專利名稱：一種高溫生長晶片的卸載裝置及其卸載方式的制作方法
技術領域：
本發明屬于，特別涉及一種用于半導體行業中，安裝在汽相外延法或者汽相沉積法等材料生長設備的上下料窗；本發明涉及的新型卸載方式與裝置，適合用于半導體行業的汽相外延或汽相沉積法等材料生長設備中的高溫生長晶片的卸載系統。
背景技術：
氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料，具有寬禁帶寬度，高擊穿電壓、高電子遷移率、化學性質穩定等特點，非常適合制作抗輻射、高頻率、大功率和高密度集成的電子器件以及藍光、綠光和紫外光電子器件。在半導體發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外探測器以及高能高頻電子器件等方面有廣闊的應用前景。所以近年來，倍受各界人士青睞，行業投資不斷。
在多種GaN襯底生長技術中，HVPE (氫化物汽相外延)以其高速率(可以達到800ym/h以上)生長、低成本、可大面積生長和均勻性好等顯著優點，成為GaN襯底生長取得突破的首選，目前國內外絕大多數研究工作都集中于此。HVPE生長GaN襯底，通常是在藍寶石或砷化鎵等襯底上外延O. 5^1mm的厚膜，然后通過激光剝離、研磨或蝕刻等方式將襯底移除，將獲得的GaN拋光形成自支撐GaN襯底。但是在HVPE生產過程中，氮化鎵(GaN)薄膜生長技術雖然較成熟，但是生長效率不高，每臺設備每一次只能生長一爐，而且樣品需要預熱、生長完成后需要緩慢降溫釋放應力等緣故，難以實現產業化。多半情況下，由于受目前進料出料窗的設計之限制，只能放置一個樣品托盤，導致很多時間是浪費在產品的進料出料過程中。

發明內容
本發明針對現有技術存在之缺失，提供一種采用多級緩慢降溫退火處理的新技術，實現汽相外延設備在生長工藝不間斷狀態下卸載高溫生長的晶片，適用于汽相外延生長設備系統以提高生產效率，促進產業化。為達到上述目的，本發明采用以下方案本發明包含生長腔Ql，生長腔Ql側壁設有進料窗Wl，生長腔Ql下面設有下料腔Q2，下料腔Q2內可裝載下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)，下料腔Q2下面設有卸料腔Q3，卸料腔Q3側壁設有出料窗W2，卸料腔Q3內設有可升降托盤TlO的底部升降托臺T9，下料腔Q2內設有復數組小型氣缸G3，每組的兩個小型氣缸G3相互對應，每組兩個小型氣缸G3水平相對，小型氣缸G3向內的端部設有與下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6 )周緣形狀對應的夾具J3 ；小型氣缸G3與夾具J3設有固定板B3，固定板B3外側設有一個以上小型氣缸G3，固定板B3內側設有連接小型氣缸G3的夾具J3，固定板B3是把夾具J3、小型氣缸G3同步在下料腔Q2位移，下料腔Q2內設有復數的感應加熱線圈(Cl、C2、C3)，感應加熱線圈(Cl、C2、C3)內可容置下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)，感應加熱線圈(Cl、C2、C3)位于下料腔Q2內復數下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)的外圍；底部升降托臺T9底面連接升降桿Τ10，托盤Tl從進料窗Wl進入生長腔Ql后，托盤Tl成為正在生長的樣品托盤Τ2，然后正在生長的樣品托盤Τ2降入下料腔Q2進行生長，完成后的正在生長的樣品托盤Τ2的成為下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)進入卸料腔Q3，成為卸料腔Q3中待卸載的樣品托盤Τ7，待卸載的樣品托盤Τ7降入卸料腔Q3，此時待卸載的樣品托盤Τ7通過卸料腔Q3的出料窗W2移出成為已取出的樣品托盤Τ8。為達上述目的，本發明提供的一種高溫生長晶片的卸載裝置及其卸載方式，采用以下的技術方案，包括以下步驟①、盛有樣品的具有熱膨脹系數小、熱傳導性良好和不揮發等性質的托盤Tl，通過進料窗Wl把樣品托盤Tl放進材料生長腔Ql內，作為正在生長的樣品托盤Τ2 ；②、關閉進料窗Wl后進行材料生長，生長腔Ql頂部有噴頭，三五簇的源氣從其噴口出來，供用外延生長；③、正在生長的樣品托盤Τ2上的樣品生長完成后，升降桿TlO啟動底部升降托臺T9上升到正在生長的樣品托盤Τ2底部，移動正在生長的樣品托盤Τ2下降到下料腔Q2內，此時成為下料中樣品托盤(了3、了4、了5、了6)；④、下料腔Q2內每組相對的小型氣缸G3內端部的夾具J3向內伸展，固定板Β3是把夾具J3、小型氣缸G3同步在下料腔Q2位移，夾具J3夾放下料腔Q2內下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，夾具J3把下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)夾住并固定在下料腔Q2內保持不動；⑤、再從進料窗Wl放入新的盛有未生長的樣品托盤Tl，放進生長腔Ql的樣品托盤Tl疊放在下料腔Q2頂端的下料中樣品托盤(Τ3)上表面，然后關閉進料窗W1，進行材料生長;⑥、下料腔Q2內的感應加熱線圈(C1、C2、C3)，用于對下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)進行保溫和緩慢退火；
⑦、如此重復步驟①至步驟⑥，放進幾次樣品托盤Tl，首先放進的正在生長的樣品托盤Τ2降至下料腔Q2的底部，夾具J3把中間的下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)同時夾住并保持不動(頂部的正在生長的樣品托盤Τ2和底部的待卸載的樣品托盤Τ7樣品托盤不在夾住之中)，通過小型氣缸G3放松夾具J3后，底部升降托臺T9承載著下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，下降一級，在底部的樣品托盤待卸載的樣品托盤Τ7沒有被氣動氣缸夾具J3夾住，而隨著底部升降托臺T9下降到卸料腔Q3后，成為待卸載的樣品托盤Τ7 ；⑧、當下料腔Q2內待卸載的樣品托盤Τ7釋放應力后，底部升降托臺T9把待卸載的樣品托盤Τ7逐步下降到卸料腔Q3里，通過卸料腔Q3側面的出料窗W2移出，成為已取出的樣品托盤Τ8,樣品完成。設計的卸載高溫生長的晶片裝置，整體如圖I所示。托盤Tl是盛有樣品的托盤，托盤需具有熱膨脹系數小、熱傳導性良好和不揮發等性質。通常半導體行業中使用石墨來作為托盤，石墨的純度高達99. 998%以上，部分托盤表面會鍍上SiC等涂層，來增加它的硬度和平整性。進料窗Wl是進料窗，通過它把樣品托盤Tl放進材料生長腔Ql內。正在生長的樣品托盤Τ2是正在生長的樣品托盤。生長腔Ql頂部有噴頭，三五簇的源氣從其噴口出來，供用外延生長。Cl是感應加熱線圈，用于對樣品進行保溫和緩慢退火，其詳細結構另外在圖3中說明。下料腔Q2是下料腔，小型氣缸G3是小型氣缸，夾具J3是夾放下料腔內樣品托盤用夾具，其詳細結構另外在圖2中說明。卸料腔Q3是卸料腔，待卸載的樣品托盤T7是待卸載的樣品托盤，已取出的樣品托盤T8是從卸料腔Q3已取出的樣品托盤T7。底部升降托臺T9是底部升降托臺，托盤升降桿TlO是與底部升降托臺T9相連的升降桿，用于承受所有樣品托盤的重量，并把已生長好的樣品托盤逐步下降到卸料腔Q3卸料腔里。出料窗W2是出料窗。
關于進料窗Wl進料窗和出料窗W2出料窗，其氣密性由另外的 機械結構保證，本專利不詳述其內容。 氣缸和底部升降托臺詳細結構如圖2所示，小型氣缸G3是小型氣缸，夾具J3是與小型氣缸G3相連并受其控制的夾樣品托盤用夾具，夾具具有相應的弧度和摩擦系數。通過一對成180°的氣缸向里推動兩邊的夾具，可緩慢地進入下料腔內，以合適的夾力，把樣品托盤夾住并固定在下料腔內保持不動。下料腔內所有氣缸統一由一個調壓閥控制氣壓，保證以適度夾力夾住樣品托盤，防止過壓致使樣品托盤變形或斷裂。固定板B3是把夾具、氣缸與下料腔體相聯接的鋼板，安裝在其上面的每一個氣缸、夾具連接處都有聯合接頭、膠圈和水冷等結構，保證下料腔體氣密性和夾具伸縮桿的活動性。底部升降托臺T9是底部升降托臺，升降桿TlO是與底部升降托臺T9相連的升降桿。底部升降托臺T9升降可以承受下料腔內所有樣品托盤的重量。升降桿的上下活動由一臺大型電缸控制。底部升降托臺承載已生長完的樣品托盤逐步下降，直到卸料腔。感應加熱線圈詳細結構如圖3所示，Cl、C2和C3是銅管感應加熱線圈，它們分別包圍著下料腔內的樣品托盤，線圈的引線分別從下料腔體背面引出。當線圈中通過高頻電流時產生的磁場，在樣品托盤石墨材質中產生渦流，致使托盤及其上置樣品加熱或保溫，而其溫度值，則自動控制。裝載、卸載過程，如此周而復始地不斷進行，就可大幅縮短工藝周期、提高生產效率。本發明尤適用于目前HVPE (氫化物汽相外延)垂直系統中，可縮短工藝周期、提聞生廣效率。


圖I為本發明實施例的整體示意圖；圖2為本發明實施例氣缸和底部升降托臺的剖面視圖；圖3為本發明實施例銅管感應加熱線圈及樣品托盤的立體圖；圖4為本發明實施例裝載樣品托盤的示意圖；圖5為本發明實施例樣品托盤下降的示意圖；圖6為本發明實施例卸載樣品托盤的示意圖。圖中零部件符號標記如下托盤Tl、進料窗W1、生長腔Q1、正在生長的樣品托盤T2、下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)、感應加熱線圈(Cl、C2、C3)、下料腔Q2、小型氣缸G3、夾具J3、卸料腔Q3、待卸載的樣品托盤T7、已取出的樣品托盤T8、底部升降托臺T9、升降桿TlO、出料窗W2、固定板B3。
具體實施方式
為能進一步了解本發明的特征、技術手段以及所達到的具體目的、功能，解析本發明的優點與精神，藉由以下結合附圖與具體實施方式
對本發明的詳述得到進一步的了解。本系統裝載、卸載高溫生長晶片樣品的過程如下裝載樣品的過程如圖4所示，把盛有樣品的石墨托盤Tl從進料窗Wl放入生長腔Ql內，置于底部升降托臺T9上(圖4中正在生長的樣品托盤T2位置)。關閉進料窗Wl后進行材料生長，待生長完后，底部升降托臺T9在底部升降桿TlO傳動下的再下降一級。圖I是本裝置整體示意圖，左側是放置樣品用樣品托盤的立體圖，右側是系統正視的剖面示意圖；圖2是氣缸和底部升降托臺剖面視圖，左側是豎直正視剖面圖，右側是水平俯視的剖面圖；圖4是本裝置裝載樣品托盤步驟示意圖；圖5是本裝置樣品托盤下降步驟示意圖；圖6是本裝置卸載樣品托盤步驟示意圖。如圖5所示，在圖4中盛著已生長好的樣品托盤正在生長的樣品托盤T2，隨底部升降托臺T9下降至下料中樣品托盤T3位置，此時感應加熱線圈Cl、C2、C3控制樣品托盤·的溫度，對所盛的樣品進行保溫、降溫退火處理。同時，再從進料窗Wl放入新的盛有未生長的樣品托盤。后放進的樣品托盤疊放在其先放進的樣品托盤上，如圖5的正在生長的樣品托盤T2、下料中樣品托盤T3所示，下料中樣品托盤T3的上表面抵觸的正在生長的樣品托盤T2下表面，正在生長的樣品托盤T2與下料中樣品托盤T3疊放。然后關閉進料窗W1，進行材料生長。如此重復，放進幾次樣品托盤，首先放進的下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)降至下料腔Q2的底部，如圖6所示。卸載樣品的過程如圖6所示，此時，所有樣品托盤的重量仍然由底部升降托臺T9承載支撐著。四對氣缸小型氣缸G3，通過與它相連并受其控制的四對夾具J3，緩慢地把中間的下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)同時夾住并保持不動(頂部的正在生長的樣品托盤Τ2和底部的待卸載的樣品托盤Τ7樣品托盤不在夾住之中)。在底部的樣品托盤待卸載的樣品托盤Τ7因沒有被氣動氣缸夾具J3夾住，而隨著底部升降托臺T9下降到卸料腔Q3后便可取出。然后，底部升降托臺T9上升至處在下料腔底部的樣品托盤Τ6底部，通過小型氣缸G3放松夾具J3后，底部升降托臺T9承載著下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，下降一級。接著再照前述步驟重復操作，就可把經本系統已生長完并降溫處理過的樣品托盤，逐個移出卸料腔外，就可實施連續卸載。裝載、卸載過程，如此周而復始地不斷進行，就可大幅縮短工藝周期、提高生產效率。實例一 HVPE裝載卸載晶片過程如圖4所示，把盛有樣品的托盤Tl從進料窗Wl放入生長腔Ql內，置于底部升降托臺T9上(圖4中正在生長的樣品托盤Τ2位置)。關閉進料窗Wl后進行材料生長，待生長完后，底部升降托臺T9在底部升降桿TlO的傳動下下降一級。裝載樣品的過程，如圖5所示。在圖4中盛著已生長好的樣品托盤正在生長的樣品托盤Τ2，隨底部升降托臺T9下降至Τ3位置，此時感應加熱線圈C1、C2、C3控制樣品托盤的溫度，對所盛的樣品進行保溫、降溫退火處理。同時，再從進料窗Wl放入新的盛有未生長的樣品托盤，后放進的樣品托盤疊放在其先放進的樣品托盤上，如圖5的正在生長的樣品托盤T2、T3所示。然后關閉進料窗W1，進行材料生長。如此重復，放進幾次樣品托盤，首先放進的樣品托盤降至下料腔Q2的底部，如圖6所示。卸載樣品的過程，如圖6所示。此時，所有樣品托盤的重量仍然由底部升降托臺T9承載支撐著。4對氣缸小型氣缸G3，通過與它相連并受其控制的4對夾具J3，緩慢地把中間的下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)同時夾住并保持不動(頂部的正在生長的樣品托盤Τ2和底部的待卸載的樣品托盤Τ7樣品托盤不在夾住之中)。在底部的樣品托盤待卸載的樣品托盤Τ7因沒有被氣動氣缸夾具J3夾住，而隨著底部升降托臺T9下降到卸料腔Q3后便可取出。然后，底部升降托臺T9 上升至處在下料腔底部的樣品托盤Τ6底部，通過小型氣缸G3放松夾具J3后，底部升降托臺T9承載著下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)下降一級。接著再照前述步驟重復操作，就可把經本系統已生長完并降溫處理過的樣品托盤，移出卸料窗外，完成卸載。裝載、卸載過程，如此周而復始地不斷進行，就可大幅縮短工藝周期、提高生產效率。關于進料窗Wl進料窗和出料窗W2出料窗，其氣密性由另外的機械結構保證，本專利不詳述其內容。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種高溫生長晶片的卸載裝置，包含有生長腔(Q1)，生長腔(Ql)側壁設有進料窗(W1)，其特征在于所述生長腔(Ql)下面設有下料腔(Q2)，下料腔(Q2)內可裝載下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)，下料腔(Q2)下面設有卸料腔(Q3)，卸料腔(Q3)側壁設有出料窗(W2)，卸料腔(Q3)內設有底部升降托臺(T9)，下料腔(Q2)內設有復數組小型氣缸(G3)，每組的兩個小型氣缸(G3 )相互對應，小型氣缸(G3 )向內的端部設有與下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)周緣形狀對應的夾具(J3)，下料腔(Q2)內設有復數的感應加熱線圈(Cl、C2、C3)。
2.根據權利要求I所述的一種高溫生長晶片的卸載裝置，其特征在于所述小型氣缸(G3)與夾具(J3)設有固定板(B3)，固定板(B3)外側設有一個以上小型氣缸(G3)，固定板(B3)內側設有連接小型氣缸(G3)的夾具(J3)，固定板(B3)是把夾具(J3)、小型氣缸(G3)同步在下料腔(Q2)位移。
3.根據權利要求I所述的一種高溫生長晶片的卸載裝置，其特征在于所述感應加熱線圈(Cl、C2、C3)內可容置下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)，感應加熱線圈(Cl、C2、C3)位于下料腔(Q2)內復數下料中樣品托盤(T3、T4、T5、T6)的外圍。
4.根據權利要求I所述的一種高溫生長晶片的卸載裝置，其特征在于所述底部升降托臺(T9)底面連接升降桿(Τ10)，每組的兩個小型氣缸(G3)水平相對。
5.一種高溫生長晶片的卸載方式，其特征在于，包括以下步驟 ①、盛有樣品的具有熱膨脹系數小、熱傳導性良好和不揮發等性質的托盤(Tl)，通過進料窗(Wl)把樣品托盤(Tl)放進材料生長腔(Ql)內，作為正在生長的樣品托盤(Τ2)； ②、關閉進料窗(Wl)后進行材料生長，生長腔(Ql)頂部有噴頭，三五簇的源氣從其噴口出來，供用外延生長； ③、正在生長的樣品托盤(Τ2)上的樣品生長完成后，升降桿(TlO)啟動底部升降托臺(T9)上升到正在生長的樣品托盤(Τ2)底部，移動正在生長的樣品托盤(Τ2)下降到下料腔(Q2)內，此時成為下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)； ④、下料腔(Q2)內每組相對的小型氣缸(G3)內端部的夾具(J3)向內伸展，固定板(Β3)是把夾具(J3)、小型氣缸(G3)同步在下料腔(Q2)位移，夾具(J3)夾放下料腔(Q2)內下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，夾具(J3)把下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)夾住并固定在下料腔(Q2)內保持不動； ⑤、再從進料窗(Wl)放入新的盛有未生長的樣品托盤(Tl)，放進生長腔(Ql)的樣品托盤(Tl)疊放在下料腔(Q2)頂端的下料中樣品托盤(Τ3)上表面，然后關閉進料窗(W1)，進行材料生長； ⑥、下料腔(Q2)內的感應加熱線圈(Cl、C2、C3)，用于對下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)進行保溫和緩慢退火； ⑦、如此重復步驟①至步驟⑥，放進幾次樣品托盤(Tl)，首先放進的正在生長的樣品托盤(Τ2)降至下料腔(Q2)的底部，夾具(J3)把中間的下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)同時夾住并保持不動，頂部的正在生長的樣品托盤(Τ2)和底部的待卸載的樣品托盤(Τ7)樣品托盤不在夾住之中，通過小型氣缸(G3)放松夾具(J3)后，底部升降托臺(T9)承載著下料中樣品托盤(Τ3、Τ4、Τ5、Τ6)，下降一級，在底部的樣品托盤待卸載的樣品托盤(Τ7)沒有被氣動氣缸夾具(J3)夾住，而隨著底部升降托臺(T9)下降到卸料腔(Q3)后，成為待卸載的樣品托盤(T7)； ⑧、當下料腔(Q2 )內待卸載的樣品托盤(Τ7 )釋放應力后，底部升降托臺(T9 )把待卸載的樣品托盤(T7)逐步下降到卸料腔(Q3)里，通過卸料腔(Q3)側面的出料窗(W2)移出，成為已取出的樣品托盤(T8)，樣品完成。
全文摘要
本發明公開了一種高溫生長晶片的卸載裝置及其卸載方式，實現汽相外延設備在生長工藝不間斷狀態下卸載高溫生長的晶片。本發明的生長腔側壁設有進料窗，生長腔下面設有下料腔，下料腔下面設有卸料腔，卸料腔側壁設有出料窗，卸料腔內設有可升降托盤的底部升降托臺，下料腔內設有復數組小型氣缸，小型氣缸向內的端部設有夾具，下料腔內設有復數的感應加熱線圈。本發明尤適用于目前HVPE垂直系統中，可縮短工藝周期、提高生產效率，促進產業化。
文檔編號C23C16/34GK102903653SQ20121031987
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者袁志鵬, 劉鵬, 王永旺, 趙紅軍, 張俊業, 張國義, 童玉珍, 孫永健 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司, 北京大學