Blue lighting technology with LEDs and LDs (IV)

Thị trường của MOCVD

Trần Trí Năng

(Univ. of Minnesota & Ecosolar International)

Trong những số tháng trước [1], chúng tôi đă giới thiệu với độc giả GS Shuji Nakamura của University of Santa Barbara (UCSB), người đă đưa ra thị trường sản phẩm đi -ốt phát quang màu xanh (blue light emitting diodes hay LED’s) và laze đi- ốt màu xanh (blue laser diodes hay LDs). Đây là một thành công lớn với nhiều ứng dụng trong nhiều lănh vực khác nhau chẳng hạn như blu-ray disc, HD-DVD, LED TV, LED displays, outdoors lighting, traffic signals, laser printers, laser displays và nhiều sản phẩm khác nữa. Chúng tôi cũng đă giới thiệu cấu tạo và sự khác nhau giữa hai linh kiện bán dẫn này : Về cấu tạo, cả hai LEDs và LDs đều có cấu trúc na-nô (nanostructures), được chế tạo dựa trên multi quantum wells (MQW) với hàng chục lớp màng cực mỏng khoảng vài nanometers cho mỗi lớp. Chúng ta cũng đă thảo luận khái niệm cơ bản về multi quantum wells (MQW) – một cấu trúc nano với nhiều giếng lượng tử (quantum wells hay QWs) và tường lượng tử (quantum barriers hay QBs). MQW với nhiều chu kỳ của InGaN với lượng In khác nhau hay InGaN/GaN đóng vai tṛ như vùng hoạt động giữa hai chất bán dẫn n-type và p-type GaN trong cấu tạo của LEDs và LDs. Nói chung, quantum wells có những lợi điểm sau: (i) tự do trong việc thiết kế, cho nhiều loại bán dẫn khác nhau (bandgap engineering); (ii) có hiệu xuất phát xạ cao; (iii) laser threshold thấp với mật độ ḍng điện giới hạn thấp; và (iv) sự tái kết hợp của hạt tải trên bề mặt ít quan trọng đối với QW hơn là đối với bulk materials. Về nguyên ly hoạt động, cả hai LEDs và LDs trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu với những tạp chất (impurities) khác nhau, i.e, n-type và p-type để cho hạt electrons và holes. Bằng cách đặt ḍng điện ở hai đầu điện cực, ḍng điện ép hạt electrons và holes chạy về vùng tiếp hợp (junction) giữa hai lớp bán dẫn . Sự khác nhau giữa LEDs và LDs là ở trường hợp của LDs, tia sáng được khuếch đại ở trong buồng cộng hưởng của LDs . Ở phần cuối của buồng cộng hưởng, có thiết lập phần gương (mirrors) để phản chiếu phô ton di chuyển qua lại nhiều lần, khiến cho phôton va chạm với hạt electrons, bị kích thích và kết quả là thêm nhiều hạt phô -ton phóng ra và ánh sáng được khuếch đại.

Trong số này và những số kế tiếp, chúng tôi sẽ giới thiệu thị trường, cấu tạo và nguyên l‎y hoạt động của metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) – một hệ thống chế tạo màng mỏng quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo LEDs mà nhiều nước ở Á Châu, đặc biệt là Trung Quốc đă đặt là công nghệ mũi nhọn trong kế hoạch phát triển đất nước.

Từ khóa : MOCVD, multi quantum well (MQW), cost of ownership, throughput, yields, organometallic sources, metal alkyl sources, hydride gas sources, gas cabinet, gas mixing & switching systems, scrubbing system, vaccum system, multi- reactor system, Aixtron CIRIUS II-L, Veeco TurboDisc MaxBright.

1- Thay lời tựa

Lần đầu tiên chúng tôi thể nghiệm hệ thống MOCVD vào năm 1983 lúc làm việc tại hăng ARCO Solar (chi nhánh của Atlantic Richfiled Company, bây giờ thuộc về BP] . Lúc đó chúng tôi nghiên cứu amorphous silicon và copper indium diselenide thin film solar cells ; và chúng tôi đă khai phát thành công chất transparent conducting ZnO doped with III elements (Al,B,Ga) dùng để thay thế ITO hay tin oxide như điện cực trong màng mỏng pin mặt trời [2]. Chất này đầu tiên được chế tạo dùng phương pháp phún xạ ca-tốt (sputtering). Trên quan điểm sản xuất, chúng tôi muốn khai phát một hệ thống in-line ở đó tất cả những thành phần chính của amorphous silicon solar cells được chế tạo dùng phương pháp chemical vapor deposition (CVD) v́ PECVD là phương pháp kỹ nghệ dùng để chế tạo amorphous silicons. Lúc đó nhóm Dapkus ở Rockwell International (đây cũng là hăng đă sáng chế ra hệ thống MOCVD vào cuối thập niên 60’s), Thousand Oaks, California đă thành công lần đầu tiên trong việc chế tạo linh kiện bán dẫn dùng MOCVD như AlGaAs/GaAs solar cells and quantum well injection laser mặc dù hiệu suất, metalorganic sources và thiết kế pḥng phản ứng vẫn c̣n nằm trong t́nh trạng phôi thai. Pḥng nghiên cứu của chúng tôi nằm ở Chatsworth, cách Thousand Oaks khoảng 20 phút lái xe qua những ngọn đồi – bây giờ là nơi tọa lạc của Ronald Reagan Presidential Library; chúng tôi v́ thế theo dơi nhóm Dapkus về lănh vực MOCVD “rất kỹ”. V́ với phương pháp MOCVD, chế tạo an epitaxial single layer (không phải nhiều lớp màng mỏng ở cấp độ nanometers như trong trường hợp của multi-quantum wells) tương đối đơn giản, chúng tôi nghĩ chúng tôi có cơ hội tốt trong việc thương mại hóa quy tŕnh này trong việc chế tạo transparent conducting zinc oxide (ZnO) films. Lúc đó MOCVD chưa có bán trên thị trường ; v́ thế chúng tôi phải tự thiết kế và lắp đặt một hệ thống MOCVD nhỏ để thực hiện công tác nghiên cứu. Chúng tôi chế tạo transparent conducting zinc oxide bằng cách dùng dimehtyl zinc (C2H5)2Zn (DMZn), diborane (B2H6) và hơi nước/hay dry oxygen vào năm 1984 . ZnO được tạo thành ở nhiệt độ nằm trong khoảng từ nhiệt độ pḥng (RT)- 200 C . Những chất này được đưa vào pḥng phản ứng bằng một luồng nitrogen [1]. Phương pháp này hiện tại trở thành thịnh hành trong việc chế tạo ZnO điện cực của thin film solar cells.

Trong gần 20 năm qua, MOCVD đă tiến bộ rất nhanh chóng và được dùng trong việc chế tạo màng epitaxy cực mỏng và chế tạo multi quantum well (MQW) với hàng chục lớp màng rất mỏng dùng trong những ứng dụng liên quan đến telecommunications, electronic devices và gần đây LED’s và LDs. Sự tiến bộ nhanh chóng này phần lớn nhờ vào sự phát triễn vượt bực của computer sciences và sensors để kiểm soát với mức độ chính xác chiếu dày của màng mỏng và phân giới ở những màng mỏng liên hệ.

MOCVD đă trở thành kỹ nghệ có liên quan đến chiến lược của nhiếu nước trên thê giới. Vào thập niên 90’s, chính phủ Mỹ không cho các hăng ở Mỹ bán MOCVD cho những nước thuộc khối cộng sản. Điều này đă ảnh hưởng không ít đến kỹ nghệ màng mỏng tại Mỹ . Một thí dụ điển h́nh nhất là Veeco (một hăng chuyên môn về các hệ thống chế tạo và trắc lượng màng mỏng tại Mỹ) đă gặp phải nhiều khó khăn trong việc cạnh tranh với Aixtron (Đức) ở thị trường Trung Quốc và khiến cho Veeco mất rất nhiều năm để cạnh tranh và sau cùng bắt kịp Aixtron sau khi chính phủ Mỹ bỏ điều luật này. Veeco bắt kịp Aixtron vào cuối năm 2011 và bắt đâu vượt trội Aixtron vào năm 2012 về số lượng máy MOCVD sản xuất cho việc chế tạo GaN LEDs với mô h́nh K465i. Nên nhớ hiện tại Aixtron và Veeco chiếm 96% tổng số sản lượng hệ thống MOCVD trên thế giới. Chính phủ Trung Quốc đă và đang đặt MOCVD trong nhiều kế hoạch 5 năm nhằm mục đích gia tăng lượng sinh sản LEDs . Chính phủ TQ tài trợ tiền phí tổn xây dưng kỹ nghệ LEDs tai nhiều khu kỹ nghệ như Jiangmen, Foshan, Changzhi, Wuhu, Yangzhou, Suzhou and Changzhou. Những hăng chế tạo LED có thể nhận tài trợ từ chính phủ với số tiền RMB8–10 triệu ( about 1.2 to 1.5 triệu US đô -la) cho mỗi hệ thống MOCVD mà họ đặt mua.. Ngoài ra, các hăng LEDs này cũng nhận được những đặc quyền về thuế má, đất đai từ chính phủ địa phương. Kết quả là con số MOCVD systems đặt mua ở Trung Quốc tăng lên rất nhanh . Ngoài ra với chính sách ưu đăi hấp dẫn này, Trung Quốc cũng đă thu hút được nhiều nhà đầu tư từ Đài Loan, Mỹ và nhiều nước khác. Sự phát triển nhanh chóng trong lănh vực LEDs cũng làm cho một số chuyên gia quan tâm về t́nh trạng một số hăng xưởng đầu tư vào Trung Quốc mà không biết nhiều về thị trường bản xứ và sự thiếu thốn những chuyên gia có khả năng nhất là trong lănh vực R&D [3]

Vài điều để suy ngẫm: Ba mươi năm trước, MOCVD chỉ là một kỹ thuật c̣n phôi thai với ít người quan tâm đến; rồi ba mươi năm sau, MOCVD trở thành một kỹ thuật “nóng bỏng” mà hầu hết các pḥng nghiên cứu lớn trên thế giới đều dùng. Trong ḍng biến đổi và cải tiến không ngừng của thế giới khoa học và kỹ thuật, có rất nhiều điều khó có thể đoán trước được: có những phát minh khi mới phát biểu phải “bỏ qua một bên” v́ ít người trong cộng đồng khoa học kỹ thuật quan tâm đến và có lẽ v́ “đi trước thời gian” ; rồi bẵng đi một thời gian khoảng 20-30 năm, phát minh ấy trở thành một “kỹ thuật” mới được nhiều người ưa chuộng. MOCVD là một trong những phát minh này.

2- Lịch sử khai phát Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)

The metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) có một lịch sử khá lâu dài, nhưng mới trở thành một trong những công nghệ hàng đầu với sự tiến bộ khả quan của computers, sensors và nhu cầu “green lighting” của LEDs. MOCVD dùng để chế tạo hợp chất bán dẫn (compound semiconductor materials) lần đầu tiên được thực hiện bởi H. M. Manasevit của Rockwell International (lúc đó có tên là North American Rockwell) vào năm 1968 [4]. Qui tŕnh chế tạo màng mỏng này c̣n có những tên khác nhau như organometallic chemical vapor deposition (OMCVD), metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), and organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE). Manasevit đặt tên qui tŕnh này là MOCVD nhằm nhấn mạnh thành phần kim loại dùng trong qui tŕnh và để tránh sự lẫn lộn với organometallic chemistry research ; một lănh vực nghiên cứu chú trọng về high order organic radicals.. Một số nghiên cứu ban đầu của Manasevit kể cả epitaxial growth chế tạo màng mỏng trên vật nền kết tinh (crystalline substrates) ; nhưng phần lớn ông ta chú trọng nhiều vào chemical vapor deposition để tạo amorphous thin films trên một số vật nền như sapphire. Màng mỏng của những chất sau đây được chú tâm nhiều: group III arsenides, III- phosphides và II-VIs. Trong những năm tiếp đó, ông thành công trong việc grow epitaxy những chất bán dẫn như GaAs, GaP, GaAlAs, AlN và GaN [7]. Linh kiện bán dẫn đầu tiên dùng MOCVD là AlGaAs/GaAs solar cells and quantum well injection laser by Dupuis, et al. vào năm 1977 và 1978 thuộc pḥng nghiên cứu của hăng Rockwell [5-7]. Nhưng epitaxial layers chế tạo từ phương pháp này thường gặp phải vấn đề defects liên quan đến tạp chất; thêm vào đó metalorganic sources và thiết kế pḥng phản ứng vẫn c̣n nằm trong t́nh trạng phôi thai. Với sự tiến triễn của computers, sensors và wafer reactor designs ở thập niên 80’s, MOCVD được phát triễn nhanh chóng với diện tích pḥng phản ứng rộng hơn và độ kiểm soát chính xác để dùng trong việc chế tạo và thương mại hóa LEDs, high electron mobility transistors(HEMTs), telecommunications và nhiều lănh vực khác nữa.

3. Trung Quốc là một nhân tố quan trọng trong việc phát triễn MOCVDs

MOCVD nằm trong kế hoạch 5 năm lần thứ 11 (2006-2010) và nhiều kế hoạch 5 năm trước đó của Trung Quốc. Chẳng những Trung Quốc muốn phát triễn cơ sở kỹ thuật, họ c̣n muốn gia tăng việc bảo tồn năng lương; và một phương pháp để thực hiện kế hoạch này là “green lighting” chặng hạn như thiết lập hệ thống chiếu sáng điện đường và đèn giao thông dựa trên LEDs.

Đê thực hiện kế hoạch này, chính phủ thiết lập 4 vùng kỹ nghệ (industrial areas ) LEDs, 7 khu công nghệ quốc gia LEDs (national LED industrial parks), and 21 thành phố thí điểm (showcase pilot cities). Với ước lượng rằng epitaxy và chip value component liên hệ đến LEDs chiếm khoảng 70% lợi tức; trong khi đó 30% c̣n lại đến từ kỹ nghệ đóng gói (lower-value packaging)- kỹ nghệ mà Trung Quốc tương đối mạnh, chính phủ TQ v́ thế muốn chuyển hướng sang công nghệ có lợi tức cao hơn của epitaxy thin films . Chính phủ tài trợ rộng răi và khuyến khích rất nhiều công nghệ LEDs; chẳng hạn như chính phủ tài trợ CNY 8-10 M (triệu) tương đương với US$ 1.2- 1.5 M (tính theo hối xuất 6.7 CNY= $US1) cho mỗi hệ thống MOCVD các hăng xưởng đặt mua. Ngoài ra, chính quyền địa phương c̣n cho thêm những lợi ích khác như thuế đặc biệt cho công nghệ LEDs. Điều này cũng đă thu hút nhiều hăng ngoại quốc đầu tư vào Trung Quốc [8].

Theo Displaybank, Trung Quốc chiếm 3% tổng số lượng MOCVD trên thế giới vào năm 2009. Con số này lên đến 15% ở tam cá nguyệt thứ hai của năm 2011. Nếu chiều hướng này tiếp tục Trung Quốc sẽ chiếm 64.2%, và sẽ đứng hàng sô một trên thế giới về số lượng MOVCVD thiết lập mỗi năm [9]. Dự đoán là vào cuối năm 2012, Trung Quốc sẽ dẫn đầu số lượng MOCVD sở hữu với trên 1.000 hệ thống MOCVDs [8] .

4- Thị trường

4-1 LEDs phát triễn mạnh ở thị trường Á Châu

Những sản phẩm như LDs, nhất là LEDs biểu hiện ở h́nh 1 đă gia tăng nhu cầu của MOCVD trong kỹ nghệ vào những năm gần đây.

Theo cơ quan Strategy Unlimited, thị trường của LED’s trên thế giới vào khoảng 1.8 tỉ USD vào năm 2003 và lên đến 6 tỉ USD năm 2008 với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 47% (h́nh 1). Trong số đó, thiết bị di động (mobile appliances) chiếm 40%, tín hiệu (signs) chiếm 23 %, xe hơi (automobiles) 14 %, và đèn chiếu sáng (illumination) 5% với thị trường khoảng $ 522 M vào 2007. Cũng theo Strategy Unlimited, thị trường của LED vào khoảng 11,3 tỉ USD vào năm 2010, tăng lên đến 12,5 tỉ USD vào năm 2011 với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 9.8%. Mười hăng sau đây đă nắm giữ vai tṛ lănh đạo về số lượng LEDs sản xuất : Nichia, Samsung LED, Osram Optoelectronics, LG Innotek, Seoul Semiconductor, Cree, Philips Lumileds, Sharp, TG và Everlight.

H́nh 1: Thị trường của LEDs [10]

 

Theo dự đoán của DisplaySearch trong bảng báo cáo tựa đề “Lighting Up the Display World”, số lượng đèn LED backlights tăng 300 % từ 8 tỉ vào năm 2008 lên đến 34 tỉ vào năm 2012 (subtotal for backlights, row 7 tính từ phí dưới đi lên, h́nh 2) . Đặc biệt LEDs được dùng cho hai ứng dụng chính : active outdoor displays dùng 11 tỉ LEDs (15%) và LED backlights chiếm khoảng 8 tỉ LEDs (11 %) . Thêm vào đó, thị trường LEDs đang trên đà chuyển ḿnh sang Á Châu đặc biệt là ở các nước như Trung Quốc, Nhật, Nam Hàn, và Đài Loan. Vào năm 2010, 350.000 đèn đường dùng LEDs tại nhiều nơi tại Trung Quốc với chương tŕnh “10.000 Lights” do Bộ Khoa Học và Công Nghệ đề xướng, chiếm 74 % thị trường thế giới trong lănh vực ứng dụng này.

H́nh 2: Dự đoán số lượng LEDs dùng cho những ứng dụng khác nhau từ năm 2007 đến năm 2012
(tài liệu từ DisplaySearch, June 2009)

 

Trong khi kỹ nghệ thắp sáng (general illumination) có thể trở thành tương lai của việc sản xuất LED với số lượng lớn, những ứng dụng khác cũng đóng góp một con số đáng kể : street, traffic and architec- tural lighting, and for TV/monitor LCD display back-light units (BLUs) –Như đă tŕnh bày ở những số trước [1].

Hầu hết sự gia tăng nhu cầu LED dựa vào kỳ vọng rằng sẽ có sự chuyển đổi từ cold cathode fluorescent lamps (CCFL) sang LED BLUs. Compound annual growth (CAGR) của thị trường LEDs khoảng 21% và vào khoảng 31% trong lănh vực lighting segment ; trong số đó CAGR thị trường về bảng quảng cáo /biểu thị (signs/displays) chiếm cao nhất từ một con số khiêm nhường 17% năm 2009 nhảy vọt lên đến 53% vào năm 2014 [H́nh 3]

H́nh 3. Morgan Research ‘s projections for various LED markets.
Strategies Unlimited February 2010 forecast for period up to 2014.

 

Thị trường LED trên toàn thế giới bành trướng mạnh từ mức thành trưởng 9.8% với $12.5 billion in 2011, trong đó 44% growth nằm trong the lighting sector, according to Vindra Bhandarkar, Ela Shum và Laura Peters của Strategies Unlimited. Mặc dù, khuynh hướng chung cho thấy sự gia tăng trong 5 năm sắp tới hầu nhự “flat” với “peak” vào năm 2013.

4-2 Thị trường của MOCVD

4-2-1 Cơ cấu tổng quát của hệ thống MOCVD

Pḥng phản ứng MOCVD có lẽ là bộ phận quan trọng nhất trong việc chế tạo LED (sẽ tŕnh bày chi tiết hơn ở h́nh 8 & 9). So với MBE, MOCVD có những lợi điểm sau: (i) độ thành trưởng màng mỏng (growth) nhanh hơn, có thể tới vài microns/ giờ; (ii) khả năng tạo màng mỏng trên nhiều wafers với tầm kích khác nhau ; (iii) growth temperature cao hơn, thích hợp với cơ cấu nhiệt động học hơn và (iv) độ chân không thấp. MOCVD cũng có những nhược điểm như sau : (v) khó đo chiều dày màng mỏng (ở mức độ nanometers) chính xác (RHEED dùng để đo chiều dày không thể dùng được v́ áp xuất trong pḥng phản ứng MOCVD cao); (vi) chuyển tiếp từ hai màng mỏng ít đột ngột (abrupt) hơn v́ vấn đề với ḍng chất khí và hiệu ứng nhớ (memory effects) và (vii) chất khí dùng trong MOCVD thường rất độc.

MOCVD có nguyên tắc vận hành giống LPCVD ; sự khác nhau chính là metalorganic sources được dùng trong MOCVD. Đại khái, hệ thống MOCVD có những thành phần chính như : pḥng phản ứng (reactors) nơi hydride gas và metal alkyl sources gas hỗn hợp, hệ thống nun nóng (heating systems), hệ thống làm sạch chất khí (gas purification system), bộ phân phối chất khí (gas manifold system), hệ thống pump và kiểm soát áp suất trong pḥng phản ứng (paumping & pressure control system), máy sục khí (bubblers), thiết bị lọc khí (scrubbers/ exhaust gas treatment system) và buống giữ b́nh gas (gas cabinets) như ở h́nh 4 và 5..

 

H́nh 4: Những thành phần chính trong hệ thống MOCVD

 

H́nh 5: Những thành phần chính trong hệ thống MOCVD (tiếp tục).

 

Những chất liệu (direct bandgap và indirect bandgap) thường được dùng trong việc chế tạo các chất bán dẫn như GaN và GaInN trong việc chế tạo LEDs và LDs với MOCVD được biểu hiện ở bên trái của h́nh 6.

 

H́nh 6

Bandgap energy of various semiconductors versus in plane lattice constant (after ref. [11]).
Recent work indicates that the bandgap of InN is around 0.7 eV [12].

Biểu hiện ở h́nh 7 là sơ đồ diễn tả sự phân phối của các chất organometalic với hydrides trong pḥng phản ứng của MOCVD [Veeco] . Ở h́nh này, trimethyl gallium (TMGa), ammonia và hydrides được cho vào pḥng phản ứng của MOCVD. Với nhiệt đô, các chất alkyls bị “cracked” ở gấn hay ngay trên bề mặt nơi phản ứng của chất khí này với hydrides xảy ra.

 

H́nh 7 : Sơ đồ diễn tả sự phân phối của các chất organometalic với hydrides trong pḥng phản ứng của MOCVD [13])

Nhu cầu LEDs càng cao, th́ sư giảm giá thành của LEDs càng trở nên cần thiết. Và một trong những yếu tố quan trọng là cost of ownership (CoO). Ba yếu tố (factors) chính có thể quyệt định CoO : throughputs/ productivity, yields và operating and depreciation costs. Mỗi yếu tố lại có nhiều yếu tố nhỏ liên quan như được biểu hiện ở H́nh 8 và chi tiết hơn ở h́nh 9. Tất cả các qui tŕnh này rất phức tạp và đ̣i hỏi rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong việc thiết kế hệ thống MOCVDs và giúp cắt nghĩa và xác nhận điều chúng tôi tŕnh bày ở phần đầu của bài viết này : phí tổn của MOVCVD chiếm 50% toàn phí tổn chế tạo LEDs. .

 

H́nh 8: Những yếu tố quyết định cost of ownership (tài liệu từ Yole Development 4/2012)

 

 

H́nh 9: Những yếu tố quyết định cost of ownership (tài liệu từ Veeco)

 

4-2-2 Thị trường MOCVD

MOCVD là qui tŕnh tất yếu trong việc chế tạo LEDs [H́nh 10] . Hệ thống này sẽ quyết định phần lớn hiệu suất, color và phí tổn chế tạo (chưa kể CoO) của LEDs. Mục tiêu thực hiện hiệu suất và giá thành của LEDs được diễn tả ở H́nh 10& 11 (tài liệu từ Veeco).

H́nh 10 Hiệu suất và phí tổn của LEDs (tài liệu từ Veeco)

 

 

H́nh 11: Những đặc tính của LEDs (sắc màu, cường độ sáng và tính chất điện)
tùy thuộc vào quy tŕnh MOCVD (tài liệu từ Veeco)

 

Có khoảng 17 hăng chế tạo hệ thống MOCVD, nhưng Aixtron và Veeco [H́nh 12] chiếm trên 90% số lượng MOCVD system sản xuất trên thế giới. Cả hai hăng đều chú trọng rất nhiều vào thị trường Trung Quốc với trung tâm giới thiệu và huấn luyện việc xử dụng các hệ thống MOCVD.

 

                 

H́nh 12: Aixtron (Đức) và Veeco (Mỹ) chế tạo nhiều hệ thống MOCVD trên thị trường thế giới.

 

Market share của Aixtron và Veeco những năm trước 2007 được biểu hiện ở H́nh 13 . Lúc đó, Aixtron chiếm 70% trong khi đó Veeco chiếm 18% thị trường- một sự khác biệt khá xa.

 

H́nh 13: Thị trường MOCVD của Aixtron and Veeco trong những năm 2005 đến 2007.
Thị trường tăng gần gấp hai từ $156M năm 2005 nhảy vọt lên đến $289 M vào năm 2007
 và Aixtron chiếm 70% tổng lượng MOCVD sản xuất cho khách hàng.

 

Từ tháng giêng, 2010, Veeco có một số khách hàng tại Trung Quốc như Tsinghua Tongfang, Elec-Tech, Shanghai Epilight, Invenlux, Neo-Neon, and Sanan. một số từ Đài Loan như . Arima, Epistar, Genesis Photonics và Hàn Quốc như Seoul Optodevice.

Tsinghua Tongfang được chọn bởi Veeco như là trung tâm cung cấp MOCVD systems (Primary MOCVD supplier) tại Trung Quốc.

Một số hăng xưởng từ Đài Loan cũng thiết lập chi nhánh chế tạo LEDs hoăc riêng rẽ hoặc đầu tư họp doanh tại Trung Quốc. Chẳng hạn như Arima Optoelectronics đă thiết lập hầu hết những MOCVD systems của họ tại tỉnh Shanxi, miền bắc Trung Quốc.

Veeco TurboDisc K465i MOCVD đă và đang trở thành popular tại Trung Quốc.

Aixtron tiếp tục dẫn đầu trong năm 2010 với trên 50% số lượng MOCVD sản xuất nhưng bắt đầu từ Q3, 2011 Veeco bắt đầu “catch up” với multi-chamber Maxbright tool [H́nh 14] . Aixtron đă xuất hàng (ship) với 85-95 hệ thống MOCVD ở Q4 and Veeco vào khoảng 60-70 hệ thống. Cả hai hăng đă thu nhập khoảng $140-$150M do việc xuất khẩu những hệ thống liên quan đến LEDs (IMS Research). Năm 2011 Veeco dẫn đầu với 344 hệ thống dành cho việc chế tạo GaN LEDs so với 318 hệ thống MOCVD từ Aixtron. Đây là lần đầu tiên Veeco dứng hàng đầu kể từ khi chính phủ Mỹ cấm hăng này bán MOCVD cho những nước thuộc khối cộng sản. [14]. V́ số lượng GaN-based LEDs sẽ giảm xuống do số lượng LEDs sản xuất quá tải trong những năm trước . Và theo thị trường dự đoán, Veeco sẽ vượt Aixtron về số lượng MOCVD dùng để sản xuất GaN-based LEDs suốt cả năm 2012.

 

H́nh 14: Sau những khó khăn vào năm 2009 và 2010,
Veeco “bắt kịp” Aixtron vào Q2, 2011 và bắt đầu dẫn đầu từ đó.

Vào năm 2011, Trung Quốc dẫn đầu với số lượng MOCVD trên 70% tổng số máy MOCVD trên thế giới và tiếp tục gia tăng khoảng 18% ; trong khi đó số máy MOCVD tại Mỹ và Nhật chiếm vào khoảng vài % [H́nh 15]

 

H́nh 15: Nhu cầu MOCVD gia tăng rất nhanh trong hai năm 2010-2011 tại Trung Quốc.

 

LED là áp dụng lớn nhất của MOCVD. Trong năm 2010 và 2011, thị trường MOCVD có chu kỳ đầu tư dài nhất do sự tổng hợp của những yếu tố sau : (i) nhu cấu của LED trong LCD TV; (ii) sự tài trợ rộng răi của chính phủ địa phương và trung ương tại Trung Quốc và (iii) kỳ vọng vào thị trường chiếu sáng (lighting market). Điều này đưa đến t́nh trạng sản xuất quá độ và thị trường cần 12- 18 tháng để tiêu thụ số hàng thặng dư. Chu kỳ đầu tư tiếp theo sẽ chú tâm nhiều về sản lượng (throughput) và yields. Và chu kỳ tiếp đó sẽ nhấn mạnh vào việc cải tiến hơn cost of ownership (COO). Tài liệu từ nhiều nhóm biểu hiện một sự giảm sút lớn về thị trường của MOCVD vào lúc này [ H́nh 16]. Theo Conaccord Genuity, một ‘dip” lớn với số MOCVD giảm từ con số 800 xuống c̣n 200 trong suốt năm 2012 ; trong khi đó sản lượng MOCVD hầu như “flat” theo dự đoán của Citigroup và JP Morgan ; và Gartner Dataquest và IMS Research dự đoán một sư gia tăng rất chậm vào năm này. Nếu chúng ta tổng hợp từ những kết quả trên, chúng ta thấy “the dip” vào năm 2012. Một trong những lư do về sư giảm thiểu số lượng LEDs sản xuất trong năm 2012 là do thị trường không tiến triển như dự đoán và tài trợ của chính phủ Trung Quốc cũng sắp hết hạn v́ ở giai đoạn cuối của kế hoạch 5 năm [IMS research analyst Jamie Fox].

 

H́nh 16. MOCVD market forecasts from HSBC, Canaccord Genuity, Gartner
Dataquest, IMS Research, Deutsche Bank, JPMorgan, Topology Research Institute,
Morgan Stanley, Credit Suisse, and Citigroup. [15]

 

4-2-3 “Neck-and-neck competition” giữa Aixtron and Veeco

Chi tiết về hệ thống MOCVD sẽ được tŕnh bày trong những số tới. Trước khi kết thúc bài viết rong số này, chúng tôi xin giới thiệu vài hệ thống MOCVD của hai hăng Aixtron và Veeco. MOCVD của Aixtron được biểu hiện ở H́nh 17 với những thành phần chính : hệ thống pump, phương tiện xử ly wafers (wafer handler), hệ thống kiểm soát điện tử (electronic control rack), vv.vv Những năm sau này, với nhu cầu và sản lương LEDs gia tăng, hệ thống MOCVD được thiết bị với hệ thống tự động hóa, pḥng phản ứng với cluster configuration.

4-2-3-1 MOCVD của hăng Aixtron

 

H́nh 17: Một hệ thống MOCVD (tài liệu từ Aixtron và Samsung Advanced Technology Institute).

Có nhiều động cơ để xúc tiến tự động hóa MOCVD . Đứng trên phương diện thực tiễn, một khi cost reduction benefits đạt được với thời gian tiết kiệm lúc wafer loading và unloading nhiều hơn tiền phí tổn ban đầu để thiết lập hệ thống tự động hóa, th́ tự động hóa trở nên có giá trị về phương diện kinh tế. Chẳng những có thể tiết kiệm thời gian, tự động hóa cũng có thể gia tăng process quality đưa đến gia tăng yields

Gần đây, Aixtron phát triễn MOCVD để grow III-V compounds trên 200- 300 mm silicon wafers dùng trong các ứng dụng CMOS. H́nh 18 diễn tả a cluster MOCVD với hệ thống tự động . Hệ thống này gồm có a standard 300mm wafer handler with a front-opening unified pod (FOUP) equipment front-end module (EFEM), connected to two specially developed MOCVD modules [ H́nh 19]. Với hệ thống tự động, chẳng hạn như Aixtron G5 HT reactor, người ta có thể change 56x2” wafers (hay 14x4” hay 8x 6” wafers cho mỗi process run. Điều này chỉ xảy ra khi nhiệt độ trong pḥng phản ứng cooled down đến nhiệt độ thích họp với khí trơ. Với hệ thống tự động, chúng ta có thể unloading wafers ở nhiệt độ cao đến 600 C. Aixtron dùng robots và toàn thời gian để loading/unloading wafers mất khoảng vài phút {h́nh 19}. Ngoài việc gia tăng khả năng chứa đựng wafers (wafer capacity), pḥng phản ưng được thiết kế để việc chế tạo màng mỏng sẽ xảy ra liên tục mà không cần làm sạch (cleaning), nung nóng (baking) hay thay đổi bộ phận giữa hai quy tŕnh chế tạo màng mỏng nối tiếp nhau (exchange of parts between runs) và khả năng cung cấp high growth rates và ít biến đổi về qui trính (less process variation). V́ thế tự động hóa có triển vọng gia tăng số lượng competiveness của khách hàng và giảm thiểu the cost of ownership. Aixtron c̣n dùng cluster (nói một cách khác, nhiều MOCVD process modules sẽ được dùng) với phương tiện chuyển đổi tự động (automatic transfer means) [H́nh 20]

 

H́nh 18. 300mm MOCVD cluster tool with two process modules for III-V on silicon processes (tài liệu từ Aixtron).

 

 

H́nh 19. Automated loading and unloading of an Aixtron G5 HT MOCVD reactor.
The transfer system picks up the entire wafer platform satellite disk pre-loaded with wafers.
The reactor shown here is opened for demonstration purposes only.

 

 

 

H́nh 20: . Single MOCVD module with automated transfer system (top)
and MOCVD cluster tool with two process modules (bottom).

Aixtron c̣n dùng MES trong multiple MOCVD để điều khiển các bộ phận liên hệ, quản ly hệ thống và phân tích dữ liệu ngay trong khi màng mỏng được h́nh thành (in real time) theo h́nh thức fab integration để thích ứng với việc sản xuất hàng loạt sản phẩm với chất lượng cao. Kiểm tra và phân tích dữ liệu in situ có thể thực hiện chẳng hạn với reflectometry (Filmetrics®) or Reflectance Anisotropy Spectroscopy (Epi-RAS® ).

Song song với việc cải thiện cost of ownership, để tối ưu hóa khả năng vận hành của MOCVD systems, tối ưu hóa vùng tạo màng mỏng (optimization of growth area) cũng rất cần thiết:

Pḥng phản ứng với tầm kích và số lượng wafers hay vật nền khác nhau có thể thể hiện ở h́nh 21.

 

H́nh 21: Pḥng phản ứng với số lượng wafers và wafer sizes khác nhau.

 

Pḥng phản ứng của Aixtron’s có thể load 12x 4 inch hay 49x2inch planetary reactor [H́nh 22(a) & (b)] dùng trong việc chế tạo LEDs. Nếu tính trên diện tích màng mỏng tạo thành (growth area), tổng số diện tích 150 inch2 có thể đạt được. Kết quả này đưa đến một sự gia tăng khoảng 50% (12x4 inch) và 40 % (49x2 inch) so với tầm kích thiết kế tiêu chuẩn cho 8x4 inch và 35x2 inch [H́nh 17] . Ở tầm kích lớn rộng hơn, pḥng phản ứng có thể load tới 16x4” hay 69x 2” như ở trong hệ thống Aixtron CRIUS II-L được đưa ra thị trường vào năm 2010. Theo TS Rainer Beccard, Vice President Marketing at Aixtron, hệ thống này cũng được thiết kế với mục đích triển khai độ lớn của wafers từ 2 inch đến 8 inch. Pḥng phản ứng, với khả năng 56 x 2" and 14 x 4" có thể dùng trong việc chế tạo high-brightness light-emitting diodes (HB-LEDs).

         

(a)                                                                       (b)

H́nh 22 (a) Aixtron’s latest design uses either a 12 x4 inch configuration
to deliver growth on substrates with a combined area of 150 inch2.

(b) Aixtron’s fully loaded 49x2inch planetary reactor
can produce epiwafers with uniformity suitable for LED manufacturing [16]

 

4-2-3-2 MOCVD của hăng Veeco - TurboDisc E475 As/P MOCVD system

Veeco’s E475™ As/P MOCVD system được thiết kế để dùng trong việc sản xuất với số lượng lớn những sản phẩm như HB-LEDs, HBTs, pHEMT và triple junction solar cells.

Hệ thống này dùng công nghệ RealTemp® 200 để đo chính xác nhiệt độ các tấm wafer ; và dùng fast gas switching để kiểm soát chính xác sự biến đổi đột ngột ở mặt phân giới (interface abruptness) của hai màng mỏng lân cận . Những đặc thù này đưa đến nhiều lợi điểm sau: uptime rất cao, cost of owner ship thấp, throughput cao, tài liệu bán dẫn với chất lượng tốt, yields và process efficiency cao. Tính đồng nhất ưu việt đạt được với Veeco’s tunable FlowFlange™ và hệ thống chuyển đổi tấm wafers được thực hiện ở 300 C và không cần phải thay các bộ phận giữa chừng.

Vào năm 2011, Veeco đưa vào thị trường TurboDisc(R) MaxBright(TM) Gallium Nitride (GaN) Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) Multi-Reactor System [H́nh 23 & 24] . Hệ thống này trở thành thịnh hành với nhiều khách hàng ở Hàn Quốc, Đài Loan và Trung Quốc. Hệ thống MOCVD này có sản lượng cao với pḥng phản ứng thiết kế theo lối modular two- or four-reactor cluster.

 

[H́nh 23] Veeco's TurboDisc MaxBright GaN MOCVD multi-reactor system
offers industry-leading wafer capacity for wafer sizes from 2" to 8"

 

 

H́nh 24 Special features are incorporated in MaxBright MOCVD
to reduce the cost of ownership : high throughput, high capacity and high footprint efficiency (tài liệu từ Veeco)

 

Pḥng phản ứng của MaxBright được thiết kế dựa vào mô h́nh của hệ thống K465i với tính đồng nhất tốt (good uniformity), khả năng lập lại cao (repeatability) và màng mỏng với chất lượng tốt . The MaxBright MOCVD có khả năng cung ứng wafers vói những tầm cỡ 216 x 2", 56 x 4", 24 x 6" or 12 x 8” (4- reactor) và 108x2”, 28x4”, 12x6” hay 6x8” (2-reactor) . Một các tổng quát, so với K465i, MaxBright cải thiện throughput khoảng 25% [17]

Trong số tới chúng tôi sẽ giới thiệu cơ cấu vận hành và những thành phần liên hệ của hệ thống MOCVD.

 

Minnesota, mùa tốt nghiệp 2013

Trần Trí Năng

 

Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm

http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDS-PART-2.htm 

http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/MOCVD-2/MOCVD-2-04102013.htm 

[2] Proceedings of Intl’ Workshops on Nanotechnology & Applications, Nov., 2011, Vũng Tàu, VN.

[3] http://ledsmagazine.com/news/9/2/6

[4] H. M. Manasevit, “Single-crystal gallium arsenide on insulating substrates,” Appl. Phys. Lett., vol. 12, no. 4, pp. 156–159, Feb.

1968.

[5] R. D. Dupuis, L. A. Moudy, and P. D. Dapkus, “Preparation and properties of Ga1􀀀xAlxAs-GaAs heterojunctions grown by

metallorganic chemical vapor deposition,” in Inst. Phys. Conf. Ser., no. 45, ch. 1, 1978, pp. 1–9.

[6] R. D. Dupuis, L. A. Moudy, and P. D. Dapkus, “Preparation and properties of Ga1-xAlxAs-GaAs heterojunctions grown by

metallorganic chemical vapor deposition,” in Inst. Phys. Conf. Ser., no. 45, ch. 1, 1978, pp. 1–9.

[7] S. J. Bass, “Growth of semi-insulating epitaxial gallium arsenide by chromium doping in the metal-alkyl + hydride system,” J.

Cryst. Growth, vol. 44, pp. 29–33, 1978.

[8] Semiconductor Today, Vol.5, issue 7, September 2010, 94-97.

[9] Laura Ptersis, http://ledsmagazine.com/news/8/6/31

[10] B. Steele: “HB-LEDs the market drive towards solid- state lighting”, Strategies Unlimited, December 2003.

[11] S. Nakamura, IEEE, Circuits and Devices, May, 19 (1995).

[12] T. Matsuoka, H. Okamoto, M. Nakao, H. Hiama, and E. Kurimoto, Appl. Phys. Lett. 81, 1246 (2002).

[13] http://www.ledmarketresearch.com/blog/Aixtron_Regains_Q4_LED_Lead

[14] http://www.compoundsemiconductor.net/csc/news-details.php?id=19735087

[15] http://www.compoundsemiconductor.net/csc/news-details.php?id=19735087  Semiconductor Today, http://www.semiconductor-today.com/news_items/2010/AUG/TRENDFORCE_310810.htm

[16] http://www.electroiq.com/articles/sst/2012/01/aixtron-sells-multiple-mocvd-reactors-to-hb-led-maker.html 

[17] http://www.led-professional.com/products/led-production-test-equipment/veeco-introduces-maxbright-mocvd-multi-reactor-system