本發明涉及化學氣相沉積設備，特別涉及一種進氣方式及壓力可調的多功能大尺寸化學氣相沉積設備。

背景技術：

以石墨烯為代表的二維原子晶體類薄膜材料的高品質、大面積制備都離不開CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積)設備。現有技術中的CVD設備可以簡單的分為管式爐加熱部分和控制系統，控制系統主要是用來控制并檢測爐體內部的氣氛與壓力。此類結構的CVD設備具有可裝載基片小、功能單一、可重復性差等缺陷，難以滿足薄膜類材料的科學研究以及規模化制備需求。以國內最為常見的合肥科晶以及中環電爐所售CVD設備為例，這些CVD設備的最大直徑均小于80mm，所能裝載基片的尺寸較小；這些設備多采用左進右出的水平進氣方式，具有進氣方式簡單的缺陷；這些設備的可恒溫區小于60cm，具有可恒溫區短的缺陷；這些設備只能設置低壓或者常壓的工作環境，具有壓力調節性差的缺陷。總而言之，現有CVD設備的上述缺陷使得該設備功能單一、可調節性小。

在薄膜材料的科學研究以及規模化制備中，需要CVD設備的腔體具有較大尺寸，以滿足不同類型薄膜的制備需要；而不同材料的CVD所需要的條件也有所差異，這就需要增加CVD設備的可調節性。現有技術中的CVD設備無法滿足上述要求。若簡單的將傳統的CVD設備尺寸放大，并不能實現大尺寸基片上功能薄膜材料的均勻沉積，導致成膜質量差、均勻性差，不適合于科學研究以及放量生產功能薄膜材料。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術中CVD設備裝載基片尺寸小、進氣方式單一、生長薄膜不均勻、生長參數可調變量小的問題，從而提供一種進氣方式及壓力可調的多功能大尺寸化學氣相沉積設備。

為了實現上述目的，本發明提供了一種進氣方式及壓力可調的多功能大尺寸化學氣相沉積設備，包括：工藝腔室1、加熱爐體及開合系統2、爐門機構及腔室密封系統3、水冷熱交換器4、壓力調控系統5、進出氣系統6以及電氣控制系統7；其中，

所述工藝腔室1的水平一端安裝有所述爐門機構及腔室密封系統3，其水平另一端則與壓力調控系統5相連接，所述壓力調控系統5對所述工藝腔室1內部的壓力進行調節；所述工藝腔室1的垂直向外圍安裝有加熱爐體及開合系統2；所述水冷熱交換器4位于所述加熱爐體及開合系統2的頂部，對設備表面做溫度調節；所述進出氣系統6連通到所述工藝腔室1的內部；所述電氣控制系統7對整個CVD設備進行控制。

上述技術方案中，所述進出氣系統6包括：垂直進氣擴散盒61、垂直出氣擴散盒62、水平進氣擴散盒63、水平出氣擴散盒64；其中，

所述垂直進氣擴散盒61位于所述工藝腔室1內的基片上方，所述垂直出氣擴散盒62設置在所述工藝腔室1內的基片下方，氣體通過導管從一側法蘭引入到所述垂直進氣擴散盒61，垂直噴淋到基片表面，進而從垂直出氣擴散盒62排出，從而實現了垂直方向的進氣；所述水平進氣擴散盒63、水平出氣擴散盒64分別位于所述工藝腔室1的水平兩側，氣體通過導管從所述工藝腔室1的水平一端進入，經過所述水平進氣擴散盒63平行于生長基片層流通過，再通過所述水平出氣擴散盒64從所述工藝腔室1的水平另一端排出，從而實現了水平方向的進氣。

上述技術方案中，氣體擴散盒為分體式結構，包括多個獨立的分體擴散器。

上述技術方案中，所述壓力調控系統5包括：泵組51、截止閥52、管道53以及壓力控制模塊；其中，所述壓力控制模塊采用閉環壓力控制方式，其包括壓力計541，蝶閥542；

所述泵組51通過管道53連接所述工藝腔室1，在管道53所形成的管路上，從所述泵組51到所述工藝腔室1的方向上依次安裝有所述蝶閥542、壓力計541與截止閥52；所述蝶閥542在所述電氣控制系統7的控制下調節角度，實現壓力的調節。

上述技術方案中，所述工藝腔室1包括密封法蘭11、固定法蘭12、石英反應管13、后法蘭14和等離子體發生器15；其中，

所述密封法蘭11與固定法蘭12位于所述石英反應管13的前端，所述固定法蘭12通過密封法蘭11與橡膠密封圈固定在所述石英反應管13上，所述后法蘭14位于所述石英反應管15后端，所述等離子體發生器15安裝在石英反應管13的前段；所述工藝腔室1通過所述后法蘭14和固定法蘭12連接在爐體柜的骨架上，且所述工藝腔室1的中心能夠上、下、左、右調整，以保證與爐體的位置正確；所述密封法蘭11上有冷卻水道；所述石英反應管13內部上側及兩端連接有石英軌道16；所述石英反應管13的直徑大于350mm。

上述技術方案中，所述加熱爐體及開合系統2包括：保溫層21、外殼22、加熱絲23以及開合機構24；其中，

所述加熱爐體及開合系統2整體成管狀結構，其內部中空，用于放置所述工藝腔室1；所述保溫層21位于所述加熱爐體及開合系統2的最內層，與所述工藝腔室1保持一定距離；所述保溫層21的外部包裹有外殼22，所述加熱絲23預埋在所述保溫層21內；所述加熱爐體及開合系統2采用兩瓣設計，所述開合機構24位于兩瓣的結合處，通過所述開合結構24能夠實現手動或機械方式開合。

上述技術方案中，所述爐門機構及腔室密封系統3包括爐門31、旋轉臂32；所述旋轉臂32安裝在爐門31上，用于實現所述爐門31的開啟或關閉；所述爐門31采用上掀全開合式密封門。

上述技術方案中，所述水冷熱交換器4包括：水冷散熱器41、排風扇42；所述水冷散熱器41安裝在加熱爐體及開合系統2的頂部，水冷散熱器41上裝有排風扇42。

本發明的優點在于：

1、本發明的CVD設備將工藝腔室的直徑增大為傳統CVD系統直徑的4倍以上，能夠滿足大尺寸薄膜的制備需求；

2、為解決大尺寸引起的氣氛不均勻，本發明的CVD設備采用了兩種進氣方式，保證了工作氣體氣氛分布的均勻性；

3、本發明的CVD引入可以調節壓力的可控蝶閥，使得工作壓強可以在常壓、中壓、低壓中切換，滿足了不同材料的生長要求，此設備具備等離子體增強等功能。

附圖說明

圖1是本發明的CVD設備的結構示意圖；

圖2(a)是本發明的CVD設備中的工藝腔室的正面剖視圖；

圖2(b)是本發明的CVD設備中的工藝腔室的側面剖視圖；

圖3是本發明的CVD設備中的加熱爐體及開合系統的結構示意圖；

圖4(a)是本發明的CVD設備中的爐門機構及腔室密封系統的正面剖視圖；

圖4(b)是本發明的CVD設備中的爐門機構及腔室密封系統的側視圖；

圖5是本發明的CVD設備中的水冷熱交換器的結構示意圖；

圖6是本發明的CVD設備中的壓力調控系統的結構示意圖；

圖7是本發明的CVD設備中的進出氣系統的結構示意圖。

具體實施方式

現結合附圖對本發明作進一步的描述。

圖1為本發明的CVD設備的結構示意圖，主要包括：工藝腔室1、加熱爐體及開合系統2、爐門機構及腔室密封系統3、水冷熱交換器4、壓力調控系統5、進出氣系統6以及電氣控制系統7。其中，所述工藝腔室1的水平一端安裝有爐門機構及腔室密封系統3，其水平另一端則與壓力調控系統5相連接，所述壓力調控系統5對所述工藝腔室1內部的壓力進行調節；所述工藝腔室1的垂直向外圍安裝有加熱爐體及開合系統2；所述水冷熱交換器4位于所述加熱爐體及開合系統2的頂部，對設備表面做溫度調節；所述進出氣系統6連通到所述工藝腔室1的內部；所述電氣控制系統7對整個CVD設備進行控制。

下面對本發明的CVD設備中的各個部件做進一步的說明。

如圖2(a)和圖2(b)所示，所述工藝腔室1包括密封法蘭11、固定法蘭12、石英反應管13、后法蘭14和等離子體發生器15；其中，密封法蘭11與固定法蘭12位于石英反應管13前端，固定法蘭12通過密封法蘭11與橡膠密封圈固定在石英反應管13上，后法蘭14位于石英反應管15后端，等離子體發生器15安裝在石英反應管13的前段。所述工藝腔室1通過后法蘭14和固定法蘭12連接在爐體柜的骨架上，且工藝腔室1的中心可上、下、左、右調整，以保證與爐體的位置正確。密封法蘭11上有冷卻水道，工藝過程中通水冷卻，防止密封圈過熱老化，提高密封圈的使用壽命。石英反應管13內部上側及兩端焊有石英軌道16，方便進出樣與進出氣彌散盒的安裝和固定。樣品通過載舟，平行放置于工藝腔室1內。

所述石英反應管13的直徑大于350mm，為現有CVD設備中相應腔室直徑的4倍以上。所述石英反應管13可采用石英管材加工而成，長期在1100℃的高溫下抽真空不變形。

如圖3所示，所述加熱爐體及開合系統2包括保溫層21、外殼22、加熱絲23以及開合機構24；其中，所述加熱爐體及開合系統2整體成管狀結構，其內部中空，用于放置所述工藝腔室1；所述保溫層21位于所述加熱爐體及開合系統2的最內層，與所述工藝腔室1保持一定距離；保溫層21的外部包裹有外殼22，加熱絲23預埋在保溫層21內；所述加熱爐體及開合系統2采用兩瓣設計，所述開合機構24位于兩瓣的結合處，通過開合結構24可實現手動或機械方式開合。

加熱絲23可采用φ2.5螺旋狀的HRC爐絲。爐體可為采取單根熱電偶控溫的單溫區或者多根熱電偶控溫的多溫區，優選三段加熱，三點控溫。所述外殼22為不銹鋼殼體，保溫效果好。所述加熱爐體及開合系統2采用自然散熱方式冷卻，通過保溫層的合理設置和溫場計算以及工藝參數(溫度，壓力，氣氛)的配合達到良好的工藝效果(薄膜材料的高品質、大尺寸制備)。所述加熱爐體及開合系統2的兩瓣式結構便于腔室的快速降溫，減少降溫時間。

如圖4(a)和圖4(b)所示，所述爐門機構及腔室密封系統3主要包括爐門31、旋轉臂32；所述旋轉臂32安裝在爐門31上，用于實現爐門31的開啟或關閉。所述爐門31可采用上掀全開合式密封門。爐門機構及腔室密封系統3的主要作用是實現工藝腔室1的閉合，其安裝在工藝腔室1上時，所述爐門31與工藝腔室1的密封法蘭11貼合緊密，具有密封性好、開關簡單、方便進取樣品生長的優點。

如圖5所示，所述水冷熱交換器4包括：水冷散熱器41、排風扇42；所述水冷散熱器41安裝在加熱爐體及開合系統2的頂部，水冷散熱器41上裝有排風扇42。安裝水冷熱交換器4的目的是將加熱爐體及開合系統2產生的一部分熱量通過循環水帶走，從而避免廠房溫升過高。

如圖6所示，所述壓力調控系統5包括：泵組51、截止閥52、鋼管53以及壓力控制模塊；其中，所述壓力控制模塊采用閉環壓力控制方式，其包括壓力計541，蝶閥542。所述泵組51通過鋼管53連接工藝腔室1，在鋼管53所形成的管路上，從泵組51到工藝腔室1的方向上依次安裝有蝶閥542、壓力計541與截止閥52。蝶閥542能夠在電氣控制系統7的控制下調節角度，所述電氣控制系統7根據設定的壓力和氣體流量，自動調節蝶閥542的角度來控制真空度，從而實現穩定系統壓力，滿足工藝在低壓、中壓、常壓下的要求，滿足不同材料的生長要求。

如圖7所示，所述進出氣系統6包括：垂直進氣擴散盒61、垂直出氣擴散盒62、水平進氣擴散盒63、水平出氣擴散盒64；其中，所述垂直進氣擴散盒61位于工藝腔室1內的基片上方，所述垂直出氣擴散盒62設置在工藝腔室1內的基片下方，氣體通過導管從一側法蘭引入到垂直進氣擴散盒61，垂直噴淋到基片表面，進而從垂直出氣擴散盒62排出，從而實現了垂直方向的進氣方式；所述水平進氣擴散盒63、水平出氣擴散盒64分別位于工藝腔室1的水平兩側，氣體通過導管從工藝腔室1的密封法蘭一端進入，經過水平進氣擴散盒63平行于生長基片層流通過，再通過水平出氣擴散盒64從工藝腔室1的另一端法蘭排出，從而實現了水平方向的進氣方式。作為一種優選實現方式，上述氣體擴散盒為分體式結構，包括多個獨立的分體擴散器，這樣生長薄膜材料用的氣體可以混合均勻。

所述電氣控制系統7所實現的功能主要包括：溫度控制、氣體流量控制、壓力控制、時間控制以及報警。

以上是對本發明的CVD設備的結構描述。從上述描述可以看出，為了解決現有技術中CVD設備裝載基片尺寸小、進氣方式單一、生長薄膜不均勻、生長參數可調變量小的問題，本發明的CVD設備將工藝腔室的直徑增大為傳統CVD系統直徑的4倍以上；為解決大尺寸引起的氣氛不均勻，本發明的CVD設備采用了兩種進氣方式，保證了工作氣體氣氛分布的均勻性；除此之外本發明的CVD還引入可以調節壓力的可控蝶閥，使得工作壓強可以在常壓、中壓、低壓中切換，滿足了不同材料的生長要求，此設備具備等離子體增強等功能。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。