Kuo skiriasi MBE ir MOCVD technologijos?

Tiek molekulinės pluošto epitaksija (MBE), tiek metalo-organinio cheminio garų nusėdimo (MOCVD) reaktoriai veikia švarios kambario aplinkoje ir naudoja tą patį metrologijos įrankių rinkinį vaflių apibūdinimui. Kietojo šaltinio MBE naudoja didelio grynumo, elementarių pirmtakų, kaitinamų efuzijos ląstelėse, kad sukurtų molekulinę pluoštą, kad būtų galima nusėdti (su skystu azotu, naudojamu aušinimui). Priešingai, MOCVD yra cheminio garų procesas, naudojant ypač plaučių, dujinius šaltinius, kad būtų galima nusodinti, ir reikalauja toksiškų dujų perdavimo ir mažinimo. Abu metodai kai kuriose medžiagose, tokiose kaip arsenidai, gali sukelti identišką epitaksiją. Aptariama vienos technikos pasirinkimas, palyginti su kitomis konkrečioms medžiagoms, procesams ir rinkoms.

Molekulinio pluošto epitaksija

MBE reaktorius paprastai susideda iš mėginių perdavimo kameros (atviros orui, kad būtų galima įkelti ir iškrauti plokštelių substratus) ir auginimo kamerą (paprastai sandarią ir atvirą orui tik techninei priežiūrai), į kurią substratas perkeliamas epitaksiniam augimui. . MBE reaktoriai veikia itin aukšto vakuumo (UHV) sąlygomis, kad būtų išvengta užteršimo oro molekulėmis. Kamerą galima šildyti, kad būtų paspartintas šių teršalų pašalinimas, jei kamera buvo atvira orui.

Dažnai MBE reaktoriaus epitaksijos šaltinio medžiagos yra kieti puslaidininkiai arba metalai. Jie kaitinami už jų lydymosi taškų (t. Y. Šaltinės medžiagos išgarinimo) efuzijos ląstelėse. Čia atomai ar molekulės į MBE vakuuminę kamerą išvežami per mažą diafragmą, kuri suteikia labai kryptinę molekulinę pluoštą. Tai reiškia šildomą substratą; Paprastai gaminamos iš vieno kristalų medžiagų, tokių kaip silicis, galio arsenidas (GaAs) ar kiti puslaidininkiai. Jei molekulės nenusileidžia, jos difuzės ant substrato paviršiaus, skatindamos epitaksinį augimą. Tada epitaksija yra įmontuotas sluoksniu, kurio kiekvieno sluoksnio sudėtis ir storis kontroliuojamas siekiant norimų optinių ir elektrinių savybių.

Substratas yra pritvirtintas centralizuotai, augimo kameroje, ant šildomo laikiklio, apsupto kriošestų, nukreipta į efuzijos ląsteles ir užrakto sistemą. Holderis sukasi, kad būtų vienodas nusėdimas ir epitaksinis storis. Krišaksai yra skysčio azoto aušinamos plokštės, kurios kameroje sulaiko teršalus ir atomus, kurie anksčiau nėra užfiksuoti ant substrato paviršiaus. Teršalai gali kilti dėl substrato desorbcijos esant aukštai temperatūrai arba „perpildant“ iš molekulinės pluošto.

Itin aukšto vakuumo MBE reaktoriaus kamera leidžia naudoti in situ stebėjimo įrankius nusodinimo procesui valdyti. Atspindžioji didelės energijos elektronų difrakcija (RHEED) naudojama augimo paviršiui stebėti. Lazerio atspindžio koeficientas, terminis vaizdavimas ir cheminė analizė (masių spektrometrija, Auger spektrometrija) analizuoja išgarintos medžiagos sudėtį. Kiti jutikliai naudojami temperatūrai, slėgiui ir augimo greičiui matuoti, kad būtų galima reguliuoti proceso parametrus realiuoju laiku.

Augimo greitis ir koregavimas

Epitaksinis augimo greitis, kuris paprastai yra maždaug trečdalis monosluoksnio (0,1 nm, 1Å) per sekundę, turi įtakos srauto greitis (atomų, atvykstančių į substrato paviršių, skaičius, kurį kontroliuoja šaltinio temperatūra) ir substrato temperatūra (Tai daro įtaką difuzinėms atomų savybėms ant substratų paviršiaus ir jų desorbcijos, kontroliuojamos substrato šilumos). Šie parametrai yra nepriklausomai koreguojami ir stebimi MBE reaktoriuje, kad būtų galima optimizuoti epitaksinį procesą.

Kontroliuojant augimo greitį ir skirtingų medžiagų tiekimą naudojant mechaninę langinių sistemą, galima patikimai ir pakartotinai auginti trijų ir ketvirtinių lydinių bei daugiasluoksnių konstrukcijų. Po nusodinimo substratas lėtai atšaldomas, kad būtų išvengta šiluminio streso, ir išbandomas siekiant apibūdinti jo kristalinę struktūrą ir savybes.

MBE medžiagų charakteristikos

MBE naudojamų III-V medžiagų sistemų charakteristikos yra:

● Silicis: Auginant ant silicio pagrindo reikia labai aukštų temperatūrų, kad būtų užtikrinta oksido desorbcija (>1000°C), todėl reikalingi specialūs šildytuvai ir plokštelių laikikliai. Problemos, susijusios su gardelės konstantos ir plėtimosi koeficiento neatitikimu, daro silicio III-V augimą aktyvia mokslinių tyrimų ir plėtros tema.

● stibis: III-Sb puslaidininkiams turi būti naudojama žema pagrindo temperatūra, kad būtų išvengta desorbcijos nuo paviršiaus. Taip pat gali atsirasti „nesutapimas“ esant aukštai temperatūrai, kai viena atomų rūšis gali būti išgarinama, kad liktų nestechiometrinės medžiagos.

● Fosforas: III-P lydiniams fosforas nusėda kameros viduje, todėl reikės daug laiko atimančio valymo proceso, dėl kurio trumpi gamybos etapai gali būti neperspektyvūs.

Metalo-organinis cheminio garų nusėdimas

MOCVD reaktorius turi aukštos temperatūros, vandeniu aušinamą reakcijos kamerą. Substratai dedami ant grafito susceptoriaus, šildomo RF, varžiniu arba IR kaitinimu. Reagento dujos įpurškiamos vertikaliai į proceso kamerą virš substratų. Sluoksnio vienodumas pasiekiamas optimizuojant temperatūrą, dujų įpurškimą, bendrą dujų srautą, suskeptoriaus sukimąsi ir slėgį. Nešančiosios dujos yra vandenilis arba azotas.

Epitaksiniams sluoksniams nusodinti MOCVD naudoja labai didelio grynumo metalo-organinius pirmtakus, tokius kaip trimetilgalis galiui arba trimetilaliuminis aliuminiui III grupės elementams ir hidrido dujos (arsinas ir fosfinas) V grupės elementams. Metalo organinės medžiagos yra dujų srauto burbuliatoriuose. Į proceso kamerą įpurškiama koncentracija nustatoma pagal metalo-organinių ir nešančiųjų dujų srauto per burbuliatorių temperatūrą ir slėgį.

Reagentai visiškai suyra ant substrato paviršiaus esant augimo temperatūrai, išskirdami metalo atomus ir organinius šalutinius produktus. Reagentų koncentracija reguliuojama taip, kad būtų sukurtos skirtingos III-V lydinio struktūros, kartu su paleidimo/ventiliacijos perjungimo sistema garų mišiniui reguliuoti.

Substratas paprastai yra puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip galio arsenidas, indio fosfidas ar safyras, vieno kristalų vaflis. Jis įkeliamas ant reagavimo kameros, per kurią įpurškiamos pirmtako dujos, jautrumą. Didžioji dalis garintų metalų-organinių medžiagų ir kitų dujų keliauja per įkaitintą augimo kamerą, tačiau nedidelis kiekis patiria pirolizę (įtrūkimą), sukurdama porūšių medžiagas, kurios sugeria ant karšto substrato paviršiaus. Paviršiaus reakcija lemia III-V elementų įterpimą į epitaksinį sluoksnį. Kaip alternatyva, gali atsirasti desorbcija iš paviršiaus, nes nepanaudojami reagentai ir reakcijos produktai, evakuoti iš kameros. Be to, kai kurie pirmtakai gali sukelti „neigiamo augimo“ paviršiaus ėsdinimą, pavyzdžiui, atliekant GAAS/dumblių anglies dopingumą, ir su specialiais ringo šaltiniais. Sąmonė sukasi, kad užtikrintų pastovią epitaksijos sudėtį ir storią.

MOCVD reaktoriuje reikalinga augimo temperatūra pirmiausia nustatoma pagal reikalaujamą pirmtakų pirolizę, o tada optimizuojama atsižvelgiant į paviršiaus mobilumą. Augimo greitį lemia III grupės metalo-organinių šaltinių garų slėgis burbuliatoriuose. Paviršiaus difuziją veikia atominiai laipteliai paviršiuje, todėl dažnai naudojami neteisingai orientuoti substratai. Auginant ant silicio pagrindo, reikia labai aukštų temperatūrų etapų, kad būtų užtikrinta oksido desorbcija (>1000°C), reikalingi specialūs šildytuvai ir plokštelių substrato laikikliai.

Reaktoriaus vakuuminis slėgis ir geometrija reiškia, kad stebėjimo in situ metodai skiriasi nuo MBE, o MBE paprastai turi daugiau galimybių ir konfigūravimo. MOCVD atveju pagal spinduliuotę koreguota pirometrija naudojama in situ, plokštelės paviršiaus temperatūros matavimui (skirtingai nuo nuotolinio, termoporos matavimo); atspindėjimas leidžia analizuoti paviršiaus šiurkštėjimą ir epitaksinio augimo greitį; plokštelės lankas matuojamas lazerio atspindžiu; ir tiekiamos organometalinės koncentracijos gali būti matuojamos ultragarsiniu dujų stebėjimu, siekiant padidinti augimo proceso tikslumą ir atkuriamumą.

Paprastai aliuminio turintys lydiniai auginami aukštesnėje temperatūroje (> 650 ° C), tuo tarpu fosforo turintys sluoksniai auginami žemesnėje temperatūroje (<650 ° C), išskyrus galimas ALINP išimtis. „AlgaaS“ ir „Ingaasp“ lydiniams, naudojamiems telekomunikacijų naudojimui, arsino įtrūkimo temperatūros skirtumas daro proceso kontrolę paprastesnį nei fosfinui. Tačiau epitaksiniam pakartojimui, kai yra išgraviruoti aktyvūs sluoksniai, pirmenybė teikiama fosfinui. Antimonidų medžiagoms netyčiniai (ir paprastai nepageidaujami) anglies įterpimas į ALSB atsiranda dėl to, kad trūksta tinkamo pirmtako šaltinio, ribojant lydinių pasirinkimą ir taip pataikant į antimonidų augimą MOCVD.

Labai įtemptiems sluoksniams dėl galimybės reguliariai naudoti arsenido ir fosfido medžiagas, galimas deformacijų balansavimas ir kompensacija, pavyzdžiui, GAASP barjeruose ir „Ingaas Quantum Wells“ (QW).

Santrauka

MBE paprastai turi daugiau in situ stebėjimo galimybių nei MOCVD. Epitaksinis augimas reguliuojamas srauto greičiu ir substrato temperatūra, kurie yra kontroliuojami atskirai, su susijusiu in situ stebėjimu, leidžiančiu daug aiškiau, tiesiogiai suprasti augimo procesus.

MOCVD yra labai universali technika, kuri gali būti naudojama daug įvairių medžiagų, įskaitant sudėtinius puslaidininkius, nitridus ir oksidus, keičiant pirmtakų chemiją. Tikslus augimo proceso kontrolė leidžia gaminti sudėtingus puslaidininkinius įrenginius, turinčius pritaikytas savybes elektronikai, fotonikai ir optoelektronikai. „MOCVD“ rūmų valymo laikas yra greitesnis nei MBE.

„MOCVD“ puikiai tinka paskirstyto grįžtamojo ryšio (DFBS) lazerių, palaidotų heterostruktūros prietaisų ir užpakalinių jungčių bangolaidžių auginimui. Tai gali apimti puslaidininkio ofortą in situ. Taigi MOCVD yra idealus monolitinei INP integracijai. Nors monolitinė integracija į GaAs yra pradinėje stadijoje, MOCVD įgalina selektyvų ploto augimą, kur dielektrinės užmaskuotos sritys padeda erdvei nustatyti emisijos/absorbcijos bangos ilgį. Tai sunku padaryti su MBE, kai policristalinės nuosėdos gali susidaryti ant dielektrinės kaukės.

Apskritai MBE yra Sb medžiagų auginimo būdas, o MOCVD – P medžiagoms. Abu auginimo būdai turi panašias As pagrindu pagamintų medžiagų galimybes. Tradicinės tik MBE rinkos, tokios kaip elektronika, dabar gali būti vienodai gerai aptarnaujamos augant MOCVD. Tačiau pažangesnėms struktūroms, tokioms kaip kvantiniai taškai ir kvantiniai kaskadiniai lazeriai, pagrindinei epitaksijai dažnai teikiama pirmenybė MBE. Jei reikalingas epitaksinis ataugimas, paprastai pirmenybė teikiama MOCVD dėl jo ėsdinimo ir maskavimo lankstumo.