Aké sú rozdiely medzi technológiami MBE a MOCVD?

Reaktory epitaxie molekulárneho lúča (MBE) a kov-organická chemická depozícia pary (MOCVD) pracujú v prostrediach čistých miestností a používajú rovnakú sadu metrologických nástrojov na charakterizáciu doštičiek. MBE Solid-Source MBE využíva vysokokvalitné, elementárne prekurzory zahrievané v výpožných bunkách na vytvorenie molekulárneho lúča, ktorý umožňuje depozíciu (s tekutým dusíkom používaným na chladenie). Naopak, MOCVD je chemický proces pary, ktorý využíva ultra-burín, plynné zdroje, ktoré umožňujú ukladanie a vyžaduje odovzdanie a zníženie toxického plynu. Obe techniky môžu produkovať rovnakú epitaxiu v niektorých materiálových systémoch, ako sú arzenidy. Diskutuje sa o výbere jednej techniky nad druhou pre konkrétne materiály, procesy a trhy.

Epitaxia molekulového lúča

Reaktor MBE typicky obsahuje komoru na prenos vzoriek (otvorenú pre vzduch, aby sa umožnilo nakladanie a vyberanie plátkových substrátov) a rastovú komoru (normálne utesnenú a otvorenú len pre vzduch na údržbu), kde sa substrát prenáša na epitaxiálny rast. . Reaktory MBE pracujú v podmienkach ultravysokého vákua (UHV), aby sa zabránilo kontaminácii molekulami vzduchu. Komora môže byť vyhrievaná, aby sa urýchlila evakuácia týchto kontaminantov, ak bola komora otvorená pre vzduch.

Zdrojové materiály epitaxie v reaktore MBE sú často pevné polovodiče alebo kovy. Tieto sú zahrievané za ich topiacimi sa bodmi (t. J. Odparovanie zdrojového materiálu) v výpotkových bunkách. Tu sú atómy alebo molekuly vložené do vákuovej komory MBE cez malú otvor, ktorá poskytuje vysoko smerový molekulárny lúč. To zasahuje na zahrievaný substrát; Zvyčajne sa vyrába z monokryštálových materiálov, ako je kremík, gallium arzenid (GAAS) alebo iné polovodiče. Za predpokladu, že molekuly nespadajú, rozptyľujú sa na povrchu substrátu, čo podporuje epitaxiálny rast. Epitaxia je potom zabudovaná vrstvou po vrstve, pričom zloženie a hrúbka každej vrstvy je riadené, aby sa dosiahli požadované optické a elektrické vlastnosti.

Substrát je namontovaný centrálne, v rastovej komore, na vyhrievanom držiaku obklopenom Cryoshields, ktorý smeruje k výpotkovým bunkám a systémom uzávierky. Držiak sa otáča, aby poskytoval rovnomerné ukladanie a epitaxnú hrúbku. Cryoshields sú tekuté dusík chladené dosky, ktoré zachytávajú kontaminanty a atómy v komore, ktoré predtým nie sú zachytené na povrchu substrátu. Kontaminanty môžu pochádzať z desorpcie substrátu pri vysokých teplotách alebo „nadmernou náplňou“ z molekulárneho lúča.

Komora reaktorov MBE s ultra-vysokým obsahom Vakumu umožňuje monitorovacie nástroje in situ, ktoré sa majú použiť na riadenie procesu depozície. Na monitorovanie rastového povrchu sa používa vysokoenergetická elektrónová difrakcia (RHEED). Laserová odrazivosť, tepelné zobrazovanie a chemická analýza (hmotnostná spektrometria, Auger spektrometria) analyzujú zloženie odparovaného materiálu. Ostatné senzory sa používajú na meranie teplôt, tlakov a rýchlosti rastu, aby sa upravili parametre procesu v reálnom čase.

Rýchlosť rastu a úpravy

Rýchlosť epitaxiálneho rastu, ktorá je zvyčajne asi tretina monovrstvy (0,1 Nm, 1 Á) za sekundu, je ovplyvnená rýchlosťou toku (počet atómov prichádzajúcich na povrch substrátu, regulovaný pomocou zdrojovej teploty) a teplota substrátu (čo ovplyvňuje difúzne vlastnosti atómov na povrchu substrátov a ich desorpciu, riadené substrátovým teplom). Tieto parametre sú nezávisle upravené a monitorované v reaktore MBE, aby sa optimalizoval epitaxiálny proces.

Riadením rýchlosti rastu a dodávaním rôznych materiálov pomocou mechanického systému uzáverov možno spoľahlivo a opakovane pestovať ternárne a kvartérne zliatiny a viacvrstvové štruktúry. Po nanesení sa substrát pomaly ochladí, aby sa predišlo tepelnému namáhaniu, a testuje sa, aby sa charakterizovala jeho kryštalická štruktúra a vlastnosti.

Vlastnosti materiálu pre MBE

Charakteristiky materiálových systémov III-V používané v MBE sú:

● Silikón: Rast na kremíkových substrátoch vyžaduje veľmi vysoké teploty na zabezpečenie oxidovej desorpcie (>1000 °C), preto sú potrebné špeciálne ohrievače a držiaky plátkov. Problémy súvisiace s nesúladom mriežkovej konštanty a koeficientu expanzie robia z rastu III-V na kremíku aktívnu tému výskumu a vývoja.

● Antimón: V prípade polovodičov III-SB sa musia použiť nízka teplota substrátu, aby sa zabránilo desorpcii z povrchu. Môže sa vyskytnúť aj „nekongruencia“ pri vysokých teplotách, kde sa jeden atómový druh môže prednostne odpariť, aby zanechal nestechiometrické materiály.

● fosfor: V prípade zliatin III-P sa fosfor ukladá na vnútornej strane komory, čo si vyžaduje časovo náročný proces čistenia, ktorý môže spôsobiť, že krátka výroba beží nedosiahnuteľná.

Kovovo-organické chemické vylučovanie z pár

Reaktor MOCVD má vysokoteplotnú reakčnú komoru chladenú vodou. Substráty sú umiestnené na grafitovom spievaní zahrievanom buď RF, odporovým alebo IR zahrievaním. Plyny činidla sa vstrekujú vertikálne do procesnej komory nad substrátmi. Rovnomernosť vrstvy sa dosahuje optimalizáciou teploty, vstrekovania plynu, celkový prietok plynu, rotáciu vpustenia a tlak. Nosné plyny sú buď vodík alebo dusík.

Na uloženie epitaxiálnych vrstiev MOCVD používa veľmi vysoko čistotu prekurzory kovov, ako je trimetylgallium pre gallium alebo trimetylaluminium pre hliník pre prvky skupiny-III a hydridové plyny (arzín a fosfín) pre prvky skupiny. Kovová organika je obsiahnutá v bubbleri prietoku plynu. Koncentrácia vstreknutá do procesnej komory je určená teplotou a tlakom toku kov-organického a nosného plynu cez bubler.

Činidlá sa úplne rozložia na povrchu substrátu pri teplote rastu, pričom sa uvoľnia atómy kovov a organické vedľajšie produkty. Koncentrácia činidiel sa nastavuje tak, aby sa vytvorili rôzne štruktúry zliatiny III-V, spolu so systémom prepínania chod/odvzdušňovanie na nastavenie zmesi pár.

Substrát je obvykle jednosokryštálovou oblátkou polovodičového materiálu, ako je gálium arzenid, fosfid india alebo zafír. Naloží sa na spievanie v reakčnej komore, cez ktorú sa injekčne prekurzorové plyny vstrekujú. Väčšina vapourizovaných kovových orgánov a iných plynov prechádza nezmenenou zahrievanou rastovou komorou, ale malé množstvo prechádza pyrolýzou (krakovanie) a vytvárajú poddruhové materiály, ktoré sa absorbujú na povrch horúceho substrátu. Povrchová reakcia potom vedie k začleneniu prvkov III-V do epitaxnej vrstvy. Alternatívne sa môže vyskytnúť desorpcia z povrchu, s nevyužitými činidlami a reakčnými produktmi evakuovanými z komory. Niektorí prekurzory môžu navyše vyvolať „negatívne rast“ leptania povrchu, napríklad pri dopingu uhlíka GaAS/algaas a so špecializovanými zdrojmi leptateľov. Picestor sa otáča, aby sa zabezpečilo konzistentné zloženie a hrúbky epitaxie.

Rastová teplota požadovaná v MOCVD reaktore je primárne určená požadovanou pyrolýzou prekurzorov a potom optimalizovaná, pokiaľ ide o povrchovú mobilitu. Rýchlosť rastu je určená tlakom pary kovovými zdrojmi skupiny-III v bubbleri. Difúzia povrchu je ovplyvnená atómovými krokmi na povrchu, pričom z tohto dôvodu sa často používajú dezorientované substráty. Rast na kremíkových substrátoch vyžaduje veľmi vysoké teplotné štádiá, aby sa zabezpečila desorpcia oxidu (> 1 000 ° C), náročná špecializovaná ohrievače a držiaky substrátov s oblátkami.

Vákuový tlak a geometria reaktora znamená, že techniky monitorovania in-situ sa líšia od techník MBE, pričom MBE má vo všeobecnosti viac možností a konfigurovateľnosti. Pre MOCVD sa používa pyrometria s korekciou emisivity na meranie povrchovej teploty plátku in situ (na rozdiel od diaľkového merania termočlánkom); odrazivosť umožňuje analyzovať zdrsnenie povrchu a rýchlosť epitaxného rastu; Oblátka sa meria odrazom lasera; a dodávané koncentrácie organokovov možno merať pomocou ultrazvukového monitorovania plynu, aby sa zvýšila presnosť a reprodukovateľnosť procesu rastu.

Typicky sa zliatiny obsahujúce hliník pestujú pri vyšších teplotách (>650 °C), zatiaľ čo vrstvy obsahujúce fosfor sa pestujú pri nižších teplotách (<650 °C), s možnými výnimkami pre AlInP. V prípade zliatin AlInGaAs a InGaAsP, ktoré sa používajú v telekomunikačných aplikáciách, rozdiel v teplote krakovania arzínu zjednodušuje riadenie procesu ako v prípade fosfínu. Avšak pre epitaxný opätovný rast, kde sú aktívne vrstvy leptané, je výhodný fosfín. V prípade antimonidových materiálov dochádza k neúmyselnému (a všeobecne nežiaducemu) inkorporácii uhlíka do AlSb v dôsledku nedostatku vhodného zdroja prekurzora, čo obmedzuje výber zliatin a tým aj absorpciu rastu antimonidu pomocou MOCVD.

V prípade vysoko napätých vrstiev je možné kvôli schopnosti rutinne využívať materiály arzenidov a fosfidov, vyváženie a kompenzácia kmeňa, napríklad pre bariéry GAASP a kvantové jamky InGAAS (QW).

Zhrnutie

MBE má vo všeobecnosti viac možností monitorovania na mieste ako MOCVD. Epitaxný rast je upravený rýchlosťou toku a teplotou substrátu, ktoré sú samostatne riadené, s pridruženým in-situ monitorovaním, čo umožňuje oveľa jasnejšie, priamejšie pochopenie rastových procesov.

MOCVD je vysoko všestranná technika, ktorá sa môže použiť na uloženie širokého spektra materiálov, vrátane zložených polovodičov, nitridov a oxidov, zmenou chémie prekurzorov. Presná kontrola procesu rastu umožňuje výrobu komplexných polovodičových zariadení s vlastnosťami prispôsobenými aplikáciami v elektronike, fotonike a optoelektronike. Časy čistenia komory MOCVD sú rýchlejšie ako MBE.

MOCVD je vynikajúci pre opätovný rast laserov s distribuovanou spätnou väzbou (DFB), skrytých heteroštruktúrnych zariadení a vlnovodov s tupým spojením. To môže zahŕňať leptanie polovodiča in situ. MOCVD je preto ideálny pre monolitickú integráciu InP. Hoci monolitická integrácia v GaAs je v plienkach, MOCVD umožňuje selektívny rast oblasti, kde dielektricky maskované oblasti pomáhajú rozmiestniť vlnové dĺžky emisie / absorpcie. To je ťažké urobiť s MBE, kde sa na dielektrickej maske môžu vytvárať polykryštálové usadeniny.

Vo všeobecnosti je MBE metódou rastu voľbou pre materiály Sb a MOCVD je voľbou pre materiály P. Obe rastové techniky majú podobné schopnosti pre materiály na báze As. Tradičné trhy len s MBE, ako je elektronika, môžu byť teraz obsluhované rovnako dobre s rastom MOCVD. Avšak pre pokročilejšie štruktúry, ako sú kvantové bodové a kvantové kaskádové lasery, sa pre základnú epitaxiu často uprednostňuje MBE. Ak sa vyžaduje epitaxný opätovný rast, potom sa vo všeobecnosti uprednostňuje MOCVD kvôli jeho flexibilite leptania a maskovania.