专利名称：金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气系统及控制方法
技术领域：
本发明属于化学气相沉积生长技术领域，具体涉及金属有机物化学气相淀积设备MOCVD的恒流配气系统及控制方法，用于为设备在化学沉积过程提供稳定的气流，改善制备多层结构薄膜的淀积质量。
背景技术：
现有金属有机物化学气相淀积设备MOCVD(为简便，以下均用MOCVD代替设备的中文名称)的典型配气系统通常采用的模式如图4，一般具有载气加载管路、MO源装置、MO源输出管路、反应气体加载管路及尾气排放管路。系统运行时，管路上的真空阀门A和B始终开启，输出带MO源的载气。在反应进行时，若需要该MO源参与反应，开启真空阀门C，同时关闭真空阀门D，此时携带MO源成份的载气进入反应室；若不需要该MO源参与反应，则关闭真空阀门C，同时开启真空阀门D，将携带MO源成份的载气从尾气排放管路排放。
从传统配气系统的工作方式可以看出，在多层结构生长过程中，由于阀门C和D的切换，使通入反应室的总气流量瞬间产生急剧波动，使反应室的压力随之产生波动，尽管真空维持系统采用改变尾气抽速来平衡反应室压力，引起加热载体的散热边界条件改变而引起反应温度瞬时的剧烈变化，但同时又导致反应室内气流的改变和传热条件的改变，不利于反应温度的稳定。其次，在不需要某MO源参加反应时，将MO源及载气作为尾气排放，造成珍贵的MO资源浪费和环境污染，从另一个方面增加了生产成本和环境治理成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是避免现有技术的不足，为MOCVD设备提供恒流的配气系统及配气控制方法，以精确控制载气流量来保证反应过程的MO蒸汽流量、压力、温度等工艺参数的稳定，从而提高气相沉积物的结晶质量。
本发明的技术方案是对现有的金属有机物化学气相淀积设备的配气系统的基础上，通过增加了载气分流管路和载气短路管路等主要技术措施，形成一种新的恒流配气系统及恒流配气控制方法，使进入反应室的气体流量始终保持恒定。具体说来，本发明的配气系统包括MO源模块，载气加载管路，MO蒸汽输出管路，在载气加载管路上设有质量流量计M1、真空阀A，在MO蒸汽输出管路上装有压力控制器P、真空阀B。两条管路分别通过真空阀A、B与MO源模块连接。其关键技术是在载气加载管路和MO蒸汽输出管路之间连接有载气短路管路和载气分流管路，该载气短路管路装有真空阀C，切换真空阀A、B和C，则实现反应室的MO源汽与载气的切换。该分流管路装有质量流量计M2，在输入载气流量为定量时，M1与M2的总载气流量保持恒定。载气加载管路的输入端连接载气输入总线，MO蒸汽输出管路的输出端连接反应气体加载总线(7)，并将MO蒸汽流输入反应室，形成一个载气流量恒定的配气系统。
所述载气短路管路的具体连接位置设在MO源模块端口真空阀A、B的另一端，所述载气分流管路的连接位置在载气加载质量流量计M1的进气口一端。
本发明恒流配气控制方法是，当单个MO源由载气输入总线获得恒定载气输入量时，调节质量流量计M1与M2的流量比例，可改变进入反应室的MO蒸汽的分压，控制MO的沉积速率，并保持总气体流量恒定。
本发明恒流配气控制方法利用MO源载气通路和短路通路的开关切换MO源的加载当在MO源参与生长时段，开启真空阀A、B，同时关闭载气短路管路的真空阀C，载气携带MO蒸汽进入反应室参加反应；当在该MO源不参与生长时段，开启短路真空阀C，同时关闭真空阀A、B，此时载气经短路管路进入反应室。由此可见，无论在MO层生长期或是MO源切换间隙期，反应室的气体流量始终保持恒定。
本发明以提供稳定的气体流量为目的，主要采用了载气短路、载气分流等技术方案构成了新型MOCVD设备的配气系统。在新型配气系统中，反应过程中的MO源切换通过MO源载气通路和短路系统实现。因此，在切换过程中不引起系统总载气量波动 这从根本上消除了现有技术所存在的由于气体流量的不稳定，造成反应过程的压力、温度等关键工艺参数在瞬间剧烈波动之蔽端。由于气流稳定性的提高，改善了反应压力和反应温度的稳定性，提高设备的工艺参数控制能力，从而改善设备所制备的材料的结晶质量。通过对现有技术生成的5量子阱结构和用本发明生成的5量子阱结构进行了PL谱光特性对比试验，从对比试验结果看出，利用传统的配气方式，所制备材料的量子发光强度与黄带发光强度比值小，分别为4、2.3、2。利用本发明的恒流配气系统，所制备材料的量子发光强度与黄带发光强度比值显著增大，该比值分别为44、43、43、43、41，明显高于中得到的结果。且中心频率一致性高。在PL谱试验中，量子发光强度同黄带发光强度的比值是一个重要的判断指标，该比值大，说明量子阱发光显著，材料缺陷引起的黄带发光弱，材料结晶质量与量子阱界面质量高。该材料量子发光强度较原有技术显著，表明利用新型配气系统所制备的量子阱结构质量远高于传统配气系统制备的量子阱结构，对材料质量的改善作用明显。
其次，现有技术的配气系统在切换MO源时，要将MO源蒸汽作为尾气排放，因MO源多含有稀有金属成份，这不仅造成MO源珍贵资源的浪费，也会造成环境污染。本发明的MO源切换是在完全密闭的系统中进行，无尾气排放。这不仅大大减少MO源浪费，降低成本，也具有良好的环境效益，有利于大规模产业应用。
再者，采用载气分流技术，可实现在恒定气流环境下，通过改变系统的MO源蒸汽量，从而方便地控制反应速率。同时采用总线配气结构，可以串连多个MO源配气单元同时使用，利于多MO源系统的设计和应用。
图1是本发明的恒流配气系统示意2是本发明两MO源参与反应的串连示意3(a)是传统配气系统制备材料的PL谱图，图3(b)是本发明配气系统制备材料的PL谱4是现有技术的配气系统示意图具体实施方式
如图1所示，本发明的配气系统主要由MO源模块1，载气加载管路2，MO蒸汽输出管路3，载气短路管路4，载气分流管路5，载气输入总线6，反应气体加载总线7构成。在载气加载管路2上装有载气加载质量流量计M1、真空阀A，该管路的载气入口连接载气输入总路线6，另一端则通过真空阀A与MO源连接。MO蒸汽输出管路3上装有压力控制器P、真空阀B，该管路的一端通过真空阀B与MO源连接，另一端则通过压力控制器P与反应气体加载总路线7连接。该反应气体加载总路线7与反应室接通。压力控制器P用于控制MO源的压力。载气短路管路4、载气分流管路5分别连接于载气加载管路2与MO蒸汽输出管路3之间。其中，载气短路管路4上装有真空阀C，该短路管路4的连接位置在MO源模块1端口真空阀A、B的另一端。切换真空阀C与真空阀A、B，即可实现对MO源的切换；载气分流管路5上装有质量流量计M2，该分流管路5的连接位置在载气加载质量流量计M1的进气口端。为了稳定MOCVD系统基础配气的恒定，应使M1与M2的气流总量保持恒定。
具有上述结构的配气系统在MOCVD设备制备多层结构时能够实现气体流量的恒定控制，其控制方法如下1.通过对载气加载质量流量计M1和载气分流质量流量计M2的流量控制，维持MOCVD系统的配气恒定。每个MO源配气单元设定恒定的M1和M2的流量总和，若需要改变反应室中某种MO蒸汽的反应分压，则调整质量流量控制器M1和M2的流量比例即可。当需要更多的MO蒸汽参与反应时，增加载气加载质量流量计M1的流量，同时相应减小MO源载气分流质量流量计M2的流量，使该MO配气单元的载气总流量始终保持为设定的流量总和。这样一来，尽管MO蒸汽量发生了变化，使发应的淀积速率也随之变化，但是，经MO蒸汽输出管路3进入反应气体加载总线的气体流量仍然保持恒定。通过M1和M2的流量控制，可消除MO蒸汽反应分压过程中的系统配气波动。
2.用短路管路真空阀C在不需要MO源蒸汽实际参与反应时形成短路通路，屏蔽MO源，在不改变MOCVD系统配气的情况下，真空阀A、B和C实现MO源的切换。在系统载气经载气加载管路2到达MO源模块1端口时，若需要该MO源蒸汽参与反应时，开启MO源载气加载端口真空阀A和MO源载气输出端口真空阀B，同时关闭短路管路真空阀C，此时载气由MO源载气加载端口进入MO源，携带MO蒸汽由MO源载气输出端口进入MO蒸汽输出管路3，经反应气体加载总线7进入反应室。有MO蒸汽实际进入反应室参与反应。反之，若不需要该MO源蒸汽参与反应，则需要关闭MO源载气加载端口真空阀A和MO源载气输出端口真空阀B，同时开启短路管路真空阀C，此时载气由短路管路4直接进入MO蒸汽输出管路3，经反应气体加载总线7进入反应室。此时只有载气，而没有MO蒸汽实际进入反应室参与反应。该方式消除了现有技术切换MO源开关状态引起的系统配气波动。
本发明在MO源载气分流管路和MO源切换模块的共同作用，可以使MO源载气输出总线保持恒定的气体流量，从根本上消除了由于MO源切换过程中反应气体流量变化引起的反应室压力波动和温度波动。
本发明经由三层InGaN/GaN结构的生长与变生长速率的GaN生长的实施例进一步说明恒流配气控制方法。
实施例一，三层InGaN/GaN结构的生长由于生长膜三层结构，每一生长层有两种不同的金属元素In、Ga，此三层结构的生长需要两种MO源参与。由于本发明采用了载气输入总线和反应气体加载总线结构，可采用图2所示的利用两个MO源配气单元与总线串联形成一个总配气系统。在总线上所串连的MO源个数由参与淀积的金属元素的种类来确定。
为区别表示，图2所示的两MO源配气单元及相关部件采用不同编号。如用TEG(三乙基镓)、TMIn(三甲基铟)模块表示不同的MO源。MO源TEG配气单元的压力控制器为P1；MO源TMIn配气单元的压力控制器为P2，其余部件命名规则类似。
在三层InGaN/GaN结构的生长过程中，串联的TEG与TMIn配气单元协同运行时，M1、M2和真空阀A、B与C的控制比值与状态如表1、表2所示表1
表2
通过表1、表2给出的短路控制方式实现如下的生长过程(1)在GaN层的生长中，需要Ga源TEG参与反应。此时TEG源配气单元处于A1阀门、B1阀门开启，C1阀门关闭的状态，M12载气流量为50sccm，流经TEG源携带TEG蒸汽，M11分流流量为250sccm，与携带TEG源蒸汽的载气混合，进入反应室；由于不需要In源TMIn参与反应，此时TMIn源配气单元处于A2阀门、B2阀门关闭，C2阀门开启的状态，屏蔽TMIn源，M21的200sccm分流流量和流经短路通路C2阀的M22 100sccm载气流量混合进入反应室。反应室内的总气量为为600sccm。由于只有Ga源参与反应，In源不参与反应，此时反应生成物为GaN；(2)在InGaN层生长中，需要Ga源TEG与In源TMIn共同参与反应。此时TEG源配气单元处于Al阀门、B1阀门开启，C1阀门关闭的状态，M12载气量为为50sccm，流经TEG源携带TEG源蒸汽，M11分流气量为250sccm，与携带TEG源蒸汽的载气混合进入反应室；TMIn配气单元处于A2阀门、B2阀门开启，C2阀门关闭的状态，M22载气流量为100sccm，流经TMIn源携带TMIn源蒸汽，M21分流流量为100sccm，与携带TMIn源蒸汽的载气混合进入反应室。反应室的总气量为600sccm。由于Ga源与In源均参与反应，反应生成物为InGaN。
在生成不同淀积层GaN，InGaN过程中，用不同的配气单元，需要通过控制各单元的短路切换，调整M1和M2的载气流量比例，使进入反应室的总气流量为恒定，方可保持系统压力稳定，使多层结构生长中无流量波动。
(1)、(2)步骤只说明一层InGaN/GaN结构的生长过程，生长三层InGaN/GaN结构的再重复(1)、(2)步骤即是。
实施例二变生长速率的GaN生长变生长速率的GaN结构生长的控制参数及控制状态如表3、表4所示。
表3
表4
如上表所示TEG模块控制方式，可实现如下生长过程(1)在GaN1层与GaN2层的生长中，阀门A1、B1均为开启状态，阀门C1为关闭状态，TEG源参与反应；阀门A2、B2均为关闭状态，阀门C2为开启状态，TMIn源不参与反应，生成物为GaN；(2)在GaN1层生长过程中，M12流量为50sccm，则进入TEG源的实际载气流量为50sccm，50sccm的载气携带TEG源参与反应；(3)在GaN2层生长过程中，M12流量为150sccm，则进入TEG源的实际载气流量为150sccm，150sccm的载气携带TEG源参与反应。在同样温度和压力情况下，TEG源的饱和蒸汽压保持不变，因此GaN2层生长过程中实际进入反应室的TEG蒸汽量为GaN1层的三倍，在反应过程为质量控制的情况下，反应速率为GaN1层的三倍。
从本实施例看出，在控制反应速率的过程中，通过质量流量计M1与M2的流量比例的调节控制进入反应室的反应物多少，调节过程不改变配气模块的总载气流量。
为了验证本发明的应用效果，在设备的其它参数相同条件下，对传统的MOCVD配气系统制备的5量子阱结构(InGaN/GaN MQWs的多层结构)，与用本发明的技术方案制备的5量子阱结构(InGaN/GaN MQWs的多层结构)进行了PL谱的对比测试。
图3(a)是传统配气方式生长的5量子阱PL谱测试结果。该图形结果表明(1)该材料黄带发光显著，表明材料质量较差，压力和温度的波动引起多层结构界面粗糙和有大量的缺陷；(2)该材料片内均匀性较差，图中曲线1-3为2英寸园片中心至边界1.5mm范围内三次采样的PL测试结果，可发现从中心至边缘有明显的峰值红移。并且，中心至边缘兰带发光有减弱的趋势。蓝带发光的逐步减弱表明，中心至边缘材料质量逐步降低，量子发射效应逐步减弱。
出现上述结果的原因是5量子阱的生长过程所至(a)在GaN势垒层的生长中，MO源中仅有Ga源需要参与反应，Ga源输出载气进入反应室，其他MO源的输出载气直接排放至尾气，进入反应室的仅有Ga源输出载气；(b)切换至InGaN势阱层生长时，MO源中需要Ga源和In源参与反应，此时In源的输出载气需要由尾气切换至反应室，进入反应室的有In源输出载气和Ga源输出载气，较步骤(a)增加的In源输出载气引起气流波动和压力波动；(c)多量子阱生长中，需要多次切换GaN层与InGaN层的生长。在切换生长过程中需要多次切换MO源中In源的状态。切换引起的气流波动造成反应室温度和压力的波动。
上述MO源的切换对反应的工艺参数有较大影响(a)当In源由关闭状态切换为开启状态是，由于In源的载气由尾气排放通路改变为进入反应室，从而引起反应室总载气流量升高，反应室压力瞬间上升；(b)为平衡瞬间上升的压力，压力闭环系统中的真空泵增加抽速稳定压力，引起反应室内气流速率增加；(c)气流速度的增加导致了基片加热载体有效散热的增加，引起基片表面温度降低，从而引起In组份掺入效率的提高，并由于温度的波动降低了结晶质量；(d)由于圆柱型的基片加热载体侧面具有较大的散热面积，因而基片边缘处的降温效应表现的更为显著，产生由中心向边缘的PL峰值红移现象。
通过对实验结果的分析可知，MO源切换过程中的温度和压力波动是由于配气总量变化所引起。
图3(b)是采用本发明恒流配气系统生长的相同结构的5量子阱PL谱测试结果，由于该配气系统的In源切换是通过MO源和短路系统的切换实现的，在切换过程中不引起系统总载气流量的波动，消除了压力和温度的瞬时波动，取得了较好的黄带抑制效果和均匀性。该图为了便于对比，将中心至边缘的峰值高度作了递减调整，除中心值曲线1以外的峰值高度无实际意义。结果表明，该材料量子发光强度较原有技术显著，且中心频率一致性高。
对于PL谱结果，量子发光强度同黄带发光强度的比值是一个重要的判断指标，该比值大，说明量子阱发光显著，材料缺陷引起的黄带发光弱，材料结晶质量与量子阱界面质量高。
图3(a)、图3(b)的对比结果中可以看出。对于量子发光强度与黄带发光强度的比较，利用传统的配气方式，所制备材料的量子发光强度与黄带发光强度比值小。对应于图3(a)中的3条曲线，该比值分别为4、2.3、2。利用新型的恒流配气系统，所制备材料的量子发光强度与黄带发光强度比值显著增大。对应于图3(b)中的5条曲线，该比值分别为44、43、43、43、41，明显高于图3(a)中得到的结果。表明利用新型配气系统所制备的量子阱结构质量高于传统配气系统制备的量子阱结构。利用新型配气系统，对材料质量的改善作用明显。
权利要求
1.一种金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气系统，该配气系统主要包括MO源模块，载气加载管路，MO蒸汽输出管路，在载气加载管路(2)设有质量流量计(M1)、真空阀(A)，并通过真空阀(A)与MO源模块(1)连接，在MO蒸汽输出管路(3)上装有压力控制器(P)、真空阀(B)，并通过真空阀(B)与MO源模块(1)连接，其特征在于在所述的载气加载管路(2)和MO蒸汽输出管路(3)之间连接有载气短路管路(4)和载气分流管路(5)，在载气短路管路(4)上装有真空阀(C)，切换真空阀(A)、(B)和(C)，可实现MO源蒸汽与载气的切换；在载气分流管路(5)上装有质量流量计(M2)，使(M1)与(M2)的流量总和与输入气量保持恒定；所述的载气加载管路(2)的输入端连接载气输入总线(6)；所述MO蒸汽输出管路(3)的输出端连接反应气体加载总线(7)，形成载气流量恒定的配气系统。
2.根据权利要求1所述的金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气系统，其特征在于所述载气短路管路(4)位于MO源模块(1)端口真空阀(A)、(B)的另一端；所述载气分流管路(5)位于质量流量计(M1)进气口端。
3.根据权利要求1所述的金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气系统，其特征在于在载气输入总线(6)和反应气体加载总线(7)上，可将多个MO源配气单元串连同时使用，满足多种元素的多层结构的生长。
4.一种金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气控制方法，其特征在于(1)通过MO源载气通路和短路通路的开关切换MO源的加载，以保持反应室气体流量恒定(i)在MO源参与生长时段，开启真空阀(A)、(B)，同时关闭载气短路管路(4)的真空阀(C)，载气携带MO蒸汽进入反应室参加反应；(ii)在该MO源不参与生长时段，开启真空阀(C)，同时关闭真空阀(A)、(B)，此时载气经载气短路管路(4)进入反应室；(2)通过调节质量流量计(M1)与(M2)的载气流量比例，改变进入反应室的MO蒸汽的分压，控制MO的沉积速率，并保持配气系统的气体流量仍为恒定。
全文摘要
本发明公开一种金属有机物化学气相淀积设备的恒流配气系统及控制方法，该配气系统主要包括MO源模块，载气加载管路，MO汽输出管路，在载气加载管路设有质量流量计M1、真空阀A，在MO汽输出管路装有压力控制器、真空阀B，两管路经各自的真空阀与MO源模块连接，在载气加载管路和MO汽输出管路之间连接装有真空阀C的载气短路管路和装有质量流量计M2的载气分流管路。通过切换真空阀A、B和C控制MO源切换；控制M1和M2的流量比来改变MO蒸汽量；并使配气系统的气流量始终保持恒定。由此保证了反应室的温度、压力参数的稳定。经与现有技术制备的同类生成物进行PL谱对比测试证明，本发明的生成物淀积质量好，一致性好及具有MO资源充分利用不排污的优点。
文档编号C23C16/455GK1696341SQ200510042809
公开日2005年11月16日 申请日期2005年6月14日 优先权日2005年6月14日
发明者李培咸, 郝跃, 张进城, 张国华 申请人:西安电子科技大学