MOCVD

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ist ein Verfahren zur Abscheidung dünner kristalliner Schichten auf einem Substrat, bei dem metallorganische Precursor-Chemikalien in eine beheizte Reaktionskammer eingeführt werden. Die Precursoren zerfallen oder reagieren in der Gasphase, und ihre Produkte kondensieren auf der heißen Substratoberfläche in kontrollierter, Schicht-für-Schicht-Weise ab. Es ist die dominierende Technik zur Herstellung von Halbleitverbindungen wie Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP), die LEDs, Laserdioden und Hochfrequenztransistoren mit Strom versorgen.

Das Verfahren funktioniert durch das Einleiten von Trägergasen (oft Wasserstoff oder Stickstoff), die verdampfte metallorganische Precursoren in eine beheizte Reaktionskammer transportieren, die typischerweise bei 500 bis 1100 Grad Celsius je nach den gewünschten Materialien gehalten wird. Übliche Precursoren sind Trimethylgallium (TMG) für Gallium, Trimethylindium (TMI) für Indium und Arsin (AsH3) oder Phosphin (PH3) für Gruppe-V-Elemente. Die Precursor-Moleküle zersetzen sich in der Nähe der Substratoberfläche, und Atome verbinden sich neu, um die gewünschte kristalline Verbindung zu bilden. Dotierungsstoffe für elektrische Dotierung (Silizium für n-Typ, Magnesium für p-Typ) werden als separate gasförmige Precursoren in kontrollierten Konzentrationen eingeführt.

Reaktortypen und Prozeßvarianten

MOCVD-Systeme unterscheiden sich stark in Größe und Bauart. Reaktoren bei Atmosphärendruck arbeiten bei etwa 1 atm und sind einfacher und kostengünstiger; Niederdruckreaktoren (10 bis 100 torr) bieten bessere Gleichmäßigkeit und Dickenkontrolle über größere Wafer. Horizontale Rohrreaktoren positionieren den Wafer horizontal mit über ihn strömenden Gas; Vertikalreaktoren (etwa Fass- oder Close-Coupled-Showerhead-Designs) leiten Gas von oben auf den Wafer und werden in der Produktion bevorzugt, da sie größere Wafergrößen und mehrere Wafer pro Durchsatz handhaben. Produktionssysteme können sechs bis zehn 2-Zoll (50 mm) Wafer oder vollständige 6-Zoll (150 mm) oder 8-Zoll (200 mm) Durchmesser-Wafer laden.

Die Qualität der Schichten hängt entscheidend von Temperaturgleichmäßigkeit, Precursor-Flussraten, Gasphasenchemie und Precursor-Reinheit ab. Temperaturfehler von nur wenigen Grad Celsius verursachen erhebliche Schwankungen in Wachstumsrate und Dotierungseinbau über den Wafer. Der Precursor-Fluss wird durch Durchblasen von Trägergas durch beheizte flüssige Quellen oder durch druckkontrollierte Verdampfer für feste Precursoren geregelt. Unerwünschte Reaktionen können auftreten, wenn sich Precursor-Mischungen in der Gasphase vorzeitig reaktion statt nur auf dem Substrat, ein Phänomen namens Gasphasen-Keimbildung, das Pulver erzeugt und die Schichtqualität beeinträchtigt. Metallorganische Precursoren sind teuer, gefährlich (viele sind pyrophor oder giftig), und ihre Kosten und die Sicherheitsbelastung sind die Hauptnachteile des Verfahrens gegenüber einfacheren Epitaxie-Methoden.

MOCVD dominiert die III-V-Halbleiterindustrie, weil es präzise Kontrolle über Legierungszusammensetzung und Dotierungsstufen in einzelkristallinen Schichten von nur zehn Nanometern Dicke ermöglicht und weil es komplexe dreidimensionale Strukturen (etwa die Seitenwände von geätzten Strukturen) beschichten kann. Der Begriff metallorganisch bezieht sich auf die organischen Liganden (typischerweise Methylgruppen), die an den Metallatomen in den Precursor-Molekülen gebunden sind; der organische Teil bietet Flüchtigkeit, damit der Precursor als Dampf transportiert werden kann. MOCVD konkurriert mit Flüssig-Phasen-Epitaxie (LPE) für ältere Halbleitverbindungsarbeiten und mit Molektralstrahl-Epitaxie (MBE) für Forschung und Nischenanwendungen mit Anforderungen an extreme Reinheit oder Ultradünnkontrolle, aber MOCVD bleibt das Arbeitspferd der LED- und optoelektronischen Bauelementfertigung.