第6章金属有机物化学气相沉积

4．控制系统
由于质量流量控制器、压力控制器、温度控制器和 电磁阀－气动阀的使用，MOCVD系统的运行可以实 现电脑程序控制，也可以通过集中安装在电控面板上 的按钮进行人工手动控制。控制系统中还包括安全速 锁装置，以防止误操作可能产生的严重后果，并在事 故发生时自动使系统进入保护状态，以减轻事故的危 害、保护操作人员人身安全等。
MOCVD之所以受到人们的重视是因为它具有 下列特点：
（1）用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂 都是以气态通入反应室的，因此，可以通过精确控 制各种气体的流量来控制外延层的组分、导电类型、 载流子浓度、厚度等特性，可以生长薄到几个埃的 薄层和多层结构。
（2）反应室中的气体流速快，因此，在需要 改变多元化合物的成分和杂质浓度时，反应室中的 气体改变是迅速的，从而可以做到多层结构界面和 杂质分布陡峭，这对于生长异质和多层结构无疑是 个很大的优点。
（3）晶体生长是以热分解方式进行的，是单温区外 延生长，只要将衬底温度控制到一定温度就行了， 因此便于多片和大片外延生长，有利于批量生产。
（wk.baidu.com）对于Ⅲ－V族晶体的生长，其速率与III族源 （或V族源）的供给量成正比，因此改变输运量，就 可以大幅度地改变外延生长速度（0.05~3m/min）。
（5）源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化 物，因而生长设备和衬底不容易被腐蚀。
（6）副产物从表面解吸扩散穿过边界层进入主气 流中被排出系统。
一般来说，对MO源有如下要求：
（1）室温下为液体，具有适当且稳定的蒸气压， 以确保精确并可重复的控制输入反应式的源的计量。
（2）适宜的热分解温度。由于外延生长温度受限 于源的分解温度，在很多情况下要求MO源具有低的 热分解温度，以便在外延生长温度下MO源基本能够 完全分解，以提高源的利用率。
第六章 金属有机物化学气相沉积
第一节 金属有机物化学气相沉积概述 一、金属有机物化学气相沉积简介 金属有机物化学气相沉积（metalorganic chemical vapor deposition，简称MOCVD），是利用金属有机 化合物进行化学反应的气相沉积，这种沉积形成的可 以是单晶层、多晶层或纳米结构等。因为此项技术多 用于外延生长而又被称为金属有机物气相外延 （metalorganic vapor phase epitaxy，简称 MOVPE）。
Cp2Mg, SiH4 ……
行星小盘 石墨大盘
喷嘴
顶棚
2. 紧耦合喷淋头式反应室（Close-coupled showerhead， 简称CCS）
3. 高速旋转盘式反应室（TurboDisc）
第三节 金属有机物化学气相沉积工艺控制和半导体
（3）易于合成和提纯。
（4）反应活性较低，不易与其它参与反应的其它 源发生预反应。
（5）毒性低。
第二节 金属有机物化学气相沉积设备
一、金属有机物化学气相沉积设备组成
MOCVD系统一般包括源气体处理系统、反应室、 尾气处理和控制系统。
1.气体处理系统
气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂， 并精确控制其浓度、送入的时间和顺序以及流过反应 室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延 层。
2．反应室 早期的反应室一般由石英管和反应基座组成，之后 随着机械加工技术的进步逐渐开始使用不锈钢作为 反应室腔体。反应基座由石墨或高纯钼等耐高温材 料制作。石墨基座一般由高纯石墨制作，并包覆SiC 层以保护石墨材料。为了获得组份均匀、生长平整 度高、界面梯度好的外延材料，研究工作人员在反 应室设计上下了很多功夫，可以说反应室是MOCVD系 统的核心，整个MOCVD系统的质量如何与反应室的设 计密切相关。
二、典型设备介绍
目前商用的生产型MOCVD设备供应商主要是德国的 Aixtron公司（生产两种型号的MOCVD，反应室分别 是行星式和紧耦合喷淋头式）和美国的Veeco公司 （反应室为高速旋转盘式）。
1. Aixtron行星式反应室（Planetary Reactor）
NH3
TMGa, TEGa, TMIn,TMAl,
MOCVD是利用热能来分解化合物的一种气相外 延生长方法，因此作为含有化合物半导体元素的源 材料化合物应满足以下条件：
（1）在常温左右较稳定且容易处理；
（2）反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应 污染生长层；
（3）为适应气相生长，在室温左右应具有适当的 蒸气压（≥1Torr）。
MOCVD生长过程是按下列步骤进行的：
MOCVD系统根据反应室的工作压力可分为常压 MOCVD（AP－MOCVD）和低压MOCVD（LP－MOCVD）。 相比于常压MOCVD，低压MOCVD还具有如下优点： （1）有助于消除反应室内热对流； （2）抑制有害的寄生反应和气相成核； （3）减弱来自衬底的自掺杂； （4）可以使用较低的生长温度； （5）可以使用较低蒸汽压的源材料。
3．尾气处理系统
反应气体经反应室后，大部分被热分解，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， 必须进行处理。目前处理的方法很多，主要有高温 热解炉再一次分解，随后用硅油或高锰酸钾溶液处 理；也可把尾气直接通入装有H2SO4＋H2O2及装有 NaOH溶液的吸滤瓶进行处理；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。
（1）反应物从其在反应室的出口到反应衬底的输 运；
（2）反应物通过扩散，穿过边界层到达衬底表面；
（3）反应物分子吸附在高温衬底表面上；
（4）吸附分子间或吸附物与气体分子间发生化学 反应生成生长晶体的原子，同时生成气体副产物；
（5）生成的生长晶体的原子沿衬底表面扩散，到 达衬底表面上晶格的某些折角或台阶处结合进入晶 体点阵中；
二、金属有机物化学气相沉积反应机理
MOCVD是利用金属有机化合物源（简称MO源）进行 金属输运的一种气相外延生长技术，其原理是：利用 载气（通常为反应惰性的H2、N2、Ar等）把MO源和 其它反应气体源携带到反应室中，MO源和其它反应 气体在加热衬底上方发生化学反应，经过在气相和 气—固界面发生的一系列化学和物理变化，最终在衬 底表面上生成外延层。