一种MOCVD反应室压力控制系统及压力控制方法

一种mocvd反应室压力控制系统及压力控制方法
技术领域
1.本发明涉及金属有机物化学气相沉积领域，尤其涉及一种mocvd反应室压力控制系统及压力控制方法。


背景技术：

2.金属有机物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，mocvd)设备是制备半导体薄膜器件的重要设备，是制备化合物半导体材料的关键技术之一。
3.在mocvd设计过程中温场及流场的稳定性和均匀性尤为重要。反应室内存在着复杂的气流运动，控制过程极为复杂。流场的稳定性直接影响设备的稳定及工艺的稳定性，进而影响外延薄膜材料的厚度和组分的均匀性。而若流场呈现湍流模式，会在反应室腔壁上形成颗粒沉积，这些沉积的颗粒会影响外延材料的表面，降低产品良率；而且这些沉积的颗粒可以改变反应室流场的分布，进而缩短设备的维护周期。
4.然而现有的金属有机物化学气相沉积设备不能够提供稳定的气场流，为此，需要提供一种控制系统来控制反应室的实时压力，为反应室提供稳定的气场流。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于提供一种mocvd反应室压力控制系统，其能够控制反应室的实时压力与设定压力基本保持一致，从而为反应室提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
6.为达到上述目的，本发明提供的方案是：
7.一种mocvd反应室压力控制系统，包括压力检测单元、分析单元和执行模组，所述执行模组包括均与反应室连通的进气单元和尾气单元，所述尾气单元包括至少两组排气组件，每组所述排气组件均包括与反应室连通的排气管路、与所述排气管路连接的泵体、以及设置在所述排气管路与所述泵体之间的调节阀，所述压力检测单元用于检测反应室的实时压力，并将检测结果输出给所述分析单元，分析单元根据压力检测单元的检测结果进行判断分析，并输出控制指令给所述进气单元和所述尾气单元，所述进气单元执行所述分析单元输出的控制指令使进气阀或打开或关闭或保持不变，所述尾气单元执行所述分析单元输出的控制指令使各个所述调节阀或打开或关闭或保持不变。
8.优选地，每组所述排气组件还包括过滤器，所述排气管路通过所述过滤器与所述泵体连接，所述调节阀设置在所述过滤器与所述泵体之间。
9.优选地，所述排气管路包括两个呈对角分布在所述反应室的排气管，两个所述排气管连接至同一所述过滤器。
10.优选地，所述反应室呈圆柱状设置，多个所述排气管以所述反应室的中心为圆心均匀分布。
11.优选地，所述排气管呈圆柱型，所述排气管的上端直径与下端直径不同。
12.优选地，尾气单元还包括匀气结构，所述匀气结构开设有多个与排气管路适配的
圆孔，所述匀气结构设于所述反应室底部，所述排气管通过所述圆孔与所述反应室连通。
13.优选地，所述压力检测单元包括用于实时检测反应室压力的压力传感器。
14.本发明的第二个目的在于提供一种用于如上所述的mocvd反应室压力控制系统的压力控制方法，包括：
15.步骤s100，采集反应室的实时压力值，比较反应室的实时压力值与设定压力值的大小以及判断该状态的持续的时间，若实时压力＜设定压力，且持续时间≥t1，则进气单元的进气阀打开，若实时压力＜设定压力，且持续时间＜t1或实时压力＞设定压力，则进气单元的进气阀关闭；
16.步骤s200，设定调节阀的开角最小的一组排气组件的工作状态为常开状态；
17.步骤s300，判断mocvd设备处于待机状态还是生产状态，若mocvd设备处于待机状态，则执行步骤s400，若mocvd设备处于生产状态，则执行步骤s500；
18.步骤s400，判断各组排气组件的调节阀的开角大小，若常开状态的排气组件的调节阀的开角＜10％，则该排气组件设定为开启状态，其余排气组件关闭；若各个调节阀均满足10％≤调节阀的开角≤30％，则调节阀的开角较小的两组排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件；若各个调节阀的开角均≥30％，则各组排气组件均设定为开启状态；
19.步骤s500，定义(实际压力-设定压力)/设定压力为p，若0％≤p≤a，则常开状态的排气组件保持开启，其余排气组件关闭；若p≥a，且该状态持续时间≥t2，则至少两组调节阀开角较小的排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件。
20.优选地，排气组件设置为三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则三组排气组件中调节阀开角较小的两组设定为开启状态；若p≥b且持续时间≥t3，则三组排气组件均设定为开启状态。
21.优选地，排气组件设置为大于三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则多组排气组件中调节阀开角较小的两组设定为开启状态；若b≤p≤c(b≠c)且持续时间≥t3，则多组排气组件中调节阀开角较小的三组设定为开启状态；若p≥c且持续时间≥t4，则三组排气组件均设定为开启状态。
22.本发明提供的mocvd反应室压力控制系统通过控制进气单元是否参与工艺运行过程以及通过控制尾气单元哪组排气组件参与工艺运行过程来使反应室的实时压力与设定压力基本保持一致，从而为反应室提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
23.本发明提供的mocvd反应室压力控制方法能够为反应室提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的mocvd反应室压力控制系统的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的尾气单元和反应室的组合示意图；
27.图3是本发明实施例提供的匀气结构的结构示意图；
28.图4是本发明实施例提供的压力控制方法的流程图。
29.附图标号说明：
30.10、压力检测单元；20、分析单元；30、执行模组；31、进气单元；32、尾气单元；321、排气管路；322、过滤器；323、调节阀；324、泵体；325、匀气结构；3251、圆孔；3252、圆弧段；40、反应室。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
33.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
34.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
35.如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的mocvd反应室压力控制系统。
36.请参阅图1-图3所示，本发明实施例的mocvd反应室压力控制系统包括压力检测单元10、分析单元20和执行模组30，执行模组30包括均与反应室40连通的进气单元31和尾气单元32，尾气单元32包括至少两组排气组件，每组排气组件均包括与反应室40连通的排气管路321、与排气管路321连接的泵体324、以及设置在排气管路321与泵体324之间的调节阀323，压力检测单元10用于检测反应室40的实时压力，并将检测结果输出给分析单元20，分析单元20根据压力检测单元10的检测结果进行判断分析，并输出控制指令给进气单元31和尾气单元32，进气单元31执行分析单元20输出的控制指令使进气阀或打开或关闭或保持不变，尾气单元32执行分析单元20输出的控制指令使各个调节阀323或打开或关闭或保持不变，以使反应室40的实时压力与设定压力基本保持一致，从而为反应室40提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
37.进一步地，每组排气组件还包括过滤器322，排气管路321通过过滤器322与泵体324连接，调节阀323设置在过滤器322与泵体324之间。
38.本发明实施例的mocvd反应室压力控制系统通过控制进气单元31是否参与工艺运
行过程以及通过控制尾气单元32哪组排气组件参与工艺运行过程来使反应室40的实时压力与设定压力基本保持一致，从而为反应室40提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
39.优选地，压力检测单元10包括用于实时检测反应室40压力的压力传感器。
40.具体地，当实时压力＜设定压力，且持续时间≥t1时，分析单元20控制进气单元31的进气阀打开，进气单元31参与工作，进气单元31的参数材料生长过程，补充n2或者h2进入反应室40，进气单元31的气体流量设定值控制在10sccm～2000sccm之间。当实时压力＜设定压力，且持续时间＜t1时或实时压力＞设定压力时，分析单元20控制进气单元31的进气阀关闭，进气单元31不参与工作。
41.具体地，t1根据实际情况设定，在本实施例中，t1为4s。
42.具体地，分析单元20决定mocvd设备待机时和mocvd设备运行工艺程序时，尾气单元32的工作状态。
43.优选地，设定调节阀323的开角最小的一组排气组件的工作状态为常开状态。再判断mocvd设备处于待机状态还是生产状态，若mocvd设备处于待机状态，判断各组排气组件的调节阀323的开角大小，若常开状态的排气组件的调节阀323的开角＜10％，则该排气组件设定为开启状态，其余排气组件关闭；若各个调节阀323均满足10％≤调节阀323的开角≤30％，则调节阀323的开角较小的两组排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件；若各个调节阀323的开角均≥30％，则各组排气组件均设定为开启状态。
44.若mocvd设备处于生产状态，则确定尾气单元32哪个排气组件参与生产工艺。定义(实际压力-设定压力)/设定压力为p，若0％≤p≤a，则常开状态的排气组件保持开启，其余排气组件关闭；若p≥a，且该状态持续时间≥t2，则至少两组调节阀323开角较小的排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件。
45.具体地，a、b、t2根据实际情况设定，在本实施例中，a为5％，t2为4s。
46.进一步地，当排气组件设置为三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则三组排气组件中调节阀323开角较小的两组设定为开启状态；若p≥b且持续时间≥t3，则三组排气组件均设定为开启状态。
47.具体地，b、t3根据实际情况设定，在本实施例中，b为10％，t3为4s。
48.更进一步地，当排气组件设置为大于三组时，当排气组件设置为三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则多组排气组件中调节阀323开角较小的两组设定为开启状态；若b≤p≤c(b≠c)且持续时间≥t3，则多组排气组件中调节阀323开角较小的三组设定为开启状态；若p≥c且持续时间≥t4，则三组排气组件均设定为开启状态。
49.具体地，c、t4根据实际情况设定，在本实施例中，c为20％，t4为4s。
50.在某些实施例中，排气管路321包括两个呈对角分布在反应室40的排气管，两个排气管连接至同一过滤器322。
51.进一步地，反应室40呈圆柱状设置，多个排气管以反应室40的中心为圆心均匀分布，例如，排气组件设置有两组，则排气管路321设置有两组，则排气管设置有四个，四个排气管呈90度角分布，呈对角分布的两个排气管组成一组排气组件的排气管路321。又例如，
排气组件设置有三组，则排气管路321设置有三组，则排气管设置有六个，四个排气管呈60度角分布，呈对角分布的两个排气管组成一组排气组件的排气管路321。
52.具体地，排气管呈圆柱型，排气管的上下直径不同，在10m～20cm之间分布。
53.在某些实施例中，调节阀323为蝶阀，蝶阀的结构长度和总体高度较小，开启和关闭速度较快，且具有良好的流体控制特性。
54.在某些实施例中，尾气单元32还包括匀气结构325，匀气结构325开设有多个与排气管路321适配的圆孔3251，匀气结构325设于反应室40底部，排气管通过圆孔3251与反应室40连通，通过设置匀气结构325能够进一步提高流场的稳定性及均匀性。
55.可选地，匀气结构325包括至少四个圆弧段3252，四个或四个以上圆弧段3252拼接形成圆环状的匀气结构325，圆弧段3252开设有上述圆孔3251。
56.请参阅图1-图4所示，本发明实施例还提供了一种用于上述mocvd反应室压力控制系统的压力控制方法，包括以下步骤：
57.步骤s100，采集反应室40的实时压力值，比较反应室40的实时压力值与设定压力值的大小以及判断该状态的持续的时间，若实时压力＜设定压力，且持续时间≥t1，则进气单元31的进气阀打开，若实时压力＜设定压力，且持续时间＜t1或实时压力＞设定压力，则进气单元31的进气阀关闭；
58.步骤s200，设定调节阀323的开角最小的一组排气组件的工作状态为常开状态；
59.步骤s300，判断mocvd设备处于待机状态还是生产状态，若mocvd设备处于待机状态，则执行步骤s400，若mocvd设备处于生产状态，则执行步骤s500；
60.步骤s400，判断各组排气组件的调节阀323的开角大小，若常开状态的排气组件的调节阀323的开角＜10％，则该排气组件设定为开启状态，其余排气组件关闭；若各个调节阀323均满足10％≤调节阀323的开角≤30％，则调节阀323的开角较小的两组排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件；若各个调节阀323的开角均≥30％，则各组排气组件均设定为开启状态。
61.步骤s500，定义(实际压力-设定压力)/设定压力为p，若0％≤p≤a，则常开状态的排气组件保持开启，其余排气组件关闭；若p≥a，且该状态持续时间≥t2，则至少两组调节阀323开角较小的排气组件设定为开启状态，这两组排气组件包括常开状态的排气组件。
62.具体地，a、b、t2根据实际情况设定，在本实施例中，a为5％，t2为4s。
63.进一步地，当排气组件设置为三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则三组排气组件中调节阀323开角较小的两组设定为开启状态；若p≥b且持续时间≥t3，则三组排气组件均设定为开启状态。
64.具体地，b、t3根据实际情况设定，在本实施例中，b为10％，t3为4s。
65.更进一步地，当排气组件设置为大于三组时，在判断得到p≥a时，再进一步判断p的大小，若a≤p≤b(a≠b)且持续时间≥t2，则多组排气组件中调节阀323开角较小的两组设定为开启状态；若b≤p≤c(b≠c)且持续时间≥t3，则多组排气组件中调节阀323开角较小的三组设定为开启状态；若p≥c且持续时间≥t4，则三组排气组件均设定为开启状态。
66.具体地，c、t4根据实际情况设定，在本实施例中，c为20％，t4为4s。
67.步骤s100中，进气单元31的进气阀打开，进气单元31的气体流量设定值控制在10sccm～2000sccm之间。
68.本发明实施例的mocvd反应室40压力控制方法通过控制进气单元31是否参与工艺运行过程以及通过控制尾气单元32哪组排气组件参与工艺运行过程来使反应室40的实时压力与设定压力基本保持一致，从而为反应室40提供稳定的气场流，进而提高外延材料的厚度和组分均匀性。
69.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。