CN107723791B - 一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备技术领域，公开了一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，包括形成冷却水板框架的水冷板，所述水冷板的上表面包括热导层支撑部和设置在所述热导层支撑部周边的支撑框支撑部，所述热导层支撑部与所述支撑框支撑部成台阶状设置且所述热导层支撑部的高度大于所述支撑框支撑部的高度；所述热导层支撑部上设置有球面支撑柱。本发明用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板能在满足晶片冷却均匀性的前提下，最大限度的提高对晶片温度的冷却效率，相应的提高了金属有机物化学气相沉积设备的产能。
Description
技术领域
本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备技术领域，尤其涉及一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板。
背景技术
在薄膜太阳能电池组件中，薄膜层起到光电转换的作用，其性能在很大程度上决定了电池片的光电转换效率，即电池片的关键性能参数。薄膜层一般采用金属有机物化学气相沉积(金属有机物化学气相沉积的英文名称为Metal-organic Chemical VaporDeposition，缩写为MOCVD)的加工方式进行材料生长，而MOCVD生产设备非常昂贵，在整条薄膜太阳能电池片生产线中，MOCVD设备成本占据非常高的比例，其产能的提高能够极大的降低电池片的制造成本。
金属有机物化学气相沉积，是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种化学气相沉积工艺，用于生长外延晶片。它是以III族、II族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶片生长的反应气体，以热分解反应方式在蓝宝石衬底或其他衬底上进行外延沉积工艺，生长各种III-V族、II-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的外延材料层。通常MOCVD的生长条件是在低压(1000-10000pa)下进行，生长使用的载气(通常为N2或H2)与原料气体按一定比例混合通入反应腔内，衬底温度一般在700-1500K之间。
冷却水板装置是MOCVD设备中的关键组成部分，冷却水板装置位于MOCVD设备中的LOAD-LOCK模块中，其主要功能是对在工艺腔室中完成工艺后的晶片进行冷却，带温度冷却至适合温度后，传出设备。冷却效果的好坏直接决定了工艺后晶片冷却的均匀性问题，对晶片的功能有着直接的影响。众所周知，温度场是决定沉积薄膜质量的决定性因素，因此，性能优秀的冷却水板装置是MOCVD整机性能良好的重要组成部分。
目前MOCVD设备中冷却水板装置使用的冷却方式是辐射冷却，使用此结构的冷却水板如图1所示。冷却水板1装置位于晶片载板2下方，晶片载板2主要有支撑框22、热导层21及与热导层良好接触并呈阵列式分布的晶片3组成，晶片载板2上表面俯视图，如图2所示，同时热导层21与支撑框22之间并无固定，热导层21仅仅是贴合定位在支撑框22上。冷却水板1与晶片载板支撑框22之间有一定距离的空隙4，支撑框底面与热导层之间也存在一定的距离，因此，热导层与冷却水板之间的实际距离较大。在此距离条件下，冷却水板通过辐射传热的方式，使晶片载板上的热导层温度逐渐降低，从而实现将晶片的温度进行冷却。同时，为了提高冷却的均匀性，在冷却过程中，在载板与冷却水板中间增加N2，以便使热导层的温度能够在N2作用下均匀冷却，从而提升晶片的温度冷却均匀性，提升晶片性能。
此种冷却结构在一定程度上实现了对晶片进行冷却的目的，但经过仿真验证及相关试验发现，由于辐射传热特点的原因，热导层与冷却水板的间距较大，使得辐射传导效率较低，无法实现对载板上表面晶片的高效率冷却，制约了设备的量产。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，以解决现有金属有机物化学气相沉积设备对晶片的冷却效率低从而制约设备产量的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，包括形成冷却水板框架的水冷板，所述水冷板的上表面包括热导层支撑部和设置在所述热导层支撑部周边的支撑框支撑部，所述热导层支撑部与所述支撑框支撑部成台阶状设置且所述热导层支撑部的高度大于所述支撑框支撑部的高度；
所述热导层支撑部上设置有球面支撑柱，所述热导层支撑部与晶片所在的热导层的轮廓相似且热导层支撑部的轮廓尺寸小于所述热导层的边缘尺寸；
所述支撑框支撑部与所述球面支撑柱的顶点的高度差大于支撑框支撑所述热导层的表面与支撑框底面之间的距离。
进一步地，多个所述球面支撑柱对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层的晶片支撑骨架的正下方。
进一步地，多个所述球面支撑柱均匀分布。
进一步地，冷却水板上设置有贯穿所述水冷板的上、下表面的多个气孔，所述气孔与冷却气体管路连通。
进一步地，所述冷却气体管路上设置有控制气流的调速组件。
进一步地，多个所述气孔对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层的晶片支撑骨架的正下方。
进一步地，冷水水板内均匀设置有多根冷却水道。
进一步地，所述支撑框支撑部与所述热导层支撑部的高度差不小于支撑框支撑所述热导层的表面与支撑框底面之间的距离。
进一步地，所述球面支撑柱的高度为5-10mm。
进一步地，所述球面支撑柱的材质为不锈钢或石英。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板根据晶片载板自身结构特点，将水冷板的上表面设计为台阶结构、并在对应热导层的部分设置了球面支撑柱，如此，在晶片载板逐渐下落并与冷却水板最后的接触过程中，晶片载板的热导层最先与冷却水板的球面支撑柱相接触，然后支撑框继续下落，热导层进而与支撑框脱离，支撑框最后落在冷却水板上，二者面面贴合到位。此时，热导层落在分布于冷却水板的上部的球面支撑柱上，在近距离的状态下，热导层与冷却水板间进行辐射热量传导，热导层温度快速下降，同时，在面面贴合状态下的支撑框通过热传导的方式直接被冷却水板进行冷却，温度也得到快速冷却，同时支撑框的温度不会影响热导层的温度，最大程度保证了晶片的温度一致性。
可见，本发明用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板能在满足晶片冷却均匀性的前提下，最大限度的提高对晶片温度的冷却效率，相应的提高了金属有机物化学气相沉积设备的产能。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是现有冷却水板与晶片载板的安装示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明实施例用于金属有机物化学气相沉积的冷却水板和晶片载板的安装示意图；
图4是图3的A部放大图；
图5是本发明实施例用于金属有机物化学气相沉积的冷却水板的俯视图。
图中：1：冷却水板，11：水冷板，12：冷却水道，13：气体管路，14：气孔，15：气体，16：球面支撑柱；2：晶片载板，21：热导层，22：支撑框；3：晶片；4：冷却水板与晶片载板支撑框之间的空隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
图中标号4表示的是原有冷却水板结构的冷却水板与晶片载板支撑框之间的空隙。
如图3所示，本发明实施例提供的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板1，包括形成冷却水板外框的水冷板11，冷却水板内设置了多根均布的冷却水道12，冷水管道12的作用是保持水冷板11为冷却状态。所述水冷板11的上表面成阶梯状设置，其中阶梯状是根据晶片载板2的热导层21和支撑框22的结构进行设计的。具体如图3所示，水冷板11的中部为上台阶，其周边为环绕在上台阶周向上的下台阶，其中上台阶的部分是用来支撑热导层21的，下台阶的部分是用来支撑支撑框22的，为了方便描述定义上台阶位置为热导层支撑部，定义下台阶位置为支撑框支撑部。
如图3示意性的表示了，所述热导层支撑部上设置有球面支撑柱16，所述热导层支撑部与晶片所在的热导层21的轮廓相似且热导层支撑部的轮廓尺寸小于所述热导层21的边缘尺寸。所述支撑框支撑部与所述球面支撑柱16的顶点的高度差大于支撑框支撑所述热导层21的表面与支撑框22底面之间的距离。
可以理解的是，所述支撑框支撑部与所述球面支撑柱16的顶点的高度差大于支撑框支撑所述热导层21的表面与支撑框22底面之间的距离，也即，热导层21支撑在球面支撑柱16上时，热导层21的底面与支撑框22的支撑面(支撑框22的支撑面指的是支撑框22支撑所述热导层21时与所述热导层21底面接触的面)存在高度差，换句话说，热导层21此时与支撑框22是相互分离的。在实际应用中，支撑框支撑部与所述球面支撑柱16的顶点的高度差略比支撑框支撑所述热导层的表面与支撑框底面之间的距离大即可；优选的，如图3或4所示，所述支撑框支撑部的表面与热导层支撑部的表面高度差同支撑框的支撑面与支撑框底面的高度差一致或略大即可。
需要说明的是，所述热导层支撑部与晶片3所在的热导层21的轮廓相似且热导层支撑部的轮廓尺寸小于所述热导层21的边缘尺寸，这样结构设计的目的，一方面，所述热导层支撑部与晶片3所在的热导层21的轮廓相似是为了保证热导层能够尽可能的与水冷板11正对，从而提高晶片3的冷却效率和冷却均匀性；另一方面，热导层支撑部的轮廓尺寸小于所述热导层21的边缘尺寸，热导层21比热导层支撑部大的部分是预留出的与支撑框22接触的部位，这样可以方便将整个晶片载板整体同步下放，同时在下放过程中实现支撑框与热导层21的分离。在实际应用中，可根据热导层21的面积、形状等因素，合理的设计热导层支撑部的轮廓尺寸，其设计以支撑框能够完全支撑热导层21且热导层能够最大限度的正对水冷板11为原则。
需要说明的是，球面支撑柱16指的是顶面为球形面的支撑柱或者直接为球型或者半球形的支撑件，整体所述球面支撑柱的高度可为5-10mm；所述球面支撑柱的材质为导热效率低的不锈钢或石英等材料。
在实际应用中，多个所述球面支撑柱16应对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层上的晶片支撑骨架的正下方。其中，所述的晶片支撑骨架指的是热导层支撑晶片的位置，也即如图2所示的相邻晶片之间的黑色区域。
球面支撑柱16对应设置在晶片支撑骨架的正下方，避免了球面支撑柱16对晶片造成的损坏以及不能有效对热到成进行支撑的问题发生。
本实施例用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板的结构设计，根据晶片载板2的自身结构特点(支撑框22和热导层21是靠热导层21本身的重力贴合在支撑框22上而非固定连接)，改变原有晶片载板2与冷却水板1的位置关系；并结合冷却水板1的台阶结构及球面支撑柱16的结构，在晶片载板2与冷却水板1逐渐下落并与最后的接触过程中，晶片载板2的热导层21最先与冷却水板1的球面支撑柱16相接触，然后支撑框22继续下落，热导层21进而与支撑框22脱离，支撑框22最后落在水冷板11上，二者面面贴合到位。此时，热导层21落在分布于冷却水板的上部的球面支撑柱16上，在近距离的状态下，热导层21与冷却水板1间进行辐射热量传导，热导层21温度快速下降，同时，在面面贴合状态下的支撑框22通过热传导的方式直接被冷却水板1进行冷却，温度也得到快速冷却，同时支撑框22的温度不会影响热导层的温度，最大程度保证了晶片3的温度一致性。
为满足对热导层21的稳定支撑，球面支撑柱16可均布分布于水冷板上表面，如图5所示。球面支撑柱16可以保证热导层21与冷却水板1之间的距离极小，最大限度的让冷却水板1靠近热导层21，大幅度提高了两者之间热辐射的热传导效率。与此同时，虽然热导层21与冷却水板1间进行了直接接触，但由于接触点均为球面，为点接触，是在点接触状态下的辐射传热，有效避免了二者面面接触对晶片温度均匀性带来的风险。
如图3和4所示，所述冷却水板1上设置有贯穿所述冷却水板的上、下表面的多个气孔14，所述气孔14与冷却气体管路13连通，所述冷却气体管路13上设置有控制气流的调速阀。
优选的如图5所示，多个所述气孔14对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层上的晶片支撑骨架的正下方。
气孔14内的气体15优选为氮气，氮气通过冷却气体管道13输送到气孔14，再通过气孔14从冷却水板1的下表面输送到上表面，也即最终氮气在热导层21与水冷板11的上表面之间形成了冷却层。
本实施例用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，N2在冷却过程中的起到匀温作用，在球面支撑柱16的作用下，N2依然可以通过水冷板11的气孔14，进入到热导层21与冷却水板1间的缝隙中；同时本实施例用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板增加相关气流调速装置，将原有以恒定速度进气方式更改为对N2进气速度进行连续可调方式，此种方式进一步保证了温度均匀性。
综上所述，本实施例用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板具有以下优点：
1、提升了水冷板对晶片的冷却效率。
2、在进行晶片载板冷却时，热导层与支撑框与冷却水板的不同接触方式，优化了晶片载板的冷却方式，在提升冷却效率的前提下，保证了热导层关键结构的冷却均匀性效果。
最后需要说明的是，具体实施应用中，可根据载板的具体形状，改变台阶结构的轮廓形状，以满足与载板的相互匹配，实现对热导层冷却的良好控制。同时根据热导层面积的大小，球面支撑柱的高度和数量可相应进行调整，以保证对热导层的支撑和控制热导层与冷却水板间的距离，从而满足晶片的冷却要求。进一步的，针对球面支撑柱的材质方面，综合考虑机械加工难度、耐温程度等要求，选择一些热导率较低的材料，不限于不锈钢、石英等。针对晶片载板与冷却水板进行贴合过程运动中，可选择伺服电机，实现对其运动位置的精确控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：包括形成冷却水板框架的水冷板，所述水冷板的上表面包括热导层支撑部和设置在所述热导层支撑部周边的支撑框支撑部，所述热导层支撑部与所述支撑框支撑部成台阶状设置且所述热导层支撑部的高度大于所述支撑框支撑部的高度；
所述热导层支撑部上设置有球面支撑柱，所述热导层支撑部与晶片所在的热导层的轮廓相似且热导层支撑部的轮廓尺寸小于所述热导层的边缘尺寸；
所述支撑框支撑部与所述球面支撑柱的顶点的高度差大于支撑框支撑所述热导层的表面与支撑框底面之间的距离；
所述冷却水板上设置有贯穿所述水冷板的上、下表面的多个气孔，所述气孔与冷却气体管路连通；
所述冷却气体管路上设置有控制气流的调速组件。
2.根据权利要求1所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：多个所述球面支撑柱对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层的晶片支撑骨架的正下方。
3.根据权利要求2所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：多个所述球面支撑柱均匀分布。
4.根据权利要求2所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：多个所述气孔对应设置在所述热导层支撑部支撑的热导层的晶片支撑骨架的正下方。
5.根据权利要求1所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：冷却水板内均匀设置有多根冷却水道。
6.根据权利要求1所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：所述支撑框支撑部与所述热导层支撑部的高度差不小于支撑框支撑所述热导层的表面与支撑框底面之间的距离。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：所述球面支撑柱的高度为5-10mm。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于金属有机物化学气相沉积设备的冷却水板，其特征在于：所述球面支撑柱的材质为不锈钢或石英。
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Address after: 102200 room A129-1, Zhongxing Road, Changping District science and Technology Park, Beijing, China, 10 Patentee after: DONGTAI HI-TECH EQUIPMENT TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd. Address before: 102209 Beijing city Changping District town Beiqijia Hongfu Pioneer Park No. 15 hospital Patentee before: Beijing Chuangyu Technology Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20200617 Address after: 518112 Room 403, unit 2, building C, Dongfang Shengshi, Jinpai community, Buji street, Longgang District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen yongshenglong Technology Co.,Ltd. Address before: 102200 room A129-1, Zhongxing Road, Changping District science and Technology Park, Beijing, China, 10 Patentee before: DONGTAI HI-TECH EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20210223 Address after: Room a129-1, No. 10, Zhongxing Road, science and Technology Park, Changping District, Beijing Patentee after: DONGTAI HI-TECH EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Room 403, unit 2, building C, Dongfang Shengshi, Jinpai community, Buji street, Longgang District, Shenzhen, Guangdong 518112 Patentee before: Shenzhen yongshenglong Technology Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20210913 Address after: Unit 611, unit 3, 6 / F, building 1, yard 30, Yuzhi East Road, Changping District, Beijing 102208 Patentee after: Zishi Energy Co.,Ltd. Address before: Room a129-1, No. 10, Zhongxing Road, science and Technology Park, Changping District, Beijing Patentee before: DONGTAI HI-TECH EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Granted publication date: 20191122 |
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