stringtranslate.com

Металлоорганическая парофазная эпитаксия

Иллюстрация процесса

Металлоорганическая парофазная эпитаксия ( MOVPE ), также известная как металлоорганическая парофазная эпитаксия ( OMVPE ) или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ), [1] представляет собой метод химического осаждения из паровой фазы, используемый для получения одно- или поликристаллических тонких пленок. Это процесс выращивания кристаллических слоев для создания сложных полупроводниковых многослойных структур. [2] В отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), рост кристаллов происходит путем химической реакции, а не физического осаждения. Это происходит не в вакууме , а из газовой фазы при умеренных давлениях (от 10 до 760  Торр ). Таким образом, этот метод предпочтителен для формирования устройств, включающих термодинамически метастабильные сплавы, [ требуется ссылка ] и он стал основным процессом в производстве оптоэлектроники , такой как светодиоды , его наиболее широко распространенное применение. [3] Впервые он был продемонстрирован в 1967 году в отделении Autonetics компании North American Aviation (позднее Rockwell International ) в Анахайме, Калифорния, Гарольдом М. Манасевитом .

Основные принципы

В MOCVD сверхчистые прекурсорные газы впрыскиваются в реактор, обычно с нереакционноспособным газом-носителем. Для полупроводника III-V в качестве прекурсора группы III может использоваться металлоорганическое соединение , а для прекурсора группы V — гидрид. Например, фосфид индия можно выращивать с прекурсорами триметилиндия ((CH 3 ) 3 In) и фосфина (PH 3 ).

По мере приближения прекурсоров к полупроводниковой пластине они подвергаются пиролизу , и подвиды абсорбируются на поверхности полупроводниковой пластины. Поверхностная реакция прекурсоров приводит к включению элементов в новый эпитаксиальный слой кристаллической решетки полупроводника. В режиме роста с ограниченным переносом массы, в котором обычно работают реакторы MOCVD, рост обусловлен пересыщением химических видов в паровой фазе. [4] MOCVD может выращивать пленки, содержащие комбинации группы III и группы V , группы II и группы VI , группы IV .

Требуемая температура пиролиза увеличивается с увеличением прочности химической связи прекурсора. Чем больше атомов углерода присоединено к центральному атому металла, тем слабее связь. [5] На диффузию атомов на поверхности подложки влияют атомные ступени на поверхности.

Давление паров органического источника металла III группы является важным параметром управления для роста MOCVD, поскольку оно определяет скорость роста в режиме, ограниченном массопереносом. [6]

Компоненты реактора

Аппарат MOCVD

В методе химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) реагирующие газы смешиваются при повышенных температурах в реакторе, вызывая химическое взаимодействие, в результате чего происходит осаждение материалов на подложке.

Реактор — это камера, изготовленная из материала, который не вступает в реакцию с используемыми химикатами. Он также должен выдерживать высокие температуры. Эта камера состоит из стенок реактора, футеровки, токоприемника , блоков впрыска газа и блоков контроля температуры. Обычно стенки реактора изготавливаются из нержавеющей стали или кварца. Керамические или специальные стекла , такие как кварц, часто используются в качестве футеровки в камере реактора между стенкой реактора и токоприемником. Для предотвращения перегрева охлаждающая вода должна протекать по каналам внутри стенок реактора. Подложка находится на токоприемнике, который находится при контролируемой температуре. Токоприемник изготовлен из материала, устойчивого к используемой температуре и металлоорганическим соединениям, часто он вытачивается из графита . Для выращивания нитридов и родственных материалов необходимо специальное покрытие, обычно из нитрида кремния или карбида тантала , на графитовом токоприемнике для предотвращения коррозии под воздействием аммиака (NH3 ) .

Одним из типов реакторов, используемых для проведения MOCVD, является реактор с холодной стенкой. В реакторе с холодной стенкой подложка поддерживается пьедесталом, который также действует как токоприемник. Пьедестал/токоприемник является основным источником тепловой энергии в реакционной камере. Нагревается только токоприемник, поэтому газы не реагируют, пока не достигнут поверхности горячей пластины. Пьедестал/токоприемник изготовлен из поглощающего излучение материала, такого как углерод. Напротив, стенки реакционной камеры в реакторе с холодной стенкой обычно изготовлены из кварца, который в значительной степени прозрачен для электромагнитного излучения . Однако стенки реакционной камеры в реакторе с холодной стенкой могут косвенно нагреваться теплом, излучаемым горячим пьедесталом/токоприемником, но будут оставаться холоднее, чем пьедестал/токоприемник и подложка, которую поддерживает пьедестал/токоприемник.

В CVD с горячей стенкой нагревается вся камера. Это может быть необходимо для того, чтобы некоторые газы были предварительно раздроблены перед достижением поверхности пластины, чтобы они могли прилипнуть к пластине.

Система подачи и переключения газа

Газ вводится через устройства, известные как «барботеры». В барботере газ-носитель (обычно водород при росте арсенидов и фосфидов или азот при росте нитридов) барботируется через металлоорганическую жидкость , которая подхватывает некоторое количество металлоорганических паров и переносит их в реактор. Количество транспортируемых металлоорганических паров зависит от скорости потока газа-носителя и температуры барботера и обычно контролируется автоматически и наиболее точно с помощью ультразвуковой системы управления газом с обратной связью, измеряющей концентрацию. Необходимо учитывать насыщенные пары .

Система поддержания давления

Система выхлопа и очистки газа . Токсичные отходы должны быть преобразованы в жидкие или твердые отходы для переработки (предпочтительно) или утилизации. В идеале процессы будут разработаны для минимизации производства отходов.

Металлоорганические прекурсоры

Полупроводники, выращенные методом MOCVD

Полупроводники III-V групп

Полупроводники II-VI групп

IV Полупроводники

Полупроводники IV-V-VI

Окружающая среда, здоровье и безопасность

Поскольку MOCVD стала общепризнанной производственной технологией, в равной степени растут опасения, связанные с ее влиянием на безопасность персонала и общества, воздействием на окружающую среду и максимальными количествами опасных материалов (таких как газы и металлоорганические соединения), допустимыми в операциях по изготовлению устройств. Безопасность, а также ответственная забота об окружающей среде стали основными факторами первостепенной важности при выращивании кристаллов сложных полупроводников на основе MOCVD. По мере того, как применение этой технологии в промышленности росло, ряд компаний также росли и развивались на протяжении многих лет, чтобы предоставлять вспомогательное оборудование, необходимое для снижения риска. Это оборудование включает, помимо прочего, автоматизированные компьютерные системы подачи газа и химикатов, датчики обнаружения токсичных и несущих газов, которые могут обнаруживать однозначные количества ppb газа, и, конечно, очистное оборудование для полного улавливания токсичных материалов, которые могут присутствовать при выращивании мышьяксодержащих сплавов, таких как GaAs и InGaAsP. [7]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ MOCVD-эпитаксис, Джонсон Матти, GPT.
  2. ^ Как работает MOCVD. Технология осаждения для начинающих, Aixtron, май 2011 г.
  3. ^ Касап, Сафа; Каппер, Питер (август 2007 г.). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer. ISBN 978-0-387-29185-7.
  4. ^ Джеральд Б. Стрингфеллоу (2 декабря 2012 г.). Металлоорганическая парофазная эпитаксия: теория и практика. Elsevier Science. стр. 3–. ISBN 978-0-323-13917-5.
  5. ^ Основы и применение MOCVD, Институт передовых технологий Samsung , 2004.
  6. ^ Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Архивировано 27 сентября 2010 г. на Wayback Machine
  7. ^ Примеры см. на веб-сайтах Matheson Tri Gas, Honeywell, Applied Energy, DOD Systems.