第二章MOVPE生长系统

AP-MOCVD设备简单维修方便MOCVD反应室LP-MOCVD有助于消除反应室内热驱动对流抑制有害的寄生反应和气相成核有利于获得陡峭结和改善均匀性可以使用较低生长温度以及使用较低蒸气压的MO源XX用电占总成本比例达71%MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测载气供应子系统氢化物供应子系统MO源供应子系统生长/放空多路组合阀MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测载气供应子系统载气的作用是把反应剂输运到反应室。载气供应子系统包括氢气和氮气钢瓶、压力调节阀、氢气和氮气纯化器等。氢气易于提纯，并且具有还原性成为最广泛使用的载气。对N2还利用它的惰性，在装卸衬底、更换源瓶、或维修设备时打开系统前，用氮气置换系统中的氢气。提纯：普遍使用钯合金扩散纯化器，利用在300-400℃只有氢气能扩散通过钯合金的特点。采用高压氮气为动力的Verituri气体真空发生器抽出钯合金中的氢，并配合氮气吹扫来保护钯合金。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测氢化物供应子系统标准管路摩尔流量(mol/min)：nv=F/VmF为标准状态下氢化物的流量，单位sccm双稀释管路摩尔流量(mol/min)：F1为氢化物流量，F2为稀释流量，F3为进入反应室的稀释混合气体流量，α为钢瓶种氢化物的稀释分数在置换钢瓶前后需多次“抽空-回充氮气”操作，防止剧毒氢化物外泄及管路被空气沾污。真空管路附近有连接氦质谱检测仪的检漏口，用于检测系统的气密性。真空氮气管路MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测MO源供应子系统固态源（TMIn）需要专门设计的固态源瓶，以避免普通源瓶经常出现的气体流过固态床路径缩短的“沟流现象”，造成固态源输出剂量不稳定，还可以利用超声波浓度计测量固态源输出的浓度MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测MO源供应子系统单稀释管路：在瓶源出口处注入氢气，稀释MO源的蒸汽以加速源的输送，通常用于通入MO源瓶的载气量小的情况。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测MO源供应子系统双稀释管路：用在注入反应室的摩尔流量特别小而MO源的蒸汽压又高的掺杂源管路中。进入鼓泡瓶的载气F1被MO源饱和，流出源瓶后立即与另外一股载气F2混合。稀释后的混合气体只有一部分F3的气流进入反应室，其余部分则通过EPC经放空线放空。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测MO源供应子系统固态源：为了避免“沟流效应”造成输出计量不稳定，还可以利用超声波浓度计测量固态源输出浓度，再通过计算机调整MFC的流量值达到控制MO源计量的目的。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测MO源供应子系统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。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成多个，使鼓泡更分散从而增大了气-液接触面积。液面过低：利用测量液面位置的液面传感器，实时监测不锈钢源瓶内的液面位置。（大量使用于特丁基砷化氢或特丁基磷化氢）特点是不用载气，只需调整源温的蒸汽压大于反应室工作压力，MO源直接从源瓶蒸发出来。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测生长/放空多路组合阀生长/放空多路阀是由多个三通阀组成，所有反应剂都先通过该组合阀，在这里选择进入生长管线或放空管线。RUN—VENT管路流有等量的补偿载气流量切出或切入RUN管路，始终保持进入反应腔体的气体总流量恒定。RUN--VENT管路压差控制：当RUN管路压力高于VENT管路，MO源从VENT管路切入RUN管路时，会有其他杂质元素进入RUN管路，影响所生长外延层的质量；当RUN管路压力低于VENT管路，MO源从RUN管路切入VENT管路时,VENT管路尾气会反灌入MO管路中，可能会导致污染物进入MO源鼓泡瓶中，污染MO源。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料输送中的部分损耗所造成的外延层不均匀MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料沿程耗尽所造成的外延层不均匀热基座产生的温度梯度可能引发热对流导致的涡流。抑制热对流的主要方法是降低反应室工作压力，也可用减小衬底上方的空间高度的方法。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料输送过程中的损耗所造成的外延层不均匀衬底的温度均匀性是由基座的温度均匀性来保证的。可以采用多区加热或仔细调整RF感应圈与基座之间的耦合，采用旋转基座可以改善温度均匀性和反应剂分布均匀性。同时需要基座惰性小，以满足快速改变温度的需要。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料沿程耗尽所造成的外延层不均匀高速旋转盘式反应室采用的是可调节反应剂量分布的特殊喷口行星式气垫旋转水平反应室采取衬底自转加公转水平反应室采用加大总流量，利用”冷指效应”保存一部分反应剂到下游使用,以获得均匀的外延层。源和源之间的预反应也会造成源的消耗，可采用双生长/放空多路阀门分别导入反应剂，还可以在反应管入口设置隔板，使其在到达基座前才混合。降低反应室压力，消除涡流等措施也可以抑制预反应。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料输送过程中的损耗所造成的外延层不均匀包覆SiC的高纯石墨载盘可以使用到1200℃，TaC包覆的石墨盘可以工作到1800℃，也可以使用金属钼做基座。反应室器壁通常由高纯石英玻璃或用不锈钢(水冷)制成。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料输送过程中的损耗所造成的外延层不均匀反应室通常设置气闸和氮气手套箱，将反应室与外界隔绝，既避免装卸片过程中空气的沾污又保护了人员的安全。为了避免基座旋转机构可能造成的漏气，转轴采用磁流体密封，也可以利用载气驱动旋转。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测精确地控制反应室压力保持反应室内气体无涡流的层流流动是反应室设计的关键防止反应室在装卸片或运行时被空气沾污防止构成反应室的材料释放杂质对外延层造成沾污良好的衬底温度均匀性是获得均匀外延层的前提克服原材料输送过程中的损耗所造成的外延层不均匀压力控制由压力传感器-节流阀-真空泵组成的闭环系统组成，将来自压力传感器的信号送入控制电路以调整下游节流阀的张开角度来控制泵的抽气速率，达到恒定压力的目的。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测生产型反应室需要考虑反应室容量、原材料的利用率、生长特定结构材料的周期、影响设备利用率的非生长时间等因素。研究型水平反应室小容量的水平或者立式反应室由于结构简单、操作方便运行成本低而广泛应用于大学和科研院所的MOVPE实验室中。典型反应室MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测AIXTRON公司生产的一种研究型水平反应室●其内外管之间亦通入氢气，以保持外管的清洁透明。●通常V族氢化物的气流靠近衬底，以抑制衬底的分解。●衬底放置在包裹了SiC薄膜的石墨基座上。可用高频感应加热，也可以用红外灯辐射加热。石英生长室可以方便的配备垂直入射或是以布儒斯特角入射的各种光学探测装置进行原位监测。末端配备装卸片用的氮气手套箱和传递衬底时防止空气污染手套箱的气闸。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测组成：上面放置的石墨转盘和下面的石墨固定基座。为克服反应物的沿程消耗，侧壁效应，以及热对流漩涡所引起的衬底生长速度的不均匀性，引入衬底气垫技术。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测AIXTRON公司的行星式气垫旋转水平反应室三层流喷口上下两层走V族气流，中间层为III族气流，通过格栅被迫转向大石墨基座和天棚之间的环形空间呈辐射状向外缘水平流动。消除了侧壁效应，天棚和基座靠的很近，抑制了对流漩涡获得层流。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测●流过反应室的总气体流量是调整外延层生长均匀性的最重要参数。利用控制上层和下层流速比和天棚的温度也可以细调衬底均匀性。●对于氮化物体系采用高频感应加热，而对于生长温度较低的材料基座采用红外灯辐射加热。●此种行星旋转式反应室设计有较高的原材料利用率。生长室配备装卸片氮气手套箱，也可配备机械手完成自动化装卸片操作，提高反应室的利用率。MOVPE气体输运分系统MOVPE生长反应室分系统MOPVE尾气处理分系统MOVPE生长控制装置分系统MOVPE外延层生长原位监测Veeco公司的不锈钢结构的立式高速旋转盘式反应室气流法兰盘喷口结构MOVP