CN107400875A - 一种热丝化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学气相沉积领域，并公开了一种热丝化学气相沉积设备。本设备包括反应腔体，支撑台架，腔体上盖采用翻盖式结构，腔体四周布置了两个翻盖式观察窗，腔体内部零部件包括金属热丝、热丝架、弹簧拉紧装置、热丝电极、钼板基座、进气口及抽气口，热丝架为双层结构，通过连接弹簧拉伸装置保持金属热丝的紧绷，反应腔体共焊接五条冷却水道，分别分布于盖板、腔体侧壁上部、腔体外壁下部、弹簧装置连接块以及下底板，冷却水道中通入冷却水用于带走沉积实验产生的热量；支撑台架是反应腔体的载体。通过本发明，增强热丝化学气相沉积过程的便捷性和安全性，提高设备的沉积效率。

Description

一种热丝化学气相沉积设备

技术领域

本发明属于化学气相沉积领域，更具体地，涉及一种热丝化学气相沉积设备。

背景技术

热丝化学气相沉积方法是一种利用气体反应物作为原料，通过高温金属热丝的作用，在衬底材料表面沉积薄膜的方法，该方法工艺成熟，设备简单，成本低廉，沉积效果较好，非常适合用于金刚石薄膜的沉积。

由于化学气相沉积法的重要性，目前已申请的化学气相沉积设备的专利较多。例如，于2011年9月14日授权公告的中国专利CN102181845A公开了一种化学气相沉积炉，包括炉本体、炉体提升机构以及炉盖提升机构，分为上中下三个加热区，开炉方式采用中部开炉，该种开炉方式不便于出装料，且操作危险性高，此外，上炉体以及炉盖在该种开炉方式下需要反复拆装，这容易导致上下炉体之间的相互错位，传统的化学气相沉积设备对于金属热丝的装夹通常采用单层的热丝结构，同时热丝拉紧装置较为简陋，这会导致金刚石薄膜的沉积速率低，并且热丝在高温下容易弯曲，从而影响金刚石薄膜的沉积质量。另外，大多化学气相沉积设备的冷却系统只在反应腔体的底部或者中部设置循环冷却水道，这会使得沉积设备的某些关键零部件因冷却效果不佳而导致变形、失效等情况，因此，要将化学气相沉积设备用于大规模工业生产以及实验室课题研究，需要进一步提升其便捷性及安全性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热丝化学气相沉积设备，通过反应腔体内部的设计，由此解决开炉方式不安全，金属热丝装夹不当以及冷却循环系统效果不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种化学气相沉积设备，该设备包括反应腔体和支撑台架，其特征在于，

所述支撑台架是所述反应腔体的载体，所述反应腔体包括腔体和盖板，该盖板设置在所述腔体的上方，用于使所述腔体形成密封的空间；所述腔体的外侧表面设置有多个凸台状的观察窗况；

所述腔体内部设置有衬底平台和一组相对设置的热丝架(22)，所述的相对设置的热丝架之间设置有金属热丝，每个所述热丝架下方均设置有铜片，该铜片与设置在所述下底板上的电源正极/负极导通，通电后用于加热所述金属热丝，其中，所述金属热丝还与设置在所述腔体外的弹簧拉伸装置连接，该弹簧拉伸装置用于使所述金属热丝处于绷紧的状态，此外，所述腔体的侧壁上还设置有通孔，测温仪穿过该通孔测量所述金属热丝的温度，与该测温仪连接的还有报警指示灯和显示面板，用于预警和显示所述热丝的温度；

所述衬底平台设置在所述反应腔体的下底板上，介于所述相对设置的热丝架之间，且位于所述金属热丝下方，该衬底平台用于放置待沉积的基体材料；

所述盖板、弹簧拉伸装置、腔体的侧壁和下底板上均设置有冷却水道，用于冷却所述腔体。

进一步优选地，所述金属热丝优选采用钨丝或钽丝。

进一步优选地，所述热丝架分为两层，每层均为钼板，所述衬底平台也采用钼板。

进一步优选地，所述腔体的下底板上设置有多个所述进气口和抽气口，该进气口用于外界空气进入所述反应腔内，所述抽气口用于抽取所述反应腔内的气体。

进一步优选地，所述盖板与所述腔体之间设置有密封圈，用于密封所述腔体。

进一步优选地，所述观察窗上设置有翻盖，该翻盖中心设置有方形孔，用于放置石英石玻璃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明所提供的热丝化学气相沉积设备采用了方便的翻转盖板结构，实现上部开炉进行出装料的方式，更加方便、快捷，同时，在腔体壁上设置了翻盖式观察窗，能够直观的观察沉积反应的过程；

2、本发明通过采用反应腔体内部的热丝支架与弹簧拉伸装置的连接，及通过铜片与电源正负极的连接，既保证了金属热丝的拉紧状态，也实现了金属热丝的正常通电，确保沉积反应顺利进行；

3、本发明通过在盖板、弹簧拉伸装置、腔体的侧壁和下底板上均设置有冷却水道，共五条冷却水通道，带走沉积反应过程中大部分热量，降低反应腔体内部温度，确保设备安全性；

4、本发明通过将上、下板和衬底平台均采用钼板，化学沉积反应温度2000℃以上，而钼板耐高温，且在高温下不易变形，化学性质稳定性，确保反应过程顺利进行；

5、本发明通过对反应腔体和支撑台架的结构及功能布局设计，使得该设备的气源系统、水源系统以及控制系统的高度集成，给反应腔体提供反应气体、循环冷却水和控制本设备，完善整个设备的基本功能，优化了整体结构，提高了沉积效率，从而实现该设备的自动化运行。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的化学气相沉积设备的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的反应腔体的俯视图；

图3(A)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗局部剖面图；

图3(B)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗翻盖示意图；

图3(C)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗翻盖正视图；

图3(D)是按照本发明的优选实施例所构建的图3(C)的A-A剖视图；

图4(A)是按照本发明的优选实施例所构建的热丝架结构示意图；

图4(B)是按照本发明的优选实施例所构建的正极端热丝支架正视图；

图4(C)是按照本发明的优选实施例所构建的图4(A)的B-B剖视图；

图4(D)是按照本发明的优选实施例所构建的正极端热丝架俯视图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的反应腔体的半剖视图；

图6(A)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的示意图；

图6(B)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的主视图；

图6(C)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的后视图；

图6(D)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的右视图；

图6(E)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的俯视图；

图7(A)是按照本发明的优选实施例所进行的冷却水道效果仿真的腔体外壁温度变化图；

图7(B)是按照本发明的优选实施例所进行的冷却水道效果仿真的腔体外壁温度分布云图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10-反应腔体 11-盖板 12-锁扣 13-上盖连接板 14-气弹簧连杆 15-连接块 16-固定块 17-弹簧拉伸装置 17A-弹簧装置连接块 18-圆柱销 19-观察窗 19A-翻盖 19B-方形固定块 19C-石英玻璃 19D-固定转动块 19E-观察窗连接块 19F-有色石英玻璃 20-腔体壁 20A-外侧凸台 21A-热丝电源正极 21B-电源负极 22-热丝架 23-热丝架固定块 24-铜片 25-夹紧块 26-石英棒 27A-上钼板 27B-下钼板 28-石英套管 29-弹簧装置连接板30-支撑台架 31-上台架 32-下台架 33-翻转盖板 34-显示面板 35-报警指示灯 36-冷却风扇 37-台面38-程序组件箱 39-工艺气体输送箱 40-配电箱 41-柜体 42-圆孔 43-方形孔 44-铝合金梁 45-设备盒 46-通孔 47-工艺孔50-衬底平台 51-抽气口 52-进气口 53-下底板54-金属热丝 60-盖板冷却水道61-弹簧装置冷却水道 62-腔体壁上层冷却水道63-下层冷却水道 64-下底板冷却水道

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提供的热丝化学气相沉积设备包括反应腔体及其内部零部件，支撑台架及其系统布局方案。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的化学气相沉积设备的结构示意图；图2是按照本发明的优选实施例所构建的反应腔体10的俯视图，如图1和2所示，反应腔体10由盖板11、腔体壁20、下底板53、观察窗19以及内部零部件构成，是热丝化学气相沉积的反应场所，盖板采用翻盖式结构，使用连接块15固定连接盖板13与腔体外壁20，利用气弹簧连杆14带动腔体盖板11做上下翻转运动，从而打开或者关闭反应腔室，盖板11与腔体外壁20上的锁扣12可以将关闭的盖板11锁定，盖板11与腔体10间通过密封圈密封，盖板11内焊接有循环冷却水通道60，并在连接板13处设置有冷却水出入口；

腔体侧壁通过螺栓与下底板53固定连接，并使用密封圈密封；腔体侧壁焊接有上下两层循环冷却水通道62、63，并在外壁20处设置有冷却水出入口；

下底板53有多个圆形通孔，与腔体10内部相通，分别用于安装进气口52、抽气口51、铠装热电偶以及热丝加热电源正负极21A、21B；下底板53内焊接有循环冷却水通道64，并在底部设置有冷却水出入口；

图3(A)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗19局部剖面图，图3(B)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗翻盖19A示意图，图3(C)是按照本发明的优选实施例所构建的观察窗翻盖19A正视图，图3(D)是按照本发明的优选实施例所构建的图3(C)的A-A剖视图，如图3(A)～(D)所示，观察窗19通过连接块19E固定安装在腔体外壁的圆形凸台20A上，并在中间圆孔区域放置有色石英玻璃19F，并在接触处使用密封圈密封，观察窗翻盖19A通过转动连接块19D与固定连接块19E相连，翻盖中心方形孔区域放置有色石英玻璃19C；观察窗连接块19E表面固定转动块19D，观察窗翻盖19A通过转动块19D实现翻转运动，其中心有方形通孔，放置一方形有色石英玻璃19C，再通过方形固定块19B将其固定在翻盖19A上；观察窗翻盖19A与转动块19D连接处设置有凹槽，避免翻盖19A在转动时与螺帽及转动块19D发生干涉。

反应腔体内部零部件包括热丝架22、进气口52、抽气管51、衬底平台50、弹簧拉伸装置17、热丝电源正负极21A、21B。

图4(A)是按照本发明的优选实施例所构建的热丝架22结构示意图，图4(B)是按照本发明的优选实施例所构建的正极端热丝支架正视图，图4(C)是按照本发明的优选实施例所构建的图4(A)的B-B剖视图，图4(D)是按照本发明的优选实施例所构建的正极端热丝架俯视图，如图3(A)～(D)所示，热丝架包括上下两层钼板27A、27B，用于安装金属热丝54，每层由两片钼板组成，钼板上均匀分布诸多螺纹孔，将金属热丝固定在两片钼板之间，通过螺栓夹紧热丝；热丝架通过石英棒26与夹紧块25与热丝架固定块23相连接，热丝架固定块与腔体底板53固定，从而固定热丝架的相对位置，上下两层热丝架也通过长螺栓外套石英套管28连接，采用石英材料是由于其绝缘性及耐高温性能；热丝架靠近弹簧拉伸装置的一端通过螺栓与弹簧装置连接板29固定，弹簧装置的拉伸作用使金属热丝始终保持紧绷状态；弹簧拉伸装置通过连接块17A与腔体壁20固定连接，连接处使用密封圈密封，连接块内部设置有循环冷却水通道61，在连接块底部有冷却水出入口；

热丝电源正极21A与负极21B分别通过螺母固定在腔体底板53上，连接处使用密封圈密封，负极靠近弹簧装置，正极靠近锁扣，用于给金属热丝提供电流；热丝电源正负极分别与热丝架上层的钼板27A凸缘部分通过弯曲铜片连接，使电流能够由电极传导至金属热丝；

衬底平台50为一块方形的钼板，通过螺栓固定在腔体底板上，位于两端热丝架之间，金属热丝正下方，用于放置沉积基体材料；

进气口52为两根细长的铝制管道，上部为出气口51，底部为外螺纹，通过螺纹连接在腔体底板，分别位于热丝电源正负极旁边；抽气口位置位于与进气口正交方向的两端，上面放置凹形铝合金块，腔室内气体通过铝合金块进入腔体下方的抽气管道。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的反应腔体10的半剖视图，如图5所示，设置于盖板11、腔体壁20、下底板53及弹簧装置连接块17A内部的五条循环冷却水通道，盖板冷却水道60为圆形水道，焊接在盖板11中，冷却水出入口设置在盖板连接板13上，用于冷却盖板；腔体壁上层冷却水道62与下层冷却水道63为圆形水道，焊接在腔体壁20上，出入口设置在腔体壁20表面，用于冷却腔体壁；弹簧装置冷却水道61为方形水道，设置在弹簧装置连接块17A内，出入口设置在连接块17A底部，用于冷却弹簧拉伸装置；下底板冷却水道64为圆形水道，焊接在下底板53内，出入口设置在下底板53底部，用于冷却腔体下底板。

图6(A)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架30的示意图，图6(B)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的主视图，图6(C)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的后视图，图6(D)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的右视图，图6(E)是按照本发明的优选实施例所构建的支撑台架的俯视图，如图6(A)～(E)所示，支撑台架包括上台架31、下台架32及其布局方案，用于支撑反应腔体20及安置各类相关设备。上台架为铝合金方形盒体，边缘处有一段圆弧镂空段48，用于连接反应腔体，其顶面右下角有一组法兰连接孔，用于安装固定报警指示灯35及显示面板34，顶面左上角有一缺角，用于安装翻转盖板33，其内部固定有设备盒，用于放置测温仪等设备，侧面方形孔安装冷却风扇36，边缘处还具有一段圆弧镂空段，用于放置反应腔体10，设备盒45表面有一通孔46，测温仪探针通过此孔，并穿过腔体壁上的小孔进入腔体内部，测量热丝温度；下台架为铝合金方形桌架，上台架通过四个边角处的螺纹孔定位于下台架上方，并通过螺栓固定；下台架台面中心有一圆孔区域42，用于放置反应腔体，其下方焊接两根铝合金梁44用于支撑反应腔体；其台面37还有方形孔43及椭圆孔区域，用于布置水路管道以及设备线路；下台架前表面为两个可拆卸的盖板，左边盖板内为柜体41，材料为铝合金，用于放置计算机及热丝电源，右边盖板内区域可用于储物，并且可用于完成改变热电偶位置等操作；下台架后表面为气路及水路管道进出空间，底部安装有是个水管卡环，用于固定水路管道的位置；顶部有一固定凸台，其中心有圆孔，使用卡箍连接真空泵抽气管道；后表面右侧为一个配电柜40，提供设备电源；下台架右表面为两个可拆卸的盖板，盖板内均安装有相应的工艺箱，左侧为程序组件箱38，用于安装各类程序控制组件；右侧为工艺气体输送箱39，用于安装工艺气体控制阀门及MFC等，工艺气体管道从台架后表面通过工艺气体输送箱上的工艺孔47进入箱体，再通过其上方的工艺孔穿出，与腔体底部的进气口相连。

图7(A)是按照本发明的优选实施例所进行的冷却水道效果仿真的腔体外壁温度变化图,图7(B)是按照本发明的优选实施例所进行的冷却水道效果仿真的腔体外壁温度分布云图,如图7(A)和7(B)所示，冷却水道的冷却效果已通过有限元仿真软件进行计算，在冷却水道中通入流速为3.5m/s的冷却水时，腔体外壁的温度变化曲线及分布情况，由图可知，腔体在正常沉积试验工况下，按照设计的冷却水道，以3.5m/s的速度通入冷却水进行冷却，最终腔体外壁的平均温度维持在41℃左右，此温度符合腔体外壁温度的设计要求，从温度分布云图中可以看出在五条冷却水道附近的外壁温度相较于其他区域较低，此五条冷却水道正是设计于需要着重进行冷却的部分，如上盖区域、弹簧装置及底板零部件等。综上所述，冷却水道的设计对正常工作中的腔体有着非常良好的冷却作用。

下面将介绍本设备的工作过程：

检查设备各部件均无故障后，打开腔体上盖，将待沉积的衬底平整放置于衬底平台的中央，根据工艺参数要求在热丝架上布置金属热丝；然后关闭腔体上盖，并锁好；启动设备真空系统，真空泵通过腔体内的抽气口抽取腔室内气体，配合真空压力计及其控制器，使腔室内气压达到实验设定的工艺值；然后通过腔体内进气口通入工艺气体，并打开热丝电源，电源正负极通过铜片对金属热丝进行导电加热，将热丝温度加热至2000℃以上，薄膜沉积反应开始进行；同时启动设备冷却系统，向腔体各部位的五条冷却水道中通入冷却水，维持反应腔体外壁的温度在40℃左右，薄膜沉积过程中，可以通过腔体外壁的两个观察窗进行直接观察；沉积过程结束后，关闭热丝电源，待腔室内温度降低至一定温度时打开腔体上盖，取出沉积好的样品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种化学气相沉积设备，该设备包括反应腔体和支撑台架，其特征在于，

所述支撑台架是所述反应腔体(10)的载体，所述反应腔体包括腔体和盖板(11)，该盖板设置在所述腔体的上方，用于使所述腔体形成密封的空间；所述腔体的外侧表面设置有多个凸台状的观察窗(19)；

所述腔体内部设置有衬底平台(50)和一组相对设置的热丝架(22)，所述相对设置的热丝架之间设置有金属热丝(54)，每个所述热丝架下方均设置有铜片(24)，该铜片与设置在所述下底板上的电源正极(21A)/负极(21B)导通，通电后用于加热所述金属热丝，其中，所述金属热丝还与设置在所述腔体外的弹簧拉伸装置(17)连接，该弹簧拉伸装置用于使所述金属热丝处于绷紧的状态，此外，所述腔体的侧壁上还设置有通孔(46)，测温仪穿过该通孔测量所述金属热丝的温度，与该测温仪连接的还有报警指示灯(35)和显示面板(34)，用于预警和显示所述热丝的温度；

所述衬底平台(50)设置在所述反应腔体的下底板上，介于所述相对设置的热丝架(22)之间，且位于所述金属热丝(54)下方，该衬底平台用于放置待沉积的基体材料；

所述盖板(11)、弹簧拉伸装置(17)、腔体的侧壁和下底板上均设置有冷却水道，用于冷却所述腔体。

2.如权利要求1所述的一种化学气相沉积设备，其特征在于，所述金属热丝优选采用钨丝或钽丝。

3.如权利要求1或2所述的一种化学气相沉积设备，其特征在于，所述热丝架分为两层，每层均为钼板，所述衬底平台也采用钼板。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种化学气相沉积设备，其特征在于，所述腔体的下底板上设置有多个所述进气口(52)和抽气口(53)，该进气口用于外界空气进入所述反应腔内，所述抽气口用于抽取所述反应腔内的气体。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种化学气相沉积设备，其特征在于，所述盖板与所述腔体之间设置有密封圈，用于密封所述腔体。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种化学气相沉积设备，其特征在于，所述观察窗(19)上设置有翻盖(19A)，该翻盖中心设置有方形孔，用于放置石英石玻璃(19C)。