CN100505954C - 一种用于激光分子束外延设备中的衬底加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于激光分子束外延设备的衬底加热器包括炉盘，在炉盘底上开有至少2个固定孔，固定孔中穿入螺钉，该螺钉在漏出底座上的一段上套有垫片或螺母，在其上放上隔热板和垫片或螺母；炉丝板2两端有通孔，和板面上开有螺旋槽，螺旋槽内缠绕炉丝；压片压放在缠绕好炉丝上面，压片两端也有通孔，其通孔的位置与炉丝板上通孔的位置相对应，通过螺母将压片、炉丝板、隔热板固定在炉盘上；在炉盘和隔热板的对称位置上各打2个圆孔，作为炉丝的炉丝引线的孔，炉丝引线与炉丝和加热器的电源电连接。加热器的电源选用低纹波的直流稳压电源，炉丝采用扁螺旋形绕制和选用低纹波的直流稳压电源，消除了炉丝电流产生磁场对RHEED的影响。

Description

一种用于激光分子束外延设备中的衬底加热器

技术领域

本发明涉及一种外延设备中的衬底加热器，特别涉及一种用于激光分子束外延设备的衬底加热器。

背景技术

激光分子束外延是二十世纪九十年代出现的一种新型高精密制膜设备，例如参考文献1：《中国科学》，A，Vol.28，260(1998)，要制备高质量的外延薄膜材料，一般外延衬底必须具有一定的温度，尤其是一些成核温度要求比较高的材料，其衬底温度需要加热到800℃-1000℃。对于能原子尺度控制层状外延生长的激光分子束外延，一般工作在高真空甚至超高真空条件下，此时气体对流的热传导几乎没有，衬底的温度主要靠加热体的热辐射而获得，因此在衬底温度达到几百度后，其加热的效率不到40％，换句话说，衬底的温度达不到加热体温度的40％，在高真空和超高真空条件下，要获得900℃以上的衬底温度还是比较困难的。因此有人采用激光加热，激光加热不仅设备复杂成本很高，而且难获得较大面积的均匀加热。也有人用电子束或射频技术加热，除了其成本高外，电子束或射频会干扰激光分子束外延用于原位实时监测的RHEED等仪器。本申请人持有的几项用于制膜设备的不同类型加热器的专利，例如：中国专利号：ZL93203399.7；ZL94246584.9；ZL95224595.7；ZL00256624.9；但由于这些专利加热器的结构方式存在电磁干扰激光分子束外延的监控仪器，因此也不适合用于激光分子束外延设备。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述已有的衬底加热器在用于激光分子束外延时，存在加热温度不够高，或干扰用于原位实时监测的RHEED等仪器，直接影响激光分子束外延生长的不足；从而提供一种采用高绝热炉体结构和消磁场炉丝绕制的方式的、结构简单、成本低的用于激光分子束外延设备的衬底加热器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的用于激光分子束外延设备的衬底加热器包括：炉盘1、炉丝5、炉丝引线6和加热器的电源；还包括一块片状炉丝板2、隔热板3、压片4，所述的炉丝板2、隔热板3、压片4两端均开有通孔，其通孔所开位置相对应；所述的炉盘1为开口的容器，在其底座上开有至少2个固定孔，固定孔中穿入螺钉7，该螺钉7在漏出底座上的一段上套有垫片或螺母8，在垫片或螺母8上放上隔热板3，然后再在螺钉7上套垫片或螺母；所述的片状炉丝板2的板面上开有绕炉丝5用的螺旋槽，炉丝5按螺旋槽缠绕在炉丝板2上；一块压片4压放在缠绕好炉丝5的炉丝板2的上面，用螺钉7将压片4与炉丝5的两端一起套在螺钉上，通过螺母将压片4、炉丝板2、隔热板3固定在炉盘1上；在炉盘1和隔热板3的对称位置上各打2个圆孔，作为炉丝5的炉丝引线6的孔，炉丝引线6与炉丝5两端连接，炉丝引线6与加热器的电源电连接。

在上述的技术方案中，所述的炉盘1为圆形、方形的开口的容器。

在上述的技术方案中，所述的炉盘1、炉丝板2、隔热板3均采用叶腊石材料做成，该叶腊石在1000℃—2000℃的温度条件下退火5小时以上，使其放气和陶瓷化。

在上述的技术方案中，所述的加热器的电源为低纹波的直流稳压电源。

在上述的技术方案中，所述的炉丝板加工成厚度为2～4mm的圆形或矩形薄片，在炉丝板的两面加工的螺旋槽，其螺旋槽深为0.5～1mm，其间隔为2～4mm。

在上述的技术方案中，所述的炉丝5为钽丝或钼丝，其炉丝5的直径为0.5～1.5mm。

在上述的技术方案中，所述的压片4为氮化硼材料制成的，其厚度为0.2～0.5、宽度为5～10mm。

本发明的优点在于：本发明的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，采用高绝热炉体结构和消磁场炉丝绕制的方式，选用叶腊石材料做炉盘、隔热板和炉丝板，不仅因为叶腊石是一种耐高温和具有不良导热特性的材料，而且叶腊石可经车、洗等机加工成形，得到所需要的形状和结构。用叶腊石材料加工的炉盘、隔热板和炉丝板，经过1000℃以上的高温退火，变成具有一定强度的坚硬陶瓷。因此，采用叶腊石材料做炉盘和隔热板具有很好的绝热性，减少热损耗，使炉丝的热量有效的集中辐射向衬底托和外延衬底，利于加热衬底。

本发明的衬底加热器，选用钽或钼丝做加热丝，又采用螺旋盘绕在一个薄片形的炉丝板上，除了能加热平板形的外延衬底外，主要是要尽量减少甚至能消除炉丝电流所产生磁场对监控仪器RHEED的影响。把炉丝螺旋盘绕在炉丝板上，由于炉丝板很薄，螺旋盘绕的炉丝可近似为一个扁平的螺旋管，再加上加热器选用低纹波的直流稳压电源，因而在加热器表面所产生的磁场不仅非常弱而且很稳定，解决加热器电流对RHEED监测影响的问题。

由于本发明的衬底加热器，采取把氮化硼压片压在炉丝上，而防止了由于炉丝加热变形，引起的加热不均匀甚至与衬底相碰引起的短路。

本发明的衬底加热器，用于激光分子束外延设备的衬底加热，不仅可把衬底温度加热到1000℃以上，而且其使用寿命能达到一年以上，收到非常好的效果。

附图说明

图1为本发明的衬底加热器结构示意图

图面说明如下：

1—炉盘；                2—炉丝板；          3—隔热板；

4—压片；                5—炉丝；            6—炉丝引线；

7—螺钉；                8—螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构进行详细地说明：

实施例1，

参考图1，制作一用于激光分子束外延设备的衬底加热器，用车工把叶腊石加工成一个外径φ80mm，内径φ76mm，高20mm，臂厚2mm，开口的杯形容器做炉盘1，在炉盘1的圆底座上，其对称位置上各打4个φ4.5mm的圆通孔。用车工把叶腊石加工成一个φ74mm，厚1.5mm的圆盘做隔热板3。用车工把叶腊石加工成一个φ74mm，厚2.5mm的圆盘，并在两个表面用洗工加工深1mm，间隔2mm的螺旋槽做炉丝板2；并在隔热板3和炉丝板2上开4个φ4.5mm的圆通孔，通孔的位置与炉盘1圆底座上的圆通孔相对应，作为用M4螺钉7的固定孔。在炉盘1和隔热板3的对称位置上各打2个φ2mm的圆孔，作为炉丝5的炉丝引线6的孔。把加工好的炉盘1、隔热板3和炉丝板2放进高温炉，缓慢加热到1300℃后，烧结10小时。然后把作为炉丝5的钽丝螺旋盘绕在炉丝板(2)的刻槽内，钽丝的直径为φ1mm；炉丝5的两端留长一点做炉丝引线6。选用一片厚0.5mm，宽10mm的氮化硼片做压片4。用长30mm的M4不锈钢螺钉做螺钉7，用M4不锈钢螺母做螺母8，按附图连接固定，压片4两端也有通孔，其通孔的位置与炉丝板2上通孔的位置相对应，用螺钉7将压片4与炉丝5的两端一起套在螺钉上，通过螺母将压片4、炉丝板2、隔热板3固定在炉盘1上；在炉盘1和隔热板3的对称位置上各打2个圆孔，作为炉丝5的炉丝引线6的孔，炉丝引线6与炉丝5两端连接，炉丝引线6与市售的低纹波的直流稳压电源电连接。

实施例2

参考图1，按实施例1的结构制作一用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其中不同之处在于：炉盘1的外径为50mm，内径为46mm；隔热板3和炉丝板2的直径为φ44mm的圆盘，把加工好的炉盘1、隔热板3和炉丝板2放进高温炉，缓慢加热到1800℃后，烧结8小时。作为炉丝5的钼丝螺旋盘绕在炉丝板2的螺旋槽内，其螺旋槽深为0.5～1mm，螺旋槽间隔2mm。钼丝的直径为φ0.5mm。

实施例3

参考图1，按实施例1的结构制作一用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其中不同之处在于：用车工把叶腊石加工成一个φ74mm，厚4mm的圆盘，并在两个表面用洗工加工深1.5mm，间隔3mm的螺旋槽做炉丝板2。把加工好的炉盘1、隔热板3和炉丝板2放进高温炉，缓慢加热到2000℃后，烧结5小时。用φ1.5mm的钽丝做炉丝5。

实施例4

参考图1，按实施例1的结构制作一用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其中不同之处在于：用车工把叶腊石加工成一个50mm×50mm，厚3mm的方形板，并在两个表面用洗工加工深0.5mm，间隔2.5mm的螺旋槽做炉丝板2，把加工好的炉盘1、隔热板3和炉丝板2放进高温炉，缓慢加热到1000℃后，烧结12小时。

Claims (7)

1、一种用于激光分子束外延设备的衬底加热器包括：炉盘(1)、炉丝(5)、炉丝引线(6)和加热器的电源；其特征在于：还包括一块片状炉丝板(2)、隔热板(3)和压片(4)；所述的炉丝板(2)、隔热板(3)和压片(4)的两端开有通孔，并且炉丝板(2)、隔热板(3)和压片(4)两端所开的通孔位置相对应；所述的炉盘(1)为开口的容器，在其底座上开有至少2个固定孔，一螺钉(7)从底座的底面穿出固定孔，该螺钉(7)漏出底座的一段上套有垫片或螺母(8)，在垫片或螺母(8)上放上隔热板(3)，然后再在螺钉(7)上套上垫片或螺母(8)；所述的炉丝(5)为一个扁平的螺旋管；所述的片状炉丝板(2)的两表面上开有绕炉丝(5)用的螺旋槽，所述的炉丝(5)按螺旋槽缠绕在炉丝板(2)上；一块压片(4)压放在缠绕好炉丝(5)的炉丝板(2)的上面，用螺钉(7)将压片(4)与炉丝(5)的两端一起套在螺钉上，通过螺母固定在炉盘(1)上；在炉盘(1)和隔热板(3)的对称位置上各打2个圆孔，作为炉丝(5)的炉丝引线(6)的孔，炉丝引线(6)与炉丝(5)两端连接，炉丝引线(6)与加热器的电源电连接；

所述的螺旋槽深为0.5～1mm，其间隔为2～4mm。

2.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的炉盘(1)为圆形或方形的开口的容器。

3.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的炉盘(1)、炉丝板(2)、隔热板(3)均采用叶腊石材料做成，该叶腊石在1000℃—2000℃的温度条件下，至少退火5小时。

4.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的加热器的电源为低纹波的直流稳压电源。

5.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的炉丝板(2)加工成厚度为2～4mm的圆形或矩形薄片。

6.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的炉丝(5)为钽丝或钼丝，其炉丝(5)的直径为0.5～1.5mm。

7.按权利要求1所述的用于激光分子束外延设备的衬底加热器，其特征在于：所述的压片(4)为氮化硼材料制成的，其厚度为0.2～0.5、宽度为5～10mm。