金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法

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

2、沉積高介電常數(shù)薄膜,可隨著 precursor 的更換,而沉積出不同種類的薄膜.對(duì)於 LED 來說,LED 晶片由不同半導(dǎo)體材料的多層次架構(gòu)構(gòu)成,這些材料放在一個(gè)裝入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 系統(tǒng)的圓形晶片上.這個(gè)過程叫做晶體取向附生,對(duì)於打算LED 的性能特徵并因此影響白光 LED 的裝倉(cāng) 至關(guān)重要. MOCVD 應(yīng)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(dǎo)電薄膜,用於藍(lán)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(cè)器; 6, MEMS 薄膜; 7,太陽(yáng)能電池薄膜; 8, 銻化物薄膜; 9, YBCO高溫超導(dǎo)帶; 10, 用於探測(cè)器的 SiC,Si3N4 等寬頻隙光電器件 MOCVD 對(duì)鍍膜成分,晶相等品質(zhì)簡(jiǎn)潔把握,可在外形簡(jiǎn)單的基材,襯底,上形成均勻鍍膜,構(gòu)造密致, 附著力良好之優(yōu)點(diǎn),因此 MOCVD 已經(jīng)成為工業(yè)界主要的鍍膜技術(shù).MOCVD 制程依用途不同,制程設(shè)備 也有相異的構(gòu)造和型態(tài).MOCVD 近來也有觸媒制備及改質(zhì)和其他方面的應(yīng)用 ,如制造超細(xì)晶體和把握觸 媒得有效深度等.在可預(yù)見的將來裏,MOCVD 制程的應(yīng)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(huì)有一個(gè)乘載盤用來乘載基板 的能量而到達(dá)薄膜成長(zhǎng)時(shí)所需要的溫度 所制造而成。 加熱器的設(shè)置，依照設(shè)計(jì)的不同，有的設(shè)置在反響腔體之內(nèi)，也有設(shè)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(tǒng)載流氣體從系統(tǒng)的最上游供給端流入系統(tǒng)，經(jīng)由流量把握器MFC, Mass flow controller的調(diào)整來把握各個(gè)管路中的氣體流入反響腔的流量。 當(dāng)這些氣體流入反響腔之前，必需先經(jīng)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(zhǎng)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(zhǎng)反響的。反響源反響源可以分成兩種，第一種是有機(jī)金屬反響源，其次種是 氫化物 Hydride 氣體反響源。 有機(jī)金屬反響源貯存在一個(gè)具有兩個(gè)聯(lián)外管路的密封不銹鋼罐cylinder bubblerMOCVD 機(jī)臺(tái)的管路以 VCR接頭 嚴(yán)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(shí)將反響源的飽和蒸氣帶出，進(jìn)而能夠流至反響腔。 氫化物氣體則是儲(chǔ)存在氣密鋼瓶?jī)?nèi)，經(jīng)由壓力調(diào)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(jī)金屬

6、反響源或是性較低，而氫化物氣體則是毒性相當(dāng)高的物質(zhì)，所以在使用時(shí)務(wù)必要特別留意安全。 常用的有機(jī)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(tǒng)境的污染。 常用的廢氣處理系統(tǒng)可分為干式、濕式及燃燒式等種類。四、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：混合后通入反響腔，混合氣體流經(jīng)加熱的襯底

7、外表時(shí)，在襯底外表發(fā)生熱分解反響， 并 外延生長(zhǎng)成化合物單晶薄膜。與其他外延生長(zhǎng)技術(shù)相比，MOCVD 技術(shù)有著如下優(yōu)點(diǎn)：用于生長(zhǎng)化合物半導(dǎo)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(zhǎng)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(shí)，可以快速進(jìn)展轉(zhuǎn)變，減小記憶效應(yīng)發(fā)生的可能性。 這有利于獲得陡峭的界面，適于進(jìn)展異質(zhì)構(gòu)造和超晶格、量子阱材料的生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)是以熱解化學(xué)反響的方式進(jìn)展的，是單溫區(qū)外延生長(zhǎng)。只要把握好反響源 3通常狀況下，晶體生長(zhǎng)速率與族源的流量成正比，因此，生長(zhǎng)速率調(diào)整范圍較廣。較快的生長(zhǎng)速率適用于批量生長(zhǎng)。使用較機(jī)敏，格外適

8、合于生長(zhǎng)各種異質(zhì)構(gòu)造材料。原則上只要能夠選擇適宜的原材 料就可以進(jìn)展包含該元素的材料的 MOCVD種類較多，性質(zhì)也有肯定的差異。由于對(duì)真 空度的要求較低，反響室的構(gòu)造較簡(jiǎn)潔。生長(zhǎng)易于把握，隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展，可以對(duì) MOCVD 的生長(zhǎng)過程進(jìn)展在位監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)：MOCVD化合物和氫化物源價(jià)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(chǎn)物需要進(jìn)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(duì)反響過程進(jìn)展認(rèn)真把握以避開 引入非有意摻雜的雜質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)五、根本構(gòu)造和工作流程通常 MOCVD 生長(zhǎng)的過程可以描述如下通常為 H2，也

9、有的系統(tǒng)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(zhǎng)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(tái) MOCVD 生長(zhǎng)設(shè)備可以簡(jiǎn)要地分為以下的 4 個(gè)局部。 1作系統(tǒng)：氣體操作系統(tǒng)包括把握族金屬有機(jī)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(shè)備和管路。其中，最重要的是對(duì)通入反響室進(jìn)展反響的原材 料的量進(jìn)展準(zhǔn)確把握的局部。主要包括對(duì)流量進(jìn)展把握的質(zhì)量流量把握計(jì)MFC， 對(duì) 壓力進(jìn)展PThor?mal Bath。2反響室： 反響室是 MOCVD 生長(zhǎng)系統(tǒng)的

10、核心組成局部，反響室的設(shè)計(jì)對(duì)生長(zhǎng)的效果有至關(guān)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(shí)現(xiàn)在反響室內(nèi)的氣流和溫度的均勻分布，有利于大面積均勻生長(zhǎng)。 3加熱系統(tǒng)： 2MOCVD 系統(tǒng)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(dǎo)耦合加熱。這種加熱形式在大型的 反響室中經(jīng)常承受，但是通常系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單。為了避開系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(chǎn)生的熱能被轉(zhuǎn)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(tǒng)： 由于 MOCV

11、D 系統(tǒng)中所承受的大多數(shù)源均易燃易爆，雨其中的氫化物源又有劇毒， 因此，必需對(duì)反響過后的尾氣進(jìn)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(jìn)展9001 000下，將尾氣中的物質(zhì)進(jìn)展熱解和氧化，從而實(shí)現(xiàn)無害化。反響生成的產(chǎn) 物被淀積在石英管的內(nèi)壁上，可以很簡(jiǎn)潔去除。 主要功能和應(yīng)用的范圍： 主要功能和應(yīng)用的范圍：MOCVD 主要功能在于沉積高介電常數(shù)薄膜，可隨著 precursor 的更換，而沉4LED 來說， LED些材料放在一個(gè)裝入金屬有 機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的圓形芯片上。這個(gè)過程叫做晶體取向附LED 的性能特徵并因此影響白光 LEDMOCVD 應(yīng)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(dǎo)電薄膜、用于藍(lán)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(dǎo)帶； 10、 用于探測(cè)器的 SiC、Si3N4 等寬頻隙光電器件 MOCVD 對(duì)鍍膜成分、晶相等品質(zhì)簡(jiǎn)潔把握，可在外形簡(jiǎn)單的基材、襯底、上形 成均勻鍍膜，構(gòu)造密致，附著力良MOCVD 已經(jīng)成為工業(yè)界主 3MOCVDMOCVD六、前景：在可預(yù)見的將來里， MOCVD 工藝

13、的應(yīng)用與前景是格外光明的。 MOCVD 設(shè)備主要生產(chǎn)MOCVDAIXTRON 公司(英國(guó) THOMAS SWAN 公 司已被 AIXTRON 公司收購(gòu) )和美國(guó) VEECO 公司 并購(gòu)美國(guó)EMCORE 公司AIXTRON 公司 。 含 THOMASSWAN 公司 大約占 60-70% 的國(guó)際市場(chǎng)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(chǎng)根本限于日本國(guó)內(nèi)。 如，日本日亞公司和豐田合成等公司生產(chǎn)的GaN-MOCVD 設(shè)備不在 市場(chǎng)上銷售，僅供自用；而日本 SANSO 公司生產(chǎn)的 GaN-MOCVD

14、設(shè)備性能優(yōu)良，但僅限日本市場(chǎng)銷售。從設(shè)備性能上來講，日亞公司 設(shè)備生產(chǎn)的材料質(zhì)量和器件性能，要遠(yuǎn)優(yōu)于 AIXTRON 和 EMCORE 的設(shè)備。按生產(chǎn)力量計(jì)算，GaN-MOCVD 設(shè)備在全球4815%，日本 15%，韓國(guó) 11%，中國(guó) 大陸 7%，歐盟 4%。目前，中國(guó)尚無此類公司。國(guó)內(nèi)有外延和芯片 生產(chǎn)企業(yè) 20 多家，這些企業(yè)已累計(jì)引進(jìn) 30 多臺(tái) MOCVD，總投資 在 4000 萬美元左右，主要購(gòu)置德國(guó) AIXTRON 和美國(guó)EMCORE 兩 家供給商的 MOCVD6 片和 970 萬美元到 10019 片和 21VEECO 公司生產(chǎn)的比較先進(jìn)的 24 片 MOCVD 設(shè)備。 4 為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求， MOCVD 設(shè)備將向更大型化方向 進(jìn)展，一次生產(chǎn) 24 片 2 英寸外延片的設(shè)備已經(jīng)有商品出售，今后將 會(huì)生MOCVD 高檔 設(shè)備產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，也將有15片整機(jī)，材料費(fèi) 250 萬，加工費(fèi) 15 萬，勞務(wù)費(fèi) 24 萬，差旅費(fèi) 5 萬，辦公費(fèi) 3 萬，雜費(fèi) 3300600 萬/51249 萬，每年暫 按 2 臺(tái)的銷量，利潤(rùn)達(dá) 498