GaN-MOCVD設備MO源注入摩爾流量的精確控制

劉 欣，魏 唯，陳特超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

GaN-MOCVD設備MO源注入摩爾流量的精確控制

劉 欣，魏 唯，陳特超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

分析了GaN-MOCVD設備中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重要條件，然后針對于GaN-MOCVD中5種常用的金屬有機源，根據工藝生長的需要，分別給出了MO源注入摩爾流量精確控制的解決方案。

半導體設備；GaN-金屬有機化學氣相沉積；金屬有機化合物源；注入摩爾流量

MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)是生長高質量半導體薄膜材料的技術，在LED、半導體激光器、太陽能電池等多個領域都有應用。現有MOCVD設備的成本非常高，且完全依賴進口，進行MOCVD設備研究對國內半導體產業、新能源領域以及國防高端技術的發展都很有必要。MOCVD利用氣相反應物之間化學反應將所需產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受到溫度、壓力、反應物種類、反應物濃度、反應時間、外延襯底材料、外延襯底表面性質等諸多因素的影響。其中反應物濃度的控制是非常關鍵的一環，對于GaN基半導體材料的生長，常用的金屬有機源反應物有5種，分別是TMGa，TMAl，TEGa，TMIn，Cp2Mg，它們在MOCVD中作為反應物參與反應生長出多組分、大面積、薄層和超薄層異質材料。在GaN-MOCVD中，通過載氣攜帶并注入到反應室的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量的關鍵因素[1]。

本文分析了GaN-MOCVD設備中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個重要條件，然后針對GaN-MOCVD 中5種常用的金屬有機源，根據工藝生長的需要，分別給出了每種MO源注入摩爾流量精確控制的解決方案，這對于GaN-MOCVD設備的MO源供給管路設計有著很強的指導意義。

1 MO源注入摩爾流量控制的基本原理

在MOCVD設備中，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，高純的氫氣或者氮氣通入源瓶并攜帶出氣態的MO源，進入run/vent切換回路，準備進入反應室。MO源的注入摩爾流量計算公式為[2]：

其中Nmo為MO源摩爾流量 (mol/min)，PMO為源的蒸汽壓，Pbub為鼓泡鋼瓶內的氣體壓力，F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）在設定溫度下材料的蒸汽壓力；

（3）鋼瓶起泡器內的絕對壓力。

見圖1液態MO源供給圖，圖2固態MO源供給圖。載氣的流量通過源瓶上游的MFC來控制，源瓶內的絕對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源的物理參數見表1[3]。

圖1 液態MO源供給圖

圖2 固態MO源供給圖

表1中的系數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，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。而對于源瓶溫度的控制，業界主要采用恒溫水浴槽來進行控制。綜上所述，通過對載氣流量、源瓶內絕對壓力，以及恒溫槽溫度進行控制，可實現對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

對于GaN-MOCVD中常用的金屬有機源反應物有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，工藝生長時對于MO源的濃度高低的需求也有差別，因此針對GaN-MOCVD的工藝需要以及MO源的物理特性，分別設計不同的MO源供給管路滿足對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MO源注入摩爾流量的精確控制

如圖1所示，載氣進氣管直接插入到液體里面，載氣后通入液體中產生鼓泡效應，從而攜帶出高濃度的氣態MO源，而恰好這種高濃度的MO源是外延層工藝生長時需要的，比如TEGa。對于此類情況根據MO源注入摩爾流量控制的基本原理來設計出標準管路，如圖3。利用一個輸入MFC 18控制載氣的流量、一個輸出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TEGa的注入摩爾流量進行精確控制。

圖3 GaN-MOCVD設備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納米。液態MO源是通過載氣通入液體中產生鼓泡效應，從而攜帶出高濃度的氣態MO源，這樣高濃度的MO源不能滿足生長多量子阱層時極少反應摩爾流量的需求。比如說TMAl，在生長多量子阱層時需要較低濃度的Al元素，就可采用如圖3中雙稀釋管路。除了標準管路的配置外，還有一個輸入MFC 211與源瓶出口相連，對MO源提供一個可控的稀釋作用。經過稀釋后的MO源經過另外一個MFC 212，可根據需要控制流量進入run/vent切換回路，多余的MO源則經過PC 210排空。經過雙稀釋后的MO源摩爾流量的計算公式為：

其中：Nmo為MO源摩爾流量 (mol/min)，PMO為源的蒸汽壓，Pbub為鼓泡鋼瓶內的氣體壓力，F1為載氣流量，F2為稀釋氣體流量，F3為稀釋后進入反應室混合氣體流量，Vm等于22 414 cm3/mol。

2.3 注入劑量快速切換時MO源注入摩爾流量的精確控制

GaN基半導體材料生長時，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，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，因此可利用雙重標準管路來實現，如圖3。即設置兩個相同的TMGa源標準管路，只是采用的輸入MFC 38與MFC 48的量程不同，在生長多層結構時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MO源注入摩爾流量的精確控制

由圖2可知，載氣進氣管不能伸入固態MO源的鋼瓶底部而不能產生鼓泡效應，這樣載氣只能通過固態MO源的上方將其揮發出來的氣態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對于高濃度的MO源的工藝需要。比如TMIn，因此設計出如圖3中的雙源瓶串聯管路，將兩個源瓶串聯起來，載氣進入第一個TMIn源瓶后攜帶出少量的MO源再進入第二個源瓶，再一次攜帶出MO源，這樣可成倍提高MO源的濃度。經過雙源瓶后的MO源的摩爾流量計算公式為：

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

2.5 輸出劑量不穩定的固態MO源注入摩爾流量的精確控制

MOCVD中TMIn，Cp2Mg屬于固態源，載氣氣體流過裝有固態源的源瓶時經常出現固態床路徑縮短的“溝流現象”造成固態源輸出劑量不穩定，針對這種情況可使用超聲波濃度計來解決，如圖3中的濃度計管路，載氣攜帶氣態的Cp2Mg源從源瓶出來后先經過一個濃度計511，再經過控制源瓶出口壓力的PC 59進入run/vent切換回路，利用超聲波濃度計511可實時測量固態源輸出的濃度，再通過計算機調整MFC 58的流量值達到精確控制MO源摩爾流量的目的。

3 結 論

本文通過分析GaN-MOCVD設備中MO源注入摩爾流量控制的基本原理以及外延層生長時對于每種MO源的工藝需求不同，給出了相對應的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）對于高濃度的液態MO源需要時，主要是通過對載氣流量、源瓶內絕對壓力，以及恒溫槽溫度進行控制來實現；

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

（3）對于注入劑量需要快速切換時，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）對于高濃度的固態MO源需要時，通過采用載氣兩次進入源瓶來實現；

（5）對于輸出劑量不穩定的固態MO源需要時，通過采用超聲波濃度計來實現。

[1] 陸大成，段樹坤.金屬有機化合物氣相外延基礎及應用[M].北京：科學出版社，2009.

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

[3] 文尚勝，廖常俊，范廣涵，等.現代MOCVD技術的發展與展望[J].華南師范大學學報，1999(3)：99-107. [4] 文尚勝，廖常俊，范廣涵，等.LP-MOCVD生長InGaAlP系統中源氣流量的動力學研究[J].半導體光電，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，目前主要從事半導體專用設備的研制。

2015-03-12