[发明专利]用于CVD设备的双轴正交旋转系统及方法

说明书

本发明一种用于CVD设备的双轴正交旋转系统，包括CVD沉积炉炉体、石墨保温管、加热体、旋转轴、套筒、构件夹具和旋转动力装置；三个所述旋转动力装置分别通过三个所述旋转轴与设置于所述CVD沉积炉炉体内的所述构件夹具连接；所述旋转动力装置用于给整个系统提供动力，并控制所述旋转轴的旋转速度和伸缩位置，进一步控制所述构件夹具绕X轴旋转或绕Z轴旋转；在不同的沉积阶段采用不同的旋转方向，可以对复杂形状构件的沉积不足之处进行更大程度的补偿。采用不同的旋转速度，可以改善构件周围气体相对于构件的流速分布状态，使相对流动速度分布最有利于获得均匀沉积。

技术领域

本发明属于化学气相沉积(CVD)设备领域，具体涉及一种用于CVD设备的双轴正交旋转系统及方法。

背景技术

以抗氧化烧蚀陶瓷涂层为代表的外延层材料的制备都离不开CVD(ChemicalVapor Deposition，化学气相沉积)设备。CVD是通过某种气相前驱体的热解和还原，在一定温度下生成不挥发的固态产物并沉积在基材表面，达到形成涂层的目的。这种方法具有沉积设备简单、制备温度较低、制备的涂层纯度高、组织结构可控等优点。由于反应物在沉积室内以气相的形式相互作用，相较于其它方法，CVD法具有更好的绕镀性。同时，由于CVD是通过气体反应得到固态产物，因此，设备内部气体分布的均匀程度对所制备的外延层材料的密度、成分、厚度均匀性等质量因素有着很重要的影响。

中国专利申请CN 106521456 A公开了一种进气方式及压力可调的CVD设备，该设备采用两种进气方式，在一定程度上有利于工作气体气氛的均匀分布。中国专利申请CN107385418 A公开了一种可在衬底上全覆盖沉积的CVD设备，通过设计衬底支座，减少其对流场的干扰，降低流场死角。中国专利申请CN 102477543 A公开了一种旋转式空间隔离化学气相淀积方法及其设备，该设备设置多个反应腔体，基底旋转，依次通过不同反应腔。通过基底的单维度旋转，控制沉积薄膜的厚度及均匀性。中国专利CN 108330468 A公开了一种化学气相沉积炉中的基体支撑装置及基体旋转驱动装置，该装置通过使基底旋转，且用滚球做支撑，使得基体旋转过程中与基底接触点不断改变，从而在一定程度上解决支撑处无法沉积的问题，为期达到均匀沉积。但是这些专利申请，以及国内最为常见的合肥科晶、中环电炉所售CVD设备，其构件或固定放置于炉体中，或只提供单维度旋转。在实际沉积过程中，大量气体分子直接撞击的构件表面(即构件的“迎风面”)，由于气相前驱体相对浓度较高，沉积速率较快，故沉积的外延层较厚，结构较致密；相应地，构件的“背风面”由于局部微区内的气相前驱体浓度较低，导致沉积的外延层较薄，结构较松散，最终造成构件表面的外延层密度、成分分布不均匀。并且，在沉积航空航天特种结构部件等复杂异形构件的外延层时，由于构件的异形结构导致CVD系统中的流场在时间和空间上存在极大的不均匀性，气体在流经异形构件表面时，在其表面局部微区内会产生涡流和回流，从而对沉积均匀度和沉积材料的微观结构控制产生极为不利的影响。现有设备构件固定放置和单维度旋转都无法满足均匀沉积，更不适合复杂异形构件和大尺度构件上外延材料的均匀沉积。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于CVD设备的双轴正交旋转系统，通过控制构件在CVD沉积炉炉体内两个维度上旋转，使得构件不同部位与气体均匀接触，可打破现有CVD设备的瓶颈，实现沉积条件的均匀一致，大幅提高外延层的均匀性、致密性和界面结合力，从而解决构件，特别是大尺寸复杂构件外延层沉积质量和稳定性差且无法有效控制等技术问题，实现高性能外延层的均匀可控制备。同时，该双轴正交旋转系统也可用于化学气相渗透等其他气氛设备中，为产品的均匀制备提供帮助。

本发明的技术方案是：一种用于CVD设备的双轴正交旋转系统，包括CVD沉积炉炉体、石墨保温管和加热体，所述石墨保温管同轴设置于所述CVD沉积炉炉体内，其两端通过法兰盘密封；所述加热体沿周向均布于所述石墨保温管的外围，在所述石墨保温管内形成恒温区；其特征在于：还包括旋转轴、套筒、构件夹具和旋转动力装置；