GaN薄膜生長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1引言

　　由于氮化鎵（GaN）材料在光電子及微電子領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，GaN基材料成為近年來世界各國(guó)競(jìng)相研究和開發(fā)的新一代寬帶隙半導(dǎo)體材料。但由于缺乏大尺寸的GaN基體材料，所以只能在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。在各種生長(zhǎng)技術(shù)中，金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)已經(jīng)成為使用最多，生長(zhǎng)材料和器件質(zhì)量最高的方法。

　　在GaN薄膜的生長(zhǎng)過程中，襯底溫度，微波功率，生長(zhǎng)時(shí)間，氣體流量等各個(gè)生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)最后形成的單晶薄膜的晶體質(zhì)量都有很大影響。在以往的試驗(yàn)中，一般均靠手工完成所有的工藝操作，不但試驗(yàn)任務(wù)繁重，而且手工操作不可避免地帶來人為誤差，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)，而GaN薄膜的生長(zhǎng)試驗(yàn)要求得到最佳的生長(zhǎng)工藝，這就必須保證工藝過程的良好重復(fù)性，因此采用一套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，來對(duì)整個(gè)生長(zhǎng)工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣通過電腦不但可以控制生長(zhǎng)的進(jìn)行同時(shí)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行記錄，大大降低了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了操作和監(jiān)控的自動(dòng)化水平。但是，如果從國(guó)外引進(jìn)一套符合要求的MOCVD生長(zhǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)成本很高。因此我們?cè)诜治鲈囼?yàn)工藝流程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒了類似設(shè)備的自動(dòng)控制裝置，在WIN98環(huán)境下用VB6.0設(shè)計(jì)了一套生長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

　　2 GaN生長(zhǎng)工藝特點(diǎn)及參數(shù)對(duì)薄膜晶質(zhì)影響　

　　本文在六方GaN或在GaN外延層上生長(zhǎng)AlN的工藝流程如圖１所示。
　　從圖中可以看出，每一個(gè)階段都對(duì)時(shí)間 (t)、微波輸入功率（PW）、襯底溫度（TS）、各路氣體的流量（氫氣（JH）、氮?dú)猓↗N）、三甲基鎵（JG）和反應(yīng)室的壓強(qiáng)（P0）有一定的要求。

　　并且狀態(tài)之間的切換往往要同時(shí)涉及多個(gè)參量，因此手工操作時(shí)各參量之間的時(shí)間滯后現(xiàn)象在所難免，也難以確保實(shí)驗(yàn)條件的重復(fù)性，從而大大影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。下面具體分析一下圖1所示生長(zhǎng)過程中對(duì)GaN單晶薄膜晶體質(zhì)量發(fā)生影響的主要因素。

　　（1）時(shí)間

　　時(shí)間參數(shù)主要是指在實(shí)驗(yàn)過程中某個(gè)步驟所需的時(shí)間量。如在氮化過程中要控制氮化時(shí)間，這對(duì)初始成核以及控制生長(zhǎng)模式是很重要的[1]。此外，合適的緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間（決定了緩沖層的厚度）則會(huì)大大地提高GaN外延薄膜的光電和結(jié)構(gòu)特性。而外延層生長(zhǎng)時(shí)間（決定了外延層的厚度）如果太短，GaN薄膜當(dāng)中會(huì)存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷 ；時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)由于襯底材料和GaN材料之間的熱失配和晶格失配導(dǎo)致GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量的下降。

　　（2）溫度

　　在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)溫度的控制起著非常重要的作用。在生長(zhǎng)過程中的每一步工藝都對(duì)溫度有著一定的要求，如襯底的清洗溫度一般限定在400℃左右，氮化一般是從470℃開始，生長(zhǎng)緩沖層一般是在500℃進(jìn)行。最為重要的是生長(zhǎng)溫度，在GaAs襯底上生長(zhǎng)立方GaN溫度一般控制在600℃左右。生長(zhǎng)溫度過低或過高都會(huì)影響晶體質(zhì)量。

　　（3）氣體流量

　　就GaN生長(zhǎng)工藝流程來說，氣流量的控制包括對(duì)H2 , N2和TMG三種氣體流量的控制。其中對(duì)N2和TMG流量的控制即V/III比的控制在實(shí)驗(yàn)過程中尤為重要，對(duì)晶體質(zhì)量起著決定性的影響。此外實(shí)驗(yàn)過程中摻入適量的氫氣也會(huì)對(duì)GaN生長(zhǎng)產(chǎn)生重要的作用[2]。

　　（4）微波功率和真空度

　　在實(shí)驗(yàn)過程中微波功率和真空度也有著重要的影響。因?yàn)椴煌�的微波功率、不同的壓�?qiáng)會(huì)影響活性氮的含量[3,4]，從而直接影響晶體的質(zhì)量。

　　3 GaN生長(zhǎng)工藝流程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口特性分析

　　流量控制與顯示：流量控制器（MFCs）電源用來給質(zhì)量流量控制器提供工作電源和流量設(shè)定信號(hào)，同時(shí)可以分次顯示各路氣體的流量。此接口提供了各路質(zhì)量流量控制器的流量設(shè)定信號(hào)和檢測(cè)輸出信號(hào)。

　　溫度控制與測(cè)量 ：實(shí)驗(yàn)樣品的溫度控制和設(shè)定是通過溫控儀來實(shí)現(xiàn)的。溫控儀中加有通訊模塊，通過RS-232 接口與外部進(jìn)行通訊。

　　氣壓測(cè)量 ：反應(yīng)室的真空度測(cè)量和顯示是通過真空計(jì)實(shí)現(xiàn)的，真空計(jì)中也有RS-232通訊模塊，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出反應(yīng)室的壓強(qiáng)輸出信號(hào)。

　　氣動(dòng)閥 ：通過四路氣動(dòng)閥來控制進(jìn)入主反應(yīng)室參與反應(yīng)的三甲基金屬有機(jī)物（例如TMG）是否參與反應(yīng)，同樣在控制盒上預(yù)留了計(jì)算機(jī)接口。

　　3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

　　本系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)三部分組成，控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　由于流量計(jì)輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能夠接受數(shù)字信號(hào)，所以我們?cè)诹髁坑?jì)和計(jì)算機(jī)之間接入一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，A/D模塊采用了大連理工大學(xué)自動(dòng)化系自行研制的DUT1000系列數(shù)據(jù)采集模塊，這套模塊一共有8路輸入，以87C51系列單片機(jī)為核心, 采用RS485輸出，輸入加有完善的保護(hù)電路，A/D分辨率為2000碼/V。同樣由于流量計(jì)的電路要求我們只能用模擬信號(hào)來控制流量的大小，所以在計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)與流量計(jì)之間增加了一個(gè)D / A轉(zhuǎn)換模塊。該模塊選用了PC-7462，12位電路獨(dú)立光電隔離D/A轉(zhuǎn)換板。PC-7462 是面向工業(yè)過程而設(shè)計(jì)的12位8路光電隔離獨(dú)立模擬量輸出接口板，符合PC總線標(biāo)準(zhǔn)（ISA），適合于所有PC機(jī)。本板采用光電隔離技術(shù)，使被控對(duì)象同計(jì)算機(jī)之間完全電氣隔離，可在惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作。由于計(jì)算機(jī)主板上可供連接使用的串行口數(shù)目太少，不能滿足我們的要求，所以我們使用了MOXO卡，將原有的串口從一個(gè)擴(kuò)展到四個(gè)。MOXO卡自帶安裝程序，使用時(shí)無需很多配置，使用方便。由于A/D模塊與主溫控儀使用的是RS485接口，所以在硬件系統(tǒng)中必須存在一個(gè)RS232-RS485的轉(zhuǎn)換模塊，在這里采用了DAC8520模塊，對(duì)氣動(dòng)閥控制時(shí)，必須使用開關(guān)量對(duì)其進(jìn)行控制，所以本文使用了ADAM4060模塊。

　　在硬件設(shè)計(jì)中，盡量使用已經(jīng)成型的模塊化的產(chǎn)品，減少了因硬件電路出現(xiàn)問題而產(chǎn)生的故障，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且模塊化的設(shè)計(jì)使整個(gè)硬件的安裝過程方便快捷。

　　3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件基于WIN98操作系統(tǒng)，以VB6.0作為開發(fā)平臺(tái)。半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)工藝流程具有其自身的特點(diǎn)：它的整個(gè)工藝過程可劃分為多個(gè)階段，包括：準(zhǔn)備、清洗、氮化、升溫、緩沖層、生長(zhǎng)等。每個(gè)階段都要設(shè)置生長(zhǎng)溫度、氣體流量、氣動(dòng)閥狀態(tài)以及本階段生長(zhǎng)時(shí)間等幾個(gè)參數(shù)，但各個(gè)階段之間又有某個(gè)參數(shù)與前一個(gè)階段不同，這個(gè)參數(shù)就作為狀態(tài)切換的條件，這樣整個(gè)生長(zhǎng)過程就能夠作為一個(gè)整體連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行，不需要人為干預(yù)，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。　　　　　　　　　　

　　本軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　3.4 系統(tǒng)使用效果與評(píng)價(jià)

　　使用本套系統(tǒng)在ECR-MOCVD上作了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN薄膜。保持其他條件不變，只是改變生長(zhǎng)時(shí)TMG的流量，下面是試驗(yàn)后X射線衍射（θ-2θ）的測(cè)試結(jié)果（表1）。從表1中可以得知TMG的流量為0.25時(shí)，生長(zhǎng)得到的薄膜在39.8°處出現(xiàn)很強(qiáng)的衍射峰，其半高寬為1.1°。當(dāng)流量增大時(shí)強(qiáng)度減弱，同時(shí)半高寬變窄，說明GaN晶體質(zhì)量變差。另一個(gè)方面，這也說明了工藝流程精確控制的重要性。

　　本文采用上一章的最優(yōu)化工藝條件，在同一批藍(lán)寶石（001）襯底上連續(xù)兩次實(shí)驗(yàn)的RHEED結(jié)果（圖4）。可見，采用本系統(tǒng)在生長(zhǎng)出良好晶體的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了工藝條件的完好重復(fù)性。

　　4 總結(jié)

　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件經(jīng)試驗(yàn)使用后表明 ：系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定正常運(yùn)行，具有友好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，大大減輕了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。同時(shí)系統(tǒng)是自主設(shè)計(jì)的，所以具有很大的靈活性，可以根據(jù)設(shè)備的改變以及工藝流程的變化對(duì)源程序進(jìn)行相應(yīng)的修改，如果是引進(jìn)國(guó)外的系統(tǒng)這是不可能做到的。總之這套監(jiān)控系統(tǒng)初步到達(dá)了設(shè)計(jì)前預(yù)定的目標(biāo)，取得了良好的效果。