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MOCVD废气处理设备概述

作者:admin  来源:本站  发表时间:2016-06-17 8:32:50  点击:1312

MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor DePosition)的英文缩写。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.它以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℃,用射频感应加热石墨基座(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。



 

MOCVD技术具有下列优点:



 

(l)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。



 

MOCVD系统组成



 

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,但一般来说,MOCVD设备是由源供给系统、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等组成。



 

l)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。



 

2)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。



 

3)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。



 

4)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。



 

5)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。



 

6)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。



 

目前全球及国内的MOCVD系统



 

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。目前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、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Veeeo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。



 

目前国内拥有的进口MOCVD系统数十台,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。



 

 



 

MOCVD设备将Ⅱ或Ⅲ族金属有机化合物与Ⅳ或Ⅴ族元素的氢化物相混合后通入反应腔,混合气体流经加热的衬底表面时,在衬底表面发生热分解反应,并外延生长成化合物单晶薄膜。与其他外延生长技术相比,MOCVD技术有着如下优点:



 

(1)用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室,因此,可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等。可以用于生长薄层和超薄层材料。



 

(2)反应室中气体流速较快。因此,在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时,可以迅速进行改变,减小记忆效应发生的可能性。这有利于获得陡峭的界面,适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。



 

 



 

(3)晶体生长是以热解化学反应的方式进行的,是单温区外延生长。只要控制好反应源气流和温度分布的均匀性,就可以保证外延材料的均匀性。因此,适于多片和大片的外延生长,便于工业化大批量生产。



 

(4)通常情况下,晶体生长速率与Ⅲ族源的流量成正比,因此,生长速率调节范围较广。较快的生长速率适用于批量生长。



 

 



 

(5)使用较灵活。原则上只要能够选择合适的原材料就可以进行包含该元素的材料的MOCVD生长。而可供选择作为反应源的金属有机化合物种类较多,性质也有一定的差别。



 

 



 

(6)由于对真空度的要求较低,反应室的结构较简单。



 

 



 

(7)随着检测技术的发展,可以对MOCVD的生长过程进行在位监测。



 

 



 

实际上,对于MOCVD和MBE技术来说,采用它们所制备的外延结构和器件的性能没有很大的差别。MOCVD技术最吸引入的地方在于它的通用性,只要能够选取到合适的金属有机源就可以进行外延生长。而且只要保证气流和温度的均匀分布就可以获得大面积的均匀材料,适合进行大规模工业化生产。



 

MOCVD技术的主要缺点大部分均与其所采用的反应源有关。首先是所采用的金属有机化合物和氢化物源价格较为昂贵,其次是由于部分源易燃易爆或者有毒,因此有一定的危险性,并且,反应后产物需要进行无害化处理,以避免造成环境污染。另外,由于所采用的源中包含其他元素(如C,H等),需要对反应过程进行仔细控制以避免引入非故意掺杂的杂质。



 

 



 

通常MOCVD生长的过程可以描述如下:被精确控制流量的反应源材料在载气(通常为H2,也有的系统采用N2)的携带下被通入石英或者不锈钢的反应室,在衬底上发生表面反应后生长外延层,衬底是放置在被加热的基座上的。在反应后残留的尾气被扫出反应室,通过去除微粒和毒性的尾气处理装置后被排出系统。MOCVD工作原理如图所示。



 

 



 

图 MOCVD的工作流程图



 

 



 

一台MOCVD生长设备可以简要地分为以下的4个部分。



 

 



 

(1)气体操作系统:



 

 



 

气体操作系统包括控制Ⅲ族金属有机源和V族氢化物源的气流及其混合物所采用的所有的阀门、泵以及各种设备和管路。其中,最重要的是对通入反应室进行反应的原材料的量进行精确控制的部分。主要包括对流量进行控制的质量流量控制计(MFC),对压力进行控制的压力控制器(PC)和对金属有机源实现温度控制的水浴恒温槽(Thor·mal
Bath)。



 

 



 

(2)反应室:



 

 



 

反应室是MOCVD生长系统的核心组成部分,反应室的设计对生长的效果有至关重要的影响。不同的MOCVD设备的生产厂家对反应室的设计也有所不同。但是,最终的目的是相同的,即避免在反应室中出现离壁射流和湍流的存在,保证只存在层流,从而实现在反应室内的气流和温度的均匀分布,有利于大面积均匀生长。



 

 



 

(3)加热系统:



 

 



 

MOCVD系统中衬底的加热方式主要有三种:射频加热,红外辐射加热和电阻加热。在射频加热方式中,石墨的基座被射频线圈通过诱导耦合加热。这种加热形式在大型的反应室中经常采用,但是通常系统过于复杂。为了避免系统的复杂性,在稍小的反应室中,通常采用红外辐射加热方式。卤钨灯产生的热能被转化为红外辐射能,石墨的基座吸收这种辐射能并将其转化回热能。在电阻加热方式中,热能是由通过金属基座中的电流流动来提供的。



 

 



 

(4)尾气处理系统:



 

 



 

由于MOCVD系统中所采用的大多数源均易燃易爆,雨其中的氢化物源又有剧毒,因此,必须对反应过后的尾气进行处理。通常采用的处理方式是将尾气先通过微粒过滤器去除其中的微粒(如



 

P等)后,再将其通入气体洗涤器(Scrubber)采用解毒溶液进行解毒。另外一种解毒的方式是采用燃烧室。在燃烧室中包括一个高温炉,可以在900~1 000℃下,将尾气中的物质进行热解和氧化,从而实现无害化。反应生成的产物被淀积在石英管的内壁上,可以很容易去除。



 

 



 

GaN外延层与衬底之间的晶格失配会导致GaN薄膜产生高缺陷密度和机械应变,而热膨胀失GaN外延层在生长后的冷却期间出现应变,因此在选择衬底时通常要考虑如下因素:尽量选用同列的材料作为衬底;失配度越小越好;材料的热膨胀系数相近;用于微波器件时,最好选取微波介能良好的半绝缘体衬底;用于光电器件时,最好采用低阻衬底;用于激光器时,要易于解理以形成量的腔面。目前外延GaN使用的衬底材料主要有蓝宝石、SiC、Si等。



 

4-2-1量子阱及InGaN/GaN量子阱简介



 

异质结是指两种不同半导体材料形成的p-n结,通常可用窄带隙的半导体材料夹在中间形成。当中间窄带隙材料的厚度非常薄,跟德布罗意波长可比时,由于阱内载流子的受限制将导致某一方向上能级的量子化,因此称为量子阱。



 

 



 

当电子与空穴复合而产生光时,这些光被称为自发辐射,其光的方向如图2.5所示,是多方向的,这就是发光二极管的发光特性。目前要得到高功率LED就要得到非常高的自发辐射。



 

为了消除晶格失配和热失配的影响,通常在生长过程中都会在外延材料和衬底材料之间加入很薄的一个缓



 

冲层,用于释放晶格失配和热失配产生的晶格应力。



 

1.扩晶,把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。



 

2.



 

固晶,在支架底部点上导电/



 

不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定)然后把晶片放入支架里面。



 

3.短烤,让胶水固化焊线时晶片不移动。



 

4.焊线,用金线把晶片和支架导通。



 

5.前测,初步测试能不能亮。



 

6.灌胶,用胶水把芯片和支架包裹起来。



 

7.长烤,让胶水固化。



 

8.后测,测试能亮与否以及电性参数是否达标。



 

9。分光分色,把颜色和电压大致上一致的产品分出来。



 

10,包装。



 

 



 

3.2.3 MOCVD技术生长GaN晶体薄膜的基本物理化学过程



 

在GaN或其它的III族氮化物半导体材料的MOCVD法制备中,采用金属有机物(MO)源作为III族元素的先驱物,采用氨气(NH3)作为N原子的先驱物。将MO源和NH3引入反应室,反应气体在高温衬底的表面和表面附近发生化学反应,并在衬底表面淀积获得GaN或其它的III族氮化物外延材料。



 

衬底表面和上方所发生的物理化学过程如下:



 

(1)MO源和氨气注入反应室;



 

(2)MO源与氨气在反应室上方充分混合,并向下输运到衬底表面附近;



 

(3)衬底表面附近,高温导致源材料的分解和其它气相反应,形成对薄膜生



 

长非常有用的薄膜先驱和副产品;



 

(4)薄膜先驱输运到生长表面;



 

(5)薄膜先驱被吸附在生长表面;



 

(6)薄膜先驱向生长点扩散;



 

(7)在表面,薄膜原子通过表面化学反应相互结合进入生长薄膜中;



 

(8)表面反应的副产品从表面解吸附出来脱离表面;



 

(9)副产品离开淀积区输运到主气流区被带向反应室出口。

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