石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔的制作方法

本发明属于gan单晶衬底制备技术领域，具体涉及石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔。

背景技术：

氮化镓(gan)是被广泛应用于微电子器件、光电子器件领域的第三代半导体材料。gan的制备主要基于金属有机物化学气相沉积(mocvd)、化学气相外延(hvpe)、分子数束外延(mbe)等工艺。mocvd生长gan大多采用蓝宝石作为生长衬底，而hvpe法因其具有生长速率快的特点，常用于生长较大尺寸的单晶gan。采用mocvd生长gan模板，然后用hvpe法对gan模板加厚，最后再用激光剥离(llo)gan厚膜，已成为当前gan单晶衬底制备的主流工艺。在mocvd和hvpe工艺中，gan单晶衬底的生长均需在高温(在hvpe中高达1100℃)环境下进行，而如何在各道工艺之间转载传输gan单晶衬底片并确保其表面质量是gan单晶衬底制备需要解决的关键问题之一。

经市场调研和查阅文献资料，目前常用方法是采用圆型石墨托盘来承载gan单晶衬底片，并采用独立中转腔来转运石墨托盘，即采用机械手将承载gan单晶片的石墨托盘从mocvd(或hvpe)设备中取出并转至独立中转腔内部，然后将独立中转腔移动到另一个设备(如llo设备)旁，再将石墨圆盘转出，进行下一道工序。独立中转腔具有局部保温功能，但不自带机械手，机械手均在外围设备(如mocvd、hvpe、llo等工艺设备)中。石墨托盘可耐受1100℃以上的高温，而且一个石墨圆盘可承载二十多片gan单晶衬底，可提高生产效率。但是，由于采用了独立中转腔，在石墨托盘转载运输时，gan单晶衬底片通常需要经历降温——保温——升温等温度变化过程。温度突变容易导致gan单晶破损，并且gan单晶衬底片温度过低(＜700℃)不利于gan单晶生长的一致性。采用了石墨托盘和独立中转腔方式无法保证gan单晶衬底片在转运中保持一定的高温且温度≥700℃，而且在取放石墨托盘过程中增大了gan单晶衬底片暴露在大气环境中的概率，降低了其表面质量，从而影响了最终的生长质量。

此外，激光预剥离(llo)需要对gan单晶衬底片背面(蓝宝石衬底面)进行照射，由于石墨盘不透明，目前大多数llo工艺是采用机械手通过伯努利吸附传输方式将gan单晶衬底片从石墨盘上取出，每次一片，完成llo工艺后再放回石墨盘对应工位，无法对整个石墨盘上的gan单晶衬底片进行集中操作，效率低下。而且，采用伯努利气压吸附方式容易对所吸附的gan单晶衬底片带来局部温降，增大了gan单晶衬底片晶格失配或破损的概率，影响生长质量。

总结：首先，传统方式采用不具有独立保温功能的圆形石墨托盘，在不同工艺设备之间传输时，其上承载的gan单晶衬底片容易因环境温度变化产生晶格失配乃至破裂等质量问题，影响后道工艺中的gan单晶衬底生长质量。

其次，采用独立中转腔转载石墨托盘，需要石墨托盘经历降温-保温-升温等复杂温度变化环境，增大了gan单晶衬底片因温度变化带来的质量问题，同时也增大了gan单晶衬底片暴露在大气环境中的概率，从而影响gan单晶衬底最终的生长质量。

最后，大多数激光预剥离工艺采用机械手通过伯努利吸附传输方式将gan单晶衬底片一片片从石墨盘上取出，进行单片激光预剥离后再放回石墨盘对应工位，无法实现对整个石墨盘上的gan单晶衬底片进行集中操作，效率低下；而且伯努利气压吸附方式容易对所吸附的gan单晶衬底片带来局部温降，增大了gan单晶衬底片晶格失配或破损的概率，影响生长质量。

因此急需研发出石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔来解决以上问题。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔，包括：

腔壳体；

翻转机构；翻转机构的作动输出端与腔壳体连接，并用于对腔壳体的翻转驱动；

hvpe通道连接筒；腔壳体内部通过hvpe通道连接筒与hvpe设备连接；

摄像头定位窗口、激光预剥离窗口；摄像头定位窗口、激光预剥离窗口均开设在腔壳体上；

用于实现中转托盘在托盘工位和激光预剥离工位之间的工位转换的中转托盘模块；中转托盘模块安装在腔壳体上，其作动部分置于腔壳体内部，其作动部分与中转托盘连接；

托盘工位模块；托盘工位模块包括用于保温托盘抓紧与放开的固定模块、用于固定模块及保温托盘旋转的旋转模块、用于保温托盘、固定模块、旋转模块升降控制的升降模块；

其中，中转托盘上的gan晶片槽位与保温托盘盘面的gan晶片槽位一一对应，用于全盘承接保温托盘上所有的gan单晶衬底片。

翻转机构包括：

翻转轴支承座；

轴承a；轴承a安装在翻转轴支承座内；

翻转驱动轴；轴承a套装在翻转驱动轴上，翻转驱动轴的一端与腔壳体的第一端连接。

具体地，翻转机构还包括：

通道连接支承座；

轴承b；轴承b安装在通道连接支承座内；轴承b套装在腔壳体的第二端上；翻转轴支承座和通道连接支承座均安装在底座上。

中转托盘模块包括：

电机a；电机a安装在腔壳体外壁上；

配重块；

转臂；配重块和转臂均置于腔壳体内部，电机a的转轴穿过腔壳体后与转臂连接，转臂的两端分别与配重块和中转托盘连接；转臂转动至第一位置时候，通过在摄像头定位窗口处外置摄像头，以实时观察llo集成腔内整个保温托盘表面的gan单晶衬底片的分布位置及状态；转臂转动至第二位置时候，通过在激光预剥离窗口处外置激光设备探头，以实现通过激光预剥离窗口将激光引入到中转托盘上，进行gan单晶衬底片的预剥离。

具体地，中转托盘包括：

水冷保护罩；

电热盘；

石墨盘；

水循环腔；

其中在转臂内设置有进水通道、出水通道、电缆通道；进水通道的第一端、出水通道的第一端、电缆通道的第一端均与外部连通，进水通道的第二端和出水通道的第二端分别与水循环腔的进水端和出水端连接，电缆布设在电缆通道内，电缆与电热盘电性连接，水冷保护罩和电热盘均与石墨盘热传递连接。

具体地，摄像头定位窗口包括透明的石英玻璃a、玻璃固连块a，石英玻璃a通过玻璃固连块a固定在腔壳体上；

激光预剥离窗口包括透明的石英玻璃b、玻璃固连块b，石英玻璃b通过玻璃固连块b固定在腔壳体上。

具体地，固定模块包括三爪卡盘移动块、卡爪、三爪卡盘架、三爪卡盘旋转盘、内主轴、内主轴电机d，内主轴电机d通过内主轴传动至三爪卡盘旋转盘，三爪卡盘旋转盘安装在三爪卡盘架上，三爪卡盘移动块与卡爪连接，卡爪用于保温托盘的卡紧；

旋转模块包括腔体连接套、连接支架、外主轴、外主轴电机c、电机支承板，腔体连接套安装在腔壳体上，外主轴可转动安装在腔体连接套内；连接支架的上端与三爪卡盘架连接，连接支架的下端与外主轴的上端连接，外主轴电机c套装在外主轴的下端，且用于驱动外主轴转动，外主轴电机c、内主轴电机d均固定安装在电机支承板上；

升降模块包括电机b、丝杠支承座a、滑块、移动块、导轨、支承架、丝杠、丝杠支承座b，支承架安装在腔壳体上，丝杠支承座a、丝杠支承座b、导轨均安装在支承架上，滑块与移动块连接，丝杠可转动的安装在丝杠支承座a与丝杠支承座b之间，移动块与丝杠螺纹配合，滑块与导轨导向滑动配合，电机b的转轴与丝杠的一端固定连接，移动块与电机支承板固定连接。

优选地，腔壳体通过连接管道与外部真空系统或惰性气体系统相连，用于让腔壳体内部处于真空或惰性气体环境。

优选地，在腔壳体与hvpe通道连接筒的连接处设置有用于密封的j型密封圈；在外主轴的上端内侧壁与内主轴的上端外侧壁之间设置有用于密封的内主轴j型密封结构；在腔体连接套内壁与外主轴的侧壁之间设置有用于密封的外主轴j型密封结构。

优选地，保温托盘内嵌有可通过加热实现相变的相变材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用包含相变材料的保温托盘实现石墨圆盘的保温，在一定时间内可使保温托盘维持700℃以上高温，将显著降低gan单晶衬底片因温度突变或温度过低导致生长质量问题的概率，提高gan单晶生长质量；

2、采用集成腔室与hvpe设备连接，腔室内部可实现一定真空度或充填惰性气体，并具有加热保温功能，可以保证gan单晶衬底片在整个中转过程中的环境氛围，确保后续工艺中的gan单晶衬底生长质量；

3、采用具有保温功能的中转托盘在集成腔中全盘转接保温托盘中的gan单晶衬底片，即通过托盘整体翻转方式实现保温托盘中所有gan单晶衬底片的翻面，使所有gan单晶片的蓝宝石衬底面朝上，再采用全托盘激光扫描方式来实现所有gan单晶衬底片的激光预剥离，这样，既可以取消伯努利吸附传输方式，还可以显著提高gan单晶衬底片的激光预剥离效率。

附图说明

图1是本申请的正视图；

图2是本申请的左视图；

图3是本申请中托盘工位模块的结构示意图；

图4是本申请中中转托盘结构示意图；

图5是本申请中水循环通道及电缆通道示意图；

图中：1—底座，2—翻转轴支承座，3—轴承a，4—翻转驱动轴，5—连接支撑块，6—腔体，7—腔体上盖，8—配重块，9—转臂，91—进水通道，92—出水通道，93—电缆通道，10—电机a，11—石英玻璃a，12—玻璃固连块a，13—中转托盘；131—水冷保护罩，132—电热盘，133—石墨盘，134—水循环腔，14—通道连接支承座；15—轴承b，16—j型密封圈，17—保温托盘，18—hvpe通道连接筒，19—腔体底板，22—托盘工位模块，2201—电机b，2202—丝杠支承座a，2203—滑块，2204—移动块，2205—导轨，2206—支承架，2207—丝杠，2208—丝杠支承座b，2209—三爪卡盘移动块，2210—卡爪，2211—托盘支架，2212—三爪卡盘架，2213—三爪卡盘旋转盘，2214—连接支架，2215—内主轴j型密封结构，2216—腔体连接套，2217—外主轴j型密封结构，2218—外主轴，2219—内主轴，2220—外主轴电机c，2221—电机支承板，2222—内主轴电机d，23—玻璃固连块b，24—石英玻璃b。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明提供以下技术方案：

如图1-2所示，石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔，其特征在于，包括：

腔壳体；

翻转机构；翻转机构的作动输出端与腔壳体连接，并用于对腔壳体的翻转驱动；

hvpe通道连接筒；腔壳体内部通过hvpe通道连接筒与hvpe设备连接；

摄像头定位窗口、激光预剥离窗口；摄像头定位窗口、激光预剥离窗口均开设在腔壳体上；

用于实现中转托盘13在托盘工位和激光预剥离工位之间的工位转换的中转托盘模块；中转托盘模块安装在腔壳体上，其作动部分置于腔壳体内部，其作动部分与中转托盘13连接；

托盘工位模块22；托盘工位模块22包括用于保温托盘17抓紧与放开的固定模块、用于固定模块及保温托盘17旋转的旋转模块、用于保温托盘17、固定模块、旋转模块升降控制的升降模块；

其中，中转托盘13上的gan晶片槽位与保温托盘17盘面的gan晶片槽位一一对应，用于全盘承接保温托盘17上所有的gan单晶衬底片。

在本实施例中，通过一驱动件驱动翻转驱动轴4转动可以实现整个腔壳体的旋转。

如图1所示，翻转机构包括：

翻转轴支承座2；

轴承a3；轴承a3安装在翻转轴支承座2内；

翻转驱动轴4；轴承a3套装在翻转驱动轴4上，翻转驱动轴4的一端与腔壳体的第一端连接。

如图1所示，翻转机构还包括：

通道连接支承座14；

轴承b15；轴承b15安装在通道连接支承座14内；轴承b15套装在腔壳体的第二端上；翻转轴支承座2和通道连接支承座14均安装在底座1上。

如图1、5所示，中转托盘模块包括：

电机a10；电机a10安装在腔壳体外壁上；

配重块8；

转臂9；配重块8和转臂9均置于腔壳体内部，电机a10的转轴穿过腔壳体后与转臂连接，转臂的两端分别与配重块8和中转托盘13连接；转臂转动至第一位置时候，通过在摄像头定位窗口处外置摄像头，以实时观察llo集成腔内整个保温托盘17表面的gan单晶衬底片的分布位置及状态，从而为保温托盘17的旋转定位提供依据；转臂转动至第二位置时候，通过在激光预剥离窗口处外置激光设备探头，以实现通过激光预剥离窗口将激光引入到中转托盘13上，进行gan单晶衬底片的预剥离。

如图4、5所示，中转托盘13包括：

水冷保护罩131；

电热盘132；

石墨盘133；

水循环腔134；

其中在转臂9内设置有进水通道91、出水通道92、电缆通道93；进水通道91的第一端、出水通道92的第一端、电缆通道93的第一端均与外部连通，进水通道91的第二端和出水通道92的第二端分别与水循环腔134的进水端和出水端连接，电缆布设在电缆通道93内，电缆与电热盘132电性连接，水冷保护罩131和电热盘132均与石墨盘133热传递连接，这里水冷保护罩131和电热盘132均与石墨盘133贴合。

石墨盘133上的gan晶片槽位与保温托盘盘面的gan晶片槽位一一对应，用于全盘承接保温托盘上所有的gan单晶衬底片。

电热盘132主要由电加热丝和陶瓷炉底构成，用于石墨盘133的加热及保温。水冷保护罩131用于包裹支承石墨盘133及内部电热盘132，罩体采用循环水冷方式实现罩体冷却，使其可以承受llo集成腔内的背景高温。

如图1、2所示，摄像头定位窗口包括透明的石英玻璃a11、玻璃固连块a12，石英玻璃a11通过玻璃固连块a12固定在腔壳体上；

激光预剥离窗口包括透明的石英玻璃b24、玻璃固连块b23，石英玻璃b24通过玻璃固连块b23固定在腔壳体上。

如图2所示，在本实施例中，激光预剥离窗口为两个，其作用是，当腔室内承载gan单晶衬底的石墨盘移动至该窗口下方时，外部激光设备探头可以通过该窗口将激光引入到中转托盘13上方，经特定路径的扫描即可实现整个盘面上所有gan单晶衬底片的预剥离。两个激光预剥离窗口沿翻转驱动轴对称布置，其作用是，方便现场安装时的外置激光设备探头的布置。

如图1、3所示，固定模块包括三爪卡盘移动块2209、卡爪2210、三爪卡盘架2212、三爪卡盘旋转盘2213、内主轴2219、内主轴电机d2222，内主轴电机d2222通过内主轴2219传动至三爪卡盘旋转盘2213，三爪卡盘旋转盘2213安装在三爪卡盘架2212上，三爪卡盘移动块2209与卡爪2210连接，卡爪2210用于保温托盘17的卡紧；

三爪定心卡盘主要由三爪卡盘架2212、三爪卡盘旋转盘2213、三爪卡盘移动块2209、卡爪2210等部件组成，可以在内主轴2219旋转驱动下实现卡爪定心开合，卡爪顶部带有楔形结构，用于定心卡位固定保温托盘17；工作时候，内主轴2219主要用于驱动三爪定心卡盘开合，由内主轴电机d2222驱动；

旋转模块包括腔体连接套2216、连接支架2214、外主轴2218、外主轴电机c2220、电机支承板2221，腔体连接套2216安装在腔壳体上，外主轴2218可转动安装在腔体连接套2216内；连接支架2214的上端与三爪卡盘架2212连接，连接支架2214的下端与外主轴2218的上端连接，外主轴电机c2220套装在外主轴2218的下端，且用于驱动外主轴2218转动，外主轴电机c2220、内主轴电机d2222均固定安装在电机支承板2221上；

外主轴2218主要用于实现保温托盘17的旋转定位，由外主轴电机c2220驱动；

升降模块包括电机b2201、丝杠支承座a2202、滑块2203、移动块2204、导轨2205、支承架2206、丝杠2207、丝杠支承座b2208，支承架2206安装在腔壳体上，丝杠支承座a2202、丝杠支承座b2208、导轨2205均安装在支承架2206上，滑块2203与移动块2204连接，丝杠2207可转动的安装在丝杠支承座a2202与丝杠支承座b2208之间，移动块2204与丝杠2207螺纹配合，滑块2203与导轨2205导向滑动配合，电机b2201的转轴与丝杠2207的一端固定连接，移动块2204与电机支承板2221固定连接。

升降模块用于实现保温托盘17的上升和下降；电机b2201转动，带动丝杠2207转动，移动块2204因为与丝杠2207螺纹配合，所以移动块2204上下移动，带动与其连接的电机支承板2221上下移动，以此来实现保温托盘17的上下移动。

本实施例中，托盘工位模块22由除开转动轴承座20、轴承c21的旋转模块、升降模块、固定模块所组成。

腔壳体通过连接管道与外部真空系统或惰性气体系统相连，用于让腔壳体内部处于真空或惰性气体环境。

如图1、3所示，在腔壳体与hvpe通道连接筒的连接处设置有用于密封的j型密封圈16；在外主轴2218的上端内侧壁与内主轴2219的上端外侧壁之间设置有用于密封的内主轴j型密封结构2215；在腔体连接套2216内壁与外主轴2218的侧壁之间设置有用于密封的外主轴j型密封结构2217。

保温托盘17内嵌有可通过加热实现相变的相变材料(如铝或其合金)，用于盘面gan单晶衬底片的保温。

如图1所示，腔壳体由腔体6、腔体上盖7、腔体底板19等结构连接形成。其中，腔体上盖7从上到下包含外壳体、水冷层和内保温层三层结构，主要用于腔室的密封；腔体6的体壁由外到内包括外壳体、隔热层、加热层及内壳体等结构，可以实现腔体外壁隔热和腔室内加热功能。在壁体上设置相应的连接管道与外部真空系统或惰性气体系统相连，使腔室内部可以实现一定的真空度或充填惰性气体。电机a10、玻璃固连块a12均安装在腔体上盖7上，支承架2206、轴承座20均安装在腔体底板19上；

如图1所示，在腔体6的一侧上设置有一突起，腔体6通过这个凸起与翻转驱动轴4连接，这个凸起与腔体6之间设置有用于支撑的连接支撑块5。

在一些实施例中，还设置有托盘支架2211，托盘支架2211安装在三爪卡盘架2212与保温托盘17之间，托盘支架2211由上到下包括托盘支承台、弹簧、托盘支承座等部件，用于托举保温托盘，并因为弹簧伸缩具有缓冲功能；

石墨盘翻转式gan单晶衬底激光预剥离集成腔的主要结构特点：

1、采用可实现加热、保温功能并具备一定的真空度或充填惰性气体的集成腔结构。腔体上盖7从上到下包含外壳体、水冷层和内保温层等三层结构，用于腔室的密封；腔体6的体壁由外到内包括外壳体、隔热层、加热层及内壳体等结构，实现腔体外壁隔热和腔室内加热功能。通过在壁体上设置相应的连接管道与外部真空系统或惰性气体系统相连，使腔室内部实现一定的真空度或充填惰性气体。

2、采用可连接hvpe设备并能实现整个llo集成腔室整体翻转的驱动轴系和hvpe设备连接通道。

3、采用基于石英玻璃的透明窗口及外置摄像头方式实现集成腔内部保温托盘17表面所有gan单晶片分布位置及状态的实时观测。

4、采用基于相变材料的保温托盘方式实现石墨圆盘的保温。保温托盘在原纯石墨托盘基础上经特殊结构设计，内嵌了可通过加热实现相变的相变材料(如铝或其合金)，用于盘面gan单晶衬底片的保温。

5、采用具有加热、保温功能的中转托盘模块实现石墨盘中所有gan单晶片的翻面及工位转换。

6、采用具有固定、升降、旋转功能的托盘工位模块实现石墨托盘的固定、升降和旋转操作。

7、采用基于石英玻璃的透明窗口和外部激光设备探头实现集成腔内部中转托盘13上所有gan单晶片gan单晶衬底片的预剥离。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。