CN115386861B - 一种化学气相沉积设备的导气管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学气相沉积设备的导气管及其制备方法，导气管包括管径相同的首管、尾管、n根中部连接管和n+1组加强翅片，n为大于等于2的整数，首管、尾管、中部连接管和翅片均为硅材料，首管、中部连接管、尾管依次连接，各个首管、尾管和中部连接管的接合部位对应位置分别设有一组加强翅片，加强翅片的首尾两端分别位于对应接合部位的两侧，管件的接合部位以及加强翅片与管体的贴合部位设有粘接材料。本发明导气管具有结构强度高、管腔同轴度高、密封性好、使用寿命长等优点。

Description

一种化学气相沉积设备的导气管及其制备方法
技术领域
本发明涉及气相沉积设备零件技术领域，具体而言，涉及一种化学气相沉积设备的导气管及其制备方法。
背景技术
化学气相沉积设备需要使用导气管，如半导体多晶硅薄膜沉积工艺(CVD-poly) ，由导气管将外部工艺气体输送至管腔内，由于管腔内的高温环境，导气管需要耐热并且有足够的洁净度，因此目前在8寸和12寸芯片制程工艺中，使用较多的是石英管，但是石英管由于膨胀系数和多晶硅差异较大，需要面临频繁的设备保养维护问题。
随着半导体硅材料的技术发展，其应用场景越来越广泛，其中多晶硅料也可以用来制作CVD工艺设备导气管。由于导气管长度较大，一般长度在500到1200mm，管内径较小，一般在4-6mm，因此导气管通常具有较大的长径比，并且导气管入口段为弯头结构，难以做到一体加工，硅材料的导气管需要进行机械加工。现有技术中，硅长管加工技术主要有以下两种方式：一是采用一体钻孔的方式进行加工，再通过不锈钢金属连接件，将弯头部分和直管部分连接，该类管径通常≥10mm，该方法不适用于较小管径，因为一体钻孔在较长的管长下难以保证钻孔的方向，会造成管腔同轴度偏离；二是将管体分成两件沿轴心对称的公母件，通过粘接形成管体结构，该方法加工上方便易行，但是较长的管体粘接面会造成粘接缺陷，导致导气管局部漏气。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提高硅材料导气管的管腔同轴度以及避免导气管局部漏气。
为解决上述问题，本发明提供一种化学气相沉积设备的导气管，包括管径相同的首管、尾管、n根中部连接管和n+1组加强翅片，n为大于等于2的整数，所述首管、所述尾管、所述中部连接管和所述加强翅片均为硅材料，所述首管为L型圆筒状结构，所述尾管和所述中部连接管为直圆筒状结构，各所述中部连接管头尾相连，位于首部所述中部连接管的首端与所述首管连接，位于尾部的所述中部连接管的尾端与所述尾管相连，各个所述首管、所述尾管和所述中部连接管的接合部位对应位置分别设有一组所述加强翅片，所述加强翅片的首尾两端分别位于对应所述接合部位的两侧，所述首管、所述尾管和所述中部连接管的接合部位设有粘接材料，所述加强翅片与所述首管/尾管/中部连接管的贴合部位设有所述粘接材料。
相对于现有技术，本发明导气管具有以下有益效果：各管件均为硅材料，与多晶硅膨胀系数相同，可以避免导气管使用过程中产生很大的内应力，延长导气管的使用寿命；管体分成首管、尾管和中部连接管，即将长管分成多个短管结构，可以避免高长径比的长管在钻孔过程中发生同心度偏离；多个短管进行轴向连接，不会产生很长的连接缝隙，可以减少发生局部漏气的风险；在管体的结合部位设置粘接材料，保证管件连接牢靠，提高接合部位的密封性；设置加强翅片可以对接合部位起到补强作用，避免首管、尾管和中部连接管从接合部位断开，保证导气管在高温工作条件下也具备很强的抗折与抗形变能力。
在优选或可选方案中，所述粘接材料的膨胀系数为2.3~2.7×10-6/℃。粘接材料的膨胀系数与多晶硅相近，降低了粘接面的内应力，可以避免管体反复受热后发生破裂，延长导气管的使用寿命。
在优选或可选方案中，所述首管的尾端和所述中部连接管的尾端均设有连接凸台，所述中部连接管的首端和所述尾管的首端均设有连接凹槽，所述连接凸台适于插入所述连接凹槽中形成套接。连接凸台和连接凹槽形成了公母连接结构，便于首管、尾管和中部连接管装配连接，且能有效避免涂胶时粘接剂内溢至导气管内表面，同时也能实现优良的密封效果。
在优选或可选方案中，所述加强翅片呈圆弧状长片结构，所述加强翅片的内径与所述中部连接管的外径相等。由此加强翅片可以与管体表面贴合，便于加强翅片装配，提高补强效果。
在优选或可选方案中，一组中所述加强翅片的数量为两个，一组中的两个所述加强翅片沿所述中部连接管的轴线对称设置，所述加强翅片的弧度介于π⁄6至5π⁄6之间。一组的两个加强翅片可以对管体两侧进行补强，相比于设置一个加强翅片具有更好地加强效果，限定加强翅片的弧度范围，既保证加强翅片具有很好的加强效果，又能便于安装，避免一组中的两个加强翅片相互干扰。
在优选或可选方案中，所述首管包括垂直段、接头段和平行段，所述垂直段和所述平行段为直圆筒状结构，所述接头段为立方体结构，所述垂直段的尾端与所述接头段相连，所述平行段的首端与所述接头段相连，所述垂直段和所述平行段相互垂直，所述垂直段、所述接头段和所述平行段的内部连通。首管由垂直段、接头段和平行段三段结构组成，形成了L型的管件，在垂直段和平行段设置立方体结构的接头段，不需要对管件进行弯折，便于加工成型，同时提高了结构强度。
本发明还提供上述化学气相沉积设备的导气管的制备方法，包括以下步骤：
S1、在首管、尾管、中部连接管需要接合的部位涂上粘接剂，按照设定顺序排列组合；
S2、将组合后的管体静置，待粘接剂的溶剂挥发后，形成初步粘接；
S3、将初步粘接的管体用治具垫起，将加强翅片涂布粘接剂并贴合在各首管/尾管/中部连接管的接合部位；
S4、等待加强翅片贴合处的溶剂挥发，形成初步粘接；
S5、将初步粘接的导气管放入高温炉中熔接，粘接剂烧结融化，与硅基材形成粘合，导气管冷却后各粘接面形成粘接材料。
上述方法中导气管的各管件熔接组合，先将待粘接的管件进行初步粘接，再在高温下使粘接剂烧结融化，与硅基材形成牢固且密封性极佳的粘合，由该方法制得的导气管结构强度高、管腔同轴度高、密封性好、使用寿命长。
在优选或可选方案中，所述粘接剂包括玻璃粉、二氧化硅溶胶溶液、增稠剂和溶剂，所述玻璃粉、二氧化硅溶胶溶液和增稠剂的质量比为30~50:1~2:1。管件使用特制的粘接剂连接，以玻璃粉作为粘接剂基础材料，配合二氧化硅溶胶溶液，经过特定比例混合，溶于溶剂中，形成具有一定初期粘接强度的粘接剂，玻璃粉经过高温烧结融化，与硅基材形成牢固且密封性极佳的粘合，由二氧化硅溶胶调整粘接材料的膨胀系数，使得粘接材料的膨胀系数与多晶硅接近，由此减少粘接面的内应力，延长导气管使用寿命。
在优选或可选方案中，所述玻璃粉的始融温度大于750℃，限定玻璃粉的始融温度，保证工况下，粘接材料为固态；玻璃粉的熔点为850~900℃，纯度大于99.9%，玻璃粉的熔点较低，在高温下烧结融化，可以与硅基材形成牢固且密封性极佳的粘合；玻璃粉的目数大于1500目，以保证粉体混合入溶剂时不会过快沉降，保证混合均匀。
在优选或可选方案中，所述步骤S5中，熔接温度为950~1100℃，熔接时间为1~4h。根据玻璃粉的特性选择熔接温度和熔接时间，保证熔接过程中玻璃粉烧结融化，在接合部位形成牢固粘合。
附图说明
图1为本发明实施例中化学气相沉积设备的导气管的结构图；
图2为本发明实施例中首管的结构图二；
图3为本发明实施例中中部连接管的结构图；
图4为本发明实施例中尾管的结构图；
图5为本发明实施例中加强翅片的结构图；
图6为本发明实施例中导气管的制备方法的流程图。
附图标记说明：
1-首管，11-垂直段，12-接头段，13-平行段，2-中部连接管，3-尾管，4-加强翅片，5-连接凸台，6-连接凹槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标记和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“首”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1至图5所示，本发明的实施例提供一种化学气相沉积设备的导气管，包括管径相同的一根首管1、一根尾管3、五根中部连接管2和六组加强翅片4，导气管的首尾方向与图1中左右方向对应。其中首管1为L型圆筒状结构，尾管3和中部连接管2均为直圆筒状结构。各管件组装连接在一起构成了导气管管体，具体地，各中部连接管2头尾相连，构成管体的主体部分，位于首部中部连接管2的首端与首管1连接，位于尾部的中部连接管2的尾端与尾管3相连。导气管的管体将长管分成多个短管结构，首管1、尾管3和中部连接管2可以分别加工成型，因此长径比较小，避免了高长径比的长管在钻孔过程中发生同心度偏离，组装后导气管的同心度高；并且多个短管进行轴向连接，连接缝隙长度较短，可以减少发生局部漏气的风险。组装后管体共有六个接合部位，各个接合部位对应位置分别设有一组加强翅片4，加强翅片4的首尾两端分别位于对应接合部位的两侧。设置加强翅片4可以对接合部位起到补强作用，避免管件从接合部位断开，保证导气管在高温工作条件下也具备很强的抗折与抗形变能力。
上述导气管的首管1、尾管3、中部连接管2和加强翅片4等零件均由硅材料加工而成，使得各管件的膨胀系数相同，消除了内应力，且导气管整体与多晶硅膨胀系数相同，可以避免导气管使用过程中产生很大的内应力，延长导气管的使用寿命。
进一步地，首管1、尾管3和中部连接管2的接合部位设置粘接材料，将各管件粘接在一起，由粘接材料连接管件可以提高接合部位的密封性，且生产工艺简单。加强翅片4与首管1/尾管3/中部连接管2的贴合部位也设有粘接材料，加强翅片4通过粘接的方式连接，便于生产安装，保证与管体贴合紧密。
在其他实施方式中，导气管的中部连接管2的数量为n，n为大于等于2的整数。导气管中接合部位的数量为n+1，则加强翅片4的组数也是n+1。中部连接管2和尾管3不宜过长，否则同心度容易偏离，在各实施方式中，中部连接管2和尾管3的长度小于等于300mm，通过改变中部连接管2的数量可以得到不同长度的导气管，满足工艺设备需要。
结合图2所示，首管1包括垂直段11、接头段12和平行段13，垂直段11和平行段13为直圆筒状结构，接头段12为立方体结构，垂直段11的尾端与接头段12相连，平行段13的首端与接头段12相连，垂直段11和平行段13相互垂直，垂直段11、接头段12和平行段13的内部连通，平行段13的尾端与一中部连接管2连接。首管1由垂直段11、接头段12和平行段13三段结构组成，形成了L型的管件，在垂直段11和平行段13设置立方体结构的接头段12，不需要对管件进行弯折，便于加工成型，同时提高了结构强度。
在各实施方式中，垂直段11和平行段13的长度小于等于200mm，避免出现长径比过大的情况，降低了管件钻孔过程的同心度偏离率。
结合图2至图4所示，首管1的平行段13的尾端设有连接凸台5；各中部连接管2的首端设有连接凹槽6，尾端设有连接凸台5；尾管3的首端设有连接凹槽6，连接凸台5适于插入连接凹槽6中形成套接。由此连接凸台5和连接凹槽6形成了公母连接结构，管件连接时将连接凸台5插入对应的连接凹槽6，便于各管件之间装配连接，且能有效避免涂胶时粘接剂内溢至导气管内表面。同时通过连接凸台5和连接凹槽6配合，使得导气管接合部位具有了优良的密封效果。
结合图1和图5所示，本实施例中一组中加强翅片4的数量为两个，一组中的两个加强翅片4沿所述中部连接管2的轴线对称设置，可以对导气管两侧进行补强，使导气管在高温工作条件下也具备较强的抗折与抗形变能力。
加强翅片4呈圆弧状长片结构，加强翅片4的内径与中部连接管2的外径相等，由此加强翅片4可以与首管1/尾管3/中部连接管2表面贴合，便于加强翅片4装配，保证了补强效果。本实施例中，加强翅片4的弧度为π⁄2，两侧加强翅片4配合可以起到很好的加强效果，且便于安装，一组中的两个加强翅片4不会相互干扰。在其他实施方式中，加强翅片4的弧度介于π⁄6至5π⁄6之间
结合图6所示，本发明的另一实施例提供上述化学气相沉积设备的导气管的制备方法，包括以下步骤：
S1、在首管1、尾管3、中部连接管2需要接合的部位涂上粘接剂，按照设定顺序排列组合，相连管件上的连接凸台5插入对应的连接凹槽6中，形成初步定位；
S2、将组合后的管体静置，待粘接剂的溶剂挥发后，形成初步粘接；
S3、将初步粘接的管体用治具垫起，将加强翅片4涂布粘接剂并贴合在各首管1/尾管3/中部连接管2的接合部位；
S4、等待加强翅片4贴合处的溶剂挥发，形成初步粘接；
S5、将初步粘接的导气管放入高温炉中熔接，粘接剂烧结融化，与硅基材形成粘合，导气管冷却后各粘接面形成粘接材料。
上述方法中所用粘接剂包括玻璃粉、膨胀系数调节剂、增稠剂和溶剂，控制述玻璃粉、膨胀系数调节剂和增稠剂的质量比为30~50:1~2:1。
粘接剂所用的玻璃粉低熔点高纯玻璃粉，纯度大于99.9%，玻璃粉中SiO2的含量大于80%，玻璃粉的膨胀系数与多晶硅相近。玻璃粉的始融温度大于750℃，保证工况下，粘接材料为固态。玻璃粉熔点控制在850~900℃，在高温下会烧结融化。玻璃粉目数大于1500目，保证粉体混合入溶剂时不会过快沉降。根据玻璃粉的特性选择熔接温度为950~1100℃，熔接时间为1~4h。
粘接剂所用的膨胀系数调节剂为二氧化硅溶胶溶液，二氧化硅溶胶粒径＜50nm，二氧化硅溶胶的含量为20~40%。二氧化硅溶胶表面存在大量硅羟基，在水解缩合后会形成二氧化硅微晶颗粒，因此在熔接工况下会一直保持良好的颗粒状态，对高温融化后的玻璃粉形成良好的支撑，增大液态玻璃的粘度，防止玻璃熔融后流动溢出，同时也可以降低熔融玻璃在冷却玻璃化的过程中对基材过大的牵扯应力。
粘接剂所用的增稠剂为羟乙基纤维素水溶液，乙基纤维素在溶剂挥发后提供混合粘接材料初期的粘接强度。
粘接剂所用的溶剂为无机溶剂，如水、甲醇、乙醇、丙酮等，可以使玻璃粉、膨胀系数调节剂、增稠剂在溶剂中混合均匀，保持暂时的稳定状态，粘接剂涂刷后溶剂会快速挥发。
粘接剂采用现场配制的方式，先在溶剂中加入增稠剂，混合均匀；按质量要求称取玻璃粉，将玻璃粉加入到具有增稠剂的溶剂中，混合均匀；再向加入增稠剂和玻璃粉的溶液中加入膨胀系数调节剂，混合均匀。采用现场制备的方式可以保证粘接剂的质量和稳定性，且限定了原料在溶剂中的添加顺序，使各原料可以混合均匀。
上述制备方法中导气管的各管件熔接组合，先将待粘接的管件进行初步粘接，再在高温下使粘接剂烧结融化，与硅基材形成牢固且密封性极佳的粘合，冷却后粘接材料的膨胀系数为2.3~2.7×10-6/℃，与多晶硅相近，由此降低了粘接面的内应力，可以避免管体反复受热发生破裂，延长了导气管的使用寿命。由上述方法制得的导气管具有结构强度高、管腔同轴度高、密封性好、使用寿命长等优点。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种化学气相沉积设备的导气管，其特征在于，包括管径相同的首管(1)、尾管(3)、n根中部连接管(2)和n+1组加强翅片(4)，n为大于等于2的整数，所述首管(1)、所述尾管(3)、所述中部连接管(2)和所述加强翅片(4)均为硅材料，所述首管(1)为L型圆筒状结构，所述尾管(3)和所述中部连接管(2)为直圆筒状结构，各所述中部连接管(2)头尾相连，位于首部所述中部连接管(2)的首端与所述首管(1)连接，位于尾部的所述中部连接管(2)的尾端与所述尾管(3)相连，各个所述首管(1)、所述尾管(3)和所述中部连接管(2)的接合部位对应位置分别设有一组所述加强翅片(4)，所述加强翅片(4)的首尾两端分别位于对应所述接合部位的两侧，所述首管(1)、所述尾管(3)和所述中部连接管(2)的接合部位设有粘接材料，所述加强翅片(4)与所述首管(1)/尾管(3)/中部连接管(2)的贴合部位设有所述粘接材料，所述粘接材料的膨胀系数为2.3~2.7×10-6/℃。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积设备的导气管，其特征在于，所述首管(1)的尾端和所述中部连接管(2)的尾端均设有连接凸台(5)，所述中部连接管(2)的首端和所述尾管(3)的首端均设有连接凹槽(6)，所述连接凸台(5)适于插入所述连接凹槽(6)中形成套接。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积设备的导气管，其特征在于，所述加强翅片(4)呈圆弧状长片结构，所述加强翅片(4)的内径与所述中部连接管(2)的外径相等。
4.根据权利要求3所述的化学气相沉积设备的导气管，其特征在于，一组中所述加强翅片(4)的数量为两个，一组中的两个所述加强翅片(4)沿所述中部连接管(2)的轴线对称设置，所述加强翅片(4)的弧度介于π⁄6至5π⁄6之间。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积设备的导气管，其特征在于，所述首管(1)包括垂直段(11)、接头段(12)和平行段(13)，所述垂直段(11)和所述平行段(13)为直圆筒状结构，所述接头段(12)为立方体结构，所述垂直段(11)的尾端与所述接头段(12)相连，所述平行段(13)的首端与所述接头段(12)相连，所述垂直段(11)和所述平行段(13)相互垂直，所述垂直段(11)、所述接头段(12)和所述平行段(13)的内部连通。
6.一种如权利要求1-5任一所述的化学气相沉积设备的导气管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在首管(1)、尾管(3)、中部连接管(2)需要接合的部位涂上粘接剂，按照设定顺序排列组合；
S2、将组合后的管体静置，待粘接剂的溶剂挥发后，形成初步粘接；
S3、将初步粘接的管体用治具垫起，将加强翅片(4)涂布粘接剂并贴合在各管体的接合部位；
S4、等待加强翅片(4)贴合处的溶剂挥发，形成初步粘接；
S5、将初步粘接的导气管放入高温炉中熔接，粘接剂烧结融化，与硅基材形成粘合，导气管冷却后各粘接面形成粘接材料。
7.根据权利要求6所述的化学气相沉积设备的导气管的制备方法，其特征在于，所述粘接剂包括玻璃粉、二氧化硅溶胶溶液、增稠剂和溶剂，所述玻璃粉、二氧化硅溶胶溶液和增稠剂的质量比为30~50:1~2:1。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积设备的导气管的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉的始融温度大于750℃，熔点为850~900℃，纯度大于99.9%，目数大于1500目。
9.根据权利要求8所述的化学气相沉积设备的导气管的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，熔接温度为950~1100℃，熔接时间为1~4h。
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