Zastosowanie gazów specjalnych w przemyśle optyki LED

Epitaksja jest powszechnie uznawana za kluczowy etap w produkcji chipów LED. Jakość procesu epitaksji bezpośrednio decyduje o wydajności świetlnej, jednolitości długości fali oraz czasie życia chipów LED. Obsługę tego kluczowego procesu zapewnia wysoce precyzyjny system gazów specjalnych.

W miarę szybkiego rozwoju nowych technologii wyświetlania, takich jak Mini LED i Micro LED, rosną wymagania dotyczące środowisk produkcyjnych oraz materiałów procesowych. Czystość, stabilność i niezawodność dostaw gazów specjalnych stały się kluczowymi czynnikami ograniczającymi modernizację przemysłu.

Epitaksja: Początek „rosnącej” produkcji chipów LED

W łańcuchu wartości przemysłu LED technologia epitaksji, sprzęt oraz materiały stanowią trzy filary produkcji waferów epitaksyjnych. MOCVD (metalowo-organiczna depozycja z fazy gazowej) to obecnie dominująca technologia wzrostu waferów epitaksyjnych oraz ugruntowany proces przemysłowy, który dziś stanowi podstawową metodę wytwarzania większości materiałów optoelektronicznych.

Podstawową zasadą procesu MOCVD jest dostarczanie do komory reakcyjnej za pośrednictwem gazu nośnego organicznych związków metalowych oraz wodorotlenków zawierających określone pierwiastki jako prekursory. Reakcje chemiczne zachodzą na podłożu o wysokiej temperaturze, co prowadzi do wzrostu monokrystalicznej warstwy epitaksjalnej. Proces ten stawia wyjątkowo wysokie wymagania dotyczące czystości gazów, dokładności przepływu oraz jego stabilności.

Podstawowa rola gazów specjalnych w wzroście epitaksjalnym

Gazy specjalne o ultra-wysokiej czystości pełnią różne funkcje w procesie epitaksji:

Gazy reakcyjne:

● Wysokoczyste arsyna (AsH3), fosfina (PH3) oraz amoniak (NH3) stanowią główne gazy reakcyjne, dostarczające pierwiastków grupy V (arsenu, fosforu, azotu), które łączą się z pierwiastkami grupy III, tworząc materiały półprzewodnikowe złożone.

Gazy domieszkujące:

● Silan (SiH4) umożliwia domieszkowanie typu N w produkcji arsenku galu, pozwalając precyzyjnie kontrolować właściwości elektryczne warstw epitaksjalnych. Chlorkowodór (HCl) oraz chlor (Cl2) są powszechnie stosowane jako gazy trawiące do precyzyjnego trawienia i obróbki powierzchni.

Gazy nośne:

● Argon (Ar), azot (N2) i hel (He) transportują prekursory do komory reakcyjnej, utrzymując obojętną atmosferę procesową.

Źródła organiczne:

● Kluczowe źródła organiczne obejmują trimetylogall (TMGa), trimetyloind (TMIn), trimetyloalumin (TMAl), dietylocynk (DEZn) oraz bis(cyklopentadienyl)magnez (Cp2Mg), dostarczające pierwiastków grupy III oraz domieszek typu p.

Czystość: kluczowy czynnik decydujący o jakości diod LED

W miarę dojrzewania technologii półprzewodników złożonych i przyspieszania ich industrializacji rozwój ultra-czystych gazów specjalnych oraz źródeł organicznych postępuje w kilku obszarach:

● Technologia głębokiej oczyszczania wykorzystująca wieloetapowe procesy, pozwalająca utrzymać zawartość zanieczyszczeń na skrajnie niskim poziomie.

● Oczyszczanie wewnętrznych powierzchni butli i rurociągów metodą elektropolerowania oraz polerowania elektrochemicznego w celu zapobiegania zanieczyszczeniom wtórnym podczas transportu gazu.

● Postęp w wykrywaniu śladowych zanieczyszczeń – od poziomu ppm i ppb ku poziomowi ppt.

● Ciągła poprawa oczyszczania i analizy zanieczyszczeń metalicznych na poziomie ppt.

● Oczyszczanie gazów odlotowych z systemami alarmowymi oraz zintegrowane, bezpieczne i przyjazne dla środowiska zaopatrzenie w gazy.

● Wysokoprecyzyjne przygotowywanie mieszanek gazów specjalnych, dostosowanych do dokładnych wymagań różnych procesów.

● Technologia filtracji cząstek, w tym testowanie i filtracja cząstek o rozmiarach od 0,01 do 0,002 μm.

Weźmy pod uwagę amoniak – najbardziej powszechnie stosowany gaz w przemyśle LED: jego czystość ewoluowała od klasy elektronicznej (5N) przez 5,5N i 5,7N aż do tzw. „niebieskiego amoniaku” (6,4N), szeroko wykorzystywanego w produkcji azotku galu.

Ponieważ zanieczyszczenia takie jak wilgoć i węglowodory są surowo ograniczane, a większość gazów specjalnych jest chemicznie aktywna i trudna w utrzymaniu w stanie czystym, czystość gazów oraz niezawodność systemów ich dostarczania stały się priorytetem pierwszego stopnia dla producentów półprzewodników.