Phương pháp ngưng đọng hơi hóa học metalô- organô

(Metalorganic Chemical Vapor Deposition - MOCVD)  

Part I

 Trần Trí Năng
(Univ. of Minnesota & Ecosolar International)

 

Phương pháp ngưng đọng hơi hóa học metalô- organô (MOCVD) đóng vai tṛ tất yếu trong việc sản xuất blue LEDs và blue LDs. Trong những số trước chúng tôi đă tŕnh bày những “họ hàng” như nhiệt CVD và  plasma CVD [1,2] của hệ thống MOCVD trong đại gia đ́nh chemical vapor deposition (CVD).  

MOCVD là phần cuối trong những loạt bài chúng tôi viết về  blue light technology. Bắt đầu từ số này , chúng tôi sẽ đề cập đến  những thành phần chính của hệ thống chế tạo màng mỏng MOCVD : buồng phản ứng, bộ lọc và trừ khử các chất  khí (scrubbers), hệ thống phân phối chất khí và các chất khí.  Buồng phản ứng và một số các thành phần liên quan sẽ được thảo luận trong số tháng này.

Từ khóa: blue light technology, EL isplays,  MOCVD, thermal CVD, plasma CVD, MBE, alkyl   sources,  hydride sources, reactors,  scrubbers, gas cabinet, vent line,  exhaust line, susceptor, dry pump, mass flow controller,  gas manifold, heater , pressure controller,  vent-run switch,  gas handling system , Aixtron , Veeco.

Thay lời tựa

Hôm nay là ngày Vu Lan. Lúc đầu, nhà tôi và tôi tính đi chùa nhưng rồi đổi y  v́ những ngày như thế này-nhất là ngày chủ nhật-,  ở những nơi như chùa người đông đảo lắm!  Chúng tôi quyết định ở nhà  dành vài giây phút yên lặng để tưởng nhớ đến mẹ đă suốt đời tần tảo nuôi con.

“…Mẹ ở đó. Bao tháng năm lận đận
Áo nâu đen đẫm mưa bụi tháng ngày
Vỡ đất cày sâu.
Thế cuộc đổi thay
Cơm gạo hẩm rế khoai ḿ hai bữa.

Chính chiến dâng cao. Làng quê khói lửa
Sông Trường Thi  nước ngọt nhẹ xuôi ḍng.
Đập Đá, G̣ Găng : bom đạn ngày đêm
Ḍng máu ấm thắm sâu ḷng đất mẹ.

Thái B́nh Dương  dâng cao ḷng biển mẹ
Đưa đời con  đi khắp bốn phương trời
Khi trở  lại ḷng con thành bé dại
Nhớ ngày nào tuổi nhỏ chạy dong chơi…”

(TBA)

1. Not all the systems that make thin films are the same!

Vào cuối thập niên 70’s , hăng Sharp là “chim đầu đàn” trên thế giới  về lănh vực electroluminescent displays (hay gọi tắt là EL displays).  Sharp dùng phương pháp bốc nhiệt bằng tia điện tử (electron beam evaporation) để chế tạo lớp bán dẫn ZnS:Mn  và phương pháp phún xạ catốt (sputtering) để chế tạo lớp điện môi (dielectrics)  như Al2O3  và lớp kim thuộc như Al dùng làm điện cực. Đồng thời ở thời điểm này,  nhóm của GS  Tuomo Suntola , University of Helsinki, Phần Lan  dùng  atomic layer epitaxy (ALE) *)  để chế tạo EL.  Độ sáng của tấm hiển thị (EL displays)  của  nhóm  bên Phần Lan bằng hay tốt   hơn EL của Sharp nhưng deposition rate và khả năng chế tạo  các tấm hiển thị  trên diện tích lớn  từ ALE quá thấp không thuận lợi cho việc sản xuất . Lúc đó tôi từ University of California- Irvine đến làm việc cho một joint-venture của Sharp và Rockwell International nằm ở đường Amstrong , thuộc thành phố Irvine.  Công việc trước tiên của chúng tôi là t́m một phương pháp khác hơn phương pháp  electron beam mà trung tâm nghiên cứu của Sharp ở  Nara đang làm để chế tạo hiển thị EL Để thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt và giảm phí tổn, chúng tôi đề nghị với ban lănh đạo của Sharp/Rockwell  ở Nhật  dùng phương pháp phún xạ catốt để chế tạo tất cả thành phần màng mỏng trong  linh kiện điện tử flat panel EL displays  kể cả  chất bán dẫn chính ZnS:Mn. Điểm chính của đề án này là v́ sputtering có thể tạo màng mỏng với tính năng đồng nhất trên một diện tích rộng và khả năng tạo hiển thị EL dùng hệ thống dây chuyền in-line. Ban lănh đạo chấp thuận và chúng tôi gửi đề án đến chính phủ Mỹ (US Army) và  may mắn đề án được chấp thuận tài trợ v́ lúc đó cơ quan quân sự rất quan tâm đến EL displays. So với màn h́nh tinh thể lơng (liquid crystal displays, lúc này vẫn c̣n phôi thai), với màn h́nh (EL  displays) , người sử dụng có thể đọc được  dữ liệu  dưới ánh sáng mặt trời, rất thuận lơi cho công tác quân sự . Đề nghị này nghe rất hấp dẫn nên mọi người rất phấn khởi và chúng tôi  bắt tay ngay vào việc. Chúng tôi dùng DC phún xạ catốt  để chế tạo Al và  AC phún xạ catốt  để chế tạo ZnS:Mn và chất điện môi. Hệ thống  phún xạ catốt của chúng tôi có ba sputtering targets : ZnS, ITO và Al2O3. Chúng tôi dùng phương pháp reactive sputtering với H2S để chế tạo ZnS:Mn. Toàn nhóm chúng tôi lúc bấy giờ có ba người : hai người (một bạn đồng nghiệp người xứ Pakistan và tôi) lo phần chế tạo (device fabrication/processing ) ; c̣n một người khác lo phần testing. So với nhóm EL displays của Sharp ở Nhật (khoảng 25 người), chúng tôi “đúng là điếc không sợ súng”!  Thử thách của nhóm processing  là làm thế nào chế tạo màng bán dẫn ZnS:Mn với chất lượng tốt và từ đó làm ra flat panel EL displays. Chúng tôi lo tất cả  mọi khâu liên quan đến việc chế tạo hiển thị EL từ device fabrication  đến packaging để có thể hội tiêu chuẩn  humidity/temperature testing của cơ quan quân sự (khó hơn tiêu chuẩn dân sư nhiều). Tôi đă “ṃn  vết xe” trên những con đường với những cái tên như Redhill ,  Von Karman, Edinger, Culver; nơi  tôi di qua lại  nhiều lần để đến tiệm  hardware ở góc đường Redhill và Edinger mua những dụng cụ cần thiết  về để bít kín (seal)   tấm  hiển thị   với chất dầu đen ngơ hầu  giữ contrast tốt hay đến thư viện chính trường UCI nằm ở Campus Drive để đọc các tài liệu nghiên cứu liên quan . Máy móc làm việc in ảnh li-tô ( photolithography)  c̣n thô sơ và chúng tôi chỉ có một pḥng sạch  nhỏ class khoảng 10.000 (hay nói một cách nôm na hơn đây chỉ là một pḥng thường ít bụi thôi!). Công việc tuy có bận thật nhưng thấy vui! Chúng tôi làm ngày thứ bảy  và đôi khi luôn ngày chủ nhất với hy vọng t́m  được một cái ǵ mới  để đóng góp. Sau một khoảng thời gian gần một năm, chúng tôi có thể chế tạo EL displays cho ra ánh sáng orange-yellow (4x4 square  inches, 512x 512 pixels) , nhưng độ sáng khoảng 70% độ sáng của  EL displays dùng electron beam evaporation của Sharp. L‎y do chính là trong lúc chê tạo,  lớp bán dẫn ZnS:Mn bị bắn phá (bombarded) với ions nên chất bán dẫn có mật độ khiếm khuyết cao (high defect density). Chúng tôi muốn dùng ion beam sputtering để tránh ion bombardment; nhưng Sharp không quan tâm đến đề nghị này cho lắm; mặc dù lúc bấy giờ có một số hăng như Planar Systems ở Oregon tiếp tục  nghiên cứu  bằng tiền nghiên cứu  của chính phủ dùng phương pháp sputtering như chúng tôi.  Thất vọng về phản ứng “hơi thờ ơ” của Sharp, tôi đổi sang làm việc ở hăng Arco Solar nằm ở thành phố  Chatsworth (gần Thousand Oaks) và người bạn người Pakistan  cũng đi ra ngoài mở hăng riêng vài tháng sau đó. Project về EL  dsplays ở joint-venture với Sharp cũng dần dần chấm dứt “không kèn, không trống”.

Sự kiện này đưa ra một bài học là tùy theo cấu trúc của linh kiện bán dẫn và các màng mỏng, chúng ta cần một kỹ thuật chế tạo màng mỏng khác nhau : không phải phương pháp  nào cũng giống nhau cả.  Một bài học nữa mà tôi học được ở project này là nghiên cứu khai phát ở kỹ nghệ khác hẳn với  các nghiên cứu ở đại học. The bottom line của kỹ nghệ là  nghiên cứu có tạo ra sản phẩm tốt và rẻ hay không; c̣n nghiên cứu ở đại học chủ yếu  là t́m cái ǵ “mới” để viết bài đăng báo. Trong suốt thời gian làm việc  trong lănh vực EL displays, chúng tôi tương đối có một số khám phá  mới; nhưng không được  viết bài báo cáo trong cộng đồng chuyên môn  và không được  gửi xin patents (đây cũng là một điều lạ đối với một hăng Nhật như Sharp ; nơi mà chuyện xin bằng sáng chế - dù sản phẩm có work hay không- trở thành thông lệ).

Giờ trở lại đề tài blue LEDs và blue LDs : hiện tại có hai phương pháp hữu hiệu dùng để chế tạo epitaxial structure là  : molecular beam epitaxy (MBE) và metalorgano chemical vapor deposition(MOCVD). MBE là phương pháp hữu hiệu nhất để chế tạo epitaxy nhưng quá đắt  v́ dùng độ chân không quá cao (10-10 Torr) và chỉ chế tạo các linh kiện bán dẫn trên một diện tích nhỏ thích hơp cho nghiên cứu nhưng  không thuận lợi   trong việc sản xuất. Trong khi đó MOCVD không đ̣i hỏi độ chân không cao và có thể dùng chế tạo màng mỏng trên diện tích rộng, phù hơp cho việc sản xuất. Đó cũng là ly do mà GS Nakamura  đă xin  Nichia, sang nghiên cứu tại University of Florida  một năm để học tập về phương pháp chế tạo màng mỏng này [3]. 

*) ông này cũng là cha đẻ của kỹ thuật ALE, giở trở thành kỹ thuật thong dùng trong lănh vực IC và nanotechnology. Các lớp của linh kiện bán dận hiện tại rất mỏng nên  độ phủ màng mỏng thấp (low deposition rate) của kỹ thuật này không c̣n là vấn đề nữa.

2. Những chất bán dẫn chế tạo trong hệ thống MOCVD

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 1.

 

H́nh 1  Bandgap energy of various semiconductors versus in plane lattice constant (after ref. [4]).  Recent work indicates that the bandgap of InN is around 0.7 eV [4,5,6].

Các đặc tính tiêu biểu như năng lượng vùng cấm (bandgap), hằng số tinh thể (latticce constant) , độ dẫn nhiệt (thermal conductivity) ,   hệ số khúc xạ (index of refraction) và  hằng số điện môi (dielectric constant)  của ba chất bán dẫn chính nằm phía  bên trái của H́nh 1   được tóm tắt  ở H́nh 2.

H́nh 2. Bản tóm tắt một số đặc tính chính của AlN, GaN và InN [4]

 

3. Hệ thống MOCVD

3-1 Vài nét đặc thù của MOCVD

So với molecular beam epitaxy (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 hay tấm nền với những tầm kích khác nhau ; (iii) nhiệt độ thành trưởng (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 nguồn metalorganic    dùng trong MOCVD

 

3-2 Các chất khí thường  dùng trong hể thống MOCVD

Bảng 1 kê khai một số  chất khí thường dùng trong việc chế tạo chất bán dẫn thuộc III-V và  II-VI groups. V́ tên các  chất khí này khá dài, nên thông thường  tên ngắn  được dùng ; chẳng hạn thay v́ gọi trimethylgallium , chúng ta dùng TMGa ; ở đây TM  là tên viết ngắn của trimethyl. Tương tự như vậy, TE là tên rút gọn của triethyl. Công thức hóa học của các chất khí được liệt kê ở Bảng 2.

Bảng 1:  is a selection of common alkyl and hydride sources used for MOCVD growth.
There are other sources and many different combinations that can be used to form a wide variety of III–V semiconductor compounds and alloys [7]

 

Bảng 2. Ky‎ hiệu hóa học của một số  chất khí dùng trong hệ thống MOCVD [7].

3-3 Cơ cấu tổng quát của hệ thống MOCVD

MOCVD có nguyên tắc vận hành giống LPCVD ; sự khác nhau chính là nguồn metalorganic 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 2 và 3.

 

 

H́nh 2: Những thành phần chính trong hệ thống MOCVD [tài liệu từ Aixtron]

 

H́nh 3: Những thành phần chính trong hệ thống MOCVD (tiếp tục).

 Biểu hiện ở h́nh 4 là sơ đồ diễn tả sự phân phối của các chất organometalic với hydrides trong pḥng phản ứng của MOCVD  . 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.

 Fig. 4 Schematic of a simple MOCVD system [8]

 

Bộ cách nhiệt (heater)  thường là resistance  heating type  hay  đèn infrared nằm biệt lập với những thành phần khác trong buồng phản ứng để giữ được lâu dài hơn (lifetime).  Những   bước  chính của hệ thống MOCVD gồm có: (i) laminar flow của  carrier gas như H2  hay N2 và của  precursor molecules (metal-organic compounds) trên tấm nền hay wafers ; những tấm nền này  được đặt trên  a graphite susceptor nằm trong buồng phản ứng.  (ii) heater nhằm cung cấp nhiệt năng lượng  để phân ly  các phân tử hữu cơ (organic molecules); (iii) bốc nhiệt (evaporation) những   molecular fragments  vào gas phase  và (iv) thành phần hóa học thặng dư sau phản ứng được chuyển  qua hệ thống exhaust /scrubber system  hay h́nh thành lọp  trên tường của pḥng phản ứng. Hệ thống c̣n được trang bị với  wafer handling  và susceptor transfer. Độ chân không trong pḥng phản ứng được thực hiện với a load-lock configuration và một hệ thống bơm [9].

 

 

 

H́nh 5.  Schematic diagram of an MOCVD reactor delivery system gas panel, illustrating hydride delivery modules,
alkyl delivery modules, and the vent-run configuration.

 

H́nh 5 diễn tả  một  sơ đồ khác của hệ thống MOCVD reactor gồm có  on-off valve, gas delivery system, vent-run valve nhằm đưa các luồng  carrier gases, hydrides  và alkyl sources vào buồng phản ứng. [10].

 

3-4 Vài thí dụ về hệ thống MOCVD

Trong ṿng 20 năm nay,  kỹ thuật liên quan đến MOCVD phát triễn rất nhanh: một phần lớn là v́ nhu cầu  của blue LEDs , blue LDs và những linh kiện quang điện tử  khác; một phần khác nhờ sự tiến bộ  vượt bực của công nghệ computers và công nghệ sensors.  Hệ thống MOCVD đă trờ thành phức tạp hơn với  những thiết bị tự động như  load-lock, automatic  wafer /susceptor handling systems; một số  hệ thống c̣n được trang bị với robots. Hiện có khoảng 17 hăng chế tạo hệ thống MOCVD, nhưng Aixtron và Veeco .chiếm trên 90% tổng số lượng MOCVD system sản xuất trên thế giới. Chúng tôi xin giới thiệu  vài  hệ thống MOCVD của hai hăng này:

 

3-4-1 MOCVD của hăng Aixtron

 

 H́nh 6:  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 lợi ích  của việc giảm tổn phí  đạt được với thời gian tiết kiệm lúc chât/dỡ những tấm wafer 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  phẩm lượng của quy tŕnh chế tạo màng mỏng đưa đến gia tăng hiệu suất sản lượng (yields).

Môt hệ thống MOCVD tiêu biểu của Aixtron  được biểu hiện ở H́nh 6. Gần đây, Aixtron phát triễn MOCVD để h́nh thành  hợp chất thuộc nhóm III-V trên 200- 300 mm silicon wafers dùng trong các ứng dụng CMOS. H́nh 7 diễn tả a cluster MOCVD với hệ thống tự động . Hệ thống này  gồm có 300mm wafer handler dạng thông thường  với FOUP (a front-opening unified pod) , EFEM (equipment front-end module)  nối liền với hai MOCVD modules [ H́nh 7]. Với hệ thống tự động, thí dụ như với Aixtron  G5 HT reactor , người ta có thể thay đổi số lượng và tầm kích của wafers ở mỗi process run; chẳng hạn như   56x2”  wafers có thể được thay bằng  14x4” hay 8x 6” wafers.  Điều này chỉ xảy ra khi  nhiệt độ trong pḥng phản ứng hạ xuống (cooled down) với chất khí trơ đến nhiệt độ thích hợp  .  Với hệ thống tự động, chúng ta có thể dỡ (unloading)  wafers ở nhiệt độ có thể cao đến  600 C. Aixtron dùng robots và  thời gian để chất/dỡ (loading/unloading) wafers mất khoảng vài phút [H́nh 8]. Ngoài việc gia tăng khả năng chứa đựng wafers (wafer capacity) cho mỗi lần processing, pḥng phản ứng c̣n 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  và khả năng  cung cấp ty suất h́nh thành màng mỏng cao (high growth rates)  và ít có sự biến đổi về quy tŕnh chế tạo. V́ thế  tự động hóa  có triển vọng trong việc gia tăng throughput và  giảm thiểu về cost of ownership. Aixtron c̣n dùng cluster  (nhiều  MOCVD  process modules  ) với phương tiện chuyển đổi tự động (automatic transfer means) [H́nh 9]

 

H́nh 7. Automated loading and unloading of an Aixtron G5 HT MOCVD reactor.
The transfer system picks up the entire  wafer platform satellite disk preloaded with wafers. (Tài liệu từ Aixtron).

H́nh 8. 300mm MOCVD cluster tool with two process modules for materials of III-V grups (tài liệu từ Aixtron).

 

 

H́nh  9: . Single MOCVD module with automated transfer system (top)
and
MOCVD cluster tool with two process modules (bottom) (Tài liệu từ Aixtron).

Aixtron c̣n dùng các phương tiện phân tích/kiểm soát tự động 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® ).

3-4-2 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 ownership 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 10 & 11] . 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 10] Veeco's TurboDisc MaxBright GaN MOCVD
multi-reactor system offers industry-leading wafer capacity for wafer sizes from 2" to 8"
(tài liệu từ Veeco)

 

H́nh 11  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 với 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  đă gia tăng  throughput  khoảng  25%  [11]

3-4-3 Những thành phần chính của hệ thống MOCVD [4]


3-4-3-1  Exhaust system:

Được trang  bị  với:

-         Hệ thống bơm như bơm cơ khí  (two-vane rotary pump hay dry pump) và hệ thống  kiểm soát /chế ngự  áp suất trong buồng phản ứng.

-     Hệ thống xử ly chất khí : nhằm trừ khử   những chất độc c̣n dư  sau khi phản ứng, chính nhất là những chất khí như arsine (AsH3) và phosphine (PH3).  

 

3-4-3-2 Scrubbers:

Mục đích chính của thiết bị này  là  trừ khử  và trung ḥa các chất khí có thể nguy hại cho cơ thể con người và môi trường : (i) phản ứng hóa học  giữa chất lỏng (liquid) với các chất khí trong a counter- flow set up;  (ii)  thông thường hệ thống này không  phản ứng với carrier gas (i.e. H2 sẽ không được  xử ly); và (iii) phản ứng nhanh  thiết yếu trong việc thực hiện một quy tŕnh trừ khử chất khí hữu hiệu. 

 

3-4-3-3 Dry pump:

Dùng để bơm các chất khí nhằm thực hiện một độ chân không trung b́nh (medium range vaccum) 

 

3-4-3-4 Hệ thống dẫn gas (Gas handling system)

Nhiệm vụ của hệ thống này là hỗn họp và điều hợp các luồng gas   dẫn vào buồng phản ứng: (i) thời gian dẫn gas vào và thành phần chất khí sẽ quyết  định cấu tạo epitaxial (epitaxial structure) của màng mỏng tạo thành. (ii) hệ thống gas phải leak- tight để tránh sự ṛ rĩ của  các chất khí độc và để tránh  sự nhiểm bẩn với khí o-xy có thể ảnh hưởng đến chất lượng của màng mỏng; (iii)  fast switch cũng rất quan trọng  trong việc thực hiện  sự biến đổi đột ngột ở mặt phân giới (abrupt interface)  và  để tránh   những chất gas c̣n sót lại trước khi thay thế bằng  chất khí khác ; và (iv) kiểm soát chính xác tỷ suất lưu lượng (flow rate) và  áp suất.

 

3-4-3-5 Run/Vent switch

Run/Vent switch nối liền ngơ ra (outlet) của  máy sục khí (bubbler) với hoặc  the run line (đường dẫn khí vào buồng phản ứng) hoặc the vent line (đường dẫn đến chỗ thoát khí) . Cần một Run/Vent switch cho mỗi precursor source. Để tránh có khác nhau về áp suất khi switching , áp suất của  những line này phải giống như áp suất trong buồng phản ứng.

 

3-4-3-6 Gas cabinet
Buồng chứa b́nh gas (gas cabinet)  được nối liền với ống thoát khí (exhaust duct) . Môt hệ thống cảm biến gas (gas sensors) dùng để  đóng tự động các van (valves)  nếu  chất khí độc bị ṛ rĩ.

Những bức h́nh dưới đây cho một cái nh́n tổng quát về  một số thành phần chính của hệ thống MOCVD (tài liệu từ Korean Institute of Advanced Technology and Georgia Institute of Technology, Aixtron and Veeco)

 

 

 

          

          Ebara dry pump                                 Aixtox scrubbers

 

 

 

 

 

.

Run/Vent switch.

 

Gas Cabinet

 

Gas delivering system


4 . Các loại buồng  phản ứng

Hầu hết các buồng  phản ứng  CVD thuộc về hệ thống luồng chất khí mở. Có nghĩa là chất khí vận chuyển liên tục vào buồng  phản ứng trong lúc màng mỏng được h́nh thành. Phản ứng chất khí thường được pha loăng với hydro, nitơ hay argon. Các chất khí dư được di chuyển ra khỏi buồng phản ứng xuyên qua bộ lọc khí như trong trường hợp của các chất khí nguy hiểm. Thông thường, hệ thống của gia đ́nh CVD có những phần chính sau đây: (i) nguồn chất khí với cụm ống dẫn gas, (ii) đường cung cấp chất khí, (iii) bộ điều chỉnh lưu lượng, (iv) buồng  phản ứng, (v) phương tiện nung nóng ḷ phản ứng; (vi) bộ cảm biến nhiệt độ và (vii) hệ thống bơm chân không. Các thể loại của hệ thống MOCVD được tóm tắt ở H́nh 12 & 13  : H́nh 12(a) biểu hiện buồng  phản ứng nằm ngang, bệ đỡ đặt nghiêng so với vị trí của buồng phản ứng  và các tấm wafers, ḍng gas đi từ bên trái sang bên phải theo chiều mũi tên để thải ra ngoài. Ở h́nh 12(b) ḷ phản ứng được đặt ở vị trí thẳng và ḍng gas đi từ trên xuống dưới, bệ với các tấm wafers sẽ được quay để tạo màng mỏng được đồng đều hơn. Một số  MOCVD dùng ḷ phản ứng của hai loại này. H́nh 12(c) là mô h́nh của pḥng  phản ứng ngang với nhiều tấm wafers (đây cũng là mô h́nh dùng nhiều trong hệ thống LPCVD). H́nh 12 (d) biểu hiện buồng  phản ứng Barrel thường được dùng trong việc tạo màng mỏng epitaxy silicon. Trong mô h́nh này, các tấm silicon được đặt trên giá đỡ SiC với độ dẫn nhiệt tốt và ḍng gas chạy từ trên xuống dưới. 

H́nh 12: Mô h́nh của các thể loại: (a) – Buồng  phản ứng nằm ngang, (b) -
Buồng  phản ứng với bệ thẳng (c) – Buồng  phản ứng ngang với nhiều tấm wafers, và (d) – Buồng  phản ứng Barrel [8,12]

Triển khai chi tiết hơn, các buồng  phản ứng của MOCVD có thể diễn tả ở H́nh 13.  Buồng  phản ứng ngang  ở h́nh 12(c) không thịnh hành trong  hệ thống MOCVD. Để đạt được độ đồng đều  và để duy tŕ chất lượng cao của màng mỏng , hai đ̣i hỏi cần thiết  nhất là : (i)  các tấm nến hay wafers và bệ để các tấm nến phải quay và (ii)  bộ cảm biến nhiệt độ  phải cung cấp nhiệt độ rất chính xác  hơn 1/10 của 1 C.

 

 

H́nh 13 : Cái  nh́n chi tiết hơn về các loại  buồng phản ứng của hệ thống MOCVD.

 

4-2 Cấu tạo tổng quát của buồng phản ứng

Buồng phản ứng  làm bằng  các chất như stainless steel  hay quartz v́ những chất này không phản ứng với  các chất khí sử dụng và  có thể chịu đựng được nhiệt độ cao. Buồng  phản ứng   gồm có  tường , lớp lót (liner), bệ để các tấm  nền (susceptor), gas injection units, và  đơn vị kiểm soát nhiệt độ (temperature control units). Lớp lót  thường được làm bằng  loại kính đặc biệt  hay quartz và được đặt giữa buồng  phản ứng và susceptor.  Bệ để tấm nền  thường được làm bằng các chất không phản ứng với chất khí như graphite.

Tấm nền được đặt trên cái bệ   ở một nhiệt độ được kiểm soát (controlled temperature).  The susceptor thường dùng hoặc là a face-down type or  a planetary type với phương tiện quay và tốc độ quay  riêng.  Một thí dụ điển h́nh  diễn tả sự phân phối của các chất khí trong buồng phản ứng của MOCVD  được biểu hiện ở h́nh 7.  Luồng khí  hydrides (màu đỏ)  và luồng khí alkyls (màu xanh lá cây) được đưa vào từ phần trên của pḥng phản ứng , rồi phân phối trên tấm nền  ở phía dưới – tấm nền quay theo chiều mũi tên màu tím.

 

H́nh 14 : Sơ đồ diễn tả sự phân phối của các chất organometalic với hydrides trong buồng  phản ứng của MOCVD [Veeco, 13])

H́nh 15 diễn tả một cách chi tiết hơn, chẳng hạn như  alkyls TMGa (group III) và hydrides  (group (V) được đưa vào   vào buồng phản ứng. và phân phối trên  tấm nền . Tấm nến này có thể được nung nóng bằng  đèn IR hay nhiệt  điện trở.

Sự phân phối chất khi được diễn tả rơ rệt hơn ở H́nh 15,

 H́nh 15

 

Và chi tiết hơn  ở h́nh 16.

H́nh 16.

Schematic diagram of MOCVD reactor system for III-V semiconductor [4]

 

4-3 Vài mô h́nh biến đổi để thích hợp với việc  chế tạo  blue LEDs và LDs.

 

 

 

 

H́nh 17 Schematic representation of a two flow MOCVD [14] 

 

Khoảng đầu  1990, Nakamura et al.[14]  đưa ra   mô h́nh two-flow reactor để có thể cải tiến chất lương của màng mỏng dùng trong blue LEDs và blue LDs [ H́nh 17].  Nguồn chất khí chính (main flow) ) được đưa vào  theo  vị trí nằm song song với bề mặt của tấm nền, tương tự với conventional horizontal  reactor. Trong khi đó, nguồn chất khí  thứ hai (sub flow) gồm có số lượng N2 và H2 bằng nhau   được đưa vào ở vị trí thẳng góc cới bề mặt của tấm nền  để khống chế sự đổi lưu nhiệt (thermal convection)  gây ra do tấm nền đun nóng  tới 1,000°C)  và để mang các chất phản ứng (reactants)  đi về hướng bề mặt của tấm nền.    

Watanabe et.al.,[15] đưa ra mô h́nh separate flow reactor (Fig.18) nhằm cung cấp GaN với chất lượng tốt  và để tránh tiền phản ứng  của Ga(CH3)3 với  NH3   xa khỏi  tấm nền . Trước khi những chất khí chính được đưa vào  buồng phản ứng,  nguồn chất khí được chia thành hai nguồn; một nguồn dành cho chất khí thuộc group III ; và một  nguồn  dành cho  các chất khí thuộc group V.  V́ vậy, buồng phản ứng có thể kiểm soát một cách hữu hiệu  số lượng những chất khí chính  vào  tấm nền.

 

H́nh .18 Two separate flow MOCVD

 

H.X.Wang et al.,[16]  đưa ra  mô h́nh three- flow reactor (Fig.19). Hai nguồn carrier –gas của Group-III and NH3 song song với nhau và  ngăn cách bởi một tấm thạch anh    chảy vào song song với tấm nền . Trong khi đó N2 được dùng như a sub- flow , chảy vào  ở vị trí thẳng góc với tấm nền; nơi đó ba nguồn gas  gặp nhau.

Với mô h́nh này, hổn hợp (mixtures) của hai groups III-V ở bề mặt của vật nền được cải thiện do nguồn N2 sub-flow. Fig.19 Three separate flow MOCVD[16]

 

4-4 Vài thí dụ về buồng phản ứng

 

H́nh 20. Buồng phản ứng dùng cho 8 x 4 “ wafers (from Aixtron).

 

H́nh 20 diễn tả pḥng phản ứng  cùng cho 8 x 4 “ wafers với  các thành phần tiêu biểu : main susceptor disk, rotating stallite, wafer handler và collector ring .

Pḥng phản ứng với tầm kích và số lượng wafers hay vật nền khác nhau có thể thể hiện ở h́nh  21.  Màng mỏng có thể tạo thành trên  wafers từ  49 x 2” đến 7x 6 “ 

H́nh 21: Buồng  phản ứng với số lượng wafers với tầm kích  khác nhau.

 

Buồng  phản ứng của Aixtron’s có thể chất (load) 12x 4” hay  49x2”  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“)  và 40 % (49x2”) so với  tầm kích thiết kế tiêu chuẩn cho 8x4 inch và 35x2” [H́nh 17 & 21] . 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 x4” configuration to deliver growth on substrates with a combined area of 150 inch2.

(b) Aixtron’s fully loaded 49x2” planetary reactor can produce epiwafers with uniformity suitable for LED manufacturing [17]

 

 

H́nh 23 . 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.

 

Ngoài pḥng phản ứng với những mô h́nh trên, có trường hợp buồng phản ứng có h́nh năm ngang như biểu hiện ở h́nh 24..

H́nh 24: Buồng phản ứng với dạng nằm ngang

 

Trong số tới , chúng tôi thảo luận về các chất khí dùng trong hệ thống MOCVD. 

 

Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LED-Part-5.htm
[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/PECVD-072013.htm

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

[4] From  Russell D. Dupuis, Georgia Institute of Technology
[5] [11] S. Nakamura, IEEE, Circuits and Devices, May, 19 (1995).
[6] T. Matsuoka, H. Okamoto, M. Nakao, H. Hiama, and E. Kurimoto, Appl. Phys. Lett. 81, 1246 (2002).

[7] R.D.Dupuis Journal of Crystal Growth 178 (1997) 56.

[8] Thin film deposition, ed. by K. Seshan, Noyes Publications, 2011

[9] Nang Tran : Thin film deposition, University of Sciences, 2009.

[10] 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.
[11] http://www.led-professional.com/products/led-production-test-equipment/veeco-introduces-maxbright-mocvd-multi-reactor-system 

[12] J.L.Vossen et al. Thin film processes, Academic Press, 1991.
[13] http://www.ledmarketresearch.com/blog/Aixtron_Regains_Q4_LED_Lead

[14] S.Nakamura, et al., Appl. Phys. Lett., 58 (1991) 2021

[15] S. J. Bass et al J. Cryst. Growth, vol. 44, pp. 29–33, 1978.

[16] [29] H.X. Wang et al.  Journal of Crystal Growth 218 (2000) 148

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

 

Lake Elmo mùa Vu Lan 2013

Trần Trí Năng