Il silicio ha storicamente dominato lo sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati come materiale semiconduttore primario. L'attenzione principale negli ultimi anni su un'alternativa al silicio si è concentrata sui composti III-V, come l'arseniuro di gallio (GaAs), come materiale di substrato. Come materiale semiconduttore, GaAs mostra maggiori capacità rispetto al silicio, come la mobilità degli elettroni da 5 a 6 volte quella del silicio. Questa caratteristica, unita alle potenziali proprietà semiisolanti del GaAs, porta ad un aumento delle prestazioni sia in termini di velocità che di consumo energetico.

GaAs ha una struttura di blenda di zinco costituita da due sottoreticoli cubici centrati sulla faccia interpenetranti che si riferiscono alla crescita di materiale lingotto di alta qualità. La tecnologia coinvolta nella crescita di GaAs è considerevolmente più complicata di quella impiegata per il silicio, poiché è coinvolto un equilibrio bifase più complicato e un componente altamente volatile, l'arsenico (As). È necessario un controllo preciso della pressione del vapore di As nel sistema di crescita del lingotto per mantenere l'esatta stechiometria del composto GaAs durante il processo di crescita. Due categorie principali di display a semiconduttore III-V e produzione di dispositivi hanno procedure di elaborazione economicamente fattibili: display a LED e dispositivi IC a microonde.

I LED sono fabbricati da GaAs a cristallo singolo in cui le giunzioni pn sono formate dall'aggiunta di agenti droganti adatti, tipicamente tellurio, zinco o silicio. Strati epitassiali di materiali III-V ternari e quaternari come il fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP) vengono cresciuti sul substrato e danno luogo a una banda di emissione di lunghezze d'onda specifiche nello spettro visibile per i display o nello spettro infrarosso per emettitori o rilevatori. Ad esempio, la luce rossa con un picco a circa 650 nm proviene dalla ricombinazione diretta degli elettroni pn e delle lacune. I diodi a emissione verde sono generalmente composti da fosfuro di gallio (GaP). Le fasi di elaborazione dei LED generalizzate sono trattate in questo articolo.

I dispositivi IC a microonde sono una forma specializzata di circuito integrato; sono utilizzati come amplificatori ad alta frequenza (da 2 a 18 GHz) per radar, telecomunicazioni e telemetria, nonché per amplificatori di ottava e multiottava per l'uso in sistemi di guerra elettronica. I produttori di dispositivi IC a microonde in genere acquistano un substrato GaAs a cristallo singolo, con o senza uno strato epitassiale, da fornitori esterni (così come i produttori di dispositivi in ​​silicio). Le principali fasi di lavorazione includono la deposizione epitassiale in fase liquida, la fabbricazione e l'elaborazione non di fabbricazione simile alla produzione di dispositivi in ​​silicio. In questo articolo vengono discusse anche le fasi di elaborazione che giustificano una descrizione aggiuntiva rispetto a quella per l'elaborazione dei LED.

Produzione di wafer

Analogamente al processo di crescita del lingotto di silicio, le forme elementari di gallio e arsenico, oltre a piccole quantità di materiale drogante (silicio, tellurio o zinco), vengono fatte reagire a temperature elevate per formare lingotti di GaAs monocristallino drogato. Vengono utilizzati tre metodi generalizzati di produzione di lingotti:

• Bridgeman orizzontale o verticale

• congelamento gradiente orizzontale o verticale

• Czochralski incapsulato liquido ad alta o bassa pressione (LEC).

Il composto GaAs policristallino sfuso è normalmente formato dalla reazione del vapore di As con il metallo Ga a temperature elevate in fiale di quarzo sigillate. Tipicamente, un serbatoio di As situato a un'estremità dell'ampolla viene riscaldato a 618°C. Questo genera circa 1 atmosfera di tensione di vapore di As nell'ampolla, un prerequisito per ottenere GaAs stechiometrico. Il vapore di As reagisce con il metallo Ga mantenuto a 1,238°C e situato all'altra estremità dell'ampolla in una barca di quarzo o nitruro di boro pirolitico (PBN). Dopo che l'arsenico ha reagito completamente, si forma una carica policristallina. Questo viene utilizzato per la crescita di cristalli singoli mediante raffreddamento programmato (congelamento gradiente) o spostando fisicamente l'ampolla o il forno per fornire gradienti di temperatura adeguati per la crescita (Bridgeman). Questo approccio indiretto (trasporto dell'arsenico) per la composizione e la crescita del GaAs viene utilizzato a causa dell'elevata tensione di vapore dell'arsenico al punto di fusione del GaAs, circa 20 atmosfere a 812°C e 60 atmosfere a 1,238°C, rispettivamente.

Un altro approccio alla produzione commerciale di GaAs a cristallo singolo sfuso è la tecnica LEC. Un estrattore di cristalli di Czochralski viene caricato con un pezzo di GaAs in un crogiolo con un suscettore di grafite esterno. Il GaAs sfuso viene quindi fuso a temperature vicine a 1,238°C e il cristallo viene tirato in un'atmosfera pressurizzata che potrebbe variare in genere a seconda del produttore da poche atmosfere fino a 100 atmosfere. Il fuso è completamente incapsulato da un vetro viscoso, B₂O₃, che impedisce la dissociazione allo stato fuso poiché la pressione del vapore di As è eguagliata o superata dalla pressione di un gas inerte (tipicamente argon o azoto) applicato nella camera dell'estrattore. In alternativa, è possibile sintetizzare GaAs monocristallino on-site iniettando l'As nel Ga fuso o combinando As e Ga direttamente ad alta pressione.

La produzione di wafer GaAs rappresenta il processo di produzione di semiconduttori con il maggior potenziale di esposizioni chimiche significative e di routine. Mentre la produzione di wafer GaAs viene effettuata solo da una piccola percentuale di produttori di semiconduttori, è necessaria particolare attenzione in questo settore. Le grandi quantità di As utilizzate nel processo, le numerose fasi del processo e il basso limite di esposizione nell'aria per l'arsenico rendono difficile il controllo delle esposizioni. Articoli di Harrison (1986); Lenihan, Sheehy e Jones (1989); McIntyre e Sherin (1989) e Sheehy e Jones (1993) forniscono ulteriori informazioni sui pericoli e sui controlli per questo processo.

Sintesi di lingotti policristallini

Caricamento e sigillatura della fiala

Elemental As (99.9999%) in forma di pezzi viene pesato e caricato in una barca di quarzo in un vano portaoggetti esaurito. Anche il Ga liquido puro (99.9999%) e il materiale drogante vengono pesati e caricati in una o più barchette di quarzo o nitruro di boro pirolitico (PBN) nello stesso modo. Le barchette vengono caricate in una lunga ampolla cilindrica di quarzo. (Nelle tecniche Bridgman e Gradient Freeze, viene introdotto anche un cristallo seme con l'orientamento cristallografico desiderato, mentre nella tecnica LEC a due stadi, dove in questa fase è necessario solo il poli GaAs, viene sintetizzato un GaAs policristallino senza il cristallo seme. )

Le fiale di quarzo vengono poste in un forno a bassa temperatura e riscaldate mentre l'ampolla viene spurgata con idrogeno (H₂), in un processo noto come reazione di riduzione dell'idrogeno, per rimuovere gli ossidi. Dopo lo spurgo con un gas inerte come l'argon, le fiale di quarzo vengono fissate a un gruppo pompa a vuoto, evacuate e le estremità delle fiale vengono riscaldate e sigillate con una torcia a idrogeno/ossigeno. Questo crea un'ampolla di quarzo caricata e sigillata pronta per la crescita della fornace. Lo spurgo dell'idrogeno e il sistema torcia idrogeno/ossigeno rappresentano un potenziale rischio di incendio/esplosione se non vengono utilizzati dispositivi e attrezzature di sicurezza adeguati (Wade et al. 1981).

Poiché l'arsenico viene riscaldato, questo gruppo viene mantenuto sotto ventilazione di scarico. Nel condotto di scarico che supporta questo gruppo possono formarsi depositi di ossido di arsenico. È necessario prestare attenzione per prevenire l'esposizione e la contaminazione nel caso in cui i condotti vengano disturbati in qualsiasi modo.

Lo stoccaggio e la manipolazione dei pezzi di arsenico è una preoccupazione. Per motivi di sicurezza, spesso l'arsenico viene conservato in depositi chiusi e con uno stretto controllo dell'inventario. Tipicamente l'arsenico viene anche conservato in un armadio di stoccaggio resistente al fuoco per prevenirne il coinvolgimento in caso di incendio.

Crescita del forno

I metodi Bridgeman e Gradient Freeze per la crescita di lingotti a cristallo singolo utilizzano entrambi ampolle di quarzo caricate e sigillate in un involucro del forno ad alta temperatura che viene sfiatato in un sistema di lavaggio a umido. I principali rischi di esposizione durante la crescita del forno si riferiscono alla possibilità che l'ampolla di quarzo imploda o esploda durante la crescita del lingotto. Questa situazione si verifica su una base piuttosto sporadica e poco frequente ed è il risultato di uno dei seguenti:

• la pressione parziale del vapore di As che deriva dalle alte temperature utilizzate nel processo di crescita

• devetrificazione del vetro dell'ampolla di quarzo, che crea fessure capillari e il conseguente potenziale di depressurizzazione dell'ampolla

• mancanza di accurati dispositivi di controllo delle alte temperature sulla fonte di riscaldamento, solitamente di tipo resistivo, con conseguente sovrapressurizzazione dell'ampolla di quarzo

• malfunzionamento o guasto della termocoppia, con conseguente sovrapressurizzazione dell'ampolla di quarzo

• eccesso di As o troppo poco Ga nel tubo dell'ampolla, con conseguente pressione di As estremamente elevata, che può causare una catastrofica depressurizzazione dell'ampolla.

Il sistema Bridgeman orizzontale è costituito da un forno multizona in cui l'ampolla di quarzo sigillata ha zone di temperatura separate: l'estremità del dito "freddo" di arsenico a 618°C e la barca di cristallo di quarzo gallio/drogante/seme contenente il fuso a 1,238°C. Il principio di base del sistema Bridgeman orizzontale prevede l'attraversamento di due zone riscaldate (una sopra il punto di fusione del GaAs e una sotto il punto di fusione) su una barca di GaAs per fornire il congelamento controllato con precisione del GaAs fuso. Il cristallo seme, mantenuto sempre nella zona di congelamento, fornisce la struttura di partenza del cristallo iniziale, definendo la direzione e l'orientamento della struttura cristallina all'interno della barca. La barca di quarzo e l'ampolla di Ga e As sono sospese all'interno della camera del riscaldatore da una serie di rivestimenti in carburo di silicio chiamati tubi di supporto, che sono posizionati all'interno del gruppo del riscaldatore di resistenza per spostare meccanicamente l'intera distanza dell'ampolla. Inoltre, il gruppo del forno poggia su un tavolo che deve essere inclinato durante la crescita per fornire l'interfaccia corretta del GaAs fuso sintetizzato con il seme cristallino.

Nel metodo del gradiente di congelamento, un forno ad alta temperatura multizona che utilizza il riscaldamento a resistenza viene mantenuto a una temperatura compresa tra 1,200 e 1,300 °C (1,237 °C è il punto di fusione/congelamento del GaAs). La durata totale del processo di crescita del lingotto è in genere di 3 giorni e comprende le seguenti fasi:

• cottura in forno a temperatura

• Sintesi di GaAs

• seminare il fuso

• raffreddamento/crescita dei cristalli.

L'ampolla di quarzo viene anche inclinata durante il processo di crescita mediante l'uso di un martinetto manuale a forbice.

Rottura dell'ampolla

Dopo che il lingotto di GaAs a cristallo singolo è cresciuto all'interno dell'ampolla di quarzo sigillata, l'ampolla deve essere aperta e la barca di quarzo contenente il lingotto più il seme di cristallo deve essere rimossa. Ciò si ottiene con uno dei seguenti metodi:

• tagliando l'estremità sigillata delle fiale con una sega circolare bagnata

• riscaldare e rompere la fiala con una torcia a idrogeno/ossigeno

• rompere l'ampolla insaccata con un martello mentre era sotto scarico per controllare l'arsenico disperso nell'aria.

Le fiale di quarzo vengono riciclate mediante incisione a umido dell'arsenico condensato sulla superficie interna con acqua regia (HCl, HNO₃) o acido solforico/perossido di idrogeno (H₂SO₄/H₂O₂).

Sabbiatura/pulizia di lingotti

Per vedere i difetti policristallini e rimuovere ossidi esterni e contaminanti, il lingotto GaAs monocristallino deve essere sabbiato. La granigliatura viene eseguita in un'unità guantiera esausta utilizzando carburo di silicio o mezzi di sabbiatura di allumina calcinata. La pulizia a umido viene eseguita in bagni chimici dotati di ventilazione di scarico locale e utilizzo acqua regia o risciacqui alcolici (alcool isopropilico e/o metanolo).

Crescita di lingotti monocristallini

Il lingotto di GaAs policristallino recuperato dall'ampolla viene spezzato in pezzi, pesato e posto in un crogiolo di quarzo o PBN e su di esso viene posto un disco di ossido di boro. Il crogiolo viene quindi posto in un coltivatore di cristalli (estrattore) pressurizzato in un gas inerte e riscaldato a 1,238°C. A questa temperatura, il GaAs fonde, con l'ossido di boro più leggero che diventa un incapsulante liquido per impedire all'arsenico di dissociarsi dal fuso. Un seme cristallino viene introdotto nella massa fusa al di sotto del tappo liquido e, mentre ruota in senso contrario, viene lentamente ritirato dalla massa fusa, solidificandosi così quando lascia la "zona calda". Questo processo richiede circa 24 ore, a seconda della dimensione della carica e del diametro del cristallo.

Terminato il ciclo di crescita, il grower viene aperto per recuperare il lingotto monocristallino e per la pulizia. Una certa quantità di arsenico fuoriesce dalla fusione anche con il tappo del liquido in posizione. Ci può essere un'esposizione significativa all'arsenico aereo durante questa fase del processo. Per controllare questa esposizione, il coltivatore viene raffreddato a una temperatura inferiore a 100°C, il che si traduce nella deposizione di fini particelle di arsenico sulla superficie interna del coltivatore. Questo raffreddamento aiuta a ridurre al minimo la quantità di arsenico che si disperde nell'aria.

Depositi pesanti di residui contenenti arsenico vengono lasciati all'interno del coltivatore di cristalli. La rimozione dei residui durante la manutenzione preventiva di routine può provocare significative concentrazioni di arsenico nell'aria (Lenihan, Sheehy e Jones 1989; Baldwin e Stewart 1989; McIntyre e Sherin 1989). I controlli utilizzati durante questa operazione di manutenzione includono spesso la ventilazione di scarico degli scavenger, indumenti monouso e respiratori.

Quando il lingotto viene rimosso, il coltivatore viene smantellato. Un vuoto HEPA viene utilizzato per raccogliere le particelle di arsenico su tutte le parti del coltivatore. Dopo l'aspirazione, le parti in acciaio inossidabile vengono pulite con una miscela di idrossido di ammonio/perossido di idrogeno per rimuovere qualsiasi residuo di arsenico e il coltivatore viene assemblato.

Lavorazione wafer

Diffrazione di raggi X

L'orientamento cristallino del lingotto di GaAs è determinato dall'uso di un'unità di diffrazione di raggi X, come nella lavorazione del lingotto di silicio. Un laser a bassa potenza può essere utilizzato per determinare l'orientamento cristallino in un ambiente di produzione; tuttavia, la diffrazione dei raggi X è più accurata ed è il metodo preferito.

Quando si utilizza la diffrazione di raggi X, spesso il raggio di raggi X è completamente racchiuso in un armadio protettivo che viene periodicamente controllato per perdite di radiazioni. In determinate circostanze, non è pratico contenere completamente il fascio di raggi X in un involucro interbloccato. In questo caso, agli operatori può essere richiesto di indossare badge per le dita contro le radiazioni e vengono utilizzati controlli simili a quelli utilizzati per i laser ad alta potenza (ad esempio, stanza chiusa con accesso limitato, formazione dell'operatore, chiusura del raggio quanto più possibile, ecc.) ( Baldovino e Williams 1996).

Taglio, macinazione e tranciatura di lingotti

Le estremità o code del lingotto monocristallo vengono rimosse, utilizzando una sega diamantata monolama lubrificata ad acqua, con vari refrigeranti aggiunti all'acqua. Il lingotto monocristallino viene quindi posto su un tornio che lo modella in un lingotto cilindrico di diametro uniforme. Questo è il processo di macinazione, che è anche un processo a umido.

Dopo il taglio e la macinazione, i lingotti GaAs vengono montati con resina epossidica o cera su una trave di grafite e segati in singoli wafer mediante l'uso di seghe a lama diamantata con diametro interno (ID) ad azionamento automatico. Questa operazione a umido viene eseguita con l'uso di lubrificanti e genera un impasto di GaAs, che viene raccolto, centrifugato e trattato con fluoruro di calcio per far precipitare l'arsenico. Il supernatante viene testato per garantire che non contenga arsenico in eccesso e il fango viene pressato in una torta e smaltito come rifiuto pericoloso. Alcuni produttori inviano il liquame raccolto dai processi di taglio, macinazione e affettatura dei lingotti per il recupero di Ga.

L'arsina e la fosfina possono essere formate dalla reazione di GaAs e fosfuro di indio con l'umidità dell'aria, altri arseniuri e fosfuri o quando miscelate con acidi durante la lavorazione dell'arseniuro di gallio e del fosfuro di indio; 92 ppb di arsina e 176 ppb di fosfina sono stati misurati a 2 pollici di distanza dalle lame utilizzate per tagliare i lingotti di GaAs e fosfuro di indio (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).

Lavaggio wafer

Dopo che i wafer GaAs sono stati smontati dal fascio di grafite, vengono puliti mediante immersione sequenziale in bagni chimici umidi contenenti soluzioni di acido solforico/perossido di idrogeno o acido acetico e alcoli.

Profilatura dei bordi

La profilatura del bordo è anche un processo a umido eseguito su wafer affettati per formare un bordo attorno al wafer, che lo rende meno soggetto a rotture. Poiché sulla superficie del wafer viene praticato solo un taglio sottile, viene generata solo una piccola quantità di impasto liquido.

Lappatura e lucidatura

I wafer vengono montati in cera su una piastra di lappatura o molatura, utilizzando una piastra riscaldante, e vengono lappati su una macchina che esercita una velocità di rotazione e una pressione prestabilite. Una soluzione di lappatura viene alimentata sulla superficie di lappatura (un impasto di ossido di alluminio, glicerina e acqua). Dopo un breve periodo di lappatura, raggiunto lo spessore desiderato, le cialde vengono risciacquate e montate su una lucidatrice meccanica. La lucidatura viene eseguita utilizzando bicarbonato di sodio, cloro al 5%, acqua (o ipoclorito di sodio) e impasto di silice colloidale. I wafer vengono quindi smontati su una piastra riscaldante, la cera viene rimossa con solventi e i wafer vengono puliti.

epitassia

I wafer monocristallini di GaAs vengono utilizzati come substrati per la crescita di strati molto sottili dello stesso o di altri composti III-V aventi le desiderate proprietà elettroniche od ottiche. Questo deve essere fatto in modo da continuare, nello strato cresciuto, la struttura cristallina del substrato. Tale crescita cristallina, in cui il substrato determina la cristallinità e l'orientamento dello strato cresciuto, è chiamata epitassia e una varietà di tecniche di crescita epitassiale viene utilizzata nella produzione di display e dispositivi III-V. Le tecniche più comuni sono:

• epitassia in fase liquida (LPE)

• epitassia a fascio molecolare (MBE)

• epitassia in fase vapore (VPE)

• deposizione di vapore chimico metallorganico (MOCVD), nota anche come epitassia in fase vapore organometallica (OMVPE).

Epitassia in fase liquida

In LPE uno strato di materiale drogato III-V viene cresciuto direttamente sulla superficie del substrato GaAs utilizzando un supporto di grafite che contiene camere separate per il materiale da depositare sui wafer. Quantità pesate di materiali di deposizione vengono aggiunte alla camera superiore del supporto, mentre i wafer vengono posti in una camera inferiore. L'assieme è posto all'interno di un tubo di reazione al quarzo sotto un'atmosfera di idrogeno. Il tubo viene riscaldato per fondere i materiali di deposizione e, quando la massa fusa si equilibra, la sezione superiore del supporto viene fatta scorrere in modo che la massa fusa sia posizionata sopra il wafer. La temperatura del forno viene quindi abbassata per formare lo strato epitassiale.

LPE viene utilizzato principalmente nell'epitassia IC a microonde e per la produzione di LED di determinate lunghezze d'onda. La principale preoccupazione di questo processo LPE è l'uso di idrogeno gassoso altamente infiammabile nel sistema, che è mitigato da buoni controlli ingegneristici e sistemi di allerta precoce.

Epitassia da fasci molecolari

L'epitassia sotto vuoto sotto forma di MBE si è sviluppata come una tecnica particolarmente versatile. MBE di GaAs è costituito da un sistema ad altissimo vuoto contenente sorgenti per fasci atomici o molecolari di Ga e As e un wafer di substrato riscaldato. Le sorgenti di fasci molecolari sono solitamente contenitori per Ga liquido o As solido. Le sorgenti hanno un orifizio rivolto verso il wafer di substrato. Quando il forno di effusione (o contenitore) viene riscaldato, gli atomi di Ga o le molecole di As fuoriescono dall'orifizio. Per GaAs, la crescita avviene solitamente con una temperatura del substrato superiore a 450°C.

Elevate esposizioni all'arsina possono verificarsi durante la manutenzione dei sistemi MBE a fonte solida. In uno studio sono state rilevate concentrazioni di aria ambiente di 0.08 ppm quando la camera dell'unità MBE è stata aperta per manutenzione. Gli autori hanno ipotizzato che la generazione transitoria di arsina possa essere causata da una reazione di arsenico particolato molto fine con vapore acqueo, con l'alluminio che funge da catalizzatore (Asom et al. 1991).

Epitassia in fase vapore

I wafer sgrassati e lucidati subiscono una fase di incisione e pulizia prima dell'epitassia. Ciò comporta un'operazione di immersione chimica umida sequenziale utilizzando acido solforico, perossido di idrogeno e acqua in un rapporto 5:1:1; un risciacquo con acqua deionizzata; e un alcool isopropilico pulito/asciutto. Viene eseguita anche un'ispezione visiva.

Sono in uso due principali tecniche di VPE, basate su due diverse chimiche:

• gli alogeni III (GaCl₃) e V-alogeni (AsCl₃) o V-idrogeno (AsH₃ e PH₃)

• gli III metallo-organici e V-idrogeno, come Ga(CH₃)₃ e Ash₃—OMVP.

La termochimica di queste tecniche è molto diversa. Le reazioni dell'alogeno sono generalmente da "caldo" a "freddo", in cui l'III-alogeno viene generato in una zona calda dalla reazione dell'III elemento con HCl, e poi si diffonde nella zona fredda, dove reagisce con la specie V per formare materiale III-V. La chimica metallo-organica è un processo a "parete calda" in cui l'III composto metallo-organico "rompe" o pirolizza via il gruppo organico e il restante III e l'idruro V reagiscono per formare III-V.

In VPE, il substrato GaAs viene posto in una camera riscaldata sotto un'atmosfera di idrogeno. La camera è riscaldata da RF o riscaldamento a resistenza. L'HCl viene fatto gorgogliare attraverso una barca Ga, formando cloruro di gallio, che poi reagisce con l'AsH₃ e PH₃ vicino alla superficie dei wafer per formare GaAsP, che viene depositato come strato epitassiale sul substrato. È possibile aggiungere un certo numero di droganti (a seconda del prodotto e della ricetta). Questi includono basse concentrazioni di tellururi, seleniuri e solfuri.

Una tecnica comune utilizzata per VPE nell'elaborazione LED è il sistema III-alogeno e V-idrogeno (idruro). Implica un processo a due cicli: inizialmente la crescita dello strato epitassiale di GaAsP sul substrato di GaAs e, infine, un ciclo di attacco per pulire la camera del reattore di grafite/quarzo dalle impurità. Durante il ciclo di crescita epitassiale, i wafer di GaAs pre-puliti vengono caricati su un carosello situato all'interno di una camera del reattore di quarzo contenente un serbatoio di gallio liquido elementare attraverso il quale viene dosato gas HCl anidro, formando GaCl₃. Le miscele gassose idruro/idrogeno (ad esempio, 7% AsH₃/H₂ e 10% pH₃/H₂) vengono anche dosati nella camera del reattore con l'aggiunta di concentrazioni in ppm di droganti organometallici di tellurio e selenio. Le specie chimiche nella zona calda, la parte superiore della camera di reazione, reagiscono e, nella zona fredda, la parte inferiore della camera, formano lo strato desiderato di GaAsP sul substrato del wafer e all'interno del camera del reattore.

Gli effluenti dal reattore vengono indirizzati a un sistema di torcia a idrogeno (camera di combustione o camera di combustione) per la pirolisi e scaricati in un sistema di lavaggio a umido. In alternativa, gli effluenti del reattore possono essere fatti gorgogliare attraverso un mezzo liquido per intrappolare la maggior parte delle particelle. La sfida per la sicurezza è fare affidamento sui reattori stessi per "crackare" i gas. L'efficienza di questi reattori è di circa il 98-99.5%; pertanto, alcuni gas non reagiti potrebbero fuoriuscire dal gorgogliatore quando vengono prelevati dagli operatori. C'è fuoriuscita di gas di vari composti contenenti arsenico e fosforo da questi gorgogliatori, che richiedono che vengano trasportati rapidamente in un lavandino ventilato per la manutenzione, dove vengono spurgati e puliti, al fine di mantenere bassa l'esposizione del personale. La sfida per l'igiene professionale di questo processo è la profilazione dell'effluente di scarico, poiché la maggior parte dei composti degassati da varie parti del reattore, in particolare il gorgogliatore, sono instabili nell'aria e i mezzi di raccolta convenzionali disponibili e le tecniche analitiche non sono discriminatorie nei confronti del specie diverse.

Un'altra preoccupazione riguarda i prescrubber per i reattori VPE. Possono contenere alte concentrazioni di arsina e fosfina. Possono verificarsi esposizioni al di sopra dei limiti di esposizione professionale se questi prescrubber vengono aperti indiscriminatamente (Baldwin e Stewart 1989).

Il ciclo di attacco viene eseguito alla fine del ciclo di crescita e su nuove parti del reattore per pulire la superficie interna dalle impurità. Il gas HCl non diluito viene dosato nella camera per periodi di circa 30 minuti e il reattore viene riscaldato a oltre 1,200°C. Gli effluenti vengono scaricati nel sistema di lavaggio a umido per la neutralizzazione.

Alla fine di entrambi i cicli di crescita e attacco, un esteso N₂ lo spurgo viene utilizzato per lavare la camera del reattore da gas tossici/infiammabili e corrosivi.

Pulizia del reattore

Dopo ogni ciclo di crescita, i reattori VPE devono essere aperti, i wafer rimossi e sia la parte superiore che quella inferiore del reattore devono essere fisicamente pulite. Il processo di pulizia viene eseguito dall'operatore.

Il prescrubber al quarzo dai reattori viene spostato fisicamente fuori dal reattore e posto in un pozzo esausto dove viene spurgato con N₂, sciacquato con acqua e poi immerso acqua regia. Questo è seguito da un altro risciacquo con acqua prima di asciugare la parte. L'intenzione del n₂ lo spurgo consiste semplicemente nello spostare l'ossigeno a causa della presenza di fosforo piroforico instabile. Alcuni residui contenenti vari arsenicali e sottoprodotti contenenti fosforo rimangono su queste parti anche dopo lo spurgo e il risciacquo con acqua. La reazione tra questi residui e la miscela forte ossidante/acido potrebbe potenzialmente generare quantità significative di AsH₃ e un po' di Ph₃. Esiste anche un potenziale di esposizione con altre procedure di manutenzione nell'area.

La parte inferiore della camera di reazione al quarzo e la piastra inferiore (piastra di base) vengono raschiate utilizzando uno strumento metallico e il materiale particolato (miscela di GaAs, GaAsP, ossidi di arsenico, ossidi di fosforo e gas di idruro intrappolati) viene raccolto in un contenitore metallico contenitore posizionato sotto il reattore verticale. Per la pulizia finale viene utilizzato un aspiratore ad alta efficienza.

Un'altra operazione con potenziale esposizione chimica è la pulizia della trappola del reattore. La pulizia della trappola avviene raschiando dalla camera superiore le parti in grafite che presentano una crosta di tutti i sottoprodotti precedentemente citati più cloruro di arsenico. La procedura di raschiatura genera polvere e viene eseguita in un lavandino ventilato per ridurre al minimo l'esposizione degli operatori. La linea di scarico del processo, che contiene tutti i sottoprodotti più l'umidità che forma un liquido di scarto, viene aperta e drenata in un contenitore metallico. L'aspiratore HEPA viene utilizzato per pulire eventuali particelle di polvere che potrebbero essere sfuggite durante il trasferimento delle parti in grafite e dal sollevamento e abbassamento della campana, che stacca eventuali particelle libere.

Deposizione chimico-vapore metallorganica

MOCVD è ampiamente utilizzato nella preparazione di dispositivi III-V. Oltre ai gas idruri utilizzati come materiali di partenza in altri sistemi CVD (ad es. arsina e fosfina), nei sistemi MOCVD vengono utilizzate anche alternative liquide meno tossiche (ad es. butil arsina terziaria e butil fosfina terziaria), insieme ad altre sostanze tossiche come cadmio alchili e mercurio (Content 1989; Rhoades, Sands e Mattera 1989; Roychowdhury 1991).

Mentre VPE si riferisce a un processo di deposizione di materiale composto, MOCVD si riferisce alle fonti di chimica madre utilizzate nel sistema. Vengono utilizzate due sostanze chimiche: alogenuri e metallorganici. Il processo VPE sopra descritto è un processo ad alogenuri. Nella zona calda si forma un alogenuro di gruppo III (gallio) e nella zona fredda si deposita il composto III-V. Nel processo metallorganico per GaAs, il trimetilgallio viene dosato nella camera di reazione insieme all'arsina, o un'alternativa liquida meno tossica come il terziario butil arsina, per formare l'arseniuro di gallio. Un esempio di una tipica reazione MOCVD è:

(CH₃)₃Ga+AsH₃ → GaAs + 3CH₄

Esistono altre sostanze chimiche utilizzate nell'elaborazione MOCVD dei LED. Gli organometallici usati come elementi del gruppo III includono trimetil gallio (TMGa), trietil gallio (TEGa), TM indio, TE indio e TM alluminio. Nel processo vengono utilizzati anche gas idruri: 100% Ash₃ e 100% pH₃. I droganti utilizzati nel processo sono: dimetil zinco (DMZ), bis-ciclopentadienil magnesio e seleniuro di idrogeno (H₂Se). Questi materiali vengono fatti reagire all'interno della camera di reazione sotto un H₂ atmosfera. La reazione produce strati epitassiali di AlGaAs, AlInGaP, InAsP e GaInP. Questa tecnica è stata tradizionalmente utilizzata nella produzione di laser a semiconduttore e dispositivi di comunicazione ottica come trasmettitori e ricevitori per fibre ottiche. Il processo AlInGaP viene utilizzato per produrre LED molto luminosi.

Simile al processo VPE, il reattore MOCVD e la pulizia delle parti presentano sfide sia per il processo che per l'igienista del lavoro, specialmente se grandi quantità di PH concentrato₃ viene utilizzato nel processo. L'efficienza di "cracking" di questi reattori non è così grande come quella dei reattori VPE. C'è una quantità significativa di fosforo generato, che è un pericolo di incendio. La procedura di pulizia prevede l'uso di perossido di idrogeno/idrossido di ammonio diluito su varie parti di questi reattori, che rappresenta un rischio di esplosione se, a causa di un errore dell'operatore, viene utilizzata una soluzione concentrata in presenza di un catalizzatore metallico.

Fabbricazione di dispositivi

Il wafer GaAs con uno strato di GaAsP cresciuto epitassialmente sulla superficie superiore procede alla sequenza di elaborazione della fabbricazione del dispositivo.

Deposizione di nitruro

Un CVD ad alta temperatura di nitruro di silicio (Si₃N₄) viene eseguita utilizzando un forno a diffusione standard. Le sorgenti gassose sono il silano (SiH₄) e ammoniaca (NH₃) con un gas di trasporto azoto.

Processo fotolitografico

Il processo standard di fotoresist, allineamento/esposizione, sviluppo e rimozione viene utilizzato come nella lavorazione dei dispositivi in ​​silicio (vedere la sezione sulla litografia nell'articolo "Produzione di semiconduttori di silicio").

Acquaforte bagnata

Varie miscele di soluzioni acide chimiche umide vengono utilizzate nei bagni di plastica nelle stazioni di attacco con scarico locale, alcune dotate di sistemi di alimentazione filtrati HEPA lamellari montati verticalmente. Gli acidi primari in uso sono solforici (H₂SO₄), fluoridrico (HF), cloridrico (HCl) e fosforico (H₃PO₄). Come nella lavorazione del silicio, il perossido di idrogeno (H₂O₂) viene utilizzato con acido solforico e idrossido di ammonio (NH₄OH) fornisce un attacco caustico. Una soluzione di cianuro (sodio o potassio) viene utilizzata anche per l'incisione dell'alluminio. Tuttavia, l'attacco al cianuro viene gradualmente eliminato man mano che vengono sviluppati altri agenti di attacco per questo processo. In alternativa all'incisione a umido, viene utilizzato un processo di incisione al plasma e incenerimento. Le configurazioni del reattore ei gas reagenti sono molto simili a quelli utilizzati nella lavorazione dei dispositivi al silicio.

Emittente

Una diffusione di fonte solida di diarseniuro di zinco in ampolla chiusa viene eseguita in un forno di diffusione sotto vuoto a 720 ° C, utilizzando un N₂ gas vettore. L'arsenico e l'arseniuro di zinco sono usati come droganti. Vengono pesati in una cella a guanti allo stesso modo del substrato sfuso.

Metallizzazione

Viene eseguita un'evaporazione iniziale dell'alluminio utilizzando un evaporatore a fascio elettronico. Dopo la lappatura, viene eseguita un'ultima fase di evaporazione dell'oro utilizzando un evaporatore a filamento.

Alligazione

Una fase finale di lega viene eseguita in un forno a diffusione a bassa temperatura, utilizzando un'atmosfera inerte di azoto.

Lappatura

Il backlapping viene eseguito per rimuovere i materiali depositati (GaAsP, Si₃N₄ e così via) dalla parte posteriore del wafer. I wafer sono montati con cera su una piastra lapper e lappati a umido con un impasto di silice colloidale. Quindi la cera viene rimossa mediante stripping a umido dei wafer in un estrattore organico in una stazione di incisione chimica a umido localmente esaurita. Un'altra alternativa alla lappatura a umido è la lappatura a secco, che utilizza la "sabbia" di ossido di alluminio.

Sono utilizzati numerosi resist e stripper di resist, tipicamente contenenti acido solfonico (acido dodecilbenzensolfonico), acido lattico, idrocarburo aromatico, naftalene e catecolo. Alcuni svernicianti resistenti contengono etanoato di butile, acido acetico e estere butilico. Sono disponibili resist sia negativi che positivi e sverniciatori di resist utilizzati, a seconda del prodotto.

Test finale

Come nella lavorazione dei dispositivi in ​​silicio, i circuiti LED completati vengono testati e contrassegnati al computer (vedere "Produzione di semiconduttori in silicio"). Viene eseguita l'ispezione finale e quindi i wafer vengono testati elettricamente per contrassegnare gli stampi difettosi. Una sega bagnata viene quindi utilizzata per separare i singoli stampi, che vengono poi inviati per l'assemblaggio.

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