MOCVD

新型气相外延生长技术

MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。

系统简介

定义

MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。

缩写

Metal-organic Chemical Vapor Deposition （金属有机化合物化学气相沉淀）。

原理

MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200℃,用直流加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。

系统概况

组成

因为MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料。因此在MOCVD系统的设计思想上，通常要考虑系统密封性，流量、温度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧凑等。不同厂家和研究者所产生或组装的MOCVD设备是不同的。一般由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统。

【源供给系统】

包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中，由通入的高纯H2携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压，源瓶置入电子恒温器中，温度控制精度可达0.2℃以下。氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%一10%后，装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，输运到反应室。掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。

【气体输运系统】

气体的输运管都是不锈钢管道。为了防止存储效应，管内进行了电解抛光。管道的接头用氢弧焊或VCR及Swagelok方式连接，并进行正压检漏及Snoop液体或He泄漏检测，保证反应系统无泄漏是MOCVD设备组装的关键之一。流量是由不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。在真空系统与反应室之间设有过滤器，以防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为了迅速变化反应室内的反应气体，而且不引起反应室内压力的变化，设置“run”和“vent”，管道。

【反应室和加热系统】

反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构的化合物半导体材料，各生产厂家和研究者在反应室结构的设计上下了很大功夫，设计出了不同结构的反应室。石墨基座是由高纯石墨制成，并包裹SIC层。加热多采用高频感应加热，少数是辐射加热。由热电偶和温度控制器来控制温度，一般温度控制精度可达到0.2℃或更低。

【尾气处理系统】

反应气体经反应室后大部分热分解，但还有部分尚未完全分解，因此尾气不能直接排放到大气中，必须先进行处理，处理方法主要有高温热解炉再一次热分解，再用硅油或高锰酸钾溶液处理;也可以把尾气直接通入装有H2SO4+H2O及装有NaOH溶液的吸滤瓶处理;也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等。

【安全保护及报警系统】

为了安全，一般的MOCVD系统还备有高纯从旁路系统，在断电或其它原因引起的不能正常工作时，通入纯N2保护生长的片子或系统内的清洁。在停止生长期间也有常通高纯N2保护系统。

【手动和自动控制系统】

一般MOCVD设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，是操作者能及时了解设备运转的情况。此外，MOCVD设备一般都设在具有强排风的工作室内。

优点

1 适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体;

2 非常适合于生长各种异质结构材料;

3 可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡;

4 生长易于控制;

5 可以生长纯度很高的材料;

6 外延层大面积均匀性良好;

7 可以进行大规模生产。

国内外发展

中国MOCVD系统发展

2012年12月12号，中国首台具有世界先进水平的大型国产MOCVD设备发运庆典在张江高新区核心园举行。

作为LED芯片生产过程中最为关键的设备，MOCVD的核心技术长期被欧美企业所垄断，严重制约了中国LED产业的健康发展。中晟光电设备上海有限公司于2012年1月18日成功实现了拥有自主创新知识产权的具有世界先进水平的大型国产MOCVD设备下线，仅用了10个月时间，又完成了工艺的开发和设备进一步的改进优化，完成了设备产业化生产必备条件与设施的建立；在此基础上又完成了4家客户的多次实地考察，亲临操作设备和验证各项工艺。

客户充分肯定了中晟设备的技术方向和设计上的世界先进性，也对设备用于大规模生产提出了进一步改进的建设性要求。使该设备同时具有世界上最高的系统产能、最低的外延生产成本、良好的波长均匀性、大规模外延生产所需的各项关键性能等4项核心的差异竞争力。这次我国首台具有世界先进水平的大型国产MOCVD设备成功发运，不仅标志着在实现中国大型MOCVD设备国产化战略目标的征途上，中晟迈开了具有里程碑意义的一步，而且充分体现了中国有能力在高端装备领域实现跨越式的发展。

国外MOCVD系统发展

随着化合物半导体器件(如 GaAs MMIC、 InP MMIC以及GaN蓝光LED)市场的不断扩大，MOCVD系统的需求量不断增长。国际上实力最为雄厚的MOCVD系统制造商有:德国Aixtron公司、美国的Emcore公司（其MOCVD已被Veeco兼并）、英国的Thomass~(1999年被Aixtron兼并)等。因为MOCVD系统最关键的问题就是保证材料生长的均匀性和重复性，因此不同厂家的MOCVD系统最主要的区别在于反应室结构。Aixtron采用行星反应(Planetary Reactor)，Emcore采用TurboDisc反应室(该业务己出售给Veeco公司)、Thomas Swan(该公司于2003年2月份被Aixtron兼并)采用 Closed Coupled Showerhead(CCS)反应室。

国内拥有的进口MOCVD系统700台左右，其中 Aixtron MOCVD系统和Emcore MOCVD系统占绝大多数，有少量的 Thomas Swan MOCVD系统、法国ASM MOCVD系统和日本RIPPON SANSO MOCVD系统，主要用于GaN LD/LED的研究和制造。

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