Mitä eroa on MBE- ja MOCVD-tekniikoiden välillä?

Sekä molekyylisuihkuepitaksi (MBE) että metalli-orgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus (MOCVD) reaktorit toimivat puhdastilaympäristöissä ja käyttävät samoja metrologisia työkaluja kiekkojen karakterisointiin. Kiinteän lähteen MBE käyttää erittäin puhtaita, effuusiokennoissa kuumennettuja alkuaineprekursoreita muodostamaan molekyylisäteen laskeuman mahdollistamiseksi (nestemäisellä typellä jäähdytykseen). Sitä vastoin MOCVD on kemiallinen höyryprosessi, jossa käytetään erittäin puhtaita kaasumaisia ​​lähteitä laskeuman mahdollistamiseksi, ja se vaatii myrkyllisten kaasujen käsittelyä ja vähentämistä. Molemmat tekniikat voivat tuottaa identtisen epitaksin joissakin materiaalijärjestelmissä, kuten arsenideissa. Keskustellaan yhden tekniikan valinnasta toiseen tietyille materiaaleille, prosesseille ja markkinoille.

Molekyylisuihkuepitaksi

MBE -reaktori käsittää tyypillisesti näytteensiirtokammion (avoin ilmalle, kiekko -substraattien lastaamisen ja purkamisen) ja kasvukammion (normaalisti suljettu ja vain avoin ilmalle huoltoa varten), joissa substraatti siirretään epitaksiaaliseen kasvuun . MBE-reaktorit toimivat erittäin korkeissa tyhjiö (UHV) -olosuhteissa, jotka estävät saastumisen ilmamolekyyleistä. Kammio voidaan lämmittää näiden epäpuhtauksien evakuoinnin nopeuttamiseksi, jos kammio on ollut avoin ilma.

Usein MBE-reaktorin epitaksin lähdemateriaalit ovat kiinteitä puolijohteita tai metalleja. Näitä kuumennetaan sulamispisteiden (eli lähdemateriaalin haihtumisen) yli effuusiokennoissa. Täällä atomit tai molekyylit ajetaan MBE-tyhjiökammioon pienen aukon kautta, mikä antaa erittäin suunnatun molekyylisäteen. Tämä osuu lämmitettyyn alustaan; yleensä valmistettu yksikiteisistä materiaaleista, kuten piistä, galliumarsenidista (GaAs) tai muista puolijohteista. Edellyttäen, että molekyylit eivät desorboidu, ne diffundoituvat substraatin pinnalle edistäen epitaksiaalista kasvua. Sitten epitaksia rakennetaan kerros kerrokselta, ja kunkin kerroksen koostumusta ja paksuutta säädetään haluttujen optisten ja sähköisten ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Substraatti on asennettu keskelle, kasvukammioon, lämmitetylle pidikkeelle, jota ympäröivät kryosuojat, effuusiokennoja ja suljinjärjestelmää päin. Pidin pyörii tasaisen kerrostumisen ja epitaksiaalisen paksuuden aikaansaamiseksi. Kryosuojat ovat nestemäisellä typellä jäähdytettyjä levyjä, jotka vangitsevat kammioon epäpuhtaudet ja atomit, joita ei ole aiemmin vangittu alustan pinnalle. Epäpuhtaudet voivat johtua substraatin desorptiosta korkeissa lämpötiloissa tai molekyylisäteen ylitäyttymisestä.

Erittäin korkeamuotoinen MBE-reaktorikammio mahdollistaa in situ -valvontatyökalujen käytön laskeutumisprosessin hallitsemiseksi. Kasvupinnan seurantaan käytetään heijastusta korkeaenergiaelektronidiffraktiota (RHEED). Laserheijastavuus, lämpökuvaus ja kemiallinen analyysi (massaspektrometria, Auger -spektrometria) analysoi haihtuneen materiaalin koostumusta. Muita antureita käytetään mittaamaan lämpötiloja, paineita ja kasvunopeuksia prosessiparametrien säätämiseksi reaaliajassa.

Kasvuvauhti ja säätö

Epitaksiaalisen kasvunopeuteen, joka on tyypillisesti noin kolmannes yksikerroksisesta (0,1 nm, 1å) sekunnissa, vaikuttaa vuonopeuteen (substraatin pinnalle saapuvien atomien lukumäärään, lähteen lämpötilassa) ja substraatin lämpötilassa) ja substraatin lämpötilassa) ja substraatin lämpötila (joka vaikuttaa substraattien pinnalla olevien atomien diffuusioominaisuuksiin ja niiden desorptioon, substraatin lämmön ohjaamana). Nämä parametrit säädetään itsenäisesti ja tarkkaillaan MBE -reaktorissa epitaksiaaliprosessin optimoimiseksi.

Kasvunopeuksia ja eri materiaalien tarjontaa ohjaamalla mekaanisella suljinjärjestelmällä voidaan kasvattaa kolmi- ja kvaternaarisia metalliseoksia ja monikerrosrakenteita luotettavasti ja toistuvasti. Saostuksen jälkeen substraatti jäähdytetään hitaasti lämpöjännityksen välttämiseksi ja testataan sen kiderakenteen ja ominaisuuksien karakterisoimiseksi.

MBE: n aineelliset ominaisuudet

MBE: ssä käytettyjen III-V-materiaalijärjestelmien ominaisuudet ovat:

● Pii: Kasvu piisubstraateilla vaatii erittäin korkeita lämpötiloja oksidin desorption varmistamiseksi (>1000°C), joten tarvitaan erikoislämmittimiä ja kiekkojen pidikkeitä. Hilavakion ja laajenemiskertoimen yhteensopimattomuuteen liittyvät ongelmat tekevät piin III-V-kasvusta aktiivisen T&K-aiheen.

● Antimonia: III-Sb-puolijohteiden tapauksessa on käytettävä alhaisia ​​substraattilämpötiloja, jotta vältetään desorptio pinnalta. Korkeissa lämpötiloissa voi myös esiintyä "epäyhdenmukaisuutta", jolloin yksi atomilaji voi mieluiten haihtua jättäen jäljelle ei-stoikiometrisiä materiaaleja.

● Fosfori: III-P-seoksille fosfori kerrostuu kammion sisäpuolelle, mikä vaatii aikaa vievän puhdistusprosessin, joka voi tehdä lyhyistä tuotantoajoista kannattamattomia.

Metalli-orgaaninen kemiallinen höyryn laskeuma

MOCVD-reaktorissa on korkean lämpötilan vesijäähdytteinen reaktiokammio. Substraatit sijoitetaan grafiittisuskeptorille, jota lämmitetään joko RF-, resistiivisellä tai IR-lämmityksellä. Reagenssikaasut ruiskutetaan pystysuoraan prosessikammioon substraattien yläpuolella. Kerrosten tasaisuus saavutetaan optimoimalla lämpötila, kaasuruiskutus, kaasun kokonaisvirtaus, suskeptorin pyöriminen ja paine. Kantokaasut ovat joko vetyä tai typpeä.

Epitaksiaalisten kerrosten kerrostamiseen MOCVD käyttää erittäin puhtaita metalli-orgaanisia esiasteita, kuten trimetyyligalliumia galliumille tai trimetyylialumiinia alumiinille ryhmän III alkuaineille ja hydridikaasuja (arsiini ja fosfiini) ryhmän V alkuaineille. Metalli-orgaaniset aineet sisältyvät kaasuvirtauskuplimiin. Prosessikammioon ruiskutetun pitoisuuden määrää kuplittimen läpi menevän metalli-orgaanisen ja kantokaasuvirran lämpötila ja paine.

Reagenssit hajoavat kokonaan alustan pinnalla kasvulämpötilassa vapauttaen metalliatomeja ja orgaanisia sivutuotteita. Reagenssien konsentraatiota säädetään erilaisten, III-V-seosrakenteiden tuottamiseksi, sekä juoksu/poistokytkentäjärjestelmä höyryseoksen säätämistä varten.

Substraatti on tavallisesti yksikiteinen kiekko, joka on valmistettu puolijohdemateriaalista, kuten galliumarsenidista, indiumfosfidista tai safiirista. Se ladataan suskeptoriin reaktiokammiossa, jonka päälle esiastekaasut ruiskutetaan. Suuri osa höyrystyneistä metalliorgaanisista aineista ja muista kaasuista kulkee lämmitetyn kasvukammion läpi muuttumattomina, mutta pieni määrä käy läpi pyrolyysin (säröilyn), jolloin syntyy alalajimateriaaleja, jotka imeytyvät kuuman alustan pinnalle. Pintareaktio johtaa sitten III-V-elementtien sisällyttämiseen epitaksiaaliseen kerrokseen. Vaihtoehtoisesti voi tapahtua desorptiota pinnalta, jolloin käyttämättömät reagenssit ja reaktiotuotteet poistetaan kammiosta. Lisäksi jotkin prekursorit voivat aiheuttaa pinnan "negatiivisen kasvun" etsauksen, kuten GaAs/AlGaAs-hiileoppauksessa ja erityisillä etsauslähteillä. Suskeptori pyörii varmistaakseen epitaksian yhtenäisen koostumuksen ja paksuuden.

MOCVD-reaktorissa vaadittava kasvulämpötila määräytyy ensisijaisesti edeltävien aineiden vaaditun pyrolyysin perusteella ja optimoidaan sitten pinnan liikkuvuuden suhteen. Kasvunopeuden määrää kuplittimissa olevien ryhmän III metalli-orgaanisten lähteiden höyrynpaine. Pintadiffuusioon vaikuttavat pinnalla olevat atomiaskeleet, ja tästä syystä käytetään usein väärin suunnattuja substraatteja. Kasvu piisubstraateilla vaatii erittäin korkean lämpötilan vaiheita oksidien desorption (>1000°C) varmistamiseksi, vaativia erikoislämmittimiä ja kiekkojen alustapitimiä.

Reaktorin tyhjiöpaine ja geometria tarkoittaa, että in situ -valvontatekniikat vaihtelevat MBE:n vastaavista, ja MBE:ssä on yleensä enemmän vaihtoehtoja ja konfiguroitavuutta. MOCVD:ssä emissiivisyyskorjattua pyrometriaa käytetään in situ, kiekon pintalämpötilan mittaamiseen (toisin kuin etämittauksessa, lämpöparilla); heijastavuus mahdollistaa pinnan karhentumisen ja epitaksiaalisen kasvunopeuden analysoinnin; kiekon keula mitataan laserheijastuksella; ja toimitetut organometallipitoisuudet voidaan mitata ultraäänikaasuseurannalla kasvuprosessin tarkkuuden ja toistettavuuden lisäämiseksi.

Tyypillisesti alumiinia sisältäviä seoksia kasvatetaan korkeammissa lämpötiloissa (> 650 ° C), kun taas fosforia sisältäviä kerroksia kasvatetaan alhaisemmissa lämpötiloissa (<650 ° C), mahdollisilla poikkeuksilla ALINP: lle. Televiestintäsovelluksiin käytettyjen alingaan ja Ingap -seoksille arsiinin halkeamislämpötilan ero tekee prosessin ohjauksesta yksinkertaisemman kuin fosfiinille. Epitaksiaalisen uudelleenkasvun kannalta, jossa aktiiviset kerrokset syövytetään, fosfiini on kuitenkin edullinen. Antimonidimateriaalien osalta tapahtuu tahattomia (ja yleensä ei -toivottuja) hiilen sisällyttämistä ALSB: hen, johtuen asianmukaisen esiasteisen lähteen puuttumisesta, joka rajoittaa seosten valintaa ja siten MOCVD: n antimonidin kasvua.

Erittäin jännittyneille kerroksille, koska arsenidi- ja fosfidimateriaaleja voidaan käyttää rutiininomaisesti, jännityksen tasapainotus ja kompensointi ovat mahdollisia, kuten GaAsP-esteissä ja InGaAs-kvanttikaivoissa (QW).

Yhteenveto

MBE: llä on yleensä enemmän in situ -valvontavaihtoehtoja kuin MOCVD. Epitaksiaalista kasvua säädetään erikseen kontrolloiduilla vuonopeudella ja substraatin lämpötilalla, ja siihen liittyvää in situ -valvontaa mahdollistavat kasvuprosessien paljon selkeämmän, suoran, ymmärryksen.

MOCVD on erittäin monipuolinen tekniikka, jota voidaan käyttää laajan valikoiman materiaalien, mukaan lukien yhdisteiden puolijohteiden, nitridien ja oksidien, tallettamiseen muuttamalla edeltäjä kemiaa. Kasvuprosessin tarkka hallinta mahdollistaa monimutkaisten puolijohdelaitteiden valmistuksen, joilla on räätälöityjä ominaisuuksia elektroniikan, fotonian ja optoelektroniikan sovelluksiin. MOCVD-kammion puhdistusajat ovat nopeampia kuin MBE.

MOCVD on erinomainen hajautettujen palautteen (DFBS) laserien, haudattujen heterostruktuurilaitteiden ja takaosan aaltoputkien kasvuun. Tähän voi kuulua puolijohteen in situ-etsaus. MOCVD on siksi ihanteellinen monoliittiseen INP -integraatioon. Vaikka monoliittinen integraatio GAA: iin on lapsenkengissä, MOCVD mahdollistaa selektiivisen alueen kasvun, missä dielektriset peitetyt alueet auttavat säteily-/absorptioaallonpituuksia. Tätä on vaikea tehdä MBE: n kanssa, jossa dielektriseen naamariin voi muodostua monikiteitä.

Yleensä MBE on SB -materiaalien valintamenetelmä ja MOCVD on P -materiaalien valinta. Molemmilla kasvutekniikoilla on samanlaiset ominaisuudet AS-pohjaisiin materiaaleihin. Perinteiset vain MBE-markkinat, kuten elektroniikka, voidaan nyt palvella yhtä hyvin MOCVD-kasvun kanssa. Edistyneemmille rakenteille, kuten kvanttipiste- ja kvanttikaskadilasereille, MBE on kuitenkin usein edullinen perusepitaksille. Jos epitaksiaalista kasvua vaaditaan, MOCVD on yleensä edullinen, koska se on syövytys ja peittämisen joustavuus.