AIXTRON AIX 2800G4 MOCVD设备工作原理详解

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AIXTRON AIX 2800G4 MOCVD设备工作原理详解

AIXTRON（爱思强）的AIX 2800G4是一款广泛应用于化合物半导体外延（Epitaxy）工艺的金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备。该设备主要用于生产氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等高性能半导体材料，是制造LED、功率电子器件、射频器件和光电子器件的核心设备之一。以下将从其核心结构、工作原理及技术优势展开解析。

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‌一、设备核心结构与功能‌

AIX 2800G4由多个子系统协同工作，主要包括：

反应室（Reaction Chamber）‌

• 采用AIXTRON专利的‌行星式反应室设计（Planetary Reactor®）‌，通过旋转基座（Susceptor）和气体喷淋头（Showerhead）实现均匀的气体分布。
• 基座可承载多片晶圆（例如6×8英寸或42×4英寸晶圆），通过高速旋转（最高可达1000 RPM）确保材料生长的均匀性。
  

气体输送系统（Gas Delivery System）‌

• 通过高精度质量流量控制器（MFC）将金属有机源（如TMGa、TMIn）、氢化物（如NH₃、AsH₃）和载气（H₂或N₂）按比例混合后输入反应室。
• 气路设计支持多区独立控制，避免交叉污染。
  

加热系统（Heating System）‌

• 采用射频（RF）感应加热或电阻加热，精确控制基座温度（范围：300°C–1400°C）。
• 温度均匀性误差可控制在±1°C以内，确保外延层厚度和成分的一致性。
  

控制系统（Control System）‌

• 集成自动化软件（如AIXTRON的EPIC®系统），实时监控温度、压力、气体流量等参数，并动态调整工艺条件。
  

尾气处理系统（Exhaust System）‌

• 通过真空泵和废气处理装置（如燃烧塔或洗涤器）安全处理未反应的毒性气体（如NH₃）和副产物。
  

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‌二、核心工作原理‌

AIX 2800G4基于‌金属有机化学气相沉积（MOCVD）‌技术，其核心流程如下：

• 前驱体输送与混合‌

  
  
  • 金属有机源（如三甲基镓TMGa）和氢化物（如NH₃）在载气（H₂/N₂）的携带下进入反应室。
  • 气体通过喷淋头的多孔结构均匀扩散至晶圆表面。
    

• 表面化学反应与晶体生长‌

  
  
  • 高温下，前驱体在基座表面发生热分解反应，例如：
    TMGa+NH₃→GaN+CH₄+H₂TMGa+NH₃→GaN+CH₄+H₂
  • 反应生成的原子（Ga、N等）在晶圆表面有序排列，形成单晶外延层。
    

• 均匀性控制‌

  
  
  • ‌行星式旋转技术‌：基座自转与公转结合，消除温度梯度和气体浓度差异。
  • ‌动态压力调节‌：通过调整腔室压力（通常为50–500 mbar），优化反应速率与薄膜均匀性。
    

• 外延层终止与冷却‌

  
  
  • 关闭前驱体供应后，系统在惰性气体环境下缓慢降温，避免材料因热应力产生缺陷。
    
  
  

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‌三、技术优势与创新‌

• 高均匀性与重复性‌

  
  
  • 行星式反应室设计可达到<1%的厚度不均匀性，满足5G通信和Micro-LED等高端器件的严苛要求。
    

• 高产能与灵活性‌

  
  
  • 支持多片大尺寸晶圆（如8英寸）或高密度小尺寸晶圆（如42片4英寸）的批量生产，适用于研发与量产场景。
    

• 智能化控制‌

  
  
  • EPIC®软件提供配方管理、故障诊断和远程监控功能，减少人为操作误差。
    

• 环保与安全性‌

  
  
  • 尾气处理系统符合国际环保标准（如ISO 14001），降低有毒气体排放风险。
    
  
  

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‌四、典型应用场景‌

• ‌LED制造‌：生长GaN基蓝光/绿光LED外延片。
• ‌功率电子器件‌：用于碳化硅（SiC）或GaN-on-Si的HEMT（高电子迁移率晶体管）。
• ‌光电子器件‌：如激光二极管（LD）和光电探测器。
• ‌先进材料研发‌：包括二维材料（如石墨烯）和量子结构。
  

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‌五、结语‌

AIXTRON AIX 2800G4凭借其创新的反应室设计、精准的工艺控制和广泛的应用适配性，已成为化合物半导体行业的标杆设备。随着5G通信、电动汽车和新型显示技术的快速发展，该设备在推动半导体材料革新中将持续发挥关键作用。

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