一种外延设备用气浮旋转机构

技术领域

本发明属于外延设备技术领域，具体涉及一种外延设备用气浮旋转机构。

背景技术

外延炉是制备外延片的关键设备。对于外延生长，温度、气流分布均匀是制备掺杂浓度均匀、低缺陷密度、高质量外延片的基础。为弥补温度场、气流场的不均匀性，一般采用衬底旋转的方法，使衬底上各点在反应室内的移动路径是不固定的，会在不同温度、气流密度区域循环经过，使衬底上各点的生长条件趋于一致，达到整个基片表面生长的薄膜均匀一致的目的。

目前，外延炉是将气浮旋转基座通过中心小轴放置于带有气浮孔的石墨基座上，衬底先放在载片盘内，载片盘再放在气浮旋转基座上，通过对石墨基座气浮孔通气浮用载气，载气经过气浮孔到达旋转基座底部，气流先托起气浮基座，再通过气浮基座背面导气槽产生摩擦力使气浮基座旋转，进而实现衬底的旋转。

由于只有中心一点支撑，气浮旋转基座旋转存在高低摇晃，对沿程气流产生不规则扰动，破坏外延生长环境的稳定。

同时，石墨基座内气浮路径不合理，导致气浮气体到达气浮旋转基座背面存在时间偏差，加剧了气浮基座旋转摇晃，并且当使用具有刻蚀效果的气体(如氢气)作为气浮载气时会导致石墨基座不同气浮路径出口小孔磨损不一致现象，加速石墨件的自身损耗，严重时将导致气浮基座停止旋转,同时石墨基座在径向方向存在较大温差，呈现中心向边缘递减温度的现象，即现有气浮旋转机构不具备改善石墨基座温度的能力。

另外，当前气浮旋转机构只允许通入单一种类气浮气体，不利于外延衬底边缘生长区域温度精细调控和气浮稳定旋转同步兼顾，因为氢气较轻更有利于气浮基座的托起和旋转，但氢气的冷却效果更明显，不利于衬底边缘温场的控制。

最后，当前气浮路径下的气浮驱动力较小，而大尺寸外延炉中的气浮基座尺寸较大，重量较大，存在旋转不顺畅或者不旋转现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、旋转顺畅、受力均匀且使用寿命长的外延设备用气浮旋转机构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种外延设备用气浮旋转机构，包括：石墨基座、气浮支撑环和气浮基座，所述气浮支撑环的一端安装在石墨基座内，气浮支撑环的另一端安装在气浮基座内，所述石墨基座内部设有多个独立的载气通道，石墨基座顶部均布有多个与载气通道连通的气浮孔，所述气浮基座底部设有导流槽，气浮基座顶部是用于放置承载衬底的载片盘；气浮载气通过载气通道进入石墨基座后经气浮孔喷出，以托起气浮基座，气浮载气作用到气浮基座的导流槽上，以驱动气浮基座围绕气浮支撑环旋转。

作为本发明的进一步改进，所述载气通道包括独立控制进气的主气浮通道和辅助气浮通道，所述主气浮通道的输入端和辅助气浮通道的输入端并排设置在石墨基座侧部；主气浮通道的输出端与石墨基座顶部中心的多个气浮孔连通，主气浮通道输送的气浮载气用于托起气浮基座和驱动气浮基座围绕气浮支撑环旋转；辅助气浮通道的输出端与石墨基座顶部两侧的多个气浮孔连通，辅助气浮通道输送的气浮载气用于驱动气浮基座围绕气浮支撑环旋转。

作为本发明的进一步改进，所述石墨基座顶部中心设有气体汇集腔，所述主气浮通道的输出端通过通孔与气体汇集腔底部连通，气体汇集腔顶部设有第二气浮孔和多个第一气浮孔，所述第二气浮孔位于气体汇集腔顶部正中心，由第二气浮孔喷出的气浮载气用于托起气浮基座，多个第一气浮孔均匀环绕在第二气浮孔外周，由第一气浮孔喷出的气浮载气用于托起气浮基座和驱动气浮基座围绕气浮支撑环旋转。

作为本发明的进一步改进，所述石墨基座内部还设有第一辅助气浮通道和第二辅助气浮通道，所述辅助气浮通道的输出端分别与第一辅助气浮通道和第二辅助气浮通道的输入端连接，所述石墨基座顶部两侧对称设有第一辅助气浮孔和第二辅助气浮孔，第一辅助气浮通道的输出端与第一辅助气浮孔连通，第二辅助气浮通道的输出端与第二辅助气浮孔连通，由第一辅助气浮孔和第二辅助气浮孔喷出的气浮载气用于驱动气浮基座围绕气浮支撑环旋转。

作为本发明的进一步改进，所述第二气浮孔的轴线垂直向上，所述第一气浮孔的轴线和第一辅助气浮孔的轴线均与第二气浮孔的轴线存在夹角，且第一气浮孔的轴线与第二气浮孔的轴线之间的夹角小于第一辅助气浮孔与第二气浮孔的轴线之间的夹角。

作为本发明的进一步改进，所述石墨基座顶部设有与气浮支撑环相匹配的第一支撑环槽，所述第一辅助气浮孔和第二辅助气浮孔位于第一支撑环槽外侧，第一气浮孔和第二气浮孔位于第一支撑环槽内侧。

作为本发明的进一步改进，所述气浮支撑环顶部均布有多个支撑台阶。

作为本发明的进一步改进，所述支撑台阶的数量大于3，多个支撑台阶的总面积在气浮支撑环上的面积占比小于30％。

作为本发明的进一步改进，所述气浮基座底部设有与气浮支撑环相匹配的第二支撑环槽。

作为本发明的进一步改进，所述气浮基座底部还交叉设有多个第一导流槽和多个第二导流槽，所述第一导流槽和第二导流槽均由气浮基座的边缘向中心延伸，且第一导流槽延伸至第二支撑环槽内侧，第二导流槽延伸至第二支撑环槽外侧；所述第一导流槽与主气浮通道相匹配，第二导流槽与辅助气浮通道相匹配。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的外延设备用气浮旋转机构，气浮基座通过气浮支撑环与石墨基座相连，气浮基座是围绕多支点的气浮支撑环旋转，支撑和旋转稳定性得到了显著提高；与此同时，石墨基座内部设有多条路径一致的气浮通道，气浮通道的路径一致保证了气浮载气到达气浮基座底部导流槽的时间一致，进一步提高了旋转稳定性；而石墨基座上支撑环槽内外圈分布的多条气浮通道路径则为灵活使用气浮载气提供了可能，通过分别调节不同通道内的气体种类和流量大小，很好地实现了气浮旋转基座转速的调整以及生长区域温度均匀性的提高，加上气浮基座底部设有多个导流槽和更大的安装槽，使得气浮基座的重量得到了大幅减小，确保了大尺寸气浮基座也能够实现稳定旋转，更好地适用于8寸外延炉中更大、更重的气浮基座旋转。本发明很好地解决了衬底旋转摇晃、不顺畅、不旋转以及机构自身寿命短等问题。

附图说明

图1为本发明外延设备用气浮旋转机构的爆炸结构原理示意图。

图2为本发明中石墨基座的结构原理示意图。

图3为图2中A处的结构原理示意图。

图4为本发明中石墨基座的剖面结构原理示意图。

图5为本发明中气浮支撑环的结构原理示意图。

图6为本发明中气浮支撑环的俯视结构原理示意图。

图7为本发明中气浮基座底部的结构原理示意图。

图例说明：1、石墨基座；101、主气浮通道；102、辅助气浮通道；103、第一辅助气浮通道；104、第一辅助气浮孔；105、第二辅助气浮通道；106、第二辅助气浮孔；107、第一支撑环槽；108、第一气浮孔；109、第二气浮孔；110、通孔；111、气体汇集腔；2、气浮支撑环；21、支撑台阶；3、气浮基座；31、第一导流槽；32、第二支撑环槽；33、第二导流槽。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

如图1至图7所示，本发明的外延设备用气浮旋转机构，包括：石墨基座1、气浮支撑环2和气浮基座3，气浮支撑环2的一端安装在石墨基座1内，气浮支撑环2的另一端安装在气浮基座3内。石墨基座1内部设有多个独立的载气通道，石墨基座1顶部均布有多个与载气通道连通的气浮孔。气浮基座3底部设有导流槽，气浮基座3顶部是用于放置承载衬底的载片盘。气浮载气通过载气通道进入石墨基座1后经气浮孔喷出，以托起气浮基座3，气浮载气作用到气浮基座3的导流槽上，以驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。

本实施例中，载气通道包括独立控制进气的主气浮通道101和辅助气浮通道102。主气浮通道101的输入端和辅助气浮通道102的输入端并排设置在石墨基座1侧部；主气浮通道101的输出端与石墨基座1顶部中心的多个气浮孔连通，主气浮通道101输送的气浮载气用于托起气浮基座3和驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转；辅助气浮通道102的输出端与石墨基座1顶部两侧的多个气浮孔连通，辅助气浮通道102输送的气浮载气用于驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。气浮基座3通过气浮支撑环2固定在石墨基座1上，气浮载气管路分别与石墨基座1端面的主气浮通道101和辅助气浮通道102相连。

主气浮通道101和辅助气浮通道102两条通道可通入不同种类的气体，主气浮通道101优选氢气作为载气，辅助气浮通道102优选氩气作为载气，保证了气浮基座3顺利旋转的同时实现了石墨基座1的中心区域与边缘区域的温场精细调控。进一步地，主气浮通道101和辅助气浮通道102分别单独接入载气管路，可根据6/8寸气浮基座重量选择性开启气浮。

如图2至图4所示，本实施例中，石墨基座1顶部中心设有气体汇集腔111，主气浮通道101的输出端通过通孔110与气体汇集腔111底部连通，气体汇集腔111顶部设有第二气浮孔109和多个第一气浮孔108，第二气浮孔109位于气体汇集腔111顶部正中心，由第二气浮孔109喷出的气浮载气用于托起气浮基座3，六个第一气浮孔108均匀环绕在第二气浮孔109外周，由第一气浮孔108喷出的气浮载气用于托起气浮基座3和驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。

如图2所示，本实施例中，石墨基座1内部还设有第一辅助气浮通道103和第二辅助气浮通道105，第一辅助气浮通道103和第二辅助气浮通道105对称设置在石墨基座1内部左右两侧。辅助气浮通道102的输出端分别与第一辅助气浮通道103和第二辅助气浮通道105的输入端连接，石墨基座1顶部两侧对称设有第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106，第一辅助气浮通道103的输出端与第一辅助气浮孔104连通，第二辅助气浮通道105的输出端与第二辅助气浮孔106连通，由第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106喷出的气浮载气用于驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。

本实施例中，第二气浮孔109的轴线垂直向上，第二气浮孔109垂直向上设置，有利于气浮基座3的悬浮。第一辅助气浮孔104、第二辅助气浮孔106和第一气浮孔108均是倾斜一定角度设置的，且第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106的倾斜角度相同。第一气浮孔108喷出的载气在驱动气浮基座3旋转的同时要兼顾气浮基座3的悬浮，第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106喷出的载气承担驱动气浮基座3旋转的作用。第一气浮孔108的轴线和第一辅助气浮孔104的轴线均与第二气浮孔109的轴线存在夹角，且第一气浮孔108的轴线与第二气浮孔109的轴线之间的夹角小于第一辅助气浮孔104与第二气浮孔109的轴线之间的夹角。

本实施例中，石墨基座1中心的气浮孔与边缘的气浮孔分别与石墨基座1表面法线角度不同，中心区域的气浮孔更多作用为使气浮基座3悬浮，边缘区域的气浮孔更多作用为使气浮基座3快速温度旋转。

本实施例中，石墨基座1拥有多条气浮通道，气浮载气到达每个气浮孔的距离都是一致的。石墨基座1内部的多条气浮通道可分别独立通入不同种类的气浮载气，需要较低转速时，可只在中心区域或者边缘区域通入气浮载气，需要较高转速时，可同时对中心区域与边缘区域通入气浮载气。除此之外，中心区域通入更轻的氢气以保证气浮基座3悬浮和旋转，同时降低中心区域本身偏高的温度，而边缘区域通入氩气，以减少散热，进一步提高了外延生长区域的温度均匀性。

如图2所示，本实施例中，石墨基座1顶部设有与气浮支撑环2相匹配的第一支撑环槽107，第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106位于第一支撑环槽107外侧，第一气浮孔108和第二气浮孔109位于第一支撑环槽107内侧。本实施例中，以第一支撑环槽107为界限，将石墨基座1顶部分内外圈，并且通过载气的气流大小和种类来调整石墨基座1的温度。与此同时，也可以根据气浮基座3尺寸来确定内外圈分布外围，例如，当气浮基座3尺寸的尺寸是6寸时，可以只在第一支撑环槽107内侧通入载气，即只有主气浮通道101输入气浮载气；当气浮基座3尺寸的尺寸是8寸时，在第一支撑环槽107内侧和外侧均通入载气，即主气浮通道101和辅助气浮通道102均输入气浮载气，且主气浮通道101和辅助气浮通道102内输送的载气种类和气流大小都是独立控制的。

进一步地，气浮支撑环2是横截面呈腰型的石墨支撑环，气浮支撑环2顶部均布有至少三个支撑台阶21，多个支撑台阶21的总面积在气浮支撑环2上的面积占比小于30％。保证了气浮基座3支撑平稳且石墨基座1中心区域喷出的气浮载气可从气浮支撑环2上逸出，避免气压的集中。

如图5和图6所示，本实施例中，在气浮支撑环2上设置了四个支撑台阶21，且单个支撑台阶21在圆环上的夹角为20°，既可以对气浮基座3进行稳固支撑，又不会影响气浮载体顺畅喷出。

本实施例中，气浮支撑环2上均布多个支撑台阶21，每个支撑台阶21在圆周上占据的比例较小，且多个支撑台阶21之间均匀间隔了一定角度，保证了支撑气浮基座3的稳定性，同时也便于石墨基座中心的气浮载气逸出。

本实施例中，气浮基座3底部设有与气浮支撑环2相匹配的第二支撑环槽32。进一步地，气浮基座3底部还交叉设有多个第一导流槽31和多个第二导流槽33，第一导流槽31和第二导流槽33均由气浮基座3的边缘向中心延伸，且第一导流槽31延伸至第二支撑环槽32内侧，第二导流槽33延伸至第二支撑环槽32外侧。第一导流槽31与主气浮通道101相匹配，第二导流槽33与辅助气浮通道102相匹配。

由主气浮通道101输送的气浮载气达到石墨基座1中心后，由向上的通孔110到达石墨基座1中心的气体汇集腔111内，一部分气体通过第二气浮孔109喷出，使气浮基座3被托起，其余气体第一气浮孔108喷出并作用在气浮基座3底部的第一导流槽31上，驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。

由辅助气浮通道102进入的气浮载气到达石墨基座1中心后，分别经过第一辅助气浮通道103和第二辅助气浮通道105后再通过第一辅助气浮孔104和第二辅助气浮孔106作用到气浮基座3背面的第二导流槽33上，驱动气浮基座3围绕气浮支撑环2旋转。

通过在气浮基座底部交叉开设多条不同的导气槽，与石墨基座1内不同路径的气浮通道相适配，保证了不同尺寸、重量的气浮基座的稳定旋转，而且提高了气体利用率高。

虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。