进气方式及压力可调的多功能大尺寸化学气相沉积设备的制作方法

本实用新型涉及化学气相沉积设备，特别涉及一种进气方式及压力可调的多功能大尺寸化学气相沉积设备。

背景技术：

以石墨烯为代表的二维原子晶体类薄膜材料的高品质、大面积制备都离不开CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)设备。现有技术中的CVD设备可以简单的分为管式炉加热部分和控制系统，控制系统主要是用来控制并检测炉体内部的气氛与压力。此类结构的CVD设备具有可装载基片小、功能单一、可重复性差等缺陷，难以满足薄膜类材料的科学研究以及规模化制备需求。以国内最为常见的合肥科晶以及中环电炉所售CVD设备为例，这些CVD设备的最大直径均小于80mm，所能装载基片的尺寸较小；这些设备多采用左进右出的水平进气方式，具有进气方式简单的缺陷；这些设备的可恒温区小于60cm，具有可恒温区短的缺陷；这些设备只能设置低压或者常压的工作环境，具有压力调节性差的缺陷。总而言之，现有CVD设备的上述缺陷使得该设备功能单一、可调节性小。

在薄膜材料的科学研究以及规模化制备中，需要CVD设备的腔体具有较大尺寸，以满足不同类型薄膜的制备需要；而不同材料的CVD所需要的条件也有所差异，这就需要增加CVD设备的可调节性。现有技术中的CVD设备无法满足上述要求。若简单的将传统的CVD设备尺寸放大，并不能实现大尺寸基片上功能薄膜材料的均匀沉积，导致成膜质量差、均匀性差，不适合于科学研究以及放量生产功能薄膜材料。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中CVD设备装载基片尺寸小、进气方式单一、生长薄膜不均匀、生长参数可调变量小的问题，从而提供一种进气方式及压力可调的多功能大尺寸化学气相沉积设备。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种进气方式及压力可调的多功能大尺寸化学气相沉积设备，包括：工艺腔室1、加热炉体及开合系统2、炉门机构及腔室密封系统3、水冷热交换器4、压力调控系统5、进出气系统6以及电气控制系统7；其中，

所述工艺腔室1的水平一端安装有所述炉门机构及腔室密封系统3，其水平另一端则与压力调控系统5相连接，所述压力调控系统5对所述工艺腔室1内部的压力进行调节；所述工艺腔室1的垂直向外围安装有加热炉体及开合系统2；所述水冷热交换器4位于所述加热炉体及开合系统2的顶部，对设备表面做温度调节；所述进出气系统6连通到所述工艺腔室1的内部；所述电气控制系统7对整个CVD设备进行控制。

上述技术方案中，所述进出气系统6包括：垂直进气扩散盒61、垂直出气扩散盒62、水平进气扩散盒63、水平出气扩散盒64；其中，

所述垂直进气扩散盒61位于所述工艺腔室1内的基片上方，所述垂直出气扩散盒62设置在所述工艺腔室1内的基片下方，气体通过导管从一侧法兰引入到所述垂直进气扩散盒61，垂直喷淋到基片表面，进而从垂直出气扩散盒62排出，从而实现了垂直方向的进气；所述水平进气扩散盒63、水平出气扩散盒64分别位于所述工艺腔室1的水平两侧，气体通过导管从所述工艺腔室1的水平一端进入，经过所述水平进气扩散盒63平行于生长基片层流通过，再通过所述水平出气扩散盒64从所述工艺腔室1的水平另一端排出，从而实现了水平方向的进气。

上述技术方案中，气体扩散盒为分体式结构，包括多个独立的分体扩散器。

上述技术方案中，所述压力调控系统5包括：泵组51、截止阀52、管道53以及压力控制模块；其中，所述压力控制模块采用闭环压力控制方式，其包括压力计541，蝶阀542；

所述泵组51通过管道53连接所述工艺腔室1，在管道53所形成的管路上，从所述泵组51到所述工艺腔室1的方向上依次安装有所述蝶阀542、压力计541与截止阀52；所述蝶阀542在所述电气控制系统7的控制下调节角度，实现压力的调节。

上述技术方案中，所述工艺腔室1包括密封法兰11、固定法兰12、石英反应管13、后法兰14和等离子体发生器15；其中，

所述密封法兰11与固定法兰12位于所述石英反应管13的前端，所述固定法兰12通过密封法兰11与橡胶密封圈固定在所述石英反应管13上，所述后法兰14位于所述石英反应管15后端，所述等离子体发生器15安装在石英反应管13的前段；所述工艺腔室1通过所述后法兰14和固定法兰12连接在炉体柜的骨架上，且所述工艺腔室1的中心能够上、下、左、右调整，以保证与炉体的位置正确；所述密封法兰11上有冷却水道；所述石英反应管13内部上侧及两端连接有石英轨道16；所述石英反应管13的直径大于350mm。

上述技术方案中，所述加热炉体及开合系统2包括：保温层21、外壳22、加热丝23以及开合机构24；其中，

所述加热炉体及开合系统2整体成管状结构，其内部中空，用于放置所述工艺腔室1；所述保温层21位于所述加热炉体及开合系统2的最内层，与所述工艺腔室1保持一定距离；所述保温层21的外部包裹有外壳22，所述加热丝23预埋在所述保温层21内；所述加热炉体及开合系统2采用两瓣设计，所述开合机构24位于两瓣的结合处，通过所述开合结构24能够实现手动或机械方式开合。

上述技术方案中，所述炉门机构及腔室密封系统3包括炉门31、旋转臂32；所述旋转臂32安装在炉门31上，用于实现所述炉门31的开启或关闭；所述炉门31采用上掀全开合式密封门。

上述技术方案中，所述水冷热交换器4包括：水冷散热器41、排风扇42；所述水冷散热器41安装在加热炉体及开合系统2的顶部，水冷散热器41上装有排风扇42。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的CVD设备将工艺腔室的直径增大为传统CVD系统直径的4倍以上，能够满足大尺寸薄膜的制备需求；

2、为解决大尺寸引起的气氛不均匀，本实用新型的CVD设备采用了两种进气方式，保证了工作气体气氛分布的均匀性；

3、本实用新型的CVD引入可以调节压力的可控蝶阀，使得工作压强可以在常压、中压、低压中切换，满足了不同材料的生长要求，此设备具备等离子体增强等功能。

附图说明

图1是本实用新型的CVD设备的结构示意图；

图2(a)是本实用新型的CVD设备中的工艺腔室的正面剖视图；

图2(b)是本实用新型的CVD设备中的工艺腔室的侧面剖视图；

图3是本实用新型的CVD设备中的加热炉体及开合系统的结构示意图；

图4(a)是本实用新型的CVD设备中的炉门机构及腔室密封系统的正面剖视图；

图4(b)是本实用新型的CVD设备中的炉门机构及腔室密封系统的侧视图；

图5是本实用新型的CVD设备中的水冷热交换器的结构示意图；

图6是本实用新型的CVD设备中的压力调控系统的结构示意图；

图7是本实用新型的CVD设备中的进出气系统的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型的CVD设备的结构示意图，主要包括：工艺腔室1、加热炉体及开合系统2、炉门机构及腔室密封系统3、水冷热交换器4、压力调控系统5、进出气系统6以及电气控制系统7。其中，所述工艺腔室1的水平一端安装有炉门机构及腔室密封系统3，其水平另一端则与压力调控系统5相连接，所述压力调控系统5对所述工艺腔室1内部的压力进行调节；所述工艺腔室1的垂直向外围安装有加热炉体及开合系统2；所述水冷热交换器4位于所述加热炉体及开合系统2的顶部，对设备表面做温度调节；所述进出气系统6连通到所述工艺腔室1的内部；所述电气控制系统7对整个CVD设备进行控制。

下面对本实用新型的CVD设备中的各个部件做进一步的说明。

如图2(a)和图2(b)所示，所述工艺腔室1包括密封法兰11、固定法兰12、石英反应管13、后法兰14和等离子体发生器15；其中，密封法兰11与固定法兰12位于石英反应管13前端，固定法兰12通过密封法兰11与橡胶密封圈固定在石英反应管13上，后法兰14位于石英反应管15后端，等离子体发生器15安装在石英反应管13的前段。所述工艺腔室1通过后法兰14和固定法兰12连接在炉体柜的骨架上，且工艺腔室1的中心可上、下、左、右调整，以保证与炉体的位置正确。密封法兰11上有冷却水道，工艺过程中通水冷却，防止密封圈过热老化，提高密封圈的使用寿命。石英反应管13内部上侧及两端焊有石英轨道16，方便进出样与进出气弥散盒的安装和固定。样品通过载舟，平行放置于工艺腔室1内。

所述石英反应管13的直径大于350mm，为现有CVD设备中相应腔室直径的4倍以上。所述石英反应管13可采用石英管材加工而成，长期在1100℃的高温下抽真空不变形。

如图3所示，所述加热炉体及开合系统2包括保温层21、外壳22、加热丝23以及开合机构24；其中，所述加热炉体及开合系统2整体成管状结构，其内部中空，用于放置所述工艺腔室1；所述保温层21位于所述加热炉体及开合系统2的最内层，与所述工艺腔室1保持一定距离；保温层21的外部包裹有外壳22，加热丝23预埋在保温层21内；所述加热炉体及开合系统2采用两瓣设计，所述开合机构24位于两瓣的结合处，通过开合结构24可实现手动或机械方式开合。

加热丝23可采用φ2.5螺旋状的HRC炉丝。炉体可为采取单根热电偶控温的单温区或者多根热电偶控温的多温区，优选三段加热，三点控温。所述外壳22为不锈钢壳体，保温效果好。所述加热炉体及开合系统2采用自然散热方式冷却，通过保温层的合理设置和温场计算以及工艺参数(温度，压力，气氛)的配合达到良好的工艺效果(薄膜材料的高品质、大尺寸制备)。所述加热炉体及开合系统2的两瓣式结构便于腔室的快速降温，减少降温时间。

如图4(a)和图4(b)所示，所述炉门机构及腔室密封系统3主要包括炉门31、旋转臂32；所述旋转臂32安装在炉门31上，用于实现炉门31的开启或关闭。所述炉门31可采用上掀全开合式密封门。炉门机构及腔室密封系统3的主要作用是实现工艺腔室1的闭合，其安装在工艺腔室1上时，所述炉门31与工艺腔室1的密封法兰11贴合紧密，具有密封性好、开关简单、方便进取样品生长的优点。

如图5所示，所述水冷热交换器4包括：水冷散热器41、排风扇42；所述水冷散热器41安装在加热炉体及开合系统2的顶部，水冷散热器41上装有排风扇42。安装水冷热交换器4的目的是将加热炉体及开合系统2产生的一部分热量通过循环水带走，从而避免厂房温升过高。

如图6所示，所述压力调控系统5包括：泵组51、截止阀52、钢管53以及压力控制模块；其中，所述压力控制模块采用闭环压力控制方式，其包括压力计541，蝶阀542。所述泵组51通过钢管53连接工艺腔室1，在钢管53所形成的管路上，从泵组51到工艺腔室1的方向上依次安装有蝶阀542、压力计541与截止阀52。蝶阀542能够在电气控制系统7的控制下调节角度，所述电气控制系统7根据设定的压力和气体流量，自动调节蝶阀542的角度来控制真空度，从而实现稳定系统压力，满足工艺在低压、中压、常压下的要求，满足不同材料的生长要求。

如图7所示，所述进出气系统6包括：垂直进气扩散盒61、垂直出气扩散盒62、水平进气扩散盒63、水平出气扩散盒64；其中，所述垂直进气扩散盒61位于工艺腔室1内的基片上方，所述垂直出气扩散盒62设置在工艺腔室1内的基片下方，气体通过导管从一侧法兰引入到垂直进气扩散盒61，垂直喷淋到基片表面，进而从垂直出气扩散盒62排出，从而实现了垂直方向的进气方式；所述水平进气扩散盒63、水平出气扩散盒64分别位于工艺腔室1的水平两侧，气体通过导管从工艺腔室1的密封法兰一端进入，经过水平进气扩散盒63平行于生长基片层流通过，再通过水平出气扩散盒64从工艺腔室1的另一端法兰排出，从而实现了水平方向的进气方式。作为一种优选实现方式，上述气体扩散盒为分体式结构，包括多个独立的分体扩散器，这样生长薄膜材料用的气体可以混合均匀。

所述电气控制系统7所实现的功能主要包括：温度控制、气体流量控制、压力控制、时间控制以及报警。

以上是对本实用新型的CVD设备的结构描述。从上述描述可以看出，为了解决现有技术中CVD设备装载基片尺寸小、进气方式单一、生长薄膜不均匀、生长参数可调变量小的问题，本实用新型的CVD设备将工艺腔室的直径增大为传统CVD系统直径的4倍以上；为解决大尺寸引起的气氛不均匀，本实用新型的CVD设备采用了两种进气方式，保证了工作气体气氛分布的均匀性；除此之外本实用新型的CVD还引入可以调节压力的可控蝶阀，使得工作压强可以在常压、中压、低压中切换，满足了不同材料的生长要求，此设备具备等离子体增强等功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。