Silicon imekuwa ikitawala maendeleo ya teknolojia ya IC kihistoria kama nyenzo ya msingi ya semiconductor. Lengo kuu katika miaka ya hivi karibuni la mbadala wa silikoni limejikita zaidi kwenye misombo ya III-V, kama vile gallium arsenide (GaAs), kama nyenzo ya substrate. Kama nyenzo ya semiconductor, GaAs huonyesha uwezo ulioongezeka juu ya silikoni, kama vile uhamaji wa elektroni mara 5 hadi 6 kuliko silicon. Tabia hii, pamoja na uwezo wa kuhami nusu wa gesi za GaAs, husababisha kuongezeka kwa utendaji katika kasi na matumizi ya nishati.

GaAs ina muundo-mchanganyiko wa zinki unaojumuisha vijisehemu viwili vya ujazo vinavyoingiliana vinavyohusiana na ukuaji wa nyenzo za ubora wa juu za ingot. Teknolojia inayohusika katika ukuzaji wa GaAs ni ngumu zaidi kuliko ile inayotumika kwa silicon, kama usawa wa awamu mbili ngumu zaidi na kipengele tete cha juu, arseniki (As), inahusika. Udhibiti sahihi wa shinikizo la As mvuke katika mfumo wa ukuaji wa ingot inahitajika ili kudumisha stoichiometry kamili ya kiwanja cha GaAs wakati wa mchakato wa ukuaji. Aina mbili za msingi za onyesho la semicondukta ya III-V na utengenezaji wa kifaa zina taratibu za uchakataji zinazowezekana kiuchumi—maonyesho ya LED na vifaa vya IC vya microwave.

LED zinatengenezwa kutoka kwa GaAs za kioo moja ambapo makutano ya pn huundwa kwa kuongeza mawakala wa doping wanaofaa-kawaida tellurium, zinki au silicon. Tabaka za epitaxial za nyenzo za ternary na quaternary III-V kama vile gallium arsenide phosfide (GaAsP) hukuzwa kwenye substrate na kusababisha mkanda wa utoaji wa urefu wa mawimbi maalum katika wigo unaoonekana kwa maonyesho au katika wigo wa infrared kwa emitter au vigunduzi. Kwa mfano, mwanga mwekundu wenye kilele cha takriban 650 nm hutoka kwenye upatanisho wa moja kwa moja wa elektroni za pn na mashimo. Diodi zinazotoa moshi kijani kwa ujumla huundwa na gallium phosfidi (GaP). Hatua za jumla za usindikaji wa LED zimefunikwa katika makala hii.

Vifaa vya Microwave IC ni aina maalum ya mzunguko jumuishi; hutumika kama vikuza sauti vya juu-frequency (GHz 2 hadi 18) kwa rada, mawasiliano ya simu na telemetry, na vile vile vikuza sauti vya oktava na oktava nyingi kwa matumizi katika mifumo ya vita vya kielektroniki. Watengenezaji wa kifaa cha Microwave IC kwa kawaida hununua substrate ya GaAs ya fuwele moja, iwe na au bila safu ya epitaxial, kutoka kwa wauzaji wa nje (kama watengenezaji wa vifaa vya silicon). Hatua kuu za usindikaji ni pamoja na uwekaji wa awamu ya kioevu epitaxial, uundaji na usindikaji usio wa kutengeneza sawa na utengenezaji wa kifaa cha silicon. Hatua za usindikaji ambazo maelezo ya kibali zaidi ya yale ya usindikaji wa LED pia yanajadiliwa katika makala haya.

Utengenezaji wa Kaki

Sawa na mchakato wa ukuaji wa ingoti ya silicon, aina za awali za galliamu na arseniki, pamoja na kiasi kidogo cha nyenzo za dopant—silicon, tellurium au zinki—huathiriwa kwa viwango vya juu vya halijoto na kuunda ingoti za GaAs zenye fuwele moja. Njia tatu za jumla za uzalishaji wa ingot hutumiwa:

• Bridgeman ya usawa au wima

• kuganda kwa mlalo au wima

• kioevu cha juu au cha chini cha shinikizo kilichowekwa Czochralski (LEC).

Kiunga kikubwa cha GaAs za polycrystalline kawaida huundwa na mmenyuko wa As mvuke na chuma cha Ga katika viwango vya juu vya joto katika ampoule za quartz zilizofungwa. Kawaida, hifadhi ya As iliyo kwenye mwisho mmoja wa ampoule huwashwa hadi 618 ° C. Hii inazalisha takriban anga 1 ya Kama shinikizo la mvuke kwenye ampoule, hitaji la lazima la kupata GaAs za stoichiometric. Mvuke wa As humenyuka pamoja na metali ya Ga iliyodumishwa kwa 1,238°C na iko kwenye ncha nyingine ya ampoule katika mashua ya quartz au pyrolytic boroni nitridi (PBN). Baada ya arseniki kuguswa kabisa, malipo ya polycrystalline huundwa. Hii inatumika kwa ukuaji wa fuwele moja kwa upoaji uliopangwa (kuganda kwa upinde rangi) au kwa kusogeza ampoule au tanuru ili kutoa viwango vya joto vinavyofaa kwa ukuaji (Bridgeman). Njia hii isiyo ya moja kwa moja (usafiri wa arseniki) kwa kuchanganya na ukuaji wa GaAs hutumiwa kwa sababu ya shinikizo la juu la mvuke wa arseniki kwenye hatua ya kuyeyuka ya GaAs, kuhusu anga 20 katika 812 ° C na angahewa 60 kwa 1,238 ° C, kwa mtiririko huo.

Njia nyingine ya uzalishaji wa kibiashara wa GaAs nyingi za kioo moja ni mbinu ya LEC. Kivuta fuwele cha Czochralski kimepakiwa na vipande vya GaAs kwenye kiriba na kibasi cha nje cha grafiti. Kisha GaA nyingi huyeyushwa kwa halijoto inayokaribia 1,238°C, na kioo huvutwa katika angahewa yenye shinikizo ambayo inaweza kutofautiana na mtengenezaji kwa kawaida kutoka angahewa chache hadi angahewa 100. Kuyeyuka kumefungwa kabisa na glasi ya viscous, B₂O₃, ambayo huzuia mtengano wa kuyeyuka kwa vile shinikizo la mvuke la As linalinganishwa au kuzidishwa na shinikizo la gesi ajizi (kawaida argon, au nitrojeni) inayowekwa kwenye chemba ya kivuta. Vinginevyo, GaAs za monocrystalline zinaweza kuunganishwa on-site kwa kudunga As kwenye Ga iliyoyeyuka au kuchanganya As na Ga moja kwa moja kwenye shinikizo la juu.

Utengenezaji wa kaki za GaAs huwakilisha mchakato wa utengenezaji wa semicondukta wenye uwezo mkubwa zaidi wa mfiduo wa kawaida wa kemikali. Ingawa utengenezaji wa kaki za GaAs hufanywa na asilimia ndogo tu ya watengenezaji wa semiconductor, mkazo maalum unahitajika katika eneo hili. Kiasi kikubwa cha Kama inavyotumika katika mchakato, hatua nyingi katika mchakato na kikomo cha chini cha mfiduo wa arseniki hufanya iwe vigumu kudhibiti mfiduo. Makala ya Harrison (1986); Lenihan, Sheehy na Jones (1989); McIntyre na Sherin (1989) na Sheehy na Jones (1993) wanatoa maelezo ya ziada kuhusu hatari na vidhibiti vya mchakato huu.

Mchanganyiko wa ingot ya polycrystalline

Ampoule mzigo na muhuri

Elemental As (99.9999%) katika umbo la kipande hupimwa na kupakiwa kwenye boti ya quartz kwenye kisanduku cha glavu kilichochoka. Kioevu safi Ga (99.9999%) na nyenzo ya dopant pia hupimwa na kupakiwa kwenye boti ya quartz au pyrolytic boroni nitridi (PBN) kwa njia sawa. Boti hupakiwa kwenye ampoule ya quartz ndefu ya cylindrical. (Katika mbinu za kugandisha za Bridgman na gradient, kioo cha mbegu chenye mwelekeo unaotakiwa wa crystallographic pia huletwa, ambapo katika mbinu ya LEC ya hatua mbili, ambapo GaAs za aina nyingi pekee zinahitajika katika hatua hii, GaA za polycrystalline huunganishwa bila fuwele ya mbegu. )

Ampoules za quartz huwekwa kwenye tanuru ya joto la chini na moto wakati ampoule inasafishwa na hidrojeni (H.₂), katika mchakato unaojulikana kama mmenyuko wa kupunguza hidrojeni, kuondoa oksidi. Baada ya kusafisha na gesi ya ajizi kama vile argon, ampoules za quartz huunganishwa kwenye mkusanyiko wa pampu ya utupu, kuhamishwa, na ncha za ampoule huwashwa na kufungwa na tochi ya hidrojeni/oksijeni. Hii inaunda ampoule ya quartz iliyoshtakiwa na kufungwa tayari kwa ukuaji wa tanuru. Usafishaji wa hidrojeni na mfumo wa tochi ya hidrojeni/oksijeni ni hatari inayoweza kutokea kwa moto/mlipuko ikiwa vifaa na vifaa sahihi vya usalama havitumiki (Wade et al. 1981).

Kwa sababu arseniki inapokanzwa, mkusanyiko huu unasimamiwa chini ya uingizaji hewa wa kutolea nje. Amana za oksidi ya arseniki zinaweza kuunda kwenye mfereji wa kutolea nje unaounga mkono mkusanyiko huu. Uangalifu lazima uchukuliwe ili kuzuia mfiduo na uchafuzi ikiwa mirija itasumbuliwa kwa njia yoyote.

Uhifadhi na utunzaji wa vipande vya arseniki ni wasiwasi. Kwa usalama, mara nyingi arseniki huwekwa chini ya uhifadhi uliofungwa na udhibiti mkali wa hesabu. Kwa kawaida arseniki pia huwekwa katika kabati ya hifadhi iliyokadiriwa moto ili kuzuia kuhusika kwake katika tukio la moto.

Ukuaji wa tanuru

Njia za kugandisha za Bridgeman na gradient za ukuaji wa ingoti zenye fuwele moja hutumia ampoule za quartz zilizochajiwa na kufungwa katika eneo la tanuru la joto la juu ambalo hutolewa kwa mfumo wa kusugua wenye unyevunyevu. Hatari za msingi za kukaribiana wakati wa ukuaji wa tanuru huhusiana na uwezekano wa ampoule ya quartz kupasuka au kulipuka wakati wa ukuaji wa ingoti. Hali hii hutokea mara kwa mara na mara chache, na ni matokeo ya mojawapo ya yafuatayo:

• shinikizo la sehemu ya mvuke ya As ambayo hutokana na halijoto ya juu inayotumika katika mchakato wa ukuaji

• devitrification ya glasi ya ampoule ya quartz, ambayo huunda nyufa za nywele na uwezekano wa mtumishi wa de-pressurization ya ampoule.

• ukosefu wa vifaa sahihi vya kudhibiti halijoto ya juu kwenye chanzo cha kupokanzwa-kawaida aina ya upinzani-na matokeo ya shinikizo la juu la ampoule ya quartz.

• malfunction au kushindwa kwa thermocouple, na kusababisha shinikizo la juu la ampoule ya quartz.

• ziada Kama au kidogo sana Ga katika bomba la ampoule, na kusababisha shinikizo la juu sana, ambalo linaweza kusababisha unyogovu wa janga wa ampoule.

Mfumo wa mlalo wa Bridgeman unajumuisha tanuru ya kanda nyingi ambamo ampoule ya quartz iliyofungwa ina maeneo tofauti ya halijoto—kidole cha arseniki “baridi” kina mwisho wa 618°C na boti ya fuwele ya quartz/dopant/seed iliyo na kuyeyuka kwa 1,238°C. Kanuni ya msingi katika mfumo mlalo wa Bridgeman inahusisha kuvuka maeneo mawili yenye joto (moja juu ya sehemu ya kuyeyuka ya GaAs, na moja chini ya kiwango myeyuko) juu ya mashua ya GaAs ili kutoa ugandishaji unaodhibitiwa kwa usahihi wa GaA zilizoyeyuka. Kioo cha mbegu, kilichohifadhiwa wakati wote katika ukanda wa kufungia, hutoa muundo wa mwanzo wa kioo, unaofafanua mwelekeo na mwelekeo wa muundo wa fuwele ndani ya mashua. Boti ya quartz na ampoule ya Ga na As imesimamishwa ndani ya chumba cha heater na seti ya tani za silicon carbudi inayoitwa mirija ya usaidizi, ambayo imewekwa ndani ya mkusanyiko wa heater ya upinzani ili kusonga umbali kamili wa ampoule. Zaidi ya hayo, mkusanyiko wa tanuru hutegemea meza ambayo lazima ielekezwe wakati wa ukuaji ili kutoa kiolesura sahihi cha GaAs zilizounganishwa kuyeyuka kwa fuwele ya mbegu.

Katika mbinu ya kugandisha upinde rangi, tanuru ya halijoto ya juu ya kanda nyingi inayotumia kupokanzwa upinzani huhifadhiwa kwa 1,200 hadi 1,300 °C (1,237°C ni sehemu ya kuyeyuka/kuganda kwa GaAs). Jumla ya muda wa ukuaji wa ingot kwa kawaida ni siku 3 na inajumuisha hatua zifuatazo:

• tanuru ya moto kwa joto

• Mchanganyiko wa GaAs

• kupanda mbegu kuyeyuka

• baridi chini / ukuaji wa kioo.

Ampoule ya quartz pia hupigwa wakati wa mchakato wa ukuaji kwa kutumia jack ya mwongozo ya aina ya mkasi.

Kuzuka kwa ampoule

Baada ya ingot ya GaAs ya kioo moja imeongezeka ndani ya ampoule ya quartz iliyofungwa, ampoule lazima ifunguliwe na mashua ya quartz yenye kioo cha ingot pamoja na mbegu kuondolewa. Hii inakamilishwa na mojawapo ya njia zifuatazo:

• kukata mwisho uliofungwa wa ampoules na saw ya mvua ya mviringo

• inapokanzwa na kupasuka kwa ampoule na tochi ya hidrojeni/oksijeni

• kuvunja ampoule ya mfuko kwa nyundo wakati chini ya kutolea nje ili kudhibiti arseniki ya hewa.

Ampoules za quartz hurejeshwa kwa kuweka arseniki iliyofupishwa kwenye uso wa ndani na aqua regia (HCl,HNO).₃) au asidi ya sulfuriki/peroksidi ya hidrojeni (H₂SO₄/H₂O₂).

Kuweka shanga/kusafisha

Ili kuona kasoro za polycrystalline na kuondoa oksidi za nje na uchafu, ingot ya GaAs ya fuwele moja lazima ipeperushwe kwa shanga. Ulipuaji wa shanga hufanywa katika kitengo cha kisanduku cha glavu kilichochoka kwa kutumia kaboni ya silicon au vyombo vya kulipua vya alumina. Usafishaji wa mvua hufanywa katika bafu za kemikali zinazotolewa na uingizaji hewa wa ndani wa kutolea nje na kutumia aqua regia au rinses za pombe (alkoholi ya isopropyl na/au methanoli).

Ukuaji wa ingot ya monocrystalline

Ingot ya polycrystalline GaAs iliyopatikana kutoka kwa ampoule imevunjwa vipande vipande, kupimwa na kuwekwa kwenye crucible ya quartz au PBN, na diski ya oksidi ya boroni imewekwa juu yake. Kisha crucible huwekwa ndani ya mkulima wa fuwele (mvutaji) iliyoshinikizwa katika gesi ajizi, na kupashwa joto hadi 1,238°C. Katika halijoto hii, GaAs huyeyuka, na oksidi ya boroni nyepesi na kuwa kipenyo kioevu ili kuzuia arseniki kujitenga na kuyeyuka. Fuwele ya mbegu huletwa ndani ya kuyeyushwa chini ya kifuniko cha kioevu na inapozunguka, hutolewa polepole kutoka kwenye kuyeyuka, na hivyo kuganda inapoondoka kwenye "eneo la moto". Utaratibu huu huchukua takriban masaa 24, kulingana na saizi ya chaji na kipenyo cha fuwele.

Mara baada ya mzunguko wa ukuaji kukamilika, mkulima hufunguliwa ili kurejesha ingot ya monocrystalline na kwa kusafisha. Kiasi fulani cha arseniki hutoka kwenye kuyeyuka hata ikiwa na kofia ya kioevu mahali. Kunaweza kuwa na mfiduo mkubwa wa arseniki ya hewa wakati wa hatua hii ya mchakato. Ili kudhibiti mfiduo huu, mkulima hupozwa hadi chini ya 100 ° C, ambayo husababisha uwekaji wa chembechembe safi za arseniki kwenye uso wa ndani wa mkulima. Upoezaji huu husaidia kupunguza kiwango cha arseniki ambacho huwa hewani.

Hifadhi nzito za mabaki yenye arseniki huachwa ndani ya mkulima wa fuwele. Kuondolewa kwa mabaki wakati wa matengenezo ya kawaida ya kuzuia kunaweza kusababisha viwango muhimu vya arseniki hewani (Lenihan, Sheehy na Jones 1989; Baldwin na Stewart 1989; McIntyre na Sherin 1989). Vidhibiti vinavyotumiwa wakati wa operesheni hii ya matengenezo mara nyingi hujumuisha uingizaji hewa wa bomba la kutolea nje, nguo za kutupwa na vipumuaji.

Wakati ingot inapoondolewa, mkulima huvunjwa. Ombwe la HEPA hutumika kuchukua chembechembe za arseniki kwenye sehemu zote za mkulima. Baada ya utupu, sehemu za chuma cha pua zinafutwa na mchanganyiko wa hidroksidi ya ammoniamu/peroksidi ya hidrojeni ili kuondoa arseniki yoyote iliyobaki, na mkulima hukusanywa.

Usindikaji wa kaki

Mchanganyiko wa eksirei

Mwelekeo wa fuwele wa ingot ya GaAs hubainishwa na matumizi ya kitengo cha mgawanyiko wa eksirei, kama ilivyo katika usindikaji wa ingot ya silicon. Laser yenye nguvu ya chini inaweza kutumika kuamua mwelekeo wa fuwele katika mpangilio wa uzalishaji; hata hivyo, mgawanyiko wa x-ray ni sahihi zaidi na ndiyo njia inayopendekezwa.

Wakati mgawanyiko wa eksirei unapotumiwa, mara nyingi boriti ya eksirei hufungwa kabisa kwenye kabati ya kinga ambayo hukaguliwa mara kwa mara ili kuona kuvuja kwa mionzi. Chini ya hali fulani, si vitendo kuweka kikamilifu boriti ya eksirei katika eneo lililofungwa. Katika tukio hili waendeshaji wanaweza kuhitajika kuvaa beji za vidole vya mionzi, na vidhibiti vinavyofanana na vile vinavyotumiwa kwa leza zenye nguvu ya juu hutumiwa (kwa mfano, chumba kilichofungwa kisicho na ufikiaji mdogo, mafunzo ya waendeshaji, kuziba boriti kadri inavyowezekana, n.k.) ( Baldwin na Williams 1996).

Kupunguza ingot, kusaga na kukata

Miisho au mikia ya ingot ya fuwele moja huondolewa, kwa kutumia msumeno wa almasi yenye blade moja iliyotiwa maji, na vipozezi mbalimbali vinaongezwa kwenye maji. Kisha ingot ya monocrystalline huwekwa kwenye lathe ambayo inaifanya kuwa ingot ya cylindrical ya kipenyo cha sare. Huu ni mchakato wa kusaga, ambayo pia ni mchakato wa mvua.

Baada ya kukatwa na kusaga, ingo za GaAs ni epoksi au nta iliyowekwa kwenye boriti ya grafiti na kukatwa kwenye kaki za kibinafsi kupitia matumizi ya misumeno ya kipenyo cha ndani (ID) inayoendeshwa kiotomatiki. Operesheni hii ya mvua hufanywa kwa matumizi ya vilainishi na hutoa tope la GaAs, ambalo hukusanywa, kuwekwa katikati na kutibiwa na floridi ya kalsiamu ili kutoa arseniki. Dawa ya juu inajaribiwa ili kuhakikisha kwamba haina arseniki ya ziada, na sludge inasisitizwa ndani ya keki na kutupwa kama taka hatari. Watengenezaji wengine hutuma tope zilizokusanywa kutoka kwa michakato ya upandaji, kusaga na kukata kwa ingot kwa urejeshaji wa Ga.

Arsine na phosphine zinaweza kuundwa kutokana na mmenyuko wa GaAs na fosfidi ya indium na unyevu wa hewa, arsenidi nyingine na fosfidi au wakati wa kuchanganywa na asidi wakati wa usindikaji wa gallium arsenide na fosfidi ya indium; 92 ppb arsine na 176 ppb phosphine zimepimwa kwa inchi 2 kutoka kwa vile vya kukata vilivyotumika kukata GaAs na ingo za indium fosfidi (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).

Kuosha kaki

Baada ya kaki za GaAs kuteremshwa kutoka kwa boriti ya grafiti, husafishwa kwa kuzamishwa kwa kufuatana katika bafu zenye kemikali zenye miyeyusho ya asidi ya sulfuriki/peroksidi hidrojeni au asidi asetiki na alkoholi.

Uwekaji wasifu wa makali

Uwekaji wasifu wa ukingo pia ni mchakato wa mvua unaofanywa kwenye kaki zilizokatwa ili kuunda ukingo karibu na kaki, ambayo huifanya iwe rahisi kukatika. Kwa sababu kata nyembamba tu inafanywa juu ya uso wa kaki, ni kiasi kidogo tu cha slurry kinachozalishwa.

Lapping na polishing

Kaki huwekwa nta kwenye sahani ya kukunja au ya kusaga, kwa kutumia hotplate, na hulazwa kwenye mashine inayotumia kasi na shinikizo la mzunguko. Suluhisho la lapping hulishwa kwenye uso wa lapping (tope la oksidi ya alumini, glycerine na maji). Baada ya muda mfupi wa lapping, wakati unene taka ni mafanikio, kaki ni suuza na vyema kwenye mashine polishing mitambo. Kusafisha hufanywa kwa kutumia bicarbonate ya sodiamu, klorini 5%, maji (au hypochlorite ya sodiamu) na tope la silika la colloidal. Kaki basi hushushwa kwenye hotplate, nta huondolewa kwa kutumia vimumunyisho na kaki husafishwa.

Epitaksia

Kaki zenye fuwele za GaAs hutumika kama viunga vya ukuaji wa tabaka nyembamba sana za misombo sawa au nyingine ya III-V yenye sifa za kielektroniki au za macho zinazohitajika. Hii lazima ifanyike kwa namna ya kuendelea, katika safu iliyokua, muundo wa kioo wa substrate. Ukuaji kama huo wa fuwele, ambapo substrate huamua uunganisho na mwelekeo wa safu iliyokua, inaitwa epitaxy, na mbinu mbalimbali za ukuaji wa epitaxial hutumiwa katika maonyesho ya III-V na uzalishaji wa kifaa. Mbinu za kawaida ni:

• epitaksi ya awamu ya kioevu (LPE)

• epitaksi ya molekuli-boriti (MBE)

• epitaksi ya awamu ya mvuke (VPE)

• uwekaji wa kemikali-mvuke wa metali-organic (MOCVD)—pia inajulikana kama epitaksi ya awamu ya mvuke ya organometallic (OMVPE).

Epitaksi ya awamu ya kioevu

Katika LPE safu ya nyenzo ya III-V yenye doped hupandwa moja kwa moja kwenye uso wa substrate ya GaAs kwa kutumia kishikilia grafiti ambacho kina vyumba tofauti kwa nyenzo za kuwekwa kwenye kaki. Kiasi kilichopimwa cha nyenzo za uwekaji huongezwa kwenye chumba cha juu cha mmiliki, wakati kaki huwekwa kwenye chumba cha chini. Mkutano umewekwa ndani ya bomba la majibu ya quartz chini ya anga ya hidrojeni. Bomba huwashwa moto ili kuyeyusha nyenzo za uwekaji, na wakati kuyeyuka kunasawazisha, sehemu ya juu ya kishikiliaji huteleza ili kuyeyuka kumewekwa juu ya kaki. Kisha joto la tanuru hupunguzwa ili kuunda safu ya epitaxial.

LPE hutumiwa kimsingi katika epitaksi ya IC ya microwave na kutengeneza LED za urefu fulani wa mawimbi. Wasiwasi mkubwa wa mchakato huu wa LPE ni matumizi ya gesi ya hidrojeni inayoweza kuwaka sana katika mfumo, ambayo inapunguzwa na udhibiti mzuri wa uhandisi na mifumo ya tahadhari ya mapema.

Epitaksi ya boriti ya molekuli

Epitaxy ya utupu katika mfumo wa MBE imeundwa kama mbinu inayotumika sana. MBE ya GaAs inajumuisha mfumo wa utupu wa hali ya juu ulio na vyanzo vya mihimili ya atomiki au molekuli ya Ga na As na kaki ya mkatetaka inayopashwa joto. Vyanzo vya boriti ya molekuli kwa kawaida ni vyombo vya Ga kioevu au As imara. Vyanzo vina mwanya ambao unakabiliana na kaki ya mkatetaka. Wakati tanuri ya mmiminiko (au chombo) imepashwa joto, atomi za Ga au molekuli za As effuse kutoka kwenye orifice. Kwa GaAs, ukuaji kwa kawaida hufanyika kwa joto la chini ya 450 ° C.

Mfiduo wa juu wa arsine unaweza kutokea wakati wa matengenezo ya mifumo ya MBE ya chanzo-imara. Viwango vya hewa ya vyumba vya 0.08 ppm viligunduliwa katika utafiti mmoja wakati chumba cha kitengo cha MBE kilifunguliwa kwa matengenezo. Waandishi walidhania kuwa uzalishaji wa arsine wa muda mfupi unaweza kusababishwa na mmenyuko wa chembechembe za arseniki nzuri sana na mvuke wa maji, na alumini hufanya kama kichocheo (Asom et al. 1991).

Epitaksi ya awamu ya mvuke

Kaki zilizoangaziwa na kung'aa hupitia hatua safi na safi kabla ya epitaxy. Hii inahusisha operesheni ya kuzamisha ya kemikali-nyevu kwa kutumia asidi ya sulfuriki, peroksidi ya hidrojeni na maji katika uwiano wa 5:1:1; suuza maji ya de-ionized; na pombe ya isopropili safi/kavu. Ukaguzi wa kuona pia unafanywa.

Mbinu mbili kuu za VPE zinatumika, kulingana na kemia mbili tofauti:

• III-halojeni (GaCl₃) na V-halojeni (AsCl₃) au V-hidrojeni (AsH₃ na PH₃)

• III metal-organics na V-hidrojeni, kama vile Ga(CH₃)₃ na Ash₃- OMVPE.

Thermochemistries ya mbinu hizi ni tofauti sana. Athari za halojeni kawaida huwa "moto" kwa "baridi", ambapo halojeni ya III huzalishwa katika eneo la moto kwa mmenyuko wa kipengele cha III na HCl, na kisha huenea kwenye eneo la baridi, ambapo humenyuka na aina ya V. kuunda nyenzo za III-V. Kemia ya chuma-hai ni mchakato wa "ukuta wa moto" ambapo kiwanja cha chuma-hai cha III "hupasuka" au pyrolyzes kikundi cha kikaboni na III iliyobaki na hidridi V huguswa kuunda III-V.

Katika VPE, substrate ya GaAs imewekwa kwenye chumba chenye joto chini ya anga ya hidrojeni. Chumba kinapokanzwa na RF au inapokanzwa upinzani. HCl hutiwa majimaji kupitia boti ya Ga, na kutengeneza kloridi ya galliamu, ambayo kisha humenyuka pamoja na Ash.₃ na PH₃ karibu na uso wa kaki ili kuunda GaAsP, ambayo imewekwa kama safu ya epitaxial kwenye substrate. Kuna idadi ya dopants ambayo inaweza kuongezwa (kulingana na bidhaa na mapishi). Hizi ni pamoja na viwango vya chini vya tellurides, selenides na sulfidi.

Mbinu ya kawaida inayotumiwa kwa VPE katika usindikaji wa LED ni mfumo wa III-halojeni na V-hidrojeni (hydride). Inahusisha mchakato wa mizunguko miwili—awali kukuza safu ya epitaxial ya GaAsP kwenye substrate ya GaAs na, hatimaye, mzunguko wa kusafisha uchafu wa chemba ya grafiti/quartz. Wakati wa mzunguko wa ukuaji wa epitaxial, kaki za GaAs zilizosafishwa hapo awali hupakiwa kwenye jukwa lililo ndani ya chemba ya kiyeyusho cha quartz iliyo na hifadhi ya galliamu ya kioevu ambayo kupitia kwayo gesi ya HCl isiyo na maji hupimwa, na kutengeneza GaCl.₃. Michanganyiko ya hidridi/gesi hidrojeni (kwa mfano, 7% Ash₃/H₂ na 10% PH₃/H₂) pia hupimwa kwenye chumba cha reactor na kuongeza viwango vya ppm vya dopants za organometallic za tellurium na selenium. Aina za kemikali katika eneo la moto, sehemu ya juu ya chumba cha mmenyuko, huguswa, na, katika eneo la baridi, sehemu ya chini ya chumba, huunda safu inayotakiwa ya GaAsP kwenye substrate ya kaki na pia kwenye mambo ya ndani ya chumba. chumba cha mtambo.

Maji taka kutoka kwa reactor huelekezwa kwenye mfumo wa tochi ya hidrojeni (chumba cha mwako au kisanduku cha kuchoma) kwa pyrolysis na hutolewa kwa mfumo wa scrubber yenye unyevu. Vinginevyo, maji machafu ya reactor yanaweza kutolewa kupitia kimiminika ili kunasa chembechembe nyingi. Changamoto ya usalama ni kutegemea vinu wenyewe "kupasua" gesi. Ufanisi wa mitambo hii ni takriban 98 hadi 99.5%; kwa hivyo, baadhi ya gesi ambazo hazijashughulikiwa zinaweza kuwa zinatoka kwenye kiputo zinapotolewa na waendeshaji. Kuna uondoaji wa gesi wa misombo mbalimbali yenye arseniki na fosforasi kutoka kwa viputo hivi, vinavyohitaji kusafirishwa haraka hadi kwenye sinki lenye hewa safi kwa ajili ya matengenezo, ambapo husafishwa na kusafishwa, ili kupunguza uwezekano wa wafanyakazi. Changamoto ya usafi wa kazini katika mchakato huu ni kuangazia kimiminiko kitokacho, kwa kuwa misombo mingi inayotolewa na gesi kutoka sehemu mbalimbali za kinu, hasa kipumuo, haina uthabiti hewani na vyombo vya habari vya kawaida vya ukusanyaji na mbinu za uchanganuzi si za kibaguzi. aina mbalimbali.

Wasiwasi mwingine ni viunzi vya vinu vya VPE. Wanaweza kuwa na viwango vya juu vya arsine na fosfini. Mfiduo ulio juu ya vikomo vya mfiduo wa kazini unaweza kutokea ikiwa vidhibiti hivi vitafunguliwa bila mpangilio (Baldwin na Stewart 1989).

Mzunguko wa etch hufanywa mwishoni mwa mzunguko wa ukuaji na kwenye sehemu mpya za reactor ili kusafisha uso wa ndani wa uchafu. Gesi ya HCl isiyoingizwa huwekwa ndani ya chemba kwa muda wa takriban dakika 30, na kinu hutiwa joto hadi zaidi ya 1,200°C. Maji machafu hutolewa kwa mfumo wa kusugua wenye unyevunyevu kwa ajili ya kugeuza.

Mwishoni mwa mzunguko wa ukuaji na etch, N₂ purge hutumika kusukuma chemba ya kiyeyusho cha gesi zenye sumu/kuwaka na babuzi.

Usafishaji wa Reactor

Baada ya kila mzunguko wa ukuaji, mitambo ya VPE lazima ifunguliwe, kaki ziondolewe, na sehemu ya juu na ya chini ya reactor kusafishwa kimwili. Mchakato wa kusafisha unafanywa na operator.

Kisafishaji cha quartz kutoka kwa vinu husogezwa nje ya kinu na kuwekwa kwenye sinki iliyochoka ambapo husafishwa kwa N.₂, kuoshwa kwa maji na kisha kuzama ndani aqua regia. Hii inafuatwa na suuza nyingine ya maji kabla ya kukausha sehemu. Nia ya N₂ kusafisha ni kuondoa tu oksijeni kwa sababu ya uwepo wa fosforasi isiyo na utulivu, ya pyrophoric. Baadhi ya mabaki yaliyo na arseniki mbalimbali na bidhaa zilizo na fosforasi huachwa kwenye sehemu hizi hata baada ya kusafisha na kusafisha maji. Mwitikio kati ya masalia haya na mchanganyiko wa vioksidishaji/asidi kali unaweza kusababisha kiasi kikubwa cha AJIVU.₃ na baadhi ya PH₃. Pia kuna uwezekano wa mfiduo na taratibu zingine za matengenezo katika eneo hilo.

Sehemu ya chini ya chumba cha athari ya quartz na sahani ya chini (sahani ya msingi) husafishwa kwa kutumia zana ya chuma, na nyenzo za chembe (mchanganyiko wa GaAs, GaAsP, oksidi za arseniki, oksidi za fosforasi na gesi za hidridi zilizonaswa) hukusanywa katika chuma. chombo kilichowekwa chini ya kinu cha wima. Utupu wa ufanisi wa juu hutumiwa kwa kusafisha mwisho.

Operesheni nyingine yenye uwezekano wa mfiduo wa kemikali ni kusafisha mtego wa kinu. Usafishaji wa mtego unafanywa kwa kukwangua sehemu za grafiti kutoka kwenye chumba cha juu, ambazo zina ukoko wa bidhaa zote zilizotajwa hapo awali pamoja na kloridi ya arseniki. Utaratibu wa kukwarua hutoa vumbi na unafanywa katika kuzama kwa hewa ili kupunguza yatokanayo na waendeshaji. Mstari wa kutolea nje wa mchakato, ambao una bidhaa zote pamoja na unyevu ambao huunda taka ya kioevu, hufunguliwa na kumwagika kwenye chombo cha chuma. Utupu wa HEPA hutumiwa kusafisha chembe zozote za vumbi ambazo zinaweza kuwa zimetoroka wakati wa kuhamisha sehemu za grafiti na kutoka kwa kuinua na kushuka kwa mtungi wa kengele, ambao huondoa chembe zozote zilizolegea.

Metallorganic kemikali-mvuke utuaji

MOCVD hutumiwa sana katika utayarishaji wa vifaa vya III-V. Kwa kuongezea gesi za hidridi zinazotumika kama nyenzo za chanzo katika mifumo mingine ya CVD (kwa mfano, arsine na fosfini), njia mbadala za kioevu zenye sumu kidogo (kwa mfano, arsine ya juu ya butyl na phosphine ya butyl ya juu) pia hutumiwa katika mifumo ya MOCVD, pamoja na sumu zingine kama vile. cadmium alkyls na zebaki (Maudhui 1989; Rhoades, Sands na Mattera 1989; Roychowdhury 1991).

Ingawa VPE inarejelea mchakato wa utuaji wa nyenzo changamano, MOCVD inarejelea vyanzo vya kemia kuu vinavyotumika kwenye mfumo. Kemia mbili hutumiwa: halidi na metallorganic. Mchakato wa VPE ulioelezewa hapo juu ni mchakato wa halide. Kundi la III halide (gallium) huundwa katika eneo la moto na kiwanja cha III-V kinawekwa kwenye eneo la baridi. Katika mchakato wa metallorganic kwa ajili ya GaAs, trimethylgallium huwekwa katika chemba ya athari pamoja na arsine, au mbadala ya kioevu yenye sumu kidogo kama vile arsine ya juu ya butyl, kuunda gallium arsenide. Mfano wa majibu ya kawaida ya MOCVD ni:

(CH₃)₃Ga + Ash₃ → GaAs + 3CH₄

Kuna kemia zingine zinazotumiwa katika usindikaji wa MOCVD wa LEDs. Organometallics kutumika kama vipengele vya kundi III ni pamoja na trimethyl gallium (TMGa), triethyl gallium (TEGa), TM indium, TE indium na TM alumini. Gesi za hidridi pia hutumiwa katika mchakato: 100% Ash₃ na 100% PH₃. Dopanti zinazotumika katika mchakato huo ni: dimethyl zinki (DMZ), bis-cyclopentadienyl magnesiamu na selenide hidrojeni (H₂Se). Nyenzo hizi huguswa ndani ya chumba cha majibu chini ya shinikizo la chini la H₂ anga. Mwitikio huu hutoa tabaka za epitaxial za AlGaAs, AlInGaP, InAsP na GaInP. Mbinu hii imekuwa ikitumika kitamaduni katika utengenezaji wa leza za semiconductor na vifaa vya mawasiliano vya macho kama vile visambazaji na vipokezi vya nyuzi za macho. Mchakato wa AlInGaP hutumiwa kuzalisha taa za LED zinazong'aa sana.

Sawa na mchakato wa VPE, kinu cha MOCVD na kusafisha sehemu kunaleta changamoto kwa mchakato na vile vile mtaalamu wa usafi wa kazi, haswa ikiwa kiwango kikubwa cha PH kilichokolezwa.₃ inatumika katika mchakato. Ufanisi wa "kupasuka" wa vinuru hivi si mkubwa kama ule wa vinu vya VPE. Kuna kiasi kikubwa cha fosforasi inayozalishwa, ambayo ni hatari ya moto. Utaratibu wa kusafisha unahusisha matumizi ya peroxide ya hidrojeni / hidroksidi ya amonia kwenye sehemu mbalimbali kutoka kwa mitambo hii, ambayo ni hatari ya mlipuko ikiwa, kutokana na hitilafu ya operator, ufumbuzi wa kujilimbikizia hutumiwa mbele ya kichocheo cha chuma.

Utengenezaji wa Kifaa

Kaki ya GaAs iliyo na safu ya GaAsP iliyokuzwa kwa muda mrefu kwenye sehemu ya juu inaendelea hadi kwenye mlolongo wa utayarishaji wa kifaa.

Uwekaji wa nitridi

CVD yenye joto la juu ya nitridi ya silicon (Si₃N₄) inafanywa, kwa kutumia tanuru ya kawaida ya kueneza. Vyanzo vya gesi ni silane (SiH₄) na amonia (NH₃) na gesi ya kubeba nitrojeni.

Mchakato wa Photolithographic

Mchakato wa kawaida wa kupiga picha, kupanga/kuweka wazi, kuendeleza na kuvua hutumika kama katika uchakataji wa kifaa cha silikoni (angalia sehemu ya lithography katika makala "Utengenezaji wa semiconductor ya silicon").

Etching ya mvua

Michanganyiko mbalimbali ya miyeyusho ya asidi-kemikali yenye unyevunyevu hutumiwa katika bafu za plastiki katika vituo vya ndani vilivyochoka, vingine vinatolewa na mifumo ya usambazaji iliyochujwa ya laminar iliyowekwa wima ya HEPA. Asidi kuu zinazotumika ni sulfuriki (H₂SO₄), hidrofloriki (HF), hidrokloriki (HCl) na fosforasi (H₃PO₄) Kama ilivyo katika usindikaji wa silicon, peroksidi ya hidrojeni (H₂O₂) hutumika pamoja na asidi ya sulfuriki, na hidroksidi ya ammoniamu (NH₄OH) hutoa etch caustic. Suluhisho la sianidi (sodiamu au potasiamu) pia hutumiwa kwa etching alumini. Hata hivyo, uchongaji wa sianidi unakomeshwa polepole huku viambajengo vingine vikitengenezwa kwa ajili ya mchakato huu. Kama mbadala ya etching ya mvua, mchakato wa kuweka plasma na ashing hutumiwa. Mipangilio ya kinu na gesi zinazoathiriwa ni sawa na zile zinazotumiwa katika usindikaji wa kifaa cha silicon.

Tofauti

Usambazaji wa chanzo kigumu cha zinki ampoule ya diarsenide hufanywa katika tanuru ya uenezaji wa utupu ifikapo 720°C, kwa kutumia N.₂ gesi ya carrier. Arsenic na zinki arsenide hutumiwa kama dopants. Wao hupimwa kwenye sanduku la glavu kwa namna sawa na katika substrate ya wingi.

Uzalishaji wa metali

Uvukizi wa awali wa alumini hufanywa kwa kutumia evaporator ya E-boriti. Baada ya kurudi nyuma, hatua ya mwisho ya uvukizi wa dhahabu hufanywa kwa kutumia evaporator ya filamenti.

Aloying

Hatua ya mwisho ya aloi inafanywa katika tanuru ya uenezaji wa joto la chini, kwa kutumia anga ya ajizi ya nitrojeni.

Kuunga mkono

Kurudisha nyuma hufanywa ili kuondoa nyenzo zilizowekwa (GaAsP, Si₃N₄ na kadhalika) kutoka upande wa nyuma wa kaki. Kaki hizo huwekwa nta kwenye bamba la lapper na huwa na unyevunyevu na tope la silika. Kisha nta huondolewa kwa kunyoa kaki kwenye kichuna kikaboni kwenye kituo cha chembechembe cha kemikali kilichochoka ndani ya nchi. Mwingine mbadala kwa lapping mvua ni kavu lapping, ambayo hutumia oksidi alumini "mchanga".

Kuna idadi ya vibambo vya kustahimili na kupinga vinavyotumiwa, kwa kawaida vina asidi ya salfoni (dodecyl benzene sulphonic acid), asidi ya laktiki, hidrokaboni yenye kunukia, naphthalene na katekesi. Baadhi ya strippers ya kupinga yana ethanoate ya butyl, asidi asetiki na ester butyl. Kuna upinzani hasi na chanya na kupinga strippers kutumika, kulingana na bidhaa.

Jaribio la mwisho

Kama ilivyo katika usindikaji wa kifaa cha silicon, saketi za LED zilizokamilishwa hujaribiwa na kutiwa alama kwenye kompyuta (angalia "utengenezaji wa semiconductor ya silicon"). Ukaguzi wa mwisho unafanywa na kisha vifurushi vinajaribiwa kwa umeme ili kuashiria kufa kwa kasoro. Kisha msumeno wa mvua hutumiwa kutenganisha maiti ya mtu binafsi, ambayo hutumwa kwa mkusanyiko.

Back