有机金属化学气相沉积法

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有機金屬化學气相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition),是在基板上成長半導體薄膜的一種方法。
其他類似的名稱如:MOVPE (Metal-organic Vapor-Phase Epitaxy)OMVPE (Organometallic Vapor-Phase Epitaxy)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)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)。

MOCVDprocess.jpg

MOCVD系統簡介[编辑]

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)、(Si)、碳化矽(SiC)及藍寶石(Sapphire,Al2O3)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應用在光電元件(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:异质结双极性晶体管HBT)及假晶式高電子遷移率電晶體PHEMT))的製作。

MOCVD組件介紹[编辑]

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。

GenericMOCVD.jpg

1. 反應腔(Reactor Chamber):

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。加熱器的設置,依照設計的不同,有的設置在反應腔體之內,也有設置在腔體之外的,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。

2. 氣體控制及混合系統(Gas handling & mixing system)

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。

3. 反應源(Precursor):

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(AsH3)、磷化氫(PH3)、氮化氫(NH3)及矽乙烷 (Si2H6)等等。

4. 廢氣處理系統(Scrubber):

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。

深入閱讀[编辑]

  1. G. B. Stringfellow. Organometallic Vapor-Phase Epitaxy: Theory and Practice, 2nd ed. Academic Press (1999). (ISBN 0-12-673842-4)