CN103628140B - 一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种该超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其包括有一双层石英管嵌套结构及嵌套于其两端的不锈钢密封组件，该双层石英管嵌套结构包括：一外层石英管及内嵌于外层石英管中的内层石英管，其之间形成一环形空腔；该不锈钢密封组件包括：相互配合的第一不锈钢法兰盘、第一不锈钢紧固圆环、第二不锈钢法兰盘和第二不锈钢紧固圆环，该第二不锈钢法兰盘外侧以可拆装的方式安装有一不锈钢盖；该不锈钢密封组件中设置有连通环形空腔的水冷端口；该第二不锈钢法兰盘的内壁与内层石英管外壁之间形成有泄露水汽真空隔离区，该第二不锈钢法兰盘设置有与该泄露水汽真空隔离区连通的抽气管。本发明能够达到超高温度，且密封性能极好、安全可靠。
Description
技术领域：
本发明涉及制造碳化硅用高温设备技术领域，特指一种能够达到超高温度，且密封性能极好、安全可靠的超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构。
背景技术：
碳化硅（SiC）是一种重要的宽带隙半导体材料，在高温、高频和大功率器件等领域有着巨大的应用潜力。和传统的硅（Si）材料相比，SiC拥有明显的优势，比如，其禁带宽度是Si的3倍，饱和电子漂移速率是Si的2.5倍，击穿电场是Si的10倍。高质量的SiC衬底与外延材料是制备高性能SiC功率器件的前提条件。
SiC材料物理性质稳定，且没有固定的熔点，在高温下可直接升华为气体。因此，SiC衬底材料的制备方法通常采用称之为物理气相传输的方法（PVT方法）。该方法需在低压条件下将SiC原料加热到1800℃以上使之汽化升华，然后将气相的SiC传输到SiC籽晶上并冷却，从而最终获得具有较高纯度的SiC单晶。目前制备SiC外延材料主要方法是高温化学气相沉积(CVD)技术。所谓化学气相沉积技术，就是利用载气将反应气体如硅烷、丙烷等运输到外延生长室内，使它们在热衬底上发生化学反应并沉积得到SiC外延材料，其生长温度往往需要达到1500-1600℃。除此之外，SiC功率器件的制备时需要进行离子注入，之后也需要在较高温度下（1500℃以上）进行退火。
由此可见，SiC衬底与外延材料的制备以及后续退火工艺，都需要能到达到 较高温度的真空腔室。射频加热方法是目前最常用的加热方法。石英管物理化学性质稳定，是最常用的耐高温材料。因此，在射频加热方法中，真空腔室通常采用单层石英管结构以隔离将腔室内部的石墨感应体与外界隔离。
然而，由于石英管本身耐温能力有限，单层石英管真空室耐温低于1800℃，且对于焊接式石英管腔室，焊接技术要求高，且石英管易变形，还可能存在内应力，存在安全隐患。显然，现有的真空腔室结构已无法满足的SiC材料的生长与器件制备要求。因此，如何设计一种能够达到超高温度且安全可靠的真空腔室密封结构已成为一个亟待解决的课题。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够达到超高温度，且密封性能极好、安全可靠的超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构包括有一双层石英管嵌套结构，该双层石英管嵌套结构包括：一外层石英管及内嵌于外层石英管中的内层石英管，其中，该内、外层石英管之间形成一环形空腔，所述的双层石英管嵌套结构两端分别通过一不锈钢密封组件固定装配，令内、外层石英管之间相互隔绝；所述不锈钢密封组件包括：用于密封所述外层石英管的第一不锈钢法兰盘和第一不锈钢紧固圆环以及用于密封内层石英管的第二不锈钢法兰盘和第二不锈钢紧固圆环，该第二不锈钢法兰盘外侧以可拆装的方式紧密安装有一用于打开或闭合所述内层石英管的内腔的不锈钢盖；所述的不锈钢密封组件中设置有至少一个连通所述环形空腔的水冷端口；所述第二不锈钢法兰盘的内壁与内层石英管外壁之间形成有泄露水汽真空隔离区，该第二不锈钢法兰盘上设置有至少一个与该泄露水汽真空隔离区连通的抽 气管。
进一步而言，上述技术方案中，所述第一不锈钢法兰盘中开设有用于装配的第一通孔，该第一通孔包括：与所述外层石英管端部配合的第一安装位以及与第二不锈钢法兰盘配合并供所述内层石英管穿过的第二安装位，该第一安装位与所述的环形空腔连通，且该第一安装位的前端面及第二安装位的后端面处分别形成有用于安装密封件的第一倒角和第二倒角。
进一步而言，上述技术方案中，所述第一不锈钢法兰盘的上端设置有至少一个连通所述第一安装位的水冷端口。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第一不锈钢紧固圆环紧密固定于所述第一不锈钢法兰盘中第一安装位的前端面；所述的外层石英管镶嵌于第一不锈钢法兰盘的第一安装位中，所述的第一不锈钢紧固圆环与第一不锈钢法兰盘上第一安装位端口的第一倒角之间设置有第一密封圈，令外层石英管的端部密封安装于第一不锈钢法兰盘中。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二不锈钢法兰盘安装于第一不锈钢法兰盘的后端，并与第一不锈钢法兰盘上第二安装位端口的第二倒角之间设置有第二密封圈，令第二不锈钢法兰盘与第一不锈钢法兰盘形成紧密装配。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二不锈钢法兰盘中心位置开设有第二通孔，该第二通孔包括：与所述内层石英管端部配合的第三安装位以及与第三安装位连通的容腔，其中该第三安装位相对安装有第一不锈钢法兰盘的另一端设置有用于安装密封件的第三倒角。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二不锈钢紧固圆环固定于第二不锈钢法兰盘中容腔的底部；所述的内层石英管镶嵌于第二不锈钢法兰盘的第三安装 位中，并伸进第二不锈钢法兰盘中的容腔中，且第二不锈钢紧固圆环与第二不锈钢法兰盘中第三倒角之间设置有第三密封圈。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二不锈钢法兰盘下端设有用以维持内层石英管内部腔室真空度的抽气口，该抽气口与第二不锈钢法兰盘中的容腔连通。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二不锈钢法兰盘与不锈钢盖之间设置有密封垫圈。
进一步而言，上述技术方案中，所述的不锈钢密封组件设有水冷结构。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
1、本发明解决了单层石英管在较高温度下的软化问题，突破石英管耐温限制，实现了腔室内部的超高温，最高可达到2400℃。
2、本发明中的内层石英管与不锈钢密封组件之间设置第二密封圈和第三密封圈，该双重密封圈的密封设计避免了单密封结构存在的水汽泄露问题。
3、本发明可通过抽气口将内层石英管内腔中的气体抽出，并通过抽气管将第二不锈钢法兰盘的内壁与内层石英管外壁之间形成的泄露水汽真空隔离区中的的微量水汽排出，易于实现内层石英管内腔处于高真空状态。
4、本发明的不锈钢密封组件中的第一不锈钢法兰盘、第一不锈钢紧固圆环、第二不锈钢法兰盘和第二不锈钢紧固圆环均采用不锈钢材料，是整个结构成本较低，安装简单，易维护，且具有较高的安全性。
5、本发明中的不锈钢密封组件应用广泛，不但可用于SiC单晶生长炉、 SiC外延生长炉和离子注入后高温退火炉，还可用于SiC上石墨烯生长炉、氮化铝高温生长炉等其他高温设备。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是发明中第一不锈钢法兰盘的结构示意图；
图3是发明中第一不锈钢法兰盘的主视图；
图4是发明中第一不锈钢法兰盘的后视图；
图5是发明中第二不锈钢法兰盘的结构示意图；
图6是发明中第二不锈钢法兰盘的主视图；
附图标记说明：
1双层石英管嵌套结构 10环形空腔
11外层石英管 12内层石英管
2不锈钢密封组件 20泄露水汽真空隔离区
21第一不锈钢法兰盘 211第一通孔
212第一安装位 213第二安装位
214第一倒角 215第二倒角
216第一螺纹孔 217第二螺纹孔
218水冷端口 22第一不锈钢紧固圆环
221第一穿孔 23第二不锈钢法兰盘
231第二穿孔 232第二通孔
233第三安装位 234容腔
235第三倒角 236第三螺纹孔
237抽气管 238抽气口
24第二不锈钢紧固圆环 241第三穿孔
25不锈钢盖 31第一密封圈
32第二密封圈 33第三密封圈
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
参见图1所示，为一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其包括有一双层石英管嵌套结构1以及嵌套并固定于双层石英管嵌套结构1两端的不锈钢密封组件2。
所述的双层石英管嵌套结构1包括：一外层石英管11及内嵌于外层石英管11中的内层石英管12，其中，该内、外层石英管11、12之间形成一环形空腔10。由于所述的双层石英管嵌套结构1两端分别通过所述的不锈钢密封组件2固定装配，因此，令内层石英管和外层石英管之间相互隔绝。
所述的内层石英管12的内腔为高温真空腔室，可放置样品。
所述不锈钢密封组件2包括：用于密封所述外层石英管11的第一不锈钢法兰盘21和第一不锈钢紧固圆环22以及用于密封内层石英管12的第二不锈钢法兰盘23和第二不锈钢紧固圆环24，其中，第二不锈钢法兰盘23外侧以可拆装的方式紧密安装有一用于打开或闭合所述内层石英管12的内腔的不锈钢盖25，并通过打开该不锈钢盖25，可将样品放置于内层石英管12的内腔中。
结合图2-4所示，所述第一不锈钢法兰盘21中开设有用于装配的第一通孔211，该第一通孔211包括：与所述外层石英管11端部配合的第一安装位212以及与第二不锈钢法兰盘23配合并供所述内层石英管12穿过的第二安装位213， 该第一安装位212与所述的环形空腔10连通，且该第一安装位212的前端面及第二安装位213的后端面处分别形成有用于安装密封件的第一倒角214和第二倒角215。
所述的第一不锈钢法兰盘21两端分别设有多个用于稳固装配的第一螺纹孔216和第二螺纹孔217。所述的不锈钢密封组件2中设置有至少一个连通所述环形空腔10的水冷端口218，具体而言，所述第一不锈钢法兰盘21的上端设置有至少一个所述的水冷端口218，该水冷端口218连通所述的第一安装位212，以致连通所述的环形空腔10。
所述的第一不锈钢紧固圆环22紧密固定于所述第一不锈钢法兰盘21中第一安装位212的前端面，具体而言，所述的第一不锈钢紧固圆环22对应所述第一不锈钢法兰盘21中第一螺纹孔216的位置设置有第一穿孔221，并通过螺钉或螺栓穿过该第一穿孔221螺旋进第一不锈钢法兰盘21的第一螺纹孔216中，以致第一不锈钢紧固圆环22与所述第一不锈钢法兰盘21形成稳定装配。另外，所述的第一不锈钢紧固圆环22中部设置有供所述外层石英管11穿过的通孔，该外层石英管11则穿过该通孔镶嵌于第一不锈钢法兰盘22的第一安装位212中，所述的第一不锈钢紧固圆环22与第一不锈钢法兰盘21上第一安装位212端口的第一倒角214之间设置有第一密封圈31，令外层石英管11的端部密封安装于第一不锈钢法兰盘21中。
所述的第二不锈钢法兰盘23安装于第一不锈钢法兰盘21的后端，并与第一不锈钢法兰盘21上第二安装位213端口的第二倒角215之间设置有第二密封圈32，令第二不锈钢法兰盘23与第一不锈钢法兰盘21形成紧密装配。具体而言，所述的第二不锈钢法兰盘23上对应第一不锈钢法兰盘21中第二螺纹孔217 的位置设置有第二穿孔231，并通过螺钉或螺栓穿过该第二穿孔231螺旋进第一不锈钢法兰盘21的第二螺纹孔217中，令所述第二不锈钢法兰盘23和第一不锈钢法兰盘21形成稳定装配。
结合图5、6所示，所述的第二不锈钢法兰盘23中心位置开设有第二通孔232，该第二通孔232包括：与所述内层石英管12端部配合的第三安装位233以及与第三安装位233连通的容腔234，其中该第三安装位233相对安装有第一不锈钢法兰盘21的另一端设置有用于安装密封件的第三倒角235。
所述的第二不锈钢紧固圆环24固定于第二不锈钢法兰盘23中容腔234的底部；即所述的第二不锈钢紧固圆环24固定于第二不锈钢法兰盘23中设置有第三倒角235的一侧。具体而言，第二不锈钢法兰盘23侧面设置有多个用于稳固装配的第三螺纹孔236，所述第二不锈钢紧固圆环24中与该第三螺纹孔236对应的位置设置有第三穿孔241，并通过螺钉或螺栓穿过该第三穿孔241螺旋进第二不锈钢法兰盘23的第三螺纹孔236中，令所述第二不锈钢法兰盘23和第二不锈钢紧固圆环24形成稳定装配。
所述的内层石英管12镶嵌于第二不锈钢法兰盘23的第三安装位233中，并伸进第二不锈钢法兰盘23中的容腔234中，且第二不锈钢紧固圆环24与第二不锈钢法兰盘23中第三倒角235之间设置有第三密封圈33。
所述第二不锈钢法兰盘23的内壁与内层石英管12外壁之间形成有泄露水汽真空隔离区20，泄露水汽真空隔离区20位于第二密封圈32和第三密封圈33之间，该双重密封圈的密封设计避免了单密封结构存在的水汽泄露问题。
所述的第二不锈钢法兰盘23上设置有至少一个与该泄露水汽真空隔离区20连通的抽气管237。所述的第二不锈钢法兰盘23下端设有用以维持内层石英管 12内部腔室真空度的抽气口238，该抽气口238与第二不锈钢法兰盘23中的容腔234连通。通过抽气管237可以及时排除所述环形空腔10中泄露的微量水汽，实现内层石英管12内腔处于高真空状态，另外，可通过抽气口238进行适当的抽气，维持内石英管22内腔的真空度。
所述的第二不锈钢法兰盘23与不锈钢盖24之间设置有密封垫圈，以致第二不锈钢法兰盘23与不锈钢盖24之间形成密封衔接。
本发明使用时，打开不锈钢盖24，将样品放置于双层石英管嵌套结构1中内层石英管12的内腔内；从第一不锈钢法兰盘21上的水冷端口218通入冷却水到所述的环形空腔10中，同时启动真空系统，将内层石英管12内腔中的气体以及泄露水汽真空隔离区20中的微量水汽分别从所述的抽气口238和抽气管237中排出。待冷却水与内层石英管12内腔的压力稳定后，打开加热电源，对内层石英管12内腔进行加热，待工艺完成后，关闭加热电源，等待其冷却。当双层石英管嵌套结构1冷却后，截止冷却水和保护气体，取出样品，完成实验。
另外，在所述的不锈钢密封组件2中的第一不锈钢法兰盘21、第一不锈钢紧固圆环22、第二不锈钢法兰盘23和第二不锈钢紧固圆环24上设有水冷结构，该水冷结构包括一个圆环状水槽，于水槽的两端其径向方向有出水口，通过水冷方式对其进行冷却、散热。
本发明解决了单层石英管在较高温度下的软化问题，突破石英管耐温限制，实现了腔室内部的超高温，最高可达到2400℃。本发明中的不锈钢密封组件应用广泛，不但可用于SiC单晶生长炉、SiC外延生长炉和离子注入后高温退火炉，还可用于SiC上石墨烯生长炉、氮化铝高温生长炉等其他高温设备。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围， 凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (9)
1.一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其包括有一双层石英管嵌套结构，该双层石英管嵌套结构包括：一外层石英管及内嵌于外层石英管中的内层石英管，其中，该内、外层石英管之间形成一环形空腔，其特征在于：所述的双层石英管嵌套结构两端分别通过一不锈钢密封组件固定装配，令内、外层石英管之间相互隔绝；所述不锈钢密封组件包括：用于密封所述外层石英管的第一不锈钢法兰盘和第一不锈钢紧固圆环以及用于密封内层石英管的第二不锈钢法兰盘和第二不锈钢紧固圆环，该第二不锈钢法兰盘外侧以可拆装的方式紧密安装有一用于打开或闭合所述内层石英管的内腔的不锈钢盖；所述的不锈钢密封组件中设置有至少一个连通所述环形空腔的水冷端口；所述第二不锈钢法兰盘的内壁与内层石英管外壁之间形成有泄露水汽真空隔离区，该第二不锈钢法兰盘上设置有至少一个与该泄露水汽真空隔离区连通的抽气管；所述的第二不锈钢法兰盘安装于第一不锈钢法兰盘的后端，并与第一不锈钢法兰盘上第二安装位端口的第二倒角之间设置有第二密封圈，令第二不锈钢法兰盘与第一不锈钢法兰盘形成紧密装配。
2.根据权利要求1所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述第一不锈钢法兰盘中开设有用于装配的第一通孔，该第一通孔包括：与所述外层石英管端部配合的第一安装位以及与第二不锈钢法兰盘配合并供所述内层石英管穿过的第二安装位，该第一安装位与所述的环形空腔连通，且该第一安装位的前端面及第二安装位的后端面处分别形成有用于安装密封件的第一倒角和第二倒角。
3.根据权利要求2所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述第一不锈钢法兰盘的上端设置有至少一个连通所述第一安装位的水冷端口。
4.根据权利要求3所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的第一不锈钢紧固圆环紧密固定于所述第一不锈钢法兰盘中第一安装位的前端面；所述的外层石英管镶嵌于第一不锈钢法兰盘的第一安装位中，所述的第一不锈钢紧固圆环与第一不锈钢法兰盘上第一安装位端口的第一倒角之间设置有第一密封圈，令外层石英管的端部密封安装于第一不锈钢法兰盘中。
5.根据权利要求1所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的第二不锈钢法兰盘中心位置开设有第二通孔，该第二通孔包括：与所述内层石英管端部配合的第三安装位以及与第三安装位连通的容腔，其中该第三安装位相对安装有第一不锈钢法兰盘的另一端设置有用于安装密封件的第三倒角。
6.根据权利要求5所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的第二不锈钢紧固圆环固定于第二不锈钢法兰盘中容腔的底部；所述的内层石英管镶嵌于第二不锈钢法兰盘的第三安装位中，并伸进第二不锈钢法兰盘中的容腔中，且第二不锈钢紧固圆环与第二不锈钢法兰盘中第三倒角之间设置有第三密封圈。
7.根据权利要求6所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的第二不锈钢法兰盘下端设有用以维持内层石英管内部腔室真空度的抽气口，该抽气口与第二不锈钢法兰盘中的容腔连通。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的第二不锈钢法兰盘与不锈钢盖之间设置有密封垫圈。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种超高温双层水冷石英管真空室用双密封结构，其特征在于：所述的不锈钢密封组件设有水冷结构。
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