MOCVD的外延片技术研究报告和工艺流程!
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我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有很强的产业基础，而且政策明确表示对行业的支持，因此未来我国LED将面临巨大的发展机遇。中国的LED产业2003年以来快速发展，已覆盖外延、芯片、封装、应用产品等上下游产业链，“一头沉”的状态正在发生改变，中国LED上游产业得到了较快的发展，其中芯片产业发展最为引人注目。从产业规模看，2006年中国LED产业包括了衬底、外延、芯片、封装四个环节。其中，封装仍是中国LED产业中最大的产业链环节，但产值所占比例相对以前有了很大的改善，并在将来的发展中，芯片（MOCVD）占的比重将持续得到提升，封装环节占的比重将逐年下降。中国LED产业结构正在由较低端的封装转向附加值更高、更具核心价值的芯片（MOCVD）环节。
MOCVD市场研究报告
刘根
三、MOCVD工艺流程图…………………………………………………………….11
第五章市场分析……………………………………………………………..13
第一节客户概况…………………………………………………………….13
第二节原材料厂商……………………………………………………….15
一般来说,一组理想的MOCVD反应系统必需符合下列条件
ａ．提供洁净环境。
ｂ.反应物于抵达基板 衬底 之前以充分混合,确保膜成分均匀。
根据P-N结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。使半导体的光电效应与P-N结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合就可以制造半导体发光二极管（LED）。
二、
当电流通过导线作用于这个P-N结的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
第二章
第一节
LED（Light Emitting Diode），中文名：发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。当初多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。
MOCVD对镀膜成分、晶相等品质容易控制:
可在形状复杂的基材 衬底 上形成均匀镀膜,结构密致,附着力良好之优点,因此MOCVD已经成为工业界主要的镀膜技术。MOCVD制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态。整套系统可分为：
a.进料区
进料区可控制反应物浓度。气体反应物可用高压气体钢瓶经MFC精密控制流量,而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华,再以H2、Ar等惰性气体作为carrier而将原反应物带入反应室中。
技术指标：高真空反应沉积室，极限真空度优于：6.7×10-5Pa（经烘烤除气）
反应沉积室：尺寸：φ200×240mm
样品加热器：样品尺寸为：φ50mm
沉积温度：800~1200℃
温度精度：±1℃
真空室漏率：小于5×10-8Pa.l/s
工作气体为五路，其中3路为有机源，气态源为2路，由进口质量流量控制器控制
b.反应室
反应室控制化学反应的温度与压力。在此反应物吸收系统供给的能量,突破反应活化能的障碍开始进行反应。
7.依照操作压力不同,MOCVD制程可分为:
I常压MOCVDAPCVD
II低压MOCVDLPCWD
III超低压MOCVDSLCVD。
依能量来源区分为热墙式和冷墙式,如分如下:
(I)热墙式 由反应室外围直接加热,以高温为能量来源
AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。
但要如何来设计适当的MOCVD机台为一首要的问题而解决此问题须要考虑下列因素：
1.要能克服GaN成长所须的高温
2.要能避免MO Gas金属有机蒸发源与NH3在预热区就先进行反应
3.进料流速与薄膜长成厚度均。一般来说GaN的成长须要很高的温度来打断NH3之N-H的键解,另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MO Gas会进行反应产生没有挥发性的副产物。了解这些问题之后要设计适当的MOCVD外延机台的最主要前题是要先了解GaN的成长机构,且又能降低生产成本为一重要发展趋势。
金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD），
如:MOCVD外延图示
1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
(II)等离子辅助MOCVD
(III)电子回旋共振是电浆辅助
(IV)高周波MOCVD
(V)Photo－MOCVD
(VI)others
其中(II)至(VI)皆为冷墙式
8.废气处理系统
通常以淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气淡化装置组合成为废气处理系统,以吸收制程废气,排放工安要求,对人体无害的气体。
工艺压强范围：13.3~266Pa
2.德国AIXTRON，MOCVD作为AIXTRON最主要的设备，其全球市场占有率达到了63%。
2010年为配合LED一般照明市场需求， Aixtron将斥资4,000万欧元在德国Herzogenrath-Kohlscheid兴建LED研发中心，预计在未来2~3年内完工。
上海办事处：新金桥路1888号7号楼505室
电话: (86) 21-5531-8005传真: (86) 21-3872-0056
新型设备TurboDisc K465 GaN（量产型）金属有机化学汽相沉积系统:
TurboDisc K465 GaN MOCVD外延生长系统与K300外延生长系统共享同一系统平台，拥有目前业界批量生产GaN-基蓝、绿光LEDs和蓝光激光器的最大产能。K465采用了Veeco最先进的TurboDisc反应室技术，其产能优于其他同类系统约50%.
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
第二节
一、
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
而行业内最领先的日本企业对技术严格封锁,其中GaN材料研究最成功的日本 日亚化学和丰田合成(ToyodaGosei)的MOCVD设备则根本不对外销售,另一家技术比较成熟的日本 酸素(Sanso)公司的设备只限于日本境内出售.
1.美国维易科（Veeco）精密仪器公司(Veeco Instruments):
2010年9月4日
第一章
半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变我们的世界。作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。
第三章
第一节
LED产业一般按照材料制备、芯片制备和器件封装与应用分为上、中、下游。虽然产业环节不多，但其涉及的技术领域广泛，技术工艺多样化，上下游之间的差异巨大，上游环节进入壁垒大大高于下游环节(上游外延片制备的投资规模比一些下游应用环节高出上千倍)，呈现金字塔形的产业结构。
其中，上游和中游技术含量较高，资本投入密度大。从上游到下游，产品在外观上差距相当大。LED发光顏色与亮度由磊晶材料决定，且磊晶占LED制造成本70%左右，对LED产业极为重要。
反应物扩散至基材 衬底 表面、表面化学反应、固态生成物沉积与气态产物的扩散脱离等微观的动力学过程对制程亦有不可忽视的影响。
6.MOCVD化学反应机构有：
反应气体在基材 衬底 表面膜的扩散传输、反应气体与基材 衬底 的吸附、表面扩散、化学反应、固态生成物之成核与成长、气态生成物的脱附过程等,其中速率最慢者即为反应速率控制步骤,亦是决定沉积膜组织型态与各种性质的关键所在。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称P-N结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
P-N结有同质结和异Βιβλιοθήκη Baidu结两种。用同一种半导体材料制成的 P-N 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的P-N结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
第
LED上游产品分为单晶片和磊晶片，其中单晶片是作为材料的基板（衬底），磊晶片（外延片）长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形，厚度相当薄，就像是一个平面金属一样。上游磊晶制程顺序为：单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。
一
LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。LED主要的外延生长技术包括LPE液相外延、VPE气相外延和MOCVD金属气相外延三种。前两者主要用来生产传统LED，后者用于生产高亮度LED。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）。
3.MOCVD机台产品利用率比对情况：
上表为：全球LED厂家安装MOCVD的增长情况（单位：千/反应器）
最好的情况最差的情况
MOCVD反应器使用率（％）
4.按目前MOCVD外延生长的技术，2英寸外延片的成本在2000元人民币左右，国际市场价格在3000元人民币左右。
5．而LED或是LD亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏,发光层主要的组成不外乎是单层的In GaN/ GaN量子井（Single Quantum Well）或是多层的量子井（Multiple Quantum Well）,而尽管制造LED的技术一直在进步但其发光层MQW的品质并没有成正比成长,其原因是发光层中铟（Indium）的高挥发性和氨NH3的热裂解效率低是MOCVD机台所难于克服的难题,氨气NH3与铟的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在InGaN的表面。
二．MOCVD机台之介绍
目前国际上MOCVD设备厂商为德国,美国,英国,日本等少数国家中数量非常有限的企业可以生产,一台24片机器的价格高达数千万元(当前价格约300万美圆)
以往欧美厂商主要包括德国Aixtron,美国Emcore和英国ThomasSwan.1992年德国Aixtron根据Philips授权专利生产出第一台多片式行星式反应室的MOCVD机.此后,Emcore被美国Veeco收购,ThomasSwan被德国Aixtron收购.
MOCVD反应为一非平衡状态下成长机制,其原理为利用有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)MOCVD是一种利用气相反应物,或是前驱物（precursor）和Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3,在基材）（substrate）表面进行反应,传到基材 衬底 表面固态沉积物的制程。MOCVD利用气相反应物间之化学反应将所需产物沉积在基材 衬底 表面的过程,蒸镀层的成长速率和性质 成分、晶相 会受到温度、压力、反应物种类、反应物浓度、反应时间、基材 衬底 种类、基材 衬底 表面性质等主观因素影响。
MOCVD市场研究报告
刘根
三、MOCVD工艺流程图…………………………………………………………….11
第五章市场分析……………………………………………………………..13
第一节客户概况…………………………………………………………….13
第二节原材料厂商……………………………………………………….15
一般来说,一组理想的MOCVD反应系统必需符合下列条件
ａ．提供洁净环境。
ｂ.反应物于抵达基板 衬底 之前以充分混合,确保膜成分均匀。
根据P-N结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。使半导体的光电效应与P-N结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合就可以制造半导体发光二极管（LED）。
二、
当电流通过导线作用于这个P-N结的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
第二章
第一节
LED（Light Emitting Diode），中文名：发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。当初多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。
MOCVD对镀膜成分、晶相等品质容易控制:
可在形状复杂的基材 衬底 上形成均匀镀膜,结构密致,附着力良好之优点,因此MOCVD已经成为工业界主要的镀膜技术。MOCVD制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态。整套系统可分为：
a.进料区
进料区可控制反应物浓度。气体反应物可用高压气体钢瓶经MFC精密控制流量,而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华,再以H2、Ar等惰性气体作为carrier而将原反应物带入反应室中。
技术指标：高真空反应沉积室，极限真空度优于：6.7×10-5Pa（经烘烤除气）
反应沉积室：尺寸：φ200×240mm
样品加热器：样品尺寸为：φ50mm
沉积温度：800~1200℃
温度精度：±1℃
真空室漏率：小于5×10-8Pa.l/s
工作气体为五路，其中3路为有机源，气态源为2路，由进口质量流量控制器控制
b.反应室
反应室控制化学反应的温度与压力。在此反应物吸收系统供给的能量,突破反应活化能的障碍开始进行反应。
7.依照操作压力不同,MOCVD制程可分为:
I常压MOCVDAPCVD
II低压MOCVDLPCWD
III超低压MOCVDSLCVD。
依能量来源区分为热墙式和冷墙式,如分如下:
(I)热墙式 由反应室外围直接加热,以高温为能量来源
AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。
但要如何来设计适当的MOCVD机台为一首要的问题而解决此问题须要考虑下列因素：
1.要能克服GaN成长所须的高温
2.要能避免MO Gas金属有机蒸发源与NH3在预热区就先进行反应
3.进料流速与薄膜长成厚度均。一般来说GaN的成长须要很高的温度来打断NH3之N-H的键解,另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MO Gas会进行反应产生没有挥发性的副产物。了解这些问题之后要设计适当的MOCVD外延机台的最主要前题是要先了解GaN的成长机构,且又能降低生产成本为一重要发展趋势。
金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD），
如:MOCVD外延图示
1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
(II)等离子辅助MOCVD
(III)电子回旋共振是电浆辅助
(IV)高周波MOCVD
(V)Photo－MOCVD
(VI)others
其中(II)至(VI)皆为冷墙式
8.废气处理系统
通常以淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气淡化装置组合成为废气处理系统,以吸收制程废气,排放工安要求,对人体无害的气体。
工艺压强范围：13.3~266Pa
2.德国AIXTRON，MOCVD作为AIXTRON最主要的设备，其全球市场占有率达到了63%。
2010年为配合LED一般照明市场需求， Aixtron将斥资4,000万欧元在德国Herzogenrath-Kohlscheid兴建LED研发中心，预计在未来2~3年内完工。
上海办事处：新金桥路1888号7号楼505室
电话: (86) 21-5531-8005传真: (86) 21-3872-0056
新型设备TurboDisc K465 GaN（量产型）金属有机化学汽相沉积系统:
TurboDisc K465 GaN MOCVD外延生长系统与K300外延生长系统共享同一系统平台，拥有目前业界批量生产GaN-基蓝、绿光LEDs和蓝光激光器的最大产能。K465采用了Veeco最先进的TurboDisc反应室技术，其产能优于其他同类系统约50%.
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
第二节
一、
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
而行业内最领先的日本企业对技术严格封锁,其中GaN材料研究最成功的日本 日亚化学和丰田合成(ToyodaGosei)的MOCVD设备则根本不对外销售,另一家技术比较成熟的日本 酸素(Sanso)公司的设备只限于日本境内出售.
1.美国维易科（Veeco）精密仪器公司(Veeco Instruments):
2010年9月4日
第一章
半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变我们的世界。作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。
第三章
第一节
LED产业一般按照材料制备、芯片制备和器件封装与应用分为上、中、下游。虽然产业环节不多，但其涉及的技术领域广泛，技术工艺多样化，上下游之间的差异巨大，上游环节进入壁垒大大高于下游环节(上游外延片制备的投资规模比一些下游应用环节高出上千倍)，呈现金字塔形的产业结构。
其中，上游和中游技术含量较高，资本投入密度大。从上游到下游，产品在外观上差距相当大。LED发光顏色与亮度由磊晶材料决定，且磊晶占LED制造成本70%左右，对LED产业极为重要。
反应物扩散至基材 衬底 表面、表面化学反应、固态生成物沉积与气态产物的扩散脱离等微观的动力学过程对制程亦有不可忽视的影响。
6.MOCVD化学反应机构有：
反应气体在基材 衬底 表面膜的扩散传输、反应气体与基材 衬底 的吸附、表面扩散、化学反应、固态生成物之成核与成长、气态生成物的脱附过程等,其中速率最慢者即为反应速率控制步骤,亦是决定沉积膜组织型态与各种性质的关键所在。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称P-N结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
P-N结有同质结和异Βιβλιοθήκη Baidu结两种。用同一种半导体材料制成的 P-N 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的P-N结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
第
LED上游产品分为单晶片和磊晶片，其中单晶片是作为材料的基板（衬底），磊晶片（外延片）长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形，厚度相当薄，就像是一个平面金属一样。上游磊晶制程顺序为：单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。
一
LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。LED主要的外延生长技术包括LPE液相外延、VPE气相外延和MOCVD金属气相外延三种。前两者主要用来生产传统LED，后者用于生产高亮度LED。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）。
3.MOCVD机台产品利用率比对情况：
上表为：全球LED厂家安装MOCVD的增长情况（单位：千/反应器）
最好的情况最差的情况
MOCVD反应器使用率（％）
4.按目前MOCVD外延生长的技术，2英寸外延片的成本在2000元人民币左右，国际市场价格在3000元人民币左右。
5．而LED或是LD亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏,发光层主要的组成不外乎是单层的In GaN/ GaN量子井（Single Quantum Well）或是多层的量子井（Multiple Quantum Well）,而尽管制造LED的技术一直在进步但其发光层MQW的品质并没有成正比成长,其原因是发光层中铟（Indium）的高挥发性和氨NH3的热裂解效率低是MOCVD机台所难于克服的难题,氨气NH3与铟的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在InGaN的表面。
二．MOCVD机台之介绍
目前国际上MOCVD设备厂商为德国,美国,英国,日本等少数国家中数量非常有限的企业可以生产,一台24片机器的价格高达数千万元(当前价格约300万美圆)
以往欧美厂商主要包括德国Aixtron,美国Emcore和英国ThomasSwan.1992年德国Aixtron根据Philips授权专利生产出第一台多片式行星式反应室的MOCVD机.此后,Emcore被美国Veeco收购,ThomasSwan被德国Aixtron收购.
MOCVD反应为一非平衡状态下成长机制,其原理为利用有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)MOCVD是一种利用气相反应物,或是前驱物（precursor）和Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3,在基材）（substrate）表面进行反应,传到基材 衬底 表面固态沉积物的制程。MOCVD利用气相反应物间之化学反应将所需产物沉积在基材 衬底 表面的过程,蒸镀层的成长速率和性质 成分、晶相 会受到温度、压力、反应物种类、反应物浓度、反应时间、基材 衬底 种类、基材 衬底 表面性质等主观因素影响。