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1、华中科技大学硕士学位论文MOCVD设备气体输运关键技术的研究姓名：王卫星申请学位级别：硕士专业：精微制造工程指导教师：刘胜;甘志银20080603华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)是生长高质量半导体薄膜材料的技术，在 LED、半导体激光器、太阳能电池等多个领域都有应用。现有 MOCVD 设备的成本非常高，且完全依赖进口，进行 MOCVD 设备研究对国内半导体产业、新能源领域以及国防高端技术的发展都很有必要。 MOCVD 设备可以
2、分为核心的腔体反应室、加热器、冷却系统、气体输运系统以及整体控制系统。本文重点研究了气体输运系统的设计，包括结构组成和部分控制难点，并对该系统今后的发展陈述了自己的观点。 气体输运系统的作用是把包括载气和源气在内的所有气体输送至腔体参与反应，并把反应后的气体输送至排气管路进行尾气处理。气体输运包括源供给系统，Run/Vent主管路，源管路系统，吹扫气路系统，尾气处理系统及检漏管路。H2 (或 N2)在源供给系统经纯化干燥后，一部分进入 Run/Vent 主管路作为稀释气体，一部分经源管路系统，作为载气将 MO 源携带出来，再流经 Run/Vent 主管路后进入腔体反应室，同时将反应室内多余的气
3、体带入尾气处理系统。由于腔体内管路很复杂，而且避免 MO 源的壁面沉积，需要用 H2 (或 N2)对气体流经的关键管路持续吹扫。基于安全考虑，设备需要定期进行泄漏检查。 气体输运系统中对压力温定和流量横定的控制很重要。压力稳定涉及三个相关方面：由位于排气管路的压力传感器（薄膜规） 、蝶阀和压力控制器组成的对腔体反应室的闭环压力控制系统；通过安装在金属有机源输送管路下游的电子压力控制器（PC）实现对钢瓶内压力的稳定设置，保证了对金属有机源输送的精确控制；通过对Run/Vent 主管路压力的闭环控制，保证了 Run 管路压力无扰动和并为腔体反应室提供了稳定的流场。基于自动补偿原理而设计的两路 Ma
4、ke up 管路，通过工艺生长过程中的动态切换，实现了金属有机源 Run 主管路上流量在经常性切换开关动作的情况下恒定不变。 关键词： 关键词： MOCVD; 气体输运系统; 压力稳定; 流量恒定 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is the technology to grow high quality semiconductor material films. It can be applied in many
5、 fields such as LED, semiconductor laser device and solar cell. The cost of existing MOCVD equipments is very high, which are strongly dependent on importation. Therefore it is thoroughly necessary to carry out the research of MOCVD equioment, whether to the semiconductor field, new energy and the a
6、dvanced technology development of national defence. MOCVD equipment can be divided into several systems：reactor chamber system which is the nuclear part of the equipment, calefaction and cooling system, gas delivery system and the control system of the equipment. This paper is mainly foucs on the ga
7、s delivery system, constitute structure and control technic related in this system. Also personal opinion about the developing orientation of gas delivery system is given in this paper. The fuction of gas delivery system is incuding transportation of all the gases to the reactor and then to the exha
8、ust for waste treatment after reaction. This system constitute of source gas providing system, Run/Vent main pipes sysem, source pipe system, purge gas system,exhaust system and leak test. After being purified and dried in the source gas providing system, part of the H2 (or N2) flowed to the Run/Ven
9、t main pipes system as dilute gas, and part of it flowed through the source pipe system as carrier gas. The carrier gas then flowed to the Run/Vent system with MO sources, and finally flowed to the reactor, while the after reaction gases were delivered to the exhaust system. As the pipes in the cham
10、ber are very complicated, and to avoid any cliff deposition, it is needed continually gas purging. Meanwhile, the equipment needed periodical leak test checkment for safty. The control over pressure stabilization and constant flow is very important. Pressure stabilization includes three related syst
11、em: one is the chamber pressure control located in the exhaust system. This closed loop control system is consisted of pressure transducer, pressure controller and throttle valve. The other system is by seting the input point of the PC to control the pressure inside the bubber which contains MO sour
12、ce. The third one is the differential pressure control system in the Run/Vent main pipe line. Designing of the two Make up lines is based on the auto-compensation theory. It maintains a constant flow into the reactor at all times by switching the two lines between Run and Vent. Keywords: MOCVD; Gas
13、delivery system; Pressure stabilization; Constant flow 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借
14、阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 概述概述 金属有机物化学气相沉积，即 MOCVD，有时也称为 MOVPE ( Motel Organic Vapor Phase Epitaxy )即金属有机物气相外延生长。它是
15、1968 年由美国洛克威尔公司的H.M.Manasevit1提出来的一种制备化合物半导体薄层单晶的方法。80 年代以来，得到了迅速的发展，日益显示出在制备薄层异质材料，特别是生长量子阱和超晶格方面的优越性。MOCVD 近年来取得的最大进步是运用流体力学的原理实现生长过程中的基片旋转，从而大大改进了生长的均匀性。MOCVD 生长所用的源材料均为气体，对于III 族或 II 族来说，采用它们的金属有机化合物，对于 V 族或 VI 族来说，则采用它们的烷类化合物。MOCVD 就是以金属有机物(如 TMGa, TMAI, TMIn, TEGa 等)和烷类(如 AsH3, PH3, NH3 等)为原料进
16、行化学气相沉积生长单晶薄膜的一种技术，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延。金属有机化合物大多是具有高蒸气压的液体，通过氢气、氮气或者其他惰性气体作为载气，将其携带出与烷类混合，再共同入反应室高温下发生反应。其技术基础是：在一定温度下，金属有机物和烷类发生热分解，再在一定晶向的衬底表面上吸附、化合、成核、生长。 用 MOCVD 方法研制成功的化合物半导体器件很多，比如:异质结双极晶体管(HBT )、场效应晶体管(FET)、高迁移率晶体管(HEMT )、太阳能电池、光电阴极、发光二极管(LED )、激光器、探测器和光电集成器件等等。MOCVD 技术涉及流体力学、反应动力学、传热学、光学、控制工程等领域，属于一门综合运用各个学科技术的高科技设备，具有较高的学术研究价值。 MOCVD 是半导体行业的基础性设备，而我国在该领域一直依赖于进口，随着国家能源的紧缺和半导体照明工程的发展，MOCVD 设备的重要性更加凸显。 因为 MOCVD 生
