אפיטקסיה מפאזת אדים אורגנומתכתיים

תיאור סכמתי של תהליך הגידול בשיטת MOVPE. אטומי אינדיום מתוארים באמצעות עיגולים שחורים גדולים; אטומי זרחן - בעיגולים מנוקדים גדולים; אטומי פחמן - בעיגולים מקווקווים בינוניים; ואטומי מימן - עיגולים ריקים קטנים. אדי ה-TMIn והפוספין המוזרמים לריאקטור עוברים פירוליזה מזורזת (קטליטית) על המצע, ליצירת אינדיום וזרחן, המגיבים ומצטרפים לשכבה הגדלה, ולרדיקלים מתיליים ואטומי מימן היוצרים מתאן שמסולק מהריאקטור.

אפיטקסיה מפאזת אדים אורגנומתכתיים, המוכרת בראשי התיבות MOVPE (מאנגלית: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy), או OMVPE (מאנגלית: Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy), או MOCVD (מאנגלית: Metalorganic Chemical Vapor Deposition), היא שיטת אפיטקסיה לגידול שכבות דקות תבנית:קישור שפה של יסודות או תרכובות, בעיקר מוליכים למחצה (מל"מ), מהתרכובות האורגנו-מתכתיות של המרכיבים שלהם. מגוון החומרים הניתנים לגידול באפיטקסיה מהמצב הגזי מוגבלת בדרך כלל על ידי האפשרות להביא את חומרי המוצא למצב צבירה זה. הנדיפות הגבוהה של התרכובות האורגנו-מתכתיות, מאפשרת לגדל באמצעות MOVPE שכבות אפיטקסיאליות של חומרים רבים. יש לה חשיבות תעשייתית רבה בייצור מוליכים למחצה מתבנית:קישור שפה בעיקר לגידול מל"מ מבוססי גליום ניטריד (GaN), שחשיבותם רבה כחומרי הבסיס ליצור דיודות פולטות אור (LED) כחול, ירוק ולבן.

היסטוריה

התגובה הראשונה בין תרכבות אורגנו-מתכתית והידריד ליצירת תרכובת III-V דווחה לראשונה ב-1960 במעבדות של תבנית:קישור שפה בקליבלנד, אוהיו. במקרה זה שוקעה אבקה של תבנית:קישור שפה (InP) מהתגובה בין תבנית:קישור שפה (TMIn) ופוספין (PH₃). עם זאת, מציינים את 1968 כשנה שבה הומצאה השיטה על ידי מדען החומרים האמריקאי תבנית:קישור שפה בנורת' אמריקן אוויאיישן (North American Aviation - NAA), כיום רוקוול אינטרנשיונל (Rockwell International). הוא פיתח את השיטה עבור אפיטקסיה של גליום ארסניד (GaAs), ושל תרכובות Ga-V אחרות. אחר כך גידל גם שכבות של מוליכים למחצה III-V, תבנית:קישור שפה ו-IV-VI רבים אחרים, כולל הדיווח הראשון על הגידול של גליום ניטריד (GaN) חד גבישי ותבנית:קישור שפה (AlN) על ספיר (0001), תהליך המשמש לקראת תום הרבע הראשון של המאה ה-21 לייצור מסחרי של כל הנוריות פולטות אור (LEDs) באור הנראה.

בשנים הראשונות לאחר המצאת השיטה על ידי מנסוויט ושותפיו הייתה איכות השכבות, בעיקר מספר הפגמים בשכבות והביצועים החשמליים שלהן, ירודה. זו הייתה התוצאה של ניקיון בלתי מספק של חומרי המוצא. לקח יותר מעשור עד שבעיה זו נפתרה במידה נאותה להשגת ניידות אלקטרונים גבוהה מ-100,000 סמ"ר לוולט לשנייה. הישג זה עשה את שיטת ה-MOVPE לבת-תחרות בשיטה האלטרנטיבית לאפיטקסיה של GaAs - שיטת האפיטקסיה של קרן מולקולרית (MBE), שהתחילה להתפתח באותן שנים. הדבר נכון היה לא רק לטרנזיסטורים של ניידות מהירה (high-mobility) אלא גם, ובעיקר, להתפתחות של התקנים אלקטרו-אופטיים מתקדמים. בעיקר, האפיטקסיה של מבנים שנתנו לייזרים עם סף הפעלה נמוך, המבוססים על בורות קוונטיים, הפכה את שיטת ה-MOVPE משיטה מעבדתית לשיטת אפיטקסיה תעשייתית.

הקלות שבה ניתן לגדל GaAs מתבנית:קישור שפה (TMGa) ותבנית:קישור שפה (AsH₃) לא הייתה נחלת כלל התרכובות שניסו לגדל ב-MOVPE. קושי רב היה בגידול שכבות מבוססות InP, בגלל תגובת הפילמור המוקדמת המתרחשת כאשר טרימתיל אינדיום (TMIn) ופוספין (PH₃) נפגשים. כדי לפתור בעיה זו התחילו לגדל שכבות ב-MOVPE בלחץ מופחת (כעשירית אטמוספירה). החשיבות של פתרון זה הייתה בפתיחת הדרך לגידול סגסוגות טרנריות (למשל, תבנית:קישור שפה) וקווטרנריות (למשל, תבנית:קישור שפה) מתואמות סריג למצעי InP, שמהן הכינו לייזרים וגלאים לתחום התת-אדום הקרוב. התקנים אלו נדרשו לשוק הגדל של תקשורת ארוכת טווח בסיבים אופטיים באורך גל של 1.5 מיקרון.

במקביל חלה התפתחות בגידול שכבות להתקנים בתחומי התת-אדום הארוכים יותר עבור גלאים להדמאה תרמית, לייזרים באורכי גל ארוכים והתקנים תרמו-וולטאיים. שכבות אלו משותתות על תרכובות מכילות אנטימון (תבנית:קישור שפה, GaSb, AlSb וסגסוגותיהם), או על סגסוגות של תבנית:קישור שפה. הבעיה בגידול תרכובות מכילות אנטימון היא, שבניגוד לגידול מוליכים למחצה מבוססי GaAs או InP, שלגידולם משתמשים בהידרידים של היסודות האל-מתכתיים, ההידריד של אנטימון (תבנית:קישור שפה, SbH₃) אינו יציב. זה אילץ שימוש בתרכובות אורגנו-מתכתיות של אנטימון, למשל תבנית:קישור שפה (טרימתיל אנטימון, TMSb), על כל הבעיות הכרוכות בכך (בעיקר זיהום השכבות בפחמן), וזאת בנוסף לבעיה של גבישים קטנים (גבישונים) של אנטימון על פני השטח, בגלל הנדיפות הנמוכה שלו, המונעת שימוש בעודף של אטומי V במהלך הגידול.

שיטת ה-MOVPE הפכה לתעשייתית לקראת סוף שנות ה-80 של המאה ה-20, בזכות פתרון בעיית הניקיון של התרכובות האורגנו-מתכתיות המשמשות כמגיבים (פרוקרסרים) בגידול, ובזכות הכניסה של מספר יצרני ציוד מסחריים לתחום בניית מכונות גידול של שכבות ב-MOVPE. אבל הזינוק הגדול שלה חל בתחילת שנות ה-90 של אותה מאה, בעקבות ההצלחה במימוש דיודות פולטות אור כחול ולבן בשכבות מבוססות סגסוגות של מל"מ ניטרידים (InGaN ו-תבנית:קישור שפה).

פעילות MOVPE בישראל

בשנות ה-80 וה-90 של המאה העשרים והעשור הראשון של המאה ה-21 התקיימה בטכניון פעילות מחקר בגידול MOVPE להתקנים מבוססי מוליכים למחצה ממשפחת III-As וממשפחת III-N, וכן בגידול תבנית:קישור שפה. במקביל התקיימה במרכז למחקר הגרעיני שורק פעילות בגידול HgCdTe ו-CdTe בשיטה, ואחר כך בגידולים של תרכובות III-V כולל גידול InSb ונקודות קוונטיות שלו. פעילות חצי תעשייתית ב-MOVPE התקיימה בסייאופטיקס ביוקנעם עילית בגידול התקני תבנית:קישור שפה על InP במערכת MOVPE תעשייתית Aixtron 2400G3 של חברת תבנית:קישור שפה הגרמנית. בעשורים השני והשלישי של המאה ה-21 מתקיימת פעילות מחקר ב-MOVPE במקומות הבאים:

• במחלקה למדע והנדסה של חומרים, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת תל אביב: גידול תבנית:קישור שפה של תבנית:קישור שפה.
• במרכז למחקר גרעיני שורק: גידול חומרים ממשפחת החומרים III-V (ארסנידים ואנטימונידים)
• במרכז הישראלי לפוטוניקה מתקדמת, יבנה: גידול חומרים משפחת החומרים III-V (ארסנידים, פוספידים וניטרידים).

עקרונות השיטה

תיאור כולל של התהליך

לתוך ריאקטור הגידול, שבתוכו מצוי מצע או מצעים מחוממים (נייחים או מסובבים), מזרימים את האדים של חומרי המוצא (הקרויים: פרוקרסרים). למשל, לגידול אינדיום פוספיד (באיור העליון) מזרימים טרימתיל-אינדיום (TMIn) – In(CH₃)₃, ופוספין (PH₃). כאשר הגזים האלו פוגשים את המצע הם חווים פירוליזה קטליטית: ה-TMIn מתפרק לאטומי In ולרדיקלים מתיליים (CH₃), והפוספין – לזרחן ולרדיקלים של מימן. האטומים של In הספוחים, אך ניידים על פני השטח של המצע, מצטרפים לגביש באתר מועדף (למשל, שפת מדרגה או שפה של אי). מולקולות הפוספין, המצויות בדרך כלל בעודף, מגיבות עם אינדיום שהצטרף לגביש, תוך שחרור רדיקלים של מימן. אלו לוכדים את הרדיקלים המתיליים ליצירת מולקולות מתאן (CH₄) המופרשות (desorb) מפני השטח, ונסחפות עם הגז הנושא (בדרך כלל מימן) לתבנית:קישור שפה (סקרבר). הגז הנושא לוקח למערכת הנטרול גם חומרי המוצא שלא הגיבו.

חומרי המוצא (ההזנה)

מבעבע של Magnesium bis-cyclopentadienyl (MgCp₂)

ב-MOVPE מגדלים שכבות אפיטקסיאליות של תרכובות המכילות בדרך כלל מתכות. מאחר שאי אפשר ליצור את האדים שלהן בטמפרטורות נמוכות (קרוב, ורצוי מתחת, לטמפרטורת החדר), כדי להסיעם בצנרת של מערכת הגידול, משתמשים בתרכובות האורגניות שלהן. את האל-מתכות שבתרכובות שמגדלים מספקים בצורת ההידרידים שלהם, או גם כן כתרכבות אורגניות.

למשל, לגידול GaAs מזרימים תבנית:קישור שפה (TMGa) – Ga(CH₃)₃, ותבנית:קישור שפה (AsH₃) או כתרכובת אורגנית של ארסן, למשל טרצבוטילארסין [AsH₂(CH₃)₃ או tBuAsH₂ או TBA]. כדי לגדל סגסוגות, למשל תבנית:קישור שפה, מזינים לריאקטור גם טרימתיל אלומיניום (TMAl) – Al(CH₃)₃. דוגמה אחרת היא גידול InAlP מטרימתיל אלומיניום וטרימתיל אינדיום (TMIn) – In(CH₃)₃ המוזנים לריאקטור בקו המתכות, ופוספין (PH₃), המוזן בקו האל-מתכות. לצורך סימום (אילוח) מזרימים גם כמויות קטנות של אדים או גזים של יסוד המסמם. למשל, לסימום סוג p של התרכובות או הסגסוגות ממשפחת III-V אפשר להוסיף לתערובת הגזים שמוזרמת בקו המתכות תבנית:קישור שפה (DEZn); ולצורך סימום בסוג n, אפשר להזרים בקו האל-מתכות סִילַן (SiH₄).

המטלו-אורגניים (MOs) הם בדרך כלל נוזלים, וכדי להסיעם לריאקטור מזרימים גז נושא (בדרך כלל מימן) דרך הנוזל, באמצעות תבנית:קישור שפה, הטבול באמבט מקורר לטמפרטורה נשלטת קבועה. הטמפרטורה של האמבט קובעת את לחץ האדים של ה-MO הספציפי ($P_{MO}$), ולכן את קצב הזרימה המולרי שלו ($f_{MO}$ במולים לדקה): $f_{MO}=f_{tot}\frac{P_{MO}}{(22,400scc/mol)\cdot P_{STP}}$, היכן ש-$f_{tot}$ הוא קצב הזרימה של הגז הנושא (בסמ"ק סטנדרטיים לדקה, תבנית:קישור שפה), ו-$P_{STP}$ – הלחץ בתנאי STP.

התהליכים המתרחשים במהלך הגידול

התהליכים המתרחשים במהלך גידול MOVPE

הגידול האפיטקסיאלי הוא תוצאה של תגובה כימית כוללת, למשל:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{I}\mathrm{n}+\mathrm{P}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{I}\mathrm{n}\text{P}+3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4$

אבל זו מתרחשת במספר שלבים. ראשית המגיבים מוסעים אל הריאקטור באמצעות גז נושא (על פי רוב מימן) בדרך כלל בשני קווים נפרדים: אחד לתרכובות האורגנו-מתכתיות (TMIn בדוגמה) והשני להידרידים של האל-מתכות (פוספין). הסיבה לקווים הנפרדים היא הרצון למנוע תגובה כלשהי בין המגיבים בטרם הגיעם למצע. בהיכנסם לריאקטור, מפעפעים המרכיבים דרך הפאזה הגזית אל המצע, שעליו הם עוברים פירוליזה קטלטית. תוצרי הפירוק של ה-MO [הרדיקלים In, In(CH₃), In(CH₃)₂], הספוחים על פני השטח, מפעפעים עליו עד הגיעם לאתר סריגי מועדף, ונלכדים בו. רדיקלי הזרחן (או פוספין ישירות מהפאזה הגזית) מגיבים עם הרדיקלים המתכתיים, ליצירת התרכובת (InP) במבנה הגבישי המלא; ורדיקלי המימן שהשתחררו מהפוספין מגיבים עם הרדיקלים המתיליים ליצירת מולקולות מתאן (CH₄) המופרשות מפני השטח. במקביל מתקיימות גם תגובות (בלתי רצויות) ליצירת InP בפאזה הגזית ועל קירות הריאקטור. תוצרי כל הריאקציות הללו, והמגיבים שלא הגיבו מורחקים באמצעות הגז הנושא מהריאקטור אל יחידת הנטרול.

על פני השטח של המצע והשכבה הגדלה ספוחים רדיקלים מתיליים רבים. האיור הראשון למעלה מציג נקודת מבט אופטימית, שבה כל הרדיקלים הללו מגיבים עם אטומי מימן ומסולקים מפני השטח. אבל למעשה, הרדיקלים המתיליים יכולים להמשיך להתפרק, והפחמן שיתקבל יוחדר לשכבה האפיטקסיאלית הַגְּדֵלָה. פחמן, כיסוד מטור IV (תבנית:קישור שפה) בטבלה המחזורית, הנוטה לשבת באתר שריגי V (תבנית:קישור שפה) במוליכים למחצה III-V, יסמם, אם כן, את השכבה באקספטורים (יתקבל מוליך למחצה סוג p) בצורה בלתי רצויה ובלתי מבוקרת. מה שמונע זאת הם רדיקלי המימן המאוד ראקטיביים שמשחרר ההידריד האלמתכתי (הפוספין בדוגמה). זו הסיבה לשימוש בהידרידים, למרות הרעילות הגבוהה מאוד שלהם. רדיקלי המימן הראקטיבים הללו (וכל מולקולת פוספין מכילה שלושה מהם) לוכדים את הרדיקלים המתיליים הנעים על פני השטח, ומאלצים אותם להתנדף כמולקולות של מתאן.

כדי להקטין את רמת הסיכון יש המתמשים באורגנו-מטליים מיוחדים של זרחן וארסן המשחררים, ביעילות יחסית, רדיקלי מימן. למשל, טרצ-בוטילפוספין: $(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$, שנכתבת גם: $\text{t}\mathrm{B}\mathrm{u}\mathrm{P}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$ או בפשטות: TBP (ובדומה, טרצ-בוטילארסין: TBA). חומר זה נוזלי בטמפרטורת החדר ורעיל פחות מההידריד. הוא מוסע לריאקטור באותה צורה כמו האורגנו-מתכות (בעבוע של הגז הנושא דרך הנוזל המקורר לטמפרטורה הרצויה), אך דרך קו האל-מתכות.

קצב הגידול

גרף סכמתי של תלות קצב הגידול ב-MOVPE כפונקציה של הופכי הטמפרטורה, המראה את שלושת תחומי הגידול

בדרך כלל מגדלים ב-MOVPE (בדומה לטכניקות אפיטקסיה אחרות מהפאזה הגזית) בתנאים בהם המקור המספק את אטומי האל-מתכת הוא בעודף. אטומים אלו יותר נדיפים (בדרך כלל) מאטומי המתכת, כך שעודף שלהם מונע פירוק של המצע או השכבה הגדלה, בעוד הם עצמם אינם נוטים להצטבר על פני השטח, כטיפות או גבישונים, כפי שקורה כשאטומי המתכת הם בעודף. יש לכך השפעה על ההתנהגות של קצב הגידול.

בבואנו לבחון את התלות של קצב הגידול ב-MOVPE בפרמטרים שונים, נזכור שהתהליך האיטי מבין התהליכים המתרחשים בו-זמנית הוא זה אשר יקבע את קצב הגידול הכולל. את ההשפעה של הטמפרטורה רואים באיור המתאר את התלות של קצב הגידול (בסקלה לוגריתמית) בהופכי הטמפרטורה. ניתן להבחין בשלושה תחומים שונים: בטמפרטורות נמוכות (בצד הימני של הציר של הופכי הטמפרטורה) יש תלות אקספוננציאלית של קצב הגידול ב-T^-1. עובדה זו מצביעה על כך שלתהליך קובע המהירות (האיטי) יש שפעול (אקטיבציה) תרמית. זה יכול להיות הפירוליזה של הפרוקורסרים או התגובה הכימית על פני השטח. משיפוע הקו הישר ניתן לקבל את אנרגיית השפעול של התגובה קובעת המהירות בתחום טמפרטורה זה. התהליך בתחום טמפרטורות זה מוגבל, אם כן, קינטית ולפיכך נקרא kinetically limited growth. בתחום זה הפאזה הגזית מספקת לפני שטח הגידול מגיבים (ריאקטנטים) בעודף.

כשמעלים את הטמפרטורה (נעים שמאלה על ציר ה-T^-1) גָּדֵל קצב הגידול, עד אשר הוא מפסיק להשתנות. בשלב זה קצב הפירוק של הפרקורסרים והקצב של הריאקציות המשטחיות מהירים יותר מקצב ההסעה של המקורות אל תבנית:קישור שפה. מאחר שהדיפוזיה בפאזה הגזית תלויה בצורה חלשה בלבד בטמפרטורה, קרוי תחום זה mass transport limited growth. הסעת המסה בתחום הזה תלויה בקצב אספקת הגזים לריאקטור, ובגאומטריה של הריאקטור עצמו. עבור גידול תרכובות III-V המכילות ארסן וזרחן, למשל, התחום המוגבל הסעת מסה הוא בין 500°C לבין 800°C (או T = 0.0009 – 0.0013 K^-1), ואילו אלו שמכילות חנקן – מעל 1000°C.

בטמפרטורות גבוהות עוד יותר, קָטֵן קצב הגידול בגלל תבנית:קישור שפה מוגברת מממשק הגידול, ומפני שיקוע פרזיטי על קירות הריאקטור, כך שנוצר מחסור במגיבים בפאזה הגזית.

גידול ה-MOVPE מתבצע בדרך כלל בתחום טמפרטורות הביניים המוגבל הסעת מסה, שכן בתחום זה לשינויים בשדה הטמפרטורה (במרחב ובזמן) יש רק השפעה שולית על קצב הגידול. כך מתאפשרת שליטה טובה יותר בקצב הגידול, בהרכב הסגסוגת, ברמת הסימום ובמישוריות הממשקים בשכבה. קצב הגידול בתחום זה תלוי ליניארית בקצב אספקת המקור המתכתי, שכן, כאמור, יש אספקה בעודף של המקורות של האל-מתכות. למשל עבור גידול מוליך למחצה III-V מתקיים: $GR=K{P}_{MIII}\sqrt{(v/P_{tot})}$, היכן ש-GR הוא קצב הגידול, $v$ - מהירות הזרימה במערכת, P_MIII ו-P_tot - הם הלחץ החלקי של התרכובת האורגנו-מתכתית של היסוד III והלחץ הכללי במערכת, בהתאמה, ו-K הוא קבוע. קצב הגידול קבוע בזמן, מה שמקל על השליטה בגידול, בניגוד, למשל למצב בגידול בשיטת ה-LPE: עובי השכבה המגודלת ב-MOVPE הוא פשוט הקצב מוכפל בזמן הגידול.

קצב הגידול נקבע בעיקר על ידי הריכוז המרבי האפשרי של המגיבים בגז הנושא. זה מצדו נקבע על ידי לחץ האדים של התרכובת הארגנו-מתכתית הספציפית בטמפרטורת העבודה של המבעבע (בדרך כלל מתחת לטמפרטורת החדר, אחרת יש לדאוג שקווי ההזנה, הארוכים יחסית, יהיו מחוממים, למניעת שיקוע המגיב חזרה על הדפנות הקרים של הצינורות). קצב גידול אופייני ב-MOVPE הוא כמיקרון עד עשרות מיקרונים בשעה. גבוה יותר מאשר בשיטות VPE אחרות, כמו MBE, אך נמוך יותר מאשר ב-LPE.

מבנה המערכת

תיאור סכמתי של מערכת גידול MOVPE

מערכת הגידול מורכב משלושה חלקים ראשיים: תת-מערכת הזנת החומרים, הריאקטור, ותת-מערכת שאיבה וניטרול הגזים.

מאחר שמזרימים לריאקטור תערובת של הרבה גזים, יחידה חשובה במערכת היא סעפת הגזים שבתת-מערכת הזנת החומרים. היא כוללת את קו הזרמת ההידרידים ואת קו הזרמת האורגנו-מתכות. באחרון מוזרם הגז הנושא (בדרך כלל מימן, אבל לעיתים גז אינרטי כמו חנקן) דרך המבעבעים של המקורות השונים. המבעבעים מקוררים על ידי אמבטי קירור לטמפרטורה קבועה (הקובעת את לחץ האדים של התרכבות האורגנו-מתכתית שבמבעבע). מכוונים טמפרטורה זו לערך נמוך מטמפרטורת הסביבה כדי למנוע את הצורך לחמם את כל קווי הגזים, למניעת שיקוע של האורגנו-מתכות עליהם. מערכת הבקרה שולטת בקצבי הזרימה של כל המרכיבים, כדי לייצב את קצב הגידול והרכב הגביש המגודל לערכים הרצויים. לשם כך היא מצוידת במדי לחץ ובתבנית:קישור שפה.

תערובת הגזים מוזרמת לריאקטור בשני קווים נפרדים. קו אחד לגזים המכילים את התרכובות של המתכות (הקטיונים בתרכבות שתגודל), וקו שני לגזים המכילים את התרכובות של האל-מתכות (האניונים בשכבה שתגודל). הסיבה לשני קווים נפרדים אלו היא למנוע משני סוגי הגזים לפגוש אחד את השני בטרם הגיעו למצע ולהגיב ביניהם.

מערכת השאיבה מסיעה את הגז הנושא מן הראקטור ועמו את תוצרי התגובה, והמגיבים שלא הגיבו, אל מערכת הנטרול (תבנית:קישור שפה) של הגזים המסוכנים. מערכת השאיבה כוללת גם יחידת בקרה לשליטה בלחץ שבמערכת. מערכות הנטרול הקיימות מתחלקות לשני סוגים: נוזליות ומוצקות. הנוזליות כוללות תמיסות של חומצות ובסיסים ייעודיים (בתאים נפרדים) היוצרים מלחים בלתי נדיפים עם המגיבים (הידרידים ואורגנו-מתכות) ועם תוצרי הריאקציה. המוצקים מכילים בדרך כלל פחם פעיל הסופח את כל החומרים שנישאים על ידי הגז הנושא. אחת לתקופה מחמצנים את הגזים הספוחים לתחמוצות מוצקות על ידי הזרמה מבוקרת של אוויר דרך מטען הפחם הפעיל הרווי שבסקרבר.

הריאקטור

בהדגמות הראשונות של השיטה שימש כריאקטור צינור קווארץ אנכי, כמו על ידי מנסביט, או אופקי, ריאקטור באס (Bass). בריאקטורים בנויים עצמית כאלו מונח המצע על מחזיק (סוספטור) עשוי גרפיט. סוספטור הגרפיט מחומם על ידי גלי רדיו (RF) באמצעות סליל שמקיף את הריאקטור, או באמצעות מנורות קווארץ שממוקמות מתחת לסוספטור. קירות הריאקטור מקוררים על ידי הזרמת גז או מים כדי למזער תגובות ושיקוע על המשטחים הללו. הריאקטור מופעל בלחץ אטמוספירי או תת-אטמוספירי (בדרך כלל עשירית אטמוספירה). הפחתת הלחץ מגבירה את קצב הזרימה של הגז בריאקטור, ועל ידי כך מתגברת על הבעיה של מערבולות בגלל זרימות קונבקציה הנובעות מהמשטחים החמים של הסוספטור והמצע. כך מתקבלת זרימה למינרית בריאקטור.

בתנאי גידול מוגבלי הסעת מסה קצב הגידול מוגבל על ידי מהירות הדיפוזיה של המגיבים מזרם הגז הלמינרי בריאקטור אל פני שטח המצע דרך שכבת הגבול. מאחר שעוביה של שכבת הגבול גדל במורד זרם הגזים מקצה לקצה של המצע, משתנה קצב הגידול (ועמו עובי השכבה והריכוזים בה) באותו כיוון. כדי להתגבר על בעיה זו בריאקטורים האופקיים הראשונים, הניחו את המצעים בהטיה כלפי כיוון הזרימה כך שהצד שבמורד הזרימה היה גבוה יותר. זה גורם לשטח החתך הפנוי לזרימת הגז לִקְטוֹן, ומאלץ אותו לזרום מהר יותר. כדי להתגבר על בעיית חוסר האחידות בקצב הזרימה, כמו גם על בעיית חוסר האחידות בשדה החימום יושמו בהמשך שיטות שונות לסיבוב המצעים.

חקר התכן של הריאקטורים ב-MOVPE זכה לתשומת לב רבה במשך השנים כדי להשיג שכבות אפיטקסיאליות אחידות (בהרכבן ובעוביין) שיש בהן ריכוז מזהמים נמוך, ושריכוז הפגמים בגלל הצטברות חלקיקים עליהן נמוך. כל זאת מבלי להזדקק לזרימות גז גבוהות, הגורמות לבזבוז ניכר של חומר. מחקרים אלו הובילו למספר משפחות של ריאקטורים רב-פרוסתיים (multi-wafer reactors) ייצוריים הניתנים לְגִמְלוּן (scale-up) בקלות:

• ריאקטור אופקי פלנטרי (planetary reactor) – המצעים מונחים בסוספטרים קטנים המסודרים בצורה מעגלית על הסוספטור הראשי. באמצעות הזרמת גז מלמטה, מסתובב הסוספטור הראשי סביב עצמו, והסוספטורים הקטנים מסתובבים באותה עת כל אחד סביב עצמו (כך מתקבל הסיבוב הפלנטרי של המצעים). הסיבוב העצמי של כל מצע מפצה על הירידה הצפויה בקצב הגידול בכיוון הזרימה של הגז, ומביא לקצב גידול אחיד על פני כל המצע.
• ריאקטור אנכי עם ראש מקלחת צמוד (close-coupled showerhead - CCS) – האחידות מושגת על ידי קיום מזריקי גז רבים של האורגנו-מתכות וההידרידים זה ליד זה בראש המקלחת המצוי קרוב למצעים.
• ריאקטור אנכי עם דיסקה מסתובבת (rotating-disk reactor - RDR), הידוע גם בשמו המסחרי TurboDisk. – מחזיק המצעים מסתובב במהירות גבוהה מאוד הגורמת לזרימת הגז להשתנות מאנכית לאופקית תוך כדי יצירת שכבת גבול דקה מאוד.

יתרונות וחסרונות של השיטה

אחד היתרונות בגידול בשיטת ה-MOVPE, יחסית ל-MBE, הוא קצב הגידול הגבוה יותר בה, (מיקרון עד עשרות מיקרון לשעה). זה מאפשר תפוקה גבוהה יותר בייצור. בנוסף, מפני שמערכות ה-MOVPE עובדות בלחץ מופחת בלבד (בין 10 ל-760 טור), הטיפול בהן קל ומהיר יותר, בהשוואה ל-MBE, והגמלון שלהן פשוט. MOVPE (כמו גם MBE) פועלת בתנאים רחוקים משיווי משקל תרמודינמי. זה מעניק לה יתרון על פני LPE, הפועלת קרוב לשיווי משקל, בגידול סגסוגות הנוטות להיפרדות לפאזות.

עם זאת, החומרים המשמשים לגידול מסוכנים ברמה גבוהה ביותר (רעילים ודליקים). זה מצריך מערכות סילוק ונטרול של הגזים, ויישום מערכות בקרה, שליטה והגנה בטיחותיות. מערכות אלו מייקרות במידה ניכרת את הפעילות סביב האפיטקסיה ב-MOVPE. בעיה הצורך בגז נושא אינרטי מהווה פעמים רבות בעיה בטיחותית נוספת, שכן בדרך כלל משתמשים במימן לצורך זה. זה מחייב התמודדות עם גילוי עקבות של מימן וסילוקו המהיר מאולם הגידול למניעת פיצוץ. אף על פי כן מעדיפים להשתמש במימן על פני גזים בטוחים יותר (כמו חנקן או ארגון), שכן הוא ניתן לגילוי ברמות נמוכות ביותר, הרבה לפני הגעתו לרמה מסוכנת. כך אם קיימת דליפה מהמערכת היא תזוהה מידית על ידי גלאי המימן לפני שהשתחררה כמות מסוכנת של אחד הגזים המגיבים הרעילים.

חיסרון נוסף של שיטת ה-MOVPE הוא האפשרות לזיהום השכבות המגודלות בפחמן, אם לא מצליחים לסלק את כל שאריות הפחמימנים מהתרכובות המטלו-אורגניות (כאמור, על ידי מגיבים המשחררים כמות מספקת של רדיקלים של מימן). עוד חסרון של השיטה הוא ביתרונה: אף שניתן לגדל ב-MOCVD גם בקצב איטי יחסית, החלפת הגזים אורכת זמן סופי, ולכן אי אפשר לקבל ממשקים חדים מאוד כמו ב-MBE.

ראו גם

• קריסטלוגרפיה
• גידול גבישים
• אפיטקסיה
• כימיה אורגנו-מתכתית

לקריאה נוספת

• G.B. Stringfellow, Organometallic vapor-phase epitaxy - Theory and practice, Academic, Boston, MA, 1989, תבנית:Isbn
• M. Razeghi, The MOCVD Challenge: A survey of GaInAsP-InP and GaInAsP-GaAs for photonic and electronic device applications, CRC Press,Boca Raton, FL 2011, 2nd Ed., 2011 תבנית:Isbn
• S. Irvine and P. Capper (Eds.), Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) - Growth, Materials Properties, and Applications, John Wiley & Sons, Hobokon, NJ 2020 תבנית:Isbn

קישורים חיצוניים

• תבנית:קישור כללי
• תבנית:קישור כללי
• תבנית:קישור כללי
• תבנית:קישור כללי