MBE ve MOCVD teknolojileri arasındaki farklar nelerdir?

Hem moleküler ışın epitaksi (MBE) hem de metal-organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) reaktörleri temiz oda ortamlarında çalışır ve levha karakterizasyonu için aynı metroloji araçlarını kullanır. Katı kaynaklı MBE, biriktirmeyi mümkün kılmak için moleküler bir ışın oluşturmak üzere efüzyon hücrelerinde ısıtılan yüksek saflıkta elementel öncüleri kullanır (soğutma için kullanılan sıvı nitrojen ile). Buna karşılık MOCVD, çökelmeyi sağlamak için ultra saf, gazlı kaynaklar kullanan ve toksik gazın taşınmasını ve azaltılmasını gerektiren bir kimyasal buhar işlemidir. Her iki teknik de arsenitler gibi bazı malzeme sistemlerinde aynı epitaksiyi üretebilir. Belirli malzemeler, süreçler ve pazarlar için bir tekniğin diğerine tercih edilmesi tartışılmaktadır.

Moleküler Işın Epitaksi

Bir MBE reaktörü tipik olarak bir numune transfer odası (wafer substratlarının yüklenmesine ve boşaltılmasına izin vermek için havaya açık) ve substratın epitaksiyel büyüme için transfer edildiği bir büyüme odası (normalde kapalı ve yalnızca bakım için havaya açık) içerir. . MBE reaktörleri, hava moleküllerinden kaynaklanan kirlenmeyi önlemek için ultra yüksek vakum (UHV) koşullarında çalışır. Hazne havaya açıksa, bu kirletici maddelerin tahliyesini hızlandırmak için hazne ısıtılabilir.

Genellikle, bir MBE reaktöründeki epitaksinin kaynak malzemeleri katı yarı iletkenler veya metallerdir. Bunlar efüzyon hücrelerinde erime noktalarının (yani kaynak malzeme buharlaşması) ötesinde ısıtılır. Burada, atomlar veya moleküller, oldukça yönlü bir moleküler ışın veren küçük bir açıklık yoluyla MBE vakum odasına sürülür. Bu ısıtmalı substrat üzerinde çarpar; Genellikle silikon, galyum arsenit (GAAS) veya diğer yarı iletkenler gibi tek kristal malzemelerden yapılır. Moleküllerin desorb olmaması koşuluyla, epitaksiyal büyümeyi destekleyerek substrat yüzeyine yayılacaklar. Epitaksi daha sonra katmana göre biriktirir, her bir katmanın bileşimi ve kalınlığı istenen optik ve elektriksel özellikleri elde etmek için kontrol edilir.

Substrat, büyüme odasının içinde, cryoshields ile çevrili ısıtmalı bir tutucu üzerine merkezi olarak monte edilir, efüzyon hücrelerine ve deklanşör sistemine bakar. Tutucu, düzgün biriktirme ve epitaksiyal kalınlık sağlamak için döner. Cryoshields, daha önce substrat yüzeyinde yakalanmayan kirletici maddeleri ve atomları yakalayan sıvı azot soğutulmuş plakalardır. Kirleticiler, substratın yüksek sıcaklıklarda desorpsiyonundan veya moleküler kirişten 'aşırı doldurma' ile olabilir.

Ultra yüksek vakum MBE reaktör odası, birikme işlemini kontrol etmek için yerinde izleme araçlarının kullanılmasını sağlar. Yansıma, büyüme yüzeyini izlemek için yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) kullanılır. Lazer yansıtma, termal görüntüleme ve kimyasal analiz (kütle spektrometrisi, burgu spektrometrisi), buharlaştırılan malzemenin bileşimini analiz eder. Diğer sensörler, işlem parametrelerini gerçek zamanlı olarak ayarlamak için sıcaklıkları, basınçları ve büyüme oranlarını ölçmek için kullanılır.

Büyüme oranı ve ayarlama

Tipik olarak saniyede bir tek tabakanın yaklaşık üçte biri (0.1 nm, 1 Å) olan epitaksiyel büyüme hızı, akı hızından (kaynak sıcaklığı tarafından kontrol edilen substrat yüzeyine gelen atomların sayısı) ve substrat sıcaklığından etkilenir. (bu, substrat yüzeyindeki atomların yayılma özelliklerini ve bunların substrat ısısı tarafından kontrol edilen desorpsiyonunu etkiler). Epitaksiyel prosesi optimize etmek için bu parametreler MBE reaktörü içerisinde bağımsız olarak ayarlanır ve izlenir.

Mekanik bir kapatma sistemi kullanılarak büyüme hızlarının ve farklı malzemelerin tedarikinin kontrol edilmesiyle üçlü ve dörtlü alaşımlar ve çok katmanlı yapılar güvenilir ve tekrar tekrar büyütülebilir. Biriktirmeden sonra, termal stresi önlemek için substrat yavaşça soğutulur ve kristal yapısını ve özelliklerini karakterize etmek için test edilir.

MBE için Maddi Özellikler

MBE'de kullanılan III-V malzeme sistemlerinin özellikleri:

●  Silikon: Silikon substratlarda büyüme, oksit desorpsiyonunu sağlamak için çok yüksek sıcaklıklar gerektirir (>1000°C), bu nedenle özel ısıtıcılar ve levha tutucular gerekir. Kafes sabiti ve genişleme katsayısındaki uyumsuzlukla ilgili sorunlar, silikonda III-V büyümesini aktif bir Ar-Ge konusu haline getiriyor.

●  Antimon: III-Sb yarı iletkenlerinde yüzeyden desorpsiyonu önlemek için düşük altlık sıcaklıkları kullanılmalıdır. Yüksek sıcaklıklarda 'uyumsuzluk' da meydana gelebilir; burada bir atomik tür tercihen stokiyometrik olmayan malzemeler bırakmak üzere buharlaştırılabilir.

●  Fosfor: III-P alaşımları için, odanın iç kısmında fosfor birikecek ve bu durum, kısa süreli üretimleri sürdürülemez hale getirebilecek, zaman alıcı bir temizleme işlemi gerektirecektir.

Metal-organik kimyasal buhar birikimi

MOCVD reaktörü yüksek sıcaklıkta, su soğutmalı bir reaksiyon odasına sahiptir. Substratlar, RF, dirençli veya IR ısıtma ile ısıtılan bir grafit tutucu üzerine konumlandırılır. Reaktif gazları substratların üzerindeki proses odasına dikey olarak enjekte edilir. Katman tekdüzeliği sıcaklık, gaz enjeksiyonu, toplam gaz akışı, tutucu rotasyonu ve basıncı optimize edilerek elde edilir. Taşıyıcı gazlar hidrojen veya nitrojendir.

Epitaksiyel tabakaları biriktirmek için MOCVD, galyum için trimetilgalyum veya grup-III elementleri için alüminyum için trimetilalüminyum ve grup-V elementleri için hidrit gazları (arsin ve fosfin) gibi çok yüksek saflıkta metal-organik öncüleri kullanır. Metal-organikler gaz akışı kabarcıklarında bulunur. Proses odasına enjekte edilen konsantrasyon, fıskiyeden geçen metal-organik ve taşıyıcı gaz akışının sıcaklığı ve basıncı ile belirlenir.

Reaktifler, metal atomlarını ve organik yan ürünleri serbest bırakarak büyüme sıcaklığında substrat yüzeyinde tamamen ayrışır. Reaktiflerin konsantrasyonu, buhar karışımını ayarlamak için bir çalışma/havalandırma anahtarlama sistemi ile birlikte farklı, III-V alaşım yapıları üretecek şekilde ayarlanır.

Substrat genellikle galyum arsenid, indiyum fosfit veya safir gibi bir yarı iletken malzemenin tek kristal bir gofretidir. Öncül gazların enjekte edildiği reaksiyon odası içindeki suyunun üzerine yüklenir. Buharlaştırılmış metal organikler ve diğer gazların çoğu, ısıtmalı büyüme odasından geçer, ancak küçük bir miktar piroliz (çatlama) geçirir ve sıcak substratın yüzeyine emilen alt türler oluşturur. Bir yüzey reaksiyonu daha sonra III-V elemanlarının epitaksiyal bir tabakaya dahil edilmesine neden olur. Alternatif olarak, kullanılmayan reaktifler ve odadan tahliye edilen reaksiyon ürünleri ile yüzeyden desorpsiyon meydana gelebilir. Ek olarak, bazı öncüler, GaAs/Algaas'ın karbon dopinginde ve özel etchant kaynakları gibi yüzeyin 'negatif büyüme' aşınmasına neden olabilir. Suyu, epitaksinin tutarlı bileşimini ve kalınlıklarını sağlamak için döner.

MOCVD reaktöründe gereken büyüme sıcaklığı öncelikle öncüllerin gerekli pirolizi ile belirlenir ve daha sonra yüzey hareketliliği açısından optimize edilir. Büyüme oranı, Bubblers'teki grup-III metal-organik kaynakların buhar basıncı ile belirlenir. Yüzey difüzyonu, yüzeydeki atomik adımlardan etkilenir, yanlış yönlendirilmiş substratlar genellikle bu nedenle kullanılır. Silikon substratlardaki büyüme, uzman ısıtıcılar ve gofret substrat tutucuları talep eden oksit desorpsiyonunu (> 1000 ° C) sağlamak için çok yüksek sıcaklık aşamaları gerektirir.

Reaktörün vakum basıncı ve geometrisi, yerinde izleme tekniklerinin MBE'ninkinden farklı olduğu ve MBE'nin genellikle daha fazla seçeneğe ve yapılandırılabilirliğe sahip olduğu anlamına gelir. MOCVD için, yerinde, levha yüzey sıcaklığı ölçümü için emisyon derecesi düzeltilmiş pirometri kullanılır (uzaktan, termokupl ölçümünün aksine); yansıtma, yüzey pürüzlendirmesinin ve epitaksiyel büyüme hızının analiz edilmesine olanak tanır; gofret yayı lazer yansımasıyla ölçülür; ve sağlanan organometalik konsantrasyonlar, büyüme sürecinin doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini artırmak için ultrasonik gaz izleme yoluyla ölçülebilir.

Tipik olarak, alüminyum içeren alaşımlar daha yüksek sıcaklıklarda (> 650 ° C) büyütülürken, fosfor içeren tabakalar Alinp için olası istisnalar dışında daha düşük sıcaklıklarda (<650 ° C) büyütülür. Telekom uygulamaları için kullanılan alingaas ve ingaasp alaşımları için, arsinin çatlama sıcaklığındaki fark, işlem kontrolünü fosfinden daha basit hale getirir. Bununla birlikte, aktif tabakaların kazındığı epitaksiyal yeniden büyüme için fosfin tercih edilir. Antimonid materyalleri için, uygun bir öncü kaynağının olmaması, alaşımların seçimini sınırlayan ve böylece MOCVD tarafından antimonid büyümesinin alımını sınırlayan ALSB'ye kasıtsız (ve genellikle istenmeyen) karbon dahil edilmesi meydana gelir.

Yüksek gerilime sahip katmanlar için, arsenit ve fosfit malzemelerinin rutin olarak kullanılabilmesi nedeniyle, GaAsP bariyerleri ve InGaAs kuantum kuyuları (QW'ler) gibi gerilim dengeleme ve dengeleme mümkündür.

Özet

MBE genellikle MOCVD'den daha fazla yerinde izleme seçeneğine sahiptir. Epitaksiyel büyüme, ayrı ayrı kontrol edilen akı hızı ve substrat sıcaklığı ile ayarlanır ve ilgili yerinde izleme, büyüme süreçlerinin çok daha net, doğrudan anlaşılmasına olanak tanır.

MOCVD, öncü kimyayı değiştirerek bileşik yarı iletkenler, nitrürler ve oksitler de dahil olmak üzere çok çeşitli malzemeleri biriktirmek için kullanılabilen çok yönlü bir tekniktir. Büyüme sürecinin hassas kontrolü, elektronik, fotonik ve optoelektronik uygulamaları için özel özelliklere sahip karmaşık yarı iletken cihazların imalatına olanak tanır. MOCVD odasının temizleme süreleri MBE'den daha hızlıdır.

MOCVD, dağıtılmış geri bildirim (DFBS) lazerlerinin yeniden büyümesi, gömülü heterostratur cihazları ve popo eklemli dalga kılavuzları için mükemmeldir. Bu, yarı iletkenin yerinde aşındırılmasını içerebilir. Bu nedenle MOCVD, monolitik INP entegrasyonu için idealdir. GaAs'ta monolitik entegrasyon bebeklik döneminde olmasına rağmen, MOCVD, dielektrik maskelenmiş alanların emisyon/emme dalga boylarını boşa çıkarmaya yardımcı olduğu seçici alan büyümesini sağlar. Bunu, dielektrik maskede polikristal yatakların oluşabileceği MBE ile yapmak zordur.

Genel olarak MBE, Sb malzemeleri için tercih edilen büyütme yöntemidir ve MOCVD, P malzemeleri için tercih edilir. Her iki büyütme tekniği de As bazlı malzemeler için benzer yeteneklere sahiptir. Elektronik gibi yalnızca MBE'ye yönelik geleneksel pazarlara artık MOCVD büyümesiyle eşit derecede iyi hizmet verilebilir. Ancak kuantum nokta ve kuantum kademeli lazerler gibi daha gelişmiş yapılar için temel epitaksi olarak MBE sıklıkla tercih edilir. Epitaksiyel yeniden büyüme gerekiyorsa, aşındırma ve maskeleme esnekliği nedeniyle genellikle MOCVD tercih edilir.