一种新型薄膜制备设备的研制

植成杨，甘志银，潘建秋

华中科技大学微系统研究中心，湖北武汉 430074

0 引言

GaN 材料具有良好的电学特性[1]，如宽带隙(3.39 eV)、高电子迁移率(室温 1 000 cm 2 /V·s)、高击穿电压(3×106 V/cm)等，其优良的特性，诱人的应用前景和巨大的市场潜力，引来各国激烈的研究热潮[2]。

气相淀积生长法易于控制薄膜的厚度、组分和掺杂，是目前制备GaN 薄膜的主流方法，其中主要有金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法和氢化物气相外延（HVPE）法。

GaN 的MOCVD 法工艺是液态的TMGa 由载气(H2 或N2)携带进腔体与另一路由载气携带的NH3 在温度1100℃左右的衬底上反应沉积得到[3]。MOCVD 系统的设计思想，通常要考虑系统密封性，流量、温度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧凑等。

HVPE 技术具有设备简单、成本低、生长速度快等优点，可以生长均匀、大尺寸GaN 厚膜，作为进一步用MOCVD 生长器件结构的衬底。HVPE 法中Ga 源先在800℃左右的温区与HCl 反应生成GaCl，GaCl 再与NH3 混合在1 050℃左右的高温区反应生成GaN[4-5]，因此对应的设备需提供两个温区。

对于以上两种主流的GaN 薄膜制备方法，本文提出一种在结构上可兼容两种工艺的新式实验型GaN 外延设备。在充分考虑了气体密度、导热系数、比热容、粘性系数等参数与温度的关系， 建立了二维和三维热流耦合有限元模型，对衬底温度、气相温度、流场分布等进行了系统分析。

1 模型描述

气相淀积生长设备构架存在共性，其都包含反应腔体、加热系统、气体输运系统、冷却系统等。需用理论和数据指导新设备腔体的设计，并合理搭建相匹配的加热系统、气体输运系统、冷却系统等。本文提出的新型设备如图1 所示。加热系统位于衬底基座下方，采用电阻片辐射加热方式，侧壁和底座为水冷结构。衬底上方布置可拆装的阵列型镓源支撑，并在衬底基座和镓源支撑之间设置可拆装的辅助加热系统，以调节衬底基座及镓源支撑的温度。加热片下方布置多道热屏蔽板，提高加热效率。进气方式采用多气孔进口方式，可以使反应腔内气流均匀性得到保证。衬底基座采用石墨制造。

图1 MOCVD 与HVPE 相兼容的腔体结构示意图

在 comsol multiphysics 中构建三维温度场有限元模型。该模型中设定反应腔体侧壁与下底盘为水冷恒温体。能量交换方式考虑加热系统与衬底基座的辐射换热， 衬底基座内部的热传导，辅助加热系统与衬底基座及镓源支撑的辐射换热，镓源支撑与衬底基座的辐射换热，气体和衬底基座的对流换热，加热片与热屏蔽板的辐射换热，冷却水与腔体内壁及底座的对流换热。各材料的热物性参数取值于文献[6]。

本文充分考虑了气体密度、导热系数、比热容、粘性系数等参数与温度的关系， 计算模型中采用的氢气热物性参数与温度有如下关系(P=2.5kPa)：

根据流体力学传热学理论， 反应气体的状态由以下方程描述：

Qs：热源项；

Qr：辐射换热项；其中面1 和面2 之间的辐射换热可表示为下面的式子：

Xi,j：表示面i 到面j 的角系数；

ε ：表面发射率；

Eb：黑体辐射力。

式 ( 5）为 连 续 性 方 程， （6）、（7）、（8）为 动 量 守 恒Navier-Stokes 方程， ( 9）为能量方程。式中 u、v、w 分别为气体x、y、z 三分方向上的速度分量，C p 、 µT、T、λ、ρ 分别为气体的比热、粘度、温度、导热系数、密度。所有固体壁面均设置无滑移边界条件即 u = v =w=0，气体入口设置速度条件，出口边界采用压力边界条件，电阻片施加功率边界条件，反应室水冷壁面温度为Tw = 340 K。构建的热流耦合的有限元模型如图2 所示。在该模型中， 气体状态为连续不可压缩的层流气体[7]。

图2 三维热流耦合有限元模型

2 结果讨论和分析

2.1 MOCVD 模型的二维有限元分析

本文提出的HVPE 结构部分是可以进行拆装的，把这部分结构去掉，调整衬底基座与进气口的相对位置，可以得到适合MOCVD 工艺的设备构架。

鉴于结构的对称性，本文中的MOCVD 构架的有限元模拟分析可采用二维轴对称模型，在保证模拟准确性的同时，减少网格数目，提高计算速率。其二维轴对称模型如图3 所示。图中是有限元计算完的后处理温度分布及流场分布图。

图3 二维轴对称有限元模型温度及流场分布图

通过调整加热电阻片的布置格局，及功率分配，可以使得衬底基座温度在有效的半径内达到非常好的均匀性。对于衬底基座外围区域，低温区域对基座的角系数占较大的比例，所以衬底基座外围区域功率损耗较大。为保证衬底基座表面的温度均匀性，在外围区域设置独立的加热源，提供更大的加热功率。

图4 衬底基座径向温度分布图

提取基座表面径向的温度分布，如图4 所示，可以看出，在基座半径50mm 范围内，温差在±1℃以内。在此半径范围内，可以放置3 片2 英寸的衬底。

另外，从反应腔内流线的分布可以看出，在衬底基座上方，气体处于层流状态，这将为外延层的生长提供了非常有利的稳定流场环境。

2.2 HVPE 模型的三维有限元分析

在上述二维轴对称模型确定的加热片格局后，确定了加热系统布置结构。HVPE 法中Ga 源先在850℃左右的温区与HCl反应生成GaCl，GaCl 再与NH3 混合在1 050℃左右的高温区反应生成GaN。在原有MOCVD 结构基础上，在衬底上方增加可拆装的镓源支撑，可组装成适合HVPE 工艺的设备构架。在镓源支撑于衬底之间可布置辅助加热阵列，便于调整镓源支撑所需的合适温度和合理的安放高度。

考虑模型的对称关系，选取完整模型的四分之一进行计算，在两个对称平面设置对称边界条件，以减少有限元模型的网格数目，提高运算效率。计算得到温度分布云图如图5 所示。

图5 三维有限元模型温度及流场分布图

通过合理布置镓源支撑的位置，以及调节加热功率，可使得其温度在800℃～850℃之间。提取镓源支撑所在高度截面可得到温度分布曲线，如图6 所示。

图6 镓源支撑温度分布

图中波峰近似于直线，是镓源支撑体的温度，其中间下凹部分是腔体中的气体流动区域。

3 结论

1）对于衬底基座的上表面，不同区域的功率损耗也不同。为保证表面温度均匀性，可设置不同的加热源，提供相匹配的加热功率；

2）设计可拆装的HVPE 结构，在共享MOCVD 构架的基础上作出适当的调整，使得一台设备适用于不同的工艺方法，并且在多物理场耦合有限元模型上得到了理论论证；

3）在进行有限元建模时，应注意建模策略，根据模型几何特点，可简化成二维轴对称模型或者四分之一的几何模型。如此，可在保证模型准确性的前提下，减少有限元模型的网格数目，提高运算效率。

[1]邓志杰，郑安生.半导体材料[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]李宝珠.宽禁带半导体材料技术[J].电子工业专用设备，2010(187):05-10.

[3]孙玉芹.用于固态照明的非极性a面GaN薄膜的MOCVD生长及表征[D].华中科技大学，2011.

[4]Akinori K，Miho M，et al.Journal of Crystal Growth，246(3-4)，(2002)：230-236.

[5]Wei T B，Hu Q，Duan R F，et al.Journal of CrystalGrowth，2009，311(17)：4153-4157.

[6]赵镇南.传热学[M].北京:高等教育出版社，2002：492-509.

[7]李建国，刘实，李依依，等.热丝化学气相沉积金刚石薄膜空间场的数值分析[J].金属学报，2005，41(4)：437-443.