CN102492938B - 一种单接触式自转公转基舟 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单接触式自转公转基舟，解决气相沉积生长法在材料生长过程中的厚度不均匀问题。本发明包含有基舟基座，基舟基座上的小圆凹槽内设有衬底基座，基舟基座的镂空孔内设有转动轮，转动轮顶端设有C齿轮，C齿轮与衬底基座的半圈齿轮接触，转动轮底端设有B齿轮，基舟基座下面设有一个可以改变转向的马达，马达连接A齿轮，A齿轮与B齿轮啮合。本发明可实现衬底的自转与公转，提高设备性能，在一定程度上降低工艺调试难度。

Description

一种单接触式自转公转基舟

技术领域

本发明涉及一种使用气相沉积方法生长材料的设备的内部结构，更具体地，涉及一种化学气相沉积（CVD）和氢化物气相外延生长（HVPE）等材料生长设备或其他实验设备。

背景技术

以GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN和AlInGaN为主的Ⅲ族氮化物材料，是第三代半导体材料的代表。其中GaN、AlN具有禁带宽、电子饱和漂移速率高、击穿电场强度高、抗辐射强、热稳定性好和化学性能稳定等优点。Ⅲ族氮化物材料在短波长发光二极管（LED）和激光二极管（LD）半导体器件，以及包括高频、高温、高功率晶体管和集成电路的电子器件的发展和制造过程中起着越来越重要的作用。

目前已经用于Ⅲ族氮化物材料生长的方法，主要有金属有机物气相外延法MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD、PE—MOCVD）、高温高压合成法、分子束外延法（MBE）和氢化物气相外延（HVPE）法等方法。其中氢化物气相外延（HVPE）是使用卤化氢与Ⅲ族金属反应，然后与氨气（NH3）反应生成Ⅲ族氮化物，其生长速度快，设备简单，成本低，被公认为最有前途的生长GaN自支撑衬底技术，因而引起了国内外研究人员的广泛兴趣。

HVPE设备近年来取得了巨大发展，但也存在一些问题，其中之一就是材料生长的不均匀性（主要是厚度不均匀性，但也包括掺杂不均匀）问题。其产生原因主要有：                                                

、喷头存在结构偏差与喷头安装误差；

、生长窗口的空间局限性；

、生长区域局部生长速度偏差大。而又由于：

、衬底尺寸由2英寸经过3英寸发展到4英寸，乃至6英寸、8英寸或者更大；

、每炉生长的衬底数量由少变多，1片、3片、7片、11片、19片、21片……使厚度均匀性问题越来越突出，越来越受关注，而且成为HVPE设备进一步发展所需要解决的核心问题之一。

目前厚度不均匀最直接表现为：

、同一张衬底中心到边缘厚度呈圆环形梯度变化；

、同一张衬底在一条直径方向上从一端到另一端厚度明显变化；

、多张衬底，处在喷头对应的不同位置，其厚度分布不同。气相沉积生长方法生长材料每炉衬底或者每一片衬底厚度均匀性差；自转公转同时实现起来结构复杂，难度比较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种为了解决气相沉积生长法在材料生长过程中的厚度不均匀问题，实现衬底自转，达到解决均匀性问题，其结构简单。本发明将衬底放置在衬底基座上，通过外部驱动实现衬底的公转，并调节外部转速的大小或者方向，依靠惯性来实现单个衬底的自转；通过衬底自转与公转，解决气相沉积方式生长材料过程中的厚度均匀性问题；整个基舟与外部通过一个部件连接，属于单接触，结构简单，容易实现。

为达上述目的，本发明的一种单接触式自转公转基舟，采用以下的技术方案：

一种单接触式自转公转基舟，包含有基舟基座，基舟基座上设有复数个小圆凹槽，基舟基座上的小圆凹槽内设有衬底基座，衬底基座的底面设有分布为180°区域的半圈齿轮，基舟基座中间有一镂空孔，基舟基座的镂空孔内设有转动轮，转动轮顶端设有C齿轮，C齿轮与衬底基座的半圈齿轮啮合，转动轮底端设有B齿轮，基舟基座下面设有一个可以改变转向的马达，马达连接A齿轮，A齿轮与B齿轮啮合。

进一步，所述衬底基座包含A衬底基座与B衬底基座，A衬底基座与B衬底基座的底面设有与转动轮的C齿轮相匹配的分布为180°区域半圈齿轮，A衬底基座与B衬底基座放置在基舟基座的凹槽内，转动轮通过C齿轮与A衬底基座与B衬底基座底部半圈齿轮啮合。

一种单接触式自转公转基舟气相沉积生长法，其特征在于，包换如下步骤：

①、将衬底放置在衬底基座上，开始马达转动，衬底基座与转动轮无相对转动时，一起反向转动；

②、然后开始生长，生长一段时间后，马达停止转动，转动轮也随之停止转动，但基舟基座因为惯性存在，在短时间内保持转动，衬底基座被强制着围绕转动轮做公转，在这个过程中，基舟基座会与转动轮出现相对转动，衬底基座底部的齿轮与转动轮的C齿轮发生啮合，衬底基座进行自转运动；

③、由于衬底基座的齿轮只分布了180°的区域，当衬底基座自转180°后，衬底基座底部的齿轮与转动轮的C齿轮卡死，然后衬底基座与基舟基座会随转动轮一起做速度相等、方向相同的转动，公转与自转停止，以此实现基舟公转；

④、马达再转动，转动轮、基舟基座、衬底基座无相对运动，一起做转动，生长一段时间后，马达停止转动，转动轮也随之停止转动，但基舟基座因为惯性存在，在短时间内保持反向转动，衬底基座被强制着围绕转动轮做反向公转，衬底基座又会反向转动180°，在这个过程中，衬底基座底部的齿轮与转动轮的C齿轮发生啮合，衬底基座做反向自转运动； 

⑤、如此循环上述①～④步骤，衬底间歇性转动或者间歇做速度方向相反的转动，实现了衬底基座在整个基舟基座上的近基舟中心边缘与远基舟中心边缘调换，实现衬底的自转与公转，经过自转公转，生长后衬底基座1上沉积的材料厚度相当。

使用本发明基舟结构，将衬底放置在衬底基座上，即可实现衬底的自转与公转。解决了在大型多片沉积炉中不同衬底上的材料生长厚度偏差大、每片衬底的不同部位材料生长厚度偏差大的不均匀性问题；提高设备性能，在一定程度上降低工艺调试难度。本发明就从设备硬件上着手，设计出一种结构简单容易实现的新型基舟，通过转动轮与基舟的惯性实现衬底的公转与自转，从而降低了由于喷头结构、喷头安装、生长窗口空间局限性等原因引起的厚度不均匀性。

附图说明

图1所示为本发明实施例的剖面示意图。

图2所示为一个通过公转改变厚度不均匀性的原理图。

图3所示为另一个通过自转改变厚度不均匀性的原理图。

图4所示为实施例中基舟的初始状态，开始转动的瞬间状态图。

图5所示为实施例中基舟的转动轮停止，基舟基座保持反向转动的瞬间状态图。

图6所示为实施例中基舟的转动轮停止后，转动轮、基舟基座和衬底基座相对静止的瞬间状态图。

图7所示为实施例中基舟的转动轮开始反向转动的瞬间状态图。

图8所示为实施例中基舟的转动轮停止，基舟基座保持反向转动的瞬间状态图。

以下是本发明零部件符号标记说明：

衬底基座1、A衬底基座11、B衬底基座12、转动轮2、C齿轮21、B齿轮22、基舟基座3、马达4、A齿轮41、C1点111、C2点121、D1点112、D2点122、41区、42区、43区、44区、41A区、42A区、43A区。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。本发明设计出一种基舟（放置衬底基座1的载体），基舟由外部驱动实现衬底基座1（放置衬底的载体）的公转；并在惯性的作用下，加以速度调节，实现单个衬底基座1的自转，从而在很大程度上缓解了材料生长过程中的厚度不均匀性以及局部掺杂不均匀问题。在结构上只采用一根杆传动，结构比较简单，容易实现。

    结构主要分为：转动部分与基座部分。转动部分的主要功能是给基座部分提供速度可调节的驱动力，并且在转动方向上也需要可控制。

基座部分是本发明的核心所在，在结构上可分为三小部分：转动轮2、基舟基座3、衬底基座1。转动轮2将转动传递给基舟基座3。转动轮2上端有一圈齿轮结构C齿轮21，通过与衬底基座1上的齿轮啮合，在不同的时刻可以带动衬底基舟转动，也可以阻止衬底基座1转动。并且对整个基座起到支撑作用。

基舟基座3上有数个小圆凹槽，用于放置衬底基座1，固定衬底基座1在空间上的运动轨迹。基舟基座3下端有一镂空孔，用于放置转动轮2，使转动轮2与衬底基座1啮合。衬底基座1用于放置衬底，而且自身带有与转动轮2的C齿轮21相匹配的半圈齿轮，可以与转动轮2啮合做相对转动。也可以与转动轮2咬死，与转动轮2相对静止，实现整个基座的公转。

公转原理：当转动部分以一定的速度（且转动方向确定）开始转动时，基舟基座3由于惯性，会与转动轮2出现相对转动，衬底基座1与转动轮2出现正常啮合，做相对转动，当转动一定角度后，由于衬底基座1的齿轮只分布了180°的区域，衬底基座1齿轮会与转动轮2卡死，然后衬底基座1与基舟基座3会随转动轮2一起做速度相等，方向相同的转动，以此实现基舟公转。

自转原理：当衬底基座1、基舟基座3和转动轮2以相同速度转动时，转动轮2突然降低转速（或者停止或反向）转动，基舟基座3因为惯性，短时间内依然保持原来的转动，衬底基座1放置在基舟基座3内部，被强制转动，与此同时，转动轮2上端的C齿轮21与衬底基座1的齿轮正常啮合，当衬底基座1自转180°时，衬底基座1上的齿轮啮合完毕，然后转动轮2与衬底基座1卡死。然后再加速（或者开始转动、反向转动），衬底基座2又会反向转动180°。如此循环，衬底间歇性转动，实现了衬底基座2在整个基舟基座3上的近基舟中心边缘与远基舟中心边缘调换，实现了180°自转。

在自转实现过程中，要减小转动轮2与基舟基座3之间（非齿轮区域）的摩擦，以保证基舟基座3在转动轮2速度改变后，能够依靠惯性作用，实现转动轮2与基舟基座3之间的相对滑动。要减小基舟基座3与衬底基座1之间（非齿轮区域）的摩擦力，以实现齿轮啮合时，衬底基座1的自转。

减小摩擦的主要方法：一个通过选材实现，选用两个物体接触后摩擦系数小的材料。二是，对各个部件进行表面（或者选择对应面）涂层，以减小摩擦系数。

附图2描述了一个通过公转改变厚度不均匀性的原理图，基舟41区逐渐到42区、43区、44区生长速度递减（或递加），如果基舟不公转，沉积生长过程中处在基舟41区的沉积厚度会明显高于（或低于）处于44区的沉积厚度。公转后，沉积过程中每张衬底处于基座41区、42区、43区和44区的时间相当，沉积过后，每张衬底上沉积的厚度也相当，在很大程度上改良了厚度不均匀性。

附图3描述了一个通过自转改变厚度不均匀性的原理图，基舟中心（41A区）到边缘（43A区）沉积速度递减（或递加），如果衬底不自转，衬底片靠近基舟中心区域（42A区）沉积生长的材料厚度明显高于（或低于）靠近基舟边缘区域（43A区）沉积生长的材料厚度。自转后，每张衬底的每个边缘处在沉积速度快区域与沉积速度慢区域的时间相当，整个衬底片表面的沉积厚度相当，均匀性明显提高。

附图4描述了实施例中基舟的初始状态，开始转动的瞬间状态图。附图5描述了实施例中基舟的另一种状态，转动轮2停止，基舟基座3保持反向转动，衬底基座1由于啮合开始做反向自转（相对于基舟基座3）的瞬间状态图。

附图6描述了实施例中基舟的转动轮2停止后，衬底基座1齿轮与转动轮2卡死，转动轮2、基舟基座3和衬底基座1相对静止的状态。附图7描述了实施例中基舟的转动轮2开始正向转动，基舟基座3、衬底基座1和转动轮2一起转动的瞬间状态图。附图8描述了实施例中基舟的转动轮2停止，基舟基座3保持正向转动，衬底基座1由于啮合开始做正向自转（相对于基舟基座3）的瞬间状态图。

本发明设计中所诉基舟的材质选用，其特质在于密度偏大，可以是石英、碳化硅、氮化硼、石墨、蓝宝石、玻璃、不锈钢等；设计中所诉的涂层，其特质在于涂层后表面光滑，摩擦系数小，可以是碳化硅涂层、氮化硼涂层、油膜、润滑剂、粉末层等；衬底基舟个数不限，可以是2个、3个、4个、5个、6个、7个……；本发明设计中衬底基舟上的齿轮在圆周上的分布量不限于180°，可以是0°～360°之间的任意一个度数；速度调节方式，可以是加速、减速、停止或者反向，也可以几种方式混合使用；速度调节间隔，每次速度改变之间的时间长度，可以是0～1000小时，而且每次间隔的时间可以不一样长。

采用附图1所示结构，转动轮2、基舟基座3和衬底基座1都选用石墨材料制作，并且在表面做碳化硅（SiC）涂层。然后转动部分使用一个可以改变转向的马达4，马达4通过A齿轮41与B齿轮22啮合带动转动轮2转动。基舟部分使用两个衬底基座即A衬底基座11与B衬底基座12，A衬底基座11与B衬底基座12的底面齿轮分布为180°区域，A衬底基座11与B衬底基座12放置在基舟基座3的凹槽内，转动轮2通过C齿轮21与A衬底基座11与B衬底基座12底部半圈齿轮啮合，在转动轮2、基舟基座3以及衬底基座1表面涂一层SiC，其作用是减小各个部件之间的摩擦。

转动前，参考附图4，去掉转动的状态就是初始状态。A衬底基座11靠近基舟中心的位置命名为C1点111，靠近基舟基座边缘的位置命名为D1点112；B衬底基座12的位置命名类同，B衬底基座12靠近基舟中心的位置命名为C2点121，靠近基舟基座边缘的位置命名为D2点122。

当开始时，马达4正向（自上向下看）转动，A衬底基座11与B衬底基座12与转动轮2无相对转动时，一起反向转动，状态如附图4。然后开始生长，生长一段时间（时间可以为0，也可以不为0）后，马达4停止转动，转动轮2也随之停止转动，但基舟基座3因为惯性存在，在短时间内保持反向转动，A衬底基座11与B衬底基座12被强制着围绕转动轮2做反向公转，在这个过程中，A衬底基座11与B衬底基座12底部的齿轮与转动轮2的C齿轮21发生啮合，A衬底基座11与B衬底基座12做反向自转运动，如附图5。

当衬底基座自转180°后，A衬底基座11之前靠近基舟中心的C1点111位置转动到靠近基舟边缘的D1点112位置，B衬底基座12之前靠基舟中心的C2点121位置转动到靠基舟边缘的D2点122位置。然后A衬底基座11与B衬底基座12底部的齿轮与转动轮2的C齿轮21卡死，公转与自转停止，如附图6。

马达4再反向转动，转动轮2、基舟基座3、衬底基座1无相对运动，一起做正向转动，状态如附图7。生长一段时间（时间可以为0，也可以不为0）后，马达4停止转动，转动轮2也随之停止转动，但基舟基座3因为惯性存在，在短时间内保持正向转动，A衬底基座11与B衬底基座12被强制着围绕转动轮2做正向公转，在这个过程中，A衬底基座11与B衬底基座12底部的齿轮与转动轮2的C齿轮21发生啮合，A衬底基座11与B衬底基座12做正向自转运动，如附图8。

当衬底基座自转180°后，A衬底基座11之前靠基舟中心的D1点112位置转动到靠基舟边缘的C1点111位置，B衬底基座12之前靠基舟中心的D2点122位置转动到靠基舟边缘的C2点121位置。A衬底基座11与B衬底基座12底部部的齿轮与转动轮2的C齿轮21卡死，公转与自转停止，回到初始状态，参考附图4。

然后做如附图4的转动，按以上步骤循环调节电机4的转动情况，可实现衬底的自转与公转。经过自转公转，生长后两个衬底基座上沉积的材料厚度相当，每一个衬底基座衬底整个面上沉积的厚度相当，所以一批生长的厚度均匀性与每一张产品的厚度均匀性都得到了很大的改良。本发明实现了衬底基座1公转与自转功能，将衬底放置在衬底基座1上，就实现了衬底的自转与公转，主要解决了材料生长过程中的厚度不均匀问题。基舟通过一个部件与外部连接，即采用单接触式，所以结构简单，容易实现。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种单接触式自转公转基舟，包含有：基舟基座（3），其特征在于：所述基舟基座（3）上设有复数个小圆凹槽，所述基舟基座（3）上的小圆凹槽内设有衬底基座（1），所述衬底基座（1）的底面设有分布为180°区域的半圈齿轮，所述基舟基座（3）中间有一镂空孔，所述基舟基座（3）的镂空孔内设有转动轮（2），所述转动轮（2）顶端设有C齿轮（21），所述C齿轮（21）与所述衬底基座（1）的半圈齿轮啮合，所述转动轮（2）底端设有B齿轮（22），所述基舟基座（3）下面设有一个可以改变转向的马达（4），所述马达（4）连接A齿轮（41），所述A齿轮（41）与所述B齿轮（22）啮合；

所述衬底基座（1）包含A衬底基座（11）与B衬底基座（12），所述A衬底基座（11）与所述B衬底基座（12）的底面设有与所述转动轮（2）的C齿轮（21）相匹配的分布为180°区域半圈齿轮，所述A衬底基座（11）与B衬底基座（12）放置在所述基舟基座（3）的凹槽内，所述转动轮（2）通过C齿轮（21）与所述A衬底基座（11）与B衬底基座（12）底部半圈齿轮啮合。

2.一种单接触式自转公转基舟气相沉积生长法，其特征在于，包换如下步骤：

①、将衬底放置在衬底基座（1）上，开始马达（4）转动，衬底基座（1）与转动轮（2）无相对转动时，一起反向转动；

②、然后开始生长，生长一段时间后，马达（4）停止转动，转动轮（2）也随之停止转动，但基舟基座（3）因为惯性存在，在短时间内保持转动，衬底基座（1）被强制着围绕转动轮（2）做公转，在这个过程中，基舟基座（3）会与转动轮（2）出现相对转动，衬底基座（1）底部的齿轮与转动轮（2）的C齿轮（21）发生啮合，衬底基座（1）进行自转运动；

③、由于衬底基座（1）的齿轮只分布了180°的区域，当衬底基座（1）自转180°后，衬底基座（1）底部的齿轮与转动轮（2）的C齿轮（21）卡死，然后衬底基座（1）与基舟基座（3）会随转动轮（2）一起做速度相等、方向相同的转动，公转与自转停止，以此实现基舟公转；

④、马达（4）再转动，转动轮（2）、基舟基座（3）、衬底基座（1）无相对运动，一起做转动，生长一段时间后，马达（4）停止转动，转动轮（2）也随之停止转动，但基舟基座（3）因为惯性存在，在短时间内保持反向转动，衬底基座（1）被强制着围绕转动轮（2）做反向公转，衬底基座（1）又会反向转动180°，在这个过程中，衬底基座（1）底部的齿轮与转动轮（2）的C齿轮（21）发生啮合，衬底基座（1）做反向自转运动； 

⑤、如此循环上述①～④步骤，衬底间歇性转动或者间歇做速度方向相反的转动，实现了衬底基座（1）在整个基舟基座（3）上的近基舟中心边缘与远基舟中心边缘调换，实现衬底的自转与公转，经过自转公转，生长后衬底基座（1）上沉积的材料厚度相当。

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