MOCVD系统检漏技术

宋 健，张清旭

（化学与物理电源重点实验室，天津 300384）

1 MOCVD 技术背景

MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积）是生长高质量半导体薄膜材料的技术。它是1968 年由美国洛克威尔公司的H.M.Manasevit 提出来的一种制备化合物半导体薄层单晶的方法。20 世纪80 年代以来，得到了迅速的发展。MOCVD 设备在太阳能电池、发光二极管（LED）、场效应晶体管（FET）、探测器、半导体激光器等多个领域有广泛应用。MOCVD 技术涉及流体力学、反应动力学、传热学、光学、控制工程等领域，属于一门综合运用各个学科技术的高科技设备，具有较高的学术研究价值。

目前全球市场上MOCVD 设备以美国Veeco、德国Aixtron 为主。近年来，国产MOCVD 设备的研发也有了长足的进步，中微、中晟两家公司研发的国产MOCVD 设备，市场份额正在逐年扩大。虽然各家公司的设备结构有所不同，但MOCVD 设备的运行原理并没有本质上的差别。本研究基于砷化镓太阳能电池研究领域，该MOCVD 系统使用的原材料为易燃、易爆、剧毒的气体氢化物及液态金属有机化合物（MO 源），载气为超高纯的氢气、氮气混合气体。

2 当前主流漏率检测技术

目前，氦质谱检漏仪法是世界公认的最灵敏、能定位和定量测量漏孔漏率的一种优选方法。因此在各行业中得到了广泛的应用。如何正确的反映MOCVD 系统工作时的漏率值，并尽可能的降低漏率值，仍然是广大工艺人员和维护人员所关心的问题。另外，基于安全和设备本身的限制，氦质谱检漏仪法并不是万能的，MOCVD 系统部分分支机构需要结合静态升压法、静态降压法、氢气仪检漏法、气泡检漏法等方法进行检漏，只有当设备所有的分系统漏率都处于可接受的范围，才能保证设备安全、稳定的运行，才能保证生产出质量合格的产品。

3 MOCVD 系统原理及设备检漏技术简介

MOCVD 就是以金属有机物（如TMGa，TMAl，TMIn，TEGa等）和烷类（如AsH3，PH3，NH3，SiH4等）为原料进行化学气相沉积，生长单晶薄膜的一种技术，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延。金属有机化合物大多是具有高蒸气压的液体，通过氢气、氮气或者其他惰性气体作为载气，将其携带出与烷类混合，再共同进入反应室高温下发生反应。其技术基础是在一定温度下，金属有机物和烷类发生热分解，再在一定晶向的衬底表面上吸附、化合、成核、生长。

因为MOCVD 生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料，因此在MOCVD 系统中，通常要考虑系统密封性要好，在满足安全的前提下，尽量降低系统的漏率，避免引入外部杂质。除了系统的外部漏率需要满足要求外，气动阀门还须具有较低的内部漏率。一般来说，MOCVD 系统是由气体输运系统、反应室和加热系统、尾气处理系统和控制系统等组成。

本论文的核心工作是对气体的输运系统、反应室和尾气排放系统进行高等级的漏率检测。气体输运系统的作用为向反应室输送各种反应气体。该系统要能够精确的控制反应气体的浓度、流量、流速以及不同气体送入的时间和前后顺序，从而按设计好的方案生长特定组分和结构的外延层。气体输运系统包括氢气和氮气纯化供给系统、金属有机化合物供给系统、烷类供给系统以及多路阀门组。反应室包括双胶圈密封系统、喷淋系统、循环水系统。尾气排放系统包括主排气管路、安全旁路、尾气收集管路。

MOCVD 系统检漏主要是采用氦质谱检漏仪完成的。对于不能够使用氦质谱检漏仪的部件，则采用氢气探测仪、真空规压力计等仪器间接测量漏率。氦质谱检漏仪采用ULVAC 公司的UL1000 Fab 检漏仪，该型号检漏仪灵敏度高，在最佳工作状态下，最小可检漏率Qmin＜1.0×10-13Pa·m3/s，在具体检漏工作状态下（不一定最佳），有效最小可检漏率Qe＜1.0×10-10Pa·m3/s。氢气探测仪选用德尔格公司的X-AM5000 型号的检测仪，该型号的探测仪对氢气分子的探测能达到PPM 量级。

4 MOCVD 系统各部分检漏技术研究

MOCVD 技术涉及多种学科专业知识，对设备部件的控制精度要求很高，因此其构成非常复杂。MOCVD 系统主要包括反应室系统，加热系统、冷却系统、气体输运及尾气处理系统和控制系统等部分。检漏工作主要是针对反应室系统、冷却水系统、气体输运系统、尾气排放系统来进行的。

MOCVD 设备核心反应室一般在（0.003～0.08）MPa 的低真空范围运行，工艺气体多数为剧毒的氢化物，比如AsH3气体的半数致死浓度LC-50 为（5～50）×10-6，PH3气体的半数致死浓度LC-50 为（11～50）×10-6，这就意味着即使该气体轻微泄漏，一旦被人吸入即可致命；另外，进入反应室的气体一般为99.9999%超高纯气体，设备微漏会导致空气中的氧分子进入反应室，氧原子一旦并入晶格形成深能级杂质，便会产生与氧相关的缺陷，严重影响产品的性能，所以MOCVD 工艺对设备的整体漏率要求非常高，一般要求漏率至少高于5.0×10-8Pa·m3/s。氦质谱检漏仪法需要MOCVD 设备真空腔体及管路处于高真空状态，由于设备的主泵选用的是机械式密封干泵，极限真空约为5.3 Pa，故先设定系统真空度到0 MPa，然后使用高纯度、小气量氦气对设备各部分进行检漏。对于MOCVD 设备的检漏主要是按照系统功能分为主排气管路、反应室部分、气体输运部分、气体分配柜双层套管和手套箱等部分。

4.1 MOCVD 主排气管路检漏技术

MOCVD 主排气管路位于反应室下部至主泵进气端口之间，这段管路直接影响MOCVD 设备运行的稳定性、安全性，其中距离反应室下端最近的Y 形管路还直接影响生长工艺的稳定性，由此对主管路各部件的漏率检测为重中之重。将设备反应室及管路置于高真空状态下，然后使用小气量的氦气枪，对主排气管路逐段进行检漏，尤其对管路静密封的卡套连接处及动密封的球阀开关点位进行检漏。这些点位由于受主泵的振动及频繁的开关，很容易造成连接松动及密封胶圈老化、变形，导致密封失效。虽然正常生长时，管路处于低压状态，有毒气体能够全部排放至尾气处理装置中，但是由漏孔进入管道的少量水、氧分子可能会扩散到反应室，与原材料进行反应，影响产品性能。此外，一旦管路长期未更换，管路内壁沉积过多杂质，导致堵塞，便会导致有毒气体泄漏，造成安全事故。

4.2 反应室部分（双胶圈密封部分、喷淋头部分、冷却水部分）检漏技术

MOCVD 系统的反应室是工艺的核心部件，无论从工艺上讲，还是从安全的角度看，反应室的漏率要求都会比较高。首先，对于反应室的气体喷淋系统和吹扫净化系统，由于这些部件与真空腔室相通，所以可以先将喷淋气体总阀门和吹扫净化气体总阀门关闭，将真空腔室抽成真空，然后使用氦质谱检漏仪法进行检漏。

MOCVD 系统反应室主法兰、加热线圈、喷淋头、主轴磁流体等包含多路独立的循环冷却水，当设备的使用年限变长时，将面临局部水管腐蚀，轻微渗水，在高温下水汽挥发，影响产品性能。对于冷却水管的检漏，首先是将部分的水管前级阀门关闭，然后使用干燥的氮气对管路进行吹扫，实验中，选用99.999%的N2，压力设定在0.3 MPa，使用1/8 英寸管路对循环水管路吹扫24 h 以上，然后将反应室置于真空状态，并向干燥的循环水管路内注入氦气，观察氦质谱检漏仪的数值变化。

为了保证MOCVD 设备安全运行，反应室采用双胶圈密封，内外两个密封胶圈之间留出空隙。平时生长时，使用小型干泵将空隙抽成低真空，一旦内部胶圈泄漏，泄漏气体便由空隙排出，外部胶圈起到保护作用。对于双胶圈密封部分的检漏，一般选用静态升压法。将双密封圈之间的空隙抽成真空后，关闭真空阀门，使空隙与真空干泵隔离，然后观察测量空隙的真空计压力变化，从而可以算出总漏率。由于真空计能够指示出压力微小变化，所以这种方法可做到很灵敏。由于双密封圈间空隙很小，所以容器放气可以忽略，其容积为V（L），在时间间隔Δt（s）内所测到的压力上升为Δp（Pa），那么总漏率Q（Pa·L/s）为Q=V Δp Δt 。

在计算漏率时，一般应在压力随时间线性上升段取数据。

4.3 气体输运部分检漏技术

MOCVD 是一种气相外延生长技术，所以通向反应室的高纯气体输运管路是要尽可能高等级密封的，气体输送管路一般选用316 L 不锈钢管，内壁抛光处理，管路连接一般使用世伟洛克的VCR 金属垫片面接头，密封件一般使用镀银的镍垫片，管路漏率能达到1.0×10-9Pa·m3/s，这部分连接如果没有外力扭动，一般不会泄漏。输运管路连同管路上的流量计、压力计及气动阀门均可以使用氦质谱检漏仪法进行检漏。需要指出的是，对于气动阀门，随着阀门的使用时间变长，阀芯老化，可能存在气动氮气经由阀芯进入输运管道的隐患，对于该故障的检漏方法，一般是将输运管路总阀门打开，连同真空腔室抽成真空，然后使用外接的（0.2～0.4）MPa 氦气作为驱动气体，驱动气动阀门开启，然后观察氦质谱检漏仪的示数变化，由此判定是否有气动气体进入反应室。

4.4 气体分配柜双层套管、手套箱等检漏技术

MOCVD 系统极其复杂，各式功能的管路众多，对于真空泵不能够抽真空的管路，往往在管路上安装有压力表。设备反应室一般处于正压氮气密闭操作箱中，操作箱的压力由深入箱体中的压力计测量控制。对于这些部件，往往使用静态降压法进行漏率测算。

静态降压法的计算公式和静态升压法的公式相同，唯一的区别是在测量初期，需要向管路或箱体中施加几倍于大气压的气体，然后统计若干时间后的压降，总漏率代入公式计算得出。

5 降低MOCVD 设备漏率的措施

定期对MOCVD 设备进行检漏，一旦发现漏率上升，要及时实施改善措施。要持续的改进设备，尽可能的降低漏率。对于氟橡胶密封系统，发现胶圈有破损、永久压缩变形、化学腐蚀、热腐蚀、压力爆破、气体析出材料损失、污染等现象，严禁使用。对于真空泄漏的部件，在成本许可的前提下，尽量更换新的部件。然后就是定期的对设备进行漏率检测，发现有漏率上升的趋势，及时的对设备整体进行检漏。设备整机漏率是一个系统各部分漏率的综合体现，只有把单个部分的漏率降下来，才能将整体的漏率改善。分清主次，搞清整体和局部的关系，才能一步步把设备的整体性能提高。

6 结论

MOCVD 系统极其复杂，各分系统功能多样，各部分之间又相互牵制影响，对设备检漏前必须要仔细分析各子系统之间的关系，做好整体的检漏方案，鉴于设备的安全性，要对所有的可能漏点逐一排查。根据设备的具体使用情况，综合运用各种检漏技术，不断实践，总结经验和规律。在保证MOCVD 系统安全运行的同时，也就保证了操作人员的安全，进而提高了设备的生产质量，增加了设备的产品附加值。