Jakie są różnice między technologiami MBE i MOCVD?

Zarówno reaktory do epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), jak i reaktory do chemicznego osadzania metaloorganicznego z fazy gazowej (MOCVD) działają w środowiskach pomieszczeń czystych i wykorzystują ten sam zestaw narzędzi metrologicznych do charakteryzowania płytek. MBE ze stałym źródłem wykorzystuje prekursory pierwiastków o wysokiej czystości podgrzewane w komorach efuzyjnych w celu wytworzenia wiązki molekularnej umożliwiającej osadzanie (z ciekłym azotem używanym do chłodzenia). Natomiast MOCVD to proces chemiczny w oparach, w którym wykorzystuje się ultraczyste źródła gazowe w celu umożliwienia osadzania, i który wymaga transportu i ograniczania emisji toksycznych gazów. Obie techniki mogą wytwarzać identyczną epitaksję w niektórych układach materiałowych, takich jak arsenki. Omówiono wybór jednej techniki zamiast drugiej dla określonych materiałów, procesów i rynków.

Epitaksja wiązki molekularnej

Reaktor MBE zazwyczaj zawiera komorę transferową próbki (otwartą na powietrze, aby umożliwić załadowanie i rozładowanie podłoża opłat) oraz komorę wzrostu (normalnie uszczelnioną, i otwartą tylko na powietrze w celu utrzymania), w której podłoże jest przenoszone w celu wzrostu epitaxialnego wzrostu . Reaktory MBE działają w warunkach ultra-wysokiej (UHV), aby zapobiec zanieczyszczeniu cząsteczkami powietrza. Komorę można ogrzewać, aby przyspieszyć ewakuację tych zanieczyszczeń, jeśli komora była otwarta dla powietrza.

Często materiałami źródłowymi epitaksji w reaktorze MBE są stałe półprzewodniki lub metale. Są one podgrzewane powyżej ich temperatury topnienia (tj. parowania materiału źródłowego) w komorach efuzyjnych. Tutaj atomy lub cząsteczki są wprowadzane do komory próżniowej MBE przez mały otwór, co zapewnia wysoce kierunkową wiązkę molekularną. Uderza to w ogrzane podłoże; zwykle wykonane z materiałów monokrystalicznych, takich jak krzem, arsenek galu (GaAs) lub inne półprzewodniki. Pod warunkiem, że cząsteczki nie ulegną desorpcji, będą dyfundować na powierzchni podłoża, promując wzrost epitaksjalny. Następnie epitaksja jest nakładana warstwa po warstwie, przy czym skład i grubość każdej warstwy są kontrolowane w celu uzyskania pożądanych właściwości optycznych i elektrycznych.

Podłoże montuje się centralnie, w komorze wzrostu, na podgrzewanym uchwycie otoczonym osłonami kriogenicznymi, zwróconym w stronę komórek efuzyjnych i systemu przesłon. Uchwyt obraca się, aby zapewnić równomierne osadzanie i grubość epitaksjalną. Krioosłony to płytki chłodzone ciekłym azotem, które wychwytują w komorze zanieczyszczenia i atomy, które nie zostały wcześniej wychwycone na powierzchni podłoża. Zanieczyszczenia mogą pochodzić z desorpcji podłoża w wysokich temperaturach lub z „nadmiernego wypełnienia” wiązką molekularną.

Komora reaktora MBE o ultrawysokiej próżni umożliwia wykorzystanie narzędzi do monitorowania na miejscu w celu kontrolowania procesu osadzania. Do monitorowania powierzchni wzrostu wykorzystuje się wysokoenergetyczną dyfrakcję elektronów odbiciowych (RHEED). Odbicie lasera, obrazowanie termiczne i analiza chemiczna (spektrometria mas, spektrometria Augera) analizują skład odparowanego materiału. Inne czujniki służą do pomiaru temperatur, ciśnień i szybkości wzrostu w celu dostosowania parametrów procesu w czasie rzeczywistym.

Tempo wzrostu i korekt

Na epitaksjalną szybkość wzrostu, która zwykle wynosi około jednej trzeciej monowarstwy (0,1 nm, 1å) na sekundę, ma wpływ szybkość strumienia (liczba atomów przybywających na powierzchnię podłoża, kontrolowaną przez temperaturę źródłową) i temperaturę substratu temperaturę substratu (który wpływa na dyfuzyjne właściwości atomów na powierzchni podłoża i ich desorpcja, kontrolowane przez ciepło podłoża). Parametry te są niezależnie dostosowywane i monitorowane w reaktorze MBE w celu optymalizacji procesu epitaksjalnego.

Kontrolując tempo wzrostu i dostawę różnych materiałów za pomocą mechanicznego systemu żaluzji, można niezawodnie i wielokrotnie hodować stopy trój- i czwartorzędowe oraz struktury wielowarstwowe. Po osadzeniu podłoże jest powoli schładzane, aby uniknąć naprężeń termicznych, i testowane w celu scharakteryzowania jego struktury krystalicznej i właściwości.

Charakterystyka materiału dla MBE

Charakterystyka systemów materiałowych III-V stosowanych w MBE to:

●  Krzem: Wzrost na substratach krzemu wymaga bardzo wysokich temperatur, aby zapewnić desorpcję tlenku (> 1000 ° C), więc wymagane są specjalistyczne grzejniki i uchwyty wafla. Problemy wokół niedopasowania w stałej sieci i współczynniku ekspansji sprawiają, że wzrost III-V na krzemion jest aktywnym tematem badań i rozwoju.

●  Antymon: W przypadku półprzewodników III-SB należy zastosować niskie temperatury podłoża, aby uniknąć desorpcji z powierzchni. Mogą również wystąpić „nieokreślona” w wysokich temperaturach, w których jeden gatunki atomowe mogą być preferencyjnie odparowane, aby opuścić materiały niemożliwe do stechiometryczne.

● Fosfor: W przypadku stopów III-P fosfor zostanie zdeponowany na wewnętrznej stronie komory, wymagając czasochłonnego procesu oczyszczania, który może sprawić, że krótkie przebiegi produkcyjne są niewyobrażalne.

Metal-organic chemiczne osadzanie pary

Reaktor MOCVD posiada wysokotemperaturową, chłodzoną wodą komorę reakcyjną. Podłoża umieszcza się na grafitowym susceptorze ogrzewanym za pomocą ogrzewania RF, rezystancyjnego lub IR. Gazy odczynnikowe wtryskiwane są pionowo do komory procesowej nad substratami. Jednorodność warstwy osiąga się poprzez optymalizację temperatury, wtrysku gazu, całkowitego przepływu gazu, rotacji susceptora i ciśnienia. Gazami nośnymi są wodór lub azot.

Aby zdeponować warstwy epitaksjalne, MOCVD wykorzystuje prekursory z metalowo-organizmu o bardzo wysokiej czystości, takie jak trimetylgalium do galu lub trimetyloluminium dla glinu dla pierwiastków grupy III i gazów wodorkowych (arsyny i fosfiny) dla elementów grupy-V. Organika metalowa jest zawarta w pęcherzykach przepływu gazu. Stężenie wstrzyknięte do komory procesowej zależy od temperatury i ciśnienia przepływu gazu z organizacją i nośnikiem przez pęcherzyk.

Odczynniki całkowicie rozkładają się na powierzchni podłoża w temperaturze wzrostu, uwalniając atomy metali i organiczne produkty uboczne. Stężenie odczynników jest dostosowywane w celu uzyskania różnych struktur stopów III-V, wraz z systemem przełączania praca/odpowietrzanie w celu regulacji mieszaniny par.

Podłoże stanowi zwykle płytka monokryształowa z materiału półprzewodnikowego, takiego jak arsenek galu, fosforek indu lub szafir. Jest on ładowany na susceptor w komorze reakcyjnej, przez którą wtryskiwane są gazy prekursorowe. Duża część odparowanych związków metaloorganicznych i innych gazów przemieszcza się przez ogrzewaną komorę wzrostu w stanie niezmienionym, ale niewielka ilość ulega pirolizie (pękaniu), tworząc materiały podgatunkowe, które wchłaniają się na powierzchnię gorącego podłoża. Reakcja powierzchniowa powoduje następnie włączenie pierwiastków III-V do warstwy epitaksjalnej. Alternatywnie może nastąpić desorpcja z powierzchni, w wyniku czego z komory zostaną usunięte niezużyte odczynniki i produkty reakcji. Ponadto niektóre prekursory mogą powodować trawienie powierzchni metodą „ujemnego wzrostu”, na przykład w przypadku domieszkowania węglem GaAs/AlGaAs i przy użyciu dedykowanych źródeł środka trawiącego. Susceptor obraca się, aby zapewnić spójny skład i grubość epitaksji.

Temperatura wzrostu wymagana w reaktorze MOCVD jest określana przede wszystkim na podstawie wymaganej pirolizy prekursorów, a następnie optymalizowana pod kątem ruchliwości powierzchni. Szybkość wzrostu zależy od prężności pary źródeł metaloorganicznych grupy III w bełkotkach. Na dyfuzję powierzchniową mają wpływ kroki atomowe na powierzchni i z tego powodu często stosuje się źle zorientowane podłoża. Wzrost na podłożach krzemowych wymaga etapów o bardzo wysokiej temperaturze, aby zapewnić desorpcję tlenków (>1000°C), wymagających specjalistycznych grzejników i uchwytów substratów waflowych.

Ciśnienie próżniowe i geometria reaktora oznacza, że ​​techniki monitorowania in situ różnią się w zależności od MBE, przy czym MBE ma na ogół więcej opcji i konfiguracji. W przypadku MOCVD pirometria skorygowana w emisyjność jest stosowana do pomiaru temperatury powierzchni w płytce (w przeciwieństwie do odległego pomiaru termoparów); Współczynnik współczynnik współczynnika umożliwia analizę szorstki na powierzchni i stopa wzrostu epitaksjalnego; Kokar wafel jest mierzona przez odbicie laserowe; a dostarczone stężenia organetaliczne można zmierzyć za pomocą ultradźwiękowego monitorowania gazu, aby zwiększyć dokładność i odtwarzalność procesu wzrostu.

Zwykle stopy zawierające glin hoduje się w wyższych temperaturach (>650°C), natomiast warstwy zawierające fosfor hoduje się w niższych temperaturach (<650°C), z możliwymi wyjątkami dla AlInP. W przypadku stopów AlInGaAs i InGaAsP stosowanych w telekomunikacji różnica w temperaturze krakingu arsyny sprawia, że ​​sterowanie procesem jest prostsze niż w przypadku fosfiny. Jednakże w przypadku ponownego wzrostu epitaksjalnego, w którym warstwy aktywne są wytrawione, korzystna jest fosfina. W przypadku materiałów antymonkowych dochodzi do niezamierzonego (i ogólnie niepożądanego) włączenia węgla do AlSb z powodu braku odpowiedniego źródła prekursora, co ogranicza wybór stopów, a tym samym absorpcję wzrostu antymonku przez MOCVD.

W przypadku wysoce napiętych warstw, ze względu na zdolność rutynowego wykorzystywania materiałów arsenidowych i fosforowych, możliwe są równoważenie i kompensacja odkształcenia, na przykład w przypadku barier GAASP i studni kwantowych Ingaas (QWS).

Streszczenie

MBE zwykle ma więcej opcji monitorowania in situ niż MOCVD. Wzrost epitaxialny jest dostosowywany przez szybkość strumienia i temperaturę substratu, które są osobno kontrolowane, przy powiązanym monitorowaniu in situ, umożliwiając znacznie wyraźniejsze, bezpośrednie zrozumienie procesów wzrostu.

MOCVD to bardzo wszechstronna technika, którą można stosować do osadzania szerokiej gamy materiałów, w tym złożonych półprzewodników, azotków i tlenków, poprzez zmianę składu chemicznego prekursorów. Precyzyjna kontrola procesu wzrostu pozwala na wytwarzanie złożonych urządzeń półprzewodnikowych o dostosowanych właściwościach do zastosowań w elektronice, fotonice i optoelektronice. Czas czyszczenia komory MOCVD jest krótszy niż w komorze MBE.

MOCVD doskonale nadaje się do odrastania laserów rozproszonych sprzężenia zwrotnego (DFBS), zakopanych urządzeń heterostrukturalnych i falowodów z powołanymi w tyłek. Może to obejmować trawienie półprzewodnika. MOCVD jest zatem idealny do monolitycznej integracji INP. Chociaż integracja monolityczna w GAA jest w powijakach, MOCVD umożliwia wzrost obszaru selektywnego, w którym obszary zamaskowane dielektrycznie pomagają roztrwać długości fali emisji/absorpcji. Jest to trudne do zrobienia z MBE, gdzie na masce dielektrycznej mogą tworzyć się złogi polikryształowe.

Ogólnie rzecz biorąc, MBE to metoda wzrostu z wyboru materiałów SB, a MOCVD jest wyborem dla materiałów P. Obie techniki wzrostu mają podobne możliwości materiałów AS. Tradycyjne rynki tylko MBE, takie jak elektronika, można teraz podawać równie dobrze ze wzrostem MOCVD. Jednak w przypadku bardziej zaawansowanych struktur, takich jak kwantowa kropka i lasery kaskadowe kwantowe, MBE jest często preferowane dla podstawowej epitaksji. Jeśli wymagany jest odrastanie epitaksjalne, wówczas MOCVD jest ogólnie preferowany ze względu na jego trawienie i elastyczność maskowania.