氮化鎵（GaN）在充電市場、5G基站、電力系統(tǒng)、半導體照明、新能源汽車等領域均有著廣泛的應用,氫化物氣相外延（HVPE）是當今高質(zhì)量GaN襯底材料制備的首要方式。如今GaN襯底的質(zhì)量、可用性和價格均無法滿足市場需求,因而迫切需要研制出高質(zhì)量、低成本的大尺寸HVPE系統(tǒng)設備。本課題來源于國家重點研發(fā)計劃,針對市面上用于GaN襯底生長設備無法滿足6英寸襯底生長要求的現(xiàn)狀,設計研發(fā)了大尺寸HVPE設備工藝自動控制系統(tǒng),完成了對大尺寸外延均勻生長的精準調(diào)控,實現(xiàn)了 GaN材料的長時間穩(wěn)定生長以及材料生長的自動化控制。根據(jù)HVPE工藝流程及控制需求,自主研發(fā)設計了 GaN HVPE設備工藝自動控制系統(tǒng)。整體控制方案選用“上位機+PLC+現(xiàn)場設備”的三級控制方式,即在上位機實現(xiàn)生長工藝編輯、溫控算法及監(jiān)控系統(tǒng)的運行,PLC經(jīng)以太網(wǎng)接口與上位機相連,由此完成對生長工藝參數(shù)和現(xiàn)場設備狀態(tài)的監(jiān)控,最終通過現(xiàn)場儀器儀表的運轉來完成系統(tǒng)的功能。針對HVPE系統(tǒng)壓力控制、工藝安全控制以及尾氣處理問題,提出了具體解決方案,設計并實現(xiàn)了相應的系統(tǒng)。文章對HVPE系統(tǒng)的溫度控制問題進行了重點研究,簡單闡述反應室加熱... 

【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖２－１?ＨＶＰＥ設備組成??２．２?ＨＶＰＥ控制系統(tǒng)方案??

ｒ？ｌａｔｍ）是制備高質(zhì)量大尺寸ＧａＮ襯底、保證工藝重復性的關鍵。??而今常見的壓力控制方案是利用調(diào)整蝶閥的開度來改變管道內(nèi)的抽氣速度，??進而控制壓強Ｉ％。然而，單單憑借蝶閥是無法完成精確控制的，因為蝶閥開度與??流量變化并不完全是線性的，尤其是在臨近全關或全開時更是如此。針對現(xiàn)有技??術的不足，本文設計了一種新型壓力控制系統(tǒng)，通過蝶閥與質(zhì)量流量控制器配合，??構建大、小流量控制通路，實現(xiàn)了?ＨＶＰＥ工藝準備階段反應室抽真空處理以及生??長過程中反應室壓強的精準調(diào)控。其結構示意圖如圖２－２所示。??ＰＬＣ???１???Ｌ－ｉ．?ＬＬ－ｈ?ｉ?壓力傳感器??Ｉ蝶閥電動ｊ質(zhì)■流？控??，結構?Ｉ?〇?Ｓ?電磁＇，向＿?ＶＣＬ／??廣＾?氣動閱?勘｜｜■湖??廠、?（ｍ）?微調(diào)氣路?反應腔體?Ｍ??真空泵氣動閥蝶閥氣路管道??圖２－２新型壓力控制系統(tǒng)結構示意圖??如圖２－２所示，大流量控制通路由真空泵、氣動閥、蝶閥及相應氣體管道組??成，小流量控制通路由質(zhì)量流量控制器（ＭＦＣ）、電磁閥、氣動閥及相應氣體管??道組成。在工藝準備階段，只打開大流量控制通路中的蝶閥，在真空泵的作用下??對反應腔進行抽真空處理，以獲得一個理想的工藝環(huán)境；在ＧａＮ生長過程中，??ＩＩ??

第２章ＧａＮ?ＨＹＰＥ工藝分析與基本控制方案??真空泵的抽速和蝶閥的開度保持不變，從而將反應產(chǎn)生的混合氣體以及固態(tài)粉末??從反應腔體中及時排出，同時打開小流量控制通路，向管路中通，利用ＭＦＣ??調(diào)節(jié)通入氣體的流量，進而實現(xiàn)對反應室壓強的精確控制。??其中，氣路控制系統(tǒng)選用的ＭＦＣ型號為北京七星華創(chuàng)的ＣＳ２００系列，用于??完成對各路工藝氣體的精密監(jiān)控。如圖２－３所示，在設備現(xiàn)場安設一個電氣柜，??其中包含所有ＭＦＣ、電磁閥和氣動閥的控制線路。將柜內(nèi)面板劃分為若干個區(qū)??域，每個區(qū)域?qū)恢饴罚@樣設計更容易區(qū)分，不易出錯。??圖２－３?ＭＦＣ實物圖??２．２．３工藝安全與控制方案??ＧａＮ的ＨＶＰＥ生長在高溫條件下持續(xù)進行，且工藝氣體易燃有毒、腐蝕性??強，因此對各種工藝參數(shù)控制以及設備穩(wěn)定性具有很高的要求。本文從旋轉升降??電機控制、設備狀態(tài)檢測與自診斷以及其它安全裝置設計等方面去綜合考慮，設??計了符合ＧａＮ實際生長情況的工藝安全與控制方案，盡可能地避免發(fā)生安全事??故。??２．２．３．１石墨托盤調(diào)整系統(tǒng)??石墨托盤調(diào)整系統(tǒng)包括承片臺升降控制和托盤旋轉控制兩部分。當ＨＶＰＥ設??備溫度、流量、壓力等參數(shù)達到工藝要求時，ＰＬＣ將輸出脈沖信號傳至伺服驅(qū)動??器，繼而控制伺服電機，驅(qū)動石英棒和滾珠絲杠執(zhí)行相應的動作。電機旋轉升降??軸在ＨＶＰＥ反應爐中控制托盤和襯底制備氮化鎵的示意圖，如圖２－４所示。??升降電機連接有效行程為１０００ｍｍ的滾珠絲杠，絲杠通過機械結構連接一承??片臺，該平臺垂直連接一根絕熱性良好的石英棒，石英棒另一端連接至石墨托盤。??通過承片臺升降將襯底材料送至ＨＶＰＥ反應爐高溫反應區(qū)，當承片臺

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：3493311