一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置及方法

1.本发明涉及气相外延沉积技术领域，尤其涉及一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.以gan为代表的第三代宽禁带半导体材料具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性，在半导体照明、光电探测器、功率器件等领域取得了显著应用。但随着高光效、高功率和高频光电子器件的需求增加，其缺乏同质衬底导致异质外延缺陷密度高的缺点日益明显，严重制约了器件性能的进一步提高。氢化物气相外延(hvpe)生长技术由于具有常压生长、生长速度快、易实现大尺寸生长等优点，是目前商业化生产gan单晶衬底的主流方法。
4.目前已经有众多专家学者对hvpe生产gan单晶衬底的生产机理和工艺参数进行了分析和研究，并指出反应腔结构设计、温度、流量、压力、衬底旋转转速等是影响gan单晶衬底质量的关键工艺参数。s.a.safvi等讨论了hvpe反应腔几何结构和gan生长的关系，同时提出衬底附近的gacl浓度和衬底附近的v/iii比是获得高质量gan薄膜的关键；r.j molnar等开发了垂直生长的hvpe系统，垂直反应系统让衬底旋转以获得均匀的外延层；周安等指出衬底的旋转有利于gacl和nh3气体在衬底上方的扩散和形成层流，以达到均匀生长gan薄膜的目的。由此可见，在立式hvpegan生产设备中对衬底转速进行精确控制，实现运动控制系统的优化控制对于gan单晶衬底的高质量生长和hvpe设备的高效稳定运行具有重要意义。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置及方法，在衬底托盘上设置多种尺寸的衬底放置区，从而能够用于生长多种尺寸衬底，通过升降驱动单元控制承片台的升降运动，通过旋转驱动单元控制承片台的旋转运动，实现了对衬底运动的精确控制。
6.为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.第一方面，提出了一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置，包括：设置多种尺寸衬底放置区的衬底托盘和与衬底托盘连接的连接件，连接件与旋转驱动单元连接，经旋转驱动单元带动旋转，旋转驱动单元固定于承片台上，承片台与升降驱动单元连接，由升降驱动单元带动升降，升降驱动单元和旋转驱动单元分别与控制器连接。
8.进一步的，衬底托盘上设置温度传感器，温度传感器与控制器连接。
9.进一步的，在连接件和衬底托盘上设置供导线穿过的通道，导线穿过该通道与温度传感器连接。
10.进一步的，旋转驱动单元包括旋转电机和减速机，旋转电机与减速机连接，减速机输出轴经联轴器与连接件连接。
11.进一步的，升降驱动单元包括升降电机，升降电机的输出轴通过联轴器连接丝杠，丝杠上设置沿丝杠上下运动的滑台，承片台与滑台连接。
12.进一步的，还包括两个激光测距模块，两个激光测距模块分别用于测量承片台两端的高度，两个激光测距模块均与控制器连接。
13.进一步的，控制器通过两个激光测距模块测量升降过程中承片台两端的高度，计算获得承片台倾角，当承片台倾角超出设定阈值时，控制升降驱动单元停止运动。
14.进一步的，控制器控制升降驱动单元运动，当承片台上升至设定高度时，控制升降驱动单元停止运动，旋转驱动单元开始运动。
15.进一步的，还包括限位保护开关，通过限位保护开关对承片台的升降极限位置进行检测，当限位保护开关检测到承片台到达极限位置处时，控制器控制升降驱动单元停止运动。
16.第二方面，提出了一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动方法，包括：
17.在衬底托盘上放置要生长的衬底；
18.通过控制器控制升降驱动单元运动，由升降驱动单元带动承片台做升降运动；
19.通过控制器控制旋转驱动单元运动，由旋转驱动单元带动衬底托盘做旋转运动。
20.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
21.1、本公开实现了对衬底托盘的升降和旋转运动控制，且能控制衬底托盘升降或旋转过程中的稳定性，满足hvpe设备控制系统的要求，实现了高质量gan单晶衬底的制备。
22.2、本公开在承片台上升的过程中，通过两个激光测距模块对承片台的倾斜程度进行了监控，从而保证承片台的垂直升降，保证了衬底托盘在旋转时，承片台的倾斜程度在允许范围内，避免石英棒歪斜受到横向应力而断裂及衬底倾斜造成晶体生长不均匀的问题。
23.3、本公开在衬底托盘中设置了多种尺寸衬底放置区，能够满足多种尺寸衬底的同时生长。
24.4、本公开在衬底托盘中设置了温度传感器，通过温度传感器对衬底生长时的温度进行监控。
25.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
27.图1为本公开实施例1公开装置的整体结构示意图；
28.图2为本公开实施例1公开装置的衬底托盘与连接件示意图；
29.图3为本公开实施例1公开装置的衬底托盘结构示意图；
30.图4为本公开实施例1中承片台倾角计算原理图；
31.其中：1、石英衬底托盘，2、6英寸衬底放置区，3、4英寸衬底放置区，4、2英寸衬底放置区，5、温度传感器，6、托盘内部导线通道，7、镊子夹取衬底处，8、石英棒内部导线通道，9、
石英棒，10、旋转电机，11、升降电机，12、承片台，13、减速机，14、滑台，15、丝杠，16、激光测距模块。
具体实施方式：
32.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
33.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
36.本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
37.实施例1
38.在该实施例中，为了实现对衬底的升降及旋转控制，公开了一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置，实现衬底在hvpe反应炉1内的自动运输和匀速转动，从而实现hvpe设备的自动取片和gan晶体的高质量生长，包括：衬底托盘、连接件、旋转驱动单元、承片台、升降驱动单元、激光测距模块、温度传感器和控制器，其中，衬底托盘采用石英衬底托盘，连接件采用石英棒。
39.如图1所示，一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置的具体结构为：石英衬底托盘1上设置多种尺寸的衬底放置区，通过设置多种尺寸的衬底放置区可以实现不同尺寸衬底的同时生长。
40.在具体实施时，石英衬底托盘1上设置的衬底放置区，如图3所示，包括6英寸衬底放置区2、4英寸衬底放置区3和2英寸衬底放置区4，还可以根据实际需要，设置其余尺寸的衬底放置区，在每个衬底放置区上均开设槽口，该槽口为镊子夹取衬底处7，通过该镊子夹取衬底处7方便了衬底的夹取。
41.石英衬底托盘1与石英棒9连接，石英棒9与旋转驱动单元连接，通过旋转驱动单元驱动石英棒9旋转，进而带动石英衬底托盘1旋转。
42.在具体实施时，旋转驱动单元包括旋转电机11和减速机13，旋转电机11和减速机13连接，减速机13的输出轴经联轴器与石英棒9连接，通过旋转电机11带动石英棒9的旋转运动。
43.如图2所示，将温度传感器5设置于石英衬底托盘1上，在石英衬底托盘1和石英棒9
上设置供导线穿过的通道，导线穿过该通道与温度传感器5连接。
44.在具体实施时，温度传感器5的数量为四个，四个温度传感器5均设置于石英衬底托盘1上，在石英棒9上设置石英棒内部导线通道8，在石英衬底托盘1上设置托盘内部导线通道6，石英棒内部导线通道8与托盘内部导线通道6连通，供导线穿过后与各温度传感器5连接，通过设置的温度传感器5能够检测衬底生长时的温度，且将温度传感器5设置为多个，使得温度检测更准确，且通过设置导线通过的通道，能够对导线进行隔热保护，保证装置的有效运行。
45.将旋转驱动单元安装于承片台12上，承片台12与升降驱动单元连接，由升降驱动单元驱动承片台12做升降运动。
46.在具体实施时，如图1所示，升降驱动单元包括升降电机11、丝杠15和滑台14，丝杠15为两个，每个丝杠15上均连接滑台14，滑台14沿丝杠15上下运动，承片台12固定于两个滑台14上，升降电机11的输出轴经联轴器与其中一个丝杠15连接，升降电机11旋转使滑台14带动承片台12做升降运动，承片台带动其上的旋转驱动单元、石英棒9和石英衬底托盘一起做升降运动。
47.本实施例公开的一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置，设置了两个激光测距模块16，通过两个激光测距模块16对承片台12的升降高度进行测量。
48.在具体实施时，两个激光测距模块16分别测量承片台12两端的升降高度，根据测量的承片台12两端的升降高度，对承片台12的倾斜程度进行控制。
49.其中，旋转驱动单元、升降驱动单元、激光测距模块、温度传感器均与控制器连接。
50.在具体实施中，控制器选用西门子s7
‑
1200 plc(可编程逻辑控制器)，控制器还与上位机连接，将控制程序写入plc，plc运行程序后，通过上位机监控界面设置满足工艺运行要求的电机运动参数，通过程序中设定的plc输出端发送指令给电机的伺服驱动器，驱动旋转电机和升降电机，保证反应的平稳进行，从而制备出高质量的氮化镓。
51.运动控制由西门子plc控制实现，当hvpe反应炉中温度、流量、压力等工艺参数满足gan生长要求时，plc发出脉冲信号控制伺服驱动器驱动升降电机运动，驱动承片台做上升运动，当激光测距模块检测到承片台的上升高度达到设定高度时，承片台将石英沉底托盘送至hvpe反应炉的高温反应区，升降驱动单元停止运动，控制器控制旋转驱动单元运动，驱动石英棒和石英衬底托盘进行匀速转动以实现gan单晶衬底的均匀高质量生长。
52.在衬底生长过程中，通过温度传感器实时检测hvpe反应炉内高温反应区的温度，对高温反应区的温度进行监控。
53.当衬底生长完毕后，控制器控制升降驱动单元运动，驱动承片台做下降运动，当承片台下降至要求的下降高度时，升降驱动单元停止运动。
54.通过镊子夹取衬底处，将生长好的衬底取出。
55.为保证晶体的高质量生长需要保证反应炉的封闭绝热性，要求升降运动需垂直运行，避免石英棒歪斜受到横向应力而断裂及衬底倾斜造成晶体生长不均匀，如图1所示石英棒与承片台垂直安装，石英衬底托盘与承片台水平安装，因此可通过计算承片台倾角而获得石英棒及衬底托盘倾角，承片台倾角计算原理如图3所示。
56.故为了保证承片台的垂直升降，设置了两个激光测距模块，分别用于检测承片台两端的升降高度，假设承片台两端的升降高度分别为h1、、h2。通过检测h1、h2实现升降过程
中对承片台的倾角控制。
57.对于两个激光测距模块，当运行时，实时将激光测距模块所测高度返回plc，通过计算
[0058][0059]
其中，l为两个激光测距模块间距离，θ为承片台倾角。当tanθ大于0.087，也就是θ大于设定阈值5
°
时，控制器控制升降驱动单元停止运动，对承片台进行机械校正，使承片台的倾角符合要求，才能再次运行。
[0060]
通过设置两个激光测距模块对承片台的倾角进行监控，有效保证了承片台的垂直升降，避免石英棒歪斜受到横向应力而断裂及衬底倾斜造成晶体生长不均匀的问题。
[0061]
本装置为了实现对装置的极限位置保护，在承片台的上升和下降的极限位置处，设置限位保护开关，当承片台运动至限位保护开关位置处时，控制器控制升降电机停止运动。
[0062]
本实施例公开的一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动装置，其中，升降驱动单元将衬底托盘送至反应区，旋转驱动单元通过衬底托盘带动衬底匀速转动并保证衬底托盘处于水平状态，使反应源气体在衬底上均匀分布，进而生长出满足预期的高质量的gan单晶衬底。
[0063]
且在运动过程中，通过设置两个激光测距模块对承片台的倾角进行监控，有效保证了承片台的垂直升降，进一步保证了衬底的均匀生长。
[0064]
在衬底托盘上设置多种尺寸的衬底放置区，从而实现了多种尺寸衬底的同时生长。本实施例公开的运动装置，抗干扰性强、可靠性高，具有较好的控制精度，满足hvpe设备控制系统要求，保证了材料生长的顺利进行。
[0065]
实施例2
[0066]
在该实施例中，公开了一种用于生长多种尺寸衬底可灵活测温的运动方法，包括：
[0067]
在衬底托盘上放置要生长的衬底；
[0068]
通过控制器控制升降驱动单元运动，由升降驱动单元带动承片台做升降运动；
[0069]
通过控制器控制旋转驱动单元运动，由旋转驱动单元带动衬底托盘做旋转运动。
[0070]
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
[0071]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0072]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0073]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0074]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0075]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。