Apakah perbezaan antara teknologi MBE dan MOCVD?

Kedua-dua reaktor epitaksi rasuk molekul (MBE) dan pemendapan wap kimia logam-organik (MOCVD) beroperasi dalam persekitaran bilik bersih dan menggunakan set alat metrologi yang sama untuk pencirian wafer. MBE sumber pepejal menggunakan prekursor unsur ketulenan tinggi yang dipanaskan dalam sel efusi untuk mencipta rasuk molekul bagi membolehkan pemendapan (dengan nitrogen cecair digunakan untuk penyejukan). Sebaliknya, MOCVD ialah proses wap kimia, menggunakan sumber gas ultra tulen untuk membolehkan pemendapan, dan memerlukan penyerahan dan pengurangan gas toksik. Kedua-dua teknik boleh menghasilkan epitaksi yang sama dalam beberapa sistem bahan, seperti arsenida. Pilihan satu teknik berbanding yang lain untuk bahan, proses dan pasaran tertentu dibincangkan.

Epitaxy rasuk molekul

Reaktor MBE biasanya terdiri daripada ruang pemindahan sampel (dibuka ke udara, untuk membolehkan substrat wafer dimuatkan dan dipunggah) dan ruang pertumbuhan (biasanya dimeteraikan, dan hanya dibuka ke udara untuk penyelenggaraan) di mana substrat dipindahkan untuk pertumbuhan epitaxial . Reaktor MBE beroperasi dalam keadaan vakum ultra tinggi (UHV) untuk mencegah pencemaran dari molekul udara. Dewan ini boleh dipanaskan untuk mempercepatkan pemindahan bahan cemar ini jika ruang telah dibuka ke udara.

Selalunya, bahan sumber epitaksi dalam reaktor MBE adalah semikonduktor atau logam pepejal. Ini dipanaskan melebihi takat leburnya (iaitu penyejatan bahan sumber) dalam sel efusi. Di sini, atom atau molekul didorong ke dalam ruang vakum MBE melalui apertur kecil, yang memberikan pancaran molekul yang sangat berarah. Ini menjejaskan substrat yang dipanaskan; biasanya diperbuat daripada bahan kristal tunggal seperti silikon, galium arsenide (GaAs) atau semikonduktor lain. Dengan syarat bahawa molekul tidak menyahserap, ia akan meresap pada permukaan substrat, menggalakkan pertumbuhan epitaxial. Epitaksi kemudiannya dibina lapisan demi lapisan, dengan komposisi dan ketebalan setiap lapisan dikawal untuk mencapai sifat optik dan elektrik yang dikehendaki.

Substrat dipasang secara berpusat, dalam ruang pertumbuhan, pada pemegang yang dipanaskan yang dikelilingi oleh cryoshields, menghadap ke sel efusi dan sistem pengatup. Pemegang berputar untuk memberikan pemendapan seragam dan ketebalan epitaxial. Perisai krio ialah plat yang disejukkan nitrogen cecair yang memerangkap bahan cemar dan atom dalam ruang yang sebelum ini tidak ditangkap pada permukaan substrat. Bahan cemar boleh berpunca daripada desorpsi substrat pada suhu tinggi atau melalui 'overfilling' daripada rasuk molekul.

Ruang reaktor MBE ultra-tinggi-vakum membolehkan alat pemantauan in-situ digunakan untuk mengawal proses pemendapan. Refleksi difraksi elektron tenaga tinggi (Rheed) digunakan untuk memantau permukaan pertumbuhan. Refleksi laser, pengimejan haba, dan analisis kimia (spektrometri massa, spektrometri auger) menganalisis komposisi bahan yang disejat. Sensor lain digunakan untuk mengukur suhu, tekanan dan kadar pertumbuhan untuk menyesuaikan parameter proses dalam masa nyata.

Kadar pertumbuhan dan pelarasan

Kadar pertumbuhan epitaxial, yang biasanya kira-kira satu pertiga daripada lapisan tunggal (0.1nm, 1Å) sesaat, dipengaruhi oleh kadar fluks (bilangan atom yang tiba di permukaan substrat, dikawal oleh suhu sumber) dan suhu substrat (yang memberi kesan kepada sifat penyebaran atom pada permukaan substrat dan desorpsinya, dikawal oleh haba substrat). Parameter ini diselaraskan dan dipantau secara bebas dalam reaktor MBE, untuk mengoptimumkan proses epitaxial.

Dengan mengawal kadar pertumbuhan dan pembekalan bahan-bahan yang berbeza menggunakan sistem pengatup mekanikal, aloi ternary dan Quaternary dan struktur berbilang lapisan boleh ditanam dengan pasti dan berulang kali. Selepas pemendapan, substrat disejukkan perlahan -lahan untuk mengelakkan tekanan haba dan diuji untuk mencirikan struktur dan sifat kristalnya.

Ciri-ciri bahan untuk MBE

Ciri-ciri sistem bahan III-V yang digunakan dalam MBE adalah:

●  Silikon: Pertumbuhan pada substrat silikon memerlukan suhu yang sangat tinggi untuk memastikan desorpsi oksida (> 1000 ° C), jadi pemanas pakar dan pemegang wafer diperlukan. Isu-isu di sekitar ketidakcocokan dalam pekali kisi dan pekali pengembangan membuat pertumbuhan III-V pada silikon topik R & D yang aktif.

●  Antimoni: Untuk semikonduktor III-Sb, suhu substrat yang rendah mesti digunakan untuk mengelakkan desorpsi dari permukaan. 'Tidak kongruen' pada suhu tinggi juga mungkin berlaku, di mana satu spesies atom boleh disejat secara keutamaan untuk meninggalkan bahan bukan stoikiometrik.

● Fosforus: Untuk aloi III-P, fosforus akan dimendapkan di bahagian dalam ruang, memerlukan proses pembersihan yang memakan masa yang boleh menyebabkan pengeluaran yang singkat tidak berdaya maju.

Pemendapan wap kimia logam-organik

Reaktor MOCVD mempunyai ruang tindak balas suhu tinggi yang disejukkan. Substrat diposisikan pada susceptor grafit yang dipanaskan oleh pemanasan RF, rintangan atau IR. Gas reagen disuntik secara menegak ke dalam ruang proses di atas substrat. Keseragaman lapisan dicapai dengan mengoptimumkan suhu, suntikan gas, jumlah aliran gas, putaran dan tekanan. Gas pembawa sama ada hidrogen atau nitrogen.

Untuk mendepositkan lapisan epitaxial, MOCVD menggunakan prekursor logam-organik yang sangat tinggi seperti trimethylgallium untuk gallium atau trimethylaluminium untuk aluminium untuk unsur-unsur kumpulan-III dan gas hidrida (arsine dan fosfin) untuk elemen kumpulan-V. Logam-organik terkandung dalam bubbler aliran gas. Kepekatan yang disuntik ke dalam ruang proses ditentukan oleh suhu dan tekanan aliran gas organik dan pembawa melalui bubbler.

Reagen sepenuhnya mengurai pada permukaan substrat pada suhu pertumbuhan, melepaskan atom logam dan produk sampingan organik. Kepekatan reagen diselaraskan untuk menghasilkan struktur aloi III-V yang berbeza, bersama-sama dengan sistem pensuisan/bolong untuk menyesuaikan campuran wap.

Substrat biasanya merupakan wafer kristal tunggal bahan semikonduktor seperti gallium arsenide, indium fosfida, atau nilam. Ia dimuatkan ke dalam susceptor dalam ruang tindak balas di mana gas prekursor disuntik. Kebanyakan logam-organik dan gas-gas lain yang dikeluarkan melalui ruang pertumbuhan yang dipanaskan tidak berubah, tetapi sejumlah kecil mengalami pirolisis (retak), mewujudkan bahan subspesies yang menyerap ke permukaan substrat panas. Reaksi permukaan kemudian menghasilkan penggabungan unsur-unsur III-V ke dalam lapisan epitaxial. Sebagai alternatif, desorpsi dari permukaan mungkin berlaku, dengan reagen yang tidak digunakan dan produk reaksi yang dipindahkan dari ruang. Di samping itu, sesetengah prekursor boleh menyebabkan 'pertumbuhan negatif' etsa permukaan, seperti dalam doping karbon GaAs/algaaS, dan dengan sumber etchant yang berdedikasi. Susceptor berputar untuk memastikan komposisi dan ketebalan epitaxy yang konsisten.

Suhu pertumbuhan yang diperlukan dalam reaktor MOCVD terutamanya ditentukan oleh pirolisis yang diperlukan oleh prekursor, dan kemudian dioptimumkan mengenai mobiliti permukaan. Kadar pertumbuhan ditentukan oleh tekanan wap sumber-sumber logam-organik kumpulan-III dalam bubblers. Penyebaran permukaan dipengaruhi oleh langkah -langkah atom di permukaan, dengan substrat yang salah sering digunakan untuk sebab ini. Pertumbuhan pada substrat silikon memerlukan tahap suhu yang sangat tinggi untuk memastikan desorpsi oksida (> 1000 ° C), menuntut pemanas pakar dan pemegang substrat wafer.

Tekanan vakum dan geometri reaktor bermakna teknik pemantauan in-situ berbeza dengan MBE, dengan MBE umumnya mempunyai lebih banyak pilihan dan kebolehkonfigurasian. Untuk MOCVD, pyrometry diperbetulkan emisitiviti digunakan untuk pengukuran suhu permukaan wafer in-situ (berbanding dengan pengukuran termokopel jauh); pemantulan membolehkan kekasaran permukaan dan kadar pertumbuhan epitaxial dianalisis; busur wafer diukur dengan pantulan laser; dan kepekatan organologam yang dibekalkan boleh diukur melalui pemantauan gas ultrasonik, untuk meningkatkan ketepatan dan kebolehulangan proses pertumbuhan.

Biasanya, aloi yang mengandungi aluminium ditanam pada suhu yang lebih tinggi (>650°C), manakala lapisan yang mengandungi fosforus ditanam pada suhu yang lebih rendah (<650°C), dengan kemungkinan pengecualian untuk AlInP. Untuk aloi AlInGaAs dan InGaAsP, yang digunakan untuk aplikasi telekomunikasi, perbezaan dalam suhu retak arsin menjadikan kawalan proses lebih mudah berbanding fosfin. Walau bagaimanapun, untuk pertumbuhan semula epitaxial, di mana lapisan aktif terukir, fosfin lebih disukai. Untuk bahan antimonida, penggabungan karbon yang tidak disengajakan (dan umumnya tidak diingini) ke dalam AlSb berlaku, disebabkan kekurangan sumber prekursor yang sesuai, mengehadkan pilihan aloi dan seterusnya pengambilan pertumbuhan antimonida oleh MOCVD.

Untuk lapisan yang sangat tegang, kerana keupayaan untuk menggunakan bahan -bahan arsenida dan fosfida secara rutin, pengimbangan terikan dan pampasan adalah mungkin, seperti halangan Gaasp dan Wells Quantum InGaaS (QWS).

Ringkasan

MBE umumnya mempunyai lebih banyak pilihan pemantauan in-situ daripada MOCVD. Pertumbuhan epitaxial diselaraskan oleh kadar fluks dan suhu substrat, yang dikawal secara berasingan, dengan pemantauan in-situ yang berkaitan membolehkan pemahaman yang lebih jelas, langsung, tentang proses pertumbuhan.

MOCVD adalah teknik yang sangat serba boleh yang boleh digunakan untuk mendepositkan pelbagai bahan, termasuk semikonduktor kompaun, nitrida dan oksida, dengan mengubah kimia prekursor. Kawalan yang tepat terhadap proses pertumbuhan membolehkan fabrikasi peranti semikonduktor kompleks dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi dalam elektronik, fotonik dan optoelektronik. Masa pembersihan ruang MOCVD lebih cepat daripada MBE.

MOCVD sangat baik untuk pertumbuhan semula laser maklum balas (DFB) yang diedarkan, peranti heterostruktur yang terkubur, dan gelombang gelombang yang ditarik balik. Ini mungkin termasuk dalam situ etsa semikonduktor. Oleh itu, MOCVD adalah sesuai untuk integrasi INP monolitik. Walaupun integrasi monolitik dalam GaA berada di peringkat awal, MOCVD membolehkan pertumbuhan kawasan selektif, di mana kawasan bertopeng dielektrik membantu ruang pelepasan panjang gelombang pelepasan/penyerapan. Ini sukar dilakukan dengan MBE, di mana deposit polikristal boleh dibentuk pada topeng dielektrik.

Secara umum, MBE adalah kaedah pertumbuhan pilihan untuk bahan SB dan MOCVD adalah pilihan untuk bahan P. Kedua-dua teknik pertumbuhan mempunyai keupayaan yang sama untuk bahan berasaskan AS. Pasaran tradisional MBE sahaja, seperti elektronik, kini boleh dihidangkan dengan baik dengan pertumbuhan MOCVD. Walau bagaimanapun, untuk struktur yang lebih maju, seperti dot kuantum dan laser cascade kuantum, MBE sering disukai untuk epitaxy asas. Jika pertumbuhan semula epitaxial diperlukan, maka MOCVD biasanya disukai, disebabkan oleh fleksibiliti etsa dan pelekatnya.