MOCVD气源输送系统概述.docx

MOCVD气源输送系统概述1背景金属有机化合物气相沉积，即MOCVD，有时也称作MOVPE（motel Orgnic Vapor Phase Epitaxy）即金属有机物相外延生长，是一种制备化合物半导体薄层单晶的方法MOCVD生长所用的源材料均为气体，对于Ⅲ族或Ⅱ族，采用其金属有机化合物；对于Ⅴ族或Ⅳ族，采用其烷类化合物MOCVD就是以金属化合物（三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、三乙基镓（TEGa）等）和烷类（AsH3，PH3，NH3等）为原料进行化学气相沉积生长单晶薄膜的技术，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延金属有机物大多是具有高蒸气压的液体，通过氢气、氮气或其他惰性气体作为载气，将其携带出与烷类混合，再共同进入高温高压反应室其技术基础：在一定温度下，金属有机物和烷类发生热分解，并在一定晶向的衬底表面上吸附、化合、成核、生长MOCVD生长使用的源材料通常是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且要生长多组分、大面积、薄层和超导层异质材料，故其系统设计通常要求系统气密性良好，流量、温度控制精确，组分变换迅速等一般来说，MOCVD设备是由气体运输系统、反应室和加热系统、尾气处理和控制系统等组成，如图1-1所示图1-1 MOCVD设备的基本工作原理2 MOCVD气源运输系统在GaN系列的 MOCVD设备中气源输运系统的主要功能是将各种反应气体输送到反应腔体中进行反应，反应气体包括Ⅲ族的金属有机化合物和Ｖ族源的 NH3，P型掺杂源CP2Mg，Si型掺杂源SiH4，以及载气和吹扫气体H2和N2，气源输运系统如图2-1所示。

图2-1气源运输系统结构2.1 MO源供给系统 图2-2为液态MO源可控蒸发输送系统简图，工作过程中，液态源通过液体质量流量控制器定量送入混合阀，同时，载气也通过气体质量流量控制器定量送入混合阀，混合后的气液混合物进入蒸发器，蒸发器通过控制温度完成气液混合物的完全汽化并通入反应室其特点是（1）精度高；（2）响应快；（3）应用范围广；（4）液态源可采用集中供液；（5）安全性高图2-2液态MO源可控蒸发输送系统2.2输出浓度计算假设鼓泡装置内MO源的饱和蒸气压（一定温度下）是均衡的，输出浓度也是稳定的，则蒸气压浓度% = Pa/Pb×100% （1）式中Pa为MO源的饱和蒸气压，Pb是载气压力，由于载气对鼓泡装置内的附加影响是各组分气体分压总和，根据道尔顿定律，有蒸气压浓度% = Va/(Va+Vc) ×100% （2）式中Va为MO源蒸汽体积，Vc是载气的体积，因有旁路稀释作用，输出口的MO浓度为输出浓度% = Va/(Va+Vb+Vc) ×100% （3）式中Vb是稀释气体积，但实际过程中Va不可测，故联立（1）和（2）代入（3）可得输出浓度% =(Vc×Pa)/[( Vb(Pb-Pa)+ Vc×Pb]×100% (4) 须知：①鼓泡装置内MO饱和蒸气压取决于源的温度，外侧的温控加热装置可保证钢瓶内饱和蒸气压是恒定的； ②载气Vc和稀释气体Vb的配比是精确的。

③载气流速及加热温度影响MO蒸气压的稳定时间，耗时越久，MO的损耗越多2.3鼓泡法原理2.3.1形成循环液流鼓入的气体在MO液体内膨胀成圆形泡,形成的气泡在上升过程中由于压力和温度的变化而不断膨胀,气泡到达液面时破裂气泡在由底层向液体表面移动的过程中借助于与液体之间的相互吸附和接触摩擦带动着周围液体向上流动,从而在鼓泡幕的两侧形成两个环流因此,鼓泡区的液体不断更新为液体的均化创造了良好的条件,同时会加速液流区液体的蒸发2.3.2气泡形成条件 若要使从液体底部鼓入的气体在液体中形成气泡,则鼓入的气体需要具有一定的压力压力的大小取决于液体的深度、密度及其表面张力,形成的气泡越大则需要的压力也越大因此,在液体底部附近要形成气泡需克服的压力为:Pm=P+Po=ρgH+2ơr公式中，Pm—在液体底部形成半径为r的气泡需要的压力；P—液体压力；Po—液体的表面张力；ρ—液体密度；H—液体的深度；ơ—液体的表面张力系数2.3.3气体扩散MO的饱和蒸汽在液体内压强要高于其在气泡内的分压，在气泡上升的过程中，压差的作用促使MO蒸汽向气泡内扩散，当气泡内组分压强达到平衡，气泡带着MO脱离液体表面（图2-3）。

图2-3鼓泡法载气原理图2.4 MO供应管路原理根据MO供应管路的形式不同，可以分为3种基本形式，如图2-4所示图2-4 不同MO供应管路图：（a）标准MO供应管路；（b）单稀释MO供应管路；（c）双稀释MO供应管路2.4.1标准MO供应管路MO源的输运与经过钢瓶起泡器的流量成正比，与MO源的蒸气压成正比对于一给定的质量流量，MO源的量取决于钢瓶内压力MO源的量=流量F×浓度≈流量F×PMOPMO+PAbs 其中，PMO是MO源的蒸汽压力，PAbs是钢瓶内的绝对压力2.4.2单稀释MO供应管路对于单稀释MO源管路而言 由载气带出的MO源的摩尔流量由3个因素决定，即流入MO源鼓泡瓶中的载气气体流量，MO源的蒸汽压及鼓泡瓶的压力nMO=F1 ×PMO Vm(Pbub-FMO )PMO为 MO源的蒸汽压 PMO可以通过调节 MO源的温度来调节，PMO与温度成指数关系；Pbub为鼓泡瓶的压力；F1 为通入鼓泡瓶的载气流量，通过MO源进口处的MFC质量流量控制器控制；Vm为摩尔气体常数，值为22414cm3/mol2.4.3双稀释MO供应管路在双稀释 MO源管路上，如图2-4（c）所示，气体出口处多加了一路带MFC3的管路，鼓泡瓶内的压力仍然是通过PC来控制，MO源只有一部分通过MFC3进入RUN管路，流量为F3，其余部分通过PC排放到尾气管路。

nMO=F3 ×P F2+F1(1+P)×F1VmP=PMO Pbub-FMO 附1. TMAl T-P曲线2.双重管路通常一种元素只设置一条含有该元素的MO源管路，当生长具有相邻两层虽然组成元素相同但组分不同的多层结构时，为了注入计量能够快速变化，同一元素设置双重管路，即设置两个相同元素的MO源3.液态源的不饱和当气体流速过大和液面过低都会造成液态源的不饱和气体流速过大：可将源瓶内气体出口由一个变为多个，使鼓泡更分散从而增大气-液接触面积液面过低：利用测量液面位置的传感器，实时监测钢瓶内液面位置4.直接馈送源技术特点是不用载气，只需调整源温的蒸气压大于反应室工作压力，MO源直接从气瓶蒸发出来（大量使用于特丁基砷化氢或特丁基磷化氢）。