劉 欣，魏 唯，陳特超

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

GaN-MOCVD設(shè)備MO源注入摩爾流量的精確控制

劉 欣，魏 唯，陳特超

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

分析了GaN-MOCVD設(shè)備中MO源注入摩爾流量控制的基本原理，給出了決定MO源注入摩爾流量的三個(gè)重要條件，然后針對(duì)于GaN-MOCVD中5種常用的金屬有機(jī)源，根據(jù)工藝生長的需要，分別給出了MO源注入摩爾流量精確控制的解決方案。

半導(dǎo)體設(shè)備；GaN-金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積；金屬有機(jī)化合物源；注入摩爾流量

MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)是生長高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜材料的技術(shù)，在LED、半導(dǎo)體激光器、太陽能電池等多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用?，F(xiàn)有MOCVD設(shè)備的成本非常高，且完全依賴進(jìn)口，進(jìn)行MOCVD設(shè)備研究對(duì)國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、新能源領(lǐng)域以及國防高端技術(shù)的發(fā)展都很有必要。MOCVD利用氣相反應(yīng)物之間化學(xué)反應(yīng)將所需產(chǎn)物沉積在外延襯底表面形成所需要的外延層，外延層的晶相、成長速率以及組成成分會(huì)受到溫度、壓力、反應(yīng)物種類、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)時(shí)間、外延襯底材料、外延襯底表面性質(zhì)等諸多因素的影響。其中反應(yīng)物濃度的控制是非常關(guān)鍵的一環(huán)，對(duì)于GaN基半導(dǎo)體材料的生長，常用的金屬有機(jī)源反應(yīng)物有5種，分別是TMGa，TMAl，TEGa，TMIn，Cp2Mg，它們?cè)贛OCVD中作為反應(yīng)物參與反應(yīng)生長出多組分、大面積、薄層和超薄層異質(zhì)材料。在GaN-MOCVD中，通過載氣攜帶并注入到反應(yīng)室的MO源注入摩爾流量是直接影響外延層薄膜生長的組分和質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。

本文分析了GaN-MOCVD設(shè)備中MO源注入摩爾流量控制的基本原理，給出了決定MO源注入摩爾流量的3個(gè)重要條件，然后針對(duì)GaN-MOCVD 中5種常用的金屬有機(jī)源，根據(jù)工藝生長的需要，分別給出了每種MO源注入摩爾流量精確控制的解決方案，這對(duì)于GaN-MOCVD設(shè)備的MO源供給管路設(shè)計(jì)有著很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 MO源注入摩爾流量控制的基本原理

在MOCVD設(shè)備中，MO源通常都存放在特制的不銹鋼源瓶中，而不銹鋼源瓶則放置在高控制精度的恒溫水浴槽中，高純的氫氣或者氮?dú)馔ㄈ朐雌坎y帶出氣態(tài)的MO源，進(jìn)入run/vent切換回路，準(zhǔn)備進(jìn)入反應(yīng)室。MO源的注入摩爾流量計(jì)算公式為[2]：

其中Nmo為MO源摩爾流量 (mol/min)，PMO為源的蒸汽壓，Pbub為鼓泡鋼瓶內(nèi)的氣體壓力，F(xiàn)為載氣流量(cm3/min)，Vm等于22 414 cm3/mol。

由公式(1)所知，MO源由鋼瓶到反應(yīng)室的注入摩爾流量由以下條件決定：

（1）MO源載氣的氣體流量；

（2）在設(shè)定溫度下材料的蒸汽壓力；

（3）鋼瓶起泡器內(nèi)的絕對(duì)壓力。

見圖1液態(tài)MO源供給圖，圖2固態(tài)MO源供給圖。載氣的流量通過源瓶上游的MFC來控制，源瓶內(nèi)的絕對(duì)壓力則通過源瓶下游的PC來控制。而MO源的飽和蒸汽壓又由源瓶的溫度決定，常用MO源的物理參數(shù)見表1[3]。

圖1 液態(tài)MO源供給圖

圖2 固態(tài)MO源供給圖

表1中的系數(shù)A、B是表征MO源的蒸汽壓P的大小，具體公式為[4]：

表1 常用MO源列表

由上面的公式我們可以看出，MO源的蒸汽壓只與溫度有關(guān)，所以通過控制源瓶的溫度就可以得到我們所希望的蒸汽壓。而對(duì)于源瓶溫度的控制，業(yè)界主要采用恒溫水浴槽來進(jìn)行控制。綜上所述，通過對(duì)載氣流量、源瓶內(nèi)絕對(duì)壓力，以及恒溫槽溫度進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)MO源注入摩爾流量的精確控制。

2 GaN-MOCVD中MO源注入摩爾流量的精確控制

對(duì)于GaN-MOCVD中常用的金屬有機(jī)源反應(yīng)物有5種，分別是TMGa，TMAl，TEGa，TMIn，Cp2Mg。在通常的水浴溫度下TMGa，TMAl，TEGa是液體，TMIn，Cp2Mg是固體。每種MO源的物理特性各有不同，工藝生長時(shí)對(duì)于MO源的濃度高低的需求也有差別，因此針對(duì)GaN-MOCVD的工藝需要以及MO源的物理特性，分別設(shè)計(jì)不同的MO源供給管路滿足對(duì)每種源的注入摩爾流量的精確控制。如圖3。

2.1 滿足高濃度需求的液態(tài)MO源注入摩爾流量的精確控制

如圖1所示，載氣進(jìn)氣管直接插入到液體里面，載氣后通入液體中產(chǎn)生鼓泡效應(yīng)，從而攜帶出高濃度的氣態(tài)MO源，而恰好這種高濃度的MO源是外延層工藝生長時(shí)需要的，比如TEGa。對(duì)于此類情況根據(jù)MO源注入摩爾流量控制的基本原理來設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)管路，如圖3。利用一個(gè)輸入MFC 18控制載氣的流量、一個(gè)輸出PC 19控制源瓶的壓力，恒溫水浴槽來控制源瓶的溫度，這樣可對(duì)TEGa的注入摩爾流量進(jìn)行精確控制。

圖3 GaN-MOCVD設(shè)備MO源注入摩爾流量控制原理圖

2.2 滿足低濃度需求的液態(tài)MO源注入摩爾流量的精確控制

MOCVD常用于交替生長不同半導(dǎo)體材料的外延層，層厚都有不同，并且差別較大，如生長LED芯片的多量子阱層，每一層的厚度為幾十納米甚至只有幾個(gè)納米。液態(tài)MO源是通過載氣通入液體中產(chǎn)生鼓泡效應(yīng)，從而攜帶出高濃度的氣態(tài)MO源，這樣高濃度的MO源不能滿足生長多量子阱層時(shí)極少反應(yīng)摩爾流量的需求。比如說TMAl，在生長多量子阱層時(shí)需要較低濃度的Al元素，就可采用如圖3中雙稀釋管路。除了標(biāo)準(zhǔn)管路的配置外，還有一個(gè)輸入MFC 211與源瓶出口相連，對(duì)MO源提供一個(gè)可控的稀釋作用。經(jīng)過稀釋后的MO源經(jīng)過另外一個(gè)MFC 212，可根據(jù)需要控制流量進(jìn)入run/vent切換回路，多余的MO源則經(jīng)過PC 210排空。經(jīng)過雙稀釋后的MO源摩爾流量的計(jì)算公式為：

其中：Nmo為MO源摩爾流量 (mol/min)，PMO為源的蒸汽壓，Pbub為鼓泡鋼瓶內(nèi)的氣體壓力，F(xiàn)1為載氣流量，F(xiàn)2為稀釋氣體流量，F(xiàn)3為稀釋后進(jìn)入反應(yīng)室混合氣體流量，Vm等于22 414 cm3/mol。

2.3 注入劑量快速切換時(shí)MO源注入摩爾流量的精確控制

GaN基半導(dǎo)體材料生長時(shí)，外延層相鄰層之間雖然組成元素相同但是組分不同，為了形成陡峭的界面，就需要MO源的注入劑量能夠快速變化，在變化的同時(shí)也要保證注入摩爾流量的精確性。比如TMGa，在生長阱層和壘層時(shí)，組成元素都有Ga元素，但是需要的Ga元素的劑量卻相差100甚至1 000倍以上，在層與層之間由于要形成陡峭的界面，注入劑量必須要快速變化，這對(duì)于MFC來說，在硬件上不可能做到如此寬量程的精確控制，因此可利用雙重標(biāo)準(zhǔn)管路來實(shí)現(xiàn)，如圖3。即設(shè)置兩個(gè)相同的TMGa源標(biāo)準(zhǔn)管路，只是采用的輸入MFC 38與MFC 48的量程不同，在生長多層結(jié)構(gòu)時(shí)可快速切換注入劑量，并保持精確可控。

2.4 滿足高濃度需求的固態(tài)MO源注入摩爾流量的精確控制

由圖2可知，載氣進(jìn)氣管不能伸入固態(tài)MO源的鋼瓶底部而不能產(chǎn)生鼓泡效應(yīng)，這樣載氣只能通過固態(tài)MO源的上方將其揮發(fā)出來的氣態(tài)MO源帶出鋼瓶[5]。這種攜帶出的MO源的量是非常少的，不能滿足外延層生長時(shí)對(duì)于高濃度的MO源的工藝需要。比如TMIn，因此設(shè)計(jì)出如圖3中的雙源瓶串聯(lián)管路，將兩個(gè)源瓶串聯(lián)起來，載氣進(jìn)入第一個(gè)TMIn源瓶后攜帶出少量的MO源再進(jìn)入第二個(gè)源瓶，再一次攜帶出MO源，這樣可成倍提高M(jìn)O源的濃度。經(jīng)過雙源瓶后的MO源的摩爾流量計(jì)算公式為：

其中Nmo2為經(jīng)過雙源瓶后的MO源摩爾流量，Nmo為經(jīng)過第一個(gè)源瓶的MO源摩爾流量，PMO為源的蒸汽壓，Pbub為鼓泡鋼瓶內(nèi)的氣體壓力，F(xiàn)為載氣流量，Vm等于22414 cm3/mol。

2.5 輸出劑量不穩(wěn)定的固態(tài)MO源注入摩爾流量的精確控制

MOCVD中TMIn，Cp2Mg屬于固態(tài)源，載氣氣體流過裝有固態(tài)源的源瓶時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)固態(tài)床路徑縮短的“溝流現(xiàn)象”造成固態(tài)源輸出劑量不穩(wěn)定，針對(duì)這種情況可使用超聲波濃度計(jì)來解決，如圖3中的濃度計(jì)管路，載氣攜帶氣態(tài)的Cp2Mg源從源瓶出來后先經(jīng)過一個(gè)濃度計(jì)511，再經(jīng)過控制源瓶出口壓力的PC 59進(jìn)入run/vent切換回路，利用超聲波濃度計(jì)511可實(shí)時(shí)測量固態(tài)源輸出的濃度，再通過計(jì)算機(jī)調(diào)整MFC 58的流量值達(dá)到精確控制MO源摩爾流量的目的。

3 結(jié) 論

本文通過分析GaN-MOCVD設(shè)備中MO源注入摩爾流量控制的基本原理以及外延層生長時(shí)對(duì)于每種MO源的工藝需求不同，給出了相對(duì)應(yīng)的MO源注入摩爾流量精確控制的解決方案，主要的方案如下：

（1）對(duì)于高濃度的液態(tài)MO源需要時(shí)，主要是通過對(duì)載氣流量、源瓶內(nèi)絕對(duì)壓力，以及恒溫槽溫度進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)；

（2）對(duì)于低濃度的液態(tài)MO源需要時(shí)，通過增加一路載氣對(duì)攜帶出的混合氣進(jìn)行稀釋，然后將稀釋后的氣體一分為二，選擇需要的流量進(jìn)入反應(yīng)室，多余的則排空，完成二次稀釋來實(shí)現(xiàn)；

（3）對(duì)于注入劑量需要快速切換時(shí)，通過采用兩路相同MO源的控制管路，每條管路上輸入MFC的量程不同來控制載氣流量；

（4）對(duì)于高濃度的固態(tài)MO源需要時(shí)，通過采用載氣兩次進(jìn)入源瓶來實(shí)現(xiàn)；

（5）對(duì)于輸出劑量不穩(wěn)定的固態(tài)MO源需要時(shí)，通過采用超聲波濃度計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

[1] 陸大成，段樹坤.金屬有機(jī)化合物氣相外延基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 楊樹人，丁墨元.外延生長技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[3] 文尚勝，廖?？?，范廣涵，等.現(xiàn)代MOCVD技術(shù)的發(fā)展與展望[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(3)：99-107. [4] 文尚勝，廖?？?，范廣涵，等.LP-MOCVD生長InGaAlP系統(tǒng)中源氣流量的動(dòng)力學(xué)研究[J].半導(dǎo)體光電，2000，21(6)：410-413.

[5] Smith LM，Odedra R，Kingsley A et al.The effect of different bubbler designs[J].Journal of Crystal Growth，2004(272)：37-41.

Accurate Control of MO Source Injected Mol Flow of GaN-MOCVD

LIU Xin，WEI Wei，CHEN Techao

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 401111，China)

The article analyses basic principle of control of MO source injected mol flow of GaN-MOCVD，and gives three important condition of decided MO Source Injected Mol Flow.Then to five familiar metal organic source of GaN-MOCVD，based of demand of technology growth，respectively gives solution of accurate control of MO source injected mol flow.

Semiconductor equipment；GaN-MOCVD；MO source；injected mol flow

TN305.3

B

1004-4507(2015)06-0031-05

劉欣（1980-），男，湖南人，碩士，工程師，目前主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備的研制。

2015-03-12