GaN薄膜生长实时监控系统的实现

1引言

　　由于氮化镓（GaN）材料在光电子及微电子领域有巨大的应用前景，GaN基材料成为近年来世界各国竞相研究和开发的新一代宽带隙半导体材料。但由于缺乏大尺寸的GaN基体材料，所以只能在其他衬底上进行异质外延生长。在各种生长技术中，金属有机化学汽相沉积(MOCVD)已经成为使用最多，生长材料和器件质量最高的方法。

　　在GaN薄膜的生长过程中，衬底温度，微波功率，生长时间，气体流量等各个生长参数对最后形成的单晶薄膜的晶体质量都有很大影响。在以往的试验中，一般均靠手工完成所有的工艺操作，不但试验任务繁重，而且手工操作不可避免地带来人为误差，导致试验结果难以重复，而GaN薄膜的生长试验要求得到最佳的生长工艺，这就必须保证工艺过程的良好重复性，因此采用一套自动监控系统，来对整个生长工艺过程进行实时监控，这样通过电脑不但可以控制生长的进行同时对整个过程进行记录，大大降低了试验人员的劳动强度，提高了操作和监控的自动化水平。但是，如果从国外引进一套符合要求的MOCVD生长自动监测与控制系统成本很高。因此我们在分析试验工艺流程特点的基础上，借鉴了类似设备的自动控制装置，在WIN98环境下用VB6.0设计了一套生长实时监控系统软件。

　　2 GaN生长工艺特点及参数对薄膜晶质影响　

　　本文在六方GaN或在GaN外延层上生长AlN的工艺流程如图１所示。
　　从图中可以看出，每一个阶段都对时间 (t)、微波输入功率（PW）、衬底温度（TS）、各路气体的流量（氢气（JH）、氮气（JN）、三甲基镓（JG）和反应室的压强（P0）有一定的要求。

　　并且状态之间的切换往往要同时涉及多个参量，因此手工操作时各参量之间的时间滞后现象在所难免，也难以确保实验条件的重复性，从而大大影响了实验结果的可靠性和准确性。下面具体分析一下图1所示生长过程中对GaN单晶薄膜晶体质量发生影响的主要因素。

　　（1）时间

　　时间参数主要是指在实验过程中某个步骤所需的时间量。如在氮化过程中要控制氮化时间，这对初始成核以及控制生长模式是很重要的[1]。此外，合适的缓冲层生长时间（决定了缓冲层的厚度）则会大大地提高GaN外延薄膜的光电和结构特性。而外延层生长时间（决定了外延层的厚度）如果太短，GaN薄膜当中会存在大量的结构缺陷 ；时间太长则会由于衬底材料和GaN材料之间的热失配和晶格失配导致GaN薄膜结晶质量的下降。

　　（2）温度

　　在整个实验过程中，对温度的控制起着非常重要的作用。在生长过程中的每一步工艺都对温度有着一定的要求，如衬底的清洗温度一般限定在400℃左右，氮化一般是从470℃开始，生长缓冲层一般是在500℃进行。最为重要的是生长温度，在GaAs衬底上生长立方GaN温度一般控制在600℃左右。生长温度过低或过高都会影响晶体质量。

　　（3）气体流量

　　就GaN生长工艺流程来说，气流量的控制包括对H2 , N2和TMG三种气体流量的控制。其中对N2和TMG流量的控制即V/III比的控制在实验过程中尤为重要，对晶体质量起着决定性的影响。此外实验过程中掺入适量的氢气也会对GaN生长产生重要的作用[2]。

　　（4）微波功率和真空度

　　在实验过程中微波功率和真空度也有着重要的影响。因为不同的微波功率、不同的压强会影响活性氮的含量[3,4]，从而直接影响晶体的质量。

　　3 GaN生长工艺流程测控系统设计

　　3.1 相关实验设备接口特性分析

　　流量控制与显示：流量控制器（MFCs）电源用来给质量流量控制器提供工作电源和流量设定信号，同时可以分次显示各路气体的流量。此接口提供了各路质量流量控制器的流量设定信号和检测输出信号。

　　温度控制与测量 ：实验样品的温度控制和设定是通过温控仪来实现的。温控仪中加有通讯模块，通过RS-232 接口与外部进行通讯。

　　气压测量 ：反应室的真空度测量和显示是通过真空计实现的，真空计中也有RS-232通讯模块，可以实时检测输出反应室的压强输出信号。

　　气动阀 ：通过四路气动阀来控制进入主反应室参与反应的三甲基金属有机物（例如TMG）是否参与反应，同样在控制盒上预留了计算机接口。

　　3.2 系统硬件结构组成

　　本系统主要由计算机、数据采集系统和参数设定系统三部分组成，控制系统硬件电路结构原理图如图2所示。

　　由于流量计输出的信号为模拟信号，而计算机只能够接受数字信号，所以我们在流量计和计算机之间接入一个A/D转换器，A/D模块采用了大连理工大学自动化系自行研制的DUT1000系列数据采集模块，这套模块一共有8路输入，以87C51系列单片机为核心, 采用RS485输出，输入加有完善的保护电路，A/D分辨率为2000码/V。同样由于流量计的电路要求我们只能用模拟信号来控制流量的大小，所以在计算机输出的数字信号与流量计之间增加了一个D / A转换模块。该模块选用了PC-7462，12位电路独立光电隔离D/A转换板。PC-7462 是面向工业过程而设计的12位8路光电隔离独立模拟量输出接口板，符合PC总线标准（ISA），适合于所有PC机。本板采用光电隔离技术，使被控对象同计算机之间完全电气隔离，可在恶劣环境下的工业现场工作。由于计算机主板上可供连接使用的串行口数目太少，不能满足我们的要求，所以我们使用了MOXO卡，将原有的串口从一个扩展到四个。MOXO卡自带安装程序，使用时无需很多配置，使用方便。由于A/D模块与主温控仪使用的是RS485接口，所以在硬件系统中必须存在一个RS232-RS485的转换模块，在这里采用了DAC8520模块，对气动阀控制时，必须使用开关量对其进行控制，所以本文使用了ADAM4060模块。

　　在硬件设计中，尽量使用已经成型的模块化的产品，减少了因硬件电路出现问题而产生的故障，保证了系统的稳定运行，而且模块化的设计使整个硬件的安装过程方便快捷。

　　3.3 系统程序设计

　　系统软件基于WIN98操作系统，以VB6.0作为开发平台。半导体薄膜的生长工艺流程具有其自身的特点：它的整个工艺过程可划分为多个阶段，包括：准备、清洗、氮化、升温、缓冲层、生长等。每个阶段都要设置生长温度、气体流量、气动阀状态以及本阶段生长时间等几个参数，但各个阶段之间又有某个参数与前一个阶段不同，这个参数就作为状态切换的条件，这样整个生长过程就能够作为一个整体连续自动地进行，不需要人为干预，从而达到自动控制的目的。　　　　　　　　　　

　　本软件采用模块化的设计方法，软件系统框图如图3所示。

　　3.4 系统使用效果与评价

　　使用本套系统在ECR-MOCVD上作了一个对比试验，在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜。保持其他条件不变，只是改变生长时TMG的流量，下面是试验后X射线衍射（θ-2θ）的测试结果（表1）。从表1中可以得知TMG的流量为0.25时，生长得到的薄膜在39.8°处出现很强的衍射峰，其半高宽为1.1°。当流量增大时强度减弱，同时半高宽变窄，说明GaN晶体质量变差。另一个方面，这也说明了工艺流程精确控制的重要性。

　　本文采用上一章的最优化工艺条件，在同一批蓝宝石（001）衬底上连续两次实验的RHEED结果（图4）。可见，采用本系统在生长出良好晶体的同时，也实现了工艺条件的完好重复性。

　　4 总结

　　监控系统软件经试验使用后表明 ：系统设计合理，能长时间稳定正常运行，具有友好的人机界面，操作简单，大大减轻了试验人员的劳动强度，提高了实验的准确性与科学性。同时系统是自主设计的，所以具有很大的灵活性，可以根据设备的改变以及工艺流程的变化对源程序进行相应的修改，如果是引进国外的系统这是不可能做到的。总之这套监控系统初步到达了设计前预定的目标，取得了良好的效果。