[科普中国]-有机金属化学气相沉积法

有机金属化学气相沉积法 (MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition) ，是在基板上成长 半导体 薄膜的一种方法。

简介有机金属化合物化学气相沉积法简称MOCVD法(MetalOrganieChemiealVaporDeposition)或有机金属化合物气相外延法(MetalOrganieVaporPhasoEpitaxy)简称MOVPE或OMVPE法。它是把反应物质全部以有机金属化合物的气体分子形式,用HZ气作载带气体送到反应室,进行热分解反应而形成化合物半导体的一种新技术。由于它用控制气体流最的方法,容易改变化合物的组成及掺杂浓度,同时所用的设备比较简单,生长速度快,周期短,而且有可能进行批量生产。在半导体器件工艺中开始应用和受到重视.。1

其他类似的名称如： MOVPE (Metal-organic Vapor-Phase Epitaxy) 、 OMVPE (Organometallic Vapor-Phase Epitaxy)及 OMCVD (Organometallic Chemical Vapor Deposition) 等等，其中的前两个字母 "MO" 或是 "OM" ，指的是半导体薄膜成长过程中所采用的反应源 (precusor) 为 金属有机物"Metal-organic" 或是 有机金属化合物"Organometallic" 。 而后面三个字母 "CVD" 或是 "VPE" ，指的是所成长的半导体薄膜的特性是属于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长，这种成长方式归类于"沉积"(Deposition)；而 "VPE" 所指的是具有晶形的薄膜成长方式，这种方式归类于"磊晶"(Epitaxy)。

MOCVD系统简介MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体 (Carrier gas) 通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。 一般而言，载流气体通常是 氢气 ，但是也有些特殊情况下采用 氮气 （例如：成长 氮化铟镓 （InGaN）薄膜时）。 常用的基板为 砷化镓 （GaAs）、 磷化镓 （GaP）、 磷化铟（InP）、 矽 （Si）、 碳化矽 （SiC）及 蓝宝石 （Sapphire，Al 2 O 3 ）等等。 而通常所成长的薄膜材料主要为 三五族化合物半导体 （例如：砷化镓（GaAs）、 砷化镓铝 （AlGaAs）、 磷化铝铟镓 （AlGaInP）、氮化铟镓（InGaN））或是 二六族化合物半导体 ，这些半导体薄膜则是应用在光电元件（例如： 发光二极体 （ LED ）、 雷射二极体 （Laser diode）及太阳能电池 ）及微电子元件（例如： 异质接面双载子电晶体 （ HBT ）及 假晶式高电子迁移率电晶体 （ PHEMT ））的制作。

MOCVD组件介绍MOCVD系统的组件可大致分为：反应腔、气体控制及混合系统、反应源及废气处理系统。2

反应腔反应腔 (Reactor Chamber) 主要是所有气体混合及发生反应的地方，腔体通常是由 不锈钢 或是 石英 所打造而成，而腔体的内壁通常具有由石英或是 高温陶瓷 所构成的内衬。 在腔体中会有一个乘载盘用来乘载基板，这个乘载盘必须能够有效率地吸收从加热器所提供的能量而达到薄膜成长时所需要的温度，而且还不能与反应气体发生反应，所以多半是用 石墨 所制造而成。 加热器的设置，依照设计的不同，有的设置在反应腔体之内，也有设置在腔体之外的，而加热器的种类则有以红外线 灯管、热阻丝及 微波 等加热方式。 在反应腔体内部通常有许多可以让冷却水流通的通道，可以让冷却水来避免腔体本身在薄膜成长时发生过热的状况。

气体控制及混合系统载流气体从系统的最上游供应端流入系统，经由流量控制器（MFC, Mass flow controller）的调节来控制各个管路中的气体流入反应腔的流量。 当这些气体流入反应腔之前，必须先经过一组气体切换路由器 (Run/Vent Switch) 来决定该管路中的气体该流入反应腔（Run）亦或是直接排至反应腔尾端的废气管路（Vent）。 流入反应腔体的气体则可以参与反应而成长薄膜，而直接排入反应腔尾端的废气管路的气体则是不参与薄膜成长反应的。

反应源反应源可以分成两种，第一种是有机金属反应源，第二种是 氢化物 （ Hydride ）气体反应源。 有机金属反应源储藏在一个具有两个联外管路的密封不锈钢罐（cylinder bubbler）内，在使用此金属反应源时，则是将这两个联外管路各与MOCVD机台的管路以 VCR接头 紧密接合，载流气体可以从其中一端流入，并从另外一端流出时将反应源的饱和蒸气带出，进而能够流至反应腔。 氢化物气体则是储存在气密钢瓶内，经由压力调节器（Regulator）及流量控制器来控制流入反应腔体的气体流量。 不论是有机金属反应源或是氢化物气体，都是属于具有毒性的物质，有机金属在接触空气之后会发生自然氧化，所以毒性较低，而氢化物气体则是毒性相当高的物质，所以在使用时务必要特别注意安全。 常用的有机金属反应源有：TMGa（Trimethylgallium ）、TMAl（ Trimethylaluminum ）、TMIn（ Trimethylindium ）、Cp2Mg（Bis(cyclopentadienyl)magnesium ）、DIPTe（ Diisopropyltelluride ）等等。 常用的氢化物气体则有 砷化氢（AsH 3 ）、 磷化氢 （PH 3 ）、 氮化氢 （NH 3 ）及 矽乙烷 (Si 2 H 6 )等等。

废气处理系统废气系统是位于系统的最末端，负责吸附及处理所有通过系统的有毒气体，以减少对环境的污染。 常用的废气处理系统可分为干式、湿式及燃烧式等种类。

特点1.所生长的化合物晶体的各成分元素以及掺杂剂都以气体形式导入反应炉,因此生长层的特性(如化合物晶体的成分、导电类型、载流子浓度、膜厚等因素),可以用气体混合器的阀门及流量计控制,故容易制成多元的混晶化合物及多层的薄膜器件。

2.在晶体生长炉中,由于气体流速较大,一般比普通的化学气相沉积法大10倍左右,较易于更换反应炉中的气体,进行新的化合物的外延工作及改变杂质分布浓度等工作。这是制造多层膜器件时特别需要的一个重要条件。3.只加热晶体生长的基板部分就可进行外延,设备结构简单,而且具有大面积生长的可能性。4.晶体的生长速度只与I族原料的供给速度(mol/min)有关,只要改变!族原料的供给速度,可以大幅度改变其晶体生长的速度(《0.05一1拼m/min)。改变l族原料的浓度是利用温度改变时其蒸气压也随着变化的原理来实现的。

5.由于晶体的生长主要靠热分解反应进行,所以在氧化物等异质的晶体上也有可能生长出化合物半导体。

6.由于反应用的化合物原料是非腐蚀性的,对设备材料(如金属、石英、石墨等)不发生腐蚀作用。

7.l族元素及V族元素的含量比例,可以改变混合晶体的组成.。

8。只要原材料纯度高,自掺杂现象比较少。1

本词条内容贡献者为:

鄢志丹 - 副教授 - 中国石油大学（华东）