坩埚处理系统的制作方法

本实用新型涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种坩埚处理系统。

背景技术：

在半导体材料制备过程中，PBN坩埚是一种重要的零部件，合格的PBN坩埚需要经历烘烤氧化的过程，CN206927963U在现有技术上进行了改进，通过炉膛内高温烘烤和抽真空实现坩埚脱水，通过在880~980℃条件下持续充氧实现对PBN坩埚内外壁氮化硼的氧化，形成的坩埚内壁氧化膜有助于在砷化镓、磷化铟长单晶过程中，以提高液封氧化硼的对PBN坩埚内壁的浸润度，从而提高晶体生长良品率。

然而该装置仍然存在以下不足点。

1、能耗损失大：该设备在880~980℃高温时持续充氧，常温状态氧气持续以约0.1~0.55 MPa的压力向炉体内充氧，温差大，导致氧气消耗大、能耗损失大。

2、坩埚内壁热氧化不充分：该设备由于PBN坩埚平卧，PBN坩埚离炉体12根加热丝非等距，PBN坩埚所处的温场差异较大；同时在外界持续充氧作用下，冷热气体在高温作用下形成杂乱无章的紊流，甚至可能因反应温度不足或氧压不够导致PBN坩埚内壁局部未被氧化。最终导致两个影响：其一是晶体生长工艺中氧化硼浸润度不足形成异核挛晶，对晶体生长良品率造成不利影响；其二是该工艺的PBN坩埚由于氧化膜厚度不够均匀，晶体生长完成后，PBN坩埚内壁氮化硼脱模离层的程度不一，降低了PBN坩埚的寿命。

3、易出现冷却管路接头爆管现象：现有冷却装置设计方面因冷却水夹层较薄，大约2cm，在880~980℃高温辐射和石英玻璃管的热传导作用下，冷却水流却相对较小，在卡头腔体内的冷却水在100~300℃的温度下，会迅速沸腾，腔体气隙压强急剧增大，导致冷却管路接头爆裂，烘烤充氧过程终止。

4、平卧的设备烘烤完成后要伸入石英管取出氧化后的PBN，取出过程中与PBN坩埚内壁接触有擦伤氧化硼膜的风险，后续长单晶时砷化镓浸润度不够而致异核挛晶。

该装置基于对真空烘烤机的充氧方式做了改进，该装置所提供的烘烤氧化方法仍存在上述缺陷，因此，有必要设计一种新的系统或装置以解决上述技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述技术问题，提出一种自动化程度高、采用高温静压氧化方法处理坩埚的坩埚处理系统。

为实现前述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种坩埚处理系统，其包括一立式烘烤氧化系统以及用于安装或拆分立式烘烤氧化系统的一机械抓取系统，所述立式烘烤氧化系统包括一炉体、包覆于炉体外的一保温层、固定于炉体内的一坩埚架总成、用于加热的一石英管加热器、用于封闭炉体并夹持固定石英管加热器的一冷却密封接头以及设于保温层外的一外壳，所述机械抓取系统包括一机械手、一竖直升降装置、一水平移动装置以及一对导轨，所述机械手固定在竖直升降装置上，所述竖直升降装置能够沿着水平移动装置水平移动，所述水平移动装置能够沿着导轨滑动。

作为本实用新型的进一步改进，所述坩埚架总成包括一底盘、垂直固定于底盘上的若干坩埚架、垂直固定于底盘中心的一第一提手，所述底盘依靠一坩埚锁栓固定于炉体内。

作为本实用新型的进一步改进，每一坩埚架包括一支撑柄、一第一环架、一第二环架，所述第一环架、第二环架均水平固定于支撑柄的一侧，所述第一环架的内环半径大于第二环架的内环半径，第一环架位于第二环架的上方。

作为本实用新型的进一步改进，所述支撑柄包括一曲部和自曲部向下延伸的一直部，所述直部垂直于底盘固定，所述曲部位于第一环架、第二环架之间，所述直部位于第二环架和底盘之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述石英管加热器包括一长筒形石英管以及置于石英管内的至少一电热丝，所述石英管管口内塞有一隔热棉，所述石英管管口外还设有用于密封的一金属件，所述金属件盖设于石英管管口外，所述电热丝的一端固定在金属件上，所述电热丝的另一端悬置于石英管内，所述金属件包括一主体、凸出于主体的一第二提手以及设置于主体侧壁上的若干卡扣。

作为本实用新型的进一步改进，金属件与石英管结合处形成一卡槽，所述卡槽内放置一密封圈。

作为本实用新型的进一步改进，所述金属件内开设有一冷却水槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述冷却密封接头包括一圆柱形主体以及贴设于主体下方的一层反辐射隔热垫，所述主体上开设有用于加热装置放置的若干放置孔，所述放置孔上下贯穿主体，所述主体上表面中心凸设有一第三提手，所述主体侧缘设置有若干紧固件，所述主体内设置一环形冷却水槽，所述主体侧壁设有若干冷却水接口，所述冷却水槽与冷却水接口连通。

作为本实用新型的进一步改进，所述主体侧边底部设有一凹槽，所述凹槽内置一密封圈。

作为本实用新型的进一步改进，所述主体上表面设置有若干槽道，所述若干放置孔通过槽道互相连通。

本坩埚处理系统，相较于现有技术，能降低能耗、成膜均匀、爆管概率降低，且机械自动化程度高，也能降低在转移过程中擦伤氧化膜的风险，整体结构布局合理，非常适合于半导体材料的制备。

附图说明

图1为本实用新型坩埚处理系统的整体结构示意图。

图2为本实用新型坩埚处理系统另一状态下的整体结构示意图。

图3为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统在第一视角下的整体结构示意图。

图4为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统在第二视角下的整体结构示意图。

图5为图4沿着A-A方向的剖面图。

图6为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统在第三视角下的结构爆炸图。

图7为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统在第四视角下的结构爆炸图。

图8为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的坩埚架总成和坩埚在第五视角下的结构示意图。

图9为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的坩埚架总成在第六视角下的结构示意图。

图10为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的坩埚架在第七视角下的结构示意图。

图11为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的石英管加热器在第八视角下的结构示意图。

图12为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的石英管加热器在第九视角下的结构示意图。

图13为图12沿着B-B方向的剖面图。

图14为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的冷却密封接头在第十视角下的结构示意图。

图15为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的冷却密封接头在第十一视角下的结构示意图。

图16为本实用新型坩埚处理系统的立式烘烤氧化系统的冷却密封接头在第十二视角下的结构示意图。

图17为图16沿着C-C方向的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，本实用新型提出一种坩埚处理系统4000，用于处理坩埚2000，坩埚处理系统4000包括一立式烘烤氧化系统1000以及用于安装或拆分立式烘烤氧化系统的一机械抓取系统3000。

机械抓取系统3000包括一机械手3100、一竖直升降装置3200、一水平移动装置3300以及一对导轨3400，所述机械手3100固定在竖直升降装置3200上，所述竖直升降装置3200能够沿着水平移动装置3300水平移动，所述水平移动装置3300能够沿着导轨3400滑动。机械手3100能够完成立式烘烤氧化系统1000的安装和拆分。机械抓取系统3000能够使得机械手3100的移动形成自动化，加快整个系统的传送和处理效率，提高劳动生产率。

请参阅图3-7，立式烘烤氧化系统1000，用于处理坩埚2000，立式烘烤氧化系统1000包括一炉体1100、包覆于炉体1100外的一保温层1200、固定于炉体1100内的一坩埚架总成1300、置于坩埚2000内用于加热的一石英管加热器1500、用于封闭炉体1100并夹持固定石英管加热器1500的一冷却密封接头1600以及设于保温层1200外的一外壳1700。该立式烘烤氧化系统1000用于半导体材料制备领域，对PBN坩埚进行烘烤和氧化，使得经过烘烤和氧化后的PBN坩埚具备良好的内壁氧化膜，有助于在砷化镓、磷化铟长单晶过程中提高PBN坩埚内壁的浸润度，从而提高晶体生长良品率。

所述炉体1100成圆筒形结构，上端开口。

所述保温层1200用于给炉体1100保温。

坩埚2000包括自上向下延伸的一直筒部2010、一过渡部2020以及一嘴部2030，直筒部2010的截面半径大于过渡部2020的截面半径，过渡部2020逐渐收窄。

请参阅图8-10，所述坩埚架总成1300，坩埚2000放置于坩埚架总成1300上固定，坩埚架总成1300包括一底盘1310、垂直固定于底盘1310上的若干坩埚架1320、垂直固定于底盘1310中心的一第一提手1330，底盘1310依靠一坩埚锁栓1800固定于炉体1100内。

底盘1310为一圆形平面盘，第一提手1330和坩埚架1320固定于底盘1310的同一面。设置第一提手1330是为了便于移动整个坩埚架总成1300。底盘1310上开设有若干异型孔1311，若干异型孔1311均匀分布在底盘1310上。异型孔1311用于将底盘1310固定于坩埚锁栓1800上，坩埚锁栓1800作为坩埚架总成1300的固定支撑。

第一提手1330的顶端高度高于坩埚架1320的顶端高度，这样的设置便于机械手或者人工移动整个坩埚架总成1300。

每一坩埚架1320包括一支撑柄1321、一第一环架1322、一第二环架1323，第一环架1322、第二环架1323均水平固定于支撑柄1321的一侧，第一环架1322的内环半径大于第二环架1323的内环半径，第一环架1322位于第二环架1323的上方，坩埚2000能够自上方放置于坩埚架1320上，过渡部2020固定于第一环架1322上，同时嘴部1420固定于第二环架1323上。坩埚架1320的结构是专门针对坩埚2000的结构而设置，第一环架1322、第二环架1323的设置目的在于通过多点的接触固定能够将坩埚2000稳定的放置于坩埚架1320上。

支撑柄1321包括一曲部1321a和自曲部1321a向下延伸的一直部1321b，直部1321b垂直于底盘1310固定，在本实施例中，直部1321b焊接在底盘上。曲部1321a位于第一环架1322、第二环架1323之间，直部1321b位于第二环架1322和底盘1310之间。

机械手3100能够十分便利的转移坩埚架总成1300，其具体过程为：机械手3100张开机械爪，抓取坩埚架总成1300的第一提手1330，转移到指定的地点，实现坩埚架1300及坩埚2000的机械自动化移动。

请参阅图11-13，石英管加热器1500，其包括一长筒形石英管1510以及置于石英管1510内的至少一电热丝1520，所述石英管1510管口内塞有一隔热棉1530，所述石英管1510管口外还设有用于密封的一金属件1540，所述金属件1540盖设于石英管1510管口外，所述电热丝1520的一端固定在金属件1540上，所述电热丝1520的另一端悬置于石英管1510内，所述金属件1540包括一主体1541、凸出于主体1541的一第二提手1542以及设置于主体1541侧壁上的若干卡扣1543。

所述金属件1540与石英管1510结合处形成一卡槽1544。卡槽1544用于石英管加热器1500与冷却密封接头1600的卡接固定。

所述金属件1540上开设有若干出线圆孔1545。电源线（图上未示出）穿过出线圆孔1545与电热丝1520电性连接。

所述金属件1540内开设有一冷却水槽1546。通过进水口和出水口（图上未示出），冷却水槽1546能够实现冷却水的循坏，能够给石英管加热器1500降温。同时，隔热棉1530对几百摄氏度的高温起到很好的隔热作用，极大减轻了冷却水槽1546的冷却负荷，且隔热棉1530有效的隔热提高了热利用效率。

卡扣1543也用于与冷却密封接头1600相卡接。

第二提手1542用于整个石英管加热器1500的转移，可以通过机械手或者其他夹具抓取第二提手1542转移石英管加热器1500。

石英管加热器1500，具备循环水冷却降温功能，更加适用于半导体晶体材料的制备。

请参阅图14-17，冷却密封接头1600，其包括一圆柱形主体1610以及贴设于主体下方的一层反辐射隔热垫1620，所述主体1610上开设有用于加热装置放置的若干放置孔1611，所述放置孔1611上下贯穿主体1610，所述主体1610上表面中心凸设有一第三提手1612，所述主体1610侧缘设置有若干紧固件1613，所述主体内设置一环形冷却水槽1614，所述主体1610侧壁设有若干冷却水接口1615，所述冷却水槽1614与冷却水接口1615连通。

所述主体1610上表面设置有若干槽道1616，所述若干放置孔1611通过槽道1616互相连通。

所述槽道1616内设置有若干线孔1616a，线孔1616a和槽道1616a均用于放置石英管加热器1500的导电线（图上未示出）。

所述主体1610上表面向放置孔1611内凸伸出若干卡齿1617，放置孔1611用于放置石英管加热器1500，卡齿1617用于与石英管加热器1500的固定连接。

所述主体1610侧边底部设有一凹槽1618，该凹槽1618内置一密封圈1900。

所述主体1610上还设置有若干气孔1619，冷却密封接头1600和石英管加热器1500固定结合后，这些气孔1619与炉体1100连通，这些气孔1619用于炉体1100的抽真空和进气。第三提手1612便于冷却密封接头1600和石英管加热器1500的分离。

本冷却密封接头1600用于与石英管加热器1500结合使用，本冷却密封接头1600在石英管加热器1500用于加热时，反辐射隔热垫1620能够减少热量逸出，降低高温辐射对冷却水槽1614内的冷却水的影响；同时，冷却水槽1614内的冷却水能够使得密封圈1900保持在低温，确保冷却密封接头1600的气密性和稳定性。

外壳1700为整个立式烘烤氧化系统1000提供坚硬的外保护，免于立式烘烤氧化系统1000内的结构被轻易损毁。

上述组件进行组装结合形成立式烘烤氧化系统1000，炉体1100内形成与外部隔绝的一腔体，与现有技术的动压氧化不同，本立式烘烤氧化系统1000在高温下的氧化过程为一个静压氧化的过程，对坩埚内氧化膜的形成更为有利。

对于立式烘烤氧化系统1000，坩埚架总成1300、石英管加热器1500以及冷却密封接头1600分别设置有提手，均可采用机械手3100来抓取提手进行转移，在处理完一批坩埚后，可以采用机械自动化的方式来拆分整个立式烘烤氧化系统1000，然后换取另一批坩埚继续处理，自动化程度较现有技术高，能降低在转移过程中擦伤氧化膜的风险。

因在坩埚2000的烘烤氧化处理过程中，冷却密封接头1600能够确保密封圈1900处于低温状态，则整个立式烘烤氧化系统1000的气密性得到了保证，同时爆管的概率大幅度降低；石英管加热器1500与坩埚2000的相对位置可以保证坩埚2000受热均匀，因此，坩埚2000形成的内壁氧化膜也可以保证是厚度均匀的，且石英管加热器1500的热效率高，可以适当降低烘烤温度，从而减少能耗。

本坩埚处理系统4000，相较于现有技术，能降低能耗、成膜均匀、爆管概率降低，且机械自动化程度提高，也能降低在转移过程中擦伤氧化膜的风险，整体结构布局合理，非常适合于半导体材料的制备。

尽管为示例目的，已经公开了本实用新型的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本实用新型的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。