MOCVD氣源輸送系統(tǒng)概述

1、MOCVD氣源輸送系統(tǒng)概述1背景金屬有機化合物氣相沉積，即MOCVD ,有時也稱作MOVPE （motel Orgnic Vapor PhaseEpitaxy）即金屬有機物相外延生長，是一種制備化合物半導體薄層 單晶的方法。MOCVD生長所用的源材料均為氣體，對于田族或R族，采用其金 屬有機化合物；對于V族或IV族，采用其烷類化合物。MOCVD就是以金屬化合 物（三甲基錢（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基鈿（TMIn）、三乙基錢（TEGa） 等）和烷類（AsH3, PH3, NH3等）為原料進行化學氣相沉積生長單晶薄膜的技 術，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延。金屬有機物大多是具有

2、高蒸氣壓 的液體，通過氫氣、氮氣或其他惰性氣體作為載氣，將其攜帶出與烷類混合，再 共同進入高溫高壓反應室。其技術基礎：在一定溫度下，金屬有機物和烷類發(fā)生 熱分解，并在一定晶向的襯底表面上吸附、化合、成核、生長。MOCVD生長使用的源材料通常是易燃、易爆、 毒性很大的物質，并且要生 長多組分、大面積、薄層和超導層異質材料，故其系統(tǒng)設計通常要求系統(tǒng)氣密性 良好，流量、溫度控制精確，組分變換迅速等。一般來說，MOCVD設備是由氣體運輸系統(tǒng)、反應室和加熱系統(tǒng)、尾氣處理和控制系統(tǒng)等組成，如圖 1-1所示圖1-1 MOCVD設備的基本工作原理2 MOCVD氣源運輸系統(tǒng)在GaN系列的MOCVD設備中氣源輸運

3、系統(tǒng)的主要功能是將各種反應氣體 輸送到反應腔體中進行反應，反應氣體包括田族的金屬有機化合物和V族源的 NH3, P型摻雜源CP2Mg, Si型摻雜源SiH4,以及載氣和吹掃氣體 H2和N2,氣 源輸運系統(tǒng)如圖2-1所示。2.1 MO源供給系統(tǒng)圖2-2為液態(tài)MO源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)簡圖，工作過程中，液態(tài)源通過液體 質量流量控制器定量送入混合閥，同時，載氣也通過氣體質量流量控制器定量送 入混合閥，混合后的氣液混合物進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器通過控制溫度完成氣液混合 物的完全汽化并通入反應室。其特點是（1）精度高；（2）響應快；（3）應用范圍廣；（4）液態(tài)源可采用集中供液；（5）安全性高。稀解氣體.壓力控2；

4、：3度中," 鼓泡裝置圖2-2液態(tài)MO源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)2.2輸出濃度計算假設鼓泡裝置內MO源的飽和蒸氣壓（一定溫度下）是均衡的，輸出濃度也是穩(wěn)定的，則蒸氣壓濃度% = P a/Pb X 100%(D式中Pa為MO源的飽和蒸氣壓，Pb是載氣壓力，由于載氣對鼓泡裝置內的附加影響是各組分氣體分壓總和，根據道爾頓定律，有蒸氣壓濃度 % = V a/(Va+Vc) X 100%( 2)式中Va為MO源蒸汽體積，Vc是載氣的體積，因有旁路稀釋作用，輸出口 的MO濃度為輸出濃度 = Va/(Va+Vb+Vc) X100%(3)式中Vb是稀釋氣體積，但實際過程中 Va不可測，故聯立(1)和(2)代

5、入 (3)可得輸出濃度 =(VcXPa)/( Vb(Pb-Pa)+ Vc>PbM00%(4)須知：鼓泡裝置內MO飽和蒸氣壓取決于源的溫度，外側的溫控加熱裝置可 保證鋼瓶內飽和蒸氣壓是恒定的；載氣Vc和稀釋氣體Vb的配比是精確的。載氣流速及加熱溫度影響MOt氣壓的穩(wěn)定時間，耗時越久，MO勺損耗 越多。2.3 鼓泡法原理2.3.1 形成循環(huán)液流鼓入的氣體在MOft體內膨脹成圓形泡，形成的氣泡在上升過程中由于壓力 和溫度的變化而不斷膨脹，氣泡到達液面時破裂。氣泡在由底層向液體表面移動 的過程中借助于與液體之間的相互吸附和接觸摩擦帶動著周圍液體向上流動，從而在鼓泡幕的兩側形成兩個環(huán)流。因此，鼓泡

6、區(qū)的液體不斷更新為液體的均化創(chuàng) 造了良好的條件，同時會加速液流區(qū)液體的蒸發(fā)。2.3.2 氣泡形成條件若要使從液體底部鼓入的氣體在液體中形成氣泡，則鼓入的氣體需要具有一 定的壓力。壓力的大小取決于液體的深度、密度及其表面張力 ，形成的氣泡越大 則需要的壓力也越大。因此，在液體底部附近要形成氣泡需克服的壓力為：2?Pm = P+ Po= p gH-公式中，Pm在液體底部形成半徑為r的氣泡需要的壓力；P一液體壓力； Po液體的表面張力；p液體密度；H液體的深度；？一液體的表面張力系數2.3.3 氣體擴散在氣泡上升的過程MO的飽和蒸汽在液體內壓強要圖于其在氣泡內的分壓，中，壓差的作用促使MO蒸汽向氣泡

7、內擴散，當氣泡內組分壓強達到平衡，氣泡帶著MO脫離液體表面（圖2-3）圖2-3鼓泡法載氣原理圖濕與控制器2.4 MO供應管路原理根據MO供應管路的形式不同，可以分為 3種基本形式，如圖2-4所示圖2-4不同MO供應管路圖：（a）標準MO供應管路；（b）單稀釋MO供應管路；（c）雙 稀釋MO供應管路2.4.1 標準MO供應管路MO源的輸運與經過鋼瓶起泡器的流量成正比，與MO源的蒸氣壓成正比。對于一給定的質量流量，MO源的量取決于鋼瓶內壓力一一 、，一流量FX%。MO源的量=流量F X濃度-一-PMO +PAbs其中，PMO是MO源的蒸汽壓力，PAbs是鋼瓶內的絕對壓力2.4.2 單稀釋MO供應管

8、路對于單稀釋MO源管路而言 由載氣帶出的MO源的摩爾流量由3個因素決 定，即流入MO源鼓泡瓶中的載氣氣體流量，MO源的蒸汽壓及鼓泡瓶的壓力。Fi XPMOAmo = TVm (Pbub - FMO )Pmo為MO源的蒸汽壓Pmo可以通過調節(jié) MO源的溫度來調節(jié)，Pmo與溫 度成指數關系；Pbub為鼓泡瓶的壓力；Fi為通入鼓泡瓶的載氣流量，通過 MO 源進口處的MFC質量流量控制器控制；Vm為摩爾氣體常數，值為22414cm3/mol。2.4.3 雙稀釋MO供應管路在雙稀釋MO源管路上，如圖2-4(c)所示，氣體出口處多加了一路帶 MFC3的管路，鼓泡瓶內的壓力仍然是通過 PC來控制，MO源只有一部分通過MFC3 進入RUN管路，流量為F3,其余部分通過PC排放到尾氣管路。FiF3 X Phmo= -x F2 + Fi(1 + P)vmPMoP =Pbub - FmO1. TMAl T-P 曲線2.雙重管路通常一種元素只設置一條含有該元素的MO源管路，當生長具有相鄰兩層雖然組成元素相同但組分不同的多層結構時，為了注入計量能夠快速變化，同一元素設置雙重管路， 即 設置兩個相同元素的 MO源。3 .液態(tài)源的不飽和當氣體流速過大和液面過低都會造成液態(tài)源的不飽和氣體流速過