A Simple Substrate Heater Device With Temperature Controller for Thin Film Preparation

 

G. Rendón¹, P. Poot², A. l. Oliva³, F. J. Espinosa-Faller*⁴

 

^1,2,4 Universidad Marista de Mérida, Escuela de Ingeniería, Periférico Norte Tablaje 13941, Mérida, Yucatán, 97300, México. *fjespinosa@marista.edu.mx.

³ Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Unidad Mérida, Departamento de Física Aplicada, Km. 6 Antigua Carretera a Progreso, A.P. 73-Cordemex, 97310, Mérida, Yucatán México.

 

ABSTRACT

A simple substrate heater and its temperature controller were designed and built in order to prepare thin films in a high vacuum deposition system. The substrate heater was elaborated with a glass-ceramic body and a molybdenum foil heater. The applied power and the temperature are regulated by a power controller board using a microcontroller programmed with a proportional-integrative-derivative algorithm. The heater/controller system was tested in a high vacuum deposition system and the results of its characterization at 100, 200, 300 and 400 °C are presented. A variation in temperature better than ± 0.5 °C was obtained for all the tested temperatures. An application of the substrate heater is demonstrated by evaporating gold thin films on heated glass substrates.

Keywords: substrate heater, temperature controller, vacuum thin film deposition.

 

RESUMEN

Se presenta el diseño y la fabricación de un calentador de sustratos con control de temperatura para preparar películas delgadas en un sistema de depósito de alto vacío. El calentador de sustratos fue elaborado usando vitrocerámica y una lámina de molibdeno como elemento calefactor. La energía aplicada y la temperatura del calentador de sustrato son controladas a través de una tarjeta controladora de potencia usando un microcontrolador programado con un algoritmo basado en un sistema de control proporcional-integral-derivativo. El sistema calentador/controlador propuesto fue evaluado a las temperaturas de 100, 200, 300 y 400 °C. El sistema proporciona una regulación de temperatura menor a ±0.5 °C para todas las temperaturas evaluadas. La aplicabilidad del calentador de sustratos se demostró depositando películas delgadas de oro sobre sustratos de vidrio calentados.

 

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References

[1] Sree Harsha K. S. Principles of physical vapor deposition of thin films. Elsevier, 2006.         [ Links ]

[2] Kohl W. H., Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press, 1995.         [ Links ]

[3] Clark J. C., Maria J. P., Hubbard K. J., and Schlom D. G. An oxygen-compatible radiant substrate heater for thin film growth at substrate temperatures up to 1050°C, Rev. Sci. Instrum. 68, 2538 (1997); doi: 10.1063/1.1148156.         [ Links ]

[4] Márquez-Herrera A., Hernández-Rodríguez E., Cruz-Jáuregui, M. P., Zapata-Torres, M. y Zapata-Navarro, A. Calentador de sustratos compacto y de bajo costo para tratamiento térmico in situ de películas delgadas depositadas por rf-sputtering, Rev. Mex. Fis. Vol. 56 (1), (2010), pp. 85-91.         [ Links ]

[5] Campion, R., Ormson, R.G., Bashford, C.A. and King, P.J., Design and performance of a reliable and low cost substrate heater for superconducting thin film deposition, Vacuum, 46 (2), (1995) pp. 195-197.         [ Links ]

[6] Rousseau B., De Barros D., La Manna J., Weiss F., Duneau G., Odier P., De Sousa Meneses, D., Auger I., Melin P. and Echegut P. Resistive substrate heater for film processing by spray pirólisis, Rev. Sci. Instrum. 75 (9), (2004) pp. 2884-2886.         [ Links ]

[7] Macor is a registered trademark of Corning Inc. Corning, N. Y. http://www.corning.com/docs/specialtymaterials/pisheets/Macor.pdf, 2011.         [ Links ]

[8] Ang K.H., Chong G.C.Y. and Li Y. PID control system analysis, design, and technology. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 13 (4), (2005) pp. 559-576.         [ Links ]

[9] J. G. Ziegler and N. B. Nichols. Optimum settings for automatic controllers. Trans. ASME, 64 (1942) pp. 759-768.         [ Links ]

[10] Ambios Q_Scope_Series_USPM_and_Accessories_ Brochure; http://ambios.ru/files/u1/Q_Scope_Series_USPM_and_Accessories_Brochure.pdf. June 2011.         [ Links ]