MOCVD即金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition），是一种利用气态金属有机化合物和其他气态反应源，在高温衬底表面发生化学反应，从而沉积形成半导体薄膜的技术。
原理
• 输运过程：将金属有机源（如三甲基镓等）和非金属源气体（如氨气等）通过载气（如氢气、氮气）携带，输送到反应室中的衬底表面。
• 热解反应：在高温作用下，金属有机化合物在衬底表面热分解，释放出金属原子或原子团，同时非金属源气体也发生分解反应。
• 沉积反应：热解产生的金属和非金属原子或原子团在衬底表面进行化学反应，形成化合物半导体，并沉积在衬底上，按照衬底的晶体结构进行外延生长，形成高质量的薄膜。
作用
• 用于制造光电器件：如制造高亮度LED、半导体激光器等，可精确控制发光波长和强度。
• 制造高频电子器件：用于制造高频、高功率的晶体管和集成电路，提升电子设备的运行速度和性能。
• 制备太阳能电池材料：能生长高质量的半导体吸收层材料，提高太阳能电池的光电转换效率。
工艺流程
• 衬底准备：选择合适的衬底并进行清洗、抛光等处理，确保表面平整、洁净。
• 反应室准备：将衬底放入反应室，抽真空后通入惰性气体吹扫，去除杂质和残留气体。
• 气体输送与反应：精确控制金属有机源和其他反应气体的流量，使其在高温衬底表面发生反应，进行薄膜生长。
• 生长监控：利用原位监测技术实时监测薄膜生长情况，如生长速率、晶体质量等。
• 后处理：生长完成后，可进行退火等后处理，以改善薄膜性能，然后冷却、取出样品。
优点
• 精确的成分控制：可以通过精确控制气体流量等参数，实现对薄膜成分、厚度、掺杂浓度等的精确控制，达到原子级别的精度。
• 可生长多种材料：能够生长各种化合物半导体材料及多元合金材料，适应不同器件的需求。
• 良好的均匀性：在较大面积的衬底上可实现良好的薄膜均匀性，有利于大规模生产。
• 低温生长：相比其他一些技术，生长温度相对较低，可减少对衬底和薄膜的热损伤，降低对衬底材料的要求。
缺点
• 设备成本高：MOCVD设备结构复杂，价格昂贵，且维护成本也较高。
• 反应源成本高：金属有机源通常价格较高，且部分具有毒性和易燃性，需要特殊的存储和处理设施。
• 工艺复杂：工艺参数众多，如温度、压力、气体流量等，相互之间影响复杂，需要精细的调试和优化，对操作人员的技术水平要求高。
• 生长速率相对较低：与一些物理气相沉积技术相比，MOCVD的薄膜生长速率较低，在一定程度上影响生产效率。
MOCVD（金属有机化学气相沉积）工艺中常用的气体主要有：
金属有机源气体
• 三甲基镓（TMGa）：常用于生长氮化镓（GaN）等化合物半导体材料，为薄膜提供镓元素。
• 三甲基铟（TMIn）：是制备铟镓氮（InGaN）等材料的重要气源，提供铟元素，可调节材料的光学和电学性质。
• 三甲基铝（TMAl）：用于生长铝镓氮（AlGaN）等，为材料引入铝元素，能提高材料的硬度、热稳定性和光学性能。
反应气体
• 氨气（NH₃）：在生长氮化物半导体时，作为氮源与金属有机源发生反应，例如在GaN生长中，与TMGa反应生成GaN。
• 磷化氢（PH₃）：是制备磷化物半导体如磷化镓（GaP）等的重要反应气体，提供磷元素。
• 砷化氢（AsH₃）：用于生长砷化物半导体，如砷化镓（GaAs），作为砷源与相应的金属有机源反应。
载气
• 氢气（H₂）：具有良好的导热性和还原性，能帮助金属有机源气体更好地传输和扩散，还可防止反应过程中金属有机源的过度分解和杂质的引入。
• 氮气（N₂）：化学性质相对稳定，常作为辅助载气，用于稀释金属有机源气体和反应气体，调节气体浓度和流量，确保反应的稳定性和可控性。
掺杂气体
• 硅烷（SiH₄）：通常用于n型掺杂，为半导体材料提供硅原子，增加材料中的电子浓度，从而改变材料的电学性质。
• 二茂镁（Cp₂Mg）：是一种常用的p型掺杂源，在MOCVD生长过程中，为材料引入镁原子，提高材料中的空穴浓度。
MOCVD设备结构及功能：
气体输送系统
• 气源部分：存放金属有机化合物、氢化物等气态源材料，为薄膜生长提供所需元素。
• 质量流量控制器：精确调控各气体流量，确保按工艺要求的比例供应气体。
• 气体混合室：使多种气体均匀混合，保证进入反应室的气体成分稳定。
反应室系统
• 反应腔：是发生化学反应沉积薄膜的空间，需耐受高温和化学腐蚀。
• 加热装置：一般有电阻或射频加热方式，为反应提供所需的高温环境，使化学反应顺利进行。
• 气体分布器：让反应气体均匀分布在衬底表面，保障薄膜生长均匀性。
• 衬底支架：固定和支撑衬底，有的可旋转，以进一步提高薄膜生长的均匀性。
真空系统
• 真空泵：常用机械泵和分子泵组合，先由机械泵预抽，再由分子泵抽到所需高真空度。
• 真空阀门：控制真空系统与反应室间气体流通，实现抽气、保压等功能。
• 真空规管：实时监测反应室真空度，为操作提供数据支持。
尾气处理系统
• 尾气收集管道：收集反应后的尾气并输送至处理系统。
• 过滤装置：去除尾气中的固体颗粒和未反应的液滴。
• 化学反应装置：通过化学吸收、燃烧等方法将有害气体转化为无害物质。
• 排放管道：将处理达标的尾气排放到大气中。
温度控制系统
• 热电偶：测量反应室和衬底温度，为温度控制提供数据。
• 温度控制器：根据热电偶反馈信号，自动调节加热功率，维持温度稳定。
• 隔热层：减少热量散失，提高加热效率，保证反应室温度稳定。
控制系统
• 操作界面：一般为触摸屏或计算机界面，用于设置参数、监控设备运行状态。
• PLC或工控机：作为控制核心，接收传感器信号，精确控制各参数，实现自动化运行。
• 数据存储与记录模块：记录工艺参数和设备运行数据，便于分析和追溯。
光学监测系统
• 光源：提供特定波长光线，照射生长中的薄膜。
• 探测器：接收经薄膜反射或透射的光线，并转化为电信号。
• 数据处理单元：分析处理探测器信号，获取薄膜厚度、折射率等信息，为工艺调整提供依据。
衬底传输系统
• 机械手臂：抓取和搬运衬底，在不同腔室间准确传输。
• 传输轨道：为机械手臂提供运动路径，保证传输稳定性和准确性。
• 装载室：存放待处理和已处理衬底，有独立真空和气体吹扫装置，便于衬底装卸。
