Кремний исторически доминировал в разработке технологий ИС в качестве основного полупроводникового материала. Основное внимание в последние годы к альтернативе кремнию было сосредоточено на соединениях III-V, таких как арсенид галлия (GaAs), в качестве материала подложки. Как полупроводниковый материал, GaAs демонстрирует повышенные возможности по сравнению с кремнием, например, подвижность электронов в 5-6 раз больше, чем у кремния. Эта характеристика в сочетании с потенциальными полуизолирующими свойствами GaAs приводит к увеличению производительности как по скорости, так и по энергопотреблению.

GaAs имеет структуру цинковой обманки, состоящую из двух взаимопроникающих гранецентрированных кубических подрешеток, которые связаны с выращиванием высококачественного материала слитка. Технология, связанная с выращиванием GaAs, значительно сложнее, чем технология, используемая для кремния, поскольку используется более сложное двухфазное равновесие и легколетучий компонент, мышьяк (As). Точный контроль давления паров мышьяка в системе выращивания слитков необходим для поддержания точной стехиометрии соединения GaAs в процессе роста. Две основные категории производства полупроводниковых дисплеев и устройств III-V имеют экономически целесообразные процедуры обработки - светодиодные дисплеи и микроволновые устройства ИС.

Светодиоды изготавливаются из монокристаллического GaAs, в котором pn-переходы образованы добавлением подходящих легирующих присадок — обычно теллура, цинка или кремния. Эпитаксиальные слои тройных и четвертичных материалов III-V, таких как фосфид арсенида галлия (GaAsP), выращиваются на подложке и дают полосу излучения определенных длин волн в видимом спектре для дисплеев или в инфракрасном спектре для излучателей или детекторов. Например, красный свет с пиком около 650 нм возникает в результате прямой рекомбинации p-n электронов и дырок. Зеленые диоды обычно состоят из фосфида галлия (GaP). Обобщенные этапы обработки светодиодов описаны в этой статье.

СВЧ-устройства на ИС представляют собой специализированную форму интегральной схемы; они используются в качестве усилителей высокой частоты (от 2 до 18 ГГц) для радиолокации, телекоммуникаций и телеметрии, а также в качестве октавных и многооктавных усилителей для использования в системах радиоэлектронной борьбы. Производители СВЧ-устройств обычно покупают монокристаллическую подложку GaAs с эпитаксиальным слоем или без него у сторонних поставщиков (как и производители кремниевых устройств). Основные этапы обработки включают жидкофазное эпитаксиальное осаждение, изготовление и обработку без изготовления, аналогичную производству кремниевых устройств. В этой статье также обсуждаются этапы обработки, которые требуют описания в дополнение к обработке светодиодов.

Производство вафель

Подобно процессу выращивания слитков кремния, элементарные формы галлия и мышьяка, а также небольшие количества легирующего материала — кремния, теллура или цинка — вступают в реакцию при повышенных температурах с образованием слитков легированного монокристалла GaAs. Используются три обобщенных метода производства слитков:

• горизонтальный или вертикальный Бриджмен

• горизонтальное или вертикальное замораживание градиента

• инкапсулированная жидкость Чохральского высокого или низкого давления (LEC).

Объемное поликристаллическое соединение GaAs обычно образуется в результате реакции паров As с металлическим Ga при повышенных температурах в запаянных кварцевых ампулах. Обычно резервуар As, расположенный на одном конце ампулы, нагревают до 618°C. Это создает примерно 1 атмосферу давления паров As в ампуле, что является необходимым условием для получения стехиометрического GaAs. Пары As вступают в реакцию с металлом Ga, поддерживаемым при температуре 1,238°C и расположенным на другом конце ампулы в лодочке из кварца или пиролитического нитрида бора (PBN). После полной реакции мышьяка образуется поликристаллический заряд. Это используется для выращивания монокристаллов путем программируемого охлаждения (градиентное замораживание) или путем физического перемещения либо ампулы, либо печи, чтобы обеспечить надлежащие температурные градиенты для роста (Бриджмен). Этот непрямой подход (перенос мышьяка) для компаундирования и выращивания GaAs используется из-за высокого давления паров мышьяка при температуре плавления GaAs, около 20 атмосфер при 812°C и 60 атмосфер при 1,238°C соответственно.

Другим подходом к коммерческому производству массивного монокристалла GaAs является метод LEC. Съемник кристаллов Чохральского загружается куском GaAs в тигель с внешним графитовым токоприемником. Затем объемный GaAs плавится при температурах, близких к 1,238 °C, и кристалл вытягивается в атмосфере под давлением, которое может варьироваться в зависимости от производителя, как правило, от нескольких атмосфер до 100 атмосфер. Расплав полностью инкапсулирован вязким стеклом B₂O₃, который предотвращает диссоциацию расплава, поскольку давление пара As соответствует или превышает давление инертного газа (обычно аргона или азота), подаваемого в камеру выталкивателя. В качестве альтернативы можно синтезировать монокристаллический GaAs. на месте путем впрыскивания As в расплавленный Ga или комбинирования As и Ga непосредственно под высоким давлением.

Производство пластин GaAs представляет собой процесс производства полупроводников с наибольшим потенциалом значительных рутинных химических воздействий. Хотя производство GaAs-пластин осуществляется лишь небольшим процентом производителей полупроводников, в этой области необходимо уделять особое внимание. Большое количество мышьяка, используемого в процессе, многочисленные этапы процесса и низкий предел воздействия мышьяка в воздухе затрудняют контроль воздействия. Статьи Харрисона (1986); Ленихан, Шихи и Джонс (1989); Макинтайр и Шерин (1989) и Шихи и Джонс (1993) предоставляют дополнительную информацию об опасностях и средствах контроля этого процесса.

Синтез поликристаллических слитков

Загрузка ампулы и запайка

Элементарный мышьяк (99.9999%) в виде кусков взвешивают и загружают в кварцевую лодочку в вытяжном перчаточном боксе. Чистый жидкий Ga (99.9999%) и легирующий материал также взвешивают и загружают в лодочку (лодочки) из кварца или пиролитического нитрида бора (PBN) таким же образом. Лодочки загружаются в длинную цилиндрическую кварцевую ампулу. (В методах Бриджмена и градиентной заморозки также вводится затравочный кристалл с желаемой кристаллографической ориентацией, тогда как в двухэтапном методе LEC, где на этом этапе требуется только поли-GaAs, поликристаллический GaAs синтезируется без затравочного кристалла. )

Кварцевые ампулы помещают в низкотемпературную печь и нагревают при продувке ампулы водородом (H₂), в процессе, известном как реакция восстановления водорода, для удаления оксидов. После продувки инертным газом, например аргоном, кварцевые ампулы присоединяют к узлу вакуумного насоса, вакуумируют, концы ампул нагревают и запаивают водородно-кислородной горелкой. Это создает заряженную и запаянную кварцевую ампулу, готовую к выращиванию в печи. Продувка водородом и система водородно-кислородной горелки представляют собой потенциальную опасность пожара/взрыва, если не используются надлежащие предохранительные устройства и оборудование (Wade et al. 1981).

Поскольку мышьяк нагревается, эта сборка поддерживается при вытяжной вентиляции. Отложения оксида мышьяка могут образовываться в выхлопном канале, поддерживающем этот узел. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить воздействие и загрязнение, если воздуховоды каким-либо образом будут нарушены.

Хранение и обращение с кусками мышьяка вызывает озабоченность. В целях безопасности мышьяк часто хранится под замком и под строгим инвентарным контролем. Обычно мышьяк также хранится в огнеупорном шкафу, чтобы предотвратить его попадание в случае пожара.

Рост печи

Как в методах Бриджмена, так и в методах градиентного замораживания для выращивания монокристаллических слитков используются загруженные и запаянные кварцевые ампулы в высокотемпературном корпусе печи, вентилируемом в систему мокрого скруббера. Основная опасность воздействия во время выращивания в печи связана с возможностью взрыва или взрыва кварцевой ампулы во время выращивания слитка. Эта ситуация возникает довольно спорадически и нечасто и является результатом одного из следующих действий:

• парциальное давление пара As, возникающее в результате высоких температур, используемых в процессе роста

• расстеклование кварцевого стекла ампулы, что приводит к микротрещинам и сопутствующей возможности разгерметизации ампулы

• отсутствие точных высокотемпературных устройств контроля на источнике нагрева, обычно резистивного типа, что приводит к избыточному давлению в кварцевой ампуле.

• неисправность или отказ термопары, приводящий к избыточному давлению в кварцевой ампуле

• избыток As или слишком мало Ga в трубке ампулы, что приводит к чрезвычайно высокому давлению As, что может вызвать катастрофическую разгерметизацию ампулы.

Горизонтальная система Бриджмена состоит из многозонной печи, в которой запаянная кварцевая ампула имеет отдельные температурные зоны — мышьяковый «холодный» конец пальца при 618°C и кварцевая лодочка из галлия/легирующей примеси/затравочного кристалла, содержащая расплав при 1,238°C. Основной принцип горизонтальной системы Бриджмена включает в себя пересечение двух нагретых зон (одна выше точки плавления GaAs и одна ниже точки плавления) над лодочкой из GaAs, чтобы обеспечить точно контролируемое замораживание расплавленного GaAs. Затравочный кристалл, постоянно поддерживаемый в зоне замораживания, обеспечивает первоначальную начальную структуру кристалла, определяя направление и ориентацию кристаллической структуры внутри лодочки. Кварцевая лодочка и ампула Ga и As подвешены внутри камеры нагревателя с помощью набора вкладышей из карбида кремния, называемых опорными трубками, которые расположены внутри узла резистивного нагревателя для механического перемещения ампулы на полное расстояние. Кроме того, сборка печи опирается на стол, который необходимо наклонять во время выращивания, чтобы обеспечить надлежащую границу раздела синтезированного расплава GaAs с затравочным кристаллом.

В методе градиентной заморозки многозонная высокотемпературная печь с использованием резистивного нагрева поддерживается при температуре от 1,200 до 1,300 °C (1,237 °C — это точка плавления/замерзания GaAs). Общая продолжительность процесса выращивания слитка обычно составляет 3 дня и включает следующие этапы:

• обжиг печи до температуры

• синтез GaAs

• затравка расплава

• охлаждение/рост кристаллов.

Кварцевая ампула также наклоняется в процессе выращивания с помощью ручного домкрата ножничного типа.

Ампульный прорыв

После того, как монокристаллический слиток GaAs выращен в запаянной кварцевой ампуле, ампулу необходимо открыть и удалить кварцевую лодочку, содержащую слиток и затравочный кристалл. Это достигается одним из следующих способов:

• отрезание запаянного конца ампул мокрой циркулярной пилой

• нагрев и растрескивание ампулы водородно-кислородной горелкой

• разбивая ампулу в мешке молотком, находясь под выхлопом, чтобы контролировать переносимый по воздуху мышьяк.

Кварцевые ампулы перерабатываются путем влажного травления конденсированного мышьяка на внутренней поверхности царской водкой (HCl, HNO₃) или серная кислота/перекись водорода (H₂SO₄/H₂O₂).

Дробеструйная обработка/очистка слитка

Чтобы увидеть поликристаллические дефекты и удалить внешние оксиды и загрязнения, слиток монокристалла GaAs необходимо подвергнуть дробеструйной очистке. Дробеструйная очистка выполняется в перчаточном боксе с отработанным воздухом с использованием пескоструйной среды из карбида кремния или прокаленного оксида алюминия. Влажная очистка производится в химических ваннах, оборудованных местной вытяжной вентиляцией и использующих царская водка или спиртовые ополаскиватели (изопропиловый спирт и/или метанол).

Рост монокристаллического слитка

Слиток поликристаллического GaAs, извлеченный из ампулы, разбивается на куски, взвешивается и помещается в кварцевый или PBN-тигель, а сверху на него помещается диск из оксида бора. Затем тигель помещают в устройство для выращивания кристаллов (выталкиватель), находящееся под давлением инертного газа и нагреваемое до 1,238°C. При этой температуре GaAs плавится, а более легкий оксид бора становится жидким герметиком, предотвращающим диссоциацию мышьяка из расплава. Затравочный кристалл вводят в расплав ниже жидкостной шапки и, вращаясь в противоположных направлениях, медленно извлекают из расплава, тем самым затвердевая по мере выхода из «горячей зоны». Этот процесс занимает примерно 24 часа, в зависимости от размера заряда и диаметра кристалла.

После завершения цикла выращивания гровер открывается для извлечения монокристаллического слитка и очистки. Некоторое количество мышьяка выходит из расплава даже при установленной жидкостной крышке. На этом этапе процесса может быть значительное воздействие переносимого по воздуху мышьяка. Чтобы контролировать это воздействие, гровер охлаждают до температуры ниже 100°C, что приводит к отложению мелких частиц мышьяка на внутренней поверхности гровера. Такое охлаждение помогает свести к минимуму количество мышьяка, попадающего в воздух.

Внутри устройства для выращивания кристаллов остаются тяжелые отложения мышьякосодержащих остатков. Удаление остатков во время планового профилактического обслуживания может привести к значительным концентрациям мышьяка в воздухе (Lenihan, Sheehy and Jones 1989; Baldwin and Stewart 1989; McIntyre and Sherin 1989). Средства контроля, используемые во время этой операции технического обслуживания, часто включают вытяжную вентиляцию, одноразовую одежду и респираторы.

Когда слиток извлекают, гровер демонтируют. Вакуум HEPA используется для сбора частиц мышьяка со всех частей гровера. После вакуумирования детали из нержавеющей стали протирают смесью гидроксида аммония и перекиси водорода, чтобы удалить остатки мышьяка, после чего гровер собирается.

обработка пластин

дифракция рентгеновских лучей

Кристаллическая ориентация слитка GaAs определяется с помощью установки рентгеновской дифракции, как при обработке слитка кремния. Лазер малой мощности можно использовать для определения ориентации кристаллов в производственных условиях; однако дифракция рентгеновских лучей является более точным и предпочтительным методом.

При использовании рентгеновской дифракции часто рентгеновский луч полностью помещается в защитный шкаф, который периодически проверяется на предмет утечки излучения. При определенных обстоятельствах нецелесообразно полностью удерживать рентгеновский луч в блокируемом корпусе. В этом случае от операторов может потребоваться ношение значков радиационного излучения на пальцах, и используются элементы управления, аналогичные тем, которые используются для мощных лазеров (например, закрытое помещение с ограниченным доступом, обучение операторов, ограждение луча настолько, насколько это практически возможно, и т. д.) ( Болдуин и Уильямс, 1996).

Обрезка слитков, измельчение и нарезка

Концы или хвосты монокристаллического слитка удаляются с помощью однолезвийной алмазной пилы с водяной смазкой с добавлением в воду различных охлаждающих жидкостей. Затем монокристаллический слиток помещают на токарный станок, который формирует из него цилиндрический слиток одинакового диаметра. Это процесс измельчения, который также является мокрым процессом.

После обрезки и шлифовки слитки GaAs крепятся эпоксидной смолой или воском к графитовой балке и распиливаются на отдельные пластины с помощью автоматически управляемых пил с алмазными дисками внутреннего диаметра (ID). Эта влажная операция выполняется с использованием смазочных материалов и создает суспензию GaAs, которую собирают, центрифугируют и обрабатывают фторидом кальция для осаждения мышьяка. Надосадочную жидкость проверяют, чтобы убедиться, что она не содержит избыточного мышьяка, а осадок прессуют в осадок и утилизируют как опасные отходы. Некоторые производители отправляют собранный шлам после процессов обрезки, измельчения и нарезки слитков на регенерацию галлия.

Арсин и фосфин могут образовываться при реакции GaAs и фосфида индия с влагой воздуха, другими арсенидами и фосфидами или при смешении с кислотами при переработке арсенида галлия и фосфида индия; 92 ppb арсина и 176 ppb фосфина были измерены на расстоянии 2 дюймов от режущих лезвий, используемых для резки слитков GaAs и фосфида индия (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).

Мойка вафель

После демонтажа пластин GaAs с графитовой балки их очищают путем последовательного погружения во влажные химические ванны, содержащие растворы серной кислоты/перекиси водорода или уксусной кислоты и спирты.

Профилирование краев

Профилирование краев также представляет собой влажный процесс, выполняемый на нарезанных пластинах для формирования края вокруг пластины, что делает ее менее склонной к поломке. Поскольку на поверхности пластины делается только тонкий надрез, образуется лишь небольшое количество суспензии.

Притирка и полировка

Пластины наносятся воском на притирочную или шлифовальную плиту с помощью нагревательной плиты и притираются на машине с заданной скоростью вращения и давлением. На притирочную поверхность подается притирочный раствор (суспензия оксида алюминия, глицерина и воды). После короткого периода притирки, когда достигается желаемая толщина, пластины промываются и устанавливаются на механическую полировальную машину. Полировка выполняется с использованием бикарбоната натрия, 5% хлора, воды (или гипохлорита натрия) и суспензии коллоидного кремнезема. Затем пластины демонтируются на плите, воск удаляется с помощью растворителей и пластины очищаются.

эпитаксии

Монокристаллические пластины GaAs используются в качестве подложек для выращивания очень тонких слоев того же или других соединений AIIIBV с заданными электронными или оптическими свойствами. Это необходимо сделать так, чтобы в выращенном слое сохранилась кристаллическая структура подложки. Такой рост кристаллов, при котором подложка определяет кристалличность и ориентацию выращенного слоя, называется эпитаксией, и в производстве дисплеев и устройств III-V используются различные методы эпитаксиального роста. Наиболее распространенными методами являются:

• жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ)

• молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ)

• парофазная эпитаксия (ГФЭ)

• металлорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD), также известное как металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы (OMVPE).

Жидкофазная эпитаксия

В ЖФЭ слой легированного материала AIIIBV выращивается непосредственно на поверхности подложки GaAs с помощью графитового держателя, содержащего отдельные камеры для материала, наносимого на пластины. В верхнюю камеру держателя добавляют навеску материалов для осаждения, а в нижнюю камеру помещают пластины. Сборка помещается в кварцевую реакционную трубку в атмосфере водорода. Трубку нагревают, чтобы расплавить осаждаемые материалы, и, когда расплав уравновешивается, верхнюю часть держателя сдвигают так, чтобы расплав располагался над пластиной. Затем температуру печи снижают для формирования эпитаксиального слоя.

LPE в основном используется в микроволновой эпитаксии ИС и для производства светодиодов определенных длин волн. Основной проблемой этого процесса LPE является использование легковоспламеняющегося газообразного водорода в системе, что смягчается хорошими техническими средствами контроля и системами раннего предупреждения.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Вакуумная эпитаксия в форме МЛЭ стала особенно универсальной техникой. МЛЭ GaAs состоит из сверхвысоковакуумной системы, содержащей источники атомарных или молекулярных пучков Ga и As и нагретой пластины-подложки. Источники молекулярного пучка обычно представляют собой контейнеры для жидкого Ga или твердого As. Источники имеют отверстие, обращенное к подложке. Когда эффузионная печь (или контейнер) нагревается, атомы Ga или молекулы As вытекают из отверстия. Для GaAs рост обычно происходит при температуре подложки выше 450◦C.

Высокие уровни воздействия арсина могут возникать при обслуживании систем МЛЭ с твердыми источниками. Концентрация в воздухе помещения 0.08 частей на миллион была обнаружена в одном исследовании, когда камера установки MBE была открыта для технического обслуживания. Авторы предположили, что временное образование арсина может быть вызвано реакцией очень мелких частиц мышьяка с водяным паром, при этом алюминий выступает в качестве катализатора (Asom et al. 1991).

Эпитаксия в паровой фазе

Обезжиренные и полированные пластины перед эпитаксией подвергаются травлению и очистке. Это включает в себя последовательную операцию мокрого химического погружения с использованием серной кислоты, перекиси водорода и воды в соотношении 5:1:1; ополаскивание деионизированной водой; и изопропиловый спирт чистый/сухой. Также проводится визуальный осмотр.

Используются два основных метода VPE, основанные на двух разных химических процессах:

• III-галогены (GaCl₃) и V-галогены ( AsCl₃) или V-водород (AsH₃ и РН₃)

• металлорганические соединения III и V-водород, такие как Ga(CH₃)₃ и АШ₃—ОМВПЭ.

Термохимия этих методов очень различна. Галогенные реакции обычно ведут от «горячих» к «холодным», в которых III-галоген образуется в горячей зоне в результате реакции элемента III с HCl, а затем диффундирует в холодную зону, где он реагирует с соединениями V. с образованием материала III-V. Металлоорганическая химия представляет собой процесс «горячей стенки», в котором металлорганическое соединение III «расщепляет» или пиролизует органическую группу, а оставшийся III и гидрид V реагируют с образованием III-V.

В ВФЭ подложка GaAs помещается в нагретую камеру в атмосфере водорода. Камера нагревается либо ВЧ, либо резистивным нагревом. HCl барботируют через лодочку Ga, образуя хлорид галлия, который затем реагирует с AsH.₃ и РН₃ вблизи поверхности пластин с образованием GaAsP, который осаждается в виде эпитаксиального слоя на подложку. Можно добавить ряд добавок (в зависимости от продукта и рецепта). К ним относятся низкие концентрации теллуридов, селенидов и сульфидов.

Распространенным методом, используемым для VPE при обработке светодиодов, является система III-галоген и V-водород (гидрид). Он включает в себя двухцикловый процесс — сначала выращивание эпитаксиального слоя GaAsP на подложке GaAs и, наконец, цикл травления для очистки камеры графитового/кварцевого реактора от примесей. Во время цикла эпитаксиального роста предварительно очищенные пластины GaAs загружаются на карусель, расположенный внутри камеры кварцевого реактора, содержащей резервуар с элементарным жидким галлием, через который дозируется безводный газ HCl, образуя GaCl.₃. Смеси гидрид/водород (например, 7% AsH₃/H₂ и 10% РН₃/H₂) также дозируются в камеру реактора с добавлением металлоорганических добавок теллура и селена в концентрациях ppm. Химические частицы в горячей зоне, в верхней части реакционной камеры, реагируют, а в холодной зоне, в нижней части камеры, формируют желаемый слой GaAsP на подложке пластины, а также на внутренней части реакционной камеры. камера реактора.

Выходящие из реактора потоки направляются в систему водородной горелки (камера сгорания или камера сгорания) для пиролиза и поступают в систему мокрого скруббера. В качестве альтернативы потоки, выходящие из реактора, можно барботировать через жидкую среду для улавливания большей части твердых частиц. Проблема безопасности заключается в том, чтобы полагаться на сами реакторы для «расщепления» газов. КПД этих реакторов составляет примерно от 98 до 99.5%; поэтому некоторые непрореагировавшие газы могут выходить из барботера, когда их выводят операторы. Из этих барботеров происходит выделение различных соединений, содержащих мышьяк и фосфор, что требует их быстрой транспортировки в вентилируемую раковину для обслуживания, где они очищаются и очищаются, чтобы снизить воздействие на персонал. Задачей этого процесса с точки зрения гигиены труда является определение профиля выхлопных газов, поскольку большинство соединений, выделившихся из различных частей реактора, особенно из барботера, нестабильны на воздухе, а доступные обычные собирающие среды и аналитические методы не являются дискриминационными по отношению к разные виды.

Еще одной проблемой являются предварительные скрубберы для реакторов VPE. Они могут содержать высокие концентрации арсина и фосфина. Воздействие, превышающее пределы профессионального воздействия, может иметь место, если эти фильтры предварительной очистки открываются без разбора (Baldwin and Stewart 1989).

Цикл травления выполняется в конце цикла роста и на новых деталях реактора для очистки внутренней поверхности от примесей. Неразбавленный газообразный HCl подается в камеру в течение примерно 30 минут, и реактор нагревается до температуры более 1,200°C. Сточные воды направляются в систему мокрого скруббера для нейтрализации.

В конце обоих циклов роста и травления расширенный N₂ продувка используется для промывки камеры реактора от токсичных/горючих и агрессивных газов.

Очистка реактора

После каждого цикла выращивания реакторы VPE необходимо открывать, пластины извлекать и физически очищать как верхнюю, так и нижнюю часть реактора. Процесс очистки выполняется оператором.

Кварцевый предварительный скруббер из реакторов физически выносится из реактора и помещается в отработанный слив, где он продувается азотом.₂, промывают водой, а затем погружают в царская водка. Затем следует еще одна промывка водой перед сушкой детали. Намерение Н.₂ продувка заключается в простом вытеснении кислорода из-за присутствия нестабильного пирофорного фосфора. Некоторые остатки, содержащие различные мышьяк и фосфорсодержащие побочные продукты, остаются на этих деталях даже после продувки и промывки водой. Реакция между этими остатками и смесью сильного окислителя/кислоты потенциально может привести к образованию значительных количеств AsH.₃ и немного РН₃. Существует также потенциал воздействия при других процедурах технического обслуживания в этом районе.

Нижняя часть кварцевой реакционной камеры и нижняя плита (основная плита) очищаются металлическим инструментом, а твердые частицы (смесь GaAs, GaAsP, оксидов мышьяка, оксидов фосфора и захваченных гидридных газов) собираются в металлическом контейнер, расположенный под вертикальным реактором. Для окончательной очистки используется высокоэффективный вакуум.

Еще одна операция, которая может привести к химическому воздействию, — очистка ловушки реактора. Очистка ловушки производится путем соскребания графитовых частиц с верхней камеры, которые имеют корку от всех ранее упомянутых побочных продуктов, а также хлорида мышьяка. Процедура соскабливания создает пыль и выполняется в вентилируемой раковине, чтобы свести к минимуму воздействие на операторов. Линия технологического выхлопа, в которой находятся все побочные продукты, а также влага, образующая жидкие отходы, открывается и сливается в металлический контейнер. Вакуум HEPA используется для очистки любых частиц пыли, которые могли вылететь во время переноса графитовых деталей, а также при подъеме и опускании колпака, который сбивает любые незакрепленные частицы.

Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы

MOCVD широко используется при изготовлении устройств III-V. В дополнение к газообразным гидридам, используемым в качестве исходных материалов в других системах CVD (например, арсин и фосфин), менее токсичные жидкие альтернативы (например, трет-бутиларсин и трет-бутилфосфин) также используются в системах MOCVD вместе с другими токсичными веществами, такими как алкилы кадмия и ртуть (Content 1989; Rhoades, Sands and Mattera 1989; Roychowdhury 1991).

В то время как VPE относится к процессу осаждения составного материала, MOCVD относится к исходным химическим источникам, используемым в системе. Используются два химических вещества: галогениды и металлоорганические соединения. Описанный выше процесс VPE представляет собой галоидный процесс. Галогенид III группы (галлий) образуется в горячей зоне, а соединение III-V осаждается в холодной зоне. В металлоорганическом процессе для GaAs триметилгаллий дозируется в реакционную камеру вместе с арсином или менее токсичным жидким альтернативным продуктом, таким как трет-бутиларсин, для образования арсенида галлия. Пример типичной реакции MOCVD:

(СН₃)₃Га + Аш₃ → GaAs + 3CH₄

Существуют и другие химические вещества, используемые при MOCVD-обработке светодиодов. Металлоорганические соединения, используемые в качестве элементов группы III, включают триметилгаллий (TMGa), триэтилгаллий (TEGa), индий TM, индий TE и алюминий TM. В процессе также используются гидридные газы: 100% AsH₃ и 100% РН₃. Легирующие примеси, используемые в процессе: диметилцинк (DMZ), бис-циклопентадиенилмагний и селенид водорода (H₂Сэ). Эти материалы реагируют в реакционной камере под низким давлением H₂ атмосфера. В результате реакции образуются эпитаксиальные слои AlGaAs, AlInGaP, InAsP и GaInP. Этот метод традиционно использовался при производстве полупроводниковых лазеров и устройств оптической связи, таких как передатчики и приемники для волоконной оптики. Процесс AlInGaP используется для производства очень ярких светодиодов.

Подобно процессу VPE, очистка реактора и деталей MOCVD представляет собой проблему как для самого процесса, так и для специалиста по гигиене труда, особенно при наличии большого количества концентрированного PH.₃ используется в процессе. Эффективность «крекинга» этих реакторов не так велика, как у реакторов ВФЭ. Образуется значительное количество фосфора, что является пожароопасным. Процедура очистки включает использование разбавленной перекиси водорода/гидроксида аммония на различных частях этих реакторов, что представляет опасность взрыва, если из-за ошибки оператора используется концентрированный раствор в присутствии металлического катализатора.

Изготовление устройств

Пластина GaAs с эпитаксиально выращенным слоем GaAsP на верхней поверхности переходит к этапу обработки изготовления устройства.

Нитридное осаждение

Высокотемпературный CVD нитрида кремния ( Si₃N₄) выполняется с использованием стандартной диффузионной печи. Источниками газа являются силан (SiH₄) и аммиак (NH₃) с газом-носителем азотом.

Фотолитографический процесс

Стандартный процесс фоторезиста, выравнивания/экспозиции, проявления и зачистки используется так же, как и при обработке кремниевых устройств (см. раздел о литографии в статье «Производство кремниевых полупроводников»).

Мокрое травление

Различные смеси кислотных растворов влажных химикатов используются в пластиковых ваннах на станциях травления с локальным отводом воздуха, некоторые из которых снабжены вертикально установленными системами подачи с ламинарными фильтрами HEPA. Основные используемые кислоты - серная ( H₂SO₄), фтористоводородной (HF), соляной (HCl) и фосфорной (H₃PO₄). Как и при обработке кремния, перекись водорода ( H₂O₂) используется с серной кислотой и гидроксидом аммония (NH₄OH) обеспечивает каустическое травление. Раствор цианида (натрия или калия) также используется для травления алюминия. Однако травление цианидом постепенно прекращается, поскольку для этого процесса разрабатываются другие травители. В качестве альтернативы жидкому травлению используется процесс плазменного травления и озоления. Конфигурации реактора и газы-реагенты очень похожи на те, которые используются при обработке кремниевых устройств.

Вещание

Диффузия твердого источника диарсенида цинка в закрытой ампуле проводится в вакуумной диффузионной печи при 720°C с использованием N₂ газ-носитель. В качестве присадок используются мышьяк и арсенид цинка. Их взвешивают в перчаточном боксе так же, как и насыпной субстрат.

Металлизация

Первоначальное испарение алюминия осуществляется с использованием электронно-лучевого испарителя. После обратной притирки выполняется последний этап испарения золота с использованием испарителя с нитью.

Легирование

Заключительную стадию сплавления проводят в низкотемпературной диффузионной печи с использованием инертной атмосферы азота.

бэклейпинг

Наплавка выполняется для удаления осажденных материалов (GaAsP, Si₃N₄ и так далее) с обратной стороны пластины. Пластины намазываются воском на пластину для притирки и притираются суспензией коллоидного кремнезема во влажном состоянии. Затем воск удаляют мокрой зачисткой пластин в органической зачистке на станции влажного химического травления с локальной вытяжкой. Другой альтернативой мокрой притирке является сухая притирка, в которой используется «песок» из оксида алюминия.

Существует ряд используемых резистов и растворителей резистов, обычно содержащих сульфокислоту (додецилбензолсульфокислоту), молочную кислоту, ароматические углеводороды, нафталин и катехол. Некоторые растворители резиста содержат бутилэтаноат, уксусную кислоту и бутиловый эфир. В зависимости от продукта используются как негативные, так и позитивные резисты, а также съемники резистов.

Финальный тест

Как и при обработке кремниевых устройств, готовые схемы светодиодов тестируются на компьютере и маркируются (см. «Производство кремниевых полупроводников»). Выполняется окончательная проверка, а затем пластины подвергаются электрическим испытаниям для маркировки дефектных кристаллов. Затем мокрая пила используется для разделения отдельных штампов, которые затем отправляются на сборку.

Назад