点测量的方法,从而进一步加深对影响金刚石膜生长的因素的研究。

　　1　衬底工作台的设计

　　衬底工作台用于安放生长金刚石膜的基体。衬底表面温度是沉积金刚石膜的重要工艺参数,需要在生长过程中对其进行监测和控制。为了实现衬底温度的多点测量,所设计的衬底工作台如图1所示。衬底工作台在电机的作用下进行稳定的往复摆动,以保证沉积表面温度场良好的均匀性;衬底表面的温度检测采用热电偶多点测量。热电偶信号的引出直接用导线,不用电刷,为衬底工作台的水冷和测温都带来很多方便和好处,也很容易实现衬底温度的多点测量。

　　2　热电偶多路测量的实现

　　2.1　热电偶及其转换芯片

　　在EACVD设备中,衬底温度控制在700℃~900℃,因此选用热电偶来测量衬底温度。热电偶具有测温精度高,小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系。结合实际工作环境的情况,选取热电偶为标准镍铬-镍硅热电偶,分度号为K,等级为I,测温范围为- 40℃~1 100℃,允许温度误差为±1. 5℃或±0. 4%t。

　　热电偶用转换芯片使用Maxim新近推出的MAX6675,它是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。

　　MAX6675的主要特点有[1]:

　　1)直接将热电偶信号转换为数字信号; 2)具有冷端补偿功能; 3)简单的SPI串行接口与单片机通讯; 4)12位A/D转换器、0. 25℃分辨率; 5)热电偶断线检测。

　　MAX6675的管脚配置如图2所示。脚1接地,脚2(T-)接热电偶负极,脚3(T+)接热电偶正极,脚4(VCC)电源端,脚5(SCK)串行时钟输入端,脚6(CS)片选端,使能启动串行数据通讯,脚7(SO)串行数据输出端,脚8(NC)未用。在VCC和GND之间接0. 1μf电容。

　　　MAX6675输出为12位二进制数字量。测温范围0~1 023. 75℃,温度分辨能力为0. 25℃,在0~700℃范围内温度显示误差不大于8LSB。由于MAX6675内部经过了激光修正,因此转换的数字量与被测温度值之间具有较好的线性关系,可由下式给出: