（材料物理与化学专业论文）mocvd远程监控系统设计.pdf

摘要 摘要 m o c v d 是金属有机物化学气相沉积技术的简称，即通过m o c v d 设备，在 衬底上生长材料晶体的一种方法。用这种方法生长出来的晶体可用于各种芯片的 制造。这是当前研制新型光电材料的重要方法之一。 目前，国内的大多数 m o c v d 设备，其整个设备的操作均采用手工来完成， 既影响工作效率，又会对整个工艺过程带来很多误差和不稳定因素，直接造成生 长器件的合格率低，质量下降。其次，使用m o c v d 设备的现场噪声大，工作环 境差，且m o c v d 反应周期比较长，对人工进行设备操作极为不利。因此，为了 提高整个设备操作的准确度，为了改善工作环境需要利用自动控制设备对 m o c v d 设备的工作过程进行实时监控和管理。而类似m o c v d + 自动控制的电路 均由国外引进，成本很高。作者根据m o c v d i 艺过程的特点，设计了一套以f p o a 为核心的嵌入式监控系统，实现对m o c v d 工艺的监控。 本系统由三个部分来完成，首先是数据采集压缩部分，采集图像，温度，湿 度，压强等数据，并进行压缩处理；其次是数据传输部分，利用以太网络接口， 将数据传输到局域网上；最后是计算机管理部分，通过计算机显示设备操作图像， 分析温度，湿度，压强等数据，、发送控制管理命令。 本文详细的介绍了上述系统的设计方法，对系统进行了评估和比较，并提出 了改进方案。 关键词：m o c v d嵌入式系统以太网接口计算机控制 a b s t r a c t a b s t r a c t m o c v di sa l la b b r e v i a t i o nf o r m 。f o rm e t a l ；o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， w h i c hi sam e t h o du s e dt og r o wm a t e r i a lc r y s t a lo ns u b s t r a t ev i am o c v dd e v i c e t h e c r y s t a lg r o w i n go u tw i t ht h i sm e t h o dc a nb eu s e df o rf a b r i c a t i o no f v a r i o u sk i n d so f c h i p s t h i si s o n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d sf o rd e v e l o p i n gn e wt y p eo fp h o t o e l e c t r i c m a t e r i a l sn o w a d a y s a tp r e s e n t ，o p e r a t i o no ft h ew h o l ee q u i p m e r i ti sp e r f o r m e db ym a n u a lm e t h o df o r m o s to ft h em o c v dd e v i c ei no u rc o u n t r y , w h i c hn o to n l yi n f l u e n c e so p e r a t i n g e f f i c i e n c y , b u ta l s ob r i n g sa b o u tm a n yc i t e r sa n du n s t a b l ef a c t o r s - f o rt h ew h o l e p r o c e s s i n gp r o c e d u r es o a s t o d i r e c t l y p a u s el o wp e r c e n to fp a s so ft h efg r o w n c o m p o n e n t sa n dr e d u c e dq u a h t y s e c o n d l y , t h es i t ew h e r em o c v dd e v i c ei so p e r a t e d h a sl o u dn o i s e , t h eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n ti sb a d , a n dm o c v d r e s p o n s ec y c l ei sl o n g , a l lt h e s ec o n d i t i o n sa r en o tg o o df o rm a n u a lo p e r a t i o n t h e r e f o r e , i no r d e rt oi m p r o v e t h eo p e r a t i o na c c u r a c yo ft h ew h o l ee q u i p m e n ta n di m p r o v eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，i t s n e c e s s a r y tt ou s ea u t o m a t i cc o n t r o le q u i p m e n tt op e r f o r mr e a l - t i m em o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n tf o rt h eo p e r a t i n gp r o c e d u r eo fm o c v dd e v i c e h o w e v e r ，c i r c u i t sw h i c h a r es i m i l a rt om o c v da u t o m a t i cc o n t r o la r ea l li n t r o d u c e df r o ma b r o a d w i t hh i g hc o s t t h ew r i t e rd e s i g n sas e to fe m b e d d e dm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mw i t hf p g aa si t sc o r e t of u l f i l t ? m o n i t o r i n gf o rm o c v d p r o c e s s i n ga c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fm o c v d p r o c e s s i n gp r o c e d u r e t h e s y s t e mi sf u i f i u e dw i t ht h r e ep a r t s f l u - s tp a r ti sd a t ac o l l e c t i o na n dc o m p r e s s i o n p a r t ，w h i c hc o l l e c t sd a t as u c ha si m a g e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n di n t e n s i t yo fp r e s s u r e a n dc o n d u c t sc o m p r e s s i o np r o c e s s i n g ；t h es e c o n dp a r ti sd a t at r a n s m i s s i o np a r t ，w h i c h t r a n s m i c sd a t at o ，i n t r a n e tv i ae t h e m e ti n t e r f a c e ；l a s tp a r ti sc o m p u t e rm a n a g e m e n tp a r t ， w h i c hd m p l a y so p e r a t i o ni m a g ev i ac o m p u t e r , a n a l y z e sd a t as u c ha st e m p e r a t u r e ， h u m i d i t y , i n t e n s i t yo fp r e s s u r ea n d s e n d sc o n t r o la n dm a n a g e m e n ti n s t r u c t i o n t h ed e t a i l e dd e s i g ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra n de v a l u a t e di ns y s t e m a n i m p r o v e m e n to ft h i sd e s i g ni sb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d ：m o c v d e m b e d d e ds y s t e me t h e r n e ti n t e r f a c e c o m p u t e rc o n t r o l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，s 本人承担一切相关责任。 本人签名：燧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果耐署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阋和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：张磊 导师签名：触 日期2 盟：芝：胗 日期迦z ! z ! 三 第一章绪论 第一章绪论 m o c v d ( m e t a lo r g a n i cc h e n n i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 即金属有机物化学气相淀 积，它是在1 9 6 8 年由美国洛克威尔公司的m 柚鹤e “t i 啦】等人提出来的制备化合物? 半导体薄片单晶的一项新技术。该技术是采用族、族元素的有机化合物和v 族、族元素的氢化物等作为生长原材料，以热分解反应为基础在衬底上进行气 相外延，生长一v 族，一族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单层 其反应式一般可表示为： r l m l + r 2 一m 2 磊笔高m l m 2 + r t r 2 t 式( 卜1 ) 其中：m l - m ，m l - i i - ，m l - v l ，r l - c i l 3 、c z h 5 式( 卜2 ) m 2 - v j ，m 2 - v i ，m 2 - v l a ，r 2 一h 、a - i , 、c 2 h 5 式( 1 3 ) 在此之后，m o c w d 技术日益受到人们的广泛重视，主要是由于它具有下列一些显 著特点：。 、+ ( 1 ) 可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料：形成厚度精确控制到原子 级的薄膜，从而可以制成各种薄膜结构型材料。例如：量子阱、超晶格材料。可 以说，m o c v d 技术最终解决了人类对无机功能材料或器件结构型材料的需求问 题。这是因为，从理论上讲，有机物能同元素周期表上的全部元素，包括金属和 非金属元素化合形成有机化合物，且在较低的温度下成为汽态，气体能以最快的 速度均匀混合，而反应产物除合成的材料外均为挥发性气体。：因此，可以通过精 确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚度等特 性，可以生长薄到零点几纳米到几纳米的薄层和多层结构。 ( 2 ) 可制成大面积均匀薄膜，这表明m o c v d 技术是典型的容易产业化的技 术。因为材料生长的速度是由生长材料表面上反应的分子密度或浓度决定的，在 一定温度下气体分子密度是由气体压强唯一地决定。由气体的基本性质知道，生 产材料表面的均匀可以从压强及气体中快速的材料输运过程中得到保证。m o c v d 技术同其他任何外延技术相比，可制得更大面积、更均匀的薄膜。 ( 3 ) 纯净的材料生长技术。不使用液体容器( 例如坩埚) 及低温生长的气相反 应，使得污染来源减到了最少，而且有机源特有的提纯技术使得m o c v d 技术比 2 m o c v d 远程监控系统设计 其他半导体材料生长技术生长的材料纯度提高了一个数量级。 ( 4 ) 灵活的气体流向控制技术。气体流向的快速切换技术、生长过程编程全自 动控制，使得人的随机因素影响减至最小且重复性很好。晶体的生长速率与族 源的供给量成正比，因而改变输运量，就可以大幅度地改变外延生长速度( o 0 5 x m n m i n ) ( 5 ) 低气压外延生长是m o c v d 技术中的特色技术。低气压外延生长提高了生 长薄层的控制精度，能减少自掺杂；有希望在重掺t c 衬底上进行窄过渡层的外延 生长，能减少外延生长过程的存储效应和过渡效应，从而获得衬底一外延层界面杂 质分布更陡的外延层：低压下，减少某些气相中的化学反应，便于生长i n p 、g a l b a s p 等含k 组分的化合物外延层。 经过近几年的改进和完善，特别是在源气体的纯化和运输以及生长系统的密 封和净化上取得了重大突破后，作为具有生长超薄层、突变结和梯度层能力的 m o c v d 技术取得了惊人的进展，推动了化合物半导体器件的发展用这种技术 已经制出具有陡峭界面的量子阱、异质结、超晶格和选择掺杂等新结构的光电子 器件，使它成为现代制备优质外延层的重要手段 m o c v d 技术是半导体物理、物理化学、光学、流体力学、热力学等学科交 叉的- - n 新兴学科技术，但其关键之处还在于金属有机化合物( m o ) 和m o c w d 设 备的研制。 1 , 2 1 原材料 作为m o c v d 的m o 源，一般有要求：( 1 ) 易于合成与提纯；( 2 ) 有适当的蒸汽 压；( 3 ) 在室温下最好是液体；( 4 ) 有较低的热分解温度：( 5 ) 毒性低与可接受的价格。 有机金属化合物，国际上早在1 9 6 4 年美国a l f a 公司已研制生产，到目前已有几十 家公司生产，品种有5 0 多种，产品纯度为电子级，大多是液体。有机原材料的提 纯除了通常的过滤分馏等物理提纯及化学提纯方法之外，还广泛使用了配位化学 的新技术。 m o c v d 制备v 族化合物时，v 族元素的化合物一般都采用砷烷( a s h 3 ) 、 磷烷( p h 3 ) ，两者均系剧毒气体。m o c v d 技术的主要缺点之一也正在于需用大量 有毒气体。因此研究毒性较小的有机砷【3 l 来代替实属必要。有机砷化合物的毒性， 随分子中含h 原子数目减小而降低p 7 1 ，然而使用毒性最低的t m a s ，会在淀积膜 中引入大量c 沾污。因此，含有2 个h 原子的叔丁基砷化氢( t b a s ) ，被认为是目 第一章绪论 3 前较好的a s h 3 的取代物；而取代p h 3 以叔丁基磷化氢( t b p ) 最有希望。 m o c v d 技术之所以有多方面的应用是由于有机金属及氢化物源的范围很广， 对原材料的纯度、稳定性及减少毒性方面作了广泛的研究。除了人们最为关心的 v 族氢化物的毒性问题外，在纯度方面，：商业上可能买到的有机金属源，都不能 令人十分满意三甲镓( t m g a ) 的情况比较好，其中s i 杂质低于0 0 2 x1 0 r 6 。三乙 镓c r e g a ) 与三甲镓相比，在生长层内有少量的碳掺入，还需要进一步改进纯度。 在固体源中使用三甲基铟c i m h i ) ，在较长的生长流程中，存在流量不稳定的问题 s l 。 总之，如何更好地解决原材料方面存在的种种不足之外，仍将是m o c v d 技术日 后进一步发展有待研究的一个课题。 ，m o c v d 。技术相对分子束外延系统，一个突出的优点就是设备比较简单。它 和一般气相外延生长一样，也分为卧式和立式两种。：加热方式有高频感应加热和 辐射加热。根据反应室的工作压力可以为常压m o c v d ( a p m o c w d ) 和低压 m o c v d ( l p m o c v b ) 。m o c v d 生长系统一般包括气体处理系统反应室，尾气处 理和控制系统 m o c v d 系统方框图( 见图1 1 ) ，m o c v d 生长系统简图( 见图1 2 ) 4 m o c v d 远程监控系统设计 图1 2m o c v d 生长系统简图 1 2 2 1 气体处理系统 气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并精确控制其浓度、送入 的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延 层。气体处理系统由金属有机化合物( m o ) 供应系统、氢化物供应系统和特殊设计 的“生长捧空多路阀门组”( v e n t - r u n m a n 渤l d ) 等组成【9 】。 送入反应室的气态源的摩尔流量，直接由高精度电子质量流量控制器来控制 生长一排空阀门组的基本单元是三通阀门，所有需精确控制剂量的反应剂都先进入 多路阀门组，从这里再选择是进入生长管线还是排空管线。生长排空多路阀门在 几何结构上可以是直线型或排列成辐射形状，当要避免某些多路反应剂之间严重 的预反应时，可以采用双重多路阀门结构，将反应剂分成两组送入反应室。 1 2 2 2m o c v d 反应室 反应式是原材料在衬底上进行外延生长的地方，它对外延层厚度、组分的均 匀性、异质结的梯度、本底杂质浓度以及外延膜产量有极大的影响。一般对反应 室的要求是：( 1 ) 不要形成气体湍流，而是层流状态；( 2 ) 基座本身不要有温度梯度； ( 3 ) 尽可能减少残留效应。通常反应室由石英玻璃制成，近年也有部分或全部由不 锈钢制成的工业型反应器。为了生长出优质外延片。各生产厂家和研究工作者在 反应室的结构设计上下很多功夫，设计出不同结构的反应室，包括：桶式反应室， 立式反应室，旋转式反应室，水平式反应室，扁平式反应室。 水平式反应室和立式反应室通常可容纳1 至2 片直径为4 虬7 4l m 的衬底， 适于研究工作用。桶式反应室、高速旋转盘式反应室( 转速为7 0 0 - - 1 5 0 0r m i n ) 和扁 平式气垫行星旋转式反应室适用于多片批量生产，容量可达每次生长2 0 片7 4c m 直径的衬底或更多 尽管这些大型反应器的厚度、组分和掺杂均匀性控制方面更为困难，但是目 前已经取得了重大进展。例如，行星式旋转的扁平式反应室和高速旋转盘式反应 l 一 第一章绪论 室一次生长7 片直径为4 9c m 的外延片，在生长g a l x a l x a s g a a s 时，其片内和片 间的厚度和掺杂浓度杂质化仅为土i ，在生长g a l x i n x a s i n p 时，片内三元固溶体 中i n 含量( x 值) 变化仅为0 0 5 1 l o , n l 。 1 2 2 3 尾气处理 m o c v d 使用的m o 源大多数是易自燃及有毒的，许多氢化物有剧毒，很多 副产物也有毒性或易自燃，因此在反应室排出的尾气中含有大量有毒和危险物质 ( 气体和粉尘) 。不论是常压还是低压m o c v d 装置，尾气在向大气排放前都要经过 处理，用高效过滤器过滤捧粉尘，并使有毒物质浓度达到国家规定排放标准以下。 ，常用的去掉有毒气体方法，有利用物理吸附作用的活性碳过滤器，利用化学 反应吸收毒气的干式或湿式过滤器，以及通过热分解或燃烧使毒气转化为粉尘再 过滤的方法。以上方法也可组合起来使用 为了保证m o c v d 设备的安全运行，常常配备危险气体探测器监测尾气及工 作室内的有害气体含量，并把监测器与控制系统相联，7 成为安全连锁装置的重要 组成部分。 1 2 2 4 控制系统 由于气体流量、压力、温度的电子控制器和电磁气动阀门的采用，m o c v d 装置的运行可通过人工控制集中安装在电控面板上的按钮来实现；控制系统中还 包括安全速锁装置，以防止误操作可能产生的严重后果，并在事故发生时自动使 系统进入保护状态，以减轻事故的危害，保护操作人员人身安全 目前m o c v d 大都配有微计算机控制系统，微机控制系统在生长超晶格、量 子阱和组分或掺杂梯度层时尤为重要。微机控制系统提高了生长的重现性，也有 助于消除人为误动作，增加了软件安全功能和处理与分析事故的能力。先进的系 统还可提供数据分析功能，统计源的消耗功能等，配以装、卸片机械手，完全可 实现m o c 、的全自动生长 在半导体研究和开发中，一代设备仪器推出一代技术，一代技术推出一代产 品。m o c v d 技术的实现主要依赖于先进、昂贵的设备和仪器。两m o c 、设各 是高新技术密集型综合性产品，技术十分复杂，投资强度需求巨大 我国的m o c v d 设备的研制起步于代初，从事m o c v d 技术的研究也具 有十几年历史。少数单位，像中科院长春物理所、中科院西安光机所等，已经有 自行设计和制造的m o c v d 设备。但是，大多数单位则采取引进国外先进的 m o c v d 设备高起点地开展m o c v d 技术的研究和高质量外延片的批量生产工作， 像华南师范大学、上海华亿公司、北京半导体所、石家庄汇能公司等，分别从美 6 m o c v d 远程监控系统设计 国、德国、瑞典引进设备。 目前国际上生产m o c v d 设备的厂家以德国a i x t r o n 公司和美国e m c o r e 两家公司最为著名。它们生产的舰4 0 0 型和g s 3 2 0 0 型等系列m o c v d 设备已 成功地用于各类异质结、量子阱、超晶格等优质外延片的生产。在光电材料l e d 方面，高亮度红色、橙色、黄色、绿色、蓝色l e d 能进行大批量商业化生产，目 前每炉的批量以4 9g i n 计为1 5 1 7 片。 一台精良的生产型m o c v d 设备集气体动力学、流体力学、自动化控制、c a d 于一体。目前先进的m o c v d 设备有两大类，一类是行星式旋转大面积均匀生长 设备，该设备基本上是常压水平式生长结构，以德国a i x t r o n 公司的设备为代 表。该设备衬底盘可以做得很大，且缓慢均匀旋转。衬底盘上装载的衬底在生长 材料过程中，被自下向上流入的氢气流轻轻托起并匀速旋转，保证了衬底上的材 料可大面积、均匀地生长。这就是著名的气体轴承式结构。最新发展的a i x t r o n 生长室还吸收了立式生长方式的优点：原材料气流从室顶部注入，再在衬底上方 变成平流方式。这样就能及时补充因材料生长过程中原材料逐渐消耗引起的不均 匀性，使得a i x t r o n 公司的设备成为优质外延片生长规模最大的设备。 另一类是高速涡轮立式生长设备，该设备基本上是低压立式结构，以美国 e m c o r e 公司的设备为代表1 1 2 - t 4 1 。该设备的衬底盘转速达1 0 0 0r r a i n 或更高，基 座旋转不仅改善了温度均匀性，而且还利用了固态和气态界面的粘性曳力，高速 旋转的基座还起了泵的作用，改善了基座上方温度和反应剂浓度分布均匀性，有 助于获得均匀的外延层和较高的生长速度。除了衬底随基座旋转外，衬底自身没 有自转。这种设备还有如下一些显著的特点：( 1 ) 系统内气流以角速流动，记忆效 应小，记忆时间短，因而原材料切换非常快捷，特别适用于突变异质结、量子阱 和超晶格等结构的生长；( 2 ) 衬底基座旋转产生的抽吸作用。除生长的外延材料外 的其他反应产物全部被甩掉、抽走，反应室上部总是保持很清洁的状态，从而大 大减少了反复停机清洗反应室的次数，一般一年清洗一次就可以了；( 3 ) 幸寸底表面 温度的均匀性好、梯度很大，反应仅在表面上进行，这不仅使得材料生长的均匀 性很好，而且还可节省昂贵的原材料；( 4 ) 设备采用了平衡气压控制，任何一种气 流的切换均不影响总体气流的均衡流动没有踹流、涡流等造成的不良影响。由于 受衬底托盘尺寸的限制，涡轮m o c v d 的生产规模有一定的局限性，目前其大型 生产型机的衬底盘可装载4 9c m ，衬底片3 9 片。 以上介绍了两类先进的m o c v d 设备，以上面不难看出。m o c v d 设备发展的趋势是通 过改变源气体的供给方式或基片的悬浮与转动，实现大面积、大批量、高均匀性和陡峭的过 渡界面层的计算机控制生长。 第二章m o c v d 设备远程监控系统总设计方案 7 第二章m o c v d 设备远程监控系统总设计方案 2 1 影响m o c v d 。生长质量的主要因素 通过上文，我们了解到，m o c v d 生长质量的好坏，在原材料一定的前提下， 主要取决于m 0 c 、l ，d 设备的先进程度。其中，m o c v d 设备的自动化程度是衡量 m o c v d 设备先进程度的主要标志。因此，m o c v d 发展的趋势就是计算机控制 生长。以利用e c r - m o c v d ( 电子回旋共振e c r 辅助金属有机化学气相沉积装置1 1 5 】) 方法外延生长c r a n 薄膜工艺过程为例： 在c _ , a a s ( 0 0 l y n 底上的立方g a n 生长工艺流程如图。2 1 所示【l q 。主要由如下 几个阶段组成：氢等离子体放电清洗0 0 、氮化( f 0 、缓冲层生长似) 、外延层生长( 0 、 降温等其中每一阶段都对时间( f ) 微波输入功率) 、衬底温度( 劭、各路气 体的流量( 氢气、氮气，) 、三甲基镓勘和反应室的压强t e o ) 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，从而大大影响实验结果的可 靠性和准确性。下面具体分析一下在图2 t 所示生长过程中对g a n 单晶薄膜晶体 质量发生影响的主要因素1 1 6 j 。 ( 1 ) 时回 。时问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。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g a n 外延薄膜的光电和结构特 性。又例如外延层的生长，如果外延层生长时间( 决定了外延层的厚度) 太短，g a n 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c a n 材料之间的 熟失配发生g a n 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，如树底的清洗温度一般限定在4 0 0 左右，氮 化一般是从4 7 0 开始，生长缓冲层一般是在5 0 0 进行。最为重要的是生长温 度，在c r a a s 衬底上生长立方g a n 的温度一般控制在6 0 0 1 2 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g a n 生长工艺流程来说，气流量的控制包括对h 2 、n 2 和t m g a 三种气 体流量的控制。其中对n 2 和t m g a 流量的控制即v i i i 比的控制在实验过程中尤 8 m o c v d 远程监控系统设计 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 g a n 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。 ：to l j h j n j o 已i p w 岛 岛缸 鲁 白 图2 1g a n 生长工艺流程图解 2 2m o c v d 设备特点 由此可见，m o c v d 设备是集成了精密机械、电子、物理、光学、化学、计 算机等学科的大型综合设备，其控制系统的特点m 是： ( 1 ) 控制对象复杂。包括温度、压力、压差、流量、旋转、升降、真空泵、电磁阀、 湿度检测、毒气探测等。 ( 2 ) 控制量大。模拟量输入点( a l a n a l o g i n p u 0 和模拟量输出点( a o ，a n a l o g o u t p u t ) 有1 0 0 多点，数字量输入点( d i ，d i g i t a li n p u t ) 和数字量输出点( d o ，d i g i t a l 第二章m o c v d 设备远程监控系统总设计方案 9 o u t p u t ) 多达2 0 0 点，还有多路通讯控制。 ( 3 ) 控制精度高。例如基片温度、气体流量、反应室的压力这些关键参数的控制精 度对外延片的均匀性、光学特性、结晶质量等有着直接的影响。 ( 4 ) 互锁功能多。由于控制量大，工艺步骤复杂，一次实验需几百个工艺步骤才能 完成，几乎每一步都要有互锁功能。 ( 自动化程度高。当工艺开始后，反应室的温度和压力、气体流量、，旋转、电磁 ，阀的动作、m o 源的压力等完全自动控制，同时源的温度、冷却水的流量、氢 气和氮气的湿度、氢气探测器、各真空泵的状态等数据均送入计算枫，计算机 可判断当前状态是否正常，并确定下一步工艺是否进行。 6 ) 在线监测手段强。在工艺中必须对外延片外延工艺过程进行严格的在线监测， 并根据监测结果对工艺做出及时调整，以保证外延片的质量。 ” f 7 ) 可维护性好，m o c v d 在衬底表面外延生长所需膜层时，不可避免地在反应室 内壁和构件表面特别是喷淋头出口处同时生长不需要的膜层，这会造成工艺污 染并堵塞喷口，定期维护必不可少，这要求系统必须进行模块化设计。 2 3m o c v d 监控系统总体设计 m o c v d 系统的特点对控制系统提出了较高的要求，既要完成数据采集功能， 又要能实时显示工艺流程和工艺参数，还要实现各种互锁和故障报警功能，若采 用传统的工业计算机带板卡模式进行控制，系统可靠性根本得不到保证i 瑚 根据m o c v d 设备的特点以及这些特点对监控系统性能的要求，我们利用嵌 入式芯片，开发出自己的数据采集卡。! 嵌入式芯片能给我们提供多样式的系统接 口，大量可分配的逻辑单元，强大的逻辑计算处理能力和稳定的运行结果，完全 能够胜任控制对象复杂、控制量大的m o c v d 设备的监控处理。嵌入式芯片采用 的f p g a 芯片，属于现场可编程逻辑芯片，能够在运行状态下任意的更改内部逻 辑，实现根据m o c v d 反应的环境和状态，改变控制方法的目的，使m o c v d 反 应达到最好的效果。这对于提高生产器件的质量有着非常重要的意义 我们自行设计的控制系统分为数据采集压缩卡，数据传输卡和数据显示与处 理界面三大部分( 如1 图2 2 所示) 。数据采集卡主要是对影响m o c v d 反应的几个重 要参数，如温度、压力、压差、流量、湿度和毒气含量，进行采集。此外，图像 监视m o c v d 反应的各个阶段，以及m o c v d 设备的重要环节，对提前估计反应 质量，分析反应结果和防范安全隐患有这尤为重要的意义，也使远程控制成为可 能。因此，我们同时采集图像数据。由于引入图像数据后，信息量将会很大，为 了提高传输速率，在传输前要进行压缩处理。压缩后的数据经过串口传输到数据 传输卡上。由于m o c v d 反应实验的周期长，环境恶劣，并携带着有毒气体的生 m o c v d 远程监控系统设计 成，容易形成安全隐患。为了方便操作者，改善工作环境，避免安全隐患的发生， 我们设计采用远程传输系统来实现。远程传输系统采用互联网络为主要传输介质， 利用t ( 驯讲协议为主要的传输理论，远程计算机通过网络与控制系统互联，在 m o c v d 工作环境中建立起一个小型的局域网工作站，实现一台计算机或者几台 计算机共同协作完成监视和控制反应流程的功能。这样，操作者不需要接近 m o c v d 反应设备，在其他房间内观察和监视设各运行和反应过程。同时，数据 传输卡将计算机发下来的控制信号传递给各个控制模块，完成控制命令，达到闭 环动态监控的要求。数据显示与处理界面是人机对话的交互界面。界面包括各个 参数的显示，图像信号的显示，主要工艺的操作命令，打印数据结果和存储有用 数据等操作人员只需要简单操作计算机交互界面便可以完成主要工作，比较以 前的工作模式，简单，方便，安全，准确。 2 4m o c v d 反应主要参数的控制 2 4 1 温度控制 衬底温度是外延工艺中最重要的参数之一，温度的快速跟随性、快速升温速 率( 3 s ) 、快速稳定性( 6 0s ) 、控制精度( 1 ) 及均匀性( 1 ) 等对外延片的结晶质量、表面形貌、量子阱结构有很大的影响。因此在结构设计 中留有接口，定期用红外检测仪对衬底温度进行校准，并将校准后的数据输入真 实温度模拟程序中，计算出实际温度值，并由计算机在工艺过程中自动进行修正， 以保证温度的均匀性和重复性。加热器用钨丝绕制，采用恒流型控制方式( 利用晶 闸管完成) ，同时，鉴于钨的电阻温度系数很大，采用温度分段( 一般为三段) 调节 加热功率实现对温度的跟踪，并设置有电流过载保护和冷却水流量保护，防止加 第二章m o c v d 设备远程监控系统息设计方案 1 1 热器损坏，既可延长加热器寿命，又可使最快升温速率达到1 0 s 。 2 4 2 压力控制 反应室的压力也是外延工艺的重要参数之一。采用压力全自动闭环控制，宽 量程薄膜规用作压力传感器，：将反应室的压力信号输入压力控制仪，并与设定值 比较后调节电动阀门的开度，从而改变抽气速率对反应室的压力进行闭环自动控 制，如图2 3 所示。 图2 3 压力控箭示意图 2 4 3 基片座旋转控制 在外延生长中，基片座均匀旋转是保证外延片均匀性的最佳手段，转速一般 为1 0 - - 2 0 0r m i n ，转速也是采用全自动闭环控制。为保证旋转的平稳度，电机旋 转惯量的选择最为重要。 2 4 4 气流控制 气体流量采用质量流量计，通过a d 和d a 形成闭环控制，气流通断由低泄 漏气动阀门进行流量控制要求高精度，气流通断要求快速响应，以满足多量子 阱和超晶格结构l e d 芯片材料外延生长的要求。 2 4 5 安全防护 安全防护是c v d 技术永恒的话题。由于m o c v d 系统中使用h 2 和s i i - 1 4 等危 险气体，一旦发生泄漏将会对设备或人员造成威胁。因而在硬件设计时不仅设备 漏气率一定要达到要求，而且在电气设计中还要在气源柜和手套箱内进行危险气 体检测，并在设计中尽可能采用安全电压，在源柜、反应室及手套箱中不得设置 开关等带活动的触头和在动作时可能引起打火的电器元件。 2 4 6 故障报警分级处理 一级报警给出的警告信息定义为。有可能导致火灾、爆炸、中毒等特大事故， 造成人身伤害甚至致人死亡。”例如：h 2 泄露( 源柜、手套箱中探测到n 2 ) 、反应室 过压、h 2 管道压力低等，在绘出警告信息同时通过硬件和软件联锁电路自动关闭 危险气体管道，同时整个系统用大流量n 2 冲洗。二级报警给出的注意信息定义为 。有可能造成设备损坏或导致工艺失败。”例如( 温度、流量、旋转、压力参数偏 差等，给出注意信息并提示故障情况，由操作人员处理。 2 4 7 可靠性设计 在设备设计之初先进行可靠性设计，重要部份选用更高一级的元器件，关键部件采用降 额设计或冗余设计，使设备可靠性得到了充分保证。 第二章数据采集卡的设计 第三章数据采集卡的设计 数据采集卡是监控设备的核心之一，只有对设备环境温度、：湿度、压力等主 要参数的精确采集，才能保障控制系统操作的正确性。此外，系统要求具有实时 性，对时间的要求很高，但是m o c v d 工艺环境十分复杂，需要测量的数据量十 分巨大，有必要对已经采集好的数据进行压缩，充分利用网络带宽，达到系统的 实时性要求通过分析，我们看出，数据采集卡分为数据采集，”数据压缩两个大 的组成部分。数据采集卡利用模数转换器( a d ) ，将设备的模拟量，如：温度，湿 度，压力和图像等，转换为数字量。数字量通过可编程逻辑器件( f p g a ) 提供的接 口，将数据存储到s r a m 中j 进而将s r a m 中的数据存储到s d i 认m 中。此时完 成了对待监控信号的采集过程。数据压缩是利用d s p 完成的，j 当数据被存入 s d r a m ：以后，d s p 便把数据从s d r a m 中取出，利用已经编写好的压缩算法， 将数据压缩，最后通过串口将数据发送到下一级单元。系统框图如3 1 所示。 图3 1 数据采集卡框图 如图3 1 中所示，主要控制芯片有两个，一个是f p g a ，一个是d s p 。f p g a 用来处理数据的采集，为s r a m 存储提供接口d s p 主要功能，一是通过d m a 控制s d r a m 的存取，二是在内部压缩数据，并将数据发送到串口上。与d s p 相 连的f 乙峪h 用来固化d s p 压缩处理数据的程序，使d s p 上电自举。当d s p 上电 时，程序会自动加载到d s p 上运行s d r a m 是d s p 的扩展外部空间由于图像 数据量庞大，图像处理占d s p 资源多，但靠d s p 内部的存储空间是不够的，因此 需要外接一个s d r a m ，缓解d s p 内部资源紧张的问题。串口利用r $ 2 3 2 异步串 口，由d s p 片上e m i f 3 模块扩展外部u a r t 来实行异步串行传输的。注意到，与 f p g a 相连的有两个s r a m ，它的作用相当于一个双口r a m 或f i f o ，用来实现 1 4 m o c v d 远程监控系统设计 乒乓缓存结构。1 2 c 总线用来配置a d 工作模式寄存器。系统上电时，d s p 首先会 通过i z c 总线设置a d 工作模式。 我们知道，m o c v d 设备监控数据量非常大，尤其引入视频信号后，数据量 的庞大已经成为数据处理的突出问题。特别是系统对图像的帧率和分辨率的要求 很高，必须采用一种高速的数据缓存系统。而乒乓缓存结构便是高速缓存解决方 案中性价比较高的一种。在采集系统中实现乒乓缓存结构的具体实现过程将在下 面的文章中详细说明。 3 1 模拟信号的采集 3 1 1a d 转换芯片 对于数据采集系统而言，模数转换器似d ) 是系统的最关键部件。鉴于本系统 所要测量的信号频率是比较高的，按照采样定理，所需的a d 必须是高速的，这 样的高速采集系统所采集的数据才能比较真实地反映被预4 信号。但是a d 器件的 价格与采样速率是成正比关系的，所以在选择a d 时，必须权衡其性能价格比。 另外，监控系统的测量量很大，要求至少有几路信号通道，能同时进行几路信号 的检测，以便以后观察和同标准量进行比较。 这就有三种采集方案可供选择，其中之一就是几条通道采用开关切换方式。轮 流输入到单路a d 进行采集。然而这种交替工作方式肯定是要丢掉一部分信息的， 所以就不能达到几路同时采集并准确地观测数据的目的。另一种方式则是采用多 路a d ，多路信号分别对应各自的a d 通道，彼此互不干扰，各自成为一条采集 通道，这就大大减少了信息的丢失。但是多路a d 通常要比单路a d 价格贵一些。 还有一种方式就是采用几个单路a d ，这种方法的实现过程跟多路a 仍原理上是 一样的。通常情况下，综合以上考虑，在系统成本可承受的前提下，决定选购一 款价格适中的高速a d 芯片砸耶5 8 0 。它是单路的8 位并行a d ，其最高采 样率可达8 0 m s p s 3 1 2 信号的调整 为了更准确的测量数据，在被测信号在进入a ，d 之前，必须经过适当的处理， 达到a d 的要求。大信号必须经过适当的衰减，以免因信号幅度过大损坏电路中 的元器件及弓l 起信号的失真。而小信号需要放大，否则采集后恢复的信号幅度太 小，以致无法正确的观测信号，所以对信号的调理是非常重要的。从上面可以看 出，信号的调整可分为衰减和放大两部分。 第三章数据采集卡的设计 l 、衰减网络 利用传统示波器的衰减网络原理，系统的衰减部分采用了肜。无源衰减网络， 其原理如图3 2 所示。 v i i l l ： i ：丰e l iv o 。i 。 r 2 i：牢龆 i 图3 2 衰减网络原理 衰减器的衰减量为输出电压与输入电压k 之比，也等于j 弓c l 的并联阻抗z l 与恐c 2 的并联阻抗z 2 的分压比其中 墨 印笠- 志 引， 兄+ 三一 1 卞协i 。l j 蝈 ， z 2 一尝生i - 上l + j o , 恐c 2 。引蚴 见+ j q 当满足焉g = 兄c 2 时，z l 、z 2 表达式中分母相同，则衰减器的分压比 堡j | l l 式( 粥) kz 1 + z 2 墨+ 是 。 这时分压比与频率无关。图3 2 的电容应该计入电路的分布电容，组成衰减器 的电容也可有一定的范围，1 只要调整到满足式墨g = r g 的关系，分布电容的影响 就可不予考虑，对信号的影响也就比较小。 不同的衰减倍数对应于不同的衰减网络，多个衰减网络通过转换开关就组成了 衰减器考虑到被测信号的幅度有可能达到几十伏、甚至上百伏，而且必须实现 程控，所以衰减器的转换开关就采用继电器控制，通过控制继电器的关断来转换