CN108277476A - 一种利用热cvd法的碳化硅沉积处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，包括炉体、气液输送装置、炉腔加热装置、工件放置装置、真空抽气装置以及电气控制系统，其中：所述气液输送装置包括气液混合预热装置以及进气管网，所述进气管网一端与气液混合预热装置连接，另一端设有连接在炉体上；所述炉体的底部设有炉门，所述炉门与驱动该炉门做升降运动的炉门升降机构连接；所述工件放置装置包括工件托盘以及驱动工件托盘转动的托盘驱动机构，该工件放置装置设置于炉门上；所述电气控制系统包括控制器，该控制器分别与气液输送装置、炉腔加热装置、炉门升降机构以及托盘驱动机构进行电连接。该碳化硅沉积处理设备能实现碳化硅薄膜的自动化大批量生产。

Description

一种利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备

技术领域

本发明涉及一种碳化硅沉积设备，具体涉及一种利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备。

背景技术

碳化硅涂层是一种常见的碳化硅制备方法，通过在目标基体的表面涂上薄层，利用碳化硅的耐磨性、耐腐蚀性以及抗氧化性，为各种缺少相应优异特性的目标基体提供有效的防护。其中，制备碳化硅涂层常用的方法为化学气相沉积法(CVD)和先驱体转化法(PIP)等离子热喷涂法等。目前，CVD法在国内常见于实验室制备SiC样品，将需制备SiC涂层的试样放入反应管中，以碳硅烷作为单一先驱体原料，在950-1300℃负压条件下沉积SiC涂层在试样表面，难以实现工业化的大批量生产。现有技术中虽然有一些工业化CVD法批量制备涂层，但是这些设备自动化程度不高，生产能力低，无法进行大批量自动化生产。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现自动化大批量生产的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，包括炉体、用于向炉体输送气液介质的气液输送装置、用于对炉体的炉腔进行加热的炉腔加热装置、用于放置待处理工件的工件放置装置、用于对炉腔进行抽真空的真空抽气装置以及电气控制系统，其中：

所述气液输送装置包括气液混合预热装置以及进气管网，所述进气管网一端与气液混合预热装置连接，另一端设有若干个分布在炉体上的充气口；

所述炉体的底部设有炉门，所述炉门与驱动该炉门做竖直方向运动以实现炉门开启或关闭的炉门升降机构连接；

所述工件放置装置包括工件托盘以及驱动工件托盘转动的托盘驱动机构，该工件放置装置设置于炉门上；

所述电气控制系统包括控制器，该控制器分别与气液输送装置、炉腔加热装置、炉门升降机构以及托盘驱动机构进行电连接。

上述利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备的工作原理是：

在电气控制系统的控制下，炉门升降机构带动炉门打开，将待处理的石墨工件放置到工件托盘上，并由托盘驱动机构带动托盘转动；真空抽气装置对炉腔进行抽真空，然后由气液输送装置向炉内通入氩气，然后进行抽真空，再通入氩气，反复多次，用氩气置换炉内的空气；接着启动炉腔加热装置对炉腔进行加热，同时继续对沉积炉内进行抽真空，直至沉积炉内的温度达到所需的沉积温度，接着保温一定时间，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内达到一定压力，然后再对沉积炉进行抽真空；接着让氢气、氩气以及烷烃同时通入到气液混合预热装置中，形成混合气体，并且向气液混合预热装置通入液态氯硅烷，由气液混合预热装置对混合气体和液态氯硅烷进行预热，使液态氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而通过进气管网将带有氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；经过一定的沉积时间后，停止向气液混合预热装置中输送氢气、氯硅烷以及烷烃，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温；然后对沉积炉内进行充气，待压力达到一定值后，打开炉体，取出带有碳化硅涂层的石墨工件。

本发明的一个优选方案，其中，所述进气管网包括设在炉腔顶部的螺旋盘管、进气接头座以及若干路进气管道；其中，所述螺旋盘管的进气端与气液混合预热装置连接，排气端与进气接头座的进气口连接，所述进气接头座具有与进气管道数量相等的出气口，且进气接头座的每个出气口与一路进气管道连接；所述进气管道包括与进气接头座的出气口连接的水平管道和竖直向下延伸的竖直管道；所述竖直管道靠近炉腔的一侧设有若干个等距排布的进气件，每个进气件的出气孔构成一个充气口。通过上述结构，反应气体从气液混合预热装置的加温箱中传输到螺旋盘管中，由于螺旋盘管的传输路径较长，从而有足够的空间对反应气体进一步预热，以及充分混合，接着由进气接头座将已经充分混合的反应气体分成多路进行传输，再经过在竖直方向上均匀排布的进气件的喷洒，使得反应气体可以均匀地分散在炉腔内。

优选地，所述进气件与竖直管道之间设有螺纹接头座，通过螺纹结构实现进气件与竖直管道的连接，安装更加方便。

优选地，所述进气管道中的水平管道为直角管道，该直角管道具有向下延伸的连接段，所述竖直管道的上端连接在该连接段上。通过采用直角管道，实现水平管道在炉体顶部边沿的弯折，从而便于与竖直管道连接，使得整个进气管道能够紧贴炉体的壁体延伸。

优选地，所述进气件为石墨进气管，该石墨进气管内的出气孔为喇叭形结构。通过喇叭形结构，增大了出气孔的孔径，减少因出气口被沉积物堵住而更换石墨进气管的次数。

本发明的一个优选方案，其中，所述炉体的内壁上设有保温毡，所述竖直管道设置于炉体的内壁与保温毡之间；所述进气件穿过保温毡往炉腔中心的方向延伸。这样，通过设置保温毡对炉体进行保温，将竖直管道设置于保温毡和炉体内壁之间，防止竖直管道内的气体与炉体内部进行热交换而影响正常的反应。

优选地，所述进气管道为三路，且沿着炉腔顶部的圆周方向均匀分布。这样设置的目的是，使得反应气体在炉体内分散得更加均匀，以获得质量更好的沉积物。

本发明的一个优选方案，其中，所述炉门的外侧设有支撑架，所述支撑架包括位于炉门下方的支撑底架和若干个固定在支撑底架上的立柱，该立柱等距环绕在炉体的外侧；所述立柱的上端均设有安装件；

所述炉门升降机构包括用于驱动炉门升降的驱动电机、升降丝杆以及软轴，所述升降丝杆的下端通过固定连接结构连接在炉门的外壁上，上端穿过安装件向上延伸，所述安装件上设有与升降丝杆配合的丝杆螺母；所述软轴的一端连接在驱动电机的输出端，另一端通过可以驱动丝杆螺母转动的传动结构与丝杆螺母连接。这样，在驱动电机的驱动下，软轴进行转动，从而带动丝杆螺母转动，从而带动升降丝杆做竖向运动，实现炉门的开启和关闭。

优选地，所述立柱为三个，每个立柱处均设置一个升降丝杆，所述软轴为两个；所述驱动电机设置在其中一个立柱的安装件上，且该驱动电机的输出端通过同步带与第一转轴连接，该第一转轴的一端通过联轴器与第一条软轴的一端连接，该第一条软轴的另一端通过传动结构与第一个升降丝杆对应的丝杆螺母连接；所述第一转轴的另一端通过联轴器与第二转轴的一端连接，该第二转轴通过传动机构与第二个升降丝杆对应的丝杆螺母连接，所述第二个升降丝杆位于与驱动电机所在安装件对应的立柱处；所述第二转轴的另一端通过联轴器与第二条软轴的一端连接，该第二条软轴的另一端通过传动结构与第三个升降丝杆对应的丝杆螺母连接。上述结构，通过设置可弯曲转动的软轴来进行动力传递，从而可以通过一个驱动电机来驱动若干个升降丝杆进行升降运动，具体地，驱动电机的动力通过第一软轴和第二软轴分别驱动第一升降丝杆和第三升降丝杆运动，而第二升降丝杆则有第一转轴和第二转轴传递动力，既简化了设备的结构，又使得同步传动更加统一；另外，在电气控制系统的控制下，炉门的开启和闭合的运动都由低速-高速-低速三段组成，以实现运动的平稳性和快速性的目的，达到既能定位精确，又能节省炉门的开合时间。

优选地，所述传动机构由蜗轮蜗杆传动机构构成。具体地，软轴的动力传递给蜗轮蜗杆传动机构中的蜗杆，再由蜗杆带动涡轮转动，该涡轮与升降丝杆对应的丝杆螺母设置成一体，从而带动升降丝杆做升降运动，实现炉门的开和关。

优选地，所述安装件中蜗杆的一端上设有制动器，通过设置该制动器，当驱动电机启动时，制动器通电，处于打开的状态，不会对蜗杆制动；当驱动电机停止时，制动器会延时一定时间后断电，处于关闭的状态，从而对蜗杆进行制动。

优选地，所述第一转轴上设有力矩限制器，该力矩限制器的一侧设有位置检测行程开关，这样，一旦转动时的力矩超载，力矩限制器就会触碰位置检测行程开关，从而发出报警信号，进而采取应急措施，让驱动电机停止工作。

本发明的一个优选方案，其中，所述托盘驱动机构包括呈环形的太阳轮、驱动太阳轮转动的太阳轮驱动机构以及若干个行星盘；其中，所述工件托盘设置在行星盘上；所述炉门底部的中间设有竖直向上延伸的中心轴，该中心轴的下端设有固定齿轮，上端设有支撑盘；所述支撑盘通过转动连接结构连接在中心轴的上端，所述固定齿轮固定连接在中心轴的下端；所述固定齿轮的上方设有对支撑盘进行支撑的中心轴承座；

所述行星盘均通过固定连接结构连接在支撑盘和太阳轮之间，每个行星盘的下方设有与固定齿轮啮合的行星齿轮；所述行星齿轮与行星盘之间设有行星轴，该行星轴的上端通过转动连接结构穿过行星盘与工件托盘固定连接，下端固定连接在行星齿轮上。

上述托盘驱动机构的工作原理为：在电气控制系统的控制下，太阳轮驱动机构开始驱动太阳轮绕着中心轴进行转动，从而带动位于太阳轮上的行星盘和工件托盘进行公转运动；其中，由于位于中心轴下端的固定齿轮固定不动，所以随着太阳轮进行公转时，位于行星盘下方的行星齿轮沿着固定齿轮的圆周转动，从而带动位于行星轴顶端的工件托盘绕着行星轴转动，形成自转运动；这样，通过托盘驱动机构中的公转和自转运动，让石墨工件表面的各个部位获得相同的沉积机会，使得石墨工件可以获得更加均匀的沉积物薄膜。

优选地，所述太阳轮为环形齿轮，该环形齿轮的轮齿设置在外缘上；所述太阳轮驱动机构包括与太阳轮啮合的主动轮、主动轴以及主动电机，所述主动轴的一端与主动轮固定连接，另一端固定在主动电机的输出端上。通过上述结构，在主动电机的驱动下，太阳轮随着主动轮进行转动，使得工件托盘上的石墨工件进行公转和自转运动，开始进行沉积工作。

本发明的一个优选方案，其中，所述真空抽气装置包括在沉积开始前对炉腔进行抽真空的第一真空泵和在沉积开始后对沉积的炉腔进行抽真空的第二真空泵；所述第一真空泵与炉体之间设有第一管道，所述第二真空泵与炉体之间设有第二管道。通过上述结构，在沉积工作开始前，先由第一真空泵对炉腔进行抽真空，将炉腔的杂质气体抽走；当炉腔内真空度和温度达到预定值后，开始通入反应气体，开始沉积工作，再由第二真空泵对炉腔进行抽真空，作用是将反应后新生成的废气和少量未完全反应的气体抽出。

优选地，所述第一真空泵为滑阀真空泵；所述第一管道上沿着靠近炉体的方向依次设有第一手动充气阀、手摇式挡板阀以及真空压力表。基于上述结构，沉积工作开始前的抽真空操作步骤为，先将第一手动充气阀打开，关闭手摇式挡板阀，然后启动滑阀真空泵，一定时间后关闭第一手动充气阀，接着打开手摇式挡板阀，对炉腔进行抽气，直到炉腔内的压力为预定的负压值，停止滑阀真空泵；其中，在停止滑阀真空泵的过程中，先关闭手摇式挡板阀，再打开手动充气阀，最后按下滑阀真空泵的停止按钮。

优选地，所述第二真空泵为水环式真空泵；所述第二管道上沿着靠近炉体的方向依次设有第二手动充气阀、手动挡板阀以及电动阀门。基于上述结构，第二真空泵进行抽废气的操作步骤为，先关闭手动挡板阀，打开第二手动充气阀，然后启动水环式真空泵，一定时间后关闭第二手动充气阀，并打开手动挡板阀，同时将电动阀门设定到合适的角度，由电气控制系统对电动阀门进行控制；在整个沉积过程中，水环式真空泵一直工作，确保炉腔内的压力稳定，以及将废气及时排出。

本发明的一个优选方案，其中，所述炉体的一侧设有废气处理系统，该废气处理系统包括装有碱性溶液的一级中和箱、过滤箱以及排气管，所述排气管连接在一级中和箱和过滤箱的顶端；所述一级中和箱与第二真空泵之间设有第三管道，该第三管道的一端与第二真空泵的出口连接，另一端延伸到一级中和箱的底部；所述一级中和箱与过滤箱之间设有将一级中和箱中的溶液输送至过滤箱的第一排水管；所述过滤箱中设有对在一级中和箱中排出的废液进行过滤的过滤网。通过上述结构，在第二真空泵的作用下，将炉腔内酸性的废气通入到一级中和箱中，由装有碱性溶液的一级中和箱对废气进行中和处理，再将处理后的废液排到过滤箱中，由过滤箱的过滤网对废液进行过滤，将中和反应所产生的沉积物过滤掉，最后将处理完的废水排出；其中，部分不溶于水的废气可直接从排气管排出。

优选地，所述第三管道上设有调节阀，通过调节调节阀，可以控制流进一级中和箱的废气的流量。

本发明的一个优选方案，其中，还包括二级中和箱，所述一级中和箱和二级中和箱分别设在过滤箱的前后两侧，所述过滤箱与二级中和箱之间通过第二排水管连接；所述一级中和箱和二级中和箱上均设有酸碱度测量器。设置两个中和箱的目的在于，可以进一步对废气进行处理，利用二级中和箱对过滤箱中排出的水中还混杂着废气或废液进行进一步的处理；设置酸碱度测量器的目的在于，用于检测中和箱中溶液的酸碱度，一旦接近中性，即可提示工作人员添加碱性物质。

本发明的一个优选方案，其中，所述二级中和箱的一侧设有清水箱和冷水机；所述冷水机与清水箱之间设有进水管和出水管，所述清水箱与二级中和箱之间设有第三排水管；所述进水管和第三排水管上均设有抽水泵；所述清水箱与第二真空泵之间设有循环管。上述结构，在抽水泵的作用下，先将二级中和箱中处理后的水抽到清水箱中，再由清水箱中抽到冷水机中，经过冷却后，再将水送回到清水箱中，最后从清水箱中经过循环管通往第二真空泵中，并与废气一同通入到一级中和箱中；其中，设置冷水机的作用在于，可以将水保持在较低的温度，这样可以提高气体的溶解度，以溶解更多的废气。

优选地，所述中和箱、过滤箱和清水箱的下端均设有排污阀。

本发明的一个优选方案，其中，所述炉体的外侧还设有冷却系统，该冷却系统包括进水腔、出水腔和若干条连接在进水腔与出水腔之间的冷却管道；所述冷却管道从进水腔开始，分别经过待冷却区域后连接到出水腔中。这样，冷却水从进水腔中流到对应的待冷却区上，对待冷却区进行冷却后再流到出水腔中人，从而使得沉积炉快速降温。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

在电气控制系统的控制下，各个装置开始有秩序的分工协作，先由炉门升降机构自动地将炉门打开，将待处理的石墨工件放置到工件托盘后，托盘驱动机构带动托盘转动，然后由真空抽气装置对炉腔进行抽真空，再启动炉腔加热装置对炉腔进行加热，直至沉积炉内的真空度和温度达到预定值，进而通入已经预热的反应气体，经过一定的沉积时间后，对沉积炉进行冲洗、降温以及充气，取出碳化硅涂层的石墨工件；在整个沉积工作的过程中，实现了全自动的生产，从而可以实现碳化硅涂层的自动化大批量生产。

附图说明

图1为本发明的碳化硅沉积处理设备的一种具体实施方式的结构简图。

图2为图1中的进气管网的立体剖视图。

图3为图2中的螺旋盘管的立体结构示意图。

图4为图2中的进气接头座的立体结构示意图。

图5为图2中的进气件的立体结构示意图。

图6为图1中的炉门升降机构的主视图。

图7为图1中的炉门升降机构的俯视图。

图8为图1中的托盘驱动机构的第一局部剖视图。

图9为图1中的托盘驱动机构的第二局部剖视图。

图10为图1中的托盘驱动机构的公转和自转的原理图。

图11为图1中的真空抽气装置和废气处理系统的流程图。

图12为图1中的冷却系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1，本实施例中的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，包括炉体A、用于向炉体A输送气液介质的气液输送装置、用于对炉体A的炉腔进行加热的炉腔加热装置B、用于放置待处理工件的工件放置装置、用于对炉腔进行抽真空的真空抽气装置H以及电气控制系统，其中：所述气液输送装置包括气液混合预热装置C以及进气管网D，所述进气管网D一端与气液混合预热装置C连接，另一端设有若干个分布在炉体A上的充气口；所述炉体A的底部设有炉门A1，所述炉门A1与驱动该炉门A1做竖直方向运动以实现炉门A1开启或关闭的炉门升降机构E连接；所述工件放置装置包括工件托盘F以及驱动工件托盘F转动的托盘驱动机构G，该工件放置装置设置于炉门A1上；所述电气控制系统包括控制器，该控制器分别与气液输送装置、炉腔加热装置B、炉门升降机构E以及托盘驱动机构G进行电连接。

所述气液混合预热装置C包括用于输送反应气体的进气系统和混合预热装置，所述进气系统包括液体管道和气体管道，所述混合汽化预热装置内设有汽化管道、预热管道、输出管道和加热装置，所述汽化管道一端、预热管道一端和所述气体管道连接或导通，所述汽化管道另一端连接所述液体管道，所述预热管道另一端连接所述输出管道，所述输出管道与进气管网D连接，所述加热装置用以给混合汽化预热装置内元件加热。

所述炉腔加热装置B包括电极、第一连接件、紧固件及若干连接于第一连接件的加热件，所述第一连接件的重心部位形成有连接孔，所述电极穿过并凸出于所述连接孔，所述紧固件套设于所述电极凸出于所述连接孔的一端。所述加热装置的电极与所述高温炉的铜电极连接。

参见图2-5，所述进气管网D包括设在炉腔顶部的螺旋盘管1d、进气接头座2d以及若干路进气管道；其中，所述螺旋盘管1d的进气端与气液混合预热装置C连接，排气端与进气接头座2d的进气口连接，所述进气接头座2d具有与进气管道数量相等的出气口，且进气接头座2d的每个出气口与一路进气管道连接；所述进气管道包括与进气接头座2d的出气口连接的水平管道3d和竖直向下延伸的竖直管道4d；所述竖直管道4d靠近炉腔的一侧设有若干个等距排布的进气件5d，每个进气件5d的出气孔构成一个充气口。通过上述结构，反应气体从气液混合预热装置C的加温箱中传输到螺旋盘管1d中，由于螺旋盘管1d的传输路径较长，从而有足够的空间对反应气体进一步预热，以及充分混合，接着由进气接头座2d将已经充分混合的反应气体分成多路进行传输，再经过在竖直方向上均匀排布的进气件5d的喷洒，使得反应气体可以均匀地分散在炉腔内。

参见图2，所述进气件5d与竖直管道4d之间设有螺纹接头座6d，通过螺纹结构实现进气件5d与竖直管道4d的连接，安装更加方便。

参见图2，所述进气管道中的水平管道3d为直角管道，该直角管道具有向下延伸的连接段，所述竖直管道4d的上端连接在该连接段上。通过采用直角管道，实现水平管道3d在炉体A顶部边沿的弯折，从而便于与竖直管道4d连接，使得整个进气管道能够紧贴炉体A的壁体延伸。

参见图5，所述进气件5d为石墨进气管，该石墨进气管内的出气孔为喇叭形结构。通过喇叭形结构，增大了出气孔的孔径，减少因出气口被沉积物堵住而更换石墨进气管的次数。

参见图2，所述炉体A的内壁上设有保温毡7d，所述竖直管道4d设置于炉体A的内壁与保温毡7d之间；所述进气件5d穿过保温毡7d往炉腔中心的方向延伸。这样，通过设置保温毡7d对炉体A进行保温，将竖直管道4d设置于保温毡7d和炉体A内壁之间，防止竖直管道4d内的气体与炉体A内部进行热交换而影响正常的反应。

参见图2，所述进气管道为三路，且沿着炉腔顶部的圆周方向均匀分布。这样设置的目的是，使得反应气体在炉体A内分散得更加均匀，以获得质量更好的沉积物。

参见图6-7，所述炉门A1的外侧设有支撑架，所述支撑架包括位于炉门A1下方的支撑底架1e和若干个固定在支撑底架1e上的立柱2e，该立柱2e等距环绕在炉体A的外侧；所述立柱2e的上端均设有安装件3e；所述炉门升降机构E包括用于驱动炉门A1升降的驱动电机4e、升降丝杆5e以及软轴6e，所述升降丝杆5e的下端通过固定连接结构连接在炉门A1的外壁上，上端穿过安装件3e向上延伸，所述安装件3e上设有与升降丝杆5e配合的丝杆螺母；所述软轴6e的一端连接在驱动电机4e的输出端，另一端通过可以驱动丝杆螺母转动的传动结构与丝杆螺母连接。这样，在驱动电机4e的驱动下，软轴6e进行转动，从而带动丝杆螺母转动，从而带动升降丝杆5e做竖向运动，实现炉门A1的开启和关闭。

参见图6-7，所述立柱2e为三个，每个立柱2e处均设置一个升降丝杆5e，所述软轴6e为两个；所述驱动电机4e设置在其中一个立柱2e的安装件3e上，且该驱动电机4e的输出端通过同步带7e与第一转轴连接，该第一转轴的一端通过联轴器8e与第一条软轴6e的一端连接，该第一条软轴6e的另一端通过传动结构与第一个升降丝杆5e对应的丝杆螺母连接；所述第一转轴的另一端通过联轴器8e与第二转轴的一端连接，该第二转轴通过传动机构与第二个升降丝杆5e对应的丝杆螺母连接，所述第二个升降丝杆5e位于与驱动电机4e所在安装件3e对应的立柱2e处；所述第二转轴的另一端通过联轴器8e与第二条软轴6e的一端连接，该第二条软轴6e的另一端通过传动结构与第三个升降丝杆5e对应的丝杆螺母连接。上述结构，通过设置可弯曲转动的软轴6e来进行动力传递，从而可以通过一个驱动电机4e来驱动若干个升降丝杆5e进行升降运动；具体地，驱动电机4e的动力通过第一软轴6e和第二软轴6e分别驱动第一升降丝杆5e和第三升降丝杆5e运动，而第二升降丝杆5e则有第一转轴和第二转轴传递动力，既简化了设备的结构，又使得同步传动更加统一；另外，在电气控制系统的控制下，炉门A1的开启和闭合的运动都由低速-高速-低速三段组成，以实现运动的平稳性和快速性的目的，达到既能定位精确，又能节省炉门A1的开合时间。

所述传动机构由蜗轮蜗杆传动机构构成。具体地，软轴6e的动力传递给蜗轮蜗杆传动机构中的蜗杆，再由蜗杆带动涡轮转动，该涡轮与升降丝杆5e对应的丝杆螺母设置成一体，从而带动升降丝杆5e做升降运动，实现炉门A1的开和关。

参见图7，所述安装件3e中蜗杆的一端上设有制动器9e，通过设置该制动器9e，当驱动电机4e启动时，制动器9e通电，处于打开的状态，不会对蜗杆制动；当驱动电机4e停止时，制动器9e会延时一定时间后断电，处于关闭的状态，从而对蜗杆进行制动。

参见图7，所述第一转轴上设有力矩限制器10e，该力矩限制器10e的一侧设有位置检测行程开关11e，这样，一旦转动时的力矩超载，力矩限制器10e就会触碰位置检测行程开关11e，从而发出报警信号，进而采取应急措施，让驱动电机4e停止工作。

参见图8，所述托盘驱动机构G包括呈环形的太阳轮1g、驱动太阳轮1g转动的太阳轮驱动机构以及若干个行星盘2g；其中，所述工件托盘F设置在行星盘2g上；所述炉门A1底部的中间设有竖直向上延伸的中心轴3g，该中心轴3g的下端设有固定齿轮4g，上端设有支撑盘5g；所述支撑盘5g通过转动连接结构连接在中心轴3g的上端，所述固定齿轮4g固定连接在中心轴3g的下端；所述固定齿轮4g的上方设有对支撑盘5g进行支撑的中心轴承座6g；所述行星盘2g均通过固定连接结构连接在支撑盘5g和太阳轮1g之间，每个行星盘2g的下方设有与固定齿轮4g啮合的行星齿轮7g；所述行星齿轮7g与行星盘2g之间设有行星轴8g，该行星轴8g的上端通过转动连接结构穿过行星盘2g与工件托盘F固定连接，下端固定连接在行星齿轮7g上。

参见图8，所述支撑盘5g通过推力调心滚子轴承12g和深沟球轴承13g组合安装在中心轴3g上，所述推力调心滚子轴承12g主要起到轴向的重力承载，深沟球轴承13g通过中心轴承座6g与支撑盘5g连为一体，主要承受径向的离心力，以及本身的不平衡力。推力调心滚子轴承12g与深沟球轴承7的配合使用，解决了摩擦和旋转时不平衡的问题，实现了石墨工件在炉内平稳的自转加公转行星运动。

参见图8-10，上述托盘驱动机构G的工作原理为：在电气控制系统的控制下，太阳轮驱动机构开始驱动太阳轮1g绕着中心轴3g进行转动，从而带动位于太阳轮1g上的行星盘2g和工件托盘F进行公转运动；其中，由于位于中心轴3g下端的固定齿轮4g固定不动，所以随着太阳轮1g进行公转时，位于行星盘2g下方的行星齿轮7g沿着固定齿轮4g的圆周转动，从而带动位于行星轴8g顶端的工件托盘F绕着行星轴8g转动，形成自转运动；这样，通过托盘驱动机构G中的公转和自转运动，让石墨工件表面的各个部位获得相同的沉积机会，使得石墨工件可以获得更加均匀的沉积物薄膜。

参见图8-10，所述太阳轮1g为环形齿轮，该环形齿轮的轮齿设置在外缘上；所述太阳轮驱动机构包括与太阳轮1g啮合的主动轮9g、主动轴10g以及主动电机11g，所述主动轴10g的一端与主动轮9g固定连接，另一端固定在主动电机11g的输出端上。通过上述结构，在主动电机11g的驱动下，太阳轮1g随着主动轮9g进行转动，使得工件托盘F上的石墨工件进行公转和自转运动，开始进行沉积工作。

参见图9，所述主动轴10g的轴向方向分别设置了三个轴承：上滚动轴承14g、中滚动轴承15g以及下滚动轴承16g，所述下滚动轴承16g的外侧还设有中空结构的下轴承座17g，该下轴承座17g将动密封环18g包在中间。通过设计了中空结构的下轴承座17g和靠近驱动电机的滚动轴承，一方面使得动力传动更加平稳，另一方面提高与炉门A1之间的密封性，保证产品质量。

参见图9，位于上滚动轴承14g和中滚动轴承15g外侧的上轴承座19g的上端设置有盖板20g，可以有效防止反应气体或沉积物进入轴承内部，造成卡滞，而下轴承座17g在安装下滚动轴承16g的同时还能给动密封环18g提供一定防护防止碰撞。

参见图9，通过在主动轴10g的轴向的不同位置点设置多个轴承的组合支撑结构，使得主动轴10g各位置的轴承可以更好地承受旋转带来的不同方位的径向载荷；其中，主动轴10g上设计的螺纹与轴套螺母21g的配合固定加强了主动轴10g刚性，从而很好的保证了轴向的稳定性，可以有效地解决因受到径向力过大、固定不牢靠使轴发生径向倾斜的问题，进而保证了动密封环18g的动静结合面的正确接触压力要求，以及实现了高温真空防腐装备的功能要求。

参见图11，所述真空抽气装置H包括在沉积开始前对炉腔进行抽真空的第一真空泵1h和在沉积开始后对沉积的炉腔进行抽真空的第二真空泵2h；所述第一真空泵1h与炉体A之间设有第一管道3h，所述第二真空泵2h与炉体A之间设有第二管道4h。通过上述结构，在沉积工作开始前，先由第一真空泵1h对炉腔进行抽真空，将炉腔的杂质气体抽走；当炉腔内真空度和温度达到预定值后，开始通入反应气体，开始沉积工作，再由第二真空泵2h对炉腔进行抽真空，作用是将反应后新生成的废气和少量未完全反应的气体抽出。

参见图11，所述第一真空泵1h为滑阀真空泵，滑阀泵具有较强的抽真空能力，在沉积开始前利用滑阀泵对炉腔进行抽真空，能够让炉腔获得更高的真空度。所述第一管道3h上沿着靠近炉体A的方向依次设有第一手动充气阀5h、手摇式挡板阀6h以及真空压力表7h。基于上述结构，沉积工作开始前的抽真空操作步骤为，先将第一手动充气阀5h打开，关闭手摇式挡板阀6h，然后启动滑阀真空泵，一定时间后关闭第一手动充气阀5h，接着打开手摇式挡板阀6h，对炉腔进行抽气，直到炉腔内的压力为预定的负压值，停止滑阀真空泵；其中，在停止滑阀真空泵的过程中，先关闭手摇式挡板阀6h，再打开手动充气阀，最后按下滑阀真空泵的停止按钮。

参见图11，所述第二真空泵2h为水环式真空泵，在沉积开始后利用水环式真空泵对沉积的炉腔进行抽真空，能够防止水环式真空泵被腐蚀。所述第二管道4h上沿着靠近炉体A的方向依次设有第二手动充气阀8h、手动挡板阀9h以及电动阀门10h。基于上述结构，第二真空泵2h进行抽废气的操作步骤为，先关闭手动挡板阀9h，打开第二手动充气阀8h，然后启动水环式真空泵，一定时间后关闭第二手动充气阀8h，并打开手动挡板阀9h，同时将电动阀门10h设定到合适的角度，由电气控制系统对电动阀门10h进行控制；在整个沉积过程中，水环式真空泵一直工作，确保炉腔内的压力稳定，以及将废气及时排出。

参见图11，所述炉体A的一侧设有废气处理系统I，该废气处理系统I包括装有碱性溶液的一级中和箱1i、过滤箱2i以及排气管3i，所述排气管3i连接在一级中和箱1i和过滤箱2i的顶端；所述一级中和箱1i与第二真空泵2h之间设有第三管道4i，该第三管道4i的一端与第二真空泵2h的出口连接，另一端延伸到一级中和箱1i的底部；所述一级中和箱1i与过滤箱2i之间设有将一级中和箱1i中的溶液输送至过滤箱2i的第一排水管5i；所述过滤箱2i中设有对在一级中和箱1i中排出的废液进行过滤的过滤网6i。通过上述结构，在第二真空泵2h的作用下，将炉腔内酸性的废气通入到一级中和箱1i中，由装有碱性溶液的一级中和箱1i对废气进行中和处理，再将处理后的废液排到过滤箱2i中，由过滤箱2i的过滤网6i对废液进行过滤，将中和反应所产生的沉积物过滤掉，最后将处理完的废水排出；其中，部分不溶于水的废气可直接从排气管3i排出。

参见图11，所述第三管道4i上设有手动调节阀，通过调节手动调节阀，可以控制流进一级中和箱1i的废气的流量。

参见图11，所述废气处理系统I还包括二级中和箱7i，所述一级中和箱1i和二级中和箱7i分别设在过滤箱2i的前后两侧，所述过滤箱2i与二级中和箱7i之间通过第二排水管8i连接；所述一级中和箱1i和二级中和箱7i上均设有酸碱度测量器9i。设置两个中和箱的目的在于，可以进一步对废气进行处理，利用二级中和箱7i对过滤箱2i中排出的水中还混杂着废气或废液进行进一步的处理；设置酸碱度测量器9i的目的在于，用于检测中和箱中溶液的酸碱度，一旦接近中性，即可提示工作人员添加碱性物质。

参见图11，所述二级中和箱7i的一侧设有清水箱10i和冷水机11i；所述冷水机11i与清水箱10i之间设有进水管12i和出水管13i，所述清水箱10i与二级中和箱7i之间设有第三排水管14i；所述进水管12i和第三排水管14i上均设有抽水泵15i；所述清水箱10i与第二真空泵2h之间设有循环管16i。上述结构，在抽水泵15i的作用下，先将二级中和箱7i中处理后的水抽到清水箱10i中，再由清水箱10i中抽到冷水机11i中，经过冷却后，再将水送回到清水箱10i中，最后从清水箱10i中经过循环管16i通往第二真空泵2h中，并与废气一同通入到一级中和箱1i中；其中，设置冷水机11i的作用在于，可以将水保持在较低的温度，这样可以提高气体的溶解度，以溶解更多的废气。

参见图11，所述中和箱、过滤箱2i和清水箱10i的下端均设有排污阀17i。

上述废气处理系统I包括三级水循环、两级中和、以及一次过滤，经过冷水机11i冷却的水循环地进入到水环式真空泵中，形成水循环处理系统。废气主要为酸性气体，需要在两级中和箱中添加一定量的碱性物质，并使之充分溶解。

参见图12，所述炉体A的外侧还设有冷却系统J，该冷却系统J包括进水腔1j、出水腔2j和若干条连接在进水腔1j与出水腔2j之间的冷却管道3j；所述冷却管道3j从进水腔1j开始，分别经过待冷却区域后连接到出水腔2j中。

参见图12，通过进水水管将冷却水通入到进水腔1j中，再从进水腔1j中进入到对应的冷却管道2j中，该冷却管道3j分别进入到需要冷却的部位，从上到下依次为：两组加热铜电极、炉盖、炉顶、炉体A侧部的上中下三位、左右抽气管道、炉门A1侧部和底部、真空泵以及冷凝罐，再从上述的部位流到2j出水腔中，最后从出水水管流出。上述进水水管和出水水管上均安装有与电气控制系统连接的压力传感器、用于检测各个支路的水温的热电偶以及数字压力表，其中，电气控制系统对所有的电气元件进行控制，并将所有的温度信号和水压信号均显示在电脑屏幕上。

本实施方式中，所述电气控制系统中的控制器为PLC控制器，其中，PLC分别与托盘驱动机构G中的变频器、炉门升降机构E的伺服驱动器、炉腔加热装置中B中的三相电流变送器、三相电压变送器、调功器、温控仪、真空调节阀、气液混合预热装置C中的称重仪与质量流量计等电气元件电连接。

具体地，PLC控制器通过控制变频器来控制主动电机11g的速度，使得石墨工件在沉积过程中连续低速运行；伺服驱动器控制驱动电机4e来驱动炉门A1的升降，升降运动由低速-高速-低速三段组成，以确保炉门A1开合的平稳性和快速性，这样既能定位精确，又能节省开合门时间。

在PLC控制器的控制下，先由调功器输出0-380伏三相交流信号给三相变压器，三相变压器将其转化成0-28伏交流信号，然后经过铜电极直接送入炉内发热体进行加热，该三相电压和三相电流信号经过三相电压变送器和三相电流变送器检测后反馈给PLC用于监控；热电偶直接与炉内的温控仪相连，PLC控制器通过温控仪进行通讯，实现加温配方的传送和温度的监控。

在气体管道中，各设有一台质量流量计对各反应气体进行流量监控，在液体管道中，由于液体原料具有强的腐蚀性和挥发性，所以不能直接使用质量流量计，则采用称重仪来对原料液体进行测量。

另外，在PLC控制器的控制下，通过调节真空调节阀来控制炉腔内的压力。

通过电气控制系统，所有的操作都在电脑上完成，同时电脑可以对炉温、炉压、水温、水压、流量、重量进行监控。尤其是对气体的MFC，除过可在本体上进行流量设定外，还可在电脑屏上进行远程数字化控制，更加方便和高效。

参见图1-12，本实施例中的碳化硅沉积处理设备的工作原理是：

在电气控制系统的控制下，炉门升降机构E带动炉门A1打开，将待处理的石墨工件放置到工件托盘F上，并由托盘驱动机构G带动工件托盘F转动；真空抽气装置H对炉腔进行抽真空，然后由气液输送装置向炉内通入氩气，然后进行抽真空，再通入氩气，反复多次，用氩气置换炉内的空气；接着启动炉腔加热装置B对炉腔进行加热，同时继续对沉积炉内进行抽真空，直至沉积炉内的温度达到所需的沉积温度，接着保温一定时间，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内达到一定压力，然后再对沉积炉进行抽真空；接着让氢气、氩气以及烷烃同时通入到气液混合预热装置C中，形成混合气体，并且向气液混合预热装置C通入液态氯硅烷，由气液混合预热装置C对混合气体和液态氯硅烷进行预热，使液态氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而通过进气管网D将带有氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；经过一定的沉积时间后，停止向气液混合预热装置C中输送氢气、氯硅烷以及烷烃，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温；然后对沉积炉内进行充气，待压力达到一定值后，打开炉门A1，取出带有碳化硅涂层的石墨工件。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，包括炉体、用于向炉体输送气液介质的气液输送装置、用于对炉体的炉腔进行加热的炉腔加热装置、用于放置待处理工件的工件放置装置、用于对炉腔进行抽真空的真空抽气装置以及电气控制系统，其中：

所述气液输送装置包括气液混合预热装置以及进气管网，所述进气管网一端与气液混合预热装置连接，另一端设有若干个分布在炉体上的充气口；

所述炉体的底部设有炉门，所述炉门与驱动该炉门做竖直方向运动以实现炉门开启或关闭的炉门升降机构连接；

所述工件放置装置包括工件托盘以及驱动工件托盘转动的托盘驱动机构，该工件放置装置设置于炉门上；

所述电气控制系统包括控制器，该控制器分别与气液输送装置、炉腔加热装置、炉门升降机构以及托盘驱动机构进行电连接。

2.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述进气管网包括设在炉腔顶部的螺旋盘管、进气接头座以及若干路进气管道；其中，所述螺旋盘管的进气端与气液混合预热装置连接，排气端与进气接头座的进气口连接，所述进气接头座具有与进气管道数量相等的出气口，且进气接头座的每个出气口与一路进气管道连接；所述进气管道包括与进气接头座的出气口连接的水平管道和竖直向下延伸的竖直管道；所述竖直管道靠近炉腔的一侧设有若干个等距排布的进气件，每个进气件的出气孔构成一个充气口；所述进气件与竖直管道之间设有螺纹接头座。

3.根据权利要求2所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述进气管道中的水平管道为直角管道，该直角管道具有向下延伸的连接段，所述竖直管道的上端连接在该连接段上；所述进气件为石墨进气管，该石墨进气管内的出气孔为喇叭形结构；所述炉体的内壁上设有保温毡，所述竖直管道设置于炉体的内壁与保温毡之间；所述进气件穿过保温毡往炉腔中心的方向延伸；所述进气管道为三路，且沿着炉腔顶部的圆周方向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述炉门的外侧设有支撑架，所述支撑架包括位于炉门下方的支撑底架和若干个固定在支撑底架上的立柱，该立柱等距环绕在炉体的外侧；所述立柱的上端均设有安装件；

所述炉门升降机构包括用于驱动炉门升降的驱动电机、升降丝杆以及软轴，所述升降丝杆的下端通过固定连接结构连接在炉门的外壁上，上端穿过安装件向上延伸，所述安装件上设有与升降丝杆配合的丝杆螺母；所述软轴的一端连接在驱动电机的输出端，另一端通过可以驱动丝杆螺母转动的传动结构与丝杆螺母连接。

5.根据权利要求4所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述立柱为三个，每个立柱处均设置一个升降丝杆，所述软轴为两个；所述驱动电机设置在其中一个立柱的安装件上，且该驱动电机的输出端通过同步带与第一转轴连接，该第一转轴的一端通过联轴器与第一条软轴的一端连接，该第一条软轴的另一端通过传动结构与第一个升降丝杆对应的丝杆螺母连接；所述第一转轴的另一端通过联轴器与第二转轴的一端连接，该第二转轴通过传动机构与第二个升降丝杆对应的丝杆螺母连接，所述第二个升降丝杆位于与驱动电机所在安装件对应的立柱处；所述第二转轴的另一端通过联轴器与第二条软轴的一端连接，该第二条软轴的另一端通过传动结构与第三个升降丝杆对应的丝杆螺母连接。

6.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述托盘驱动机构包括呈环形的太阳轮、驱动太阳轮转动的太阳轮驱动机构以及若干个行星盘；其中，所述工件托盘设置在行星盘上；所述炉门底部的中间设有竖直向上延伸的中心轴，该中心轴的下端设有固定齿轮，上端设有支撑盘；所述支撑盘通过转动连接结构连接在中心轴的上端，所述固定齿轮固定连接在中心轴的下端；所述固定齿轮的上方设有对支撑盘进行支撑的中心轴承座；

所述行星盘均通过固定连接结构连接在支撑盘和太阳轮之间，每个行星盘的下方设有与固定齿轮啮合的行星齿轮；所述行星齿轮与行星盘之间设有行星轴，该行星轴的上端通过转动连接结构穿过行星盘与工件托盘固定连接，下端固定连接在行星齿轮上。

7.根据权利要求6所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述太阳轮为环形齿轮，该环形齿轮的轮齿设置在外缘上；所述太阳轮驱动机构包括与太阳轮啮合的主动轮、主动轴以及主动电机，所述主动轴的一端与主动轮固定连接，另一端固定在主动电机的输出端上。

8.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述真空抽气装置包括在沉积开始前对炉腔进行抽真空的第一真空泵和在沉积开始后对沉积的炉腔进行抽真空的第二真空泵；所述第一真空泵与炉体之间设有第一管道，所述第二真空泵与炉体之间设有第二管道；

所述第一真空泵为滑阀真空泵；所述第一管道上沿着靠近炉体的方向依次设有第一手动充气阀、手摇式挡板阀以及真空压力表；所述第二真空泵为水环式真空泵；所述第二管道上沿着靠近炉体的方向依次设有第二手动充气阀、手动挡板阀以及电动阀门。

9.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述炉体的一侧设有废气处理系统，该废气处理系统包括装有碱性溶液的一级中和箱、过滤箱以及排气管，所述排气管连接在一级中和箱和过滤箱的顶端；所述一级中和箱与第二真空泵之间设有第三管道，该第三管道的一端与第二真空泵的出口连接，另一端延伸到一级中和箱的底部；所述一级中和箱与过滤箱之间设有将一级中和箱中的溶液输送至过滤箱的第一排水管；所述过滤箱中设有对在一级中和箱中排出的废液进行过滤的过滤网；

所述废气处理系统还包括二级中和箱，所述一级中和箱和二级中和箱分别设在过滤箱的前后两侧，所述过滤箱与二级中和箱之间通过第二排水管连接；所述一级中和箱和二级中和箱上均设有酸碱度测量器；所述二级中和箱的一侧设有清水箱和冷水机；所述冷水机与清水箱之间设有进水管和出水管，所述清水箱与二级中和箱之间设有第三排水管；所述进水管和第三排水管上均设有抽水泵；所述清水箱与第二真空泵之间设有循环管。

10.根据权利要求1所述的利用热CVD法的碳化硅沉积处理设备，其特征在于，所述炉体的外侧还设有冷却系统，该冷却系统包括进水腔、出水腔和若干条连接在进水腔与出水腔之间的冷却管道；所述冷却管道从进水腔开始，分别经过待冷却区域后连接到出水腔中。