行星式 MO CV D 反应器的结构如图 4 所示[ 10] 。 在这种反应器中 , 气体从圆柱型反应器室的轴向对
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称中心导入 , 沿 径向流过衬底 表面 。 在流动 方向 上 , 一方面流动边界层逐渐增厚 ;另一方面气体流 速随流动截面积的增加而减小 , 这使得反应物的分 解增加 。对于 质量扩散为限制 步骤的薄膜生 长过 程 , 上述因素导致生长速率沿径向降低 、 薄膜的厚 度和组成不均匀 。为 此 , Frijlink 设计每个 薄片都 自旋 , 有效地消除了这种不均匀性 。他还设计整个 托盘绕其对称轴转动 , 以最大限度地平均托盘温度 和反应物流动的轴向对称性 。 托盘和衬底的自转都 是通过气动实现的 。 这种反应 器的生产规模 可很 大 。 由 AIXT RON 公 司 研 制 的 商 用 planet ary reactor 系列 , 其生产能力可达 88.9 cm ×5.08 cm 或 12.7 cm ×15.24 cm , 所制备的薄膜均匀性及重 复性都非常高 。 可制备的材料种类 , 如 Ⅲ ～ Ⅴ族半 导体化合物 、 GaN 、 SiC 、 铁电氧化物 、 超 导氧化 物等 。这种反应器是目前工业化制备半导体器件和 各种薄膜材料的主流 M OCVD 设备之一 。
1.3 立 式 转 盘 反 应 器 (vertical ro tating disk reacto r , RDR)
立式 转 盘反 应 器 最 早应 用 于 化 学 气 相沉 积
(CVD) 过 程 , 现 已 发 展 成 为 一 种 经 典 的 主 流 MOCVD 反 应器 。 著名的 M OCVD 设 备生产 厂家 EMCORE 公 司 生 产 的 商 用 Enterprise 系 列 和 Discovery 系列设备 , 都 属于立式转盘 反应器 。 它 们可在多种衬底上生产包括 Ⅲ ～ Ⅴ族和 Ⅱ ～ Ⅵ 族器 件 、 Ⅳ～ Ⅳ族薄膜及各种金属和金属氧化物薄膜 。 其生产能力最大可生长 300 mm 的片子 。
用计算模型来研究 、 了解以及改进反应器的设
计和过程操作 , 可以缩短研制周期 、 降低研制和试 验成本 。计算模型还可以对过程的稳定性和操作性 能进行评估 , 因此可被 用于 MOCVD 设备及工艺 过程研制的各个阶段 。
2 反应器的设计及优化
M OCVD 为一耦合质量 、 动量和能量传递过程 的气相和表面化学反应过程 。 诸多的设备条件和过 程工艺参数对膜的 生长都有影响 , 如气体入 口装 置 、 反应器腔体形状及尺寸 、 托盘的形状及尺寸 、 加热器的结构 、 排气口的尺寸 、 上述部件之间的相 对位置关系 、 气体入口的温度和流量 、 反应器壁的 温度 、 托盘的温度等 。这就意味着通过反复实验设 计完成一个反应器的优化设计 , 费时费力费钱 , 而 且是几乎不可能的 。 从 20 世纪 80 年代开始 , 研究 工作者从流体动力学出发 , 结合热量和质量传递原 理 , 对各种 MOCVD 反 应器 进行 了详 尽的 分析 , 建立了大量的数学和物理模型 , 并进行了系统的数 学模拟工作[ 3 , 11～ 13, 16 , 17] 。 当前反应器的设 计和优 化 , 一般采用计算机模拟与实验相结合的方法 。 通 过 M OCVD 反 应器的数学计算模 型 , 可得出 各种 因素如气体入口装置 、 反应器腔体形状及尺寸 、 托 盘的形状及尺寸 、 加热器的结构 、 排气口的尺寸 、 上述部件之间的相对位置关系 、 气体入口的温度和 流量 、 反应器壁的温度 、 托盘的温度对反应器中流 场 、 温场以及组分浓度的分布 , 从中找出最优的反 应器结构条件和最佳的过程操作参数范围 。 目前已 开发出了许多商用 MOCVD 反应器设计和优 化的 计 算 机 软 件 , 如 CFD - ACE 、 FF LUENT 、 COM PACT 、 FIDAP 、 M P -SALSA 等 。
经典的立式高速转盘反应器如图 3 。 衬底安置 于一绕轴旋转的圆形托盘上 , 气流主体从反应器的 顶部导入 , 垂直向下流 向托盘 。 托盘 的转速非常 高 , 一般 高达数百转甚 至上千转 。由 于粘性的作 用 , 靠近转盘表面的一层气体随同转盘一起转动 , 由于离心力的作用 , 气体在转动的同时不断地沿径 向被抛向盘边缘 。 盘上面的气体沿轴向流入转盘表 面以补偿流走的气体 。 转盘的旋转引起的这种气体 向下的流动 , 破坏了托盘与气流之间的温差引起的 自然对流而产生的环流 。设计和制造合理的 RDR 反应器 , 在合适的操作条件下 , 形成一个无循环核 的强制对流场 , 在托盘表面形成驻点流 , 产生一个 厚度均匀的边界层及与位置无关的反应物浓度和温
反应 器的 设计 是整 个 MOCVD 技 术的 核心 。 在过去的 20 多年里 , 世界各国许多科学家及有关 公司一直在从事这方面的工作 , 并已取得了很大的 成就[ 3, 4] , 其研究结果已形成了化学反应工程新的 应用领域 。
目前 MOCVD 所制备的薄膜材料主要应 用于 微电子和光电子领域 , 因此对材料的质量 、 厚度均 匀性 、 组成均匀性 、 层与层之间的界限等都要求非 常严格 。 如 Ⅲ ～ Ⅴ族半导体器件的生长 , 要求不同 组分之间形成单原子尺度的层间界面 。 这就提出了 对 M OCVD 反应器 设计的基本要 求 :无返混 , 能 实现反应气体的瞬时切换 , 以保证能形成组成突变 的异质结 ;衬底上方处于层流区 , 无任何形式的涡 流 , 有均匀的温度场及浓度场分布 , 以保证薄膜具 有均匀的厚度与组成 。为了满足上述要求 , 人们研 制和开发了各种 M OCVD 反应器 。
数学模拟[ 16] 及 实验[ 13 ～ 15] 结果 还表明 , 相比 于经典的立式转盘反应器 , 近距离进气反应器的操 作弹性大大提高 。 而且 , 由于反应物在托盘上方停 留时间的缩短 , 更有利于促进界面的突变 。此外采 用带有水冷却的分源进气装置 , 可有效地防止不理 想的上游副反应发生 , 提高了源的利用率 。 因此 , 这种反应器有望发展为新一代工业化设备 。 1.4 行星式反应器 (planetary reactor)
应用技术
金属有机化ห้องสมุดไป่ตู้气相沉积反应器技术及进展
许效红1 , 2 王 民1 侯 云1 周爱秋2 王 弘1
(1 山东大学晶体材料国家重点实验室 ;2 山东大学化学与化工学 院 , 济南 , 250100)
摘 要 简要 介绍了金属有机化学气相沉积反应器 技术的 发展 , 描述 了几种 典型反 应器的 结构和 过程特 点 , 讨 论了反应器的设计 、 优化及发展趋势 。 关键词 金属有机化学沉积 , 反应器 , 薄膜材料 中图分类号 T Q 028.2 文献标识码 A 文章编号 1000 -6613 (2002) 06-0410 -04
DO I :10.16085/j .issn.1000 -6613.2002.06.012 化 工 进 展
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1 反应器的概况及发展
M OCVD 反应器主要由气体入口装置 、 反应器 室 、 托盘 、 加热器 、 废气排出口等部件构成 。薄膜
生长过程中 , 气体经入口装置导入反应器室中 , 流 经托盘在衬底上发生沉积反应 , 然后由排气口排除 。 1.1 管式反应器 (horizontal tube reactor)
金 属 有 机 化 学 气 相 沉 积 (metal o rganic chemical v apor deposition , 简称 M OCVD), 是将稀 释于载气中的金属有机化合物导入反应器中 , 在被 加热的衬底上进行分解 、 氧化或还原等反应 , 生长 薄膜或外延薄层的 技术 。 它是由 M ansevit 等[ 1] 在 20 世纪 60 年代发展起来的 , 现已在半导体器件 、 金属 、 金属氧化物 、 金属氮化物等薄膜材料的制备 和研究 方面得 到广 泛应 用 。 这 种技 术的 优点是 : (1) 可制成各种类型的材料 ;(2)可精确控制膜的 厚度 、 组成及掺杂浓度 ;(3)可以制备高质量的低 维材料 ;(4) 可制成大面积的高均匀性的外延膜 。 因此这是目前各国都在大力发展的一种高新材料制 备技术[ 2 , 3] 。
第 6 期 许效红等 :金属有机化学气相沉积反应器技术及进展 · 411 ·
图 2 转桶式反应器示意图
图 3 立式高转速转盘反应器示意图
图 4 行星式反应器示意图
1.2 转桶式反应器 (barrel react or) 这也是一种比较传统的反应器 。它的生产能力
这是一种最经典的反应器 。 过程气体主体沿轴 向在托盘上方流过 , 由于托盘上边界层的发展及有 效反应组分浓度的降低 , 对于主要以质量扩散为限 制步骤的薄膜生长过程 , 生长速率沿气流流动方向 降低[ 5 , 6] 。为避免因此造成的薄膜厚度及组成的不 均匀性 , 一般是将托盘以一定的角度倾斜放置[ 7] , 如图 1 所示 ;或将反应器室的顶部设计为非水平而 呈一定倾斜角度[ 3] , 这 在一定程度上 可以或基本 上消除薄膜的不均匀性 。管式反应器的生产能力虽 较低 , 但其结构简单 , 因此被广泛用于实验室研究 和新材料的开发 。 近年来 , 人们将气浮旋转衬底技 术和托盘转动技术应用于管式反应器 , 大大提高了 生长薄膜的均匀性和反应器的生产能力[ 6, 8, 9] 。 前 者利用气动技术使水平放置的衬底自转 , 消除了生 长速率沿气流流动方向降低而引起的厚度和组成不 均匀问题 ;后者利用托盘的机械转动来平衡流体流 动方向上的生长不均匀性 。
度分布 , 生长出厚度和组成均匀的薄膜 。 有关流动 详细情况可参阅文献 [ 11 ～ 13] 。
RDR 反应器因其流体动力学特点因而具备以 下优点 :非常容易实现水平方向的均匀性极易控制 反应物在基片表面的切换 , 得到突变的层间界面 ; 对过程参数有较大的操作弹性 , 因而具有较高的重 复性 ;可以通过调节若干操作参数如反应器内的压 力 、 托盘转速等优化过程 。 这种反应器可在常压下 操作 , 也可在低压下操作 。 在低压下操作可抑制自 然对流引起的环流 , 而 更有利于维持 反应器内为 层流 。