سيطر السيليكون تاريخياً على تطوير تكنولوجيا IC كمواد أولية لأشباه الموصلات. ركز التركيز الرئيسي في السنوات الأخيرة على بديل السيليكون على مركبات III-V ، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، كمادة ركيزة. كمواد شبه موصلة ، يُظهر GaAs قدرات متزايدة على السيليكون ، مثل تنقل الإلكترون من 5 إلى 6 مرات من السيليكون. تؤدي هذه الخاصية ، إلى جانب الخصائص شبه العازلة المحتملة لغاليوم GaAs ، إلى زيادة الأداء في كل من السرعة واستهلاك الطاقة.

يحتوي GaAs على هيكل مزيج من الزنك يتكون من شبكتين فرعيتين مكعبتين متداخلتين تركزان على الوجه وتتعلقان بنمو مادة سبيكة عالية الجودة. تعد التكنولوجيا المستخدمة في نمو GaAs أكثر تعقيدًا بكثير من تلك المستخدمة في السيليكون ، حيث يتم تضمين توازن أكثر تعقيدًا على مرحلتين ومكون شديد التقلب ، الزرنيخ (As). مطلوب التحكم الدقيق في ضغط البخار As في نظام نمو السبيكة للحفاظ على القياس المتكافئ الدقيق لمركب GaAs أثناء عملية النمو. هناك فئتان أساسيتان من شاشات عرض أشباه الموصلات III-V وإنتاج الأجهزة لهما إجراءات معالجة مجدية اقتصاديًا - شاشات LED وأجهزة الميكروويف IC.

يتم تصنيع مصابيح LED من GaAs أحادي البلورة حيث يتم تشكيل تقاطعات pn عن طريق إضافة عوامل المنشطات المناسبة - عادةً التيلوريوم أو الزنك أو السيليكون. تزرع الطبقات فوق المحورية من المواد III-V الثلاثية والرباعية مثل فوسفيد زرنيخيد الغاليوم (GaAsP) على الركيزة وتؤدي إلى نطاق انبعاث من أطوال موجية محددة في الطيف المرئي للشاشات أو في طيف الأشعة تحت الحمراء للبواعث أو الكاشفات. على سبيل المثال ، يأتي الضوء الأحمر الذي يبلغ ذروته عند حوالي 650 نانومتر من إعادة التركيب المباشر لإلكترونات pn والثقوب. تتكون الثنائيات التي ينبعث منها اللون الأخضر بشكل عام من فوسفيد الغاليوم (GaP). يتم تناول خطوات معالجة LED المعممة في هذه المقالة.

تعد أجهزة الميكروويف IC شكلًا متخصصًا من الدوائر المتكاملة ؛ يتم استخدامها كمضخمات عالية التردد (2 إلى 18 جيجاهرتز) للرادار والاتصالات والقياس عن بعد ، وكذلك لمكبرات الأوكتاف والأوكتاف المتعددة للاستخدام في أنظمة الحرب الإلكترونية. عادةً ما يشتري مصنعو أجهزة الميكروويف IC ركيزة GaAs أحادية البلورة ، إما مع طبقة فوقية أو بدونها ، من البائعين الخارجيين (كما يفعل مصنعو أجهزة السيليكون). تشمل خطوات المعالجة الرئيسية الترسيب فوق المحور السائل في المرحلة السائلة ، والتصنيع والمعالجة غير التصنيعية المشابهة لتصنيع أجهزة السيليكون. تتم أيضًا مناقشة خطوات المعالجة التي تتطلب وصفًا إضافيًا لتلك الخاصة بمعالجة LED في هذه المقالة.

تصنيع بسكويت الويفر

على غرار عملية نمو سبيكة السيليكون ، تتفاعل الأشكال الأولية من الغاليوم والزرنيخ ، بالإضافة إلى كميات صغيرة من المواد المخدرة - السليكون أو التيلوريوم أو الزنك - عند درجات حرارة مرتفعة لتشكيل سبائك من أحادي البلورة مخدر GaAs. يتم استخدام ثلاث طرق معممة لإنتاج السبائك المعدنية:

• أفقي أو عمودي Bridgeman

• تجميد التدرج الأفقي أو العمودي

• سائل عالي أو منخفض الضغط مغلف Czochralski (LEC).

يتكون مركب GaAs متعدد البلورات بشكل طبيعي عن طريق تفاعل بخار مع معدن Ga عند درجات حرارة مرتفعة في أمبولات كوارتز محكمة الغلق. عادة ، يتم تسخين خزان As الموجود في أحد طرفي الأمبولة إلى 618 درجة مئوية. هذا يولد ما يقرب من 1 جو من ضغط البخار في الأمبولة ، وهو شرط أساسي للحصول على GaAs المتكافئة. يتفاعل بخار As مع معدن Ga المحفوظ عند 1,238 درجة مئوية ويقع في الطرف الآخر من الأمبولة في قارب كوارتز أو نيتريد البورون (PBN). بعد تفاعل الزرنيخ تمامًا ، تتشكل شحنة متعددة البلورات. يستخدم هذا للنمو أحادي البلورة عن طريق التبريد المبرمج (تجميد متدرج) أو عن طريق تحريك الأمبولة أو الفرن فعليًا لتوفير تدرجات درجة حرارة مناسبة للنمو (بريدجمان). يستخدم هذا النهج غير المباشر (نقل الزرنيخ) لتركيب ونمو GaAs بسبب ارتفاع ضغط بخار الزرنيخ عند نقطة انصهار GaAs ، حوالي 20 الغلاف الجوي عند 812 درجة مئوية و 60 جوًا عند 1,238،XNUMX درجة مئوية ، على التوالي.

طريقة أخرى للإنتاج التجاري لأحادي البلورة المفردة السائبة هي تقنية LEC. يتم تحميل مجتذب بلوري Czochralski بقطع من GaAs في بوتقة مع حساس خارجي للجرافيت. يتم بعد ذلك إذابة كميات كبيرة من GaAs عند درجات حرارة قريبة من 1,238،100 درجة مئوية ، ويتم سحب البلورة في جو مضغوط يمكن أن يتغير حسب الشركة المصنعة عادةً من عدد قليل من الغلاف الجوي حتى XNUMX الغلاف الجوي. يتم تغليف المصهور بالكامل بواسطة زجاج لزج ، ب₂O₃، والذي يمنع تفكك الذوبان حيث يتم مطابقة ضغط البخار أو تجاوزه بضغط غاز خامل (عادة الأرجون أو النيتروجين) المطبق في غرفة المجتذب. بدلاً من ذلك ، يمكن تصنيع GaAs أحادي البلورية فى الموقع عن طريق حقن As في Ga المنصهر أو دمج As و Ga مباشرة عند ضغط عالٍ.

يمثل تصنيع رقاقة GaAs عملية تصنيع أشباه الموصلات مع أكبر إمكانية للتعرضات الكيميائية الروتينية الكبيرة. بينما يتم تصنيع رقاقة GaAs بواسطة نسبة صغيرة فقط من مصنعي أشباه الموصلات ، هناك حاجة إلى تركيز خاص في هذا المجال. الكميات الكبيرة من كما هو مستخدم في هذه العملية ، فإن الخطوات العديدة في العملية والحد الأدنى للتعرض الجوي للزرنيخ يجعل من الصعب التحكم في التعرض. مقالات كتبها هاريسون (1986) ؛ لينيهان وشيهي وجونز (1989) ؛ يوفر McIntyre و Sherin (1989) و Sheehy and Jones (1993) معلومات إضافية حول المخاطر والضوابط لهذه العملية.

تخليق السبيكة الكريستالات

تحميل وختم أمبولة

يتم وزن عنصر العنصر As (99.9999٪) في شكل مقطع وتحميله في قارب كوارتز في صندوق قفازات مستنفد. يتم أيضًا وزن السائل النقي Ga (99.9999٪) والمواد المشبعة وتحميلها في قارب (قوارب) كوارتز أو نيتريد البورون (PBN) بنفس الطريقة. يتم تحميل القوارب في أمبولة كوارتز أسطوانية طويلة. (في تقنيات Bridgman والتجميد المتدرج ، يتم أيضًا إدخال بلورة بذرة ذات اتجاه بلوري مرغوب ، بينما في تقنية LEC ذات المرحلتين ، حيث لا يلزم سوى بولي GaAs في هذه المرحلة ، يتم تصنيع GaAs متعدد البلورات بدون بلورة البذور. )

توضع أمبولات الكوارتز في فرن بدرجة حرارة منخفضة ويتم تسخينها أثناء تطهير الأمبولة بالهيدروجين (H₂) ، في عملية تعرف باسم تفاعل اختزال الهيدروجين ، لإزالة الأكاسيد. بعد التطهير بغاز خامل مثل الأرجون ، يتم توصيل أمبولات الكوارتز بمضخة تفريغ ، ويتم تفريغها ، ويتم تسخين نهايات الأمبولات وإغلاقها بشعلة هيدروجين / أكسجين. هذا يخلق أمبولة كوارتز مشحونة ومختومة جاهزة لنمو الفرن. يعد التطهير بالهيدروجين ونظام شعلة الهيدروجين / الأكسجين خطرًا محتملاً للحريق / الانفجار إذا لم يتم استخدام أجهزة ومعدات السلامة المناسبة (Wade et al. 1981).

بسبب تسخين الزرنيخ ، يتم الحفاظ على هذا التجميع تحت تهوية العادم. يمكن أن تتكون رواسب أكسيد الزرنيخ في قناة العادم التي تدعم هذا التجمع. يجب توخي الحذر لمنع التعرض والتلوث في حالة حدوث خلل في القنوات بأي شكل من الأشكال.

تخزين ومناولة قطع الزرنيخ مصدر قلق. لدواعي الأمان ، غالبًا ما يتم الاحتفاظ بالزرنيخ في مخزن مغلق مع وجود رقابة صارمة على المخزون. عادةً ما يتم الاحتفاظ بالزرنيخ أيضًا في خزانة تخزين مقاومة للحريق لمنع مشاركته في حالة نشوب حريق.

نمو الفرن

تستخدم طرق Bridgeman والتجميد المتدرج لنمو سبيكة بلورة واحدة أمبولات كوارتز مشحونة ومختومة في حاوية فرن عالية الحرارة يتم تنفيسها إلى نظام غسيل رطب. تتعلق مخاطر التعرض الأولية أثناء نمو الفرن بإمكانية انفجار أمبولة الكوارتز أو انفجارها أثناء نمو السبيكة. يحدث هذا الموقف على أساس متقطع وغير متكرر إلى حد ما ، وينتج عن أحد الأمور التالية:

• الضغط الجزئي لبخار As الناتج عن درجات الحرارة العالية المستخدمة في عملية النمو

• إزالة التزجيج من زجاج أمبولة الكوارتز ، مما يؤدي إلى حدوث تشققات في خط الشعر وما يصاحب ذلك من إمكانية إزالة الضغط من الأمبولة

• عدم وجود أجهزة دقيقة للتحكم في درجات الحرارة المرتفعة على مصدر التسخين - عادة من نوع المقاومة - مع الضغط الزائد الناتج عن أمبولة الكوارتز

• عطل أو فشل في الازدواج الحراري ، مما أدى إلى زيادة ضغط أمبولة الكوارتز

• الزائدة As أو القليل جدًا من Ga في أنبوب الأمبولة ، مما يؤدي إلى ارتفاع شديد في ضغط As ، والذي يمكن أن يتسبب في خفض ضغط الأمبولة بشكل كارثي.

يتكون نظام Bridgeman الأفقي من فرن متعدد المناطق حيث تحتوي أمبولة الكوارتز المختومة على مناطق درجة حرارة منفصلة - طرف إصبع الزرنيخ "البارد" عند 618 درجة مئوية وزورق بلوري كوارتز غاليوم / مخدر / بذرة يحتوي على الذوبان عند 1,238،XNUMX درجة مئوية. يتضمن المبدأ الأساسي في نظام Bridgeman الأفقي عبور منطقتين مسخنتين (واحدة فوق نقطة انصهار GaAs ، وواحدة أسفل نقطة الانصهار) فوق قارب من GaAs لتوفير تجميد متحكم فيه بدقة لـ GaAs المنصهرة. توفر بلورة البذور ، التي يتم الاحتفاظ بها في جميع الأوقات في منطقة التجميد ، بنية البداية البلورية الأولية ، وتحديد اتجاه واتجاه الهيكل البلوري داخل القارب. يتم تعليق قارب الكوارتز وأمبولة Ga و As داخل غرفة التسخين بواسطة مجموعة من بطانات كربيد السيليكون تسمى أنابيب الدعم ، والتي يتم وضعها داخل مجموعة سخان المقاومة لتحريك المسافة الكاملة للأمبولة ميكانيكيًا. بالإضافة إلى ذلك ، تقع مجموعة الفرن على منضدة يجب إمالتها أثناء النمو لتوفير الواجهة المناسبة لتخليق GaAs المصهور مع بلورة البذور.

في طريقة التجميد المتدرج ، يتم الاحتفاظ بفرن ذو درجة حرارة عالية متعدد المناطق يستخدم تسخين المقاومة عند 1,200 إلى 1,300 درجة مئوية (1,237،3 درجة مئوية هي نقطة ذوبان / تجميد GaAs). عادةً ما تكون المدة الإجمالية لعملية نمو السبيكة XNUMX أيام وتتألف من الخطوات التالية:

• حرق الفرن لدرجة الحرارة

• توليف GaAs

• بذر الذوبان

• يبرد / نمو البلورات.

يتم أيضًا إمالة أمبولة الكوارتز أثناء عملية النمو باستخدام مقبس يدوي من نوع المقص.

أمبولة اندلاع

بعد زراعة سبيكة GaAs أحادية البلورة داخل أمبولة الكوارتز المختومة ، يجب فتح الأمبولة وإزالة قارب الكوارتز الذي يحتوي على السبيكة بالإضافة إلى بلورة البذور. يتم تحقيق ذلك بإحدى الطرق التالية:

• قطع الطرف المختوم للأمبولات بمنشار دائري مبلل

• تسخين وتكسير الأمبولة بشعلة الهيدروجين / الأكسجين

• تكسير الأمبولة المعبأة بمطرقة أثناء وجودها تحت العادم للتحكم في الزرنيخ المحمول بالهواء.

يتم إعادة تدوير أمبولات الكوارتز عن طريق النقش الرطب للزرنيخ المكثف على السطح الداخلي باستخدام ماء ريجيا (حمض الهيدروكلوريك ، HNO₃) أو حمض الكبريتيك / بيروكسيد الهيدروجين (H.₂SO₄/H₂O₂).

السفع بالخرز / التنظيف

من أجل رؤية عيوب الكريستالات وإزالة الأكاسيد والملوثات الخارجية ، يجب أن يتم تفجير سبيكة GaAs أحادية البلورة. تتم عملية السفع بالخرز في وحدة صندوق قفازات مستنفدة باستخدام إما كربيد السيليكون أو وسط تفجير الألومينا المكلس. يتم التنظيف الرطب في الحمامات الكيميائية المزودة بتهوية واستخدام عادم محلي أكوا ريجيا أو شطف الكحول (كحول الأيزوبروبيل و / أو الميثانول).

نمو سبيكة أحادي البلورية

يتم تكسير سبيكة GaAs متعددة البلورات المسترجعة من الأمبولة إلى قطع ، ووزنها ووضعها في بوتقة كوارتز أو PBN ، ويوضع قرص من أكسيد البورون فوقها. يتم وضع البوتقة بعد ذلك في مزارع بلوري (مجتذب) مضغوط في غاز خامل ، وتسخينه إلى 1,238 درجة مئوية. عند درجة الحرارة هذه ، يذوب GaAs ، ويتحول أكسيد البورون الأخف إلى مادة سائلة لمنع الزرنيخ من الانفصال عن الذوبان. يتم إدخال بلورة بذرة في المصهور أسفل غطاء السائل وأثناء الدوران المعاكس ، يتم سحبها ببطء من المصهور ، وبالتالي تصلب لأنها تترك "المنطقة الساخنة". تستغرق هذه العملية حوالي 24 ساعة ، اعتمادًا على حجم الشحن وقطر البلورة.

بمجرد اكتمال دورة النمو ، يتم فتح المزارع لاستعادة السبيكة أحادية البلورية وللتنظيف. تتسرب بعض كمية الزرنيخ من الذوبان حتى مع وجود غطاء السائل في مكانه. يمكن أن يكون هناك تعرض كبير للزرنيخ المحمول في الهواء خلال هذه الخطوة من العملية. للتحكم في هذا التعرض ، يتم تبريد المزارع إلى أقل من 100 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى ترسب جزيئات الزرنيخ الدقيقة على السطح الداخلي للمزارع. يساعد هذا التبريد على تقليل كمية الزرنيخ التي تنتقل عبر الهواء.

تُترك رواسب ثقيلة من المخلفات المحتوية على الزرنيخ في داخل المزارع البلوري. يمكن أن تؤدي إزالة المخلفات أثناء الصيانة الوقائية الروتينية إلى تركيزات كبيرة محمولة جواً من الزرنيخ (Lenihan، Sheehy and Jones 1989؛ Baldwin and Stewart 1989؛ McIntyre and Sherin 1989). غالبًا ما تشتمل أدوات التحكم المستخدمة أثناء عملية الصيانة هذه على تهوية عادم الزبال والملابس التي تستخدم لمرة واحدة وأجهزة التنفس.

عندما تتم إزالة السبيكة ، يتم تفكيك المزارع. يتم استخدام مكنسة HEPA لالتقاط جزيئات الزرنيخ من جميع أجزاء المزارع. بعد التنظيف بالمكنسة الكهربائية ، تُمسح أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ بمزيج هيدروكسيد الأمونيوم / بيروكسيد الهيدروجين لإزالة أي زرنيخ متبقي ، ويتم تجميع المزارع.

تجهيز بسكويت الويفر

حيود الأشعة السينية

يتم تحديد الاتجاه البلوري لسبيكة GaAs عن طريق استخدام وحدة حيود الأشعة السينية ، كما هو الحال في معالجة سبيكة السيليكون. يمكن استخدام ليزر منخفض الطاقة لتحديد الاتجاه البلوري في بيئة الإنتاج ؛ ومع ذلك ، فإن حيود الأشعة السينية أكثر دقة وهي الطريقة المفضلة.

عند استخدام حيود الأشعة السينية ، غالبًا ما يتم تغليف حزمة الأشعة السينية بالكامل بخزانة واقية يتم فحصها دوريًا بحثًا عن تسرب الإشعاع. في ظل ظروف معينة ، ليس من العملي احتواء حزمة الأشعة السينية بالكامل في حاوية متشابكة. في هذه الحالة ، قد يُطلب من المشغلين ارتداء شارات إصبع الإشعاع ، ويتم استخدام عناصر تحكم مماثلة لتلك المستخدمة في أجهزة الليزر عالية الطاقة (على سبيل المثال ، غرفة مغلقة ذات وصول محدود ، وتدريب المشغل ، وإحاطة الحزمة بقدر ما هو عملي ، وما إلى ذلك) ( بالدوين وويليامز 1996).

تقطيع السبائك المعدنية وطحنها وتقطيعها إلى شرائح

تتم إزالة نهايات أو ذيول السبيكة أحادية البلورة ، باستخدام منشار ماسي أحادي الشفرة مشحم بالماء ، مع إضافة العديد من المبردات إلى الماء. ثم يتم وضع السبيكة أحادية البلورية على مخرطة تشكلها في سبيكة أسطوانية ذات قطر موحد. هذه هي عملية الطحن ، وهي أيضًا عملية رطبة.

بعد القص والطحن ، تكون سبائك GaAs عبارة عن إيبوكسي أو شمع مثبت على حزمة من الجرافيت ويتم نشرها في رقائق فردية من خلال استخدام المناشير ذات الشفرات الماسية ذات القطر الداخلي (ID). تتم هذه العملية الرطبة باستخدام مواد التشحيم وتنتج ملاط ​​GaAs ، والذي يتم تجميعه وطرده مركزيًا ومعالجته بفلوريد الكالسيوم لترسيب الزرنيخ. يتم اختبار المادة الطافية للتأكد من أنها لا تحتوي على زرنيخ زائد ، ويتم ضغط الحمأة في كعكة والتخلص منها كنفايات خطرة. ترسل بعض الشركات المصنعة الملاط الذي تم جمعه من عمليات زراعة السبائك وطحنها وتقطيعها لاستعادة Ga.

قد يتشكل الأرسين والفوسفين من تفاعل حمض الغاليوم وفوسفيد الإنديوم مع الرطوبة في الهواء ، والزرنيخيدات الأخرى والفوسفيدات أو عند مزجهما مع الأحماض أثناء معالجة زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم ؛ تم قياس 92 جزء في البليون من الزرنيخ و 176 جزء في البليون من الفوسفين على بعد بوصتين من شفرات التقطيع المستخدمة في قص سبائك الغاليوم وسبائك فوسفيد الإنديوم (موسوفسكي وآخرون 2 ، راينر وآخرون 1992).

غسيل بسكويت الويفر

بعد نزع رقائق GaAs من حزمة الجرافيت ، يتم تنظيفها عن طريق الغمس المتتابع في حمامات كيميائية رطبة تحتوي على محاليل حمض الكبريتيك / بيروكسيد الهيدروجين أو حمض الأسيتيك والكحول.

التنميط الحافة

تنميط الحواف هو أيضًا عملية رطبة يتم إجراؤها على شرائح الرقاقات لتشكيل حافة حول الرقاقة ، مما يجعلها أقل عرضة للكسر. نظرًا لأنه يتم إجراء قطع رفيع فقط على سطح الرقاقة ، يتم إنشاء كمية صغيرة فقط من الملاط.

اللف والتلميع

الرقاقات عبارة عن شمع مركب على صفيحة اللف أو الطحن ، باستخدام لوح تسخين ، ويتم لفها على آلة تمارس سرعة دوران وضغطًا محددين. يتم تغذية محلول اللف على سطح اللف (ملاط من أكسيد الألومنيوم والجلسرين والماء). بعد فترة تجلي قصيرة ، عندما يتم تحقيق السماكة المطلوبة ، يتم شطف الرقائق وتثبيتها على آلة تلميع ميكانيكية. يتم إجراء التلميع باستخدام بيكربونات الصوديوم ، 5٪ كلور ، ماء (أو هيبوكلوريت الصوديوم) وملاط سيليكا غرواني. ثم يتم فك الرقائق على لوح تسخين ، وإزالة الشمع باستخدام المذيبات وتنظيف الرقائق.

تنضيد

تُستخدم رقائق GaAs أحادية البلورة كركائز لنمو طبقات رقيقة جدًا من نفس المركبات III-V التي لها الخصائص الإلكترونية أو البصرية المرغوبة. يجب أن يتم ذلك بطريقة تستمر ، في الطبقة المزروعة ، في التركيب البلوري للركيزة. مثل هذا النمو البلوري ، الذي تحدد فيه الركيزة التبلور واتجاه الطبقة المزروعة ، يسمى epitaxy ، ويتم استخدام مجموعة متنوعة من تقنيات النمو فوق المحور في عرض III-V وإنتاج الجهاز. الأساليب الأكثر شيوعًا هي:

• epitaxy المرحلة السائلة (LPE)

• epitaxy الشعاع الجزيئي (MBE)

• epitaxy طور البخار (VPE)

• ترسيب البخار الكيميائي المعدني (MOCVD) - المعروف أيضًا باسم epitaxy الطور المعدني العضوي (OMVPE).

epitaxy المرحلة السائلة

في LPE ، يتم زراعة طبقة من مادة III-V المخدرة مباشرة على سطح الركيزة GaAs باستخدام حامل الجرافيت الذي يحتوي على غرف منفصلة للمادة المراد ترسيبها على الرقائق. تضاف الكميات الموزونة من مواد الترسيب إلى الغرفة العلوية للحامل ، بينما توضع الرقائق في الغرفة السفلية. يتم وضع التجميع داخل أنبوب تفاعل كوارتز تحت جو هيدروجين. يتم تسخين الأنبوب لإذابة مواد الترسيب ، وعندما يتوازن الذوبان ، ينزلق الجزء العلوي من الحامل بحيث يتم وضع الذوبان فوق الرقاقة. ثم يتم خفض درجة حرارة الفرن لتشكيل طبقة فوقية.

يستخدم LPE بشكل أساسي في epitaxy الميكروويف IC وتصنيع مصابيح LED ذات أطوال موجية معينة. يتمثل الشاغل الرئيسي في عملية LPE هذه في استخدام غاز الهيدروجين شديد الاشتعال في النظام ، والذي يتم تخفيفه عن طريق الضوابط الهندسية الجيدة وأنظمة الإنذار المبكر.

شعاع الشعاع الجزيئي

تم تطوير epitaxy فراغ في شكل MBE كتقنية متعددة الاستخدامات بشكل خاص. يتكون MBE من GaAs من نظام مفرط الفراغ يحتوي على مصادر للحزم الذرية أو الجزيئية من Ga و As ورقاقة ركيزة مسخنة. عادةً ما تكون مصادر الحزمة الجزيئية عبارة عن حاويات لـ Ga السائل أو الصلبة As. المصادر لها فتحة تواجه رقاقة الركيزة. عندما يتم تسخين فرن الانصباب (أو الحاوية) ، تتسرب ذرات الجا أو جزيئات من الفوهة. بالنسبة إلى GaAs ، يحدث النمو عادةً عند درجة حرارة أعلى من 450 درجة مئوية.

يمكن أن تحدث حالات التعرض العالية لمادة الزرنيخ أثناء صيانة أنظمة MBE ذات المصدر الصلب. تم الكشف عن تركيزات هواء الغرفة من 0.08 جزء في المليون في دراسة واحدة عندما تم فتح غرفة وحدة MBE للصيانة. افترض المؤلفون أن توليد الزرنيخ العابر قد يكون ناتجًا عن تفاعل جسيمات دقيقة جدًا من الزرنيخ مع بخار الماء ، حيث يعمل الألمنيوم كعامل مساعد (Asom et al.1991).

طور التبخر

تخضع الرقاقات المصقولة والمنزوعة الشحوم لخطوة حفر ونظيفة قبل التصلب. يتضمن ذلك عملية غمس كيميائية رطبة متتابعة باستخدام حامض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين والماء بنسبة 5: 1: 1 ؛ شطف بالماء غير المتأين ؛ وكحول الأيزوبروبيل نظيف / جاف. يتم أيضًا إجراء فحص بصري.

يتم استخدام طريقتين رئيسيتين لـ VPE ، بناءً على نوعين كيميائيين مختلفين:

• الهالوجينات III (GaCl₃) و V- هالوجينات (AsCl₃) أو V- هيدروجين (AsH₃ و PH₃)

• المواد العضوية المعدنية III و V-hydrogen ، مثل Ga (CH₃)₃ و AsH₃—OOMVPE.

تختلف الكيمياء الحرارية لهذه التقنيات اختلافًا كبيرًا. عادة ما تكون تفاعلات الهالوجين "ساخنة" إلى "باردة" ، حيث يتولد الهالوجين الثالث في منطقة ساخنة عن طريق تفاعل العنصر III مع حمض الهيدروكلوريك ، ثم ينتشر إلى المنطقة الباردة ، حيث يتفاعل مع الأنواع V لتشكيل مادة III-V الكيمياء العضوية المعدنية هي عملية "الجدار الساخن" حيث يقوم المركب المعدني العضوي III "بالتشقق" أو التحلل الحراري بعيدًا عن المجموعة العضوية ويتفاعل III و hydride V المتبقي لتشكيل III-V.

في VPE ، يتم وضع الركيزة GaAs في غرفة ساخنة تحت جو هيدروجين. يتم تسخين الغرفة إما عن طريق التسخين RF أو المقاومة. يتم فقاعات حمض الهيدروكلوريك من خلال قارب Ga ، مكونًا كلوريد الغاليوم ، والذي يتفاعل بعد ذلك مع AsH₃ و PH₃ بالقرب من سطح الرقائق لتشكيل GaAsP ، والذي يترسب كطبقة فوقية على الركيزة. هناك عدد من المنشطات التي يمكن إضافتها (حسب المنتج والوصفة). وتشمل هذه تركيزات منخفضة من التيلورايد والسيلينيدات والكبريتيدات.

من الأساليب الشائعة المستخدمة في VPE في معالجة LED نظام III-halogen و V-hydrogen (hydride). إنها تنطوي على عملية من دورتين - في البداية تنمية الطبقة فوق المحورية من GaAsP على الركيزة GaAs وأخيراً ، دورة حفر لتنظيف غرفة مفاعل الجرافيت / الكوارتز من الشوائب. أثناء دورة النمو فوق المحور ، يتم تحميل رقائق الغاليوم التي تم تنظيفها مسبقًا على دائري موجود داخل غرفة مفاعل كوارتز تحتوي على خزان من عنصر الغاليوم السائل الذي يتم من خلاله قياس غاز حمض الهيدروكلوريك اللامائي ، مما يؤدي إلى تشكيل GaCl₃. مخاليط الهيدريد / غاز الهيدروجين (على سبيل المثال ، 7٪ AsH₃/H₂ و 10٪ ف₃/H₂) أيضًا في غرفة المفاعل مع إضافة تركيزات جزء في المليون من الإشعاعات المعدنية العضوية للتيلوريوم والسيلينيوم. تتفاعل الأنواع الكيميائية في المنطقة الساخنة ، والجزء العلوي من غرفة التفاعل ، وفي المنطقة الباردة ، الجزء السفلي من الغرفة ، وتشكل الطبقة المرغوبة من GaAsP على ركيزة الرقاقة وكذلك على الجزء الداخلي من غرفة المفاعل.

يتم توجيه النفايات السائلة من المفاعل إلى نظام مشعل الهيدروجين (غرفة الاحتراق أو صندوق الاحتراق) من أجل الانحلال الحراري ويتم تهويتها إلى نظام الغسيل الرطب. وبدلاً من ذلك ، يمكن وضع الفقاعات السائلة في المفاعل عبر وسط سائل لاحتجاز معظم الجسيمات. يتمثل التحدي الأمني ​​في الاعتماد على المفاعلات نفسها "لتكسير" الغازات. تبلغ كفاءة هذه المفاعلات ما يقرب من 98 إلى 99.5٪ ؛ لذلك ، قد تنطلق بعض الغازات غير المتفاعلة من الفقاعة عندما يتم إخراجها من قبل المشغلين. هناك إطلاق غازات لمركبات مختلفة تحتوي على الزرنيخ والفوسفور من هذه الفقاعات ، مما يتطلب نقلها بسرعة إلى حوض مهووس للصيانة ، حيث يتم تطهيرها وتنظيفها ، من أجل الحفاظ على تعرض الأفراد منخفضًا. يتمثل التحدي المتعلق بالنظافة المهنية في هذه العملية في تحديد خصائص تدفق العادم ، نظرًا لأن معظم المركبات الخارجة من الغازات من أجزاء مختلفة من المفاعل ، وخاصة الفقاعات ، غير مستقرة في الهواء ، كما أن وسائط التجميع التقليدية المتاحة والتقنيات التحليلية ليست تمييزية تجاه أنواع مختلفة.

مصدر قلق آخر هو المطهرات المسبقة لمفاعلات VPE. يمكن أن تحتوي على تركيزات عالية من الارسين والفوسفين. يمكن أن تحدث التعرضات التي تتجاوز حدود التعرض المهني إذا تم فتح هذه الأجهزة بدون تمييز (Baldwin and Stewart 1989).

يتم تنفيذ دورة الحفر في نهاية دورة النمو وعلى أجزاء مفاعل جديدة لتنظيف السطح الداخلي للشوائب. يتم قياس غاز حمض الهيدروكلوريك غير المخفف في الغرفة لمدة 30 دقيقة تقريبًا ، ويتم تسخين المفاعل إلى أكثر من 1,200 درجة مئوية. يتم تهوية النفايات السائلة إلى نظام الغسيل الرطب لمعادلتها.

في نهاية كل من دورات النمو والحفر ، تم تمديد N₂ يستخدم التطهير لغسل غرفة المفاعل من الغازات السامة / القابلة للاشتعال والمسببة للتآكل.

تنظيف المفاعل

بعد كل دورة نمو ، يجب فتح مفاعلات VPE وإزالة الرقائق وتنظيف الجزء العلوي والسفلي من المفاعل ماديًا. يتم تنفيذ عملية التنظيف من قبل المشغل.

يتم نقل جهاز الكوارتز المسبق من المفاعلات فعليًا خارج المفاعل ووضعه في حوض مستنفد حيث يتم تطهيره بـ N₂يشطف بالماء ثم يغمر أكوا ريجيا. يتبع ذلك شطف آخر بالماء قبل تجفيف الجزء. نية ن₂ التطهير هو ببساطة إزاحة الأكسجين بسبب وجود فوسفور غير مستقر قابل للاشتعال. تترك بعض المخلفات المحتوية على الزرنيخات المختلفة والمنتجات الثانوية المحتوية على الفوسفور على هذه الأجزاء حتى بعد التطهير وشطف الماء. يمكن أن يؤدي التفاعل بين هذه البقايا والمُؤكسد القوي / خليط الحمض إلى توليد كميات كبيرة من AsH₃ وبعض PH₃. هناك أيضًا إمكانية التعرض مع إجراءات الصيانة الأخرى في المنطقة.

يتم كشط الجزء السفلي من حجرة تفاعل الكوارتز واللوحة السفلية (اللوحة الأساسية) باستخدام أداة معدنية ، ويتم جمع المواد الجسيمية (خليط من GaAs و GaAsP وأكاسيد الزرنيخ وأكاسيد الفوسفور وغازات هيدريد المحبوسة) في معدن وضع الحاوية أسفل المفاعل الرأسي. يتم استخدام مكنسة كهربائية عالية الكفاءة للتنظيف النهائي.

عملية أخرى مع احتمال التعرض للمواد الكيميائية هي تنظيف مصيدة المفاعل. يتم تنظيف المصيدة عن طريق كشط أجزاء الجرافيت من الغرفة العلوية ، والتي تحتوي على قشرة من جميع المنتجات الثانوية المذكورة سابقًا بالإضافة إلى كلوريد الزرنيخ. ينتج عن إجراء الكشط الغبار ويتم إجراؤه في حوض جيد التهوية لتقليل التعرض للمشغلين. يتم فتح خط عادم العملية ، الذي يحتوي على جميع المنتجات الثانوية بالإضافة إلى الرطوبة التي تشكل نفايات سائلة ، وتصريفها في حاوية معدنية. يتم استخدام مكنسة HEPA لتنظيف أي جزيئات غبار قد تكون قد تسربت أثناء نقل أجزاء الجرافيت ومن رفع وخفض جرة الجرس ، والتي تقطع أي جزيئات سائبة.

ترسب البخار الكيميائي المعدني

يستخدم MOCVD على نطاق واسع في إعداد الأجهزة III-V. بالإضافة إلى غازات الهيدريد المستخدمة كمواد مصدر في أنظمة الأمراض القلبية الوعائية الأخرى (على سبيل المثال ، الزرنيخ والفوسفين) ، تُستخدم أيضًا بدائل سائلة أقل سمية (على سبيل المثال ، بوتيل أرسين ثلاثي وثلاثي بوتيل فوسفين) في أنظمة MOCVD ، إلى جانب مواد سامة أخرى مثل ألكيلات الكادميوم والزئبق (Content 1989؛ Rhoades، Sands and Mattera 1989؛ Roychowdhury 1991).

بينما يشير VPE إلى عملية ترسيب المواد المركبة ، يشير MOCVD إلى مصادر الكيمياء الأصل المستخدمة في النظام. يتم استخدام مادتين كيميائيتين: الهاليدات والمعدنية. عملية VPE الموضحة أعلاه هي عملية هاليد. يتكون هاليد المجموعة الثالثة (الغاليوم) في المنطقة الساخنة ويترسب مركب III-V في المنطقة الباردة. في العملية المعدنية لأحماض GaAs ، يتم قياس ثلاثي ميثيل الغاليوم في غرفة التفاعل مع الزرنيخ ، أو بديل سائل أقل سمية مثل زرنيخ بوتيل ثلاثي ، لتكوين زرنيخيد الغاليوم. مثال على تفاعل MOCVD النموذجي هو:

(CH₃)₃الجا + الرماد₃ → GaAs + 3CH₄

هناك مواد كيميائية أخرى مستخدمة في معالجة MOCVD لمصابيح LED. تشتمل المواد المعدنية العضوية المستخدمة كعناصر المجموعة الثالثة على ثلاثي ميثيل الغاليوم (TMGa) وثلاثي إيثيل الغاليوم (TEGa) و TM indium و TE indium و TM الألومنيوم. تستخدم غازات الهيدريد أيضًا في العملية: 100٪ AsH₃ و 100٪ ف₃. المنشطات المستخدمة في العملية هي: ثنائي ميثيل الزنك (DMZ) ، ثنائي الميثيل المغنيسيوم وسيلينيد الهيدروجين (H₂سي). تتفاعل هذه المواد داخل غرفة التفاعل تحت ضغط منخفض H.₂ الغلاف الجوي. ينتج التفاعل طبقات فوقية من AlGaAs و AlInGaP و InAsP و GaInP. تم استخدام هذه التقنية بشكل تقليدي في تصنيع أشعة الليزر شبه الموصلة وأجهزة الاتصال البصري مثل أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال الخاصة بالألياف البصرية. تُستخدم عملية AlInGaP لإنتاج مصابيح LED شديدة السطوع.

على غرار عملية VPE ، يمثل مفاعل MOCVD وتنظيف الأجزاء تحديات لكل من العملية وكذلك خبير حفظ الصحة المهنية ، خاصةً إذا كانت الكميات الكبيرة من الأس الهيدروجيني المركّز₃ يستخدم في هذه العملية. كفاءة "التكسير" لهذه المفاعلات ليست كبيرة مثل كفاءة مفاعلات VPE. تتولد كمية كبيرة من الفوسفور ، مما يؤدي إلى نشوب حريق. يتضمن إجراء التنظيف استخدام بيروكسيد الهيدروجين المخفف / هيدروكسيد الأمونيوم على أجزاء مختلفة من هذه المفاعلات ، وهو خطر انفجار إذا تم استخدام محلول مركز في وجود محفز معدني بسبب خطأ المشغل.

تصنيع الجهاز

تنتقل رقاقة GaAs مع طبقة نمت فوق المحور من GaAsP على السطح العلوي إلى تسلسل معالجة تصنيع الجهاز.

ترسب النيتريد

CVD عالي الحرارة لنتريد السيليكون (Si₃N₄) باستخدام فرن نشر قياسي. المصادر الغازية هي silane (SiH₄) والأمونيا (NH₃) بغاز حامل النيتروجين.

عملية التصوير الليثوغرافي

يتم استخدام عملية مقاومة الضوء القياسية ، المحاذاة / التعرض ، التطوير والتجريد كما هو الحال في معالجة جهاز السيليكون (انظر القسم الخاص بالطباعة الحجرية في مقالة "تصنيع أشباه الموصلات السيليكونية").

النقش الرطب

تُستخدم مخاليط مختلفة من محاليل الأحماض الكيميائية الرطبة في الحمامات البلاستيكية في محطات الحفر المستنفدة محليًا ، وبعضها مزود بأنظمة إمداد HEPA الصفائحية المركبة رأسياً. الأحماض الأولية المستخدمة هي الكبريتيك (H₂SO₄) ، الهيدروفلوريك (HF) ، الهيدروكلوريك (HCl) والفوسفوريك (H₃PO₄). كما هو الحال في معالجة السيليكون ، فإن بيروكسيد الهيدروجين (H.₂O₂) مع حامض الكبريتيك وهيدروكسيد الأمونيوم (NH₄OH) يوفر حفر كاوية. يستخدم محلول السيانيد (الصوديوم أو البوتاسيوم) أيضًا لنقش الألومنيوم. ومع ذلك ، يتم التخلص تدريجياً من حفر السيانيد تدريجياً حيث يتم تطوير مؤثرات أخرى لهذه العملية. كبديل للحفر الرطب ، يتم استخدام النقش بالبلازما وعملية الرماد. تكوينات المفاعل والغازات المتفاعلة تشبه إلى حد بعيد تلك المستخدمة في معالجة جهاز السيليكون.

التوزيع

يتم إجراء نشر مصدر صلب من مادة ديارسينيد الزنك في أمبولة مغلقة في فرن تفريغ الهواء عند 720 درجة مئوية ، باستخدام N₂ الغاز الناقل. يستخدم الزرنيخ وزنك الزنك كمواد مخدرة. يتم وزنها في صندوق القفازات بنفس الطريقة كما في الركيزة السائبة.

التأيض

يتم إجراء تبخير أولي للألمنيوم باستخدام مبخر الحزمة الإلكترونية. بعد التراجع ، يتم إجراء آخر خطوة لتبخير الذهب باستخدام مبخر الفتيل.

صناعة السبائك

يتم تنفيذ خطوة الخلط النهائية في فرن نشر منخفض الحرارة ، باستخدام جو خامل من النيتروجين.

ارتداد

يتم إجراء غلق خلفي لإزالة المواد المترسبة (GaAsP ، Si₃N₄ وهلم جرا) من مؤخرة الرقاقة. الرقاقات عبارة عن شمع مثبتة على صفيحة لابر ومغطاة بطبقة رطبة من ملاط ​​السيليكا الغرواني. ثم تتم إزالة الشمع عن طريق تجريد الرقائق من الرقائق في جهاز نزع عضوي في محطة حفر كيميائية رطبة مستنفدة محليًا. البديل الآخر للتلف الرطب هو اللف الجاف ، والذي يستخدم أكسيد الألومنيوم "الرمل".

هناك عدد من أدوات تقشير المقاومة والمقاومة المستخدمة ، والتي تحتوي عادةً على حمض السلفونيك (حمض السلفونيك بنزين الدوديسيل) ، وحمض اللبنيك ، والهيدروكربون العطري ، والنفتالين والكاتيكول. تحتوي بعض أدوات تقشير المقاومة على إيثانوات البوتيل وحمض الخليك وإستر البوتيل. تستخدم أدوات تقشير المقاومة السلبية والإيجابية على حد سواء ، اعتمادًا على المنتج.

الاختبار النهائي

كما هو الحال في معالجة جهاز السيليكون ، يتم اختبار الدوائر LED المكتملة بالكمبيوتر وتمييزها (انظر "تصنيع أشباه موصلات السيليكون"). يتم إجراء الفحص النهائي ثم يتم اختبار الرقائق كهربائيًا لتحديد القوالب المعيبة. ثم يتم استخدام المنشار المبلل لفصل القوالب الفردية ، والتي يتم إرسالها بعد ذلك للتجميع.

الرجوع