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 (CVD), bei dem die Abscheidung einer festen Schicht aus der chemischen Dampfphase eines metallorganischem Präkursors (Vorgängermolekül) erfolgt.

Funktionsweise

Oberflächenprozesse während des Schichtwachstums

Die MOCVD entspricht einem normalen CVD-Prozess, bei dem ein gasförmiger Präkursor in einer Reaktionskammer geleitet wird und dort mit anderen Substanzen oder dem zubeschichtenden Substrat reagiert und eine feste Schicht bildet. Der in der Reaktionskammer stattfindende Prozess kann in folgenden 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 aufgeheißtem Substrat (150–350 °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
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. Die dadurch kommt es zur Keimbildung, die sich in Form von Pulverabscheidung und schlechten Schichteigenschaften zeigen können.

Prinzipieller Anlagenaufbau

Der Aufbau von MOCVD-Anlagen entspricht im Wesentlichen denen konventioneller CVD-Anlagen. Dabei handelt es sich in der Regel Vakuumbeschichtungsanlagen.

Da die Präkursoren im Allgemeinen einen Siedetemperatur (deutlich) größer 100 °C haben, gibt es jedoch größere 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)
3. sogenannte 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 Gashase überführt. Vorteil dieser Methode ist, dass man aufs Hilfsstoffe wie Lösungsmittel oder Trägergase verzichten kann. Nachteilig ist jedoch, dass der Präkursor stetig thermisch belastet wird und sich auch der fester Präkursor nach und nach zersetzt, das heißt, qualitativ schlechter wird.

Bei sogenannten Bubbler-System wird ein einem Trägergas, häufig Argon, in einen Behälter mit flüssig vorliegendem Präkursor eingeleitet. Aufsteigende Gasblasen (engl. bubbles) des Trägergases nehmen dabei einen Teil des Präkursors auf. Anschließend wird das Gasgemisch zur Reaktionskammer geleitet. Das System ist prinzipiell für Präkursoren geeignet, die bei Raumtemperatur in fester und flüssiger Form vorliegen. Feste Präkursoren müssen jedoch zuvor aufgeschmolzen werden und auch bei flüssigen Präkursoren kann man die Lösung des Präkursores im Trägergases durch eine Temperaturerhöhung deutlich verbessern. Nachteilig an der Erhitzung ist, zum einen dass der Präkursor mit der Zeit degradiert zum anderen dass die Zuleitungen ebenfalls erwärmt sein müssen, da auch hier die Gefahr der Kondensation im Zuleitungssystem besteht.

Varianten

Eine Variante bzw. Untergruppe der MOCVD ist die metallorganische Gasphasenepitaxie (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

MOCVD-Verfahren finden zahlreiche 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 unter Prozessbedingungen flüchtig ist. Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung von Galliumarsenid (GaAs) unter Verwendung von Trimethylgallium (TMG) und Arsin; wobei es sich hierbei streng genommen um einen MOVPE-Prozess handelt.

Liste mit metallorganischen Präkursoren (Auswahl)

• Aluminium
  • Trimethylaluminium (TMA oder TMAl), flüssig
  • Triethylaluminium (TEA oder TEAl), flüssig

• Gallium
  • Trimethylgallium (TMG oder TMGa), flüssig
  • Triethylgallium (TEG oder TEGa), flüssig

• Indium
  • Trimethylindium (TMI oder TMIn), fest
  • Triethylindium (TEI oder TEIn), flüssig
  • Di-isopropylmethylindium (DIPMeIn), flüssig
  • Ethyldimethylindium (EDMIn), flüssig

• Germanium
  • Isobutylgermanium (IBGe), flüssig
  • Dimethylaminogermaniumtrichlorid (DiMAGeC), flüssig
  • Tetramethylgermanium (TMGe), flüssig
  • Tetraethylgermanium (TEGe), flüssig

• Arsen
  • Arsine (AsH₃), gasförmig
  • Tertiarybutylarsan (TBAs), flüssig
  • Monoethylarsan (MEAs), flüssig
  • Trimethylarsan (TMAs), flüssig

• Antimon
  • Trimethylantimon(TMSb), flüssig
  • Triethylantimon (TESb), flüssig
  • Tri-isopropylantimon (TIPSb), flüssig
  • Stiban SbH₃, gasförmig

• Cadmium
  • Dimethylcadmium (DMCd), flüssig
  • Diethylcadmium (DECd), flüssig
  • Allylmethylcadmium (MACd), flüssig

• Tellur
  • Dimethyltellurid (DMTe), flüssig
  • Diethyltellurid (DETe), flüssig
  • Di-isopropyltellurid (DIPTe), flüssig

• Selen
  • Dimethylselenid (DMSe), flüssig
  • Diethylselenid (DESe), flüssig
  • Di-isopropylselenid (DIPSe), flüssig

• Zink
  • Dimethylzink (DMZ), flüssig
  • Diethylzink (DEZ), flüssig

Literatur

• Handbook of chemical vapor depostion (CVD): principles, technology, and applications. William Andrew, 1999, ISBN 9780815514329, S. 84–107 (Abschnitt: Metallo-Organic CVD (MOCVD)).