Kuo skiriasi MBE ir MOCVD technologijos?

Tiek molekulinio pluošto epitaksijos (MBE), tiek metalo ir organinio cheminio garų nusodinimo (MOCVD) reaktoriai veikia švarioje patalpoje ir naudoja tą patį metrologijos įrankių rinkinį plokštelėms apibūdinti. Kietojo šaltinio MBE naudojami didelio grynumo elementų pirmtakai, kaitinami efuzijos ląstelėse, kad sukurtų molekulinį pluoštą, leidžiantį nusodinti (su skystu azotu, naudojamu aušinimui). Priešingai, MOCVD yra cheminis garų procesas, kuriame naudojami itin gryni dujiniai šaltiniai, kad būtų galima nusodinti, ir reikalingas toksiškų dujų perdavimas ir sumažinimas. Abu metodai gali sukurti identišką epitaksiją kai kuriose medžiagų sistemose, pavyzdžiui, arseniduose. Aptariamas vienos technikos pasirinkimas, palyginti su kita, tam tikroms 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 pradinės medžiagos yra kietieji puslaidininkiai arba metalai. Efuzijos ląstelėse jie kaitinami virš lydymosi taškų (t. y. žaliavos išgaravimo). Čia atomai arba molekulės yra nukreipiami į MBE vakuuminę kamerą per mažą angą, kuri suteikia labai kryptingą molekulinį spindulį. Tai atsitrenkia į šildomą pagrindą; dažniausiai gaminami iš vieno kristalo medžiagų, tokių kaip silicis, galio arsenidas (GaAs) ar kiti puslaidininkiai. Jei molekulės nedesorbuojasi, jos išsisklaidys substrato paviršiuje, skatindamos epitaksinį augimą. Tada epitaksė kaupiama sluoksnis po sluoksnio, kontroliuojama kiekvieno sluoksnio sudėtis ir storis, kad būtų pasiektos norimos optinės ir elektrinės savybės.

Substratas yra sumontuotas centre, augimo kameroje, ant šildomo laikiklio, apsupto krio skydais, nukreipto į efuzijos ląsteles ir sklendės sistemą. Laikiklis sukasi, kad užtikrintų vienodą nusėdimą ir epitaksinį storį. Krioskydai yra skystu azotu aušinamos plokštės, kurios kameroje sulaiko teršalus ir atomus, kurie anksčiau nebuvo užfiksuoti ant pagrindo paviršiaus. Teršalai gali atsirasti dėl substrato desorbcijos aukštoje temperatūroje arba dėl „perpildymo“ iš molekulinio 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 tempas ir koregavimas

Epitaksinį augimo greitį, kuris paprastai yra maždaug trečdalis monosluoksnio (0,1 nm, 1Å) per sekundę, įtakoja srauto greitis (atomų, patenkančių į substrato paviršių, skaičius, kontroliuojamas šaltinio temperatūros) ir substrato temperatūra. (kuris turi įtakos difuzinėms atomų savybėms substrato paviršiuje ir jų desorbcijai, kontroliuojamai substrato šilumos). Šie parametrai yra nepriklausomai reguliuojami ir stebimi MBE reaktoriuje, siekiant 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 šios:

●  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 cheminis nusodinimas garais

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, kad būtų sukurtos skirtingos III-V lydinio struktūros, taip pat paleidimo / išleidimo perjungimo sistema garų mišiniui reguliuoti.

Pagrindas paprastai yra vieno kristalo plokštelė iš puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip galio arsenidas, indžio fosfidas arba safyras. Jis pakraunamas ant susceptoriaus reakcijos kameroje, per kurią įpurškiamos pirmtakų dujos. Didelė dalis išgaravusių metalo-organinių medžiagų ir kitų dujų keliauja per šildomą augimo kamerą nepakitusios, tačiau nedidelė jų dalis yra pirolizuojama (trūkinėja), sukuriant porūšių medžiagas, kurios susigeria į karšto pagrindo paviršių. Paviršiaus reakcija sukelia III-V elementų įtraukimą į epitaksinį sluoksnį. Arba gali įvykti desorbcija nuo paviršiaus, kai nepanaudoti reagentai ir reakcijos produktai bus evakuoti iš kameros. Be to, kai kurie pirmtakai gali sukelti „neigiamą augimą“ paviršiaus ėsdinimą, pvz., GaAs / AlGaAs anglies priedą ir specialius ėsdinimo šaltinius. Susceptorius sukasi, kad būtų užtikrinta vienoda epitaksijos sudėtis ir storis.

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 ultragarsu stebint dujas, siekiant padidinti augimo proceso tikslumą ir atkuriamumą.

Paprastai aliuminio turintys lydiniai auginami aukštesnėje temperatūroje (>650°C), o fosforo turintys sluoksniai – žemesnėje temperatūroje (<650°C), išskyrus galimas AlInP išimtis. AlInGaAs ir InGaAsP lydiniams, naudojamiems telekomunikacijų reikmėms, dėl arsino krekingo temperatūros skirtumo proceso valdymas yra paprastesnis nei fosfino. Tačiau epitaksiniam pakartotiniam augimui, kai aktyvieji sluoksniai yra išgraviruoti, pirmenybė teikiama fosfinui. Dėl antimonidinių medžiagų netyčinio (ir paprastai nepageidaujamo) anglies įsiskverbimo į AlSb, nes nėra tinkamo pirmtako šaltinio, ribojamas lydinių pasirinkimas, taigi ir antimonidų augimo įsisavinimas MOCVD.

Labai įtemptiems sluoksniams dėl galimybės reguliariai naudoti arsenidines ir fosfidines medžiagas galimas deformacijų balansavimas ir kompensavimas, pvz., GaAsP barjerams ir InGaAs kvantiniams šuliniams (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 universalus metodas, kurį galima naudoti įvairioms medžiagoms, įskaitant sudėtinius puslaidininkius, nitridus ir oksidus, nusodinti, keičiant pirmtakų chemiją. Tikslus augimo proceso valdymas leidžia gaminti sudėtingus puslaidininkinius įtaisus su pritaikytomis savybėmis elektronikos, fotonikos ir optoelektronikos reikmėms. MOCVD kameros valymo laikas yra greitesnis nei MBE.

MOCVD puikiai tinka paskirstyto grįžtamojo ryšio (DFB) lazerių, palaidotų heterostruktūrų įtaisų ir užpakalinių bangolaidžių atkūrimui. Tai gali apimti puslaidininkio ėsdinimą vietoje. Todėl MOCVD idealiai tinka monolitinei InP integracijai. Nors monolitinė GaAs integracija yra tik pradžioje, MOCVD leidžia pasirinktinai augti plotą, kai dielektrinėmis užmaskuotomis sritimis padeda išskirstyti emisijos / absorbcijos bangos ilgius. Tai sunku padaryti naudojant MBE, kai ant dielektrinės kaukės gali susidaryti polikristalinės nuosėdos.

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.