PERANCANGAN DAN KONSTRUKSI REAKTOR VERTIKAL UNTUK DEPOSISI UAP KIMIA ORGANO-LOGAM DAN HASIL PENERAPANNYA
ABSTRAK DISERTASI
Untuk memperoleh gelar Doktor dalam bidang Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam di Institut Teknologi Bandung Dipertahankan pada Sidang Terbuka Komisi Program Doktor Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung Tanggal l Juli 2000
Oleh RIDWAN ABDULLAH SANI
Promotor Ko-promotor
: Prof. Moeharnad Barmawi, PhD. : Prof. Tjia May On, PhD. Toto Winata, PhD.
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2000
ABSTRAK DISERTASI Deposisi uap kimia organo-logam (MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition) adalah suatu proses dimana uap dari bahan-bahan kimia organo-logam bersentuhan dengan sebuah substrat dan mengalami reaksi kimia sehingga terjadi deposisi material pada permukaan substrat. Metode MOCVD bisa digunakan untuk memperoleh lapisan tipis bahan semikonduktor yang uniform dalam daerah yang luas. Metode ini telah digunakan untuk produksi massal piranti mikroelektronik dan optoelektronik. Sistem reaktor yang banyak digunakan untuk membuat piranti semikonduktor yang memerlukan proses penumbuhan dengan MOCVD secara berulang adalah sistem reaktor vertikal dengan wafer tunggal. Untuk memperoleh lapisan yang uniform dengan reaktor vertikal, biasanya digunakan substrat yang diputar. Pemutaran substrat menyebabkan adanya aksi sedot sentrifugal sehingga gas mengalir menuju substrat secara lebih merata. Faktor lain yang mempengaruhi kerataan distribusi gas ke atas substrat adalah bentuk distributor gas yang digunakan untuk mengalirkan gas ke dalam reaktor. Distributor gas yang sering digunakan pada saat ini adalah distributor gas berbentuk kisi logam. Kombinasi distributor gas dan penggunaan subtrat yang diputar bisa menghasilkan aliran rata (plug flow) sehingga bisa diperoleh lapisan tipis dengan ketebalan yang merata/uniform. Mekanisme pemutaran substrat dengan kecepatan ribuan RPM dalam ruang vakum memerlukan peralatan yang mahal dan memiliki waktu pakai yang singkat. Dalam penelitian ini dikembangkan sebuah konstruksi distributor gas guna memperoleh lapisan yang uniforni tanpa perlu melakukan pemutaran substrat. Distributor gas yang digunakan terdiri dari beberapa silinder dengan diameter berbeda yang disusun satu sumbu (koaksial). Distributor gas diletakkan di atas substrat dengan jarak ujung bawah silinder dengan substrat sekitar dua centimeter sampai tiga sentimeter. Metode simulasi diperlukan untuk optimasi perancangan geometri reaktor. Simulasi dilakukan dengan perangkat lunak Fluent dengan sistem operasi Unix dan CFD-ACE dengan perangkat lunak Windows 95. Analisa hasil simulasi menunjukkan bahwa profil pertumbuhan lapisan ternyata berkaitan dengan profil fraksi massa gas yang mencapai substrat. Perancangan dan pembuatan reaktor dilakukan di laboratorium Fisika Material Elektronik (Fismatel), Jurusan Fisika, Institut Teknologi Bandung. Reaktor yang digunakan dalam eksperimen dibuat dari tabung baja stainles berdiameter 10 cm. Reaktor dilengkapi dengan pemanas substrat dengan diameter 5 cm. Hasil simulasi kemudian diuji secara eksperimen dengan menumbuhkan lapisan TiO2 dari bahan organo-logam titanium tetra iso-propoxide (TTIP). Reaktor yang digunakan dalam eksperimen dibuat dari baja tahan karat berdiameter sepuluh sentimeter. Uniformitas lapisan TiO2 yang
ditumbuhkan di atas substrat gelas Corning 7059 berdiameter empat sentimeter adalah sekitar 1,2% dengan pola yang sesuai dengan hasil simulasi. Hasil ini setara dengan uniformitas lapisan yang bisa dihasilkan dalam reaktor MOCVD komersial dengan sistem substrat yang diputar. Uniformitas lapisan yang baik (dibawah 5%) diperlukan dalam pembuatan piranti elektronik, misalnya piranti laser quantum well. Reaktor yang sama juga digunakan untuk menumbuhkan lapisan YBa2Cu3O7-x (YBCO). Bahan organo-logam yang digunakan untuk penumbuhan YBCO adalah ; yttriumtetramethylheptanedionate (Y(TMHD)3), barium-tetramethylheptane-dionate (Ba(TMHD)2), dan coppertetramethylheptanedionate (Cu(TMHD)2). Dalam penumbuhan lapisan YBCO digunakan distributor gas berbentuk silinder satu sumbu dan distributor gas berbentuk kisi logam. Dengan mengubah jarak kisi logam dengan substrat dari tiga sentimeter menjadi dua sentimeter diperoleh peningkatan laju penumbuhan sebesar empat kali lipat. Pengunaan distributor gas dengan jarak cukup dekat dengan substrat yang memiliki suhu sekitar 650°C untuk penumbuhan YBCO dimungkinkan karena bahanbahan organo-logam yang digunakan memiliki titik lebur yang tinggi sehingga YBCO tidak ikut menempel pada kisi logam. Penumbuhan Ti02 dengan distributor kisi logam yang berjarak cukup dekat dengan substrat menunjukkan terjadi penumbuhan lapisan pada kisi logam. Untuk penumbuhan lapisan dengan bahan yang memiliki titik leleh yang rendah, bahan organologam bisa dimasukkan secara terpisah melalui celah di antara silinder dalam distributor gas berbentuk silinder-silinder satu sumbu. Selain menumbuhkan lapisan TiO2 dan YBCO, juga dipelajari penumbuhan lapisan GaN dan karakteristiknya. Material GaN banyak diteliti pada saat sekarang karena memiliki celah pita energi yang lebar (sekitar 3,4 eV) sehingga bisa digunakan untuk piranti optoelektronik dengan spektrum biru atau ultra-violet. Penumbuhan GaN dilakukan dengan menggunakan sumber plasma gelombang mikro untuk memecah ikatan nitrogen yang dimasukkan ke dalam reaktor agar lapisan GaN bisa terbentuk pada suhu sekitar 6000C. Tanpa menggunakan CVD berbantuan plasma, penumbuhan GaN biasanya dilakukan pada suhu sekitar 10000C yang memerlukan sistem pemanas yang khusus. Pada suhu sekitar 10000C bisa terjadi difusi antar lapisan yang merugikan untuk pernbuatan piranti elektronik. Untuk penumbuhan GaN digunakan bahan organo-logam trimethyl gallium (TMGa) yang dialirkan ke dalam reaktor tanpa melalui pernbangkit plasma. Digunakan dua macam konfigurasi untuk mengalirkan nitrogen dari sumber plasma, yaitu sumber plasma yang sejajar dengan substrat dan sumber plasma yang tegak lurus dengan substrat. Dengan konfigurasi sumber plasma sejajar dengan substrat tidak diperoleh lapisan yang uniform. Hal itu disebabkan karena radikal nitrogen yang datang pada substrat tidak terdistribusi merata. Radikal nitrogen bisa distribusikan secara merata ke atas substrat dengan menggunakan konfigurasi sumber plasma yang tegak lurus pada substrat. Simulasi penumbuhan GaN dilakukan dengan menggunakan model
hidrodinamika murni yang berlaku dalam reaktor karena reaktor tidak dipengaruhi oleh medan listrik ataupun medan magnet. Secara kualitatif, hasil simulasi ternyata cocok dengan hasil pengamatan. Dengan konfigurasi sumber plasma yang tegak lurus pada substrat, distributor gas berbentuk silinder dan kisi logam tidak bisa digunakan karena bisa menghalangi datangnya radikal pada substrat dan penumbuhan GaN akan terjadi pada distributor gas. Lapisan GaN yang uniform bisa diperoleh dengan sumber plasma tegak lurus pada substrat dan distributor gas menggunakan kisi berlobang yang dibuat dari kaca kuarsa. Penumbuhan lapisan GaN dilakukan di atas substrat GaAs dan Al2O3 yang diperoleh lapisan yang memiliki karakteristik luminesensi yang kuat. Spektrum fotoluminesensi (PL) dari sampel-sampel GaN menunjukkan adanya puncak dominan pada panjang gelombang sekitar 420 nm dan 440 nm. Nilai celah pita energi lapisan GaN yang dihasilkan bervariasi dari 3,1 eV sampai 3,4 eV. Pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa GaN yang diperoleh memiliki struktur kristal heksagonal: Celah pita energi untuk GaN dengan struktur heksagonal adalah sekitar 3,4 eV. Dari karakterisasi sifat listrik dengan menggunakan metode Hall-van der Pauw diketahui bahwa GaN yang diperoleh memiliki mobilitas sekitar 70 em2/V.s. Lapisan GaN yang ditumbuhkan dengan metode PACVD pada suhu 6000C ternyata memiliki kualitas yang setara dengan lapisan GaN yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD termal pada suhu sekitar 10000C. Penumbuhan lapisan GaN pada suhu rendah dengan Plasma CVD akan lebih menguntungkan karena pada suhu sekitar 6000C tidak terjadi difusi antar lapisan pada senyawa nitrida. Fismatel adalah laboratorium pertama yang menumbuhkan lapisan tipis GaN pada substrat Al2O3 (1120) dengan metode plasma MOCVD. Lebih jauh lagi, MOCVD bisa digunakan untuk menumbuhkan "quantum dot".
ABSTRACT Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) is a process in which vapor from organometallic chemicals in contact with a substrate undergo chemical reactions leading to deposition of material on the surface. MOCVD is one of the methods used to obtain large area and uniform thin film of semiconductor materials. MOCVD method have been used for mass production of microelectronics and optoelectronic devices. Single wafer vertical MOCVD reactor is frequently used for fully automatic production semiconductor devices. Uniform film could be achieved by a vertical reactor with rotating substrate. Substrate rotation results in centrifugal suction of the gas flow so that the gas could be uniformly distributed on the substrate. Another factor that affects the gas distribution on the substrate is the gas distributor geometry used to introduced the gas into the reactor. Common gas distributor used currently is the porous distributor made of metal screen. The porous distributor combined with rotating substrate system could give a plug flow necessary in obtaining a uniform film. However, substrate rotation in vacuum at thousand RPM requires more expensive components, which has shorter life times. In this research, an alternative gas distributor configuration is developed to obtain a uniform film without rotating the substrate. The gas distributor consists of several coaxial cylinders with different diameter. The gas distributor is located at a distance of 2 cm to 3 cm above the substrate. Simulation method is used to optimize the reactor design and minimize the development cost. The simulation is carried out using Computational Fluid Dynamic software-Fluent under Unix operating system and CFD-ACE under Windows 95 operating system. The simulation shows that film growth profile is closely related to the profile of gas mass fraction arriving on the substrate. Based on this simulation result, the vertical MOCVD reactor is designed and constructed in the laboratory of Electronic Material Physics (Fismatel), Department of Physics, Institut Teknologi Bandung. The reactor is made of stainless steel tubing with 10 cm in diameter. The substrate is held on a substrate heater which is 5 cm in diameter. The simulation result is verified experimentally by TiO2 thin film deposition from titanium tetra isopropoxide (TTIP) precursor on Corning 7059 glass substrate with a diameter of 4 cm. Uniformity of TiO2 thin film deposited is found to be about 1.2% and the thickness profile agrees with the simulation result. This result is comparable with thin film uniformity that could be achieved using commercial MOCVD system which uses rotating substrate mechanism. Special electronic devices requires thin films which have a uniformity at least below 5%, e.g. quantum well laser. The same reactor is used to grow YBa2Cu307-X (YBCO) thin film. Organo-metallic sources used for YBCO
deposition are yttrium-tetramethylheptanedionate (Y(TMHD)3), bariumtetramethylheptanedionate (Ba(TMHD)2), and copper-tetramethylheptanedionate (Cu(TMHD)2). Gas distributor used for YBCO thin film deposition consists of coaxial circular cylinders and a metal screen. YBCO growth rate is increased by a factor of 4 when the metal screen distance from the substrate decreased from 3 cm to 2 cm. Closed spaced gas distributor near a hot substrate of 6500C is applicable for YBCO deposition due to high melting points of the YBCO precursors. As a consequence, YBCO is not deposited on the metal screen. On the other hand, deposition of Ti02 using closed spaced gas distributor results in film deposition on the metal screen. Therefore, different method must be used for film deposition with low melting point precursors, namely the metalorganic vapors should be introduced separately between cylinders in the gas distributor. To test the quality of the deposited film, beside T'iO2 and YBCO, we have studied the GaN deposition and characterize the deposited film. GaN is a wide band gap semiconductor with band gap of 3.4 eV, it is thus a promising material for optoelectronic devices operating in the blue and W regimes. In this case, microwave plasma applicator is used to break the nitrogen bond in order to induce the reaction at temperature as low as 600°C for GaN deposition. GaN growth using thermal CVD (without plasma) process uses high temperature in excess of 1000°C which requires special heating system. Interface diffusion could take place at the vicinity of 1000°C that degrade the electronic device quality. In our plasma CVD, trimethylgallium (TMGa) is introduced to the reactor without passing through the plasma applicator. Two configurations are chosen to introduced nitrogen plasma, with the plasma Source either parallel to the substrate leads to non-uniform deposition. Non-uniformity is attributed to different nitrogen radical concentrations across the substrate. Nitrogen radical could be uniformly distributed on the substrate using plasma source perpendicular to the substrate. In this case, the metal screen for homogenizing the flow cannot be used since the screen is good electrical and thermal conductor which may increased its temperature, leading to reaction of the ions and radicals of the plasma on the screen. Instead a quartz screen with holes is used. We have carried out a simulation using the purely hydrodynamic model, which is valid in the absence of any electromagnetic or magnetic field. The simulation agrees qualitatively with experimental observation. The grown GaN films on GaAs and Al2O3 have similar optical properties. The photoluminescence spectra show a peak at 420 nm and 440 nm. The value of the band, gap energy varies from 3.1 eV to 3.4 eV. The band gap energy is about 3.4 eV for caxis oriented GaN film. The X-ray diffraction pattern shows that GaN has a hexagonal structure. The GaN thin films grown on A12O3 (1120) substrates at 600°C and III-V ratio of 1:110 have a crystal orientation of (0002) which is preferred
for device application. Using Hall-van der Pauw method we found that the mobility is about 70 cm2/V.s. The quality of GaN thin films grown by PACVD method at 600°C are comparable with those grown by thermal MOCVD at vicinity of 1000°C. Thin film of GaN grown by PACVD at lower temperature as 600°C could reduce the interface diffusion. Fismatel is the first laboratory that produce GaN thin film grown on A120, (1120) substrates by plasma assisted MOCVD. Furthermore, MOCVD could be used to grow self assembled quantum dots.
