石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔制造技术

本实用新型专利技术公开了石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，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；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；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，使所有GaN单晶片的蓝宝石衬底面朝上，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。

【技术实现步骤摘要】
石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔
本技术属于GaN单晶衬底制备
，具体涉及石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述
技术介绍
中提出的问题，本技术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，本技术提供如下技术方案：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、丝杠支承座本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.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：/n腔壳体；/n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；/nHVPE通道连接筒；腔壳体内部通过HVPE通道连接筒与HVPE设备连接；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.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。


2.根据权利要求1所述的石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，其特征在于，翻转机构包括：
翻转轴支承座(2)；
轴承A(3)；轴承A(3)安装在翻转轴支承座(2)内；
翻转驱动轴(4)；轴承A(3)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。


3.根据权利要求2所述的石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，其特征在于，翻转机构还包括：
通道连接支承座(14)；
轴承B(15)；轴承B(15)安装在通道连接支承座(14)内；轴承B(15)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。


4.根据权利要求2所述的石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，其特征在于，中转托盘模块包括：
电机A(10)；电机A(10)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A(10)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；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。


5.根据权利要求4所述的石墨盘翻转式GaN单晶衬底激光预剥离集成腔，其特征在于，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。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩海军，程发斌，王小龙，张鹏，朱昌亚，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：新型
国别省市：四川;51