專利名稱：金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣系統及控制方法
技術領域：
本發明屬于化學氣相沉積生長技術領域，具體涉及金屬有機物化學氣相淀積設備MOCVD的恒流配氣系統及控制方法，用于為設備在化學沉積過程提供穩定的氣流，改善制備多層結構薄膜的淀積質量。
背景技術：
現有金屬有機物化學氣相淀積設備MOCVD(為簡便，以下均用MOCVD代替設備的中文名稱)的典型配氣系統通常采用的模式如圖4，一般具有載氣加載管路、MO源裝置、MO源輸出管路、反應氣體加載管路及尾氣排放管路。系統運行時，管路上的真空閥門A和B始終開啟，輸出帶MO源的載氣。在反應進行時，若需要該MO源參與反應，開啟真空閥門C，同時關閉真空閥門D，此時攜帶MO源成份的載氣進入反應室；若不需要該MO源參與反應，則關閉真空閥門C，同時開啟真空閥門D，將攜帶MO源成份的載氣從尾氣排放管路排放。
從傳統配氣系統的工作方式可以看出，在多層結構生長過程中，由于閥門C和D的切換，使通入反應室的總氣流量瞬間產生急劇波動，使反應室的壓力隨之產生波動，盡管真空維持系統采用改變尾氣抽速來平衡反應室壓力，引起加熱載體的散熱邊界條件改變而引起反應溫度瞬時的劇烈變化，但同時又導致反應室內氣流的改變和傳熱條件的改變，不利于反應溫度的穩定。其次，在不需要某MO源參加反應時，將MO源及載氣作為尾氣排放，造成珍貴的MO資源浪費和環境污染，從另一個方面增加了生產成本和環境治理成本。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是避免現有技術的不足，為MOCVD設備提供恒流的配氣系統及配氣控制方法，以精確控制載氣流量來保證反應過程的MO蒸汽流量、壓力、溫度等工藝參數的穩定，從而提高氣相沉積物的結晶質量。
本發明的技術方案是對現有的金屬有機物化學氣相淀積設備的配氣系統的基礎上，通過增加了載氣分流管路和載氣短路管路等主要技術措施，形成一種新的恒流配氣系統及恒流配氣控制方法，使進入反應室的氣體流量始終保持恒定。具體說來，本發明的配氣系統包括MO源模塊，載氣加載管路，MO蒸汽輸出管路，在載氣加載管路上設有質量流量計M1、真空閥A，在MO蒸汽輸出管路上裝有壓力控制器P、真空閥B。兩條管路分別通過真空閥A、B與MO源模塊連接。其關鍵技術是在載氣加載管路和MO蒸汽輸出管路之間連接有載氣短路管路和載氣分流管路，該載氣短路管路裝有真空閥C，切換真空閥A、B和C，則實現反應室的MO源汽與載氣的切換。該分流管路裝有質量流量計M2，在輸入載氣流量為定量時，M1與M2的總載氣流量保持恒定。載氣加載管路的輸入端連接載氣輸入總線，MO蒸汽輸出管路的輸出端連接反應氣體加載總線(7)，并將MO蒸汽流輸入反應室，形成一個載氣流量恒定的配氣系統。
所述載氣短路管路的具體連接位置設在MO源模塊端口真空閥A、B的另一端，所述載氣分流管路的連接位置在載氣加載質量流量計M1的進氣口一端。
本發明恒流配氣控制方法是，當單個MO源由載氣輸入總線獲得恒定載氣輸入量時，調節質量流量計M1與M2的流量比例，可改變進入反應室的MO蒸汽的分壓，控制MO的沉積速率，并保持總氣體流量恒定。
本發明恒流配氣控制方法利用MO源載氣通路和短路通路的開關切換MO源的加載當在MO源參與生長時段，開啟真空閥A、B，同時關閉載氣短路管路的真空閥C，載氣攜帶MO蒸汽進入反應室參加反應；當在該MO源不參與生長時段，開啟短路真空閥C，同時關閉真空閥A、B，此時載氣經短路管路進入反應室。由此可見，無論在MO層生長期或是MO源切換間隙期，反應室的氣體流量始終保持恒定。
本發明以提供穩定的氣體流量為目的，主要采用了載氣短路、載氣分流等技術方案構成了新型MOCVD設備的配氣系統。在新型配氣系統中，反應過程中的MO源切換通過MO源載氣通路和短路系統實現。因此，在切換過程中不引起系統總載氣量波動 這從根本上消除了現有技術所存在的由于氣體流量的不穩定，造成反應過程的壓力、溫度等關鍵工藝參數在瞬間劇烈波動之蔽端。由于氣流穩定性的提高，改善了反應壓力和反應溫度的穩定性，提高設備的工藝參數控制能力，從而改善設備所制備的材料的結晶質量。通過對現有技術生成的5量子阱結構和用本發明生成的5量子阱結構進行了PL譜光特性對比試驗，從對比試驗結果看出，利用傳統的配氣方式，所制備材料的量子發光強度與黃帶發光強度比值小，分別為4、2.3、2。利用本發明的恒流配氣系統，所制備材料的量子發光強度與黃帶發光強度比值顯著增大，該比值分別為44、43、43、43、41，明顯高于中得到的結果。且中心頻率一致性高。在PL譜試驗中，量子發光強度同黃帶發光強度的比值是一個重要的判斷指標，該比值大，說明量子阱發光顯著，材料缺陷引起的黃帶發光弱，材料結晶質量與量子阱界面質量高。該材料量子發光強度較原有技術顯著，表明利用新型配氣系統所制備的量子阱結構質量遠高于傳統配氣系統制備的量子阱結構，對材料質量的改善作用明顯。
其次，現有技術的配氣系統在切換MO源時，要將MO源蒸汽作為尾氣排放，因MO源多含有稀有金屬成份，這不僅造成MO源珍貴資源的浪費，也會造成環境污染。本發明的MO源切換是在完全密閉的系統中進行，無尾氣排放。這不僅大大減少MO源浪費，降低成本，也具有良好的環境效益，有利于大規模產業應用。
再者，采用載氣分流技術，可實現在恒定氣流環境下，通過改變系統的MO源蒸汽量，從而方便地控制反應速率。同時采用總線配氣結構，可以串連多個MO源配氣單元同時使用，利于多MO源系統的設計和應用。
圖1是本發明的恒流配氣系統示意2是本發明兩MO源參與反應的串連示意3(a)是傳統配氣系統制備材料的PL譜圖，圖3(b)是本發明配氣系統制備材料的PL譜4是現有技術的配氣系統示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發明的配氣系統主要由MO源模塊1，載氣加載管路2，MO蒸汽輸出管路3，載氣短路管路4，載氣分流管路5，載氣輸入總線6，反應氣體加載總線7構成。在載氣加載管路2上裝有載氣加載質量流量計M1、真空閥A，該管路的載氣入口連接載氣輸入總路線6，另一端則通過真空閥A與MO源連接。MO蒸汽輸出管路3上裝有壓力控制器P、真空閥B，該管路的一端通過真空閥B與MO源連接，另一端則通過壓力控制器P與反應氣體加載總路線7連接。該反應氣體加載總路線7與反應室接通。壓力控制器P用于控制MO源的壓力。載氣短路管路4、載氣分流管路5分別連接于載氣加載管路2與MO蒸汽輸出管路3之間。其中，載氣短路管路4上裝有真空閥C，該短路管路4的連接位置在MO源模塊1端口真空閥A、B的另一端。切換真空閥C與真空閥A、B，即可實現對MO源的切換；載氣分流管路5上裝有質量流量計M2，該分流管路5的連接位置在載氣加載質量流量計M1的進氣口端。為了穩定MOCVD系統基礎配氣的恒定，應使M1與M2的氣流總量保持恒定。
具有上述結構的配氣系統在MOCVD設備制備多層結構時能夠實現氣體流量的恒定控制，其控制方法如下1.通過對載氣加載質量流量計M1和載氣分流質量流量計M2的流量控制，維持MOCVD系統的配氣恒定。每個MO源配氣單元設定恒定的M1和M2的流量總和，若需要改變反應室中某種MO蒸汽的反應分壓，則調整質量流量控制器M1和M2的流量比例即可。當需要更多的MO蒸汽參與反應時，增加載氣加載質量流量計M1的流量，同時相應減小MO源載氣分流質量流量計M2的流量，使該MO配氣單元的載氣總流量始終保持為設定的流量總和。這樣一來，盡管MO蒸汽量發生了變化，使發應的淀積速率也隨之變化，但是，經MO蒸汽輸出管路3進入反應氣體加載總線的氣體流量仍然保持恒定。通過M1和M2的流量控制，可消除MO蒸汽反應分壓過程中的系統配氣波動。
2.用短路管路真空閥C在不需要MO源蒸汽實際參與反應時形成短路通路，屏蔽MO源，在不改變MOCVD系統配氣的情況下，真空閥A、B和C實現MO源的切換。在系統載氣經載氣加載管路2到達MO源模塊1端口時，若需要該MO源蒸汽參與反應時，開啟MO源載氣加載端口真空閥A和MO源載氣輸出端口真空閥B，同時關閉短路管路真空閥C，此時載氣由MO源載氣加載端口進入MO源，攜帶MO蒸汽由MO源載氣輸出端口進入MO蒸汽輸出管路3，經反應氣體加載總線7進入反應室。有MO蒸汽實際進入反應室參與反應。反之，若不需要該MO源蒸汽參與反應，則需要關閉MO源載氣加載端口真空閥A和MO源載氣輸出端口真空閥B，同時開啟短路管路真空閥C，此時載氣由短路管路4直接進入MO蒸汽輸出管路3，經反應氣體加載總線7進入反應室。此時只有載氣，而沒有MO蒸汽實際進入反應室參與反應。該方式消除了現有技術切換MO源開關狀態引起的系統配氣波動。
本發明在MO源載氣分流管路和MO源切換模塊的共同作用，可以使MO源載氣輸出總線保持恒定的氣體流量，從根本上消除了由于MO源切換過程中反應氣體流量變化引起的反應室壓力波動和溫度波動。
本發明經由三層InGaN/GaN結構的生長與變生長速率的GaN生長的實施例進一步說明恒流配氣控制方法。
實施例一，三層InGaN/GaN結構的生長由于生長膜三層結構，每一生長層有兩種不同的金屬元素In、Ga，此三層結構的生長需要兩種MO源參與。由于本發明采用了載氣輸入總線和反應氣體加載總線結構，可采用圖2所示的利用兩個MO源配氣單元與總線串聯形成一個總配氣系統。在總線上所串連的MO源個數由參與淀積的金屬元素的種類來確定。
為區別表示，圖2所示的兩MO源配氣單元及相關部件采用不同編號。如用TEG(三乙基鎵)、TMIn(三甲基銦)模塊表示不同的MO源。MO源TEG配氣單元的壓力控制器為P1；MO源TMIn配氣單元的壓力控制器為P2，其余部件命名規則類似。
在三層InGaN/GaN結構的生長過程中，串聯的TEG與TMIn配氣單元協同運行時，M1、M2和真空閥A、B與C的控制比值與狀態如表1、表2所示表1
表2
通過表1、表2給出的短路控制方式實現如下的生長過程(1)在GaN層的生長中，需要Ga源TEG參與反應。此時TEG源配氣單元處于A1閥門、B1閥門開啟，C1閥門關閉的狀態，M12載氣流量為50sccm，流經TEG源攜帶TEG蒸汽，M11分流流量為250sccm，與攜帶TEG源蒸汽的載氣混合，進入反應室；由于不需要In源TMIn參與反應，此時TMIn源配氣單元處于A2閥門、B2閥門關閉，C2閥門開啟的狀態，屏蔽TMIn源，M21的200sccm分流流量和流經短路通路C2閥的M22 100sccm載氣流量混合進入反應室。反應室內的總氣量為為600sccm。由于只有Ga源參與反應，In源不參與反應，此時反應生成物為GaN；(2)在InGaN層生長中，需要Ga源TEG與In源TMIn共同參與反應。此時TEG源配氣單元處于Al閥門、B1閥門開啟，C1閥門關閉的狀態，M12載氣量為為50sccm，流經TEG源攜帶TEG源蒸汽，M11分流氣量為250sccm，與攜帶TEG源蒸汽的載氣混合進入反應室；TMIn配氣單元處于A2閥門、B2閥門開啟，C2閥門關閉的狀態，M22載氣流量為100sccm，流經TMIn源攜帶TMIn源蒸汽，M21分流流量為100sccm，與攜帶TMIn源蒸汽的載氣混合進入反應室。反應室的總氣量為600sccm。由于Ga源與In源均參與反應，反應生成物為InGaN。
在生成不同淀積層GaN，InGaN過程中，用不同的配氣單元，需要通過控制各單元的短路切換，調整M1和M2的載氣流量比例，使進入反應室的總氣流量為恒定，方可保持系統壓力穩定，使多層結構生長中無流量波動。
(1)、(2)步驟只說明一層InGaN/GaN結構的生長過程，生長三層InGaN/GaN結構的再重復(1)、(2)步驟即是。
實施例二變生長速率的GaN生長變生長速率的GaN結構生長的控制參數及控制狀態如表3、表4所示。
表3
表4
如上表所示TEG模塊控制方式，可實現如下生長過程(1)在GaN1層與GaN2層的生長中，閥門A1、B1均為開啟狀態，閥門C1為關閉狀態，TEG源參與反應；閥門A2、B2均為關閉狀態，閥門C2為開啟狀態，TMIn源不參與反應，生成物為GaN；(2)在GaN1層生長過程中，M12流量為50sccm，則進入TEG源的實際載氣流量為50sccm，50sccm的載氣攜帶TEG源參與反應；(3)在GaN2層生長過程中，M12流量為150sccm，則進入TEG源的實際載氣流量為150sccm，150sccm的載氣攜帶TEG源參與反應。在同樣溫度和壓力情況下，TEG源的飽和蒸汽壓保持不變，因此GaN2層生長過程中實際進入反應室的TEG蒸汽量為GaN1層的三倍，在反應過程為質量控制的情況下，反應速率為GaN1層的三倍。
從本實施例看出，在控制反應速率的過程中，通過質量流量計M1與M2的流量比例的調節控制進入反應室的反應物多少，調節過程不改變配氣模塊的總載氣流量。
為了驗證本發明的應用效果，在設備的其它參數相同條件下，對傳統的MOCVD配氣系統制備的5量子阱結構(InGaN/GaN MQWs的多層結構)，與用本發明的技術方案制備的5量子阱結構(InGaN/GaN MQWs的多層結構)進行了PL譜的對比測試。
圖3(a)是傳統配氣方式生長的5量子阱PL譜測試結果。該圖形結果表明(1)該材料黃帶發光顯著，表明材料質量較差，壓力和溫度的波動引起多層結構界面粗糙和有大量的缺陷；(2)該材料片內均勻性較差，圖中曲線1-3為2英寸園片中心至邊界1.5mm范圍內三次采樣的PL測試結果，可發現從中心至邊緣有明顯的峰值紅移。并且，中心至邊緣蘭帶發光有減弱的趨勢。藍帶發光的逐步減弱表明，中心至邊緣材料質量逐步降低，量子發射效應逐步減弱。
出現上述結果的原因是5量子阱的生長過程所至(a)在GaN勢壘層的生長中，MO源中僅有Ga源需要參與反應，Ga源輸出載氣進入反應室，其他MO源的輸出載氣直接排放至尾氣，進入反應室的僅有Ga源輸出載氣；(b)切換至InGaN勢阱層生長時，MO源中需要Ga源和In源參與反應，此時In源的輸出載氣需要由尾氣切換至反應室，進入反應室的有In源輸出載氣和Ga源輸出載氣，較步驟(a)增加的In源輸出載氣引起氣流波動和壓力波動；(c)多量子阱生長中，需要多次切換GaN層與InGaN層的生長。在切換生長過程中需要多次切換MO源中In源的狀態。切換引起的氣流波動造成反應室溫度和壓力的波動。
上述MO源的切換對反應的工藝參數有較大影響(a)當In源由關閉狀態切換為開啟狀態是，由于In源的載氣由尾氣排放通路改變為進入反應室，從而引起反應室總載氣流量升高，反應室壓力瞬間上升；(b)為平衡瞬間上升的壓力，壓力閉環系統中的真空泵增加抽速穩定壓力，引起反應室內氣流速率增加；(c)氣流速度的增加導致了基片加熱載體有效散熱的增加，引起基片表面溫度降低，從而引起In組份摻入效率的提高，并由于溫度的波動降低了結晶質量；(d)由于圓柱型的基片加熱載體側面具有較大的散熱面積，因而基片邊緣處的降溫效應表現的更為顯著，產生由中心向邊緣的PL峰值紅移現象。
通過對實驗結果的分析可知，MO源切換過程中的溫度和壓力波動是由于配氣總量變化所引起。
圖3(b)是采用本發明恒流配氣系統生長的相同結構的5量子阱PL譜測試結果，由于該配氣系統的In源切換是通過MO源和短路系統的切換實現的，在切換過程中不引起系統總載氣流量的波動，消除了壓力和溫度的瞬時波動，取得了較好的黃帶抑制效果和均勻性。該圖為了便于對比，將中心至邊緣的峰值高度作了遞減調整，除中心值曲線1以外的峰值高度無實際意義。結果表明，該材料量子發光強度較原有技術顯著，且中心頻率一致性高。
對于PL譜結果，量子發光強度同黃帶發光強度的比值是一個重要的判斷指標，該比值大，說明量子阱發光顯著，材料缺陷引起的黃帶發光弱，材料結晶質量與量子阱界面質量高。
圖3(a)、圖3(b)的對比結果中可以看出。對于量子發光強度與黃帶發光強度的比較，利用傳統的配氣方式，所制備材料的量子發光強度與黃帶發光強度比值小。對應于圖3(a)中的3條曲線，該比值分別為4、2.3、2。利用新型的恒流配氣系統，所制備材料的量子發光強度與黃帶發光強度比值顯著增大。對應于圖3(b)中的5條曲線，該比值分別為44、43、43、43、41，明顯高于圖3(a)中得到的結果。表明利用新型配氣系統所制備的量子阱結構質量高于傳統配氣系統制備的量子阱結構。利用新型配氣系統，對材料質量的改善作用明顯。
權利要求
1.一種金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣系統，該配氣系統主要包括MO源模塊，載氣加載管路，MO蒸汽輸出管路，在載氣加載管路(2)設有質量流量計(M1)、真空閥(A)，并通過真空閥(A)與MO源模塊(1)連接，在MO蒸汽輸出管路(3)上裝有壓力控制器(P)、真空閥(B)，并通過真空閥(B)與MO源模塊(1)連接，其特征在于在所述的載氣加載管路(2)和MO蒸汽輸出管路(3)之間連接有載氣短路管路(4)和載氣分流管路(5)，在載氣短路管路(4)上裝有真空閥(C)，切換真空閥(A)、(B)和(C)，可實現MO源蒸汽與載氣的切換；在載氣分流管路(5)上裝有質量流量計(M2)，使(M1)與(M2)的流量總和與輸入氣量保持恒定；所述的載氣加載管路(2)的輸入端連接載氣輸入總線(6)；所述MO蒸汽輸出管路(3)的輸出端連接反應氣體加載總線(7)，形成載氣流量恒定的配氣系統。
2.根據權利要求1所述的金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣系統，其特征在于所述載氣短路管路(4)位于MO源模塊(1)端口真空閥(A)、(B)的另一端；所述載氣分流管路(5)位于質量流量計(M1)進氣口端。
3.根據權利要求1所述的金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣系統，其特征在于在載氣輸入總線(6)和反應氣體加載總線(7)上，可將多個MO源配氣單元串連同時使用，滿足多種元素的多層結構的生長。
4.一種金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣控制方法，其特征在于(1)通過MO源載氣通路和短路通路的開關切換MO源的加載，以保持反應室氣體流量恒定(i)在MO源參與生長時段，開啟真空閥(A)、(B)，同時關閉載氣短路管路(4)的真空閥(C)，載氣攜帶MO蒸汽進入反應室參加反應；(ii)在該MO源不參與生長時段，開啟真空閥(C)，同時關閉真空閥(A)、(B)，此時載氣經載氣短路管路(4)進入反應室；(2)通過調節質量流量計(M1)與(M2)的載氣流量比例，改變進入反應室的MO蒸汽的分壓，控制MO的沉積速率，并保持配氣系統的氣體流量仍為恒定。
全文摘要
本發明公開一種金屬有機物化學氣相淀積設備的恒流配氣系統及控制方法，該配氣系統主要包括MO源模塊，載氣加載管路，MO汽輸出管路，在載氣加載管路設有質量流量計M1、真空閥A，在MO汽輸出管路裝有壓力控制器、真空閥B，兩管路經各自的真空閥與MO源模塊連接，在載氣加載管路和MO汽輸出管路之間連接裝有真空閥C的載氣短路管路和裝有質量流量計M2的載氣分流管路。通過切換真空閥A、B和C控制MO源切換；控制M1和M2的流量比來改變MO蒸汽量；并使配氣系統的氣流量始終保持恒定。由此保證了反應室的溫度、壓力參數的穩定。經與現有技術制備的同類生成物進行PL譜對比測試證明，本發明的生成物淀積質量好，一致性好及具有MO資源充分利用不排污的優點。
文檔編號C23C16/455GK1696341SQ200510042809
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月14日 優先權日2005年6月14日
發明者李培咸, 郝躍, 張進城, 張國華 申請人:西安電子科技大學