大尺寸氢化物气相外延（HVPE）设备控制系统的研究与应用
发布时间：2021-11-13 16:06
氮化镓（GaN）在充电市场、5G基站、电力系统、半导体照明、新能源汽车等领域均有着广泛的应用,氢化物气相外延（HVPE）是当今高质量GaN衬底材料制备的首要方式。如今GaN衬底的质量、可用性和价格均无法满足市场需求,因而迫切需要研制出高质量、低成本的大尺寸HVPE系统设备。本课题来源于国家重点研发计划,针对市面上用于GaN衬底生长设备无法满足6英寸衬底生长要求的现状,设计研发了大尺寸HVPE设备工艺自动控制系统,完成了对大尺寸外延均匀生长的精准调控,实现了 GaN材料的长时间稳定生长以及材料生长的自动化控制。根据HVPE工艺流程及控制需求,自主研发设计了 GaN HVPE设备工艺自动控制系统。整体控制方案选用“上位机+PLC+现场设备”的三级控制方式,即在上位机实现生长工艺编辑、温控算法及监控系统的运行,PLC经以太网接口与上位机相连,由此完成对生长工艺参数和现场设备状态的监控,最终通过现场仪器仪表的运转来完成系统的功能。针对HVPE系统压力控制、工艺安全控制以及尾气处理问题,提出了具体解决方案,设计并实现了相应的系统。文章对HVPE系统的温度控制问题进行了重点研究,简单阐述反应室加热...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＨＶＰＥ设备组成??２．２?ＨＶＰＥ控制系统方案??
ｒ？ｌａｔｍ）是制备高质量大尺寸ＧａＮ衬底、保证工艺重复性的关键。??而今常见的压力控制方案是利用调整蝶阀的开度来改变管道内的抽气速度，??进而控制压强Ｉ％。然而，单单凭借蝶阀是无法完成精确控制的，因为蝶阀开度与??流量变化并不完全是线性的，尤其是在临近全关或全开时更是如此。针对现有技??术的不足，本文设计了一种新型压力控制系统，通过蝶阀与质量流量控制器配合，??构建大、小流量控制通路，实现了?ＨＶＰＥ工艺准备阶段反应室抽真空处理以及生??长过程中反应室压强的精准调控。其结构示意图如图２－２所示。??ＰＬＣ???１???Ｌ－ｉ．?ＬＬ－ｈ?ｉ?压力传感器??Ｉ蝶阀电动ｊ质■流？控??，结构?Ｉ?〇?Ｓ?电磁＇，向＿?ＶＣＬ／??广＾?气动阅?勘｜｜■湖??厂、?（ｍ）?微调气路?反应腔体?Ｍ??真空泵气动阀蝶阀气路管道??图２－２新型压力控制系统结构示意图??如图２－２所示，大流量控制通路由真空泵、气动阀、蝶阀及相应气体管道组??成，小流量控制通路由质量流量控制器（ＭＦＣ）、电磁阀、气动阀及相应气体管??道组成。在工艺准备阶段，只打开大流量控制通路中的蝶阀，在真空泵的作用下??对反应腔进行抽真空处理，以获得一个理想的工艺环境；在ＧａＮ生长过程中，??ＩＩ??
第２章ＧａＮ?ＨＹＰＥ工艺分析与基本控制方案??真空泵的抽速和蝶阀的开度保持不变，从而将反应产生的混合气体以及固态粉末??从反应腔体中及时排出，同时打开小流量控制通路，向管路中通，利用ＭＦＣ??调节通入气体的流量，进而实现对反应室压强的精确控制。??其中，气路控制系统选用的ＭＦＣ型号为北京七星华创的ＣＳ２００系列，用于??完成对各路工艺气体的精密监控。如图２－３所示，在设备现场安设一个电气柜，??其中包含所有ＭＦＣ、电磁阀和气动阀的控制线路。将柜内面板划分为若干个区??域，每个区域对应一支气路，这样设计更容易区分，不易出错。??图２－３?ＭＦＣ实物图??２．２．３工艺安全与控制方案??ＧａＮ的ＨＶＰＥ生长在高温条件下持续进行，且工艺气体易燃有毒、腐蚀性??强，因此对各种工艺参数控制以及设备稳定性具有很高的要求。本文从旋转升降??电机控制、设备状态检测与自诊断以及其它安全装置设计等方面去综合考虑，设??计了符合ＧａＮ实际生长情况的工艺安全与控制方案，尽可能地避免发生安全事??故。??２．２．３．１石墨托盘调整系统??石墨托盘调整系统包括承片台升降控制和托盘旋转控制两部分。当ＨＶＰＥ设??备温度、流量、压力等参数达到工艺要求时，ＰＬＣ将输出脉冲信号传至伺服驱动??器，继而控制伺服电机，驱动石英棒和滚珠丝杠执行相应的动作。电机旋转升降??轴在ＨＶＰＥ反应炉中控制托盘和衬底制备氮化镓的示意图，如图２－４所示。??升降电机连接有效行程为１０００ｍｍ的滚珠丝杠，丝杠通过机械结构连接一承??片台，该平台垂直连接一根绝热性良好的石英棒，石英棒另一端连接至石墨托盘。??通过承片台升降将衬底材料送至ＨＶＰＥ反应炉高温反应区，当承片台
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth and doping of bulk GaN by hydride vapor phase epitaxy[J]. 张育民,王建峰,蔡德敏,任国强,徐俞,王明月,胡晓剑,徐科. Chinese Physics B. 2020(02)
[2]基于PFC-PID算法的无线高温加热炉温度控制系统[J]. 刘烊佚,苏成利,施惠元,李平,薄桂华. 应用科学学报. 2019(06)
[3]Hydride vapor phase epitaxy for gallium nitride substrate[J]. Jun Hu,Hongyuan Wei,Shaoyan Yang,Chengming Li,Huijie Li,Xianglin Liu,Lianshan Wang,Zhanguo Wang. Journal of Semiconductors. 2019(10)
[4]氮化镓单晶生长研究进展[J]. 任国强,王建峰,刘宗亮,蔡德敏,苏旭军,徐科. 人工晶体学报. 2019(09)
[5]Fabrication and characterization of one-port surface acoustic wave resonators on semi-insulating GaN substrates[J]. 吉雪,董文秀,张育民,王建峰,徐科. Chinese Physics B. 2019(06)
[6]基于PLC的锻造加热炉温度智能控制系统设计[J]. 夏洪永,李军国. 热加工工艺. 2019(09)
[7]基于模糊控制的真空退火炉温度控制系统[J]. 骆东松,孙冠琼. 控制工程. 2019(04)
[8]大尺寸HVPE反应室生长GaN的数值模拟[J]. 朱宇霞,陈琳,顾世浦,修向前,张荣,郑有炓. 半导体技术. 2018(08)
[9]GaN衬底材料的研究与发展[J]. 修向前,张荣. 中国照明电器. 2017(11)
[10]基于OPC通信技术的超塑成形设备气压控制系统[J]. 赵志衡,冀勇,宋欢,林航东. 锻压技术. 2017(08)
硕士论文
[1]HVPE生长GaN的气相反应研究及反应器设计优化[D]. 孙秀秀.江苏大学 2019
[2]电阻加热式MOCVD温度控制系统及温度控制方法研究[D]. 邓拓方.西安电子科技大学 2019
[3]HVPE法制备高质量GaN单晶研究[D]. 杨丹丹.天津大学 2015
[4]GaN型MOCVD控制系统的设计与研究[D]. 周晓琴.南昌大学 2012
[5]学位论文题目氮化镓有机化合物气相淀积（GaN MOCVD）设备控制系统研究[D]. 胡晓宇.国防科学技术大学 2009
[6]基于PLC的第三代MOCVD控制系统研究与设计[D]. 牛年增.西安电子科技大学 2009
[7]多片式MOCVD系统温度控制方法研究与实现[D]. 胡俊杰.西安电子科技大学 2009
[8]基于可编程逻辑控制器的MOCVD控制系统设计及研究[D]. 杜凯.西安电子科技大学 2006
[9]组态软件中先进控制算法的开发[D]. 刘玉敏.大庆石油学院 2005
本文编号：3493311
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＨＶＰＥ设备组成??２．２?ＨＶＰＥ控制系统方案??
ｒ？ｌａｔｍ）是制备高质量大尺寸ＧａＮ衬底、保证工艺重复性的关键。??而今常见的压力控制方案是利用调整蝶阀的开度来改变管道内的抽气速度，??进而控制压强Ｉ％。然而，单单凭借蝶阀是无法完成精确控制的，因为蝶阀开度与??流量变化并不完全是线性的，尤其是在临近全关或全开时更是如此。针对现有技??术的不足，本文设计了一种新型压力控制系统，通过蝶阀与质量流量控制器配合，??构建大、小流量控制通路，实现了?ＨＶＰＥ工艺准备阶段反应室抽真空处理以及生??长过程中反应室压强的精准调控。其结构示意图如图２－２所示。??ＰＬＣ???１???Ｌ－ｉ．?ＬＬ－ｈ?ｉ?压力传感器??Ｉ蝶阀电动ｊ质■流？控??，结构?Ｉ?〇?Ｓ?电磁＇，向＿?ＶＣＬ／??广＾?气动阅?勘｜｜■湖??厂、?（ｍ）?微调气路?反应腔体?Ｍ??真空泵气动阀蝶阀气路管道??图２－２新型压力控制系统结构示意图??如图２－２所示，大流量控制通路由真空泵、气动阀、蝶阀及相应气体管道组??成，小流量控制通路由质量流量控制器（ＭＦＣ）、电磁阀、气动阀及相应气体管??道组成。在工艺准备阶段，只打开大流量控制通路中的蝶阀，在真空泵的作用下??对反应腔进行抽真空处理，以获得一个理想的工艺环境；在ＧａＮ生长过程中，??ＩＩ??
第２章ＧａＮ?ＨＹＰＥ工艺分析与基本控制方案??真空泵的抽速和蝶阀的开度保持不变，从而将反应产生的混合气体以及固态粉末??从反应腔体中及时排出，同时打开小流量控制通路，向管路中通，利用ＭＦＣ??调节通入气体的流量，进而实现对反应室压强的精确控制。??其中，气路控制系统选用的ＭＦＣ型号为北京七星华创的ＣＳ２００系列，用于??完成对各路工艺气体的精密监控。如图２－３所示，在设备现场安设一个电气柜，??其中包含所有ＭＦＣ、电磁阀和气动阀的控制线路。将柜内面板划分为若干个区??域，每个区域对应一支气路，这样设计更容易区分，不易出错。??图２－３?ＭＦＣ实物图??２．２．３工艺安全与控制方案??ＧａＮ的ＨＶＰＥ生长在高温条件下持续进行，且工艺气体易燃有毒、腐蚀性??强，因此对各种工艺参数控制以及设备稳定性具有很高的要求。本文从旋转升降??电机控制、设备状态检测与自诊断以及其它安全装置设计等方面去综合考虑，设??计了符合ＧａＮ实际生长情况的工艺安全与控制方案，尽可能地避免发生安全事??故。??２．２．３．１石墨托盘调整系统??石墨托盘调整系统包括承片台升降控制和托盘旋转控制两部分。当ＨＶＰＥ设??备温度、流量、压力等参数达到工艺要求时，ＰＬＣ将输出脉冲信号传至伺服驱动??器，继而控制伺服电机，驱动石英棒和滚珠丝杠执行相应的动作。电机旋转升降??轴在ＨＶＰＥ反应炉中控制托盘和衬底制备氮化镓的示意图，如图２－４所示。??升降电机连接有效行程为１０００ｍｍ的滚珠丝杠，丝杠通过机械结构连接一承??片台，该平台垂直连接一根绝热性良好的石英棒，石英棒另一端连接至石墨托盘。??通过承片台升降将衬底材料送至ＨＶＰＥ反应炉高温反应区，当承片台
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth and doping of bulk GaN by hydride vapor phase epitaxy[J]. 张育民,王建峰,蔡德敏,任国强,徐俞,王明月,胡晓剑,徐科. Chinese Physics B. 2020(02)
[2]基于PFC-PID算法的无线高温加热炉温度控制系统[J]. 刘烊佚,苏成利,施惠元,李平,薄桂华. 应用科学学报. 2019(06)
[3]Hydride vapor phase epitaxy for gallium nitride substrate[J]. Jun Hu,Hongyuan Wei,Shaoyan Yang,Chengming Li,Huijie Li,Xianglin Liu,Lianshan Wang,Zhanguo Wang. Journal of Semiconductors. 2019(10)
[4]氮化镓单晶生长研究进展[J]. 任国强,王建峰,刘宗亮,蔡德敏,苏旭军,徐科. 人工晶体学报. 2019(09)
[5]Fabrication and characterization of one-port surface acoustic wave resonators on semi-insulating GaN substrates[J]. 吉雪,董文秀,张育民,王建峰,徐科. Chinese Physics B. 2019(06)
[6]基于PLC的锻造加热炉温度智能控制系统设计[J]. 夏洪永,李军国. 热加工工艺. 2019(09)
[7]基于模糊控制的真空退火炉温度控制系统[J]. 骆东松,孙冠琼. 控制工程. 2019(04)
[8]大尺寸HVPE反应室生长GaN的数值模拟[J]. 朱宇霞,陈琳,顾世浦,修向前,张荣,郑有炓. 半导体技术. 2018(08)
[9]GaN衬底材料的研究与发展[J]. 修向前,张荣. 中国照明电器. 2017(11)
[10]基于OPC通信技术的超塑成形设备气压控制系统[J]. 赵志衡,冀勇,宋欢,林航东. 锻压技术. 2017(08)
硕士论文
[1]HVPE生长GaN的气相反应研究及反应器设计优化[D]. 孙秀秀.江苏大学 2019
[2]电阻加热式MOCVD温度控制系统及温度控制方法研究[D]. 邓拓方.西安电子科技大学 2019
[3]HVPE法制备高质量GaN单晶研究[D]. 杨丹丹.天津大学 2015
[4]GaN型MOCVD控制系统的设计与研究[D]. 周晓琴.南昌大学 2012
[5]学位论文题目氮化镓有机化合物气相淀积（GaN MOCVD）设备控制系统研究[D]. 胡晓宇.国防科学技术大学 2009
[6]基于PLC的第三代MOCVD控制系统研究与设计[D]. 牛年增.西安电子科技大学 2009
[7]多片式MOCVD系统温度控制方法研究与实现[D]. 胡俊杰.西安电子科技大学 2009
[8]基于可编程逻辑控制器的MOCVD控制系统设计及研究[D]. 杜凯.西安电子科技大学 2006
[9]组态软件中先进控制算法的开发[D]. 刘玉敏.大庆石油学院 2005
本文编号：3493311
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