Históricamente, el silicio ha dominado el desarrollo de la tecnología IC como material semiconductor principal. El enfoque principal en los últimos años en una alternativa al silicio se ha concentrado en los compuestos III-V, como el arseniuro de galio (GaAs), como material de sustrato. Como material semiconductor, GaAs exhibe mayores capacidades que el silicio, como una movilidad de electrones de 5 a 6 veces mayor que la del silicio. Esta característica, junto con las propiedades semiaislantes potenciales del GaAs, conduce a un mayor rendimiento tanto en velocidad como en consumo de energía.

GaAs tiene una estructura de blenda de zinc que consta de dos subredes cúbicas centradas en las caras que se interpenetran y que se relacionan con el crecimiento de material de lingote de alta calidad. La tecnología involucrada en el crecimiento de GaAs es considerablemente más complicada que la empleada para el silicio, ya que se trata de un equilibrio bifásico más complicado y de un componente altamente volátil, el arsénico (As). Se requiere un control preciso de la presión de vapor de As en el sistema de crecimiento del lingote para mantener la estequiometría exacta del compuesto de GaAs durante el proceso de crecimiento. Dos categorías principales de pantallas de semiconductores III-V y producción de dispositivos tienen procedimientos de procesamiento económicamente viables: pantallas LED y dispositivos IC de microondas.

Los LED se fabrican a partir de GaAs monocristalino en el que se forman uniones pn mediante la adición de agentes dopantes adecuados, normalmente telurio, zinc o silicio. Las capas epitaxiales de materiales III-V ternarios y cuaternarios, como el fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP), se cultivan en el sustrato y dan como resultado una banda de emisión de longitudes de onda específicas en el espectro visible para pantallas o en el espectro infrarrojo para emisores o detectores. Por ejemplo, la luz roja con un pico a unos 650 nm proviene de la recombinación directa de los electrones pn y los huecos. Los diodos emisores de luz verde generalmente están compuestos de fosfuro de galio (GaP). Los pasos de procesamiento de LED generalizados se tratan en este artículo.

Los dispositivos IC de microondas son una forma especializada de circuito integrado; se utilizan como amplificadores de alta frecuencia (2 a 18 GHz) para radar, telecomunicaciones y telemetría, así como para amplificadores de octava y multi-octava para uso en sistemas de guerra electrónica. Los fabricantes de dispositivos IC de microondas suelen comprar sustrato de GaAs monocristalino, con o sin una capa epitaxial, de proveedores externos (al igual que los fabricantes de dispositivos de silicio). Los principales pasos de procesamiento incluyen deposición epitaxial en fase líquida, procesamiento de fabricación y no fabricación similar a la fabricación de dispositivos de silicio. Los pasos de procesamiento que justifican una descripción adicional a la del procesamiento de LED también se analizan en este artículo.

Fabricación de obleas

Similar al proceso de crecimiento de lingotes de silicio, las formas elementales de galio y arsénico, más pequeñas cantidades de material dopante (silicio, telurio o zinc) reaccionan a temperaturas elevadas para formar lingotes de GaAs monocristalino dopado. Se utilizan tres métodos generalizados de producción de lingotes:

• Puente horizontal o vertical

• congelación de gradiente horizontal o vertical

• líquido encapsulado Czochralski (LEC) de alta o baja presión.

El compuesto de GaAs policristalino a granel normalmente se forma por la reacción del vapor de As con el metal Ga a temperaturas elevadas en ampollas de cuarzo selladas. Por lo general, un depósito de As ubicado en un extremo de la ampolla se calienta a 618°C. Esto genera aproximadamente 1 atmósfera de presión de vapor de As en la ampolla, un requisito previo para obtener GaAs estequiométrico. El vapor de As reacciona con el metal Ga mantenido a 1,238°C y ubicado en el otro extremo de la ampolla en un bote de cuarzo o nitruro de boro pirolítico (PBN). Una vez que el arsénico ha reaccionado por completo, se forma una carga policristalina. Esto se utiliza para el crecimiento de monocristales mediante enfriamiento programado (congelación de gradiente) o moviendo físicamente la ampolla o el horno para proporcionar gradientes de temperatura adecuados para el crecimiento (Bridgeman). Este enfoque indirecto (transporte de arsénico) para la composición y el crecimiento de GaAs se utiliza debido a la alta presión de vapor del arsénico en el punto de fusión del GaAs, aproximadamente 20 atmósferas a 812 °C y 60 atmósferas a 1,238 °C, respectivamente.

Otro enfoque para la producción comercial de GaAs monocristalino a granel es la técnica LEC. Un extractor de cristal Czochralski se carga con fragmentos de GaAs en un crisol con un susceptor de grafito externo. Luego, el GaAs a granel se funde a temperaturas cercanas a los 1,238 °C y el cristal se extrae en una atmósfera presurizada que puede variar según el fabricante, por lo general, desde unas pocas atmósferas hasta 100 atmósferas. La masa fundida está completamente encapsulada por un vidrio viscoso, B₂O₃, que evita la disociación de la masa fundida ya que la presión del vapor de As es igualada o superada por la presión de un gas inerte (típicamente argón o nitrógeno) aplicado en la cámara extractora. Alternativamente, se puede sintetizar GaAs monocristalino in situ inyectando As en el Ga fundido o combinando As y Ga directamente a alta presión.

La fabricación de obleas de GaAs representa el proceso de fabricación de semiconductores con el mayor potencial para exposiciones químicas significativas y rutinarias. Si bien la fabricación de obleas de GaAs solo la realiza un pequeño porcentaje de fabricantes de semiconductores, se necesita un énfasis particular en esta área. Las grandes cantidades de As utilizadas en el proceso, los numerosos pasos del proceso y el bajo límite de exposición al arsénico en el aire dificultan el control de las exposiciones. Artículos de Harrison (1986); Lenihan, Sheehy y Jones (1989); McIntyre y Sherin (1989) y Sheehy y Jones (1993) proporcionan información adicional sobre los peligros y controles de este proceso.

Síntesis de lingotes policristalinos

Carga y sellado de ampollas

El As elemental (99.9999%) en forma de fragmentos se pesa y se carga en un bote de cuarzo en una guantera agotada. El Ga líquido puro (99.9999 %) y el material dopante también se pesan y cargan en una(s) embarcación(es) de cuarzo o de nitruro de boro pirolítico (PBN) de la misma manera. Los botes se cargan en una ampolla de cuarzo cilíndrica larga. (En las técnicas Bridgman y gradiente de congelación, también se introduce un cristal semilla con la orientación cristalográfica deseada, mientras que en la técnica LEC de dos etapas, donde solo se necesita poli GaAs en esta etapa, se sintetiza un GaAs policristalino sin el cristal semilla. )

Las ampollas de cuarzo se colocan en un horno de baja temperatura y se calientan mientras la ampolla se purga con hidrógeno (H₂), en un proceso conocido como reacción de reducción de hidrógeno, para eliminar los óxidos. Después de purgar con un gas inerte como el argón, las ampollas de cuarzo se unen a un conjunto de bomba de vacío, se evacuan y los extremos de las ampollas se calientan y sellan con un soplete de hidrógeno/oxígeno. Esto crea una ampolla de cuarzo cargada y sellada lista para crecer en el horno. La purga de hidrógeno y el sistema de soplete de hidrógeno/oxígeno es un riesgo potencial de incendio/explosión si no se utilizan los dispositivos y equipos de seguridad adecuados (Wade et al. 1981).

Debido a que el arsénico se calienta, este conjunto se mantiene bajo ventilación por extracción. Se pueden formar depósitos de óxido de arsénico en el conducto de escape que soporta este conjunto. Se debe tener cuidado para evitar la exposición y la contaminación si los conductos se alteran de alguna manera.

El almacenamiento y manejo de trozos de arsénico es motivo de preocupación. Por seguridad, a menudo el arsénico se guarda bajo llave y con un estricto control de inventario. Por lo general, el arsénico también se guarda en un gabinete de almacenamiento resistente al fuego para evitar su participación en caso de incendio.

crecimiento del horno

Los métodos Bridgeman y de congelación en gradiente de crecimiento de lingotes monocristalinos utilizan ampollas de cuarzo cargadas y selladas en un recinto de horno de alta temperatura que se ventila a un sistema depurador húmedo. Los principales riesgos de exposición durante el crecimiento del horno se relacionan con la posibilidad de que la ampolla de cuarzo implosione o explote durante el crecimiento del lingote. Esta situación ocurre de forma bastante esporádica y poco frecuente, y es el resultado de uno de los siguientes:

• la presión parcial del vapor de As que resulta de las altas temperaturas utilizadas en el proceso de crecimiento

• desvitrificación del vidrio de la ampolla de cuarzo, que crea grietas finas y el consiguiente potencial de despresurización de la ampolla

• falta de dispositivos precisos de control de alta temperatura en la fuente de calor, generalmente de tipo resistencia, con la sobrepresurización resultante de la ampolla de cuarzo

• mal funcionamiento o falla del termopar, lo que resulta en una sobrepresurización de la ampolla de cuarzo

• exceso de As o muy poco Ga en el tubo de la ampolla, lo que da como resultado una presión de As extremadamente alta, lo que puede provocar una despresurización catastrófica de la ampolla.

El sistema Bridgeman horizontal consta de un horno multizona en el que la ampolla de cuarzo sellada tiene zonas de temperatura separadas: el extremo del dedo "frío" de arsénico a 618 °C y el recipiente de cuarzo galio/dopante/cristal de semilla que contiene la masa fundida a 1,238 °C. El principio básico del sistema Bridgeman horizontal consiste en atravesar dos zonas calentadas (una por encima del punto de fusión del GaAs y otra por debajo del punto de fusión) sobre un bote de GaAs para proporcionar la congelación controlada con precisión del GaAs fundido. El cristal semilla, mantenido en todo momento en la zona de congelación, proporciona la estructura de partida inicial del cristal, definiendo la dirección y orientación de la estructura cristalina dentro del bote. El bote de cuarzo y la ampolla de Ga y As están suspendidos dentro de la cámara del calentador por un conjunto de revestimientos de carburo de silicio llamados tubos de soporte, que se colocan dentro del ensamblaje del calentador de resistencia para mover mecánicamente la ampolla a lo largo de toda la distancia. Además, el conjunto del horno descansa sobre una mesa que debe inclinarse durante el crecimiento para proporcionar la interfaz adecuada del fundido de GaAs sintetizado con el cristal semilla.

En el método de congelación en gradiente, un horno multizona de alta temperatura que utiliza calentamiento por resistencia se mantiene entre 1,200 y 1,300 °C (1,237 °C es el punto de fusión/congelación del GaAs). La duración total del proceso de crecimiento del lingote suele ser de 3 días y comprende los siguientes pasos:

• cocción del horno a temperatura

• Síntesis de GaAs

• sembrando el derretimiento

• enfriamiento/crecimiento de cristales.

La ampolla de cuarzo también se inclina durante el proceso de crecimiento mediante el uso de un gato manual tipo tijera.

Ruptura de ampolla

Después de que el lingote de GaAs monocristalino crece dentro de la ampolla de cuarzo sellada, se debe abrir la ampolla y retirar el bote de cuarzo que contiene el lingote más el cristal semilla. Esto se logra mediante uno de los siguientes métodos:

• cortar el extremo sellado de las ampollas con una sierra circular húmeda

• calentar y romper la ampolla con un soplete de hidrógeno/oxígeno

• rompiendo la ampolla embolsada con un martillo mientras estaba bajo el escape para controlar el arsénico en el aire.

Las ampollas de cuarzo se reciclan grabando en húmedo el arsénico condensado en la superficie interior con agua regia (HCl,HNO₃) o ácido sulfúrico/peróxido de hidrógeno (H₂SO₄/H₂O₂).

Granallado/limpieza de lingotes

Para ver los defectos policristalinos y eliminar los óxidos y los contaminantes exteriores, el lingote de GaAs monocristalino se debe granallar. El granallado se realiza en una unidad de caja de guantes agotada utilizando medios de granallado de carburo de silicio o alúmina calcinada. La limpieza húmeda se realiza en baños químicos provistos de ventilación de escape local y utilizando agua regia o enjuagues con alcohol (alcohol isopropílico y/o metanol).

Crecimiento de lingotes monocristalinos

El lingote de GaAs policristalino extraído de la ampolla se rompe en trozos, se pesa y se coloca en un crisol de cuarzo o PBN, y se coloca encima un disco de óxido de boro. Luego, el crisol se coloca en un cultivador de cristales (extractor) presurizado en un gas inerte y se calienta a 1,238 °C. A esta temperatura, el GaAs se funde y el óxido de boro más ligero se convierte en un encapsulante líquido para evitar que el arsénico se disocie del fundido. Un cristal semilla se introduce en la masa fundida por debajo de la tapa líquida y, mientras gira en sentido contrario, se retira lentamente de la masa fundida, solidificándose así al salir de la "zona caliente". Este proceso dura aproximadamente 24 horas, según el tamaño de la carga y el diámetro del cristal.

Una vez que se completa el ciclo de crecimiento, se abre el cultivador para recuperar el lingote monocristalino y para su limpieza. Cierta cantidad de arsénico se escapa del fundido incluso con la tapa líquida en su lugar. Puede haber una exposición significativa al arsénico en el aire durante este paso del proceso. Para controlar esta exposición, el cultivador se enfría por debajo de los 100 °C, lo que da como resultado la deposición de partículas finas de arsénico en la superficie interior del cultivador. Este enfriamiento ayuda a minimizar la cantidad de arsénico que se transporta por el aire.

Grandes depósitos de residuos que contienen arsénico quedan en el interior del cultivador de cristales. La eliminación de los residuos durante el mantenimiento preventivo de rutina puede generar concentraciones significativas de arsénico en el aire (Lenihan, Sheehy y Jones 1989; Baldwin y Stewart 1989; McIntyre y Sherin 1989). Los controles utilizados durante esta operación de mantenimiento a menudo incluyen ventilación de extracción de barrido, ropa desechable y respiradores.

Cuando se retira el lingote, se desmonta el cultivador. Se utiliza una aspiradora HEPA para recoger partículas de arsénico en todas las partes del cultivador. Después de pasar la aspiradora, las piezas de acero inoxidable se limpian con una mezcla de hidróxido de amonio/peróxido de hidrógeno para eliminar el arsénico residual y se ensambla el cultivador.

Procesamiento de obleas

difracción de rayos X

La orientación cristalina del lingote de GaAs se determina mediante el uso de una unidad de difracción de rayos X, como en el procesamiento de lingotes de silicio. Se puede usar un láser de baja potencia para determinar la orientación cristalina en un entorno de producción; sin embargo, la difracción de rayos X es más precisa y es el método preferido.

Cuando se usa la difracción de rayos X, a menudo el haz de rayos X está totalmente encerrado en un gabinete protector que se revisa periódicamente para detectar fugas de radiación. Bajo ciertas circunstancias, no es práctico contener completamente el haz de rayos X en un recinto interbloqueado. En este caso, es posible que se requiera que los operadores usen distintivos de radiación en los dedos, y se utilizan controles similares a los que se usan para los láseres de alta potencia (p. ej., una habitación cerrada con acceso limitado, capacitación del operador, cercar el haz tanto como sea práctico, etc.) ( Baldwin y Williams 1996).

Recorte, trituración y rebanado de lingotes

Los extremos o colas del lingote monocristalino se eliminan utilizando una sierra de diamante de una sola hoja lubricada con agua, con varios refrigerantes añadidos al agua. Luego, el lingote monocristalino se coloca en un torno que le da forma en un lingote cilíndrico de diámetro uniforme. Este es el proceso de molienda, que también es un proceso húmedo.

Después de cortar y moler, los lingotes de GaAs se montan con epoxi o cera en una viga de grafito y se cortan en obleas individuales mediante el uso de sierras de hoja de diamante de diámetro interior (DI) operadas automáticamente. Esta operación húmeda se realiza con el uso de lubricantes y genera una suspensión de GaAs, que se recolecta, centrifuga y trata con fluoruro de calcio para precipitar el arsénico. El sobrenadante se analiza para asegurarse de que no contenga un exceso de arsénico, y el lodo se prensa en una torta y se desecha como desecho peligroso. Algunos fabricantes envían la suspensión recolectada de los procesos de corte, molienda y corte de lingotes para la recuperación de Ga.

La arsina y la fosfina pueden formarse a partir de la reacción del GaAs y el fosfuro de indio con la humedad del aire, otros arseniuros y fosfuros o cuando se mezclan con ácidos durante el procesamiento del arseniuro de galio y el fosfuro de indio; Se midieron 92 ppb de arsina y 176 ppb de fosfina a 2 pulgadas de distancia de las hojas de corte utilizadas para cortar lingotes de GaAs y fosfuro de indio (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).

Lavado de obleas

Después de desmontar las obleas de GaAs del haz de grafito, se limpian mediante inmersión secuencial en baños químicos húmedos que contienen soluciones de ácido sulfúrico/peróxido de hidrógeno o ácido acético y alcoholes.

Perfilado de bordes

El perfilado de bordes también es un proceso húmedo que se realiza en obleas cortadas para formar un borde alrededor de la oblea, lo que la hace menos propensa a romperse. Debido a que solo se hace un corte delgado en la superficie de la oblea, solo se genera una pequeña cantidad de suspensión.

Lapeado y pulido

Las obleas se montan con cera en una placa de lapeado o esmerilado, utilizando una placa caliente, y se lame en una máquina que ejerce una velocidad de rotación y una presión establecidas. Se alimenta una solución de pulido sobre la superficie de pulido (una suspensión de óxido de aluminio, glicerina y agua). Después de un breve período de lapeado, cuando se alcanza el espesor deseado, las obleas se enjuagan y se montan en una pulidora mecánica. El pulido se realiza con bicarbonato de sodio, cloro al 5%, agua (o hipoclorito de sodio) y suspensión de sílice coloidal. A continuación, las obleas se desmontan en una placa calefactora, se elimina la cera con disolventes y se limpian las obleas.

Epitaxia

Las obleas monocristalinas de GaAs se utilizan como sustratos para el crecimiento de capas muy finas del mismo u otros compuestos III-V que tengan las propiedades electrónicas u ópticas deseadas. Esto debe hacerse de manera que continúe, en la capa crecida, la estructura cristalina del sustrato. Este crecimiento de cristales, en el que el sustrato determina la cristalinidad y la orientación de la capa desarrollada, se denomina epitaxia, y se utilizan diversas técnicas de crecimiento epitaxial en la producción de pantallas y dispositivos III-V. Las técnicas más comunes son:

• epitaxia en fase líquida (LPE)

• epitaxia de haz molecular (MBE)

• epitaxia en fase de vapor (VPE)

• deposición de vapor químico metalorgánico (MOCVD), también conocida como epitaxia en fase de vapor organometálica (OMVPE).

epitaxia en fase liquida

En LPE, una capa de material dopado III-V crece directamente sobre la superficie del sustrato de GaAs utilizando un soporte de grafito que contiene cámaras separadas para que el material se deposite en las obleas. Se añaden cantidades pesadas de materiales de deposición a la cámara superior del soporte, mientras que las obleas se colocan en una cámara inferior. El conjunto se coloca dentro de un tubo de reacción de cuarzo bajo una atmósfera de hidrógeno. El tubo se calienta para fundir los materiales de deposición, y cuando la masa fundida se equilibra, la sección superior del soporte se desliza para que la masa fundida se coloque sobre la oblea. Luego se baja la temperatura del horno para formar la capa epitaxial.

LPE se utiliza principalmente en la epitaxia IC de microondas y para la fabricación de LED de ciertas longitudes de onda. La principal preocupación con este proceso de LPE es el uso de gas de hidrógeno altamente inflamable en el sistema, que se mitiga con buenos controles de ingeniería y sistemas de alerta temprana.

epitaxia de haz molecular

La epitaxia al vacío en forma de MBE se ha desarrollado como una técnica particularmente versátil. MBE de GaAs consiste en un sistema de ultra alto vacío que contiene fuentes para haces atómicos o moleculares de Ga y As y una oblea de sustrato calentado. Las fuentes de haces moleculares suelen ser recipientes para Ga líquido o As sólido. Las fuentes tienen un orificio que mira hacia la oblea del sustrato. Cuando el horno de efusión (o recipiente) se calienta, los átomos de Ga o las moléculas de As salen del orificio. En el caso del GaAs, el crecimiento suele tener lugar con una temperatura del sustrato superior a 450 °C.

Pueden ocurrir altas exposiciones a la arsina durante el mantenimiento de los sistemas MBE de fuente sólida. En un estudio se detectaron concentraciones en el aire de la habitación de 0.08 ppm cuando se abrió la cámara de la unidad MBE para mantenimiento. Los autores plantearon la hipótesis de que la generación transitoria de arsina puede deberse a una reacción de partículas muy finas de arsénico con vapor de agua, con el aluminio actuando como catalizador (Asom et al. 1991).

Epitaxia en fase de vapor

Las obleas desengrasadas y pulidas se someten a un paso de grabado y limpieza antes de la epitaxia. Esto implica una operación secuencial de inmersión química húmeda que utiliza ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno y agua en una proporción de 5:1:1; un enjuague con agua desionizada; y un alcohol isopropílico limpio/seco. También se realiza una inspección visual.

Se utilizan dos técnicas principales de VPE, basadas en dos químicas diferentes:

• los halógenos III (GaCl₃) y V-halógenos (AsCl₃) o V-hidrógeno (AsH₃ y pH₃)

• los III metal-orgánicos y V-hidrógeno, como Ga(CH₃)₃ y ceniza₃—OMVPE.

Las termoquímicas de estas técnicas son muy diferentes. Las reacciones del halógeno suelen ser de "caliente" a "frío", en las que el halógeno III se genera en una zona caliente por reacción del elemento III con HCl, y luego se difunde a la zona fría, donde reacciona con las especies V. para formar material III-V. La química organometálica es un proceso de “pared caliente” en el que el compuesto orgánico metálico III “descompone” o piroliza el grupo orgánico y el III restante y el hidruro V reaccionan para formar III-V.

En VPE, el sustrato de GaAs se coloca en una cámara calentada bajo una atmósfera de hidrógeno. La cámara se calienta mediante RF o calentamiento por resistencia. El HCl se burbujea a través de un bote de Ga, formando cloruro de galio, que luego reacciona con el AsH₃ y pH₃ cerca de la superficie de las obleas para formar GaAsP, que se deposita como capa epitaxial sobre el sustrato. Hay una serie de dopantes que se pueden agregar (según el producto y la receta). Estos incluyen bajas concentraciones de telururos, seleniuros y sulfuros.

Una técnica común utilizada para VPE en el procesamiento de LED es el sistema III-halógeno y V-hidrógeno (hidruro). Implica un proceso de dos ciclos: inicialmente hacer crecer la capa epitaxial de GaAsP en el sustrato de GaAs y, por último, un ciclo de grabado para limpiar la cámara del reactor de grafito/cuarzo de impurezas. Durante el ciclo de crecimiento epitaxial, las obleas de GaAs previamente limpiadas se cargan en un carrusel ubicado dentro de una cámara de reactor de cuarzo que contiene un depósito de galio líquido elemental a través del cual se mide el gas HCl anhidro, formando GaCl.₃. Las mezclas de gas hidruro/hidrógeno (p. ej., 7 % de AsH₃/H₂ y 10% PH₃/H₂) también se miden en la cámara del reactor con la adición de concentraciones de ppm de dopantes organometálicos de telurio y selenio. Las especies químicas en la zona caliente, la parte superior de la cámara de reacción, reaccionan y, en la zona fría, la parte inferior de la cámara, forman la capa deseada de GaAsP en el sustrato de la oblea, así como en el interior de la misma. cámara del reactor.

Los efluentes del reactor se envían a un sistema de soplete de hidrógeno (cámara de combustión o caja de combustión) para la pirólisis y se ventilan a un sistema depurador húmedo. Alternativamente, los efluentes del reactor se pueden burbujear a través de un medio líquido para atrapar la mayoría de las partículas. El desafío de la seguridad es confiar en los propios reactores para “descifrar” los gases. La eficiencia de estos reactores es de aproximadamente 98 a 99.5%; por lo tanto, algunos gases sin reaccionar pueden salir del burbujeador cuando los operadores los extraen. Hay una emisión de gases de varios compuestos que contienen arsénico y fósforo de estos burbujeadores, lo que requiere que se transporten rápidamente a un fregadero ventilado para mantenimiento, donde se purgan y limpian, a fin de mantener baja la exposición del personal. El reto de higiene ocupacional de este proceso es perfilar el efluente de escape, ya que la mayoría de los compuestos desgasificados de varias partes del reactor, especialmente el borboteador, son inestables en el aire y los medios de recolección convencionales disponibles y las técnicas analíticas no discriminan hacia los especies diferentes.

Otra preocupación son los predepuradores para reactores VPE. Pueden contener altas concentraciones de arsina y fosfina. Pueden ocurrir exposiciones por encima de los límites de exposición ocupacional si estos predepuradores se abren indiscriminadamente (Baldwin y Stewart 1989).

El ciclo de grabado se realiza al final del ciclo de crecimiento y en las piezas nuevas del reactor para limpiar la superficie interior de impurezas. El gas HCl sin diluir se dosifica en la cámara durante períodos de aproximadamente 30 minutos y el reactor se calienta a más de 1,200 °C. Los efluentes se ventilan al sistema de lavado húmedo para su neutralización.

Al final de los ciclos de crecimiento y grabado, un N extendido₂ La purga se utiliza para limpiar la cámara del reactor de gases tóxicos/inflamables y corrosivos.

limpieza de reactores

Después de cada ciclo de crecimiento, los reactores VPE deben abrirse, retirarse las obleas y limpiarse físicamente tanto la parte superior como la inferior del reactor. El proceso de limpieza es realizado por el operador.

El predepurador de cuarzo de los reactores se saca físicamente del reactor y se coloca en un sumidero agotado donde se purga con N₂, se enjuaga con agua y luego se sumerge en agua regia. A esto le sigue otro enjuague con agua antes de secar la pieza. La intención de la N₂ La purga es simplemente desplazar el oxígeno debido a la presencia de fósforo pirofórico inestable. Algunos residuos que contienen varios arsenicales y subproductos que contienen fósforo quedan en estas partes incluso después de la purga y el enjuague con agua. La reacción entre estos residuos y la mezcla fuerte de oxidante/ácido podría generar cantidades significativas de AsH.₃ y algo de ph₃. También existe un potencial de exposición con otros procedimientos de mantenimiento en el área.

La parte inferior de la cámara de reacción de cuarzo y la placa inferior (placa base) se limpian raspando con una herramienta de metal y el material particulado (mezcla de GaAs, GaAsP, óxidos de arsénico, óxidos de fósforo y gases de hidruro atrapados) se recoge en un recipiente metálico. contenedor colocado debajo del reactor vertical. Se utiliza una aspiradora de alta eficiencia para la limpieza final.

Otra operación con potencial de exposición química es la limpieza de la trampa del reactor. La limpieza de la trampa se realiza raspando las partes de grafito de la cámara superior, las cuales tienen una costra de todos los subproductos mencionados anteriormente más cloruro de arsénico. El procedimiento de raspado genera polvo y se realiza en un fregadero ventilado para minimizar la exposición de los operadores. La línea de escape del proceso, que contiene todos los subproductos más la humedad que forma un desecho líquido, se abre y se drena en un recipiente metálico. La aspiradora HEPA se utiliza para limpiar las partículas de polvo que se hayan escapado durante la transferencia de las piezas de grafito y al subir y bajar la campana de cristal, que elimina las partículas sueltas.

Deposición de vapor químico metalorgánico

MOCVD se usa ampliamente en la preparación de dispositivos III-V. Además de los gases de hidruro utilizados como materiales de origen en otros sistemas CVD (p. ej., arsina y fosfina), en los sistemas MOCVD también se utilizan alternativas líquidas menos tóxicas (p. ej., butil arsina terciaria y butil fosfina terciaria), junto con otros tóxicos como alquilos de cadmio y mercurio (Content 1989; Rhoades, Sands y Mattera 1989; Roychowdhury 1991).

Mientras que VPE se refiere a un proceso de deposición de material compuesto, MOCVD se refiere a las fuentes químicas principales utilizadas en el sistema. Se utilizan dos químicas: haluros y metalorgánica. El proceso VPE descrito anteriormente es un proceso de haluro. Un haluro del grupo III (galio) se forma en la zona caliente y el compuesto III-V se deposita en la zona fría. En el proceso metalorgánico para GaAs, se dosifica trimetilgalio en la cámara de reacción junto con arsina, o una alternativa líquida menos tóxica como la butil arsina terciaria, para formar arseniuro de galio. Un ejemplo de una reacción MOCVD típica es:

(CH₃)₃Ga + Ceniza₃ → GaAs+3CH₄

Hay otras químicas utilizadas en el procesamiento MOCVD de LED. Los organometálicos utilizados como elementos del grupo III incluyen trimetil galio (TMGa), trietil galio (TEGa), indio TM, indio TE y aluminio TM. En el proceso también se utilizan gases hidruros: 100% AsH₃ y 100% PH₃. Los dopantes utilizados en el proceso son: dimetil zinc (DMZ), bis-ciclopentadienil magnesio y seleniuro de hidrógeno (H₂Se). Estos materiales se hacen reaccionar dentro de la cámara de reacción a baja presión H₂ atmósfera. La reacción produce capas epitaxiales de AlGaAs, AlInGaP, InAsP y GaInP. Esta técnica se ha utilizado tradicionalmente en la fabricación de láseres semiconductores y dispositivos de comunicación óptica, como transmisores y receptores de fibra óptica. El proceso AlInGaP se utiliza para producir LED muy brillantes.

Al igual que el proceso VPE, la limpieza de reactores y piezas MOCVD presenta desafíos tanto para el proceso como para el higienista ocupacional, especialmente si hay grandes cantidades de PH concentrado.₃ se utiliza en el proceso. La eficiencia de “craqueo” de estos reactores no es tan grande como la de los reactores VPE. Se genera una cantidad significativa de fósforo, que es un peligro de incendio. El procedimiento de limpieza involucra el uso de peróxido de hidrógeno/hidróxido de amonio diluido en varias partes de estos reactores, lo cual es un peligro de explosión si, debido a un error del operador, se usa una solución concentrada en presencia de un catalizador metálico.

Fabricación de dispositivos

La oblea de GaAs con una capa de GaAsP de crecimiento epitaxial en la superficie superior continúa con la secuencia de procesamiento de fabricación del dispositivo.

Deposición de nitruro

Un CVD de alta temperatura de nitruro de silicio (Si₃N₄) se realiza utilizando un horno de difusión estándar. Las fuentes gaseosas son silano (SiH₄) y amoníaco (NH₃) con un gas portador de nitrógeno.

Proceso fotolitografico

El proceso estándar de fotoprotección, alineación/exposición, revelado y pelado se utiliza como en el procesamiento de dispositivos de silicio (consulte la sección sobre litografía en el artículo "Fabricación de semiconductores de silicio").

Grabado húmedo

Varias mezclas de soluciones de ácido químico húmedo se utilizan en baños de plástico en estaciones de grabado localmente agotadas, algunas provistas de sistemas de suministro de filtro HEPA laminar montados verticalmente. Los ácidos primarios en uso son sulfúrico (H₂SO₄), fluorhídrico (HF), clorhídrico (HCl) y fosfórico (H₃PO₄). Al igual que en el procesamiento de silicio, el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) se utiliza con ácido sulfúrico e hidróxido de amonio (NH₄OH) proporciona un grabado cáustico. Una solución de cianuro (sodio o potasio) también se usa para grabar aluminio. Sin embargo, el grabado con cianuro se está eliminando gradualmente a medida que se desarrollan otros grabadores para este proceso. Como alternativa al grabado en húmedo, se utiliza un proceso de grabado con plasma y cenizas. Las configuraciones del reactor y los gases reactivos son muy similares a los utilizados en el procesamiento de dispositivos de silicio.

Difusión

Se realiza una difusión de fuente sólida de diarseniuro de zinc en ampolla cerrada en un horno de difusión al vacío a 720°C, utilizando un N₂ gas portador El arsénico y el arseniuro de zinc se utilizan como dopantes. Se pesan en una caja de guantes de la misma manera que en el sustrato a granel.

Metalización

Se realiza una evaporación inicial de aluminio utilizando un evaporador de haz de electrones. Después del backlapping, se realiza un último paso de evaporación de oro utilizando un evaporador de filamento.

aleación

Se realiza un paso final de aleación en un horno de difusión a baja temperatura, utilizando una atmósfera inerte de nitrógeno.

retrolapeado

El backlapping se realiza para eliminar los materiales depositados (GaAsP, Si₃N₄ y así sucesivamente) desde la parte posterior de la oblea. Las obleas se montan con cera en una placa lapeadora y se lame en húmedo con una suspensión de sílice coloidal. A continuación, la cera se elimina decapando en húmedo las obleas en un decapante orgánico en una estación de grabado químico húmedo agotada localmente. Otra alternativa al lapeado en húmedo es el lapeado en seco, que utiliza “arena” de óxido de aluminio.

Se utilizan varios protectores y decapantes de protectores, que normalmente contienen ácido sulfónico (ácido dodecilbencenosulfónico), ácido láctico, hidrocarburo aromático, naftaleno y catecol. Algunos decapantes de resistencia contienen etanoato de butilo, ácido acético y éster de butilo. Se utilizan protectores tanto negativos como positivos y eliminadores de resistencias, según el producto.

Examen final

Al igual que en el procesamiento de dispositivos de silicio, los circuitos LED completos se prueban y marcan por computadora (consulte "Fabricación de semiconductores de silicio"). Se realiza una inspección final y luego las obleas se prueban eléctricamente para marcar las matrices defectuosas. Luego se usa una sierra húmeda para separar los troqueles individuales, que luego se envían para su ensamblaje.

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