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Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung Die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung englisch metal organ

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

Die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (englisch metal-organic chemical vapour deposition oder metallo-organic chemical vapour deposition, MOCVD) ist ein Beschichtungsverfahren aus der Gruppe der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), bei dem die Abscheidung einer festen Schicht aus der chemischen Dampfphase eines metallorganischen Präkursors (Vorgängermoleküls) erfolgt.

Funktionsweise Bearbeiten

Oberflächenprozesse während des Schichtwachstums

Die MOCVD entspricht einem normalen CVD-Prozess, bei dem ein gasförmiger Präkursor in eine Reaktionskammer geleitet wird und dort mit anderen Substanzen oder dem zu beschichtenden Substrat reagiert und eine feste Schicht bildet. Der in der Reaktionskammer stattfindende Prozess kann in folgende Teilprozesse aufgeteilt werden:

  1. Transport der Präkursor-Moleküle in die Reaktionskammer,
  2. Konvektion und Diffusion,
  3. Adsorption der Präkursormoleküle an das Substrat durch Physi- (schwache Bindung) oder Chemisorption (mit Ladungstransfer, starke Bindungskräfte),
  4. thermische Zersetzung des Präkursor-Metallkomplexes an dem aufgeheizten Substrat (150–1200 °C),
  5. ggf. weitere Oberflächendiffusion der abgeschiedenen Atome hin zu Keimen oder energetisch besseren Positionen,
  6. Einbau der Atome an der Oberfläche oder in den jeweiligen Gitterplätzen (wichtig bei der Epitaxie),
  7. Desorption von gasförmigen Reaktionsprodukten und
  8. Abtransport der Reaktionsprodukte und nicht reagierten Präkursor-Molekülen, die anschließend abgepumpt werden.

Nachteilig bei der MOCVD bzw. der CVD allgemein ist, dass bei mehrkomponentigen Reaktionsgasen eine chemische Reaktion der Komponenten bereits im Gasraum stattfinden kann. Dadurch kommt es zur Keimbildung, die sich in Form von Pulverabscheidung und schlechten Schichteigenschaften zeigen kann. Durch ein gutes Reaktordesign und geeignete Prozessparameter (u. a. niedriger Druck und hohe Trägergasflüsse) lässt sich dies minimieren.

Prinzipieller Anlagenaufbau Bearbeiten

Der Aufbau von MOCVD-Anlagen entspricht im Wesentlichen denen konventioneller CVD-Anlagen. Dabei handelt es sich in der Regel um Vakuumbeschichtungsanlagen. Grundsätzlich zu unterscheiden sind Systeme, bei denen die Quellsubstanzen in einem horizontalen Gasstrom über die zu beschichtenden Substrate geleitet wird und solche, bei denen das Quellgas vertikal auf die Substrate zugeführt wird. Bei dem horizontalen System kann man unter normalen Flussumständen mit laminarer Strömung rechnen, bei der die Konzentration der Wachstumsraten bestimmenden Quellsubstanzen entlang der Konvektionsrichtung abnimmt. Bei der vertikalen Variante ist es außerordentlich wichtig, die Flussrate und die Höhe der Reaktorkammer zu bestimmen, da es anderweitig zu Rezirkulationen und „Staufluss“ kommen kann.

Die Präkursoren haben im Allgemeinen eine Siedetemperatur, die höher als 100 °C ist. Es gibt Unterschiede hinsichtlich der Präkursorzuführung. Sie betreffen zum einen die Verdampfung der Präkursoren und zum anderen den Aufbau der Zuleitungen. Für die Präkursorverdampfung gibt es drei etablierte Methoden:

  1. die Sublimation eines festen Präkursors,
  2. Flüssig-Zufuhrsysteme (engl. liquid-delivery system, LDS) und
  3. Bubbler-Systeme für flüssige und aufgeschmolzene Präkursoren.

Bei der Bereitstellung durch Sublimation wird der zunächst in fester Form vorliegende Präkursor erhitzt und so direkt (ohne Flüssigphase) in die Gasphase überführt. Vorteil dieser Methode ist, dass man auf Hilfsstoffe wie Lösungsmittel oder Trägergase verzichten kann. Nachteilig ist jedoch, dass der Präkursor stetig thermisch belastet wird und sich auch der feste Präkursor nach und nach zersetzt, das heißt, qualitativ schlechter wird.

Bei Bubbler-Systemen wird in der Regel ein inertes Trägergas – häufig Argon, Stickstoff oder Wasserstoff – in einen Behälter (vom Aufbau her ähnlich wie Gaswaschflaschen) mit flüssig vorliegendem Präkursor eingeleitet. Aufsteigende Gasblasen (engl. bubbles) des Trägergases führen zu einem idealerweise gesättigtem Dampf über der Flüssigkeit. Anschließend wird das Gasgemisch zur Reaktionskammer geleitet. Das Bubbler-System ist prinzipiell für Präkursoren geeignet, die bei Raumtemperatur in fester und flüssiger Form vorliegen und einen essenziellen Dampfdruck aufweisen. Feste Präkursoren sollten jedoch als fein verteiltes Pulver vorliegen und führen bei hohen Trägergasflüssen meist zu untersättigten Gasgemischen bzw. flussabhängigen Schwankungen des Präkursorgehalts im Gasgemisch. Um dies zu vermeiden, werden oft Serienaufbauten von hintereinander verbundenen Bubblern verwendet, um die Sättigung zu erleichtern. Bei allen flüssigen oder festen Präkursoren ist der Dampfdruck, und damit der Anteil im Gasgemisch, stark temperaturabhängig, sodass diese Präkursoren idealerweise in temperierten Bädern vorgehalten werden. Nachteilig an einer zu hohen Erhitzung über die Umgebungstemperatur ist, dass die Zuleitungen zum Reaktor ebenfalls erwärmt sein müssen, da hier die Gefahr der Kondensation im Zuleitungssystem besteht.

Varianten Bearbeiten

Eine Variante bzw. Untergruppe der MOCVD ist die metallorganische Gasphasenepitaxie (engl. metal organic chemical vapor phase epitaxy, MOVPE). Sie gleicht in vielen Aspekten der MOCVD, hat aber die Abscheidung epitaktischer Schichten zum Ziel. Trotz dieses Unterschieds werden aufgrund der starken Ähnlichkeit der Verfahren beide Begriffe häufig synonym genutzt. Des Weiteren können auch zahlreiche Prozesse der Atomlagenabscheidung als modifizierte CVD-Verfahren mit metallorganischem Präkursor als Untergruppe der MOCVD angesehen werden.

Anwendungen Bearbeiten

MOCVD-Verfahren finden zahlreich Anwendung in vielen Bereichen der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, so werden beispielsweise Metalle oder Halbleiter mit (halb-)metallischen Komponenten auf Wafern abgeschieden. Dabei kommen vor allem Präkursoren zum Einsatz, deren organischer Teil sich unter Prozessbedingungen gut abspaltet und leicht flüchtig ist. Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung von Galliumarsenid (GaAs) unter Verwendung von Trimethylgallium (TMGa) und Arsenwasserstoff (Arsin); wobei es sich hierbei streng genommen um einen MOVPE-Prozess handelt.

Liste mit metallorganischen Präkursoren (Auswahl) Bearbeiten

  • Indium
    • Trimethylindium (TMI oder TMIn), fest
    • Triethylindium (TEI oder TEIn), flüssig
    • Di-isopropylmethylindium (DIPMeIn), flüssig
    • Ethyldimethylindium (EDMIn), flüssig (diese Substanz gilt als nicht stabil)
  • Arsen
    • Arsin (AsH3), gasförmig
    • Tertiarybutylarsin (TBAs), flüssig
    • Monoethylarsin (MEAs), flüssig
    • Trimethylarsin (TMAs), flüssig
  • Phosphor
    • Phosphin (PH3), gasförmig
    • Tertiarybutylphosphin (TBP), flüssig
  • Antimon
    • Trimethylantimon (TMSb), flüssig
    • Triethylantimon (TESb), flüssig
    • Tri-isopropylantimon (TIPSb), flüssig
    • Stiban SbH3, gasförmig
  • Tellur
    • Dimethyltellurid (DMTe), flüssig
    • Diethyltellurid (DETe), flüssig
    • Di-isopropyltellurid (DIPTe), flüssig
  • Selen
    • Dimethylselenid (DMSe), flüssig
    • Diethylselenid (DESe), flüssig
    • Di-isopropylselenid (DIPSe), flüssig

Literatur Bearbeiten

  • Hugh O. Pierson (Hrsg.): Handbook of chemical vapor deposition (CVD): principles, technology, and applications. William Andrew, 1999, ISBN 978-0-8155-1432-9, S. 84–107 (Abschnitt: Metallo-Organic CVD (MOCVD)).

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Anthony C. Jones, Michael L. Hitchman: Chemical Vapour Deposition: Precursors, Processes and Applications. Royal Society of Chemistry, 2009, ISBN 978-0-85404-465-8, S. 18.
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Veröffentlichungsdatum:
Die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung englisch metal organic chemical vapour deposition oder metallo organic chemical vapour deposition MOCVD ist ein Beschichtungsverfahren aus der Gruppe der chemischen Gasphasenabscheidung chemical vapour deposition CVD bei dem die Abscheidung einer festen Schicht aus der chemischen Dampfphase eines metallorganischen Prakursors Vorgangermolekuls erfolgt Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise 2 Prinzipieller Anlagenaufbau 3 Varianten 4 Anwendungen 5 Liste mit metallorganischen Prakursoren Auswahl 6 Literatur 7 EinzelnachweiseFunktionsweise Bearbeiten nbsp Oberflachenprozesse wahrend des SchichtwachstumsDie MOCVD entspricht einem normalen CVD Prozess bei dem ein gasformiger Prakursor in eine Reaktionskammer geleitet wird und dort mit anderen Substanzen oder dem zu beschichtenden Substrat reagiert und eine feste Schicht bildet Der in der Reaktionskammer stattfindende Prozess kann in folgende Teilprozesse aufgeteilt werden Transport der Prakursor Molekule in die Reaktionskammer Konvektion und Diffusion Adsorption der Prakursormolekule an das Substrat durch Physi schwache Bindung oder Chemisorption mit Ladungstransfer starke Bindungskrafte thermische Zersetzung des Prakursor Metallkomplexes an dem aufgeheizten Substrat 150 1200 C ggf weitere Oberflachendiffusion der abgeschiedenen Atome hin zu Keimen oder energetisch besseren Positionen Einbau der Atome an der Oberflache oder in den jeweiligen Gitterplatzen wichtig bei der Epitaxie Desorption von gasformigen Reaktionsprodukten und Abtransport der Reaktionsprodukte und nicht reagierten Prakursor Molekulen die anschliessend abgepumpt werden Nachteilig bei der MOCVD bzw der CVD allgemein ist dass bei mehrkomponentigen Reaktionsgasen eine chemische Reaktion der Komponenten bereits im Gasraum stattfinden kann Dadurch kommt es zur Keimbildung die sich in Form von Pulverabscheidung und schlechten Schichteigenschaften zeigen kann Durch ein gutes Reaktordesign und geeignete Prozessparameter u a niedriger Druck und hohe Tragergasflusse lasst sich dies minimieren Prinzipieller Anlagenaufbau BearbeitenDer Aufbau von MOCVD Anlagen entspricht im Wesentlichen denen konventioneller CVD Anlagen Dabei handelt es sich in der Regel um Vakuumbeschichtungsanlagen Grundsatzlich zu unterscheiden sind Systeme bei denen die Quellsubstanzen in einem horizontalen Gasstrom uber die zu beschichtenden Substrate geleitet wird und solche bei denen das Quellgas vertikal auf die Substrate zugefuhrt wird Bei dem horizontalen System kann man unter normalen Flussumstanden mit laminarer Stromung rechnen bei der die Konzentration der Wachstumsraten bestimmenden Quellsubstanzen entlang der Konvektionsrichtung abnimmt Bei der vertikalen Variante ist es ausserordentlich wichtig die Flussrate und die Hohe der Reaktorkammer zu bestimmen da es anderweitig zu Rezirkulationen und Staufluss kommen kann Die Prakursoren haben im Allgemeinen eine Siedetemperatur die hoher als 100 C ist Es gibt Unterschiede hinsichtlich der Prakursorzufuhrung Sie betreffen zum einen die Verdampfung der Prakursoren und zum anderen den Aufbau der Zuleitungen Fur die Prakursorverdampfung gibt es drei etablierte Methoden die Sublimation eines festen Prakursors Flussig Zufuhrsysteme engl liquid delivery system LDS und Bubbler Systeme fur flussige und aufgeschmolzene Prakursoren Bei der Bereitstellung durch Sublimation wird der zunachst in fester Form vorliegende Prakursor erhitzt und so direkt ohne Flussigphase in die Gasphase uberfuhrt Vorteil dieser Methode ist dass man auf Hilfsstoffe wie Losungsmittel oder Tragergase verzichten kann Nachteilig ist jedoch dass der Prakursor stetig thermisch belastet wird und sich auch der feste Prakursor nach und nach zersetzt das heisst qualitativ schlechter wird Bei Bubbler Systemen wird in der Regel ein inertes Tragergas 1 haufig Argon Stickstoff oder Wasserstoff in einen Behalter vom Aufbau her ahnlich wie Gaswaschflaschen mit flussig vorliegendem Prakursor eingeleitet Aufsteigende Gasblasen engl bubbles des Tragergases fuhren zu einem idealerweise gesattigtem Dampf uber der Flussigkeit Anschliessend wird das Gasgemisch zur Reaktionskammer geleitet Das Bubbler System ist prinzipiell fur Prakursoren geeignet die bei Raumtemperatur in fester und flussiger Form vorliegen und einen essenziellen Dampfdruck aufweisen Feste Prakursoren sollten jedoch als fein verteiltes Pulver vorliegen und fuhren bei hohen Tragergasflussen meist zu untersattigten Gasgemischen bzw flussabhangigen Schwankungen des Prakursorgehalts im Gasgemisch Um dies zu vermeiden werden oft Serienaufbauten von hintereinander verbundenen Bubblern verwendet um die Sattigung zu erleichtern Bei allen flussigen oder festen Prakursoren ist der Dampfdruck und damit der Anteil im Gasgemisch stark temperaturabhangig sodass diese Prakursoren idealerweise in temperierten Badern vorgehalten werden Nachteilig an einer zu hohen Erhitzung uber die Umgebungstemperatur ist dass die Zuleitungen zum Reaktor ebenfalls erwarmt sein mussen da hier die Gefahr der Kondensation im Zuleitungssystem besteht Varianten BearbeitenEine Variante bzw Untergruppe der MOCVD ist die metallorganische Gasphasenepitaxie engl metal organic chemical vapor phase epitaxy MOVPE Sie gleicht in vielen Aspekten der MOCVD hat aber die Abscheidung epitaktischer Schichten zum Ziel Trotz dieses Unterschieds werden aufgrund der starken Ahnlichkeit der Verfahren beide Begriffe haufig synonym genutzt Des Weiteren konnen auch zahlreiche Prozesse der Atomlagenabscheidung als modifizierte CVD Verfahren mit metallorganischem Prakursor als Untergruppe der MOCVD angesehen werden Anwendungen BearbeitenMOCVD Verfahren finden zahlreich Anwendung in vielen Bereichen der Halbleiter und Mikrosystemtechnik so werden beispielsweise Metalle oder Halbleiter mit halb metallischen Komponenten auf Wafern abgeschieden Dabei kommen vor allem Prakursoren zum Einsatz deren organischer Teil sich unter Prozessbedingungen gut abspaltet und leicht fluchtig ist Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung von Galliumarsenid GaAs unter Verwendung von Trimethylgallium TMGa und Arsenwasserstoff Arsin wobei es sich hierbei streng genommen um einen MOVPE Prozess handelt Liste mit metallorganischen Prakursoren Auswahl BearbeitenAluminium Trimethylaluminium TMA oder TMAl flussig Triethylaluminium TEA oder TEAl flussigGallium Trimethylgallium TMG oder TMGa flussig Triethylgallium TEG oder TEGa flussigIndium Trimethylindium TMI oder TMIn fest Triethylindium TEI oder TEIn flussig Di isopropylmethylindium DIPMeIn flussig Ethyldimethylindium EDMIn flussig diese Substanz gilt als nicht stabil Germanium Isobutylgermanium IBGe flussig Dimethylaminogermaniumtrichlorid DiMAGeC flussig Tetramethylgermanium TMGe flussig Tetraethylgermanium TEGe flussigArsen Arsin AsH3 gasformig Tertiarybutylarsin TBAs flussig Monoethylarsin MEAs flussig Trimethylarsin TMAs flussig Phosphor Phosphin PH3 gasformig Tertiarybutylphosphin TBP flussigAntimon Trimethylantimon TMSb flussig Triethylantimon TESb flussig Tri isopropylantimon TIPSb flussig Stiban SbH3 gasformigCadmium Dimethylcadmium DMCd flussig Diethylcadmium DECd flussig Allylmethylcadmium MACd flussigTellur Dimethyltellurid DMTe flussig Diethyltellurid DETe flussig Di isopropyltellurid DIPTe flussigSelen Dimethylselenid DMSe flussig Diethylselenid DESe flussig Di isopropylselenid DIPSe flussigZink Dimethylzink DMZ flussig Diethylzink DEZ flussigLiteratur BearbeitenHugh O Pierson Hrsg Handbook of chemical vapor deposition CVD principles technology and applications William Andrew 1999 ISBN 978 0 8155 1432 9 S 84 107 Abschnitt Metallo Organic CVD MOCVD Einzelnachweise Bearbeiten Anthony C Jones Michael L Hitchman Chemical Vapour Deposition Precursors Processes and Applications Royal Society of Chemistry 2009 ISBN 978 0 85404 465 8 S 18 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung amp oldid 228117052