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, jotta kiekkoalustat voidaan ladata ja purkaa) ja kasvatuskammion (normaalisti suljettu ja avoinna vain ilmalle huoltoa varten), johon substraatti siirretään epitaksiaalista kasvua varten. . MBE-reaktorit toimivat ultra-high vacuum (UHV) -olosuhteissa, jotta estetään ilmamolekyylien aiheuttama kontaminaatio. Kammiota voidaan lämmittää näiden epäpuhtauksien poistumisen nopeuttamiseksi, jos kammio on ollut avoin ilmalle.

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.

Ultrakorkean tyhjiön MBE-reaktorikammio mahdollistaa in situ -seurantatyökalujen käyttämisen pinnoitusprosessin ohjaamiseen. Reflection high-energy elektronidiffraktiota (RHEED) käytetään kasvupinnan seurantaan. Laserheijastuskyky, lämpökuvaus ja kemiallinen analyysi (massaspektrometria, Auger-spektrometria) analysoivat haihdutetun materiaalin koostumusta. Muita antureita käytetään mittaamaan lämpötiloja, paineita ja kasvunopeuksia prosessiparametrien säätämiseksi reaaliajassa.

Kasvuvauhti ja säätö

Epitaksiaaliseen kasvunopeuteen, joka on tyypillisesti noin kolmasosa yksikerroksisesta kerroksesta (0,1 nm, 1Å) sekunnissa, vaikuttavat virtausnopeus (substraatin pinnalle saapuvien atomien lukumäärä, jota ohjaa lähteen lämpötila) ja alustan lämpötila. (joka vaikuttaa atomien diffuusioihin substraattien pinnalla ja niiden desorptioon substraatin lämmön ohjaamana). Näitä parametreja säädetään itsenäisesti ja valvotaan MBE-reaktorissa epitaksiaalisen prosessin 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 materiaaliominaisuudet

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.

●  Antimoni: III-Sb-puolijohteissa 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 höyrypinnoitus

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 täysin substraatin 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" syövytystä, 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), AlInP:n mahdollisia poikkeuksia lukuun ottamatta. Tietoliikennesovelluksissa käytettävillä AlInGaAs- ja InGaAsP-seoksilla arsiinin krakkauslämpötilan ero tekee prosessin ohjauksesta yksinkertaisempaa kuin fosfiinin. Fosfiini on kuitenkin edullinen epitaksiaaliseen uudelleenkasvuun, jossa aktiiviset kerrokset on syövytetty. Antimonidimateriaalien tapauksessa tapahtuu tahatonta (ja yleensä ei-toivottua) hiilen sisällyttämistä AlSb:hen sopivan esiastelähteen puuttumisen vuoksi, mikä rajoittaa seosten valintaa ja siten MOCVD:n aiheuttaman antimonidin kasvun ottoa.

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:llä. Epitaksiaalista kasvua säädetään virtausnopeudella ja substraatin lämpötilalla, joita ohjataan erikseen, ja siihen liittyvä in situ -seuranta mahdollistaa paljon selkeämmän, suoran ymmärryksen kasvuprosesseista.

MOCVD on erittäin monipuolinen tekniikka, jota voidaan käyttää monenlaisten materiaalien, mukaan lukien yhdistepuolijohteiden, nitridien ja oksidien, kerrostamiseen vaihtelemalla esiastekemiaa. Kasvuprosessin tarkka ohjaus mahdollistaa monimutkaisten puolijohdelaitteiden valmistuksen, joilla on räätälöidyt ominaisuudet elektroniikan, fotoniikan ja optoelektroniikan sovelluksiin. MOCVD-kammion puhdistusajat ovat nopeampia kuin MBE.

MOCVD soveltuu erinomaisesti hajautetun takaisinkytkennän (DFB) lasereiden, haudattujen heterorakennelaitteiden ja päittäisliitosaaltoputkien uudelleenkasvuun. Tämä voi sisältää puolijohteen in situ -etsauksen. MOCVD on siksi ihanteellinen monoliittiseen InP-integraatioon. Vaikka monoliittinen integraatio GaAs:ssa on lapsenkengissään, MOCVD mahdollistaa valikoivan alueen kasvun, jossa dielektriset peitetyt alueet auttavat tilaamaan emissio-/absorptioaallonpituuksia. Tämä on vaikea tehdä MBE:llä, jossa dielektriseen maskiin voi muodostua monikiteisiä kerrostumia.

Yleensä MBE on suositeltu kasvumenetelmä Sb-materiaaleille ja MOCVD on valinta P-materiaaleille. Molemmilla kasvutekniikoilla on samanlaiset ominaisuudet As-pohjaisille materiaaleille. Perinteiset vain MBE-markkinat, kuten elektroniikka, voidaan nyt palvella yhtä hyvin MOCVD:n kasvun myötä. Kehittyneemmille rakenteille, kuten kvanttipiste- ja kvanttikaskadilasereille, MBE on kuitenkin usein suositeltava perusepitaksia. Jos tarvitaan epitaksiaalista uudelleenkasvua, MOCVD on yleensä edullinen sen etsaus- ja peittojoustavuuden vuoksi.