CN109423631A - 气相沉积均匀加热装置及气相沉积炉 - Google Patents

气相沉积均匀加热装置及气相沉积炉 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了气相沉积均匀加热装置及气相沉积炉，包括至少两个间隙设置的加热板，所述加热板在与它们平行的同一投影面上的投影重合，且相邻加热板之间的间隙形成用于放置工件的加热空间，每个所述加热板的两端分别连接一石墨电极，每个所述石墨电极连接用于连接电源的铜电极。本发明设计精巧，通过在两个加热板的间隙之间形成用于放置工件的加热空间，两个加热板同时从两个相反方向直接对工件进行加热，一来具有更高的加热效率，减少热传递过程的热损耗，有利于降低能耗；同时，两面同时加热，有利于保证加热的均匀性，避免工件受热不均。

Description

气相沉积均匀加热装置及气相沉积炉
技术领域
本发明涉及气相沉积领域，尤其是气相沉积均匀加热装置及气相沉积炉。
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，加热体通过加热反应室，再由反应室将位于其内的进工件的加热。
又如申请号为200580042263.8揭示的带有射频加热的处理腔的化学气相沉积反应器，其采用在石英管反应室上绕制射频线圈，通过RF线圈的RF 场形成涡流，使得石英管内的石墨管被加热，石墨管再将处理腔作为一个整体通过热辐射进行加热。
这些结构，都存在一定问题：
一来，由于加热器位于反应室外，要实现反应室内部及工件的加热，就需要多个热量传递过程，每个过程都会存在较大的热量消耗损失，因此需要消耗大量的能源，存在能耗高、加热速度相对慢的问题。
另一方面，为了获得相对均匀的热分布，需要对加热器或射频线圈进行科学有效地布局，要求高、难度大，一旦射频线圈或加热器布置不合理，就会导致石墨管或反应室加热不均匀，而石墨管加热不均匀也势必造成处理腔内各区域加热不均匀，从而导致工件加热不均的问题。
同时，当进行多个工件同时加工时，由于石墨反应室的不同区域热量分布存在差异，因此，无法保证每个工件加热的均匀性，从而无法保证每个工件的成膜质量；另外，当存在工件加热不均的情况时，无法有效的通过调整加热器输出的热量来实现补偿。
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，通过对工件进行双面同时加热，从而提供保证工件热均匀性的气相沉积均匀加热装置及采用上述均匀加热装置的气相沉积炉。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
气相沉积均匀加热装置，包括至少两个间隙设置的加热板，所述加热板在与它们平行的同一投影面上的投影重合，且相邻加热板之间的间隙形成用于放置工件的加热空间，每个所述加热板的两端分别连接一石墨电极，每个所述石墨电极连接用于连接电源的铜电极。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述加热板的输出功率可调。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述加热板为电阻加热方式。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述加热板从其一端开始呈蛇形线延伸到另一端，且其两端等高设置且分别设置有用于与所述石墨电极连接的连接孔。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述加热板为四个，任意相邻加热板的间距相同，它们形成三个加热空间。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：还包括与每个加热板贴近的热偶。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述铜电极具有自冷却机构，所述自冷却机构包括与所述铜电极的开口端密封连接的外管，所述外管通过冷却介质导入接头连接共轴贯穿其的内管，所述内管延伸到所述铜电极的内腔中，所述外管上还设置有冷却介质导出接口。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述冷却介质导入接头连接配水器。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述铜电极的外周还连接有用于连接电源的接线排。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述加热板位于一保温箱内。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述石墨电极延伸到所述保温箱中，所述石墨电极通过氮化硼管与保温箱绝缘。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述保温箱为石墨毡形成的壳体。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述保温箱的顶部设置有排气组件，其底部设置有反应气体均匀导入组件。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述排气组件包括至少一个排气石墨管，所述排气石墨管连接收集盒，所述收集盒通过排气管路连接的过滤器，所述过滤器连接排气组件。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：所述反应气体均匀导入组件包括至少一条呈T字形的匀气管路，所述匀气管路包括从保温箱外延伸到其内部的气体导入管，所述气体导入管位于保温箱内的一端连接有三通过渡接头，所述三通过渡接头共轴的两个接口分别连接一匀气管，至少一个所述匀气管的出气孔朝向所述保温箱的底部。
优选的，所述的气相沉积均匀加热装置，其中：每条所述匀气管路与一个加热空间对应。
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支架，还包括上述任一的气相沉积均匀加热装置。
优选的，所述的全表面气相沉积炉，其中：所述铜电极及热偶从所述真空室外延伸到真空室内，并分别通过防水安装法兰连接所述真空室。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明设计精巧，通过在两个加热板的间隙之间形成用于放置工件的加热空间，两个加热板同时从两个相反方向直接对工件进行加热，一来省去了部分的热传递过程，具有更高的加热效率，减少热传递过程的热损耗，有利于降低能耗；同时，两面同时加热，有利于保证加热的均匀性，避免工件受热不均。
通过对加热板形状的设计，能够保证其热量输出的均衡性，从而保证对工件整个幅面的均匀加热，避免受热不均。
当有多个工件同时加工时，每个元件都由两个加热板从两个方向直接进行等效加热，因此不会产生加热不均的问题，能够保证每个工件加热的均匀性。
通过热偶检测每个加热板对应区域的温度，能够及时知晓每个加热板输出的功率是否符合要求，并能够在通过单独调节每个加热板的输出功率来实现温度的补偿。
铜电极自带冷却结构，能够一定程度上缓解加热过程中，铜电极所承受的高温。
设置多条匀气管路，且每条匀气管路与一个加热空间对应，能够保证反应气体分布的均匀性，从而保证每个工件沉积的均匀性，同时，可以根据需要调整每个区域的反应气体供应量，可调性更强。
由于匀气孔向保温箱的底部设置，因此能够大大缓解气流直接向上流出造成的反应气体分布不均匀，影响镀膜质量的问题。
附图说明
图1 是背景技术中所述的现有技术；
图2是本专利中的加热装置的示意图；
图3是本专利中包括排气组件、配水器及反应气体均匀导入组件的加热装置的示意图；
图4是本专利中反应气体均匀导入组件的示意图；
图5是本专利中气相沉积炉的主视图。
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。
本发明揭示了气相沉积均匀加热装置，如附图2所示，包括至少两个间隙设置的加热板30，所述加热板30在与它们平行的同一投影面上的投影重合，且相邻加热板30之间的间隙形成用于放置工件1的加热空间140，每个所述加热板30的两端分别连接一石墨电极40，每个所述石墨电极40连接铜电极50，所述铜电极50的外周还连接有用于连接电源的接线排90，所述接线排90优选为铜接线排，当然也可以是其他可行的接线排。
优选的实施例中，如附图2所示，所述加热板30为四个，任意相邻加热板30的间距相同，它们形成三个加热空间140，因此，可以进行三个工件的同时加热，并且，所述加热板30为电阻加热方式，优选为石墨材质，从而使得每个所述加热板30的输出功率可调，具体的，每个加热板30采用单独的电源进行供电，另外，如附图5所示，每个加热板30的侧面贴近设置有用于检测加热板和工件之间局部区域温度的热偶60，加热时，通过所述热偶60可以检测出每个加热板30对应区域的温度，从而可以确定几个加热板30对应区域的温度是否一致，当不一致时，即可能存在加热不均的情况，因此可以通过调整相应电源来调整对应的加热板30的输出功率，从而保证每个加热板30对应区域温度的一致性，进而保证多个工件1加热的均匀性。
并且，为了保证加热板30热量输出的均匀性，如附图2所示，所述加热板30从其一端开始呈蛇形线延伸到另一端，任意相邻两个竖板之间的间隙相等，且每个加热板30的两端等高设置，另外，为了方便与石墨电极40连接，所述加热板30的两端分别设置有用于与所述石墨电极40上的通孔相匹配的连接孔301，它们通过螺栓及螺母连接固定。
进一步，由于工作时，各部件均处于较高的温度环境中，相对于加热板及石墨电极，所述铜电极50更易受高温的影响，因而，如附图2所示，需要使所述铜电极50具有自冷却机构70，所述自冷却机构70包括与所述铜电极50的开口端密封连接的外管701，所述外管701通过冷却介质导入接头702连接共轴贯穿其的内管（图中未示出），所述内管延伸到所述铜电极50的内腔中且与所述铜电极的内腔底部保持间隙，所述外管701上还设置有冷却介质导出接口703。
工作时，冷却介质通过所述冷却介质导入接头流到所述内管中，并通过内管的底部开口进入到所述铜电极的内部进行冷却，冷却介质填充满所述铜电极50的内腔中，并通过所述外管703上的冷却介质导出接口703流出，从而通过冷却介质不断地流入、流出实现对铜电极50的冷却。
所述冷却介质可以是冷却液也可以是冷却气体等，本实施例中优选为冷却液，进一步优选为水冷，具体的，如附图3所示，所述冷却介质导入接头702通过管路（图中未示出）连接配水器80，所述配水器80包括若干路供水支路，每个所述铜电极50的冷却介质导入接头702连接一个供水支路，并且所述配水器80包括透明观察窗（图中未示出），从而可以随时观察配水器80的内部的运行状况。
并且，除了保持加热的均匀性外，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，对应的，如附图3所示，将所有的加热板30设置于一保温箱11内，由于石墨毡具有良好的保温、隔热的性能，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，当然在其他实施例中，也可以采用具有同等性能的材质形成保温箱，在此不再赘述。
由于加热板30均位于所述保温箱11内，对应的，所述石墨电极40至少有部分要延伸到所述保温箱11中，因此石墨电极40就必须要贯穿保温箱11的侧壁，两者之间就会产生接触，而石墨毡保温箱11具有一定的导电性能，会对石墨电极40和加热板30之间的导电情况产生影响，因此，如附图5所示，所述保温箱11上还设置有一组通孔，每个所述通孔中设置有绝缘套，所述石墨电极40插接在所述绝缘套中，从而实现与保温箱11的绝缘；并且，由于氮化硼具有耐高温、化学稳定性等特性，因此所述绝缘套优选为氮化硼管100，当然也可以是其他具有同样特性的材料制成的套管。
进一步，由于加热板位于所述保温箱11中，因此气相沉积反应在保温箱11内完成，对应的，反应气体也必须要导入到所述保温箱11中，由此，如附图3所示，所述保温箱11上设置有反应气体均匀导入组件120。
具体的，所述反应气体均匀导入组件120位于所述保温箱11的底部，如附图4所示，所述反应气体均匀导入组件120包括至少一条呈T字形的匀气管路1201，优选所述匀气管路1201为3条，且它们间隙设置，一条匀气管路1201与一个加热空间140对应。
这样设置带来的好处是：一方面，三条管路间隙分开，能够保证整个保温箱11内反应气体的均匀性，避免常规的单孔供气，反应气体主要集中在中部区域，造成反应气体分布不均匀的问题；另一方面，可以根据实际沉积的薄膜质量调整每条匀气管路的反应气体的供应量，从而能够保证每个加热空间140内工件周围的反应气体浓度没有较大差异，保证同一批次产品度镀膜质量的一致性。
更详细的来看，如附图4所示，每条所述匀气管路1201包括从保温箱11外延伸到其内部的气体导入管1202，每个所述气体导入管1202位于所述保温箱11外的一端分别连接反应气体供应管路（图中未示出），所述气体导入管1202位于所述保温箱11内的一端连接有三通过渡接头1203，所述三通过渡接头1203共轴的两个接口分别连接一匀气管1204，每条匀气管路1201中的至少一个所述匀气管1204的出气孔1205朝向所述保温箱11的底部，优选两根所述匀气管1204的出气孔1205均朝向所述保温箱11的底部。
之所以设置出气孔1205的朝向是因为：常规的气孔直接朝向工件的设计，反应气体流出时，会存在一定的气流冲击，由于气流上升速度较快，反应气体不易均匀扩散，易集中在真空室的中部区域，导致反应气体分布不均匀，同时气流冲击也易造成反应室内的均匀的气体分布被打乱；而出气孔1205朝向保温箱11的底部，反应气体从出气孔1205流出后，不会对保温箱内的气氛环境产生气流冲击，并且反应气体在从保温箱底部上升的过程中，有充分的时间和空间进行扩散，从而能够保证反应气体分布的均匀性。
对应的，由于反应过程在保温箱11中进行，反应过程中产生的废气也需要由所述保温箱11中排出，由此，如附图3所示，所述保温箱11的顶部还设置有排气组件110，所述排气组件110包括至少一个排气石墨管1101，优选为三个且并排设置，三个所述排气石墨管1101连接同一收集盒1102，所述收集盒通过排气管路1103连接过滤器1104，所述过滤器1104连接气体排放组件1105，不仅能够及时将反应产生的废气排出保温箱11中，还通过过滤器1104进行过滤后，避免对环境造成的影响，环境友好性更佳。
更进一步，本发明还揭示了采用上述气相沉积均匀加热装置的全表面气相沉积炉，如附图5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，每个所述密封门82与所述真空室主体81枢轴连接，并且每个所述密封门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5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。
所述真空室8内设置有所述保温箱11，具体的，如附图5所示，所述保温箱11架设于所述真空室8内的支架5上，每个所述铜电极50从所述真空室8外延伸到真空室8内，且分别通过防水安装法兰130与所述真空室8连接，每个所述铜电极50上的接线排90、冷却介质导入接头702、冷却介质导出接口703均位于所述真空室8外以便于接线和外接管道；每个所述热偶60均从所述真空室8外延伸到其内的保温箱11内，它们同样通过防水安装法兰与所述真空室8连接，另外，连接所述气体导入管1202的进气管均从所述真空室8外延伸到所述真空室8内。
整个气相沉积炉工作时，将三个工件设置于真空室中的驱动机构上，此时三个工件等高且分别位于一个所述加热空间140中，电源启动后，各加热板30对位于加热空间中的工件1进行加热，同时配水器80通过管路向每个铜电极的自冷却机构供水实现铜电极的冷却，当温度达到相应的反应条件时，通过反应气体均匀导入组件120通入反应气体进行反应，另外，所述排气组件实时将废气排出到保温箱11外进行过滤后再排放或再利用。
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 (15)

1.气相沉积均匀加热装置，其特征在于：包括至少两个间隙设置的加热板（30），所述加热板（30）在与它们平行的同一投影面上的投影重合，且相邻加热板（30）之间的间隙形成用于放置工件的加热空间（140），每个所述加热板（30）的两端分别连接一石墨电极（40），每个所述石墨电极（40）连接用于连接电源的铜电极（50）。
2.根据权利要求1所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述加热板（30）的输出功率可调。
3.根据权利要求1所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述加热板（30）为电阻加热方式。
4.根据权利要求3所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述加热板（30）从其一端开始呈蛇形线延伸到另一端，其两端等高设置且分别设置有用于与所述石墨电极（40）连接的连接孔（301）。
5.根据权利要求4所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述加热板（30）为四个，任意相邻加热板（30）的间距相同，它们形成三个加热空间（140）。
6.根据权利要求1-5任一所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：还包括与每个加热板（30）贴近的热偶（60）。
7.根据权利要求6所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述铜电极（50）具有自冷却机构（70），所述自冷却机构（70）包括与所述铜电极（50）的开口端密封连接的外管（701），所述外管（701）通过冷却介质导入接头（702）连接共轴贯穿其的内管，所述冷却介质导入接头（702）连接配水器（80）；所述内管延伸到所述铜电极（50）的内腔中，所述外管（701）上还设置有冷却介质导出接口（703）。
8.根据权利要求7所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述铜电极（50）的外周还连接有用于连接电源的接线排（90）。
9.根据权利要求7所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述加热板（30）位于一保温箱（11）内，所述保温箱（11）为石墨毡形成的壳体。
10.根据权利要求9所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述石墨电极（40）延伸到所述保温箱（11）中，所述石墨电极（40）通过氮化硼管（100）与保温箱（11）绝缘。
11.根据权利要求9所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述保温箱（11）的顶部设置有排气组件（110），其底部设置有反应气体均匀导入组件（120）。
12.根据权利要求11所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述排气组件（110）包括至少一个排气石墨管（1101），所述排气石墨管（1101）连接收集盒（1102），所述收集盒通过排气管路（1103）连接过滤器（1104），所述过滤器（1104）连接气体排放组件（1105）。
13.根据权利要求11所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：所述反应气体均匀导入组件（120）包括至少一条呈T字形的匀气管路（1201），所述匀气管路（1201）包括从保温箱（11）外延伸到其内部的气体导入管（1202），所述气体导入管（1202）位于保温箱（11）内的一端连接有三通过渡接头（1203），所述三通过渡接头（1203）共轴的两个接口分别连接一匀气管（1204），所述匀气管（1204）的出气孔(1205)朝向所述保温箱（11）的底部。
14.根据权利要求13所述的气相沉积均匀加热装置，其特征在于：每条所述匀气管路（1201）与一个加热空间（140）对应。
15.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）还包括权利要求1-14任一所述的气相沉积均匀加热装置，所述铜电极（50）及热偶（60）从所述真空室（8）外延伸到真空室（8）内，并分别通过防水安装法兰（130）连接所述真空室（8）。
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