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MOCVD的发展与德国Aixtron公司的故事

发布时间: 2020年02月15日 11:31:50

2/14/2020, 不同于集成电路芯片制造最重要的工艺是光刻,对于发光二极管和各类半导体激光器的制造来说,最重要的工艺是外延生长,其最重要的设备是MOCVD。

半导体工艺的外延技术最早从液相外延开始,随后涌现出气相外延,分子束外延(MBE),化学束外延,金属有机化学气相沉积(MOCVD)等。1968年,Manasevit H.M应用MOCVD,最早在蓝宝石衬底上应用多种III-V族源生长出异质结外延。但是由于外延质良的问题,一直到1975年,Seki Y等使用MOCVD生长出高质量的GaAs外延,MOCVD才开始进入更多应用。相比其他外延技术,MOCVD支持四元系AlGaInP等材料,支持大规模生长红,黄光LED,也是最早生长出GaN的蓝光LED外延片,因此成为制备各种化合物半导体光电子,微电子器件标准的外延设备。

MOCVD(金属氧化物化学气相沉积)是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

因为MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质,并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料。因此在MOCVD系统的设计思想上,通常要考虑系统密封性,流量、温度控制要精确,组分变换要迅速,系统要紧凑等。MOCVD设备主要由以下几个部分构成:

【源供给系统】包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中,由通入的高纯H2携带输运到反应室。【气体输运系统】包括载气供给,氢化物供给,MO源供给等几个部分。气体的输运管都是不锈钢管道。保证反应系统无泄漏,实现气体的流量控制和压力控制是MOCVD设备组装的关键。【反应室和加热系统】反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构的化合物半导体材料,各生产厂家和研究者在反应室结构的设计上下了很大功夫,设计出了不同结构的反应室。反应室常见的主要是VECCO的立式反应室和AIXTRON的水平式反应室。【尾气处理系统】包括淋洗塔,酸性碱性毒性气体收集装置,集尘装置,排气淡化装置等。

根据市场研究机构Technavio的数据,全球MOCVD市场在2021年达到约11.628亿美元。另有数据显示,中国的MOCVD设备数量近1800台。三安光电、乾照光电、华灿光电、澳洋顺昌、兆驰股份、中晟光电、彩虹集团等LED照明企业是拥有的主力。近年来VCSEL,通信激光器厂家也开始部署MOCVD设备。在MOCVD供应商中,前身是Emcore的美国的Veeco、还有德国AIXTRON、日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric是起步较早的MOCVD设备供应商。但由于日本对MOCVD设备实行出口限制政策,因此,全球MOCVD市场基本被Veeco和AIXTRON垄断,尤其是AIXTRON。接下来就让我们回顾一下AIXTRON的发展历史。

未来属于光电子。这是物理学家Holger Jurgensen的愿景。1983年,还是亚琛工业大学博士研究生的Jurgensen和Meino Heyen博士,Heinrich Schumann博士等一起创立AIXTRON公司。在亚琛工业大学半导体所,他曾亲手开发了第一套MOCVD系统,当时还不知道这个产品的市场在哪里。而Aixtron这个名字来自亚琛Aachen的法语(Aix-La-Chapelle)加上电子electronics。

MOCVD的发展与德国Aixtron公司的故事


        Aixtron的三位创始人 Jurgensen博士居中
1985年,AIXTRON第一套MOCVD系统开始发售,并在1988年获得德国工业创新奖。1989年,他们从飞利浦公司获得行星式反应炉的独家专利授权。正是这个技术后来奠定Aixtron在业内的领导地位。1990年Aixtron发售首套多晶圆MOCVD系统。1994年推出首套针对蓝光LED的沉积系统。1997年在德国法兰克福股票交易所上市。上市之后的AIXTRON先后在英国,瑞典,美国等地进行了多次并购,一步步扩大了产品线。在这期间,MOCVD系统从最初的6-8片机,一步步发展到支持最高60片2寸晶圆,同时晶圆的尺寸也在不断增大。2009年5月,AIXTRON与SemiLEDs应用2800G4 HT MOCVD系统共同开发出6英寸蓝光外延片。2010年,Aixtron新的占地16000平方米的高科技中心在Herzogenath落成,同年G5和CIRIUS II系统开始进入市场。2011年,AIXTRON的第2000套MOCVD系统被发售给中国的乾照光电。也在那一年,AIXTRON的CIRIUS II-XL成为业界最高晶圆产能的MOCVD系统,可以支持8寸晶圆生产。2014年,他们又推出适应LED大批量生产的AIX R6系统。2015年,Aixtron收购美国薄膜封装TFE开发商PlasmaSi以开拓OLED显示市场。

多年以前,笔者在广州一家LED工厂第一次参观MOCVD系统,当时深深为这一系统的复杂精密所震撼。而这一系统更精密之处在于,对于使用者的技巧和经验,对于一套MOCVD系统的功效也扮演着关键角色。无论MOCVD设备研发本身(国内已经有上海中晟,中微,48所等厂家),还是MOCVD的使用经验的积累,都是中国半导体光电子工业进步的关键所在。

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