氮化鎵（GaN）在充電市場(chǎng)、5G基站、電力系統(tǒng)、半導(dǎo)體照明、新能源汽車等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用,氫化物氣相外延（HVPE）是當(dāng)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(jià)格均無(wú)法滿足市場(chǎng)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(shè)備。本課題來(lái)源于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,針對(duì)市面上用于GaN襯底生長(zhǎng)設(shè)備無(wú)法滿足6英寸襯底生長(zhǎng)要求的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)研發(fā)了大尺寸HVPE設(shè)備工藝自動(dòng)控制系統(tǒng),完成了對(duì)大尺寸外延均勻生長(zhǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了 GaN材料的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定生長(zhǎng)以及材料生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制。根據(jù)HVPE工藝流程及控制需求,自主研發(fā)設(shè)計(jì)了 GaN HVPE設(shè)備工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)。整體控制方案選用“上位機(jī)+PLC+現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”的三級(jí)控制方式,即在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)工藝編輯、溫控算法及監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,PLC經(jīng)以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連,由此完成對(duì)生長(zhǎng)工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控,最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)完成系統(tǒng)的功能。針對(duì)HVPE系統(tǒng)壓力控制、工藝安全控制以及尾氣處理問(wèn)題,提出了具體解決方案,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的系統(tǒng)。文章對(duì)HVPE系統(tǒng)的溫度控制問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)研究,簡(jiǎn)單闡述反應(yīng)室加熱... 

【文章來(lái)源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：83 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖２－１?ＨＶＰＥ設(shè)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(fù)性的關(guān)鍵。??而今常見的壓力控制方案是利用調(diào)整蝶閥的開度來(lái)改變管道內(nèi)的抽氣速度，??進(jìn)而控制壓強(qiáng)Ｉ％。然而，單單憑借蝶閥是無(wú)法完成精確控制的，因?yàn)榈y開度與??流量變化并不完全是線性的，尤其是在臨近全關(guān)或全開時(shí)更是如此。針對(duì)現(xiàn)有技??術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型壓力控制系統(tǒng)，通過(guò)蝶閥與質(zhì)量流量控制器配合，??構(gòu)建大、小流量控制通路，實(shí)現(xiàn)了?ＨＶＰＥ工藝準(zhǔn)備階段反應(yīng)室抽真空處理以及生??長(zhǎng)過(guò)程中反應(yīng)室壓強(qiáng)的精準(zhǔn)調(diào)控。其結(jié)構(gòu)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(dòng)ｊ質(zhì)■流？控??，結(jié)構(gòu)?Ｉ?〇?Ｓ?電磁＇，向＿?ＶＣＬ／??廣＾?氣動(dòng)閱?勘｜｜■湖??廠、?（ｍ）?微調(diào)氣路?反應(yīng)腔體?Ｍ??真空泵氣動(dòng)閥蝶閥氣路管道??圖２－２新型壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖??如圖２－２所示，大流量控制通路由真空泵、氣動(dòng)閥、蝶閥及相應(yīng)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(dòng)閥及相應(yīng)氣體管??道組成。在工藝準(zhǔn)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(duì)反應(yīng)腔進(jìn)行抽真空處理，以獲得一個(gè)理想的工藝環(huán)境；在ＧａＮ生長(zhǎng)過(guò)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(yīng)產(chǎn)生的混合氣體以及固態(tài)粉末??從反應(yīng)腔體中及時(shí)排出，同時(shí)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)室壓強(qiáng)的精確控制。??其中，氣路控制系統(tǒng)選用的ＭＦＣ型號(hào)為北京七星華創(chuàng)的ＣＳ２００系列，用于??完成對(duì)各路工藝氣體的精密監(jiān)控。如圖２－３所示，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)一個(gè)電氣柜，??其中包含所有ＭＦＣ、電磁閥和氣動(dòng)閥的控制線路。將柜內(nèi)面板劃分為若干個(gè)區(qū)??域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一支氣路，這樣設(shè)計(jì)更容易區(qū)分，不易出錯(cuò)。??圖２－３?ＭＦＣ實(shí)物圖??２．２．３工藝安全與控制方案??ＧａＮ的ＨＶＰＥ生長(zhǎng)在高溫條件下持續(xù)進(jìn)行，且工藝氣體易燃有毒、腐蝕性??強(qiáng)，因此對(duì)各種工藝參數(shù)控制以及設(shè)備穩(wěn)定性具有很高的要求。本文從旋轉(zhuǎn)升降??電機(jī)控制、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與自診斷以及其它安全裝置設(shè)計(jì)等方面去綜合考慮，設(shè)??計(jì)了符合ＧａＮ實(shí)際生長(zhǎng)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(tái)升降控制和托盤旋轉(zhuǎn)控制兩部分。當(dāng)ＨＶＰＥ設(shè)??備溫度、流量、壓力等參數(shù)達(dá)到工藝要求時(shí)，ＰＬＣ將輸出脈沖信號(hào)傳至伺服驅(qū)動(dòng)??器，繼而控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)石英棒和滾珠絲杠執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。電機(jī)旋轉(zhuǎn)升降??軸在ＨＶＰＥ反應(yīng)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(jī)連接有效行程為１０００ｍｍ的滾珠絲杠，絲杠通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接一承??片臺(tái)，該平臺(tái)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(guò)承片臺(tái)升降將襯底材料送至ＨＶＰＥ反應(yīng)爐高溫反應(yīng)區(qū)，當(dāng)承片臺(tái)

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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