Парофазная эпитаксия металлоорганических соединений - Metalorganic vapour-phase epitaxy

Иллюстрация процесса

Металлоорганическая парофазная эпитаксия ( MOVPE ), также известная как металлоорганическая парофазная эпитаксия ( OMVPE ) или химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений ( MOCVD ), представляет собой метод химического осаждения из паровой фазы, используемый для получения моно- или поликристаллических тонких пленок. Это процесс выращивания кристаллических слоев для создания сложных многослойных полупроводниковых структур. В отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ), рост кристаллов происходит за счет химической реакции, а не физического осаждения. Это происходит не в вакууме , а из газовой фазы при умеренных давлениях (от 10 до 760  Торр ). По существу, этот метод является предпочтительным для создания устройств, включающих термодинамически метастабильные сплавы, и он стал основным процессом в производстве оптоэлектроники , такой как светоизлучающие диоды . Он был изобретен в 1968 году Гарольдом М. Манасевитом в Североамериканском авиационном (позднее - Rockwell International ) научном центре .

Основные принципы

В MOCVD сверхчистые газы-прекурсоры вводятся в реактор, обычно с инертным газом-носителем. Для полупроводника III-V можно использовать металлоорганическое соединение в качестве предшественника группы III и гидрид для предшественника группы V. Например, фосфид индия можно выращивать с использованием предшественников триметилиндия ((CH 3 ) 3 In) и фосфина (PH 3 ).

Когда прекурсоры приближаются к полупроводниковой пластине , они подвергаются пиролизу, и подвиды абсорбируются на поверхности полупроводниковой пластины. Поверхностная реакция подвида предшественника приводит к встраиванию 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 частиц в паровой фазе. 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. На диффузию атомов по поверхности подложки влияют атомные ступеньки на поверхности.

Давление паров металла органического источника группы III является важным параметром управления для роста MOCVD, так как она определяет скорость роста в массе-транспортно-ограниченный режиме.

Компоненты реактора

Аппарат MOCVD

В методе химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD) газы-реагенты объединяются при повышенных температурах в реакторе, чтобы вызвать химическое взаимодействие, приводящее к осаждению материалов на подложке.

Реактор - это камера, сделанная из материала, который не вступает в реакцию с используемыми химическими веществами. Он также должен выдерживать высокие температуры. Эта камера состоит из стенок реактора, облицовки, приемника , узлов впрыска газа и узлов контроля температуры. Обычно стенки реактора изготавливаются из нержавеющей стали или кварца. Керамическое или специальное стекло , например кварцевое, часто используется в качестве лайнера в камере реактора между стенкой реактора и токоприемником. Для предотвращения перегрева охлаждающая вода должна течь через каналы в стенках реактора. Подложка находится на чувствительном элементе, температура которого регулируется. Чувствительный элемент изготовлен из материала, устойчивого к используемым металлоорганическим соединениям; иногда используется графит . Для выращивания нитридов и родственных материалов необходимо специальное покрытие, обычно из нитрида кремния, на чувствительном элементе графита для предотвращения коррозии газообразным аммиаком (NH 3 ).

Одним из типов реакторов, используемых для проведения MOCVD, является реактор с холодными стенками. В реакторе с холодными стенками подложка поддерживается пьедесталом, который также действует как токоприемник. Пьедестал / приемник - это первичный источник тепловой энергии в реакционной камере. Нагревается только токоприемник, поэтому газы не вступают в реакцию до того, как достигнут горячей поверхности пластины. Постамент / приемник изготовлен из материала, поглощающего излучение, например углерода. Напротив, стенки реакционной камеры в реакторе с холодными стенками обычно изготавливаются из кварца, который в значительной степени прозрачен для электромагнитного излучения . Стенки реакционной камеры в реакторе с холодными стенками, однако, могут косвенно нагреваться за счет тепла, излучаемого от горячего пьедестала / токоприемника, но будут оставаться холоднее, чем пьедестал / токоприемник и подложка, которую поддерживает пьедестал / токоприемник.

В CVD с горячими стенками вся камера нагревается. Это может быть необходимо для предварительного растрескивания некоторых газов 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 арсенида и фосфида или азот для роста нитрида) барботируется через металлорганическую жидкость , которая улавливает некоторое количество паров металлоорганических соединений и транспортирует их в реактор. Количество транспортируемого пара металлоорганических соединений зависит от скорости потока газа-носителя и температуры барботера и обычно регулируется автоматически и наиболее точно с помощью ультразвуковой системы контроля концентрации газа с обратной связью. Следует делать поправку на насыщенные пары .

Система поддержания давления

Система отвода и очистки газов . Токсичные отходы необходимо преобразовывать в жидкие или твердые отходы для вторичной переработки (желательно) или утилизации. В идеале процессы должны быть разработаны таким образом, чтобы минимизировать образование отходов.

Металлоорганические прекурсоры

Полупроводники, выращенные MOCVD

Полупроводники III-V

Полупроводники II-VI

IV Полупроводники

IV-V-VI Полупроводники

Окружающая среда, здоровье и безопасность

Поскольку MOCVD стал хорошо зарекомендовавшей себя производственной технологией, растет и беспокойство, связанное с его влиянием на безопасность персонала и общества, воздействием на окружающую среду и максимальным количеством опасных материалов (таких как газы и металлоорганические соединения), допустимых при производстве устройств. Безопасность, а также ответственная забота об окружающей среде стали главными факторами первостепенной важности в выращивании кристаллов сложных полупроводников на основе MOCVD. По мере того, как применение этой техники в промышленности росло, ряд компаний с годами также вырос и развились, чтобы предоставить вспомогательное оборудование, необходимое для снижения риска. Это оборудование включает в себя, помимо прочего, автоматизированные компьютерные системы доставки газа и химикатов, датчики обнаружения токсичных газов и газов-носителей, которые могут обнаруживать однозначные доли газа в миллиардных долях, и, конечно, оборудование для борьбы с выбросами для полного улавливания токсичных материалов, которые могут присутствовать при росте сплавы, содержащие мышьяк, такие как GaAs и InGaAsP.

Смотрите также

Рекомендации