Èo je to CVD

Prepis

1 Cvičenie k predmetu Polovodiče Úvod. RAST POLOVODIČOVÝCH EPITAXNÝCH VRSTIEV A ŠTRUKTÚR TECHNOLÓGIOU OMCVD Vysvetlenie pojmu OMCVD. Skratka OMCVD je odvodená z názvu organometallic chemical vapour deposition. Je to technológia pomocou ktorej sa pripravujú vrstvy pevnej látky, pričom zdrojová látka je vo forme pary organokovovej zlúčeniny Depozícia z plynnej fázy. OMCVD patrí do skupiny procesov, ktoré sa nazývajú depozícia z plynnej fázy (VD vapour deposition). Ide o širokú skupinu procesov používaných pre zhotovenie určitého materiálu v pevnej fáze zo zdrojovej látky, ktorá je v plynnej fáze. Takto možno pripraviť celú škálu materiálov, od súvislých vrstiev na podložke až po práškové a vláknité materiály. Procesy depozície z plynnej fázy možno zatriediť do dvoch základných skupín. Fyzikálna depozícia z plynnej fázy (PVD). Depozícia sa uskutočňuje prostredníctvom kondenzácie zdrojovej pary na povrchu. PVD procesom je napríklad naparovanie, naprašovanie a epitaxia z molekulových zväzkov (MBE). Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD). Depozícia sa uskutočňuje prostredníctvom chemickej reakcie. Definícia CVD: je to depozícia pevnej látky na vyhriaty povrch podložky pomocou chemickej reakcie z plynnej fázy. Patrí do triedy procesov, kde látka potrebná pre vytvorenie nanášanej vrstvy je transportovaná nad podložku v plynnej forme. Tam sa rozkladá, takže zdrojová látka sa nachádza nad povrchom podložky vo forme atómov, molekúl alebo ako ich kombinácia. Rozklad zdrojovej látky (prekurzora) v plynnej fáze na zložky vhodné pre vytvorenie pevnej fázy je možné iniciovať pomocou rôznych mechanizmov, napríklad: - aktivácia zdrojových molekúl pomocou plazmy (plasma-enhanced CVD). Výhodou je, že pre rozklad prekurzorov stačia nízke teploty o C. - aktivácia zdrojových molekúl pomocou fotónov. Obvykle sa používa krátkovlnné ultrafialové žiarenie (photo-assisted CVD). - tepelná aktivácia zdrojových molekúl (thermal-cvd). Rozklad molekúl teplom nazývaný pyrolýza sa využíva vo VPE a OMCVD. Pri použití organokovových zlúčenín ako zdrojových látok stačia pre rozklad molekuly teploty už od 400 o C Oblasti použitia CVD. Pomocou CVD metód je možné nanášať väčšinu kovových materiálov, mnohé nekovové prvky ako uhlík alebo kremík, mnohé zlúčeniny (napr. karbidy, nitridy, oxidy, intermetalické zliatiny) atď. Z hľadiska použitia, možno touto technikou zhotovovať štruktúry pre elektronické prvky (polovodičové vrstvy, dielektrické vrstvy, kovové vrstvy), zušľachťovacie povlaky nástrojov a ložísk, oteru odolné a vode odolné povlaky pre optické, optoelektronické a antikorózne aplikácie.

2 Cvičenie k predmetu Polovodiče Epitaxné techniky pre nanášanie polovodičových vrstiev. Polovodiče majú praktické použitie vo forme monokryštálu alebo systému viacerých vrstiev v monokryštalickej štruktúre Definícia epitaxie: Epitaxia je definovaná ako depozícia monokryštalickej vrstvy na monokryštalickej podložke (substráte), pričom vrstva zachováva kryštalografickú štruktúru substrátu. V súčasnosti sa používajú nasledovné technológie pre prípravu epitaxných vrstiev. Epitaxný rast z kvapalnej fázy... LPE (liquid phase epitaxy, depozícia z kvapalnej fázy) Epitaxný rast z molekulárnych zväzkov...mbe (molecular beam epitaxy, PVD) Epitaxný rast z plynnej fázy... VPE (vapour phase epitaxy, CVD) (chloridová, hydridová) Epitaxný rast z plynnej fázy s použitím organokovových zlúčenín...omcvd (organometallic chemical vapour phase deposition) (tiež nazývaný MOCVD, MOVPE, OMVPE) 3. Epitaxný rast polovodičových vrstiev technológiou OMCVD Základná charakteristika OMCVD. Technológia OMCVD je špeciálnym typom zo skupiny CVD technológií. Charakteristickou črtou je použitie organokovových zlúčenín. Vďaka ich vlastnostiam je možné uskutočniť depozíciu pri nižších teplotách ako v iných tepelne aktivovaných CVD technológiách. Okrem organokovových zlúčenín sa v OMCVD používajú aj hydridy prvkov V skupiny, a iné zdroje ako napr. halogenidy a karbonyly. Prehľad zdrojov používaných v OMCVD technológii je uvedený v kapitole 4. Technológia OMCVD je významná pre prípravu intermetalických polovodičových zlúčenín. Pripravujú sa zlúčeniny typu A II -B IV alebo A III -B V (rímske číslice označujú príslušnosť do skupiny v periodickej sústave prvkov) a ich trojzložkové alebo štvorzložkové tuhé roztoky, napr. A III -B III - C V, A III -C V - D V, A III -B III - C V - D V. Príklady A II -B IV : ZnSe, ZnS, ZnTe, CdS, CdTe, HgTe, CdMnTe, HgCdTe. Príklady A III -B V : GaAs, GaN, GaP, InAs, InP, AlAs, BP, InGaAs, AlInAs, AlGaAs, GaPAs, InGaN, InGaPAs Najrozšírenejšie aplikácie OMCVD v oblasti polovodičov. GaAs/AlGaAs: fotokatódy, slnečné články, lasery, vysokovýkonové LED diódy, HEMT tranzistory. InP/InGaAsP: lasery a detektory pre infračervenú oblasť spektra InP/InGaAs: štruktúry s kvantovou jamou, slnečné články, detektory. GaAs na Si substrátoch: integrácia optoelektroniky a VF elektroniky s kremíkovou technológiou

3 Cvičenie k predmetu Polovodiče. 3 GaAs/InGaP: heterobipolárne tranzistory GaAs/AlGaInP: lasery vo viditeľnej oblasti spektra, oranžové LED diódy HgCdTe: detektory 3.3. Nevyhnutné predpoklady pre použiteľnosť technológie OMCVD pri príprave polovodičových vrstiev. Aby bolo možné pripraviť polovodičové zlúčeniny typu A III -B V alebo A II -B VI technológiou OMCVD musia byť splnené určité základné predpoklady. Musí byť zvládnutá príprava organokovových zlúčenín tých prvkov, ktoré sú potrebné pre vytvorenie polovodičovej vrstvy a jej dotáciu. Používané zdrojové zlúčeniny musia mať vhodné chemické a fyzikálne vlastnosti Existencia vhodných zdrojov a vhodnosť ich fyzikálnych a chemických vlastností. V súčasnosti sa pripravujú organokovové zlúčeniny týchto prvkov: Al, As, Bi, Cd, Ga, Ge, In, Fe, Pb, Mg, Hg. N, P, Se, Sn, Zn, Sb, Si, S, Te. Aby ich bolo možné použiť v praxi, musia spĺňať určité kritériá Dostatočný tlak nasýtených pár. (Chemická prchavosť). Para zdrojovej látky sa dá získať jednoducho prirodzeným odparovaním v bublačke a transportovať pomocou nosného plynu do reaktora. Sú to látky v kvapalnom (resp. pevnom jemný prášok) stave s tlakom nasýtených pár rádovo 1 až 100 milibarov pri teplotách 10 až 17 o C. Tlak nasýtených pár závisí len od teploty Dobrá stabilita pri izbovej teplote. Táto požiadavka je dôležitá z hľadiska možnej doby použitia, kedy jedna bublačka je pripojená ku aparatúre aj niekoľko rokov. Stabilita pri izbovej teplote sa požaduje aj z dôvodu, aby zdrojová molekula nereagovala s molekulami iných zdrojov už v potrubí počas transportu z bublačky do reaktora a v chladnej časti reaktora V protiklade je požiadavka na dobrú rozložiteľnosť molekuly pri čo najnižších teplotách v reaktore. Výhodné je, aby sa zdrojová molekula rozložila na čo najmenšie častice. Tepelný rozklad zdrojových molekúl (pyrolýza) je zložitý proces, ktorý závisí aj od ostatných zložiek prítomných v plynnej fáze a je katalyzovaný usadeninami na povrchu stien reaktora a povrchom podložky. Tiež závisí od času zotrvania plynu nad zohriatou podložkou (rýchlosť prúdenia) a geometrického tvaru reaktora Zdroje musí byť možné vyrobiť v čistote dostatočnej pre použitie v polovodičovej technológii. Požaduje sa čistota 99,9999 hmot. %. Hlavné nečistoty, ktorých obsah treba sledovať sú O, Si, Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Ni, Sn, Zn. (Sú to prvky, ktoré sú dotujúcimi prímesami v polovodičoch, alebo ktoré spôsobujú vznik hlbokých hladín v zakázanom páse) Musí existovať dostatočne veľká hnacia sila pre epitaxiu. Splnenie tejto podmienky je základným predpokladom, aby vôbec mohla nastať žiadaná chemická reakcia. Túto oblasť skúma termodynamika, ktorá popisuje stav systémov s viacerými fázami. Ku

4 Cvičenie k predmetu Polovodiče. 4 žiadanej chemickej reakcii dochádza vtedy, ak je zmena Gibbsovej voľnej energie pri reakcii G r záporná: G = Σ G Σ G r f (produktov v pevnej fáze) f (reaktantov v plynnej Systém sa musí prechodom z plynnej fázy do pevnej fázy dostať do stavu s nižšou energiou. Ak je splnená táto podmienka, zdrojové molekuly resp. atómy prítomné v reaktore v plynnej fáze reagujú na podložke tak, že na podložke sa vytvára vrstva požadovaného zloženia v pevnej fáze. Vedľajšie produkty chemických reakcií musia byť v plynnej forme, musia sa ľahko desorbovať z povrchu pripravovanej vrstvy a pomocou nosného plynu musia byť transportované z reaktora. V termodynamicky nepriaznivom prípade môže dôjsť k nežiadúcim procesom, ktorými sú napríklad depozícia na stenách reaktora, parazitná depozícia v priestore nad podložkou (vznik prachu) alebo nastane odleptávanie podložky Výhody použitia OMCVD v polovodičovej technológii Možnosť prípravy širokej škály polovodičových zlúčenín a mnohovrstvových štruktúr s vrstvami o rôznom zložení (heteroštruktúry). Veľkou výhodou OMCVD technológie je, že pre mnohé kombinácie zdrojových látok (plynná fáza) a pripravovaných polovodičovývh vrstiev (pevná fáza), je reakčná zmena Gibbsovej voľnej energie veľká. Znamená to, že pomocou tejto techniky je možné deponovať aj také materiály, ktoré sa nedajú pripraviť inými epitaxnými technikami. Je možný rast vrstiev s obsahom Al (v chloridovej VPE je obtiažny v dôsledku temodynamických obmedzení) a s obsahom P (v MBE je komplikovaný pre vysoký tlak pár fosforu). V OMCVD je možný napr. rast vrstiev GaAlInP, zatiaľ čo pri použití iných technológií nastáva rozklad deponovanej vrstvy na jednoduchšie zlúčeniny. Veľká zmena voľnej energie umožňuje aj prípravu polovodičových vrstiev na nepolovodičových podložkách (napr. zafíre) Možnosť prípravy štruktúr s rozmermi v ráde nanometrov. Rýchlosti rastu vrstiev sú pri použití organokovových pár v ráde desiatok nanometrov za minútu. Malá rastová rýchlosť je výhodou pri príprave štruktúr s malou hrúbkou vrstiev avšak pri potrebe depozície hrubých vrstiev (v ráde 10µm a viac) je táto vlastnosť nevýhodná Ostatné výhody. Technologické zariadenie pre OMCVD je v porovnaní s technológiami vyžadujúcimi vysoké vákuum jednoduchšie. Dá sa použiť aj pre priemyselnú produkciu, pretože sú vyvinuté reaktory pre depozíciu na veľkej ploche Nevýhody použitia OMCVD v polovodičovej technológii. Organokovové molekuly obsahujú atómy uhlíka, ktoré sa môžu zabudovávať do deponovanej vrstvy. Preto nie je možné dosiahnuť takú čistotu vrstiev ako pri použití vysokovákuových technológií, akou je napr. MBE. Pri príprave mnohovrstevnatých štruktúr sa prepínajú druhy zdrojových plynov, ktoré je potrebné dopraviť do reaktora. To môže byť príčinou vzniku neželaných medzivrstiev. V OMCVD technologickom zariadení je v porovnaní s MBE metódou podstatne ťažšie aplikovať analytické metódy pre charakterizáciu vlastností vrstvy počas jej depozície (tzv. in-situ charakterizácia). fáze)

5 Cvičenie k predmetu Polovodiče Zdrojové látky (prekurzory) používané v OMCVD Organokovové zlúčeniny. Atóm kovového prvku je naviazaný ku jednému alebo viacerým uhlíkovým atómom organickej uhľovodíkovej skupiny. Do skupiny organokovových zlúčenín sa v OMCVD spoločenstve počítajú aj organické zlúčeniny nekovových prvkov Si, As, P, Se a Te. Najčastejšie používanou skupinou organokovových zlúčenín v OMCVD sú alkylové zlúčeniny, v ktorých je atóm zdrojového prvku naviazaný na alkylové organické uhľovodíkové skupiny, napr.:,, Príklady organokovových zdrojových molekúl používaných v OMCVD: Skratky pre označovanie organokovových prekurzorov 1. písmeno význam 2. písmeno význam počet radikálov druh radikálov M mono M metyl D di E etyl T tri NP n-propyl IP i-propyl NB n-butyl IB i-butyl TB t-butyl Cp cyklopentadienyl

6 Cvičenie k predmetu Polovodiče Používanie organokovových zlúčenín. Väčšina organokovových zlúčenín používaných v OMCVD sú látky samovznietivé a veľmi reaktívne so vzduchom a vodnou parou. Kladie to vysoké nároky na spôsob ich balenia a používania. Používajú sa špeciálne celokovové zvárané (nerezové) nádoby vo forme bublačky kontrolované na tesnosť a pred plnením špeciálne čistené a odplyňované. K aparatúre sa pripájajú vákuovými spojkami s kovovými tesneniami a uzatvárajú sa vákuovými ventilmi. Schematický nákres bublačky. Princíp získavania zdrojovej pary z bublačky. V nádobe čiastočne zaplnenej kvapalinou (prípadne aj pevnou látkou) dochádza k odparovaniu látky. Pri stálej teplote nastane rovnováha, pri ktorej je počet odparených a skondenzovaných častíc rovnaký. Tlak pary látky nad pevnou látkou v rovnováhe sa nazýva kvapalinou resp. tlak nasýtenej pary p s a závisí len od teploty kvapaliny. Para sa z bublačky unáša pomocou nosného plynu do reaktora. Závislosť p s od teploty je v tvare log p s =B-A/T, kde A, B sú konštanty charakteristické pre určitú látku a T je absolútna teplota Pre zabezpečenie konštantného tlaku nasýtenej pary zdroja je potrebné stabilizovať teplotu bublačky v termostate Hydridové zdroje používané v OMCVD. Prax ukázala, že v OMCVD polovodičov je vhodné použiť zdroje prvkov V a VI skupiny vo forme hydridov. Hydrid je zlúčenina atómu príslušného prvku s vodíkom. Dôvodom používania hydridov je nevhodnosť vlastností mnohých organokovových zlúčenín prvkov V a VI skupiny pre použitie v technologickom procese. Napríklad trimetylové, trietylové, dimetylové a dietylové zlúčeniny arzénu a fosforu nevyhovujú pre epitaxný rast. Príčinou ich nevhodnosti môže byť napríklad nízky tlak pár, parazitné reakcie so zdrojom III skupiny v plynnej fáze, vysoký zbytkový obsah C v deponovanej vrstve alebo nemožnosť prípravy čistej chemikálie s dostatočne nízkym obsahom zbytkových nečistôt. Hydridy As, P, Si sa používajú aj v kremíkovej technológii. Vyrábajú sa vo veľkých množstvách, takže ich cena je relatívne nízka a je dobre zvládnutý proces ich čistenia. PROBLÉMOM JE EXTRÉMNA TOXICITA HYDRIDOV! Dovolené objemové koncentrácie v ovzduší sú napr. pre AsH 3 0,05ppm a pre PH 3 0,3 ppm. Perspektívnou náhradou za AsH 3 a PH 3 sa v súčasnosti stávajú zlúčeniny TBP a TBAs.

7 Cvičenie k predmetu Polovodiče. 7 V OMCVD polovodičov sa používajú nasledovné hydridové zdroje: arzénovodík AsH 3, diborán B 2 H 6, germán GeH 4, čpavok NH 3, fosforovodík PH 3, sírovodík H 2 S, stibán SbH 3, selénovodík H 2 Se, silán SiH 4, telúrovodík H 2 Te Doplnkové zdroje. Pre špeciálne aplikácie sa používajú aj iné typy zdrojových molekúl. Pre dotáciu InP železom je možné použiť karbonylovú zlúčeninu (CO 5 )Fe a pre leptanie podložky pred rastom je možné použiť halogenidy CCl 4 a CBr Nosný plyn. Nosný plyn nie je zdrojovým plynom ale pomocou neho sú pary organokovových zlúčenín a hydridy transportované do reaktora. Ako nosný plyn sa môžu použíť inertné plyny o vysokej chemickej čistote, napr. H 2, N 2, Ar, Ne, He.

8 Cvičenie k predmetu Polovodiče Základné reakcie v OMCVD Zjednodušená reakčná schéma OMCVD procesu. Zdrojové molekuly dopravené do reaktora pomocou nosného plynu sa v horúcej zóne reaktora termicky rozkladajú na atómy alebo jednoduché molekuly. Tieto difundujú smerom k rastovému rozhraniu. Tam dochádza k chemickej reakcii, pri ktorej vzniká na podložke vrstva žiadaného zloženia a vedľajšie produkty reakcie (v plynnej forme) sú unášané preč od rastového rozhrania Reakcia organokovovej a hydridovej molekuly. R n A + BH n AB + nrh H 2 AB...pripravovaný polovodič A III -B V R...organický radikál Príklad prípravy ZnSe a GaAs. (C 2H 5) 2 Zn + H 2Se ZnSe + 2C H 2H 6 2 (CH 3) 3Ga + AsH 3 GaAs + 3CH H Reakcia dvoch organokovových molekúl. R n A + R`n B AB + nrh + nr`h H 2 alebo AB + nrr` Príklad prípravy GaSb. (CH 3) 3Ga + (CH 3) 3Sb GaSb + 6CH H 4 2 V týchto príkladoch chemických reakcií sa predpokladá, že ide o jednoduchý rozklad východiskových zdrojových zlúčenín a následne o rekombináciu týchto produktov za vzniku AB zlúčeniny. Vedľajší organický produkt podľa predpokladu vzniká hydrogenáciou organického radikálu uvoľneného z jednoduchej organokovovej zlúčeniny. V skutočnosti nie je proces dekompozície tak jednoduchý, že by v jednom kroku došlo k úplnému rozkladu zdrojových molekúl a následne k ich úplnej rekombinácii za vzniku A III -B V zlúčeniny a vedľajšieho produktu. Vyhrievaná podložka Na obrázku je uvedený príklad rozkladu molekúl TMGa ((CH 3 ) 3 Ga) a AsH 3 v pozdĺžnom reze reaktora. V dôsledku gradientu teploty medzi vyhrievanou podložkou a chladnou stenou reaktora sa mení koncentrácia jednotlivých typov molekúl v priereze reaktora.

9 Cvičenie k predmetu Polovodiče Komplex reakcií počas OMCVD depozície Homogénne reakcie. Reakcie v plynnej fáze. Tepelný rozklad zdrojových molekúl (pyrolýza). Môže dochádzať aj ku vzájomným reakciám medzi rôznymi druhmi zdrojových molekúl. Tieto nie sú žiadúce, snažíme sa im vyhnúť vhodnou voľbou zdrojov, geometrie reaktora alebo rastových podmienok Heterogénne reakcie. Reakcie na rozhraní plynnej a pevnej fázy. Adsorpcia a desorpcia, povrchová difúzia, povrchové reakcie, záchyt na hranách schodíkov. Chemická reakcia na podložke za vzniku deponovanej vrstvy. Difúzia reaktantov a produktov reakcie cez hraničnú vrstvu Hraničná vrstva nad povrchom podložky. Správanie sa plynu prúdiaceho reaktorom rieši hydrodynamika. Zložité hydrodynamické výpočty sa robia za účelom zmapovania rozloženia rýchlosti prúdenia plynu a teploty v objeme reaktora. Pri ich poznaní je potom možné počítať aj rozloženie koncentrácie zdrojových molekúl v reaktore. Základným účelom týchto výpočtov je nájsť takú geometriu reaktora a technologické parametre, pri ktorých je prúdenie plynu reaktorom laminárne a rozloženie teploty a koncentrácie zdrojových molekúl na rastovom povrchu konštantné. M. Dauelsberg et. al. Journal of Crystal Growth 223 p.21

10 Cvičenie k predmetu Polovodiče. 10 V prípade laminárneho toku plynov reaktorom je rýchlosť plynov na stenách reaktora a na rastovom rozhraní nulová v dôsledku trenia. Vytvára sa hraničná vrstva. Je to oblasť, v ktorej sa rýchlosť prietoku plynov mení od nuly (na stenách) až po 99% rýchlosti prúdenia v strede reaktora, ktoré nie je obmedzené trením. Do tejto oblasti v dôsledku stagnácie prúdenia nie sú priamo dodávané zdrojové molekuly. Tieto musia predifundovať z oblasti hlavného prúdu plynov cez hraničnú vrstvu k rastovému rozhraniu. 7. Postupnosť udalostí počas OMCVD procesu. Zdrojové plyny sú dopravené do reaktora pomocou nosného plynu. V horúcej zóne reaktora nastáva termický rozklad zdrojových molekúl. Produkty tohto rozkladu difundujú cez hraničnú vrstvu smerom k rastovému rozhraniu. Zdrojové molekuly prichádzajú do kontaktu s povrchom podložky. Na povrchu podložky dochádza ku povrchovým reakciám a chemickej reakcii za vzniku deponovanej vrstvy. Plynné vedľajšie produkty reakcie difundujú cez hraničnú vrstvu preč od rastového povrchu Rýchlosť depozície. Rastová rýchlosť je určená najpomalším procesom z vyššie uvedenej postupnosti procesov. Rýchlosti jednotlivých procesov závisia od teploty rôznym spôsobom, preto existuje aj teplotná závislosť rastovej rýchlosti pri depozícii vrstvy. Na obr. vpravo je príklad, ako sa mení rastová rýchlosť pri depozícii GaAs pri zmene teploty v reaktore, pričom ostatné rastové parametre ostávajú konštantné.

11 Cvičenie k predmetu Polovodiče Procesy limitujúce rýchlosť depozície. Závislosť rastovej rýchlosti od teploty rastu je možné rozdeliť na tri oblasti: Oblasť I: V oblasti teplôt nad 700 o C sa s rastúcou teplotou znižuje hnacia sila pre epitaxiu (pozri kap ). Pri vysokých teplotách dochádza k vysokej desorpcii reakčných molekúl z rastového rozhrania a dochádza k parazitným reakciám, čo znižuje rýchlosť žiadanej chemickej reakcie. V tejto oblasti teplôt je rastová rýchlosť limitovaná termodynamikou procesu a klesá s rastúcou teplotou. Oblasť III: V oblasti teplôt pod 450 o C sú najpomalšími procesmi reakcie na rastovom rozhraní. Difúziou cez hraničnú vrstvu sa ku rastovému rozhraniu dostáva dostatok zdrojových molekúl. Tie sú tu v prebytku, pretože povrchové reakcie sú príliš pomalé na to, aby sa všetky rastové molekuly ihneď zabudovali do vrstvy. Rýchlosť povrchových reakcií klesá s klesajúcou teplotou a preto klesá aj rastová rýchlosť. V oblasti nízkych teplôt je rastová rýchlosť limitovaná kinetikou povrchových reakcií. Oblasť II: V oblasti teplôt o C je rastová rýchlosť limitovaná rýchlosťou difúzie zdrojových molekúl cez hraničnú vrstvu k rastovému rozhraniu. Všetky zdrojové molekuly predifundované k rastovému povrchu sú zabudovávané do vrstvy, pretože rýchlosť povrchových reakcií a hnacia sila pre epitaxiu sú dostatočne vysoké. V tejto oblasti rastových teplôt je rastová rýchlosť nezávislá od teploty. V praxi sa snažíme vyhnúť oblasti I. Najčastejšie sa robia rasty v oblasti II., v niektorých prípadoch môže byť vhodné pracovať v oblasti III.

12 Cvičenie k predmetu Polovodiče. RAST POLOVODIČOVÝCH EPITAXNÝCH VRSTIEV A ŠTRUKTÚR TECHNOLÓGIOU OMCVD Základné zásady pri návrhu OMCVD rastového procesu Časti OMCVD aparatúry. Box pre vkladanie vzoriek Riadiaca elektronika Rozvod plynov. Regulačné prvky pre prípravu zmesi plynov požadovaného zloženia. Reaktor. Systém pre vyhrievanie reaktora. Vákuový systém. Zdroje. - Hydridy - Organokovové zdroje Zariadenie pre zneškodnenie jedovatých odpadových plynov skraber Nosný plyn. - dočisťovanie nosného plynu Paládiová čistička pre H 2 Termostaty pre bublačky s organokovovými zdrojmi

13 Cvičenie k predmetu Polovodiče Voľba zdrojov. Druh zdrojov volíme s ohľadom druh materiálu, ktorý potrebujeme pripravovať. Musíme zvoliť aj zdroje vhodné pre dotovanie polovodičových vrstiev. Ako nosný plyn sa v polovodičovej technológii používa prevažne vodík čistený paládiovou čističkou Voľba typu reaktora. Typ reaktora a spôsob vyhrievania volíme s ohľadom druh pripravovaných materiálov a účel použitia pripravených štruktúr (výskum, výroba súčiastok). Základné konfigurácie reaktora: horizontálny reaktor vertikálny reaktor Druhy reaktorov podľa veľkosti: malé reaktory pre jednu alebo dve substrátové podložky pre účely výskumu veľké reaktory pre produkciu súčiastkových štruktúr Druhy reaktorov podľa pracovného tlaku: Reaktory pracujúce pri: atmosferickom tlaku zníženom tlaku vyžadujú zložitý vákuový systém s chemickými filtrami. V reaktoroch pracujúcich pri nízkom tlaku je možné ľahšie dosiahnuť laminárne prúdenie a tým, že plyny v reaktore sú zriedené, znižuje sa riziko nežiadúcich vzájomných reakcií zdrojových molekúl v plynnej fáze. Spôsoby vyhrievania reaktorov: infračervený ohrev (lampy) pre teploty do 850 o C odporovo vyhrievaná pec pre teploty do 1000 o C indukčný ohrev pre vyššie teploty

14 Cvičenie k predmetu Polovodiče Časť pre rozvod, zmiešavanie a dávkovanie plynov. Pre rozvod plynov sa používajú zvárané nerezové trubky. Jednotlivé časti sú spájané vákuovými spojkami s kovovým tesnením a kontrolované na tesnosť. Na obrázku je uvedená schéma rozvodu plynov OMCVD aparatúry. Vetva hydridových zdrojov Vákuové ventily Do reaktora Vetva organokovových zdrojov Regulátory prietoku Regulátory tlaku Vákuové ventily. Prepínanie toku plynov medzi jednotlivými vetvami a pripájanie zdrojových vetiev zabezpečujú systémy vákuových ventilov.

15 Cvičenie k predmetu Polovodiče Regulátory prietoku a tlaku. Tieto prvky regulujú proces depozície. Pomocou nich sa nastavuje zloženie deponovanej vrstvy, jej rastová rýchlosť a úroveň dotácie. Presnosť nastavenia prietokov a tlakov je nevyhnutná pre zabezpečenie presnosti a reprodukovateľnosti celého procesu. Regulátory prietoku a tlaku sa skladajú z dvoch častí. Prvá časť je merací prvok pre presné meranie regulovanej veličiny, druhá časť je regulačný ihlový ventil. Riadiaca elektronika Meracia časť Regulačný ventil 8.5. Elektronická riadiaca časť. V tejto časti aparatúry sa nachádzajú riadiace bloky pre ovládanie vákuových ventilov, regulátorov prietoku a tlaku, systému vyhrievania reaktora a vákuového systému. Tiež je tu signalizácia stavu prvkov aparatúry a alarm systém zabezpečujúci bezpečnosť práce s aparatúrou Časť pre zn eškodnenie toxických odpadových plynov. Výstupné plyny aparatúry sú toxické. Na ich zneškodňovanie je možné použiť tri spôsoby: Spaľovanie. Chemická reakcia za vzniku netoxických látok alebo prevedenie toxickej látky z plynnej formy na kvapalnú alebo pevnú a jej následná likvidácia (skrubre). Adsorpcia na aktívnom uhlí. Na obr. je príklad dvojstupňového chemického skrubra.

16 Cvičenie k predmetu Polovodiče. 16 Zadanie: RAST POLOVODIČOVÝCH EPITAXNÝCH VRSTIEV A ŠTRUKTÚR TECHNOLÓGIOU OMCVD - zadanie cvičenia. Pripravte epitaxnú vrstvu GaAs. 1) Vypočítajte prietok nosného plynu bublačkou TMGa potrebný pre rast GaAs vrstvy. Žiadaná rastová rýchlosť je 1,3 µm/hod. 2) Zmerajte hrúbku vrstvy. 3) Pripravte ohmické kontakty. 4) Zloženie zlúčeniny GaAs v pevnej fáze je Ga:As=1:1. Zistite, aké bolo zloženie v plynnej fáze.