許堅強

摘 要：MOCVD，即金屬有機物化學氣相沉積法、金屬有機物氣相外延生長，是一種制備化合物半導體薄層的方法，應用于多個領(lǐng)域，如太陽能電池、半導體激光器、LED等?，F(xiàn)有的MOCVD設(shè)備主要依賴進口，成本較高，因此MOCVD設(shè)備的研究對國防高端技術(shù)、新能源領(lǐng)域都很有必要。文章簡單分析了MOCVD設(shè)備以及MOCVD技術(shù)。

關(guān)鍵詞：MOCVD設(shè)備；MOCVD技術(shù)；反應腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.110

1 MOCVD設(shè)備構(gòu)成

MOCVD設(shè)備包括了5個分系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)、反應室、氣體輸運及尾氣處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

（1）反應腔結(jié)構(gòu)。MOCVD設(shè)備中，反應腔是生長材料的部分，其設(shè)計會影響到材料生長好壞。反應腔可以分為垂直式、水平式兩種。垂直式反應腔的襯底表面和反應源的進氣方向是相互垂直的，整個襯底表面被反應源全部覆蓋，避免出現(xiàn)水平式反應腔中出現(xiàn)的消耗不均等問題。水平式反應腔的襯底設(shè)置在基座的水平方向，小直徑的進氣口向大直徑的進氣口過渡，氣體從襯底上流過，避免出現(xiàn)湍流，以保證層流。水平式反應腔實現(xiàn)均勻薄膜厚度的難度較大，因此水平式反應腔不能大規(guī)模生產(chǎn)，只適合用于研究。

（2）加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。MOCVD設(shè)備薄層的生長溫度在400-2000℃范圍內(nèi)。加熱系統(tǒng)加熱的是發(fā)生反應的基底，向反應提供所需溫度，并且能夠滿足升溫降溫速度快、加熱均勻和溫度穩(wěn)定時間短的要求。在反應腔中反應物均勻分布的情況下，基座表面熱場保持均勻就是提高薄層厚度均勻性的一種方式。

冷卻系統(tǒng)包括了氣體流道冷卻、噴淋腔壁冷卻、腔體中心管冷卻、加熱器電極冷卻、尾氣冷卻等，見圖1。

（3）氣體運輸系統(tǒng)。氣體輸運系統(tǒng)是 MOCVD設(shè)備成本的集中部位。因為所使用的載氣屬于超高純氣體，在輸運中要避免出現(xiàn)氣體被污染的情況，對調(diào)壓閥、輸運管道、切換組合閥、彎管連接頭、氣動隔膜閥等的光潔度、質(zhì)量的要求非常高。同時，還有較多的高精度集成控制裝置，包括質(zhì)量流量控制器、壓力控制器等。整個氣路設(shè)置了多個檢漏點，以防泄漏和為了定期維護設(shè)備。因此，氣體輸運系統(tǒng)的成本較高。

（4）整體控制系統(tǒng)。MOCVD設(shè)備有較多的控制參數(shù)，包括溫度控制、機片座旋轉(zhuǎn)控制、壓力控制、安全防護、氣流控制、故障報警分級處理和可靠性設(shè)計。溫度的升溫速率、跟隨性、穩(wěn)定性、均勻性和控制精度等對結(jié)晶表面形貌、質(zhì)量、量子阱結(jié)構(gòu)的都有很大影響。在外延生長中，機片座的轉(zhuǎn)速通常為5-20r/分鐘，轉(zhuǎn)速采用的是全自動閉環(huán)控制。氣體流量采用的是質(zhì)量流量計，利用D/A和A/D構(gòu)成閉環(huán)控制。流量控制有較高的精度要求，快速響應氣流通斷要求，滿足多量子阱以及超晶格結(jié)構(gòu)芯片生長的需要。MOCVD技術(shù)中，安全性一直是研究重點。MOCVD設(shè)備中使用了SiH4、H2等危險氣體，若氣體發(fā)生泄漏會威脅人員設(shè)備安全。在電氣設(shè)計中需要對手套箱、氣源柜進行氣體檢測。故障警報分級處理是將不同故障歸納為不同等級。如一級警報信息是指可能發(fā)生中毒、爆炸、火災等，會造成嚴重人員傷亡的事故，比如反應室過壓、氫氣泄漏、氫氣管道壓力過低等。二級警報是指有可能損壞設(shè)備或者造成工藝失敗的事故，如流量、旋轉(zhuǎn)、壓力、溫度參數(shù)偏差等，給出關(guān)鍵信息，提示故障狀況，并由操作人員進行處理。可靠性設(shè)計的重要部分可以使用高一級的元件，關(guān)鍵部分采取冗余設(shè)計或者降額設(shè)計，提升MOCVD設(shè)備的可靠性。

2 現(xiàn)代MOCVD技術(shù)研究

國內(nèi)外的MOCVD設(shè)備通常運用的是氣態(tài)源輸運方式，然后進行薄層制備。氣態(tài)源MOCVD設(shè)備是以氣態(tài)方式把MO源輸運到反應室，通過氣體流量來控制反應室中的MO源流量，用氣態(tài)源MOCVD技術(shù)沉積一些功能性金屬氧化薄層，但為了避免輸運過程中出現(xiàn)分解的情況，要求選擇的金屬有機物應該具有較高的分子穩(wěn)定性。部分功能性金屬氧化物有非常復雜的組分，元素合成具有較高蒸氣壓的液態(tài)MO源物質(zhì)或者氣態(tài)MO源物質(zhì)的難度較大，而蒸氣壓穩(wěn)定性差的氣體不能利用鼓泡器輸送到反應室。

在薄層晶體生長過程中，MOCVD技術(shù)具有獨特優(yōu)勢。第一，能夠在低溫中制備出較高純度的薄膜材料，降低材料的本征雜質(zhì)含量，減少了熱缺陷。第二，薄膜材料能夠達到原子級精度。第三，使用質(zhì)量流量計可以控制化合物的摻雜量與組分情況。第四，能夠高重復性、大面積及均勻的完成薄膜生長，可以用于工業(yè)化生產(chǎn)。第五，通過切換氣源，可以改變反應物的比例與種類，薄膜生長的界面成分發(fā)生突變，以實現(xiàn)界面陡峭。MOCVD技術(shù)能夠使化合物單晶薄膜在結(jié)構(gòu)區(qū)域更加細微化，逐漸向膜厚超薄化、組分多元化方向發(fā)展。各種異質(zhì)結(jié)材料逐漸增多，使得生長出來的半導體化物材料能夠滿足毫米波半導體器、新型微波、光電子器的要求。人們可以在原子尺度上設(shè)置材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定材料波函數(shù)與能帶結(jié)構(gòu)，以此制備出量子微結(jié)構(gòu)材料。

3 MOCVD技術(shù)的應用

MOCVD技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展，可以滿足光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展需要，也制備了inAs/inSb、GaInp/GaAs、GaInAsp/inp等多種類型的薄膜晶體材料系列。MOCVD技術(shù)解決了量大面廣的低廉價格與高難度的生長技術(shù)之間的矛盾。MOCVD技術(shù)的發(fā)展和化合物半導體器件的制造、材料研究的需求密切相關(guān)，也促進了新型器件的研究制造。當前，多種化合物半導體器件的制備均運用到了MOCVD技術(shù)，如量子阱激光器、SEED、HFET、HEMT、垂直腔面激光器、微腔、高電子遷移率晶體管、激光器、場效應晶體管等，促進了光電子技術(shù)、微電子的發(fā)展。目前軍事電裝備中的高溫半導體器、微波毫米器件以及光電子器件等也應用MOCVD與MBE技術(shù)，進行薄層材料生長。

4 結(jié)束語

MOCVD設(shè)備由五個部分組成，控制系統(tǒng)、氣體輸運及尾氣處理系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、反應腔結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)代MOCVD技術(shù)也廣泛應用多個領(lǐng)域，如軍事、微電子等，也可以用于光學器件、超導薄膜材料、半導體器件、高介電材料等薄膜薄膜材料的制備中。但 MOCVD技術(shù)

的重要缺陷是還未研制出實時在位監(jiān)測生長過程技術(shù)。近幾年來，提出的表面吸收譜方式可以實現(xiàn)在位監(jiān)測，但不能廣泛推廣。總之，MOCVD技術(shù)是一種持續(xù)發(fā)展中的半導體超精細加工技術(shù)，其發(fā)展會在很大程度上促進光電子技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，其應用前景也會更為廣泛。

參考文獻：

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