金屬有機化學氣相沉積法

1、金屬有機化學氣相沉積一、原理：金屬有機化學氣相沉積MOCVD是以族、族元素的有機化合物和V、族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反響方式在襯底上進展氣相外延，生長各種-V 族、-族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。金屬有機化學氣相沉積MOCVDCVD利用有機金屬化學氣相沉積法 metal-organic chemical vapor deposition.MOCVD用氣相反響物，或 是前驅物 precursor 和族的有機金屬和 V 族的 NH3，在基材substrate 外表進 行反響，傳到基材襯底外表固態(tài)沉積物的工藝。二、MOCVD 的應用范圍MOCVD 主要功能在於

2、沉積高介電常數薄膜,可隨著 precursor 的更換,而沉積出不同種類的薄膜.對於 LED 來說,LED 晶片由不同半導體材料的多層次架構構成,這些材料放在一個裝入金屬有機化學氣相沉積 系統的圓形晶片上.這個過程叫做晶體取向附生,對於打算LED 的性能特徵并因此影響白光 LED 的裝倉 至關重要. MOCVD 應用的范圍有: 1, 鈣鈦礦氧化物如 PZT,SBT,CeMnO2 等; 2, 鐵電薄膜; 3, ZnO 透亮導電薄膜,用於藍光 LED 的n-ZnO 和 p-ZnO,用於 TFT 的 ZnO,ZnO 納米線; 4, 外表聲波器件 SAW(如 LiNbO3 等,; 5, 三五族化合物如

3、 GaN,GaAs 基發(fā)光二極體(LED),雷射器(LD)和探測器; 6, MEMS 薄膜; 7,太陽能電池薄膜; 8, 銻化物薄膜; 9, YBCO高溫超導帶; 10, 用於探測器的 SiC,Si3N4 等寬頻隙光電器件 MOCVD 對鍍膜成分,晶相等品質簡潔把握,可在外形簡單的基材,襯底,上形成均勻鍍膜,構造密致, 附著力良好之優(yōu)點,因此 MOCVD 已經成為工業(yè)界主要的鍍膜技術.MOCVD 制程依用途不同,制程設備 也有相異的構造和型態(tài).MOCVD 近來也有觸媒制備及改質和其他方面的應用 ,如制造超細晶體和把握觸 媒得有效深度等.在可預見的將來裏,MOCVD 制程的應用與前景是格外光明的

4、.三、MOCVDMOCVD反響腔反響腔 (ReactorChamber) 主要是全部氣體混合及發(fā)生反響的地方在腔體中會有一個乘載盤用來乘載基板 的能量而到達薄膜成長時所需要的溫度 所制造而成。 加熱器的設置，依照設計的不同，有的設置在反響腔體之內，也有設置在腔體部通常有很多可以讓冷卻水流通的通道熱的狀況。1氣體把握及混合系統載流氣體從系統的最上游供給端流入系統，經由流量把握器MFC, Mass flow controller的調整來把握各個管路中的氣體流入反響腔的流量。 當這些氣體流入反響腔之前，必需先經過一組氣體切換路由器1(Run/VentSwitch) 來打算該管路中的氣體該流入反響腔R

5、un亦或是直接排至反響腔尾端的廢氣管路Vent。 流入反響腔體的氣體則可以參與反響而成長薄膜，而直接排入反響腔尾端的廢氣管路的氣體則是不參與薄膜成長反響的。反響源反響源可以分成兩種，第一種是有機金屬反響源，其次種是 氫化物 Hydride 氣體反響源。 有機金屬反響源貯存在一個具有兩個聯外管路的密封不銹鋼罐cylinder bubblerMOCVD 機臺的管路以 VCR接頭 嚴密接合，載流氣體可以從其中一端流入，并從另外一端流出時將反響源的飽和蒸氣帶出，進而能夠流至反響腔。 氫化物氣體則是儲存在氣密鋼瓶內，經由壓力調整器Regulator及流量把握器來把握流入反響腔體的氣體流量。不管是有機金屬

6、反響源或是性較低，而氫化物氣體則是毒性相當高的物質，所以在使用時務必要特別留意安全。 常用的有機金屬反響源有：TMGaTrimethylgallium 、TMAl Trimethylaluminum 、TMIn Trimethylindium 、Cp2MgBis(cyclopentadienyl)magnesium 、DIPTe Diisopropyltelluride AsH3 、磷化氫PH3 、 氮化氫 NH 3 及 矽乙烷 (Si 2 H 6 )等等。 222廢氣處理系統境的污染。 常用的廢氣處理系統可分為干式、濕式及燃燒式等種類。四、優(yōu)缺點優(yōu)點：混合后通入反響腔，混合氣體流經加熱的襯底

7、外表時，在襯底外表發(fā)生熱分解反響， 并 外延生長成化合物單晶薄膜。與其他外延生長技術相比，MOCVD 技術有著如下優(yōu)點：用于生長化合物半導體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反響室，因可以用于生長薄層和超薄層材料。反響室中氣體流速較快。因此，在需要改 變多元化合物的組分和摻雜濃度時，可以快速進展轉變，減小記憶效應發(fā)生的可能性。 這有利于獲得陡峭的界面，適于進展異質構造和超晶格、量子阱材料的生長。晶體生長是以熱解化學反響的方式進展的，是單溫區(qū)外延生長。只要把握好反響源 3通常狀況下，晶體生長速率與族源的流量成正比，因此，生長速率調整范圍較廣。較快的生長速率適用于批量生長。使用較機敏，格外適

8、合于生長各種異質構造材料。原則上只要能夠選擇適宜的原材 料就可以進展包含該元素的材料的 MOCVD種類較多，性質也有肯定的差異。由于對真 空度的要求較低，反響室的構造較簡潔。生長易于把握，隨著檢測技術的進展，可以對 MOCVD 的生長過程進展在位監(jiān)測。缺點：MOCVD化合物和氫化物源價格較為昂貴，其次是由于局部源易燃易爆或者有毒，因此有 肯定的危急性，并且，反響后產物需要進展無害化處理，以避開造成環(huán)境污染。另外， 由于所承受的源中包含其他元素如 C，H 等，需要對反響過程進展認真把握以避開 引入非有意摻雜的雜質。優(yōu)點五、根本構造和工作流程通常 MOCVD 生長的過程可以描述如下通常為 H2，也

9、有的系統承受 N2的攜帶下被通 入石英或者不銹鋼的反響室，在襯底上發(fā)生外表反響后生長外延層，襯底是放置在被加 熱的基座上的。在反響后殘留的尾氣被掃出反響MOCVD 工作原理如下圖。1 圖 MOCVD 的工作流程圖 一臺 MOCVD 生長設備可以簡要地分為以下的 4 個局部。 1作系統：氣體操作系統包括把握族金屬有機源和 V 族氫化物源的氣流及其混合物所承受的 全部的閥門、泵以及各種設備和管路。其中，最重要的是對通入反響室進展反響的原材 料的量進展準確把握的局部。主要包括對流量進展把握的質量流量把握計MFC， 對 壓力進展PThor?mal Bath。2反響室： 反響室是 MOCVD 生長系統的

10、核心組成局部，反響室的設計對生長的效果有至關重 要的影響。不同的 MOCVD 的目的是一樣的，即避開在反響室中消滅離壁射流和湍流的存在，保證只存在層流，從 而實現在反響室內的氣流和溫度的均勻分布，有利于大面積均勻生長。 3加熱系統： 2MOCVD 系統中襯底的加熱方式主要有三種：射頻加熱，紅外輻射加熱和電阻加熱。在射頻加熱方式中，石墨的基座被射頻線圈通過誘導耦合加熱。這種加熱形式在大型的 反響室中經常承受，但是通常系統過于簡單。為了避開系統的簡單性，在稍小的反響室 中， 通常承受紅外輻射加熱方式。鹵鎢燈產生的熱能被轉化為紅外輻射能，石墨的基座 吸取這種輻射能并將4尾氣處理系統： 由于 MOCV

11、D 系統中所承受的大多數源均易燃易爆，雨其中的氫化物源又有劇毒， 因此，必需對反響過后的尾氣進展處理。通常承受的處理方式是將尾氣先通過微粒過如 P 等Scrubber 承受解毒溶液 進展9001 000下，將尾氣中的物質進展熱解和氧化，從而實現無害化。反響生成的產 物被淀積在石英管的內壁上，可以很簡潔去除。 主要功能和應用的范圍： 主要功能和應用的范圍：MOCVD 主要功能在于沉積高介電常數薄膜，可隨著 precursor 的更換，而沉4LED 來說， LED些材料放在一個裝入金屬有 機化學氣相沉積系統的圓形芯片上。這個過程叫做晶體取向附LED 的性能特徵并因此影響白光 LEDMOCVD 應用

12、的范圍有： 1、 鈣鈦礦氧化物如 PZT、SBT、CeMnO2 等； 2、 鐵電薄膜； 3、 ZnO 透亮導電薄膜、用于藍光 LED 的 n-ZnO 和 p-ZnO、用于 TFT 的 ZnO、 ZnO 納米線； 4、 外表聲波器件 SAW(如 LiNbO35GaN、GaAs 基發(fā)光二極體LEDLD6MEMS789YBCO高溫超導帶； 10、 用于探測器的 SiC、Si3N4 等寬頻隙光電器件 MOCVD 對鍍膜成分、晶相等品質簡潔把握，可在外形簡單的基材、襯底、上形 成均勻鍍膜，構造密致，附著力良MOCVD 已經成為工業(yè)界主 3MOCVDMOCVD六、前景：在可預見的將來里， MOCVD 工藝

13、的應用與前景是格外光明的。 MOCVD 設備主要生產MOCVDAIXTRON 公司(英國 THOMAS SWAN 公 司已被 AIXTRON 公司收購 )和美國 VEECO 公司 并購美國EMCORE 公司AIXTRON 公司 。 含 THOMASSWAN 公司 大約占 60-70% 的國際市場份額，而 VEECO 公司占 30-40%。其他廠家主要包括日 本的 NIPPON Sanso 和 Nissin Electric 等，其市場根本限于日本國內。 如，日本日亞公司和豐田合成等公司生產的GaN-MOCVD 設備不在 市場上銷售，僅供自用；而日本 SANSO 公司生產的 GaN-MOCVD

14、設備性能優(yōu)良，但僅限日本市場銷售。從設備性能上來講，日亞公司 設備生產的材料質量和器件性能，要遠優(yōu)于 AIXTRON 和 EMCORE 的設備。按生產力量計算，GaN-MOCVD 設備在全球4815%，日本 15%，韓國 11%，中國 大陸 7%，歐盟 4%。目前，中國尚無此類公司。國內有外延和芯片 生產企業(yè) 20 多家，這些企業(yè)已累計引進 30 多臺 MOCVD，總投資 在 4000 萬美元左右，主要購置德國 AIXTRON 和美國EMCORE 兩 家供給商的 MOCVD6 片和 970 萬美元到 10019 片和 21VEECO 公司生產的比較先進的 24 片 MOCVD 設備。 4 為了滿足大規(guī)模生產的要求， MOCVD 設備將向更大型化方向 進展，一次生產 24 片 2 英寸外延片的設備已經有商品出售，今后將 會生MOCVD 高檔 設備產品的市場需求，也將有15片整機，材料費 250 萬，加工費 15 萬，勞務費 24 萬，差旅費 5 萬，辦公費 3 萬，雜費 3300600 萬/51249 萬，每年暫 按 2 臺的銷量，利潤達 498