Epitaxia de fase vapor metalorgânica - Metalorganic vapour-phase epitaxy

Ilustração do processo

Epitaxia em fase de vapor metalorgânico ( MOVPE ), também conhecido como organometálico epitaxia em fase de vapor ( OMVPE ) ou deposição de vapor químico metalorgânico ( DQVMO ), é um depósito de vapor químico método utilizado para a produção de películas finas de uma ou policristalinos. É um processo de crescimento de camadas cristalinas para criar estruturas de multicamadas semicondutoras complexas. Em contraste com a epitaxia de feixe molecular (MBE), o crescimento dos cristais ocorre por reação química e não por deposição física. Isso ocorre não no vácuo , mas a partir da fase gasosa a pressões moderadas (10 a 760  Torr ). Como tal, esta técnica é preferida para a formação de dispositivos que incorporam ligas termodinamicamente metaestáveis e tornou-se um processo importante na fabricação de optoeletrônica , como diodos emissores de luz . Foi inventado em 1968 no Centro de Ciência da Aviação da América do Norte (posteriormente Rockwell International ) por Harold M. Manasevit .

Princípios básicos

No MOCVD, gases precursores ultrapuros são injetados em um reator, geralmente com um gás transportador não reativo. Para um semicondutor III-V, um metalorgânico poderia ser usado como o precursor do grupo III e um hidreto para o precursor do grupo V. Por exemplo, o fosfeto de índio pode ser cultivado com precursores de trimetilíndio ((CH 3 ) 3 In) e fosfina (PH 3 ).

À medida que os precursores se aproximam da pastilha semicondutora , eles sofrem pirólise e a subespécie é absorvida na superfície da pastilha semicondutora. A reação de superfície da subespécie precursora resulta na incorporação de elementos em uma nova camada epitaxial da estrutura do cristal semicondutor. No regime de crescimento limitado por transporte de massa em que os reatores MOCVD normalmente operam, o crescimento é impulsionado pela supersaturação de espécies químicas na fase de vapor. MOCVD pode crescer filmes contendo combinações do grupo III e grupo V , grupo II e grupo VI , grupo IV .

A temperatura de pirólise necessária aumenta com o aumento da força de ligação química do precursor. Quanto mais átomos de carbono estiverem ligados ao átomo de metal central, mais fraca será a ligação. A difusão dos átomos na superfície do substrato é afetada por etapas atômicas na superfície.

A pressão de vapor da fonte orgânica de metal do grupo III é um importante parâmetro de controle para o crescimento do MOCVD, uma vez que determina a taxa de crescimento no regime de transporte de massa limitado.

Componentes do reator

Aparelho MOCVD

Na técnica de deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD), os gases reagentes são combinados a temperaturas elevadas no reator para causar uma interação química, resultando na deposição de materiais no substrato.

Um reator é uma câmara feita de um material que não reage com os produtos químicos usados. Também deve resistir a altas temperaturas. Esta câmara é composta por paredes do reator, liner, um susceptor , unidades de injeção de gás e unidades de controle de temperatura. Normalmente, as paredes do reator são feitas de aço inoxidável ou quartzo. Cerâmica ou vidros especiais , como quartzo, são freqüentemente usados ​​como revestimento na câmara do reator entre a parede do reator e o susceptor. Para evitar o superaquecimento, a água de resfriamento deve fluir pelos canais dentro das paredes do reator. Um substrato fica sobre um susceptor que está a uma temperatura controlada. O susceptor é feito de um material resistente aos compostos metalorgânicos usados; grafite é às vezes usado. Para o cultivo de nitretos e materiais relacionados, um revestimento especial, tipicamente de nitreto de silício, no susceptor de grafite é necessário para prevenir a corrosão pelo gás amônia (NH 3 ).

Um tipo de reator usado para realizar MOCVD é um reator de parede fria. Em um reator de parede fria, o substrato é sustentado por um pedestal, que também atua como um susceptor. O pedestal / suscetor é a origem primária da energia térmica na câmara de reação. Apenas o susceptor é aquecido, então os gases não reagem antes de atingirem a superfície do wafer quente. O pedestal / susceptor é feito de um material que absorve radiação, como o carbono. Em contraste, as paredes da câmara de reação em um reator de parede fria são normalmente feitas de quartzo, que é amplamente transparente à radiação eletromagnética . As paredes da câmara de reação em um reator de parede fria, no entanto, podem ser indiretamente aquecidas pelo calor que irradia do pedestal / susceptor quente, mas permanecerão mais frias do que o pedestal / susceptor e o substrato que o pedestal / susceptor suporta.

No CVD de parede quente, toda a câmara é aquecida. Isso pode ser necessário para que alguns gases sejam pré-trincados antes de atingir a superfície do wafer para permitir que eles grudem no wafer.

Entrada de gás e sistema de comutação

O gás é introduzido por meio de dispositivos conhecidos como 'borbulhadores'. Em um borbulhador, um gás transportador (geralmente hidrogênio no crescimento de arseneto e fosfeto ou nitrogênio no crescimento de nitreto) é borbulhado através do líquido metalorgânico , que pega algum vapor metalorgânico e o transporta para o reator. A quantidade de vapor metalorgânico transportado depende da taxa de fluxo do gás de arraste e da temperatura do borbulhador , e geralmente é controlada automaticamente e com mais precisão usando um sistema de controle de gás de feedback de medição de concentração ultrassônica. Deve ser feita uma tolerância para vapores saturados .

Sistema de manutenção de pressão

Sistema de exaustão e limpeza de gases . Os resíduos tóxicos devem ser convertidos em resíduos líquidos ou sólidos para reciclagem (de preferência) ou descarte. Idealmente, os processos serão projetados para minimizar a produção de resíduos.

Precursores organometálicos

Semicondutores cultivados por MOCVD

Semicondutores III-V

Semicondutores II-VI

IV Semicondutores

Semicondutores IV-V-VI

Meio ambiente, Saúde e Segurança

À medida que o MOCVD se tornou uma tecnologia de produção bem estabelecida, há preocupações igualmente crescentes associadas à sua influência na segurança do pessoal e da comunidade, impacto ambiental e quantidades máximas de materiais perigosos (como gases e metalorgânicos) permissíveis nas operações de fabricação de dispositivos. A segurança, bem como o cuidado ambiental responsável, tornaram-se fatores de suma importância no crescimento de cristal baseado em MOCVD de semicondutores compostos. À medida que a aplicação dessa técnica na indústria cresceu, várias empresas também cresceram e evoluíram ao longo dos anos para fornecer o equipamento auxiliar necessário para reduzir o risco. Este equipamento inclui, mas não está limitado a sistemas automatizados de distribuição de gases e produtos químicos por computador, sensores de detecção de gases tóxicos e de transporte que podem detectar quantidades ppb de gás de um dígito e, claro, equipamentos de redução para capturar totalmente os materiais tóxicos que podem estar presentes no crescimento de ligas contendo arsênio, como GaAs e InGaAsP.

Veja também

Referências