有機金屬化學氣相沉積法

有機金屬化學氣相沉積法 (MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition) ，是在基板上成長 半導體 薄膜的一種方法。

基本介紹

• 中文名：有機金屬化學氣相沉積法
• 英文名：MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition

簡介

有機金屬化合物化學氣相沉積法簡稱MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)或有機金屬化合物氣相外延法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)簡稱MOVPE或OMVPE法。它是把反應物質全部以有機金屬化合物的氣體分子形式,用HZ氣作載帶氣體送到反應室,進行熱分解反應而形成化合物半導體的一種新技術。由於它用控制氣體流最的方法,容易改變化合物的組成及摻雜濃度,同時所用的設備比較簡單,生長速度快,周期短,而且有可能進行批量生產。在半導體器件工藝中開始套用和受到重視.。

其他類似的名稱如： MOVPE (Metal-organic Vapor-Phase Epitaxy) 、 OMVPE (Organometallic Vapor-Phase Epitaxy)及 OMCVD (Organometallic Chemical Vapor Deposition) 等等，其中的前兩個字母 "MO" 或是 "OM" ，指的是半導體薄膜成長過程中所採用的反應源 (precusor) 為 金屬有機物"Metal-organic" 或是 有機金屬化合物"Organometallic" 。 而後面三個字母 "CVD" 或是 "VPE" ，指的是所成長的半導體薄膜的特性是屬於非晶形薄膜或是具有晶形的薄膜。 一般而言，"CVD" 所指的是非晶形薄膜的成長，這種成長方式歸類於"沉積"(Deposition)；而 "VPE" 所指的是具有晶形的薄膜成長方式，這種方式歸類於"磊晶"(Epitaxy)。

MOCVD系統簡介

MOCVD成長薄膜時，主要將載流氣體 (Carrier gas) 通過有機金屬反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然後在被加熱的基板上面發生化學反應促成薄膜的成長。 一般而言，載流氣體通常是 氫氣 ，但是也有些特殊情況下採用 氮氣 （例如：成長 氮化銦鎵 （InGaN）薄膜時）。 常用的基板為 砷化鎵 （GaAs）、 磷化鎵 （GaP）、 磷化銦（InP）、 矽 （Si）、 碳化矽 （SiC）及 藍寶石 （Sapphire，Al 2 O 3 ）等等。 而通常所成長的薄膜材料主要為 三五族化合物半導體 （例如：砷化鎵（GaAs）、 砷化鎵鋁 （AlGaAs）、 磷化鋁銦鎵 （AlGaInP）、氮化銦鎵（InGaN））或是 二六族化合物半導體 ，這些半導體薄膜則是套用在光電元件（例如： 發光二極體 （ LED ）、 雷射二極體 （Laser diode）及太陽能電池 ）及微電子元件（例如： 異質接面雙載子電晶體 （ HBT ）及 假晶式高電子遷移率電晶體 （ PHEMT ））的製作。

MOCVD組件介紹

MOCVD系統的組件可大致分為：反應腔、氣體控制及混合系統、反應源及廢氣處理系統。

反應腔

反應腔 (Reactor Chamber) 主要是所有氣體混合及發生反應的地方，腔體通常是由 不鏽鋼 或是 石英 所打造而成，而腔體的內壁通常具有由石英或是 高溫陶瓷 所構成的內襯。 在腔體中會有一個乘載盤用來乘載基板，這個乘載盤必須能夠有效率地吸收從加熱器所提供的能量而達到薄膜成長時所需要的溫度，而且還不能與反應氣體發生反應，所以多半是用 石墨 所製造而成。 加熱器的設定，依照設計的不同，有的設定在反應腔體之內，也有設定在腔體之外的，而加熱器的種類則有以紅外線 燈管、熱阻絲及 微波 等加熱方式。 在反應腔體內部通常有許多可以讓冷卻水流通的通道，可以讓冷卻水來避免腔體本身在薄膜成長時發生過熱的狀況。

氣體控制及混合系統

載流氣體從系統的最上游供應端流入系統，經由流量控制器（MFC, Mass flow controller）的調節來控制各個管路中的氣體流入反應腔的流量。 當這些氣體流入反應腔之前，必須先經過一組氣體切換路由器 (Run/Vent Switch) 來決定該管路中的氣體該流入反應腔（Run）亦或是直接排至反應腔尾端的廢氣管路（Vent）。 流入反應腔體的氣體則可以參與反應而成長薄膜，而直接排入反應腔尾端的廢氣管路的氣體則是不參與薄膜成長反應的。

反應源

反應源可以分成兩種，第一種是有機金屬反應源，第二種是 氫化物 （ Hydride ）氣體反應源。 有機金屬反應源儲藏在一個具有兩個聯外管路的密封不鏽鋼罐（cylinder bubbler）內，在使用此金屬反應源時，則是將這兩個聯外管路各與MOCVD機台的管路以 VCR接頭 緊密接合，載流氣體可以從其中一端流入，並從另外一端流出時將反應源的飽和蒸氣帶出，進而能夠流至反應腔。 氫化物氣體則是儲存在氣密鋼瓶內，經由壓力調節器（Regulator）及流量控制器來控制流入反應腔體的氣體流量。 不論是有機金屬反應源或是氫化物氣體，都是屬於具有毒性的物質，有機金屬在接觸空氣之後會發生自然氧化，所以毒性較低，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注意安全。 常用的有機金屬反應源有：TMGa（Trimethylgallium ）、TMAl（ Trimethylaluminum ）、TMIn（ Trimethylindium ）、Cp2Mg（Bis(cyclopentadienyl)magnesium ）、DIPTe（ Diisopropyltelluride ）等等。 常用的氫化物氣體則有 砷化氫（AsH 3 ）、 磷化氫 （PH 3 ）、 氮化氫 （NH 3 ）及 矽乙烷 (Si 2 H 6 )等等。

廢氣處理系統

廢氣系統是位於系統的最末端，負責吸附及處理所有通過系統的有毒氣體，以減少對環境的污染。 常用的廢氣處理系統可分為乾式、濕式及燃燒式等種類。

特點

1.所生長的化合物晶體的各成分元素以及摻雜劑都以氣體形式導入反應爐,因此生長層的特性(如化合物晶體的成分、導電類型、載流子濃度、膜厚等因素),可以用氣體混合器的閥門及流量計控制,故容易製成多元的混晶化合物及多層的薄膜器件。

4.晶體的生長速度只與I族原料的供給速度(mol/min)有關,只要改變!族原料的供給速度,可以大幅度改變其晶體生長的速度(《0.05一1拼m/min)。改變l族原料的濃度是利用溫度改變時其蒸氣壓也隨著變化的原理來實現的。

5.由於晶體的生長主要靠熱分解反應進行,所以在氧化物等異質的晶體上也有可能生長出化合物半導體。

6.由於反套用的化合物原料是非腐蝕性的,對設備材料(如金屬、石英、石墨等)不發生腐蝕作用。

7.l族元素及V族元素的含量比例,可以改變混合晶體的組成.。

8。只要原材料純度高,自摻雜現象比較少。