定義
MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。
Metal-organic Chemical Vapor Deposition （金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)。
原理
原理
MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ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。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200℃,用射頻感應(yīng)加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長區(qū)。
系統(tǒng)概況
組成
系統(tǒng)概況
組成
因?yàn)镸OCVD生長使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物質(zhì)，并且要生長多組分、大面積、薄層和超薄層異質(zhì)材料。因此在MOCVD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想上，通常要考慮系統(tǒng)密封性，流量、溫度控制要精確，組分變換要迅速，系統(tǒng)要緊湊等。不同廠家和研究者所產(chǎn)生或組裝的MOCVD設(shè)備是不同的。 一般由 源供給系統(tǒng) 、氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理及安全防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)操作及電控系統(tǒng)。
【源供給系統(tǒng)】
包括Ⅲ族金屬有機(jī)化合物、V族氫化物及摻雜源的供給。金屬有機(jī)化合物裝在特制的不銹剛的鼓泡器中，由通入的高純H2攜帶輸運(yùn)到反應(yīng)室。為了保證金屬有機(jī)化合物有恒定的蒸汽壓，源瓶置入電子恒溫器中，溫度控制精度可達(dá)0.2℃以下。氫化物一般是經(jīng)高純H2稀釋到濃度5%一10%后，裝入鋼瓶中，使用時(shí)再用高純H2稀釋到所需濃度后，輸運(yùn)到反應(yīng)室。摻雜源有兩類，一類是金屬有機(jī)化合物，另一類是氫化物，其輸運(yùn)方法分別與金屬有機(jī)化合物源和氫化物源的輸運(yùn)相同。
【氣體輸運(yùn)系統(tǒng)】
氣體的輸運(yùn)管都是不銹鋼管道。為了防止存儲(chǔ)效應(yīng)，管內(nèi)進(jìn)行了電解拋光。管道的接頭用氫弧焊或VCR及Swagelok方式連接，并進(jìn)行正壓檢漏及Snoop液體或He泄漏檢測，保證反應(yīng)系統(tǒng)無泄漏是MOCVD設(shè)備組裝的關(guān)鍵之一。流量是由不同量程、響應(yīng)時(shí)間快、精度高的質(zhì)量流量計(jì)和電磁閥、氣動(dòng)閥等來實(shí)現(xiàn)。在
真空系統(tǒng)與反應(yīng)室之間設(shè)有過濾器，以防油污或其它顆粒倒吸到反應(yīng)室中。為了迅速變化反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體，而且不引起反應(yīng)室內(nèi)壓力的變化，設(shè)置“run”和“vent，，管道。
【反應(yīng)室和加熱系統(tǒng)】
反應(yīng)室是由石英管和石墨基座組成。為了生長組分均勻、超薄層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體材料，各生產(chǎn)廠家和研究者在反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上下了很大功夫，設(shè)計(jì)出了不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室。石墨基座是由高純石墨制成，并包裹SIC層。加熱多采用高頻感應(yīng)加熱，少數(shù)是輻射加熱。由熱電偶和溫度控制器來控制溫度，一般溫度控制精度可達(dá)到0.2℃或更低。
【尾氣處理系統(tǒng)】
反應(yīng)氣體經(jīng)反應(yīng)室后大部分熱分解，但還有部分尚未完全分解，因此尾氣不能直接排放到大氣中，必須先進(jìn)行處理，處理方法主要有高溫?zé)峤鉅t再一次熱分解，再用硅油或高錳酸鉀溶液處理;也可以把尾氣直接通入裝有H2SO4+H2O及裝有NaOH溶液的吸濾瓶處理;也有的把尾氣通入固體吸附劑中吸附處理，以及用水淋洗尾氣等。
【安全保護(hù)及報(bào)警系統(tǒng)】
為了安全，一般的MOCVD系統(tǒng)還備有高純從旁路系統(tǒng)，在斷電或其它原因引起的不能正常工作時(shí)，通入純N2保護(hù)生長的片子或系統(tǒng)內(nèi)的清潔。在停止生長期間也有常通高純N2保護(hù)系統(tǒng)。
【手動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)】
一般MOCVD設(shè)備都具有手動(dòng)和微機(jī)自動(dòng)控制操作兩種功能。在控制系統(tǒng)面板上設(shè)有閥門開關(guān)、各個(gè)管路氣體流量、溫度的設(shè)定及數(shù)字顯示，如有問題會(huì)自動(dòng)報(bào)警，是操作者能及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。此外，MOCVD設(shè)備一般都設(shè)在具有強(qiáng)排風(fēng)的工作室內(nèi)。
優(yōu)點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
1 適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導(dǎo)體;
2 非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料;
3 可以生長超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡;
4 生長易于控制;
5 可以生長純度很高的材料;
6 外延層大面積均勻性良好;
7 可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
中國MOCVD系統(tǒng)發(fā)展
2012年12月12號(hào)，中國首臺(tái)具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設(shè)備發(fā)運(yùn)慶典在張江高新區(qū)核心園舉行。
作為LED芯片生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備，MOCVD的核心技術(shù)長期被歐美企業(yè)所壟斷，嚴(yán)重制約了中國LED產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。中晟光電設(shè)備上海有限公司于2012年1月18日成功實(shí)現(xiàn)了擁有自主創(chuàng)新知識(shí)產(chǎn)權(quán)的具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設(shè)備下線，僅用了10個(gè)月時(shí)間，又完成了工藝的開發(fā)和設(shè)備進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化，完成了設(shè)備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)必備條件與設(shè)施的建立；在此基礎(chǔ)上又完成了4家客戶的多次實(shí)地考察，親臨操作設(shè)備和驗(yàn)證各項(xiàng)工藝。
客戶充分肯定了中晟設(shè)備的技術(shù)方向和設(shè)計(jì)上的世界先進(jìn)性，也對設(shè)備用于大規(guī)模生產(chǎn)提出了進(jìn)一步改進(jìn)的建設(shè)性要求。使該設(shè)備同時(shí)具有目前世界上最高的系統(tǒng)產(chǎn)能、最低的外延生產(chǎn)成本、良好的波長均勻性、大規(guī)模外延生產(chǎn)所需的各項(xiàng)關(guān)鍵性能等4項(xiàng)核心的差異競爭力。這次我國首臺(tái)具有世界先進(jìn)水平的大型國產(chǎn)MOCVD設(shè)備成功發(fā)運(yùn)，不僅標(biāo)志著在實(shí)現(xiàn)中國大型MOCVD設(shè)備國產(chǎn)化戰(zhàn)略目標(biāo)的征途上，中晟邁開了具有里程碑意義的一步，而且充分體現(xiàn)了中國有能力在高端裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式的發(fā)展。
國外MOCVD系統(tǒng)發(fā)展
國外MOCVD系統(tǒng)發(fā)展
隨著化合物半導(dǎo)體器件(如 GaAs MMIC、 InP MMIC以及GaN藍(lán)光LED)市場的不斷擴(kuò)大，MOCVD系統(tǒng)的需求量不斷增長。國際上實(shí)力最為雄厚的MOCVD系統(tǒng)制造商有:德國Aixtron公司、美國的Emcore公司（其MOCVD已被Veeco兼并）、英國的Thomass~(1999年被Aixtron兼并)等。因?yàn)镸OCVD系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題就是保證材料生長的均勻性和重復(fù)性，因此不同廠家的MOCVD系統(tǒng)最主要的區(qū)別在于反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。Aixtron采用行星反應(yīng)(Planetary Reactor)，Emcore采用TurboDisc反應(yīng)室(該業(yè)務(wù)己出售給Veeco公司)、Thomas Swan(該公司于2003年2月份被Aixtron兼并)采用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反應(yīng)室。
國內(nèi)擁有的進(jìn)口MOCVD系統(tǒng)700臺(tái)左右，其中 Aixtron MOCVD系統(tǒng)和Emcore MOCVD系統(tǒng)占絕大多數(shù)，有少量的 Thomas Swan MOCVD系統(tǒng)、法國ASM MOCVD系統(tǒng)和日本RIPPON SANSO MOCVD系統(tǒng)，主要用于GaN LD/LED的研究和制造。
