Введение

Метод получения тонких пленок (поликристаллических и однокристаллических) Металоорганическая эпитаксическая фаза пара (MOVPE), также известная как органометаллическая эпитаксическая фаза пара (OMVPE) или металоорганическое химическое паровое осаждение (MOCVD), является методом химического осаждения пара, используемым для производства однокристаллических или поликристаллических тонких пленок. Это процесс выращивания кристаллических слоев для создания сложных полупроводниковых многослойных структур. В отличие от молекулярной лучевой эпитаксии (МЛЭ), рост кристаллов происходит химической реакцией, а не физическим осаждением. Это происходит не в вакууме, а из газовой фазы при умеренных давлениях (10-760 Торр). В качестве таковой, этот метод предпочтителен для формирования устройств, включающих термодинамически метастабильные сплавы, и он стал основным процессом в производстве оптоэлектроники, таких как светоизлучающие диоды, его наиболее распространенное применение. Впервые он был продемонстрирован в 1967 году в North American Aviation (позже Rockwell International) Autonetics Division в Анахайме, Калифорния, Гарольдом М. Манасевитом.

Основные принципы

В MOCVD в реактор вводятся сверхчистые прекурсорные газы, обычно с нереактивным несущим газом. Для полупроводника III V в качестве предшественника группы III может использоваться металлорганический элемент, а в качестве предшественника группы V - гидрид. Например, фосфид индия может выращиваться с триметилиндием ((CH3) 3In) и фосфином (PH3) прекурсорами. По мере приближения предшественников к полупроводниковой пластине они подвергаются пиролизу, и подвиды поглощают на поверхность полупроводниковой пластины. Поверхностная реакция предшественников приводит к включению элементов в новый эпитаксиальный слой кристаллической решетки полупроводников. В режиме ограниченного роста массового транспорта, в котором обычно работают реакторы MOCVD, рост обусловлен перенасыщением химических видов в фазе пара. MOCVD может выращивать пленки, содержащие комбинации групп III и V, группы II и VI, группы IV. Требуемая температура пиролиза увеличивается с увеличением прочности химической связи прекурсора. Чем больше атомов углерода прикреплено к центральному атому металла, тем слабее связь. Диффузия атомов на поверхности субстрата зависит от атомных шагов на поверхности. Паровое давление металлического органического источника группы III является важным параметром контроля роста MOCVD, поскольку оно определяет скорость роста в режиме ограниченного массового транспорта.

Компоненты реактора

В методе металлического органического химического осаждения пара (MOCVD) реактивные газы объединяются при повышенных температурах в реакторе, вызывая химическое взаимодействие, в результате чего происходит осаждение материалов на подложке. Реактор - это камера, изготовленная из материала, который не реагирует с используемыми химическими веществами. Он также должен выдерживать высокие температуры. Эта камера состоит из стен реактора, оболочки, восприимчика, блоков впрыска газа и блоков контроля температуры. Обычно реакторные стены сделаны из нержавеющей стали или кварца. Керамические или специальные стекла, такие как кварц, часто используются в качестве подкладки в реакторной камере между стенкой реактора и восприимчивым элементом. Чтобы предотвратить перегрев, охлаждающая вода должна протекать через каналы внутри стен реактора. Подложка находится на восприимчивом элементе, который находится при контролируемой температуре. Внутриреактор изготавливается из материала, устойчивого к температуре, и используются металоорганические соединения, часто из графита. Для выращивания нитридов и сопутствующих материалов необходимо специальное покрытие, как правило, нитрида кремния или карбида тантала, на графитовом восприимчивом элементе, чтобы предотвратить коррозию газом аммиака (NH3). Один тип реактора, используемый для проведения MOCVD, - это реактор с холодными стенами. В реакторе с холодными стенами подложка поддерживается пьедесталом, который также действует как восприимчик. Педестал/сусцептор является основным источником тепловой энергии в реакционной камере. Только восприимчивый элемент нагревается, поэтому газы не реагируют, прежде чем достигнуть горячей поверхности пластины. Пьедестал/сусцептор изготовлен из поглощающего радиацию материала, такого как углерод. Стены реакционной камеры в реакторе с холодными стенами, напротив, обычно сделаны из кварца, который в значительной степени прозрачен для электромагнитного излучения. Стены реакционной камеры в реакторе с холодными стенками могут быть косвенно нагреты теплом, излучаемым от горячего пьедестала/подшипника, но останутся холоднее, чем пьедестал/подшипник и подложка, на которой опирается пьедестал/подшипник. При горячей стенке вся камера нагревается. Это может быть необходимо для некоторых газов, которые должны быть предварительно взломаны, прежде чем достигнуть поверхности пластины, чтобы они могли приклеиться к пластине.

Система подачи и переключения газа

Газ вводится с помощью устройств, известных как "пузырьки". В пузырьковой установке газ-носитель (обычно водород в случае арсенида и фосфида или азот в случае нитрида) пузырькообразно пропускается через металорганическую жидкость, которая поглощает некоторое количество металорганических паров и транспортирует их в реактор. Количество транспортируемого металорганического пара зависит от скорости потока несущего газа и температуры пузырька, и обычно контролируется автоматически и наиболее точно с помощью ультразвуковой системы контроля обратной связи газа с измерением концентрации. Необходимо учитывать насыщенные пары.

Система поддержания давления

Система очистки и выхлопных газов. Токсичные отходы должны быть преобразованы в жидкие или твердые отходы для переработки (предпочтительно) или утилизации. В идеале процессы должны быть разработаны таким образом, чтобы минимизировать производство отходов.

Окружающая среда, здоровье и безопасность

Поскольку технология производства MOCVD стала хорошо известной, все большее внимание уделяется ее влиянию на безопасность персонала и сообщества, воздействие на окружающую среду и максимальные количества опасных материалов (таких как газы и металорганические вещества), допустимых в процессе изготовления устройств. Безопасность, а также ответственная забота об окружающей среде стали важнейшими факторами первостепенной важности в кристаллическом росте сложных полупроводников на основе MOCVD. По мере того, как применение этой техники в промышленности росло, ряд компаний также вырос и развивался в течение многих лет, чтобы обеспечить вспомогательное оборудование, необходимое для снижения риска. Это оборудование включает в себя, но не ограничивается ими, автоматизированные системы доставки газа и химических веществ, датчики по нюху токсичных и несущих газов, которые могут обнаруживать однозначные количества газа в ppb, и, конечно, оборудование для уменьшения токсичности, чтобы полностью улавливать токсичные материалы, которые могут присутствовать в росте сплавов, содержащих мышьяк, таких как GaAs и InGaAsP.