质子交换炉的制作方法

本实用新型属于半导体制造设备领域,尤其是涉及一种质子交换炉。

背景技术：

由于铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、光弹、非线性、光折变等性能，其在光通讯领域应用非常广泛，是光波导器件中最常使用的晶体材料。通过改变铌酸锂光波导和电极的形状，能够在铌酸锂晶体上制作出适合应用于各种光控制和传输器件，如相位调制器、相位延迟器、光学隔离器、可变衰减器等。

质子交换炉是用质子交换法制备铌酸锂光波导的主要设备，它的主要用途是对铌酸锂晶圆进行掺杂，在高温条件下将铌酸锂晶圆浸入熔融的酸液中，使得氢离子进入铌酸锂晶格内。现有的质子交换工艺通常选择使用苯甲酸作为质子源。质子交换后的铌酸锂的寻常光折射率减小，非寻常光的折射率变大，形成一种偏振消光比很高的光波导。随着光通信和半导体制造技术的不断发展，对质子交换装置的要求越来越高，其中炉温的控制质量直接影响铌酸锂光波导的性能和产品制造的良品率与质量一致性。

现有的质子交换炉一般使用热板对盛放有质子交换反应溶液的烧杯的底部进行加热，通过热传导使整个质子交换反应溶液加热至一定温度，存在着烧杯底部溶液和烧杯上部溶液的温度一致性差、均匀性差等缺陷。而且现有中的质子交换炉保温性能差，热量容易散失。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种质子交换炉，以解决现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

质子交换炉，包括炉体、石英容器和送料机构，石英容器设于炉体内且其内盛有质子交换反应溶液，送料机构包括石英提竿和晶圆夹具，晶圆夹具固定于石英提竿的底部，晶圆夹具上装载有晶圆片，晶圆片浸入质子交换反应溶液中，炉体包括从内至外依次设置的内壁、加热丝、炉衬和外皮，内壁和外皮均为上下两端开口的圆筒状结构，内壁的顶端向外延伸形成保温凸台，加热丝蛇形盘绕于内壁的外周面上，炉体的顶部和底部分别设有保温单元。

进一步的，保温单元包括炉口板、圆环和硅胶条，圆环水平设置，圆环的外缘固定于外皮的内侧壁上，内缘向炉体中心方向延伸，炉口板与圆环同轴设置且炉口板的中心开设有通孔，炉口板的内缘延伸到保温凸台的下表面，炉口板的外缘和圆环之间设有硅胶条，炉口板、硅胶条和圆环部分重叠且部分重叠位置处周向均布有多个螺钉，炉口板、硅胶条和圆环通过螺钉固定连接。

进一步的，还包括构架，炉体设于构架上，构架上设有用于支撑石英容器的干锅架，干锅架包括底板、支柱和托盘，底板固定于构架上，托盘位于炉体内，支柱的一端固定于底板上，另一端延伸至炉体内部与托盘固定连接，托盘的中心开设有一与石英容器的底部相匹配的放置槽，石英容器的底部位于放置槽内，放置槽的底部开设有若干贯通托盘的散热孔。

进一步的，石英容器的顶部设有可打开和闭合的密封盖，托盘上设有用于压住密封盖的压紧装置，压紧装置包括两个固定杆一和两个固定杆二，两个固定杆一相邻设置，两个固定杆二相邻设置，固定杆一包括从下至上依次设置的固定杆体、固定钩一、固定锁头一，固定杆体固定于托盘上，顶部开设有螺纹孔，固定锁头一的下部设有与固定杆体上的螺纹孔相匹配的外螺纹，固定钩一上正对螺纹孔位置处开设有通孔，固定锁头一的下部穿过通孔与固定杆体螺纹连接；

固定杆二包括固定杆头、固定钩二、固定锁头二、固定杆座、套管和销子，固定杆座固定于托盘上，固定杆头位于固定杆座的顶部，套管套设于固定杆座和固定杆头相接处，固定杆头和套管上分别开设有通孔，通孔内设有销子，固定杆头通过销子与套管可拆卸连接，固定杆头的顶部开设有螺纹孔，固定锁头二的下部设有与固定杆头上的螺纹孔相匹配的外螺纹，固定钩二上正对螺纹孔位置处开设有通孔，固定锁头二的下部穿过通孔与固定杆头螺纹连接。

进一步的，炉体还包括用于密封炉体顶部的炉盖，炉盖包括立柱、顶板和顶盖，立柱上套设有长度小于立柱的钢管，立柱和钢管固定于构架上，顶板滑动设于钢管上方的立柱上，顶盖位于顶板的下表面中心位置处，顶板上方的立柱上设有用于驱使炉盖抵紧炉体顶部的抵紧件，抵紧件包括从下至上依次设置的帽座、弹簧、垫圈和螺母，螺母拧设于立柱上，帽座和垫圈滑动套设于立柱上，弹簧套设于立柱上，弹簧的一端固定于垫圈上，另一端固定于帽座上，抵紧件的外侧设有压紧帽，压紧帽与帽座固定连接。

进一步的，构架上设有用于驱使炉体升降的传动系统，传动系统包括升降板、蜗轮丝杠升降机、导杆和驱动机构，炉体设于升降板上，蜗轮丝杠升降机共有两个且两个蜗轮丝杠升降机分别位于升降板的两侧，两个蜗轮丝杠升降机的蜗杆之间连接有传动轴，蜗轮丝杠升降机的丝杆上套设有旋母，旋母的内侧壁上开设有与蜗轮丝杠升降机的丝杆表面的外螺纹相匹配的内螺纹，导杆共有四个，四个导杆上均滑动设有滑块，滑块和旋母均与升降板固定连接。

进一步的，传动系统还包括驱动机构，驱动机构为电机或手动应急单元，电机固定于蜗轮丝杠升降机一侧的构架上，电机的输出轴和与其相邻的蜗轮丝杠升降机的蜗杆固定连接，手动应急单元包括转动设于构架上的上转轴和下转轴，上转轴上安装有上链轮，上转轴远离炉体的一端穿出构架的侧壁延伸到构架的外部并安装有手轮，下转轴上安装有下链轮，下链轮位于上链轮的正下方，上链轮和下链轮之间绕设有传动链条，下转轴靠近炉体的一端与蜗轮丝杠升降机的蜗杆固定连接。

进一步的，炉体还包括用于密封炉体底部的炉底，炉底包括托板和底盖，底盖固定于托板上，托板位于升降板上，托板与升降板之间设有若干个用于驱使底盖抵紧炉体底部的弹性件，弹性件包括导柱和压簧，导柱固定于升降板上，底盖滑动套设于导柱上，压簧套设于导柱上，压簧的一端与升降板抵接，另一端与底盖抵接。

进一步的，构架的顶部和四周分别设有防护板，构架的底部设有脚轮和底脚。

相对于现有技术，本实用新型所述的质子交换炉具有以下优势：

1、本实用新型的加热丝蛇形盘绕于内壁上，对整个质子交换环境进行加热，而且通过在炉体的上下两端设置有保温单元对炉体进行严密的保温处理，提升了炉体在水平方向和竖直方向上的温度一致性，确保了整个质子交换溶液的温度一致性，可以有效地提升质子交换工艺的良品率和生产效率。

2、本实用新型设有压紧装置，通过压紧装置快速将石英容器的密封盖压紧，避免了质子交换反应溶液在反应过程中溢出，从而保证了炉体和车间环境的干净整洁，有利于操作工人的身体健康。

3、本实用新型还设有炉底和炉盖，炉底与炉体底部严密贴合，反应时，通过传动系统将炉体升起，炉盖将炉体的顶部开口密封住，减少热量从炉体的顶部和底部散失，进一步提升了质子交换环境的温度一致性、准确性。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例的质子交换炉省略了石英容器和晶圆夹具的立体结构图；

图2为本实用新型实施例的质子交换炉省略了石英容器和晶圆夹具的局部剖视图；

图3为图2中a部分的局部放大图；

图4为本实用新型实施例的质子交换炉的侧视图；

图5为本实用新型实施例的质子交换炉的炉体的结构图；

图6为本实用新型实施例的质子交换炉的炉皮和保温单元的结构图；

图7为图6中b部分的局部放大图；

图8为本实用新型实施例的质子交换炉的保温单元的俯视图；

图9为本实用新型实施例的质子交换炉的圆环的俯视图；

图10为本实用新型实施例的质子交换炉的干锅架的剖视图；

图11为本实用新型实施例的质子交换炉的干锅架的俯视图；

图12为本实用新型实施例的质子交换炉的固定杆一的结构图；

图13为本实用新型实施例的质子交换炉的固定杆二的结构图；

图14为本实用新型实施例的质子交换炉的炉盖的结构图；

图15为图14中c部分的局部放大图；

图16为本实用新型实施例的质子交换炉的局部正视图；

图17为本实用新型实施例的质子交换炉的局部侧视图；

图18为图16中a-a向的剖视示意图。

附图标记说明：

1、炉体；11、内壁；111、保温凸台；12、加热丝；13、炉衬；131、炉口板；132、圆环；133、硅胶条；134、螺钉；14、外皮；2、石英容器；21、密封盖；3、送料机构；31、石英提竿；32、晶圆夹具；4、构架；41、防护板；42、脚轮；43、底脚；44、控制面板；5、干锅架；51、底板；52、支柱；53、托盘；531、放置槽；532、散热孔；54、固定杆一；541、固定杆体；542、固定钩一；543、固定锁头一；55、固定杆二；551、固定杆头；552、固定钩二；553、固定锁头二；554、固定杆座；555、套管；556、销子；6、炉盖；61、立柱；62、顶板；63、顶盖；64、钢管；65、抵紧件；651、帽座；652、弹簧；653、垫圈；654、螺母；655、压紧帽；7、传动系统；71、升降板；72、蜗轮丝杠升降机；721、传动轴；722、旋母；73、导杆；731、滑块；74、电机；75、手动应急单元；751、手轮；752、传动链条；8、炉底；81、托板；82、底盖；83、弹性件；831、导柱；832、压簧。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

质子交换炉，如图1-4所示，包括构架4，构架4起支撑作用。构架4上设有炉体1和送料机构3，炉体1内设有石英容器2，石英容器2内盛有质子交换反应溶液。送料机构3包括石英提竿31和晶圆夹具32。石英提竿31可上升或下降，晶圆夹具32固定于石英提竿31的底部。晶圆夹具32上装载有晶圆片，晶圆片浸入质子交换反应溶液中。

如图5-9所示，炉体1包括从内至外依次设置的内壁11、加热丝12、炉衬13和外皮14。内壁11和外皮14均为上下两端开口的圆筒状结构，内壁11的顶端向外延伸形成保温凸台111，加热丝12蛇形盘绕于内壁11的外周面上。炉体1的顶部和底部分别设有保温单元，保温单元包括炉口板131、圆环132和硅胶条133。圆环132水平设置，圆环132的外缘固定于外皮14的内侧壁上，内缘向炉体1中心方向延伸。炉口板131与圆环132同轴设置且炉口板131的中心开设有通孔，炉口板131的内缘延伸到保温凸台111的下表面。炉口板131的外缘和圆环132之间设有硅胶条133，炉口板131、硅胶条133和圆环132部分重叠且部分重叠位置处周向均布有多个螺钉134，炉口板131、硅胶条133和圆环132通过螺钉134固定连接。通过在炉体1的上下两端设置有保温单元，对炉体1进行严密的保温处理，提升了炉体1在水平方向和竖直方向上的温度一致性，确保了整个质子交换溶液的温度一致性，可以有效地提升质子交换工艺的良品率和生产效率。

结合图2和图10所示，构架4上还固定有用于支撑石英容器2的干锅架5。干锅架5包括底板51、支柱52和托盘53。其中，底板51固定于构架4上，托盘53位于炉体1内。支柱52的一端固定于底板51上，另一端延伸至炉体1内部与托盘53固定连接。托盘53的中心开设有一与石英容器2的底部相匹配的放置槽531，石英容器2的底部位于放置槽531内。放置槽531的底部开设有若干贯通托盘53的散热孔532，散热孔532的设置有利于热量上下流通。

结合图3及图10-13所示，石英容器2的顶部设有可打开和闭合的密封盖21。托盘53上设有用于压住密封盖21的压紧装置，压紧装置包括两个固定杆一54和两个固定杆二55。其中，两个固定杆一54相邻设置，两个固定杆二55相邻设置。如图12所示，固定杆一54包括从下至上依次设置的固定杆体541、固定钩一542、固定锁头一543。固定杆体541固定于托盘53上，顶部开设有螺纹孔(图中未示出)，固定锁头一543的下部设有与固定杆体541上的螺纹孔相匹配的外螺纹(图中未示出)，固定钩一542上正对螺纹孔位置处开设有通孔(图中未示出)，固定锁头一543的下部穿过通孔与固定杆体541螺纹连接。

如图13所示，固定杆二55包括固定杆头551、固定钩二552、固定锁头二553、固定杆座554、套管555和销子556。固定杆座554固定于托盘53上，固定杆头551位于固定杆座554的顶部。套管555套设于固定杆座554和固定杆头551相接处，且套管555的与固定杆座554固定连接。固定杆头551和套管555上分别开设有通孔(图中未示出)，通孔内设有销子556，固定杆头551通过销子556与套管555可拆卸连接。固定杆头551的顶部开设有螺纹孔(图中未示出)，固定锁头二553的下部设有与固定杆头551上的螺纹孔相匹配的外螺纹(图中未示出)，固定钩二552上正对螺纹孔位置处开设有通孔(图中未示出)，固定锁头二553的下部穿过通孔与固定杆头551螺纹连接。

压紧时，固定杆一54的固定锁头一543和固定杆二55的固定锁头二553分别压紧密封盖21，防止石英容器2内的质子交换反应溶液溢出。

结合图14和图15所示，炉体1还包括用于密封炉体1顶部的炉盖6，炉盖6包括立柱61、顶板62和顶盖63。立柱61上套设有长度小于立柱61的钢管64，立柱61和钢管64固定于构架4上。顶板62滑动设于钢管64上方的立柱61上，顶盖63位于顶板62的下表面中心位置处。顶板62上方的立柱61上设有用于驱使炉盖6抵紧炉体1顶部的抵紧件65。抵紧件65包括从下至上依次设置的帽座651、弹簧652、垫圈653和螺母654。其中，螺母654拧设于立柱61上，帽座651和垫圈653滑动套设于立柱61上。弹簧652套设于立柱61上，弹簧652的一端固定于垫圈653上，另一端固定于帽座651上。此外，抵紧件65的外侧设有压紧帽655，压紧帽655与帽座651固定连接。

如图16-18所示，构架4上设有用于驱使炉体1升降的传动系统7。传动系统7包括升降板71、蜗轮丝杠升降机72、导杆73和驱动机构。炉体1设于升降板71上。蜗轮丝杠升降机72的型号为swl2.5-2a-i300，共有两个且两个蜗轮丝杠升降机72分别位于升降板71的两侧。两个蜗轮丝杠升降机72的蜗杆之间连接有传动轴721，通过传动轴721使两个蜗轮丝杠升降机72同步运动。蜗轮丝杠升降机72的丝杆做旋转运动，蜗轮丝杠升降机72的丝杆上套设有旋母722，旋母722的内侧壁上开设有与蜗轮丝杠升降机72的丝杆表面的外螺纹相匹配的内螺纹(图中未示出)。导杆73共有四个，四个导杆73上均滑动设有滑块731，滑块731和旋母722均与升降板71固定连接。滑块731起到导向作用，蜗轮丝杠升降机72的丝杆旋转时，旋母722上下运动，从而带动升降板71上下运动。

传动系统7还包括驱动机构，驱动机构为电机74或手动应急单元75。电机74固定于蜗轮丝杠升降机72一侧的构架4上，电机74的输出轴和与其相邻的蜗轮丝杠升降机72的蜗杆固定连接。

当电机74不能使用时，可以启动手动应急单元75。如图16所示，手动应急单元75包括转动设于构架4上的上转轴和下转轴，上转轴上安装有上链轮，上转轴远离炉体1的一端穿出构架4的侧壁延伸到构架4的外部并安装有手轮751。下转轴上安装有下链轮，下链轮位于上链轮的正下方。上链轮和下链轮之间绕设有传动链条752，传动链条752为滚子链。下转轴靠近炉体1的一端与蜗轮丝杠升降机72的蜗杆固定连接。

结合图16和图17所示，炉体1还包括用于密封炉体1底部的炉底8。炉底8包括托板81和底盖82，底盖82与炉体1的底部相匹配。托板81位于升降板71上，底盖82固定于托板81上。托板81与升降板71之间设有若干个用于驱使底盖82抵紧炉体1底部的弹性件83。弹性件83包括导柱831和压簧832。导柱831固定于升降板71上，底盖82滑动套设于导柱831上。压簧832套设于导柱831上，压簧832的一端与升降板71抵接，另一端与底盖82抵接。

如图1所示，构架4上设有控制面板44。控制面板44与电机74、加热丝12的开关信号连接，通过控制面板44控制电机74和加热丝12的通断电。

构架4的顶部和四周分别设有防护板41，构架4的底部设有脚轮42和底脚43。

使用时，首先向上提起石英提竿31，将待反应的晶圆片放于晶圆夹具32内。然后将石英容器2放置到托盘53上，向下移动石英提竿31，使石英提竿31的下部没入石英容器2内的质子交换反应溶液中。盖上密封盖21，固定杆一54的固定锁头一543和固定杆二55的固定锁头二553分别压住密封盖21。启动电机74，电机74的输出轴旋转，通过蜗轮丝杠升降机72的涡轮带动蜗轮丝杠升降机72的丝杆旋转，丝杆旋转时，丝杆上的旋母722向上运动，旋母722向上运动时带动升降板71上升，直至炉盖6将炉体1的顶部密封住。最后，加热丝12通电，对炉体进行加热，开始质子交换反应。加热时，石英提竿31内的热电偶式温度传感器实时监测石英容器2内的质子交换反应溶液的温度。

需要说明的是，本实用新型不仅限于铌酸锂晶体的质子交换工艺，也可应用于在玻璃晶圆上制作平面光波导分路器(即plc结构)所涉及的离子交换等半导体生产工艺。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。