CN103775649B - 密封传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密封传动装置。该密封传动装置具有传动轴高度可调节功能，可以更好的控制薄膜沉积腔室内托盘与加热电阻丝的距离，从而选取最适合晶体外延生长的温区。

Description

密封传动装置

技术领域

本发明涉及装备制造技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)设备中使用的高温密封传动装置。

背景技术

薄膜生长是半导体技术、微纳加工领域的重要工艺，尤其是在半导体材料生长领域，薄膜生长质量的好坏往往是决定器件性能是否优越的重要步骤。CVD设备是化合物半导体外延材料研究和生产的关键设备，特别适合氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等化合物半导体外延材料的规模化工业生产，是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要设备。

在CVD设备的外延工艺中，气态反应物如有机金属源气体以及氨气等进入薄膜沉积腔室中，在被感应线圈或电阻片加热的衬托上发生复杂的化学反应。此时，托盘需要匀速旋转来保证气体沉积的均匀性和外延片的晶体质量，并且加热电阻片与石墨托盘的距离需要适当，其取决于磁流体中轴的高度。距离过小会导致加热不均匀，直接影响到材料生长的均匀性；距离过大就会导致热量利用率低，同时也会影响其热量的均匀性。所以磁流体中轴的高度需要适中，除此之外还要求密封传动装置具有较好的密闭性、垂直度、转速以及稳定性。

如果密闭性不好，就会导致薄膜沉积腔室内的气体反应物泄漏到外界，对环境造成污染，一旦反应物包含有害气体，那实验员和操作者的人身安全将收到威胁。如果垂直度不好，轴带动的石墨托盘旋转将会不平稳，将会在石墨上端产生微小的气流，导致气体沉积不均匀，影响材料生长的晶体质量；除此之外，还有可能导致石墨托盘跌落损坏，造成经济损失。转速和稳定性是实验顺利进行的必要指标，如果转速达不到实验要求，那材料的晶体质量也不会达到要求；如果稳定性不好，将会导致实验中止，造成不必要的经济损失。

在现有技术中，CVD设备薄膜沉积腔室多采用磁流体密封技术来解决密封传动的问题，但是对于高温薄膜沉积腔室的密封传动装置多存在一些问题，如轴的高度不可调节、高温时密闭性和稳定性差等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种密封传动装置，以实现轴高度的调节，并提高高温时密封传动装置的密闭性和稳定性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种密封传动装置。该密封传动装置包括：传动轴，其末端具有外螺纹；壳体，位于传动轴的外围，其上端的壳体法兰与薄膜沉积腔室下方的传动轴孔密封扣合，传动轴上部突出壳体法兰的部分伸入薄膜沉积腔室内，其后端位于薄膜沉积腔室之外；轴套，设置于壳体和传动轴之间，其末端与传动轴的末端通过O型密封圈密封；轴承，其在径向上设置于轴套和壳体之间，其在轴向上位于壳体的中部，用于固定轴套，并使轴套和传动轴可相对于壳体转动；无轴伺服电机，其在轴向上位于轴承和壳体末端之间，其在径向上位于轴套与壳体之间，其定子固定在壳体上，其转子通过键与轴套卡合，用于带动轴套和传动轴转动；以及轴高度调节组件，其在径向上位于传动轴的外围，其在轴向上固定在轴套末端，其上端通过密封压套顶住O型密封圈，其内侧具有与传动轴末端外螺纹相匹配的内螺纹，通过旋转传动轴或轴高度调节组件，实现传动轴高度的调节。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明密封传动装置具有以下有益效果：

(1)具有传动轴高度可调节功能，可以更好的控制薄膜沉积腔室内托盘与加热电阻丝的距离，从而选取最适合晶体外延生长的温区；

(2)具有轴心水冷、电机水冷等水冷系统，可以有效降低此装置工作过程中的热效应，延长使用寿命；

(3)具有轴套隔热、保护气路的组件，可以有效提高装置的密闭性。

附图说明

图1为根据本发明实施例密封传动装置的剖面示意图；

图2为图1所示密封传动装置中保护气路的示意图；

图3为图1所示密封传动装置中轴高度调节组件的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用轴高度调节组件、轴心和电机的水冷、轴套隔热、凸台结构、保护气路等结构来实现一个轴高度可调节并且具有良好的密闭性、垂直度、稳定性的密封传动装置。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种密封传动装置。图1为根据本发明实施例密封传动装置的剖面示意图。请参照图1，薄膜沉积腔室下方开圆形传动轴孔，本实施例密封传动装置安装在薄膜沉积腔室的下方，包括：

传动轴，其末端具有外螺纹；

壳体，位于传动轴的外围，其上端的壳体法兰与薄膜沉积腔室下方的传动轴孔密封扣合，传动轴上部突出壳体的部分伸入薄膜沉积腔室内，其后端位于薄膜沉积腔室外；

轴套，设置于壳体和传动轴之间，其末端与传动轴的末端通过O型密封圈密封；

轴承，其在径向上设置于轴套和壳体之间，壳体的中部，用于固定轴套，使轴套和传动轴可相对于壳体转动；

磁流体密封组件，呈圆环形，其在轴向上位于壳体上端的壳体法兰与轴承之间，其在径向上位于壳体和轴套之间，用于对壳体和轴套之间的空隙进行磁流体密封，其出水口和入水口分别与水冷系统的相应口相连接；

无轴伺服电机，其在轴向上位于轴承和壳体末端之间，其径向上位于轴套与壳体之间，其定子固定在壳体上，其转子通过键与轴套卡合，用于带动轴套和传动轴转动，其水冷系统的出水口和入水口与水冷系统的相应口连接；以及

轴高度调节组件，其在轴向上位于轴套的末端，其在径向上位于传动轴的外围，其通过螺钉固定在轴套的末端，且其上端通过密封压套顶住所述O型密封圈，其内侧具有与传动轴的外螺纹相匹配的内螺纹；通过内螺纹和外螺纹的配合，实现传动传动轴高度的调节。

以下分别对本实施例密封传动装置的各个组成部分进行详细说明。

其中壳体主要起机械支撑作用，一方面要保证内部传动轴、磁流体密封组件、轴承、伺服电机组件、轴高度调节组件等零件的整体配合与支撑，另一方面与薄膜沉积腔室的底部用螺钉(6个)的方式完成连接与固定。

在壳体顶端与薄膜沉积腔室相对接位置采用了环形凸起的凸台结构，此凸台结构嵌入在薄膜沉积腔室的底部，用来保证传动装置和薄膜沉积腔室的同轴度与垂直度。

传动轴是指带密封传动装置中心的轴体，底部带有外螺纹和键槽，轴高度调节组件带有内螺纹和固定装置，可实现在密封的情况下调节传动轴高度的功能。

在磁流体密封组件和传动轴之间增加了轴套，防止磁流体密封液和传动轴直接接触，具有隔热作用。其中，磁流体密封组件包括磁流体密封液、磁体等零件，磁流体密封液为液态磁性体，以液态的方式吸附在磁体和旋转部分相接触的地方，达到密封的作用。但是磁流体密封液在高温情况下出现消磁现象，为了保证磁流体密封液的安全工作温度，在传动轴的外围设计了筒状的轴套，避免了带有高温的传动轴直接与磁流体密封液相接触。整个密封传动装置有四个密封点，此处的磁流体密封液为其中一个密封点；第二个密封点是轴套和传动轴底部的O型密封圈，实现轴套和传动轴之间的密封；第三个密封点是磁流体密封组件与壳体之间采用O型密封圈的方式密封；第四个密封点是壳体与薄膜沉积腔室之间采用O型密封圈的方式密封。

磁流体密封组件水冷系统的出水口和进水口与外界水冷系统的相应口连接。磁流体密封组件的水冷是用来保证磁流体中的磁液在正常温度范围内工作，防止出现磁液高温消磁以至不能密封的现象。

如图2所示，在磁流体密封装置外侧、壳体内侧设计了一条向上通入薄膜沉积腔室内部的气路。通过该气路，将保护气体经此气路吹入薄膜沉积腔室内部，用来降低薄膜沉积腔室内部的热流对磁性密封液的热冲击，同时降低薄膜沉积腔室内部灰尘流入磁流体密封组件内部。

本实施例中，无轴伺服电机镶套在传动轴的外围进行旋转传动。无轴编码器完成对传动轴转速的测量，将实时转速的信息反馈给驱动器进行闭环控制。同时，通过旋转接头装置完成外界水冷系统与传动轴底部的连接，对旋转的传动轴进行轴心水冷。

传动轴轴心水冷部分主要是降低轴本身的温度，如果传动轴的温度过高，一方面会出现强度降低的现象，另一方面由于传动轴间接与磁液接触，一旦温度过高磁液仍然会出现消磁现象，因此在传动轴和磁液之间的轴套也同时具有隔热作用，降低磁液接触到的热量。

同时，在伺服电机的外侧壳体部分设计了环形水冷槽，该环形水冷槽的出水口和进水口与外界水冷系统的相应口连接。该伺服电机水冷系统保证伺服电机在较低温度下使用，降低电机的工作温度，延长使用寿命。

可见，如图1所示，本实施例密封传动装置中水冷系统包括磁流体密封组件水冷、伺服电机水冷、传动轴轴心水冷三部分。该三部分水冷共同保证了密封传动装置的可靠工作。

本实施例中，采用水冷系统、轴套、保护气路的结构来提高装置的密闭性和长期工作的稳定性。

图3为图1所示密封传动装置中轴高度调节组件的示意图。请参照图3，该轴高度调节组件包括：止动垫圈、螺钉、带有与传动轴外螺纹相匹配内螺纹的后压盖。其中：止动垫圈，为具有一定厚度的环形加工件，圆环上均布6个圆孔，与轴套底部的6个螺孔相对应；其内部带有凸状键，与传动轴底部的键槽相咬合。后压盖，为具有一定厚度的环形加工件，圆环上均布12个圆孔，位于止动垫圈的外侧，与止动垫圈、轴套的孔相对应；后压盖内部带有内螺纹，与传动轴底部的外螺纹相配合。传动轴的底部具有外螺纹，后压盖具有与之匹配的内螺纹，此时由于后压盖的位置固定，通过旋转后压盖即可调节传动轴的高度，高度调整好之后通过螺钉将后压盖、止动垫圈、密封压套、轴套依次固定在一起；同时通过此处的螺钉固定，使密封压套压紧传动轴和轴套之间的O型密封圈，保证此处的密封效果，此处密封压套为法兰状，并带有6个均布的圆孔，与轴套螺孔相对应。

除此之外，轴高度调节组建需要同时完成传动的功能，止动垫圈内部带有凸状键，传动轴相应位置具有键槽与其相匹配，当螺钉固定住后压盖、止动垫圈、轴套之后，电机带动轴套旋转，止动垫圈同时旋转，此时，由于止动垫圈内部的凸状键和传动轴的键槽咬合在一起，传动轴通过凸状键的传动作用随之旋转。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明密封传动装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)轴高度调节组件部分，还可以在确定尺寸的前提下，采用键槽咬合或者螺钉的形式来进行固定；

(2)伺服电机部分可以用实心轴的伺服电机来代替，将伺服电机固定在传动轴一侧，以皮带传动的方式对传动轴进行旋转传动；

综上所述，本发明提供一种用于对化学气相沉积设备的薄膜沉积腔室进行密封传动的装置。该密封传动装置可以实现对高温密闭的薄膜沉积腔室进行密封传动，传动轴可通过轴高度(特指轴进入薄膜沉积腔室的距离)调节组件调节轴的高度，达到调节薄膜沉积腔室内托盘与加热丝之间的距离，从而提高加热丝加热的效率和均匀性，提高半导体外延片的生长质量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种密封传动装置，其特征在于，包括：

传动轴，其末端具有外螺纹；

壳体，位于所述传动轴的外围，其上端的壳体法兰与薄膜沉积腔室下方的传动轴孔密封扣合，所述传动轴上部突出壳体法兰的部分伸入薄膜沉积腔室内，其后端位于薄膜沉积腔室之外；

轴套，设置于所述壳体和所述传动轴之间，其末端与所述传动轴的末端通过O型密封圈密封；

轴承，其在径向上设置于所述轴套和壳体之间，其在轴向上位于所述壳体的中部，用于固定所述轴套，并使所述轴套和传动轴可相对于壳体转动；

无轴伺服电机，其在轴向上位于所述轴承和壳体末端之间，其在径向上位于所述轴套与壳体之间，其定子固定在所述壳体上，其转子通过键与所述轴套卡合，用于带动轴套和传动轴转动；以及

轴高度调节组件，其在径向上位于所述传动轴的外围，其在轴向上固定在轴套末端，其上端通过密封压套顶住所述O型密封圈，其内侧具有与传动轴末端外螺纹相匹配的内螺纹，通过旋转所述传动轴或所述轴高度调节组件，实现传动轴高度的调节，包括：

止动垫圈，为具有一定厚度的圆环形加工件，其内部带有凸状键，与传动轴底部的键槽相咬合，并且其外围均布若干个圆孔；

后压盖，为具有一定厚度的环形加工件，圆环上均布若干个圆孔，位于止动垫圈的外侧，与止动垫圈、轴套的孔相对应，后压盖内部带有内螺纹；

其中，传动轴的底部具有外螺纹，后压盖具有与之匹配的内螺纹，后压盖的位置固定，通过旋转后压盖即可调节传动轴的高度，高度调整好之后通过螺钉将所述后压盖、止动垫圈、密封压套、轴套依次固定在一起；同时通过此处的螺钉固定，使密封压套压紧传动轴和轴套之间的O型密封圈。

2.根据权利要求1所述的密封传动装置，其特征在于，所述止动垫圈的外围均布6个圆孔，与轴套底部的6个螺孔相对应，所述后压盖的外围均布12个圆孔。

3.根据权利要求1所述的密封传动装置，其特征在于，所述密封压套为法兰状，其外围带有6个均布的圆孔。

4.根据权利要求1所述的密封传动装置，其特征在于，还包括：

磁流体密封组件，呈圆环形，其在轴向上位于壳体上端的所述壳体法兰与所述轴承之间，其在径向上位于所述壳体和轴套之间，用于对所述壳体和所述轴套之间的空隙进行磁流体密封。

5.根据权利要求4所述的密封传动装置，其特征在于，在所述磁流体密封组件外侧，壳体内侧具有一向上吹入薄膜沉积腔室内部的保护气体的气路，通过该气路向薄膜沉积腔室内吹入保护气体，用来降低薄膜沉积腔室内部的热流对磁性密封液的热冲击，同时降低薄膜沉积腔室内部灰尘流入磁流体密封组件内部。

6.根据权利要求4所述的密封传动装置，其特征在于，所述磁流体密封组件水冷系统的出水口和进水口与外界水冷系统的相应口连接。

7.根据权利要求1所述的密封传动装置，其特征在于，通过旋转接头装置完成外界水冷系统与传动轴底部的连接，对传动轴进行轴心水冷。

8.根据权利要求1所述的密封传动装置，其特征在于，在伺服电机的外侧壳体部分设计了环形水冷槽，该环形水冷槽的出水口和进水口与外界水冷系统的相应口连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的密封传动装置，其特征在于，应用于化学气相沉积设备中；

在壳体法兰顶端与薄膜沉积腔室相对接位置采用了环形的凸台结构，该凸台结构嵌入在薄膜沉积腔室的底部。