Epitaksja metaloorganiczna w fazie gazowej - Metalorganic vapour-phase epitaxy

Ilustracja procesu

Metaloorganiczna epitaksja z fazy gazowej ( MOVPE ), znana również jako metaloorganiczna epitaksja z fazy gazowej ( OMVPE ) lub metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej ( MOCVD ), jest metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej stosowaną do wytwarzania cienkich warstw jedno- lub polikrystalicznych. Jest to proces wzrostu warstw krystalicznych w celu stworzenia złożonych, wielowarstwowych struktur półprzewodnikowych. W przeciwieństwie do epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), wzrost kryształów następuje w wyniku reakcji chemicznej, a nie fizycznego osadzania. Odbywa się to nie w próżni , ale z fazy gazowej przy umiarkowanym ciśnieniu (10 do 760  Torr ). Jako taka, ta technika jest preferowana do tworzenia urządzeń zawierających stopy metastabilne termodynamicznie i stała się głównym procesem w produkcji optoelektroniki , takiej jak diody elektroluminescencyjne . Został wynaleziony w 1968 roku w North American Aviation (później Rockwell International ) Science Center przez Harolda M. Manasevita .

Podstawowe zasady

W MOCVD ultraczyste gazy prekursorowe są wtryskiwane do reaktora, zwykle z niereaktywnym gazem nośnym. W przypadku półprzewodnika III-V, metaloorganiczny może być użyty jako prekursor grupy III i wodorek jako prekursor z grupy V. Na przykład fosforek indu można hodować z prekursorami trimetyloindu ((CH 3 ) 3 In) i fosfiny (PH 3 ).

Gdy prekursory zbliżają się do płytki półprzewodnikowej , przechodzą pirolizę, a podgatunki wchłaniają się na powierzchni płytki półprzewodnikowej. Reakcja powierzchniowa podgatunku prekursora powoduje włączenie pierwiastków do nowej epitaksjalnej warstwy sieci krystalicznej półprzewodnika. W reżimie wzrostu ograniczonym transportem masy, w którym zwykle działają reaktory MOCVD, wzrost jest napędzany przez przesycenie związków chemicznych w fazie gazowej. MOCVD może hodować filmy zawierające kombinacje grupy III i grupy V , grupy II i grupy VI , grupy IV .

Wymagana temperatura pirolizy wzrasta wraz ze wzrostem siły wiązania chemicznego prekursora. Im więcej atomów węgla jest przyłączonych do centralnego atomu metalu, tym słabsze jest wiązanie. Na dyfuzję atomów na powierzchni podłoża wpływają atomowe stopnie na powierzchni.

Ciśnienie pary metalu źródła organiczną grupę III jest ważnym parametrem sterowania wzrostem MOCVD, ponieważ określa szybkość wzrostu w systemie transportu masowego ograniczony.

Elementy reaktora

Aparat MOCVD

W technice metaloorganicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) reagujące gazy są łączone w reaktorze w podwyższonych temperaturach, aby wywołać interakcję chemiczną, prowadzącą do osadzania się materiałów na podłożu.

Reaktor to komora wykonana z materiału, który nie reaguje z używanymi chemikaliami. Musi też wytrzymywać wysokie temperatury. Komora ta składa się ze ścian reaktora, wykładziny, susceptora , jednostek wtrysku gazu i jednostek kontroli temperatury. Zwykle ściany reaktora są wykonane ze stali nierdzewnej lub kwarcu. Ceramiczne lub specjalne szkła , takie jak kwarc, są często używane jako wykładzina w komorze reaktora między ścianą reaktora a susceptorem. Aby zapobiec przegrzaniu, przez kanały w ścianach reaktora musi przepływać woda chłodząca. Podłoże znajduje się na susceptorze, który ma kontrolowaną temperaturę. Susceptor jest wykonany z materiału odpornego na zastosowane związki metaloorganiczne; czasami używany jest grafit . W przypadku rosnących azotków i materiałów pokrewnych wymagana jest specjalna powłoka, zazwyczaj z azotku krzemu, na podłożu grafitu, aby zapobiec korozji wywołanej gazowym amoniakiem (NH 3 ).

Jednym z typów reaktorów stosowanych do przeprowadzania MOCVD jest reaktor z zimnymi ścianami. W reaktorze z zimnymi ścianami podłoże jest wsparte na cokole, który działa również jako susceptor. Podstawa / podstawa jest głównym źródłem energii cieplnej w komorze reakcyjnej. Podgrzewany jest tylko susceptor, więc gazy nie reagują zanim dotrą do gorącej powierzchni wafla. Podstawa / podstawa jest wykonana z materiału pochłaniającego promieniowanie, takiego jak węgiel. W przeciwieństwie do tego, ściany komory reakcyjnej w reaktorze z zimnymi ścianami są zwykle wykonane z kwarcu, który jest w dużej mierze przezroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego . Ściany komory reakcyjnej w reaktorze z zimnymi ścianami mogą być jednak ogrzewane pośrednio przez ciepło promieniujące z gorącej podstawy / susceptora, ale pozostaną chłodniejsze niż cokół / susceptor, a podłoże wsporników cokołu / susceptora.

W przypadku CVD z gorącymi ścianami cała komora jest ogrzewana. Może to być konieczne, aby niektóre gazy zostały wstępnie spękane przed dotarciem do powierzchni płytki, aby umożliwić im przyklejenie się do płytki.

Wlot gazu i system przełączania

Gaz jest wprowadzany za pomocą urządzeń zwanych „bełkotkami”. W barboterze gaz nośny (zwykle wodór w postaci wzrostu arsenku i fosforek lub azot do wzrostu azotku) jest przepuszczany przez ciecz metaloorganiczną , która zbiera parę metaloorganicznych i transportuje je do reaktora. Ilość transportowanych par metaloorganicznych zależy od szybkości przepływu gazu nośnego i temperatury bełkotki i jest zwykle kontrolowana automatycznie i najdokładniej za pomocą ultradźwiękowego systemu kontroli gazu ze sprzężeniem zwrotnym do pomiaru stężenia. Należy uwzględnić opary nasycone .

System utrzymania ciśnienia

System odprowadzania i oczyszczania gazów . Toksyczne produkty odpadowe należy przekształcić w odpady płynne lub stałe w celu recyklingu (najlepiej) lub usunięcia. Idealnie byłoby, gdyby procesy zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować wytwarzanie odpadów.

Prekursory metaloorganiczne

Półprzewodniki wyhodowane przez MOCVD

Półprzewodniki III-V

Półprzewodniki II-VI

IV Półprzewodniki

Półprzewodniki IV-V-VI

Środowisko, Zdrowie i Bezpieczeństwo

Ponieważ MOCVD stała się dobrze ugruntowaną technologią produkcji, pojawiają się równie rosnące obawy związane z jego wpływem na personel i bezpieczeństwo społeczności, wpływ na środowisko oraz maksymalne ilości materiałów niebezpiecznych (takich jak gazy i związki metaloorganiczne) dopuszczalnych w operacjach wytwarzania urządzeń. Bezpieczeństwo, a także odpowiedzialna troska o środowisko stały się głównymi czynnikami o pierwszorzędnym znaczeniu w opartym na MOCVD wzroście kryształów półprzewodników złożonych. Wraz ze wzrostem zastosowania tej techniki w przemyśle, wiele firm również rozwinęło się i ewoluowało na przestrzeni lat, dostarczając sprzęt pomocniczy wymagany do zmniejszenia ryzyka. Sprzęt ten obejmuje między innymi zautomatyzowane komputerowe systemy dostarczania gazów i chemikaliów, czujniki do wykrywania toksyn i gazów nośnych, które mogą wykrywać jednocyfrowe ilości ppb gazu oraz oczywiście sprzęt do redukcji w celu pełnego wychwytywania toksycznych materiałów, które mogą być obecne we wzroście stopy zawierające arsen, takie jak GaAs i InGaAsP.

Zobacz też

Bibliografia