CN209584367U - 化学气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种化学气相沉积装置，用于制备薄膜材料，包括第一腔室、第二腔室、过渡腔室、底盘以及传送机构。第一腔室和第二腔室用于薄膜材料的生长或后处理。过渡腔室通过隔离件分别连通于第一腔室和第二腔室。底盘用于装载生长衬底。传送机构被配置为在第一腔室和过渡腔室之间传送底盘，以及在第二腔室和过渡腔室之间传送底盘。
Description
技术领域
本实用新型总体来说涉及化学气相沉积领域，具体而言，涉及一种化学气相沉积装置。
背景技术
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)主要是通过将气相化合物引入至腔室，并通过碰撞，裂解，吸附，发生化学反应从而在基底上成核，生长并形成薄膜。反应物及其中间体在腔室中可能出现在基底或者气相中。
石墨烯是一种由sp2碳原子构成的二维原子晶体材料，其具有优异的电学及光学性质等，自其发现以来就广受学界及产业界的关注。但是，利用CVD生长石墨烯薄膜的过程中会出现一些无定形碳污染物沉积在石墨烯薄膜表面，从而影响了石墨烯的电学、力学、光学等性质。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
实用新型内容
本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够生长洁净度较高的石墨烯薄膜的化学气相沉积装置。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：
根据本实用新型的一个方面，提供一种化学气相沉积装置，用于制备薄膜材料，包括第一腔室、第二腔室、过渡腔室、底盘以及传送机构。所述第一腔室和所述第二腔室用于所述薄膜材料的生长或后处理；过渡腔室通过隔离件分别连通于所述第一腔室和所述第二腔室；底盘用于装载生长衬底；传送机构被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，以及在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
根据本实用新型的一实施方式，所述传送机构包括设置于所述过渡腔室内的第一传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，以及在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
根据本实用新型的一实施方式，所述过渡腔室、所述第一腔室和所述第二腔室呈线性设置且所述过渡腔室设于所述第一腔室和所述第二腔室之间；
所述传送机构包括第一传送组件和第二传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第二传送组件被配置为在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
根据本实用新型的一实施方式，所述第一腔室与所述第二腔室相邻设置。
根据本实用新型的一实施方式，所述传送机构包括设置于所述过渡腔室内的第一传送组件、第二传送组件以及第三传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第二传送组件被配置为在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第三传送组件被配置为在所述第一传送组件和所述第二传送组件之间传送所述底盘。
根据本实用新型的一实施方式，所述第一传送组件、第二传送组件以及第三传送组件的外壁涂覆耐磨涂层，或所述第一传送组件、所述第二传送组件以及所述第三传送组件由耐磨材质制成。
根据本实用新型的一实施方式，还包括控制系统，所述控制系统包括温度控制模块、气体流量控制模块、传送控制模块以及压力控制模块。
根据本实用新型的一实施方式，还包括真空系统，所述真空系统包括真空管路、干泵组、截止阀、减压阀、泄压阀以及压力调节阀。
根据本实用新型的一实施方式，所述第一腔室和/或所述第二腔室为卧式石英管反应器。
根据本实用新型的一实施方式，所述隔离件为插板阀或旋转门。
根据本实用新型的一实施方式，还包括预进样腔室，所述预进样腔室通过所述隔离件连通于所述过渡腔室。
由上述技术方案可知，本实用新型的化学气相沉积装置的优点和积极效果在于：
本实用新型提供的化学气相沉积装置，通过在第一腔室和第二腔室之间设置过渡腔室，且传送机构被配置为在第一腔室和过渡腔室之间传送底盘以及在第二腔室和过渡腔室之间传送底盘，使得薄膜材料的反应过程和后处理过程能够在与外界隔离的气氛条件下完成，保证了薄膜材料表面的洁净度。另外，通过过渡腔室作为中转站的设计，其分别连接于第一腔室和第二腔室，使得本实用新型的化学气相沉积装置可同时进行反应和后处理操作，有效提高了薄膜材料的生产效率。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第一实施方式的侧视图。
图2是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第二实施方式的侧视图。
图3是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第三实施方式的俯视图。
图4是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第四实施方式的侧视图。
其中，附图标记说明如下：
11、21、31 第一腔室
12、22、32 第二腔室
13、23、33 过渡腔室
14、24、34 第一传送组件
15、25、35 第二传送组件
26、36 第三传送组件
3 底盘
4 隔离件
5 预进样腔室
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
请参阅图1，图1中代表性地示出了能够体现本实用新型原理的化学气相沉积装置。在该示例性实施方式中，本实用新型提出的化学气相沉积装置是以生长石墨烯薄膜为例进行说明的。本领域的普通技术人员应当理解的是，将本实用新型的化学气相沉积装置应用于生长其他薄膜材料，而对下述的具体实施方式作出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，仍在实用新型的保护范围内。
其中，图1是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第一实施方式的侧视图。图2是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第二实施方式的侧视图。图3是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第三实施方式的俯视图。图4是根据一示例性实施方式示出的化学气相沉积装置的第四实施方式的侧视图。
下面结合上述附图，对本实用新型提出的化学气相沉积装置的各主要组成部分的结构、连接方式以及功能关系进行详细说明。
本实用新型提供一种化学气相沉积装置，用于制备薄膜材料，包括第一腔室、第二腔室、过渡腔室、底盘以及传送机构。过渡腔室通过隔离件连通于第一腔室和第二腔室。隔离件可以是插板阀、旋转门或其他构件，从而确保上述三个腔室气氛的相互独立性。底盘用于装载生长衬底。传送机构被配置为在第一腔室和过渡腔室之间传送底盘，以及在第二腔室和过渡腔室之间传送底盘。
其中，第一腔室和第二腔室可以进行生长薄膜材料，用以分阶段、分步骤生长薄膜材料。在其他实施方式中，第一腔室可以进行生长薄膜材料，第二腔室可以对生长后的薄膜材料进行后处理，以制备洁净度高的薄膜材料。
当然，在另一实施方式中，第一腔室和第二腔室均可用于薄膜材料的后处理。
为了便于下述说明，以生长石墨烯薄膜为例进行示意性说明，本领域的普通技术人员应当理解，本实用新型提供的化学气相沉积装置还可以用于制备BN、MoS2、VSe2、WS2、SiO2、Bi2Se3、PbI2、Bi2O2Se等二维材料，以及GaN、AlN、Si3N4、SIPOS、Poly Silicon等半导体领域常用的材料和钙钛矿材料等薄膜。本实用新型提供的化学气相沉积装置，在使用时，将石墨烯薄膜的生长衬底放置于底盘上，之后将底盘放入过渡腔室，并关闭过渡腔室的腔门，保证第一腔室、第二腔室以及过渡腔室与外界隔离。然后通过传送机构将底盘从过渡腔室传送至第一腔室中，并将生产衬底放置于合适位置。传送机构退出第一腔室后，关闭过渡腔室与第一腔室之间的腔门，保证第一腔室气氛的独立性，之后进行石墨烯薄膜的生长。
石墨烯薄膜生长结束后，打开过渡腔室与第一腔室之间的腔门，通过传送机构将底盘从第一腔室取出，退回至过渡腔室，之后传送机构将底盘传送至第二腔室内并将底盘放置合适位置，传送机构退回至过渡腔室并关闭第二腔室与过渡腔室之间的腔门，进行石墨烯薄膜的后处理。与此同时，可将新的生长衬底放置在传送机构上进行新一轮的反应。
据此，本实用新型提供的化学气相沉积装置，通过将过渡腔室连接于第一腔室和第二腔室，且传送机构配置为在第一腔室和过渡腔室之间传送底盘以及在第二腔室和过渡腔室之间传送底盘，使得薄膜材料的反应过程和后处理过程能够在与外界隔离的气氛条件下完成，保证了薄膜材料表面的洁净度。另外，通过过渡腔室作为中转站的设计，其分别连接于第一腔室和第二腔室，使得本实用新型的化学气相沉积装置可同时进行反应和后处理操作，有效提高了薄膜材料的生产效率。
第一实施方式
下面根据图1所示，详细说明本实用新型的化学气相沉积装置的第一实施方式。如图1所示，化学气相沉积装置包括第一腔室11、第二腔室12、过渡腔室13、底盘3以及传送机构，其中，过渡腔室13设于第一腔室11和第二腔室12之间，且过渡腔室13、第一腔室11和第二腔室12呈线性设置。过渡腔室13和第一腔室11之间以及过渡腔室13和第二腔室12之间可以通过隔离阀或旋转门连接，确保上述三个腔室气氛的相互独立性。
传送机构包括第一传送组件14和第二传送组件15，第一传送组件14可以在第一腔室11和过渡腔室13之间传送底盘3，第二传送组件15可以在第二腔室12和过渡腔室13之间传送底盘3。
具体来说，第一传送组件14首先在过渡腔室13内装载设有生长衬底的底盘3，之后将底盘3传送至第一腔室11内，并退出第一腔室11后，进行石墨烯薄膜生长。生长结束后，第一传送组件14进入第一腔室11，将底盘3传送至过渡腔室13，并在过渡腔室13内将底盘3交接至第二传送组件15。第二传送组件15将底盘3传送至第二腔室12并退出后，进行石墨烯薄膜的后处理。后处理结束后，第二传送组件15将底盘3传送至过渡腔室13，操作人员将石墨烯薄膜取出。
值得一提的是，当上一石墨烯薄膜在第二腔室12进行后处理操作时，可将新的生长衬底放置在第一传送组件14上进行新一轮的生长反应，具体过程与上述相同，此处不再详细说明。
另外，作为示例，上述的第一传送组件14和第二传送组件15可以采用本领域公知的传送机构，例如，传送杆、机械手等，传送结构可采用丝杠、滑轨、链条等多种方式实现传动，在此不再详细描述。
进一步地，在本实施方式中，上述第一传送组件14和第二传送组件15的各零件外部涂覆耐磨涂层，从而避免润滑油的加入，确保腔室内的传送机构在洁净条件下传送，提高腔室内的洁净度。
当然，为了达到上述的洁净传送，第一传送组件14和第二传送组件15的各零件可以由耐磨材质制成。
另外，为进一步保证腔室内的洁净度，可以将第一传送组件14和第二传送组件15设置在腔室内部，而将其他配件(例如电机等)设置在腔室外部。当然，第一传送组件14和第二传送组件15也可由手动驱动。
进一步地，在本实施方式中，化学气相沉积装置还包括控制系统，控制系统包括温度控制模块、气体流量控制模块、传送控制模块以及压力控制模块。
进一步地，在本实施方式中，化学气相沉积装置还包括真空系统，真空系统包括真空管路、干泵组、截止阀、减压阀、泄压阀以及压力调节阀。其中，第一腔室11、第二腔室12以及过渡腔室13的每个腔室可以都配置一台干泵，用以保证三个腔室的独立控制。其中，压力调节阀用于稳定整个装置的压力，满足制备要求。
进一步地，在本实施方式中，第一腔室11和/或第二腔室12可以为卧式石英管反应器，过渡腔室13可以由金属材料制成，例如不锈钢304，316L，306s等。当然，反应器也可以采用刚玉管、石墨管等。
进一步地，在本实施方式中，底盘3可以是实体结构或镂空结构的，其中，底盘3的材料可以为石英、石墨、石墨纸、陶瓷、碳化硅等等。
进一步地，在本实施方式中，上述的第一传送组件14和第二传送组件15可以由耐高温材料制成，例如碳化硅、石英、陶瓷等。
进一步地，在本实施方式中，还包括一预进样腔室，预进样腔室与过渡腔室13可以通过插板阀或旋转门连通。预进样腔室的设计，可以避免过渡腔室13进样过程中反复暴露在空气中，进而有效提高过渡腔室13的洁净度。同时，由于过渡腔室13与外界空气不直接连通，可有效减少腔室的抽真空时间，显著提高了本实用新型化学气相沉积装置的生产效率。
第二实施方式
如图2所示，示出的是化学气相沉积装置的第二实施方式的侧视图，包括第一腔室21、第二腔室22、过渡腔室23、底盘3以及传送机构。第一腔室21与第二腔室22相邻设置，第一腔室21可以位于第二腔室22的上方，当然，第一腔室21也可以位于第二腔室22的下方。换句话说，第一腔室21位于第二腔室22的垂直方向一侧。过渡腔室23位于第一腔室21和第二腔室22的一侧。在其他实施方式中，第一腔室21也可以与第二腔室22间隔设置，且位于过渡腔室23的同一侧。
传送机构包括第一传送组件24、第二传送组件25以及第三传送组件26，第一传送组件24可以在第一腔室21和过渡腔室23之间传送底盘3，第二传送组件25可以在第二腔室22和过渡腔室23之间传送底盘3，第三传送组件26可以将底盘3在第一传送组件24和第二传送组件25之间传送。
具体来说，第一传送组件24首先在过渡腔室23内装载设有生长衬底的底盘3，之后将底盘3传送至第一腔室21内，并退出第一腔室21，进行石墨烯薄膜生长。生长结束后，第一传送组件24进入第一腔室21，将底盘3传送至过渡腔室23，在过渡腔室23内，第一传送组件24将底盘3交接至第三传送组件26，之后第三传送组件26将底盘3交接至第二传送组件25。第二传送组件25将底盘3传送至第二腔室22并退出后，进行石墨烯薄膜的后处理。后处理结束后，第二传送组件25将底盘3传送至过渡腔室23，操作人员将石墨烯薄膜取出。
另外，作为示例，上述的第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26可以采用本领域公知的传送机构，例如，传送杆、机械手等，传送结构可采用丝杠、滑轨、链条等多种方式实现传动，在此不再详细描述。
进一步地，在本实施方式中，上述第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26的各零件外部涂覆耐磨涂层，从而避免润滑油的加入，确保腔室内的传送机构在洁净条件下传送，提高腔室内的洁净度。
当然，为了达到上述的洁净传送，第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26的各零件可以由耐磨材质制成。
另外，为进一步保证腔室内的洁净度，可以将第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26设置在腔室内部，而将其他配件(例如电机等)设置在腔室外部。当然，第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26也可由手动驱动。
进一步地，在本实施方式中，化学气相沉积装置还包括控制系统，控制系统包括温度控制模块、气体流量控制模块、传送控制模块以及压力控制模块。
进一步地，在本实施方式中，化学气相沉积装置还包括真空系统，真空系统包括真空管路、干泵组、截止阀、减压阀、泄压阀以及压力调节阀。其中，第一腔室21、第二腔室22以及过渡腔室23的每个腔室可以都配置一台干泵，用以保证三个腔室的独立控制。其中，压力调节阀用于稳定整个装置的压力，满足制备要求。
进一步地，在本实施方式中，第一腔室21和/或第二腔室22可以为卧式石英管反应器，过渡腔室23可以由金属材料制成，例如不锈钢304，316L，306s等。当然，反应器也可以采用刚玉管、石墨管、氮化硼管、碳化硅管等。
进一步地，在本实施方式中，底盘3可以是实体结构或镂空结构的，其中，底盘3的材料可以为石英、石墨、石墨纸、陶瓷、碳化硅等等。
进一步地，在本实施方式中，上述的第一传送组件24、第二传送组件25和第三传送组件26可以由耐高温材料制成，例如碳化硅、石英、陶瓷等。
进一步地，如图4所示，在本实施方式中，还包括一预进样腔室5，预进样腔室5与过渡腔室23可以通过插板阀或旋转门(图未示)连通。增加预进样腔室，可以避免过渡腔室23进样过程中反复暴露在空气中，进而有效提高过渡腔室23的洁净度。同时，由于过渡腔室23与外界空气不直接连通，可有效减少腔室的抽真空时间，显著提高了本实用新型化学气相沉积装置的生产效率。
第三实施方式
如图3所示，示意性示出化学气相沉积装置的俯视图。第三实施方式是第二实施方式的变形，不同之处在于，第一腔室31与第二腔室32并排水平设置。
具体的工作过程为：首先，第一传送组件34在过渡腔室33内装载设有生长衬底的底盘3，之后将底盘3传送至第一腔室31内，并退出第一腔室31，进行石墨烯薄膜生长。生长结束后，第一传送组件34进入第一腔室31，将底盘3传送至过渡腔室33，在过渡腔室33内，第一传送组件34在水平方向上将底盘3交接至第三传送组件36，之后第三传送组件36将底盘3交接至第二传送组件35。第二传送组件35将底盘3传送至第二腔室32并退出后，进行石墨烯薄膜的后处理。后处理结束后，第二传送组件35将底盘3传送至过渡腔室33，操作人员将石墨烯薄膜取出。
下面以生长石墨烯薄膜为例详细说明本实用新型提供的化学气相沉积装置的具体工作过程：
利用传送机构将装载生长衬底的底盘从过渡腔室传送至第一腔室进行生长，第一腔室内的温度为1000℃～1030℃，并通入合适的氢气和碳源(如甲烷)。生长结束后，利用传送机构将底盘从第一腔室取出，经过过渡腔室并传送至第二腔室进行后处理，第二腔室内的温度为400℃～600℃，并通入合适流量的刻蚀气体刻蚀石墨烯薄膜表面的污染物。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的化学气相沉积装置的传送机构仅仅是采用本实用新型的原理的一个示例。本领域的普通技术人员应当清楚地理解，本实用新型的原理并非仅限于附图中示出或说明书中描述的装置的任何细节或任何部件。举例来说，在上述第一实施方式、第二实施方式以及第三实施方式中，可以仅采用一根可上/下或左/右方向滑动的伸缩杆，实现底盘在上述三个腔室之间的传送，也可以采用一个机械手等，也可以采用其他传送机构，满足能够将底盘在腔室间传送即可。
应可理解的是，本实用新型不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本实用新型能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本实用新型的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本实用新型延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本实用新型的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本实用新型的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本实用新型。
Claims (11)
1.一种化学气相沉积装置，用于制备薄膜材料，其特征在于，包括：
第一腔室；
第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室用于所述薄膜材料的生长或后处理；
过渡腔室，通过隔离件分别连通于所述第一腔室和所述第二腔室；
底盘，用于装载生长衬底；以及
传送机构，被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，以及在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述传送机构包括设置于所述过渡腔室内的第一传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，以及在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述过渡腔室、所述第一腔室和所述第二腔室呈线性设置，且所述过渡腔室设于所述第一腔室和所述第二腔室之间；
所述传送机构包括第一传送组件和第二传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第二传送组件被配置为在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘。
4.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一腔室与所述第二腔室相邻设置。
5.根据权利要求4所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述传送机构包括设置于所述过渡腔室内的第一传送组件、第二传送组件以及第三传送组件，所述第一传送组件被配置为在所述第一腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第二传送组件被配置为在所述第二腔室和所述过渡腔室之间传送所述底盘，所述第三传送组件被配置为在所述第一传送组件和所述第二传送组件之间传送所述底盘。
6.根据权利要求5所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一传送组件、所述第二传送组件以及所述第三传送组件的外壁涂覆耐磨涂层；或所述第一传送组件、所述第二传送组件以及所述第三传送组件由耐磨材质制成。
7.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括温度控制模块、气体流量控制模块、传送控制模块以及压力控制模块。
8.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括真空系统，所述真空系统包括真空管路、干泵组、截止阀、减压阀、泄压阀以及压力调节阀。
9.根据权利要求1-8任一项所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一腔室和/或所述第二腔室为卧式石英管反应器。
10.根据权利要求1-8任一项所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述隔离件为插板阀或旋转门。
11.根据权利要求1-8任一项所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述化学气相沉积装置还包括预进样腔室，所述预进样腔室通过所述隔离件连通于所述过渡腔室。
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