MOCVD工藝簡(jiǎn)介-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯MOCVD工藝簡(jiǎn)介-基礎(chǔ)電子MOCVD設(shè)備將Ⅱ或Ⅲ族金屬有機(jī)化合物與Ⅳ或Ⅴ族元素的氫化物相混合后通入反應(yīng)腔，混合氣體流經(jīng)加熱的襯底表面時(shí)，在襯底表面發(fā)生熱分解反應(yīng)，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)：

（1）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)的方式通入反應(yīng)室，因此，可以通過控制氣態(tài)源的流量和通斷時(shí)間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等?？梢杂糜谏L(zhǎng)薄層和超薄層材料。

（2）反應(yīng)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)，可以迅速進(jìn)行改變，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)行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長(zhǎng)。

（3）晶體生長(zhǎng)是以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行的，是單溫區(qū)外延生長(zhǎng)。只要控制好反應(yīng)源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長(zhǎng)，便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

（4）通常情況下，晶體生長(zhǎng)速率與Ⅲ族源的流量成正比，因此，生長(zhǎng)速率調(diào)節(jié)范圍較廣。較快的生長(zhǎng)速率適用于批量生長(zhǎng)。

（5）使用較靈活。原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進(jìn)行包含該元素的材料的MOCVD生長(zhǎng)。而可供選擇作為反應(yīng)源的金屬有機(jī)化合物種類較多，性質(zhì)也有一定的差別。

（6）由于對(duì)真空度的要求較低，反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

（7）隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)MOCVD的生長(zhǎng)過程進(jìn)行在位監(jiān)測(cè)。

實(shí)際上，對(duì)于MOCVD和MBE技術(shù)來說，采用它們所制備的外延結(jié)構(gòu)和器件的性能沒有很大的差別。MOCVD技術(shù)吸引入的地方在于它的通用性，只要能夠選取到合適的金屬有機(jī)源就可以進(jìn)行外延生長(zhǎng)。而且只要保證氣流和溫度的均勻分布就可以獲得大面積的均勻材料，適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

MOCVD技術(shù)的主要缺點(diǎn)大部分均與其所采用的反應(yīng)源有關(guān)。首先是所采用的金屬有機(jī)化合物和氫化物源價(jià)格較為昂貴，其次是由于部分源易燃易爆或者有毒，因此有一定的危險(xiǎn)性，并且，反應(yīng)后產(chǎn)物需要進(jìn)行無害化處理，以避免造成環(huán)境污染。另外，由于所采用的源中包含其他元素（如C，H等），需要對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行仔細(xì)控制以避免引入非故意摻雜的雜質(zhì)。

通常MOCVD生長(zhǎng)的過程可以描述如下：被控制流量的反應(yīng)源材料在載氣（通常為H2，也有的系統(tǒng)采用N2）的攜帶下被通入石英或者不銹鋼的反應(yīng)室，在襯底上發(fā)生表面反應(yīng)后生長(zhǎng)外延層，襯底是放置在被加熱的基座上的。在反應(yīng)后殘留的尾氣被掃出反應(yīng)室，通過去除微粒和毒性的尾氣處理裝置后被排出系統(tǒng)。MOCVD工作原理如圖所示。

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)部分。

（1）氣體操作系統(tǒng)：

氣體操作系統(tǒng)包括控制Ⅲ族金屬有機(jī)源和V族氫化物源的氣流及其混合物所采用的所有的閥門、泵以及各種設(shè)備和管路。其中，重要的是對(duì)通入反應(yīng)室進(jìn)行反應(yīng)的原材料的量進(jìn)行控制的部分。主要包括對(duì)流量進(jìn)行控制的質(zhì)量流量控制計(jì)（MFC），對(duì)壓力進(jìn)行控制的壓力控制器（PC）和對(duì)金屬有機(jī)源實(shí)現(xiàn)溫度控制的水浴恒溫槽（Thor·malBath）。

（2）反應(yīng)室：

反應(yīng)室是MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)的組成部分，反應(yīng)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設(shè)備的生產(chǎn)廠家對(duì)反應(yīng)室的設(shè)計(jì)也有所不同。但是，終的目的是相同的，即避免在反應(yīng)室中出現(xiàn)離壁射流和湍流的存在，保證只存在層流，從而實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)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)：

MOCVD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應(yīng)室中經(jīng)常采用，但是通常系統(tǒng)過于復(fù)雜。為了避免系統(tǒng)的復(fù)雜性，在稍小的反應(yīng)室中，通常采用紅外輻射加熱方式。鹵鎢燈產(chǎn)生的熱能被轉(zhuǎn)化為紅外輻射能，石墨的基座吸收這種輻射能并將其轉(zhuǎn)化回?zé)崮?。在電阻加熱方式中，熱能是由通過金屬基座中的電流流動(dòng)來提供的。

（4）尾氣處理系統(tǒng)：

由于MOCVD系統(tǒng)中所采用的大多數(shù)源均易燃易爆，雨其中的氫化物源又有劇毒，因此，必須對(duì)反應(yīng)過后的尾氣進(jìn)行處理。通常采用的處理方式是將尾氣先通過微粒過濾器去除其中的微粒（如P等）后，再將其通入氣體洗滌器（Scrubber）采用解毒溶液進(jìn)行解毒