化合物半导体MOCVD外延设备前驱体气体浓度在线监测解决方案

1. 应用需求与挑战

金属有机化学气相沉积（MOCVD）是制备III-V族化合物半导体（如氮化镓GaN）的核心工艺，其关键在于精确控制前驱体气体的浓度、生长速率及工艺可重复性。

在MOCVD工艺中，前驱体通过鼓泡器汽化后由载气输送至反应腔室。然而，前驱体浓度的稳定性受多重因素影响：

• 鼓泡器温度均匀性：即使采用恒温槽，仍难以消除温度波动；

• 前驱体状态变化：固态前驱体的表面积或液态前驱体的液位变化均可能导致输送不稳定。

为实现工艺优化，需对前驱体浓度进行实时监测，并通过反馈调节气体流量、温度、压力等参数，形成闭环控制。

技术选择：非色散红外（NDIR）气体分析技术具有响应快、精度高、体积小等优势，是MOCVD前驱体浓度监测的理想方案。

国产化迫切性：目前此类设备依赖欧美日进口，但根据2025年《政府工作报告》要求，突破关键核心技术、实现国产替代已成为国家战略需求，对保障产业链安全至关重要。

图1 MOCVD工艺原理图

2. 解决方案

四方仪器作为红外气体传感器制造商，推出专为MOCVD设计的Gasboard-2062红外气体传感器，提供高精度、实时的前驱体浓度监测。

图2 Gasboard-2062红外气体传感器

2.1 测量原理

Gasboard-2062采用双光束红外吸收检测技术：红外光源发射特定波长光，通过被测气体；气体分子选择性吸收光信号，强度衰减与浓度成正比；通过对比样品信号与参比信号（双光束设计），计算气体浓度，确保长期稳定性。

2.2 核心优势

• 双光束红外（NDIR）技术：采用电调制光源和集成双通道探测器，显著提升抗干扰能力；

• 环境适应性：通过参考通道补偿温度、湿度及交叉气体干扰，确保测量稳定性；

• 原位高精度测量：原位测量，准确度≤±1.0% F.S.，响应时间T90≤4秒。

图3 Gasboard-2062红外气体传感器光学结构

2.3 产品性能

实验室测试显示，传感器的线性准确度（图4）、响应时间（图4）、重复性和检出限等均满足MOCVD前驱体气体浓度在线监测需求。

表1 Gasboard-2062红外气体传感器的技术参数

图4 Gasboard-2062红外气体传感器的线性检查与响应时间检查

2.4 安装方案

图5 Gasboard-2062红外气体传感器的安装示意图