CN115394688A - 一种磁场真空热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场真空热处理装置，包括支架，所述支架一侧安装有超导磁体，另一侧表面设有导轨，超导磁体内设有热处理炉，热处理炉一端与真空系统连接，另一端为开口状，且位于开口一侧设有悬臂组件；其中，悬臂组件由水平输送部和竖直支撑部组成，竖直支撑部底端与导轨上安装的滑块固定连接，水平输送部上设有用于放置待热处理工件的存储腔和与热处理炉开口相匹配的挡圈；另外改装置还包括热处理炉上的气冷以及悬臂组件上水冷结构以及存储腔内的温控元件。本发明装置具有磁场均匀性高、炉体均温性好、真空度高、冷却速度可控制、悬臂组件变形小、冷却效率高、制作成本低等优点，能够更好地适用于半导体材料热处理。

Description

一种磁场真空热处理装置

技术领域

本发明属于磁场真空热处理设备技术领域，具体涉及一种磁场真空热处理装置，用于对半导体材料(如晶片、薄膜等)进行热处理。

背景技术

众所周知，磁场热处理是指在磁场环境中将材料保温一定时间后冷却或以一定的速度在磁场中冷却的热处理过程。通过磁场热处理，可以使材料样品内部或表面膜材的内应力得到释放，使材料的性能得到稳定，对于磁性材料而言，还可以获得定向磁场，在洁净环境中使材料性能进行转换，实现其特殊功能。

目前，一般磁场热处理是在室温环境中或者低真空的环境中的进行热处理工作，但是在室温或者低真空的条件下无法满足一些对强磁场和高真空环境有要求的工件的处理，例如半导体晶片、薄膜及其半导体材料，据研究表明，针对半导体材料在强磁场、高真空环境下进行热处理，能够使半导体材料不仅表现出超导性，而且能够使材料微粒表现迈斯纳效应，提升半导体材料性能。

对于在磁场真空热处理装置中处理的半导体材料需要严格控制各个方向均匀性，但现有技术，一般是在腔体内部设置固定样品架，难以保证，另外对于冷却时间、冷却速度以及冷却温度等参数不能精准控制，导致热处理后产品效果不理想，难以满足人们对半导体高性能的要求。

有鉴于此，本发明人提出一种磁场真空热处理装置，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种磁场真空热处理装置，主要用于在强磁场、高真空环境下对半导体晶片、薄膜及其他样品等进行加热退火，通过真空下炉冷或通入惰性气体进行快速冷却，完成工件所需热处理工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种磁场真空热处理装置，包括支架，所述支架沿纵向一侧安装有用于产生磁场的超导磁体，另一侧表面上铺设有导轨，所述超导磁体内部设置有用于加热的热处理炉，所述热处理炉的一端与真空系统连接，所述热处理炉的另一端为开口状，且位于开口一侧设置有用于装取待热处理工件的悬臂组件；

其中，所述悬臂组件由水平输送部和竖直支撑部组成，两者形成“

型”结构，所述水平输送部的中心线与热处理炉的中心线重合，所述竖直支撑部的底端与导轨上安装的滑块固定连接，所述水平输送部靠近热处理炉开口一端设置有用于放置待热处理工件的存储腔，所述水平输送部靠近竖直支撑部位置处设置有与热处理炉开口一端相匹配的挡圈，用于密封热处理炉的腔体；

所述热处理炉纵向设置于超导磁体中心孔内，且所述热处理炉的轴线与超导磁体中心孔的轴线重合。

进一步地，所述热处理炉由内向外依次包括石英管层、加热体层、保温层和双层水冷无磁水冷套，所述热处理炉腔室内、靠近真空系统的一端设置有第一反射屏，所述热处理炉另一端、位于石英管层外侧设置有O型密封圈。

进一步地，所述热处理炉的两端分别设置有冷却工件用的压缩空气进气口和出气口，所述进气口通过管道与输出压缩空气设备相连通，所述管道上设置有压缩空气流量计。

进一步地，所述存储腔位于水平输送部前端，所述存储腔的顶部开口，并铰接设置有箱盖，所述存储腔内底部设置有支撑、旋转待热处理工件的旋转盘，所述旋转盘的竖直底端与水平设置的传动杆一端通过锥齿轮啮合传动，所述传动杆另一端穿过挡圈后与固定设置在挡圈外侧的第一电机连接；

所述挡圈外侧壁上、传动杆与第一电机的连接处设置有密封件。

进一步地，所述水平输送部外壁上、位于存储腔处缠绕有水冷盘管，所述水冷盘管的进水口和出水口均设置在挡圈外侧，且所述出水口位于进水口的下方，所述进水口处设置有水流量计；

所述存储腔内、位于旋转盘的外围设置有测温元件。

进一步地，所述水平输送部外壁上、位于存储腔与挡圈之间设置有第二反射屏。

进一步地，所述支架上、位于导轨上方安装有驱动机构，所述驱动机构用于驱动滑块和悬臂组件共同沿导轨方向做直线移动。

进一步地，所述驱动机构包括水平设置于导轨上方的丝杠，所述丝杠的两端均设置有轴承座，所述轴承座固定设置在支架表面上，所述轴承座通过安装的轴承与丝杠活动连接，所述丝杠与滑块螺纹连接，所述丝杠远离热处理炉的一端伸出轴承座后与第二电机的输出轴通过联轴器连接。

进一步地，所述装置还包括可拆卸整机防护罩，所述整机防护罩将超导磁体、导轨、热处理炉、真空系统和悬臂组件完全包覆，且位于悬臂组件处开设有操作窗口。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

本发明一种磁场真空热处理装置，该装置由超导磁体、热处理炉、真空系统、悬臂组件以及驱动机构等核心部件组成；其中，在悬臂组件上开设用于放置待热处理工件的存储腔，且在存储腔内设置有旋转盘，不仅方便取放工件，而且能够使工件各个方向受热均匀，另外通过对进出炉体组件的压缩空气流量的控制以及悬臂组件上水冷盘管的水流量控制，实现热处理冷却速度的精准控制，从而提高热处理的效果，满足人们对半导体高性能的要求。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种磁场真空热处理装置整体结构示意图；

图2为本发明热处理炉结构示意图；

图3为本发明悬臂组件结构示意图。

其中：1为支架；2为超导磁体；3为导轨；4为热处理炉；5为真空系统；6为悬臂组件；7为滑块；8为驱动机构；9为整机防护罩；41为石英管层；42为加热体层；43为保温层；44为双层水冷无磁水冷套；45为第一反射屏；46为O型密封圈；47为进气口；48为出气口；61为水平输送部；62为竖直支撑部；611为存储腔；612为挡圈；613为旋转盘；614为传动杆；615为第一电机；616为密封件；617为水冷盘管；618为第二反射屏；6171为进水口；6172为出水口；81为丝杠；82为轴承座；83为第二电机；84为联轴器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1～3所示，本发明一种磁场真空热处理装置，包括支架1，所述支架1沿纵向(或长度方向)一侧安装有用于产生强磁场的超导磁体2，另一侧表面上铺设有导轨3，超导磁体2中心孔内设置有用于加热的热处理炉4，热处理炉4的轴线与超导磁体1中心孔的轴线重合，热处理炉4的一端与真空系统5连接，热处理炉4的另一端为开口状，且位于开口一侧设置有用于装取待热处理工件的悬臂组件6，悬臂组件6可移动的设置在导轨3上。通过以上设置，当需要对工件(如半导体材料)进行真空热处理时，仅需将该工件装入悬臂组件6中，然后驱动含有工件的部分进入热处理炉4内，设定时间、温度等参数，即可对工件进行热处理工艺。

优选的，本发明实施例的超导磁体2中心孔处水平设置有低温恒温器，低温恒温器外侧设置有超导线圈，超导线圈外侧设置有制冷机，通过外部电源励磁，在中心处产生强磁场。真空系统5由复合式多级罗茨泵和分子泵组成，真空度高，真空系统5位于热处理炉4左端，与炉体真空腔体直连，真空测量元气件均设置有屏蔽磁场结构件，防止元器件在强磁场环境下失效或损坏。

如图3所示，本发明实施例悬臂组件6由水平输送部61和竖直支撑部62组成，两者形成“

型”结构，便于水平输送部61伸入热处理炉4中，水平输送部61的中心线与热处理炉4的中心线重合，且水平输送部61的外径小于热处理炉4的内径，水平输送部61靠近热处理炉4开口一端设置有用于放置待热处理工件的存储腔611，水平输送部61靠近竖直支撑部62位置处设置有与热处理炉4开口一端相匹配的挡圈612，挡圈612用于密封热处理炉4的腔体，竖直支撑部62的底端与导轨3上安装的滑块7固定连接。本实施例悬臂组件上6的所有零件均未采用焊接工艺，不会产生由于焊接导致的悬臂组件6变形。

其中，存储腔611位于水平输送部61前端，存储腔611的顶部开口，并铰接设置有箱盖，存储腔611内底部设置有支撑、旋转待热处理工件的旋转盘613，旋转盘613的竖直底端与水平设置的传动杆614一端通过锥齿轮啮合传动，锥齿轮传动节省空间，传动精度高，传动杆614另一端穿过挡圈612后与固定设置在挡圈612外侧的第一电机615连接，挡圈612外侧壁上、传动杆614与第一电机615的连接处设置有密封件616，密封件616用于防止因传动杆614与挡圈612之间产生的间隙影响热处理炉4的密封效果。

另外，在水平输送部61外壁上、位于存储腔611处缠绕有水冷盘管617，水冷盘管617的进水口6171和出水口6172均设置在挡圈612外侧，且出水口6172位于进水口6171的下方，进水口6171处设置有水流量计，在存储腔611内、位于旋转盘613的外围设置有测温元件，用于精准控制工件所需热处理的温度。

本发明实施例支架1上、位于导轨3上方安装有驱动机构8，驱动机构8用于驱动滑块7和悬臂组件6共同沿导轨3方向做直线移动，一方面实现工件在热处理时的自动进入或者离开热处理炉4，另一方面通过驱动8机构施加的推力使挡圈612紧贴热处理炉4的开口端。

具体的，驱动机构8包括水平设置于导轨3上方的丝杠81，丝杠81的两端均设置有轴承座82，轴承座82固定设置在支架1表面上、且位于导轨3的两侧，轴承座82通过安装的轴承与丝杠81活动连接，丝杠81与滑块7螺纹连接(相当于滚珠丝杠)，丝杠81远离热处理炉4的一端伸出轴承座82后与第二电机83的输出轴通过联轴器84连接，优选的，第二电机83为步进电机，通过控制第二电机83的正反旋转即可控制悬臂组件6伸入或者远离热处理炉4。

如图2所示，本发明实施例热处理炉4由内向外依次包括石英管层41、加热体层42(采用多段体)、保温层43和双层水冷无磁水冷套44；热处理炉4腔室内、靠近真空系统5的一端设置有第一反射屏45，在水平输送部61外壁上、位于存储腔611与挡圈612之间设置有第二反射屏618，待热处理工件位于第一反射屏45和第二反射屏618之间，且两个反射屏均为多层结构，通过两个反射屏能够聚集热源，加快热处理效率；热处理炉4另一端、位于石英管层41外侧设置有O型密封圈46，对工件进行热处理时，悬臂组件6上的挡圈612挤压O型密封圈46使其发生弹性形变，从而将热处理炉4开口端密封，挤压时，通过驱动机构8的推力和借助热处理炉4一侧的多个旋转夹紧气缸双重作用拉紧悬臂组件6，达到密封真空目的。

另外本发明实施例在热处理炉4的两端分别设置有冷却工件用的压缩空气进气口47和出气口48，进气口47通过管道与输出压缩空气设备相连通，且连接管道上设置有压缩空气流量计。

优选的，本发明装置还包括可拆卸的整机防护罩9，所述整机防护罩9与支架1通过螺钉连接，整机防护罩9将超导磁体2、导轨3、热处理炉4、真空系统5和悬臂组件6完全包覆，且位于悬臂组件6处开设有能够开启和关闭的操作窗口，保证热处理操作的安全性。

本发明还包括控制系统，所述控制系统分别与超导磁体2、热处理炉4、真空系统5、悬臂组件6以及驱动机构8中的元器件相连接，用于控制各组成部分协同工作。

综上所述，本发明通过设置悬臂组件6，方便取放待热处理工件，另外通过旋转盘613能够对待热处理工件进行旋转，使工件各个方向热处理均匀；其次在热处理炉左侧设置第一反射屏45，在在水平输送部61外壁上、位于存储腔611与挡圈612之间设置有第二反射屏618，待热处理工件位于两个反射屏之间，能够使热源聚集，加快热处理效率；另外通过对进出热处理炉4的压缩空气流量的进行控制以及悬臂组件6上水冷盘管617的水流量控制，实现热处理冷却速度的控制。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种磁场真空热处理装置，其特征在于，包括支架(1)，所述支架(1)沿纵向一侧安装有用于产生磁场的超导磁体(2)，另一侧表面上铺设有导轨(3)，所述超导磁体(2)内部设置有用于加热的热处理炉(4)，所述热处理炉(4)的一端与真空系统(5)连接，所述热处理炉(4)的另一端为开口状，且位于开口一侧设置有用于装取待热处理工件的悬臂组件(6)；

其中，所述悬臂组件(6)由水平输送部(61)和竖直支撑部(62)组成，两者形成

结构，所述水平输送部(61)的中心线与热处理炉(4)的中心线重合，所述竖直支撑部(62)的底端与导轨(3)上安装的滑块(7)固定连接，所述水平输送部(61)靠近热处理炉(4)开口一端设置有用于放置待热处理工件的存储腔(611)，所述水平输送部(61)靠近竖直支撑部(62)位置处设置有与热处理炉(4)开口一端相匹配的挡圈(612)，用于密封热处理炉(4)的腔体；

所述热处理炉(4)纵向设置于超导磁体(1)中心孔内，且所述热处理炉(4)的轴线与超导磁体(1)中心孔的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述热处理炉(4)由内向外依次包括石英管层(41)、加热体层(42)、保温层(43)和双层水冷无磁水冷套(44)，所述热处理炉(4)腔室内、靠近真空系统(5)的一端设置有第一反射屏(45)，所述热处理炉(4)另一端、位于石英管层(41)外侧设置有O型密封圈(46)。

3.根据权利要求2所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述热处理炉(4)的两端分别设置有冷却工件用的压缩空气进气口(47)和出气口(48)，所述进气口(47)通过管道与输出压缩空气设备相连通，且所述管道上设置有压缩空气流量计。

4.根据权利要求1所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述存储腔(611)位于水平输送部(61)前端，所述存储腔(611)的顶部开口，并铰接设置有箱盖，所述存储腔(611)内底部设置有支撑、旋转待热处理工件的旋转盘(613)，所述旋转盘(613)的竖直底端与水平设置的传动杆(614)一端通过锥齿轮啮合传动，所述传动杆(614)另一端穿过挡圈(612)后与固定设置在挡圈(612)外侧的第一电机(615)连接；

所述挡圈(612)外侧壁上、传动杆(614)与第一电机(615)的连接处设置有密封件(616)。

5.根据权利要求4所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述水平输送部(61)外壁上、位于存储腔(611)处缠绕有水冷盘管(617)，所述水冷盘管(617)的进水口(6171)和出水口(6172)均设置在挡圈(612)外侧，且所述出水口(6172)位于进水口(6171)的下方，所述进水口(6171)处设置有水流量计；

所述存储腔(611)内、位于旋转盘(613)的外围设置有测温元件。

6.根据权利要求4所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述水平输送部(61)外壁上、位于存储腔(611)与挡圈(612)之间设置有第二反射屏(618)。

7.根据权利要求1所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述支架(1)上、位于导轨(3)上方安装有驱动机构(8)，所述驱动机构(8)用于驱动滑块(7)和悬臂组件(6)共同沿导轨(3)方向做直线移动。

8.根据权利要求7所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述驱动机构(8)包括水平设置于导轨(3)上方的丝杠(81)，所述丝杠(81)的两端均设置有轴承座(82)，所述轴承座(82)固定设置在支架(1)表面上，所述轴承座(82)通过安装的轴承与丝杠(81)活动连接，所述丝杠(81)与滑块(7)螺纹连接，所述丝杠(81)远离热处理炉(4)的一端伸出轴承座(82)后与第二电机(83)的输出轴通过联轴器(84)连接。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种磁场真空热处理装置，其特征在于，所述装置还包括可拆卸整机防护罩(9)，所述整机防护罩(9)将超导磁体(2)、导轨(3)、热处理炉(4)、真空系统(5)和悬臂组件(6)完全包覆，且位于悬臂组件(6)处开设有操作窗口。

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