化合物半導體MOCVD外延設備前驅體氣體濃度在線監測解決方案

1. 應用需求與挑戰

金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）是制備III-V族化合物半導體（如氮化鎵GaN）的核心工藝，其關鍵在于精確控制前驅體氣體的濃度、生長速率及工藝可重復性。

在MOCVD工藝中，前驅體通過鼓泡器汽化后由載氣輸送至反應腔室。然而，前驅體濃度的穩定性受多重因素影響：

• 鼓泡器溫度均勻性：即使采用恒溫槽，仍難以消除溫度波動；

• 前驅體狀態變化：固態前驅體的表面積或液態前驅體的液位變化均可能導致輸送不穩定。

為實現工藝優化，需對前驅體濃度進行實時監測，并通過反饋調節氣體流量、溫度、壓力等參數，形成閉環控制。

技術選擇：非色散紅外（NDIR）氣體分析技術具有響應快、精度高、體積小等優勢，是MOCVD前驅體濃度監測的理想方案。

國產化迫切性：目前此類設備依賴歐美日進口，但根據2025年《政府工作報告》要求，突破關鍵核心技術、實現國產替代已成為國家戰略需求，對保障產業鏈安全至關重要。

圖1 MOCVD工藝原理圖

2. 解決方案

四方儀器作為紅外氣體傳感器制造商，推出專為MOCVD設計的Gasboard-2062紅外氣體傳感器，提供高精度、實時的前驅體濃度監測。

圖2 Gasboard-2062紅外氣體傳感器

2.1 測量原理

Gasboard-2062采用雙光束紅外吸收檢測技術：紅外光源發射特定波長光，通過被測氣體；氣體分子選擇性吸收光信號，強度衰減與濃度成正比；通過對比樣品信號與參比信號（雙光束設計），計算氣體濃度，確保長期穩定性。

2.2 核心優勢

• 雙光束紅外（NDIR）技術：采用電調制光源和集成雙通道探測器，顯著提升抗干擾能力；

• 環境適應性：通過參考通道補償溫度、濕度及交叉氣體干擾，確保測量穩定性；

• 原位高精度測量：原位測量，準確度≤±1.0% F.S.，響應時間T90≤4秒。

圖3 Gasboard-2062紅外氣體傳感器光學結構

2.3 產品性能

實驗室測試顯示，傳感器的線性準確度（圖4）、響應時間（圖4）、重復性和檢出限等均滿足MOCVD前驅體氣體濃度在線監測需求。

表1 Gasboard-2062紅外氣體傳感器的技術參數

圖4 Gasboard-2062紅外氣體傳感器的線性檢查與響應時間檢查

2.4 安裝方案

圖5 Gasboard-2062紅外氣體傳感器的安裝示意圖