GaN生长工艺流程实时监控系统

1、第41卷第6期2001年11月大连理工大学学报Journa l of Da l i an Un iversity of Technology. 41, No . 6VolNov . 2001文章编号:100028608(2001 0620701206GaN 生长工艺流程实时监控系统王三胜1, 顾彪1, 徐茵1, 王知学1, 杨大智2(1. 大连理工大学电气工程与应用电子技术系, 辽宁大连116024;2. 大连理工大学材料工程系, 辽宁大连116024摘要:分析了在ECR 2M OCVD 装置上外延生长GaN 单晶薄膜的工艺过程特点和在此过程中影响GaN 结晶质量的主要因素. 在此基础上, 设

2、计了一套由80C31单片机为核心的光电隔离电路和PC 机组成的两级系统, 用于GaN 薄膜外延生长的工艺流程监控. 并提出了一种合适的工艺流程监控策略, 阐述了如何从软件上确保工艺流程的连续可靠运行. 实践证明, 软硬件系统设计合理、抗干扰措施完善, 很好地保证了工艺流程的连续可靠运行, 实验数据的可靠性和工艺流程的可重复性也大大提高, 并对类似系统的工艺过程自动化设计具有一定的指导借鉴意义.关键词:半导体工艺 ECR 2M O CVD; 外延生长; 实时监控; 光电隔离中图分类号:T P273. 5; T P302. 1文献标识码:A由于氮化镓(GaN 材料在光电子及微电子2领域有巨大的应用

3、前景1、, 其已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, 金属有机化学气相沉积(M O CVD 已经成为使用最多、生长材料和器件质量最高的方法2.大连理工大学工业等离子体实验室在1995年设计研制成功国内第一台先进的电子回旋共振(ECR 辅助金属有机化学气相沉积装置3. 利用此装置, 在A l 2O 3、Si 、GaA s 等衬底上, 在低气压条件下, 用三甲基镓(TM G 为镓源, 用氮气通过ECR 微波放电提供活化氮源, 在低温下生长出了外引进, 成本很高. 本文在分析ECR

4、 2M OCVD 方法外延生长GaN 薄膜工艺过程特点的基础上, 设计了一套由80C31单片机为核心的光电隔离电路和PC 机组成的两级系统, 提出了一种合适的监控策略.1GaN 生长工艺特点及影响薄膜晶质的因素在GaA s (001 衬底上的立方GaN 生长工艺流程如图1所示5. 主要由如下几个阶段组成:氢等离子体放电清洗(t c 、氮化(t n 、缓冲层生长(t b 、外延层生长(t g 、降温(t d 等. 其中每一阶段都对时间(t 、微波输入功率(P w 、衬底温度(T s 、各路气体的流量(氢气(J H 、氮气(J N 、三甲基镓(J G 和反应室的压强(p 0 有一定的要求; 并且状

5、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, 从而大大影响实验结果的可靠性和准确性. 下面具体分析一下在图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6.具有先进水平的GaN 单晶薄膜材料4. 但GaN 生长过程中, 温度、微波功率、气体流量以及反应时间等诸参数的变化都会极大地引起外延GaN 单晶薄膜晶体质量的变化, 而现在的整个工艺操作均靠手工来完成. 因此设计一个监控系统, 实现对整个生长工艺过程的实时监控, 就显得非常迫切. 目前, 类似M OCVD 自动控制电路均由国收稿日期:2000212230;

6、 修回日期:2001210218.基金项目:国家“863”项目新材料领域课题(715201120033 ; 国家自然科学基金资助项目(69976008 .作者简介:王三胜(19732 , 男, 博士生; 顾彪(19382 , 男, 教授; 徐茵(19392 , 女, 教授; 杨大智(19382 , 男, 教授, 博士生导师. 2立方GaN 生长工艺流程监控系统设计由上可知, GaN 生长工艺流程较为复杂, 生长条件要求很高. 为了尽量避免手工操作给实验带来的诸多不利影响和提高工艺过程的可重复性, 作者对GaN 生长工艺流程自动控制进行了研究, 设计了一套由I BM 2PC 机和单片机构成的两级

7、系统. 下面具体分析整个系统的硬件结构和实现方法, 以及系统的特点和功能. 2. 1系统的组成整个系统的组成如图2所示. 其中流量计用图1GaN 生长工艺流程图解F ig 11T he schem atic diagram of GaN grow th p rocess来设定和显示各路气体的流量, 温控仪用于设定和检测基底的温度, 微波源用于设定和显示输入反应室的微波功率以及检测从放电室来的反射功率, 真空计用于测量反应室的压强. PC 机、温控仪、微波源、真空计是通过自身的R S 2232串行口并辅以光隔通讯模块1、2、3和4与单片机系统建立联系. 而流量计与单片机系统的联系则是通过光隔A

8、D 、D A 模块来实现的. 除此之外, 通过光隔I O 模块还进行一些其他逻辑量的输入 输出操作, 如驱动报警输出、放电熄灭输入等.图2中的其他模块主要有:实时时钟模块, 采用美国D allas 公司生产的D S12887芯片, 用来完成与日期、时间相关的操作; 键盘模块采用通用的8279芯片, 用来接收16个按键输入. 显示模块则采用了I C M 7218芯片, 用来驱动八位L ED 显示; 看门狗电路采用M A X813L 芯片, 用来实现上电、掉电及供电电压下降时自动复位和手动复位; 程序、数据存储器则分别采用了EPROM 27C64芯片和E 2PROM X84041芯片. 2. 1.

9、 1光隔A D 、D A 模块这部分用于实现模拟信号部分的光电隔离, 其电路实现原理图见图3. 其中A D 转换器采用了一片ADC0809芯片, 而D A 转换器采用了8片DA C0832芯片, 每路单独输出信号. 为了隔离叠加在模拟信号上的干扰信号,A D 转换器和D A 转换器所有连接到单片机的数字信号线(地址 数据信号以及控制与状态信号 都采用了TL P521系列光电耦合器与单片机系统进行了隔离, 所需电源由DC DC 变换器获得. 需要注意的是, 信号地的连接是由两部分组成的, 一部分是A D 转换电路和D A 转换(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

10、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. 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. 如果外延层生长时间(决定了外延层的厚度 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 材料之间的热失配发生GaN 薄膜的裂解.(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. 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GaA s 衬底上生长立方GaN 的

11、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, 过高时还会降低立方相的纯度.(3 气体流量就GaN 生长工艺流程来说, 气流量的控制包括对H 2、N 2和TM G 三种气体流量的控制. 其中对N 2和TM G 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.(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作用. 因为不同的微波功率和压强会影响活性氮的含量, 从而直接影响晶体的质量.电路的所有模拟信号电路公共地, 另一部分是A D 转换器和D A 转换器所有连接到单

12、片机的数字信号在隔离侧形成的数字信号公共地. 这两部分地信号必须单独连接7, 最后分别连接到隔离电源地线端, 形成单点接触. 只有这样才能确保不会由于A D 转换器和D A 转换器的阶跃数字信号地电流引起各自不能正常工作.2. 1. 2光隔通讯模块对于图2中所示的光隔通讯模块4使用了单片机本身的串行口, 而光隔通讯模块1、2、3则是通过分别扩展一片82C51芯片来完成单片机与各仪器之间的通讯联系7. 其电路实现原理图如图4所示. 这样一方面实现了各外围设备与单片机系统之间的光电隔离; 另一方面也实现了各外围设备通讯信号之间的电气隔离, 从而确保当某一模块出现问题时, 其他模块仍能可靠独立运行8

13、 .图2控制系统硬件电路结构原理图F ig 12T he schem atic diagram of hardw are circu its of con tro l system图3系统模拟信号部分光电隔离原理图F ig 13T he schem atic diagram of pho toelectriciso lated signalscircuits ofsystemanalog图4系统R S 2232光电隔离通讯模块原理图F ig 14T he schem atic diagrammodules in systemof pho toelectriciso lated circuits

14、 of R S 2232comm un icati on2. 2系统的特点(1 下位单片机系统可以单独运行, 进行流3. 0hzk16文件中提取字模创建了专用汉字库13. 在上位机软件中可以实现流程设定、参数输入、实时流程数据显示、实时报警、历史趋势、数据存储、报表打印等功能.考虑到监控程序适用于不同的生长工艺需要, 采用以下方法来满足这一要求:将整个生长工艺划分为许多状态, 在每一状态中都有一个参数和上一状态是不同的, 这一个参数便作为触发状态切换的条件. 如在(001 GaA s 衬底上生长GaN 的工艺中可将氮化这一步视为一个状态, 分别设定此状态的参数. 由于下一步状态的切换要等氮化一

15、定时间以后进行, 所以这一状态中便将时间设定为控制参数.特别重要的是上下位机监控程序的设计, 在程序设计上必须满足工艺流程连续运行的要求, 采用的方法如图5所示10. 程序开始后首先判断是开机运行(冷启动 还是运行过程中“死机”之后的重新加载运行(热启动 . 因为在这两种启动方式下, 监控程序在进入主流程前所做的工作是不同的. 冷启动后, 系统程序在初始化程序中要进行系统资源的自检, 以及将各外围设备设置为相应的待机状态; 热启动后则不再对系统的资源自检, 同时避免对各外围设备修改设置, 只是对单片机系统本身的一些资源进行必要的设置工作. 在监控主程序运行过程中, 则必须适时保存相应状态和该状

16、态下的相关参数. 这样当程序运行出现“死机”并恢复初始运行后, 将首先查询事先保存的状态参数, 然后根据此参数决定程序的流向, 同时把该状态下事先保存的参数取出, 对系统外围设备进行必要的恢复设置工作和引导程序继续运行.图5所示的监控流程能够很好地保证在程序运行中发生“死机”时将程序纳入正轨. 但另外需要注意的是在状态切换过程中, 如果控制参数发生了扰动(干扰或故障引起 , 导致控制参数达不到或越过设定的切换值, 会导致程序超时等待或报告出错的现象发生. 为了解决这个问题, 采取了两方面的措施:一是在正常状态切换时, 要首先判断本次切换的方向. 即数值是由大变小的过程中切换, 还是反之. 很显

17、然, 这两种情况下程序判断切换的依据是不同的. 这可以通过设定一个标志位来实现. 二是考虑到实际运行过程中因各种原因引起的误差, 在状态切换的判断过程中, 给每一个控制参数加 减一个允许的偏差. 这样就可程设定、参数输入和状态显示. 也可以和上位机一起联机运行; 此时由PC 机事先设定流程, 并启动和控制下位机系统的运行. 运行过程中, 根据上位机的命令由单片机系统完成各种有用信号的拾取、变换工作以及各个参数的设定, 并实时地把各种数据传输给上位机, 由上位机完成对数据的后续处理.(2 系统运行连续、稳定、可靠. 为做到这一点, 在设计中从硬件和软件两方面进行了综合考虑. 硬件方面, 上位机单

18、独使用U PS 电源供电, 下位单片机系统设计则采用了全方位隔离技术9, 并结合屏蔽、接地技术和硬件看门狗技术10; 软件方面, 上下位机监控流程采用了特殊的抗干扰设计(见下面软件设计部分 , 确保整个系统的连续稳定工作.(3 软、硬件资源可根据需要灵活配置. 考虑到现在的工艺流程尚处于摸索完善阶段, 在硬件设计上考虑了将来扩容的需要, 预留了一部分资源. 相应的软件方面采用了灵活的模块化设计方案, 从而可以根据实际工艺需要, 灵活配置资源.2. 3系统的功能(1 可以实现对各路气体流量、衬底温度、输入微波功率的实时监测和设定. 同时实时监测反应室的压强.(2 可以对时间进行精确的控制. 最小

19、时间单位为1s, 也可以m in 、h 为单位进行控制, 这对于某些生长阶段(如氮化 和超晶格生长要求的以秒计量时间的控制至关重要.(3 可以根据实际的工艺流程需要, 灵活地改变控制策略.(4 可以在系统中进行手动 自动功能切换.(5 可以对各种实验数据实时显示, 并进行历史存储, 以便对于数据进行报表打印等后续处理工作.3软件设计上下位机软件平台采用开放式结构设计思12想11、, 使用本软件平台可以适应不同工艺流程设置的需要. 上位机软件的开发是基于DO S 系统, 以T u rbo C 2. 0作为开发平台. 从U CDO S以解决上述问题. 实践证明, 该做法是合理有效的 .4使用效果和

20、结论以下是使用本系统在其他条件不变的情况下, 控制氮化时间分别为80、90和100s 时, 在GaA s (001 衬底上外延生长的GaN 薄膜的X 射测试结果线衍射(22. 可见, 90s 的氮化时间(图6(b 是比较合适的. 此时除衬底的衍射峰外, 只有40°处出现了很强的GaN (002 面衍射峰; 其半高宽为0. 65°. 氮化时间过短(图6(a 或过长(图6(c 时, GaN (002 衍射峰相对强度减弱, 同时半高宽也变宽, 而且在图6(a 和图6(c 中出现了其他杂峰, 说明结晶质量大大变坏; 重复性实验证实了这一点. 而且这个结论与H. O kum u ra

21、 等人14给出的一致, 这也在一定程度上说明了对于工艺过程精确控制的重要性.此监控系统在本实验室实际使用后表明:系统软硬件设计合理, 抗干扰措施完善, 系统运行可靠, 从而消除了因手工操作给工艺过程带来的不利影响, 大大地提高了实验精度和工艺过程的可重复性. 此外, 整个监控系统操作简便、灵活、功能完善, 便于实验人员的使用和维护, 减轻了实验人员的劳动强度; 对于类似系统的工艺过程自动图5系统监控程序流程图F ig 15F low chart of system monito ring p rogram化设计具有一定的指导借鉴意义 .(a 80s (b 90s (c 100s图6不同氮化时间

22、时GaN GaA s 薄膜的X 射线衍射曲线F ig 16T he X 2ray diffracti on p rofiles of GaN GaA s fil m w ith different n itridati on ti m e706 大 连 理 工 大 学 学 报 Pla sma Chem istry C . 148721492. P rague: 第 41 卷 参考文献: 1 梁春广, 张 s n , 1999. 冀. GaN 第三代半导体的曙光 J . 7 何立民 . M CS 251 系列单片机应用系统设计 M . 北 半导体学报, 1999, 20 ( 2 : 89299.

23、 2 STR IT E S, M O R KOQ H. GaN , A lN , and InN : A review J . 123721266. 3 徐 J Vac Sc i Technol, 1992, B10 ( 4 : 京: 北京航空航天大学出版社, 1996. 8 陈隆道 . 智能仪器的全方位隔离技术 J . 仪表技术, 1998 ( 1 : 12214. 9 殷光伟 . 微机监控系统的抗干扰措施 J . 微计算机 茵, 顾 彪, 丛吉远. 用于半导体加工的腔耦合 2 信息, 1998 ( 5 : 34237. 10 王三胜, 顾 磁多极型 ECR 源的研究 J . 核聚变与等离子

24、体物 理, 1996, 16 ( 2 : 50255 . 4 顾 彪, 徐 茵, 等. M A X813L 的原理及其 在 51 单片机系统抗干扰中的应用 J . 工业仪表与 ( 001 GaA s 衬 底 上 立 方 彪, 徐 茵, 秦 福 文. 自动化装置, 2001 ( 3 : 56259. 11 严镌薇 . 计算机实时控制软件设计导论 M . 北京: GaN 的 低 温 生 长 J . 1432145. 稀 有 金 属, 1998, 22 ( 3 : 清华大学出版社, 1990. 12 王三胜, 顾 5 GU B , XU Y, Q I N F W , et a l. P la sm

25、a p retreatm en t of GaA s sub stra tes and ECR 2PAM O CVD of cub ic GaN A . Sym posium Proceed ings of 2nd In terna tiona l on Blue La ser and L ight Em itting 彪, 徐 茵, 等. 西文 DO S 下监控软件 的 C 语言设计与实现 J . 工业仪表与自动化装置, 2001 ( 5 : 35240. 13 王士元 . C 高级实用程序设计 M . 北京: 清华大学 D iodes C . Ch iba: s n , 1998. 524

26、2527. 6 GU B , XU Y, Q I N F W , et a l. ECR p la sm a in grow th of cub ic GaN by low p ressu re M O CVD A . Proceed in gs of 14th In terna tiona l Sym posium on 出版社, 1997. 14 O KUM U RA H , YO SH I DA S, M ISAW A S, et a l. G row th and cha racteriza tion of cub ic GaN J . Crys Growth, 1998, 120:

27、1142121. J Rea l- ti m e m on itor ing system of GaN growth process W ANG S a n 2s he ng , GU B ia o , XU Yin , W ANG Zh i2xue , YANG D a 2zh i 1 1 1 1 2 ( 1. D e p t. of E le c tr . Eng. & A pp l . E le c tr . , D a lia n Un iv. of Te chno l . , D a lia n 116024, C h ina ; 2. D e p t. of M a te

28、 r. S c i . & Eng. , D a lia n Un iv. of Te chno l . , D a lia n 116024, C h ina Abstract: T he au tho rs ana lyze the p rocess cha racterist ics of ep itaxy g row th fo r GaN sing le 2crysta l film s u sing ECR 2 M O CVD devices, and the m a in facto rs w h ich affect the GaN crysta lline qua lity du ring the ep itaxy g row th. T hen, the au tho rs design a set of m on ito ring system com p rised of PC and p ho toelect ric circu its ba sed on 80C31 m icrocom p u ter, w h ich is u sed in the ep itaxy g row th