CN109423629B - 圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置及气相沉积炉 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置及气相沉积炉，包括至少一对配合支撑工件并驱动工件绕其中心轴自转的第一转盘和第二转盘，所述第一转盘和第二转盘绕各自的中心轴自转，并持续改变与工件的接触位置。本发明设计精巧，通过第一转盘和第二转盘配合支撑工件，并驱动工件自转，从而保证沉积过程中，能够实时改变工件与第一转盘和第二转盘的接触位置，避免工件的某一位置一直被遮挡，无法沉积成膜的问题，从而能够在一次沉积过程中实现工件的全表面沉积，并且保证沉积得到的膜层的均匀性，应用简单，膜层品质高。

Description

圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置及气相沉积炉

技术领域

本发明涉及气相沉积设备领域，尤其是一种圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置及气相沉积炉。

背景技术

化学气相淀积（CVD），指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。

CVD化学气相沉积炉是利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）的原理，将参与化学反应的物质，加热到一定工艺温度，在真空泵抽气系统产生的引力作用下，引至沉积室进行反应、沉积，生成新的固态薄膜物质。

如附图1所示的化学气相沉积炉，通常包括反应室、加热体、进气口、出气口、衬底支架等几部分，进气口在反应室的底部或顶部或侧边上，出气口通常与之相对，为使气相沉积均匀，进气口常采用同心圆筒的方式，衬底支架对准进气口，但是工件放置在衬底支架上无法移动，只能对显露在真空环境中的区域进行沉积，且最终得到的膜层的均匀性相对较差。

为了改善镀膜的质量，也有一些化学气相沉积炉内具有转盘机构使每一只吊挂于吊具上或平躺于衬底支架上的待加工件进行公转和/或自转，以实现沉积的均匀性。

然而这些结构，对于需要进行全表面沉积的圆盘类工件无法适用，主要是由于：在沉积过程中，衬底支架或吊具与圆盘类零件或多或少存在一定的接触区域，而这些被遮挡的区域始终无法沉积成膜，如果要使这些区域沉积成膜，就必须停止沉积过程，调整工件在吊具或夹具上的位置使工件被遮挡的部分显露出来后，再进行沉积，无法实现一次性全表面沉积，操作繁琐。

并且，即使调整工件在衬底支架或吊具上的位置后，继续沉积时还会有其他区域被遮挡，这就造成被遮挡区域和未被遮挡区域的膜层厚度存在差异，导致最终沉积得到的薄膜仍然存在不均匀的问题，影响薄膜的品质。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，通过驱动工件绕其中心轴自转以持续改变与支撑器件的接触位置，从而提供一种能够一次性实现工件全表面沉积的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置以及一种采用上述工件驱动装置的气相沉积炉。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，包括至少一对配合支撑工件并驱动工件绕其中心轴自转的第一转盘和第二转盘，工作时，所述第一转盘和第二转盘绕各自的中心轴自转，并持续改变与工件的接触位置。

优选的，所述第一转盘和第二转盘在与它们垂直的同一平面上的投影部分或全部重合，工作时，所述第一转盘和第二转盘绕它们的中心轴自转的方向相同且与工件的自转方向相反。

优选的，所述第一转盘和第二转盘为石墨转盘。

优选的，所述第一转盘和第二转盘的形状相同，它们均包括至少一个内凹于它们的圆周面且宽度相同的卡槽，所述卡槽包括具有深度差的浅槽区和深槽区。

优选的，所述第一转盘和第二转盘的尺寸相同且等高设置。

优选的，所述第一转盘和第二转盘中的一个为有动力转盘，另一个为无动力转盘。

优选的，所述第一转盘设置于与其原盘面垂直的主动轴上，所述主动轴可自转地架设于支架上，其一端连接驱动其自转的驱动机构；所述第二转盘设置于与所述主动轴等高且平行的从动轴上，所述从动轴可自转地架设于所述支架上。

优选的，所述驱动机构包括与所述主动轴连接的水冷传动轴，所述水冷传动轴上共轴设置有从动轮，所述从动轮通过同步带连接传动轮，所述传动轮通过行星减速机连接电机。

优选的，所述水冷传动轴包括圆周壁上设置有若干通孔的内水管，所述内水管的一端连接旋转接头，其另一端与用于连接主动轴的轴堵保持间隙或连接，所述内水管的外周还套装有与其共轴的外套管，所述外套管的一端与所述旋转接头密封连接，其另一端连接所述轴堵，所述外套管的外周还套装有使其与旋转接头密封连接的晶转磁流体，所述从动轮套装在所述晶转磁流体的外周。

优选的，所述晶转磁流体远离所述旋转接头的一端设置有套装在所述外套管上的波纹管密封组件。

优选的，所述晶转磁流体的外周套装有圆形编码器。

优选的，所述第一转盘和第二转盘为三对且等间隙设置。

圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，包括真空室，所述真空室包括圆柱形的真空室主体以及位于所述真空室主体的两个圆形开口处的密封门，所述真空室主体的外圆周面连接在支架上，所述气相沉积炉还包括上述的工件驱动装置。

优选的，所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，其中：所述第一转盘和第二转盘设置于所述真空室内的保温箱中。

优选的，所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，其中：所述保温箱为石墨毡箱体。

本发明技术方案的优点主要体现在：

1、本发明设计精巧，利用与齿轮副相近的原理，通过第一转盘和第二转盘配合支撑工件，并驱动工件自转，从而保证沉积过程中，能够实时改变工件与第一转盘和第二转盘的接触位置，避免工件的某一位置一直被遮挡，无法沉积成膜的问题，从而能够在一次沉积过程中实现工件的全表面沉积，并且保证沉积得到的膜层的均匀性，应用简单，膜层品质高。

2、石墨材质的转盘，相对于不锈钢等转盘，具有更高的熔点，能够应用于更高的环境温度中，且石墨转盘的自润滑性更佳，与工件接触时磨损小。

3、本发明的驱动结构可以应用于各种类型的圆盘类零件的全表面沉积，并且除了应用于气相沉积炉，也可以应用于其他需要进行一次性工件全表面加工的领域，应用范围广。

4、本发明的工件驱动装置能够同时进行多个工件的沉积，有利于提高加工效率。

5、本发明的转盘的驱动机构自带水冷结构，能够有效的保证气相沉积过程中，驱动机构在高温环境下的冷却要求，有利于保证驱动机构的工作效率、稳定性和延长驱动机构的使用寿命。

6、本发明的气相沉积炉通过真空室的设置方式以及工件驱动结构的设计，相对于常规的立式气相沉积或卧室气相沉积炉，结构更加精简，占用空间小。

7、将转盘设置于石墨毡保温箱中有利于保持高温条件的要求，能够加快沉积速率，减低加热时的能耗。

附图说明

图1 是背景技术中气相沉积炉的示意图；

图2是本发明的气相沉积炉的示意图；

图3是本发明的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置与真空室的组装状态示意图；

图4是本发明的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置与工件的工作状态示意图；

图5是本发明的第一圆盘和第二圆盘与投影面的状态示意图；

图6是驱动机构与主动轴连接状态示意图；

图7是驱动机构的示意图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，如附图2所示，包括真空室8，所述真空室8包括圆柱形的真空室主体81以及位于所述真空室主体81的两个圆形开口处的密封门82，所述密封门82与所述真空室主体81枢轴连接，并且所述密封门82优选通过四个呈长方形分布的夹紧器83与所述真空室主体81密封连接。

如附图2所示，所述真空室主体81的外圆周面连接支架9，从而使所述真空室主体81的中心轴的延伸方向与水平面平行，相对于常规的立式气相沉积炉（真空室主体的中心轴与水平面垂直），其密封门的位置比位于顶部的密封门要低很多，不再需要设置铁艺台阶等攀爬工具才能到达密封门的位置，有利于简化气相沉积炉的整体结构和后续操作；并且，炉内部件设置在内圆周面上，更能够充分利用真空室主体81的内部空间，同时，结合对内部结构的优化，能够减小真空室主体81的体积，实现气相沉积炉的小型化。

如附图2所示，所述气相沉积炉还包括圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置10，如附图3、附图4所示，所述圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置10包括至少一对配合支撑工件1并驱动工件1绕其中心轴X自转的第一转盘2和第二转盘3，它们均位于所述真空室8内且保持间隙，同时如附图5所示，所述第一转盘2和第二转盘3在与它们垂直的同一平面A上的投影部分或全部重合，优选它们的投影完全重合。

由于石墨具有耐高温性、较好的导电导热性、润滑性、化学稳定性及抗热震性等特性，因此所述第一转盘2和第二转盘3优选为石墨转盘，当然也可以是其他可行的转盘，如不锈钢转盘等；并且，如附图4所示，所述第一转盘2和第二转盘3的形状相同，它们均包括至少一个内凹于它们的圆周面且宽度相同的卡槽7，优选为一个，当然在其他实施例中，所述第一转盘/第二转盘也可延其轴心向增加厚度，变成辊状体，上面同时开多个卡槽，可以同时支撑多个工件；本实施例中进一步优选所述卡槽7包括具有深度差的浅槽区71和深槽区72，当然所述卡槽7的形状、尺寸是根据工件形状和尺寸所制作的仿形结构，满足工件能够卡设到所述卡槽7中且不会倾斜掉落即可。

进一步优选所述第一转盘2和第二转盘3的尺寸相同且等高设置，即它们的投影完全重合。

工作时，所述第一转盘2和第二转盘3绕各自的中心轴Y、Z自转，并持续改变与工件的接触位置，同时，所述第一转盘2和第二转盘3的自转方向相同且与工件的自转方向相反。

并且，本实施例中优选所述第一转盘2和第二转盘3中的一个为有动力转盘，另一个为无动力转盘，当然在其他实施例中也可以使它们都是有动力的转盘。

具体而言，如附图4所示，所述第一转盘2优选为三个且等间隙的设置于与其原盘面垂直的主动轴4上，所述主动轴4可自转地架设于支架5上，所述第二转盘3同样为三个且与所述第一转盘2一一对应，它们设置于与所述主动轴4等高且平行的从动轴6上，所述从动轴6可自转地架设于所述支架5上。

其中，如附图2、附图3所示，所述支架5包括两个间隙且镜像对称设置的分部，每个分部固定于所述真空室主体81的内圆周面上设置的一个支撑件84上，每个分部包括用于连接支撑件84的连接横板51和用于支撑所述主动轴4和从动轴6的连接竖板52，它们相互垂直，且它们之间设置有三角形的加强板53，两个所述连接竖板52上本别设置有用于连接主动轴4和从动轴6的轴承（图中未示出），所述主动轴4和从动轴6分别连接两个共轴的轴承，从而实现自转，并带动位于其上的第一转盘2和第二转盘3自转。

而要使所述第一转盘2有动力，如附图2、附图3、附图6、附图7所示，所述主动轴4的一端延伸到所述真空室8外并连接驱动所述主动轴4自转的驱动机构20，所述驱动机构20包括与所述主动轴4连接的水冷传动轴201，所述水冷传动轴201上共轴设置有从动轮202，所述从动轮202通过同步带203连接传动轮204，所述传动轮204通过行星减速机205连接电机206，所述行星减速机205固定于在固定板210上。

由于所述水冷传动轴201位于高温的真空室8内，因此其自身也会具有较高的温度，相应的热量就会传递到连接在其上的各个部件上，从而影响整个驱动机构20的性能，因此就需要在所述水冷传动轴201上设置冷却结构。

详细来说，如附图6、附图7所示，所述水冷传动轴201包括内水管2011，所述内水管2011的圆周壁上设置有若干通孔（图中未示出），所述内水管2011的一端连接旋转接头2012，其另一端与用于连接主动轴4的轴堵2013的连接或保持间隙，所述轴堵2013与所述主动轴4的对应端螺栓连接，所述内水管2011的外周还套装有与其共轴的外套管2014，所述外套管2014的一端通过螺栓与所述旋转接头2012连接，其另一端连接所述轴堵2013。

工作时，通过所述旋转接头2012连接冷却液源，冷却液通过所述旋转接头2012进入内水管2011，再通过内水管2011上的通孔流入到所述外套管和内水管2011之间的间隙，并从所述旋转接头2012上的另一出口流出，从而进行外套管2014和内水管2011的冷却；当然也可以使冷却液通入到内水管2011和外套管2014之间的区域，然后通过内水管上的通孔进入内水管，然后从旋转接头2012与内水管连接的开口流出。

进一步，考虑到水冷结构的密封要求，如附图7所示，在所述外套管2014的外周还套装有使其与旋转接头密封连接的晶转磁流体2015，所述从动轮202套装在所述晶转磁流体2015的外周，所述晶转磁流体2015远离所述第一转盘2的一端延伸超过所述外套管2014与旋转接头2012的连接区域并通过锁紧螺母与旋转接头2012锁紧密封连接，所述晶转磁流体2015的另一端通过卡接于所述外套管2014上的定位槽中，并通过法兰盘与所述外套管2014连接。

并且，如附图6所示，所述晶转磁流体2015远离所述旋转接头2012的一端还设置有套装在所述外套管2014上且与所述晶转磁流体2015的端面法兰连接的波纹管密封组件207，所述波纹管密封组件207通过法兰密封连接下述真空室上的连接管209，从而实现所述水冷传动轴201与下述真空室8的密封连接。

进一步优选的实施例中，如附图6所示，所述晶转磁流体2015的外周套装有圆形编码器208，从而能够准确知晓主动轴4的转速，便于进行转轴转速的控制。

当然在其他实施例中，所述驱动机构20也可以是其他可行的机构，并且考虑到驱动机构20与真空室8之间的密封要求，所述驱动机构20可以是由电机、行星减速、磁耦合式联轴器及连接所述主动轴4的传动轴所构成的机构，此处为现有技术，在此不再赘述。

进行气相沉积时，需要工件及反应环境维持高温状态，因此还需要采取一定的保温措施，以免热量散失，造成较大的能耗，如附图2所示，所述第一转盘2和第二转盘3设置于所述真空室8内的保温箱11中，所述保温箱11架设于两个所述支架5的连接横板51，并且，由于石墨毡具有良好的保温、隔热的性能好，且耐高温、耐腐蚀、不熔融，因此本实施例中优选所述保温箱11优选为石墨毡箱体。

本发明的气相沉积炉工作时，其过程如下：

将几个工件1分别插接到一对第一转盘2和第二转盘3中的卡槽7中，此时，工件1与第一转盘2和第二转盘3平行且部分重合，启动所述电机206，驱动所述传动轮204转动并通过同步带203带动所述从动轮202转动，所述从动轮202继而带动所述水冷传动轴201上的外套管转动，外套管转动又带动所述主动轴4自转，主动轴自转4带动位于其上的第一转盘2自转，第一转盘2通过其与工件1的之间摩擦力驱动所述工件1沿所述第一转盘2自转方向的反方向自转，工件1自转后又通过第二转盘3与其之间摩擦力驱动所述第二转盘3沿其自转方向的相反方向自转，由于工件1在沉积过程中不断的自转，因此它与第一转盘2和第二转盘3卡接的位置持续不断的进行变换，也就没有一个位置始终被遮挡，所以可以实现一次性沉积镀膜。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：包括至少一对配合支撑工件（1）并驱动工件（1）绕其中心轴（X）自转的第一转盘（2）和第二转盘（3），工作时，所述第一转盘（2）和第二转盘（3）绕各自的中心轴（Y、Z）自转，并持续改变与工件的接触位置；所述第一转盘（2）和第二转盘（3）的形状相同，它们均包括至少一个内凹于它们的圆周面且宽度相同的卡槽（7），所述卡槽（7）包括具有深度差的浅槽区（71）和深槽区（72）；所述第一转盘（2）设置于与其原盘面垂直的主动轴（4）上，所述主动轴（4）可自转地架设于 支架（5）上，其一端连接驱动其自转的驱动机构（20）；所述驱动机构（20）包括与所述主动轴（4）连接的水冷传动轴（201），所述水冷传动轴（201）上共轴设置有从动轮（202），所述从动轮（202）通过同步带（203）连接传动轮（204），所述传动轮（204）通过行星减速机（205）连接电机（206）；所述第二转盘（3）设置于与所述主动轴（4）等高且平行的从动轴（6）上，所述从动轴（6）可自转地架设于所述支架（5）上。

2.根据权利要求1所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述第一转盘（2）和第二转盘（3）在与它们垂直的同一平面（A）上的投影部分或全部重合，工作时，所述第一转盘（2）和第二转盘（3）的自转方向相同且与工件的自转方向相反。

3.根据权利要求1所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述第一转盘（2）和第二转盘（3）为石墨转盘。

4.根据权利要求1所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述第一转盘（2）和第二转盘（3）的尺寸相同且等高设置。

5.根据权利要求1所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述水冷传动轴（201）包括圆周壁上设置有若干通孔的内水管（2011），所述内水管（2011）的一端连接旋转接头（2012），其另一端与用于连接主动轴（4）的轴堵（2013）保持间隙或连接，所述内水管（2011）的外周还套装有与其共轴的外套管（2014），所述外套管（2014）的一端与所述旋转接头（2012）密封连接，其另一端连接所述轴堵（2013），所述外套管（2014）的外周还套装有使其与旋转接头（2012）密封连接的晶转磁流体（2015），所述从动轮（202）套装在所述晶转磁流体（2015）的外周。

6.根据权利要求5所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述晶转磁流体（2015）远离所述旋转接头（2012）的一端连接有套装在所述外套管 （2014）上的波纹管密封组件（207）。

7.根据权利要求6所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述晶转磁流体（2015）的外周套装有圆形编码器（208）。

8.根据权利要求1-7任一所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用工件驱动装置，其特征在于：所述第一转盘（2）和第二转盘（3）为三对且等间隙设置。

9.圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，包括真空室（8），其特征在于：所述真空室（8）包括圆柱形的真空室主体（81）以及位于所述真空室主体（81）的两个圆形开口处的密封门（82），所述真空室主体（81）的外圆周面连接支架（9），所述气相沉积炉还包括权利要求 1-8任一所述的工件驱动装置（10）。

10.根据权利要求9所述的圆盘类零件一次性全表面沉积用气相沉积炉，其特征在于：所述第一转盘（2）和第二转盘（3）设置于所述真空室（8）内的保温箱（11）中，所述保温箱（11）为石墨毡箱体。

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