CN220977122U - 一种物理气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种物理气相沉积装置，包括蒸发腔室、沉积腔室与驱动机构，所述蒸发腔室可拆卸连接所述沉积腔室，所述沉积腔室内设置有回转腔体，所述回转腔体连通所述蒸发腔室，所述驱动机构的中心转轴贯穿所述沉积腔室，并连接所述回转腔体远离蒸发腔室的一端，用于带动所述回转腔体转动。本实用新型采用动态旋转式的回转腔体，使得沉积过程中回转腔体内物料渗入更加均匀，适用于制备硅碳材料。

Description

一种物理气相沉积装置

技术领域

本实用新型属于物理气相沉积技术领域，涉及一种物理气相沉积装置。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)是采用如蒸发、溅射等方法将材料源气化成气态原子、分子或部分电离成离子，使其在基体表面沉积成膜的过程，可用于沉积金属膜、合金膜、化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等多种材料，广泛应用于半导体、光学、电子、航空航天等领域。

目前，物理气相沉积的方法通常为真空蒸镀、磁控溅射与离子镀。真空蒸镀是通过真空加热使材料源蒸发，并凝结在基体材料表面完成沉积；磁控溅射是利用高速正离子轰击靶材，使得靶材表面的原子以一定能量溢出，并沉积在工件表面的过程；离子镀则是借助惰性气体的辉光发电，使得材料蒸发离子化，轰击基体表面并实现沉积的过程。

传统的物理沉积设备通常包括蒸发室和沉积室，沉积室通常采用静态收集模式，基体表面沉积的薄膜均匀性较差，限制了蒸镀流片的效率，容易造成材料源的极大浪费。因此，需要对现有设备进行改进，以提高材料沉积的均匀性，进而避免材料浪费，提高其利用率。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种物理气相沉积装置，采用动态旋转式的回转腔体，能够提高材料沉积的均匀性。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种物理气相沉积装置，所述的物理气相沉积装置包括蒸发腔室、沉积腔室与驱动机构，所述蒸发腔室可拆卸连接所述沉积腔室，所述沉积腔室内设置有回转腔体，所述回转腔体连通所述蒸发腔室，所述驱动机构的中心转轴贯穿所述沉积腔室，并连接所述回转腔体远离蒸发腔室的一端，用于带动所述回转腔体转动。

本实用新型中蒸发腔室用于蒸发物料以生成蒸汽，蒸汽进入沉积腔室的回转腔体内凝华，并沉积于回转腔体内的基体材料，沉积腔室内采用动态旋转式的回转腔体，改变了传统沉积仓的静态收集的模式，使得回转腔体内基体材料渗入更加均匀，同时，蒸发腔室与沉积腔室之间可拆卸，便于进料与出料，提高了工作效率。

需要说明的是，本实用新型的回转腔体中盛装的基体材料通常为具有较高比表面积的材料，对蒸汽有较强的吸附作用，使得蒸汽能够沉积在基体材料表面，并进一步渗入到材料内部。

本实用新型提供的物理气相沉积装置适用性强，能够应用于各种在基体表面沉积相应物料的技术，包括但不限于材料真空镀膜、半导体材料的制备、雾化沉积镀膜、电池材料的制备等等。

还需要说明的是，本实用新型的驱动机构还包括用于驱动中心转轴转动的驱动电机，位于沉积腔室的外部，通过所述中心转轴密封连接回转腔体，以带动回转腔体进行旋转。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述的物理气相沉积装置还包括支撑平台，所述蒸发腔室固定于所述支撑平台上，所述沉积腔室滑动连接所述支撑平台。

本实用新型中的蒸发腔室为固定式结构，沉积腔室为可移动式结构，便于进料出料，在反应开始前，将物料与基体材料分别投入至蒸发腔室与沉积腔室内，移动沉积腔室至靠近蒸发腔室处进行连接，在反应结束后，再将沉积腔室与蒸发腔室进行拆卸，移动沉积腔室远离蒸发腔室，以取出最终产品。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述沉积腔室的底部设置有引导滑块，所述支撑平台上设置有滑轨，所述引导滑块滑动连接所述滑轨。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述蒸发腔室的底部设置有至少一个支撑柱，所述支撑柱固定于所述支撑平台。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述回转腔体靠近所述蒸发腔室的一端开设有通气口。

本实用新型的通气口允许蒸汽的流通，同时还要防止回转腔体内的基体材料在转动过程中洒出。另外，沉积腔室的内腔壁与回转腔体外壁之间留有间隙，一方面，能够避免回转腔体在旋转过程中发生碰撞的问题，另一方面，满足流向沉积腔室的蒸汽最大限度的进入到回转腔体内的要求。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述蒸发腔室的外周壁依次套设有第一加热机构与第一冷却夹套，所述第一冷却夹套内流通有冷却介质。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述沉积腔室的外周壁依次套设有第二加热机构与第二冷却夹套，所述第二冷却夹套内流通有冷却介质。

本实用新型利用第一加热机构与第二加热机构分别加热蒸发腔室与沉积腔室，在抽真空后，开启蒸发腔室与沉积腔室的加热，并且蒸发腔室的加热温度要高于沉积腔室的加热温度，能够减缓沉积速度。蒸发腔室内的物料在高温下升华，形成蒸汽后进入沉积腔室内，在回转腔体中的基体材料的吸附作用下，同时由于沉积腔室内壁的温度大于回转腔体内部温度，促使蒸汽进入回转腔体内并沉积在基体材料的表面，进一步渗入材料内部。

所述的物理气相沉积装置还包括供水机构，所述供水机构独立地循环连接所述第一冷却夹套与第二冷却夹套，使得冷却介质在第一冷却夹套与第二冷却夹套内循环流通，一方面，能够降低加热机构由于加热温度过高产生的安全风险，另一方面，对沉积腔室进行冷却，辅助调节蒸发腔室与沉积腔室之间的温度差，有利于降低进入沉积腔室的蒸汽的温度，以控制蒸汽的沉积速度，协助蒸汽凝华，并沉积在回转腔体内的基体物料内部。

需要说明的是，本实用新型对于第一加热机构与第二加热机构的结构及加热方式不作具体限定，可以分别独立地采用电加热器、加热丝或电磁感应加热器中的任一种或至少两种的组合，当然可以理解的是，能够实现加热作用的其他样式的加热机构同样落入本实用新型的保护范围和公开范围之内，因此现有技术中已公开或新技术中未公开的其他形式的加热机构同样可以用于本实用新型中。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述沉积腔室还开设有真空抽吸口。真空抽吸口用于外接抽真空装置，在反应过程中持续抽真空，以使得蒸发腔室与沉积腔室内部形成真空状态，促使蒸发腔室内生成的蒸汽向沉积腔室移动。

本领域技术人员可根据实际情况，在抽真空装置与真空抽吸口的连接管路上设置真空规，用于测量蒸发腔室与沉积腔室的压力值，保证蒸发腔室与沉积腔室内的绝对压力，较低的压力值可以降低蒸发物质的沸点，有限降低所需加热的温度，节省能耗，避免影响物料的加热蒸发过程。

作为本实用新型一个优选技术方案，沿所述回转腔体的内腔壁设置有若干抄板件。

本实用新型的回转腔体内分布有抄板件，随着回转腔体的旋转，抄板件将基体材料搅拌混匀，基体材料在回转腔体内翻滚、移动、混合，提高了与蒸汽的接触面积，避免物料发生过烧，使得蒸汽能够更均匀的分散至物料内部。

作为本实用新型一个优选技术方案，所述蒸发腔室法兰连接所述沉积腔室。

需要说明的是，本实用新型中的物理气相沉积装置还可以设置控制机构，并电性连接至驱动机构、沉积腔室、抽真空设备、供水机构、第一加热机构、第二加热机构、第一冷却夹套与第二冷却夹套，通过软硬件以及机电控制技术实现远程控制。同时，在沉积腔室上设置位移检测组件，抽真空设备上设置真空规，供水机构上设置流量检测组件与第一温度检测组件，在第一加热机构与第二加热机构上分别设置第二温度检测组件与第三温度检测组件，在第一冷却夹套与第二冷却夹套上分别独立地设置冷却水流量检测组件与冷却水温度检测组件，进行工艺参数的实时检测与监控，并将位移检测组件、真空规、流量检测组件、第一温度检测组件、第二温度检测组件、第三温度检测组件、冷却水流量检测组件与冷却水温度检测组件独立地电性连接至控制机构，根据制备原料与产品要求的不同，分别调整回转腔体的转速、生产结束后沉积腔室的移动距离、装置内的绝对压力值、冷却水水温与水量、蒸发腔室的加热温度、沉积腔室的加热温度，以及冷却水温度与流量。

为了帮助本领域技术人员更好地了解本实用新型的整体技术方案及工作过程，以制备硅碳材料为例，本实用新型提供了如下采用物理气相沉积装置的使用方法，具体包括：

以含量丰富易获得的生物质类、煤类、焦类、沥青类或高分子类为碳质原料，该碳质原料通过预处理后，再经过碳化、活化、纯化和干燥处理，以制备得到多孔碳。将硅原料及其他共沉积材料投入蒸发腔室内，并将制得的多孔碳放入回转腔体内部，持续进行抽真空，并开启第一加热机构与第二加热机构分别进行蒸发腔室的加热与沉积腔室的辅热，硅原料在高温下升华，生成硅蒸汽进入旋转的回转腔体内，吸附并扩散进入多孔碳内部随后沉积，得到所需的硅碳材料。

需要说明的是，蒸发腔室内的硅原料包括但不限于冶金硅、多晶硅、非晶硅、纳米硅、硅合金，通过调节蒸发腔室的加热温度，使得原料蒸发形成蒸汽。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的一种物理气相沉积装置，蒸发腔室用于蒸发物料以生成蒸汽，蒸汽进入沉积腔室的回转腔体内凝华，并沉积于回转腔体盛装的基体材料，沉积腔室采用动态旋转式的回转腔体，改变了传统沉积仓的静态收集的模式，使得回转腔体内基体材料渗入更加均匀，同时，蒸发腔室与沉积腔室之间可拆卸，便于进料与出料，提高了工作效率。

附图说明

图1为本实用新型一个具体实施方式提供的物理气相沉积装置的结构示意图。

其中，1-蒸发腔室；2-沉积腔室；3-回转腔体；4-中心转轴；5-驱动机构；6-支撑平台；7-引导滑块；8-滑轨；9-支撑柱；10-第一冷却夹套；11-第二冷却夹套；12-第一加热机构；13-第二加热机构；14-真空抽吸口；15-法兰；16-通气口。

具体实施方式

需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本领域技术人员理应了解的是，本实用新型中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本实用新型的主要创新点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进行可以自行增设布局，本实用新型对此不做特殊要求和具体限定。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

在一些实施方式中，本实用新型提供的一种物理气相沉积装置，如图1所示，包括蒸发腔室1、沉积腔室2与驱动机构5，所述蒸发腔室1可拆卸连接所述沉积腔室2，所述沉积腔室2内设置有回转腔体3，所述回转腔体3连通所述蒸发腔室1，所述驱动机构5的中心转轴4贯穿所述沉积腔室2，并连接所述回转腔体3远离蒸发腔室1的一端，用于带动所述回转腔体3转动。本实用新型的驱动机构5还包括用于驱动中心转轴4转动的驱动电机，位于沉积腔室2的外部，通过所述中心转轴4密封连接回转腔体3，以带动回转腔体3进行旋转。

所述回转腔体3靠近所述蒸发腔室1的一端开设有通气口16，通气口16能够允许蒸汽的流通，同时还要防止回转腔体3内的基体材料在转动过程中洒出。

具体地，如图1所示，本实用新型中的通气口16的直径为由回转腔体3靠近蒸发腔室1的一端向靠近驱动机构5的一端逐渐缩小的结构，使得蒸汽顺利进入回转腔体3内，同时，避免回转腔体3旋转过程中其内部的基体材料洒出。

所述沉积腔室2上还开设有真空抽吸口14，用于外接抽真空装置，在反应过程中持续抽真空，以使得蒸发腔室1与腔室内部2形成真空状态，促使蒸发腔室1内生成的蒸汽向沉积腔室2移动。本领域技术人员可根据实际情况，在抽真空装置与真空抽吸口14的连接管路上设置真空规，用于测量蒸发腔室1与沉积腔室2的压力值，保证蒸发腔室1与沉积腔室2内的绝对压力，避免影响物料的加热蒸发过程。

在一些实施方式中，所述的物理气相沉积装置包括支撑平台6，所述蒸发腔室1固定于所述支撑平台6上，所述沉积腔室2滑动连接所述支撑平台6，使得所述沉积腔室2沿远离或靠近所述蒸发腔室1的方向移动。

具体地，所述沉积腔室2的底部设置有引导滑块7，所述支撑平台6上设置有滑轨8，所述引导滑块7滑动连接所述滑轨8。所述蒸发腔室1的底部设置有至少一个支撑柱9，所述支撑柱9固定于所述支撑平台6。本实用新型中的蒸发腔室1为固定式结构，沉积腔室2为移动式结构，便于进料出料，在反应开始前，将各物料分别投入至蒸发腔室1与沉积腔室2内，移动沉积腔室2至靠近蒸发腔室1处进行连接，在反应结束后，再将沉积腔室2与蒸发腔室1进行拆卸，移动沉积腔室2远离蒸发腔室1，以取出最终产品。

在一些实施方式中，所述蒸发腔室1的外周壁依次套设有第一加热机构12与第一冷却夹套10，所述第一冷却夹套10内流通有冷却介质。所述沉积腔室2的外周壁依次套设有第二加热机构13与第二冷却夹套11，所述第二冷却夹套11内流通有冷却介质。所述冷却介质可以为水。本实用新型使用过程中，在抽真空后，开启蒸发腔室1与沉积腔室2的加热，并且蒸发腔室1的加热温度要高于沉积腔室2的加热温度，能够减缓沉积速度。蒸发腔室1内的物料在高温下升华，形成蒸汽后进入沉积腔室2内，在回转腔体3中的基体材料的吸附作用下，同时由于沉积腔室2内壁的温度大于回转腔体3内部温度，促使蒸汽进入回转腔体3内并沉积在基体材料的表面，进一步渗入材料内部。所述的物理气相沉积装置还包括供水机构，独立地循环连接所述第一冷却夹套10与第二冷却夹套11，使得冷却介质在第一冷却夹套10与第二冷却夹套11内循环流通，一方面，能够降低加热机构由于加热温度过高存在的安全风险，另一方面，对沉积腔室2进行冷却，辅助调节蒸发腔室1与沉积腔室2之间的温度差，有利于降低进入沉积腔室2的蒸汽的温度，以缓解蒸汽的沉积速度，协助蒸汽凝华，并沉积在回转腔体3内的基体物料内部。

本实用新型对于第一加热机构12与第二加热机构13的结构及加热方式不作具体限定，可以独立地采用电加热器、加热丝或电磁感应加热器中的任一种或至少两种的组合。

在一些实施方式中，沿所述回转腔体3的内腔壁设置有若干抄板件，随着回转腔体3的旋转，抄板件将物料搅拌混匀，物料在回转腔体3内翻滚、移动、混合，提高了与蒸汽的接触面积，避免物料发生过烧，使得蒸汽能够更均匀的分散至物料内部。

在一些实施方式中，所述蒸发腔室1法兰15连接所述沉积腔室2。

在一些实施方式中，本实用新型中的物理气相沉积装置还可以设置控制机构，并电性连接至驱动机构5、沉积腔室2、抽真空设备、供水机构、第一加热机构12、第二加热机构13、第一冷却夹套10与第二冷却夹套11，通过软硬件以及机电控制技术实现远程控制。同时，在沉积腔室2上设置位移检测组件，抽真空设备上设置真空规，供水机构上设置流量检测组件与第一温度检测组件，在第一加热机构12与第二加热机构13上分别设置第二温度检测组件与第三温度检测组件，在第一冷却夹套10与第二冷却夹套11上分别独立地设置冷却水流量检测组件与冷却水温度检测组件，进行工艺参数的实时检测与监控，并将位移检测组件、真空规、流量检测组件、第一温度检测组件、第二温度检测组件与第三温度检测组件、冷却水流量检测组件与冷却水温度检测组件独立地电性连接控制机构，根据制备原料与产品要求的不同，分别调整回转腔体3的转速、生产结束后沉积腔室2的移动距离、装置内的绝对压力值、冷却水水温与水量、蒸发腔室1的加热温度、沉积腔室2的加热温度，以及冷却水温度与流量。

为了帮助本领域技术人员更好地了解本实用新型的整体技术方案及工作过程，本实用新型示例性地提供了如下采用物理气相沉积装置进行硅碳材料制备的具体过程：

(1)以含量丰富易获得的生物质类、煤类、焦类、沥青类或高分子类为碳质原料，该碳质原料通过预处理后，再经过碳化、活化、纯化和干燥处理，以制备得到多孔碳；

(2)沿支撑平台6表面滑动沉积腔室2，使得蒸发腔室1与沉积腔室2分离，并分别将硅粉及其他共沉积材料投入蒸发腔室1内，并将制得的多孔碳放入回转腔体3内部，随后沿支撑平台6表面滑动沉积腔室2，使得蒸发腔室1与沉积腔室2靠近，并利用法兰15进行固定连接，使得蒸发腔室1与沉积腔室2的内部连通；

(3)利用抽真空装置持续抽真空，再开启第一加热机构12与第二加热机构13，分别进行蒸发腔室1的加热与沉积腔室2的辅热，硅原料在高温下升华，硅蒸汽进入旋转的回转腔体3内，吸附并扩散进入多孔碳内部随后沉积，得到硅碳材料；

(4)关闭抽真空装置、第一加热机构12与第二加热机构13，对蒸发腔室1与沉积腔室2进行分离，取出硅碳材料。

纯硅负极材料作为一种新兴的负极材料，其比容量高达4200mAh/g，但由于硅的合金化嵌锂模式，在电池的循环过程中，硅负极存在较大的体积膨胀效应，其膨胀系数达到了300％，从而容易粉化失效，同时，纯硅负极的导电性较差，也限制了纯硅负极的应用。目前，新型硅碳材料的制备方法是采用化学气相沉积法利用硅源气体裂解的方式将硅沉积进入多孔碳材料中，可以很大程度解决硅膨胀失效及导电性差的问题，但采用的硅源气体一般为硅烷或者氯硅烷，其存储以及使用过程具有一定的危险性，同时价格较为昂贵，且尾气需要经过加工处理，增加了制备难度。本实用新型的物理气相沉积装置特别适用于制备硅碳材料，将原料与多孔碳分别置于蒸发腔室1与回转腔体3内，加热硅源升华生成蒸汽，使其进入沉积腔室2，硅蒸汽凝华成为纳米硅颗粒，并沉积于回转腔体3的多孔碳内部，能够实现纳米硅的均匀沉积，降低材料的浪费，后续应用于制备硅负极材料，有利于缓解硅负极材料的膨胀效应，进而提高硅负极材料的循环性能与导电性能。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种物理气相沉积装置，其特征在于，所述的物理气相沉积装置包括蒸发腔室、沉积腔室与驱动机构，所述蒸发腔室可拆卸连接所述沉积腔室，所述沉积腔室内设置有回转腔体，所述回转腔体连通所述蒸发腔室，所述驱动机构的中心转轴贯穿所述沉积腔室，并连接所述回转腔体远离蒸发腔室的一端，用于带动所述回转腔体转动。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述的物理气相沉积装置还包括支撑平台，所述蒸发腔室固定于所述支撑平台上，所述沉积腔室滑动连接所述支撑平台。

3.根据权利要求2所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述沉积腔室的底部设置有引导滑块，所述支撑平台上设置有滑轨，所述引导滑块滑动连接所述滑轨。

4.根据权利要求2所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述蒸发腔室的底部设置有至少一个支撑柱，所述支撑柱固定于所述支撑平台。

5.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述回转腔体靠近所述蒸发腔室的一端开设有通气口。

6.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述蒸发腔室的外周壁依次套设有第一加热机构与第一冷却夹套，所述第一冷却夹套内流通有冷却介质。

7.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述沉积腔室的外周壁依次套设有第二加热机构与第二冷却夹套，所述第二冷却夹套内流通有冷却介质。

8.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述沉积腔室还开设有真空抽吸口。

9.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，沿所述回转腔体的内腔壁设置有若干抄板件。

10.根据权利要求1所述的物理气相沉积装置，其特征在于，所述蒸发腔室法兰连接所述沉积腔室。