Які відмінності між технологіями MBE та MOCVD?

І реактори молекулярно-променевої епітаксії (MBE), і реактори металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD) працюють у чистих приміщеннях і використовують той самий набір метрологічних інструментів для визначення характеристик пластин. MBE з твердим джерелом використовує високочисті елементарні прекурсори, нагріті в ефузійних осередках для створення молекулярного пучка для забезпечення можливості осадження (з використанням рідкого азоту для охолодження). Навпаки, MOCVD — це процес хімічної пари, який використовує надчисті газоподібні джерела для забезпечення можливості осадження, і вимагає передачі токсичного газу та зменшення викидів. Обидва методи можуть виробляти однакову епітаксію в деяких матеріальних системах, таких як арсеніди. Обговорюється вибір однієї техніки над іншою для конкретних матеріалів, процесів і ринків.

Молекулярно-променева епітаксія

Реактор MBE зазвичай містить камеру передачі зразка (відкрита до повітря, щоб дозволити завантажувати та вивантажувати підкладки (зазвичай вища (зазвичай герметизована, і лише відкрита для повітря для обслуговування), де підкладка передається для епітаксіального зростання . Реактори MBE працюють у умовах ультра-високого вакууму (UHV) для запобігання забрудненню з молекул повітря. Камеру можна нагрівати, щоб прискорити евакуацію цих забруднень, якщо камера була відкрита для повітря.

Часто вихідні матеріали епітаксії в реакторі MBE є суцільними напівпровідниками або металами. Вони нагріваються за межі їх плавлення (тобто випаровування вихідного матеріалу) в клітинах випітки. Тут атоми або молекули забиваються у вакуумну камеру MBE через невелику діафрагму, яка дає високопоточний молекулярний промінь. Це наважиться на нагріту підкладку; Зазвичай виготовлені з монокристалічних матеріалів, таких як кремній, арсенід галію (GAA) або інші напівпровідники. За умови, що молекули не десорбу, вони будуть дифундувати на поверхні субстрату, сприяючи епітаксіальному росту. Потім епітаксія будується шаром за шаром, з композицією та товщиною кожного шару контролюються для досягнення бажаних оптичних та електричних властивостей.

Субстрат встановлюється по центру, у камері росту, на тримачі з підігрівом, оточеному кріозахисними екранами, зверненою до клітин випоту та системи затворів. Тримач обертається для забезпечення рівномірного осадження та епітаксіальної товщини. Кріозахисні екрани являють собою охолоджувані рідким азотом пластини, які затримують забруднення та атоми в камері, які раніше не були захоплені на поверхні підкладки. Забруднювачі можуть бути внаслідок десорбції підкладки при високих температурах або через «переповнення» молекулярним пучком.

Камера реактора MBE з надвисоким вакуумом дозволяє використовувати інструменти моніторингу на місці для контролю процесу осадження. Дифракція високоенергетичних електронів на відбиття (RHEED) використовується для моніторингу поверхні росту. Лазерне відображення, тепловізор і хімічний аналіз (мас-спектрометрія, оже-спектрометрія) аналізують склад випареного матеріалу. Інші датчики використовуються для вимірювання температури, тиску та швидкості росту з метою коригування параметрів процесу в режимі реального часу.

Темпи зростання та коригування

На швидкість епітаксіального росту, який, як правило, приблизно на третину моношару (0,1 нм, 1Å) в секунду, впливає швидкість потоку (кількість атомів, що надходять на поверхню субстрату, контролюється температурою джерела) та температури субстрату (що впливає на дифузійні властивості атомів на поверхні субстратів та їх десорбції, що контролюється теплом підкладки). Ці параметри незалежно коригуються та контролюються в рамках реактора MBE, щоб оптимізувати епітаксіальний процес.

Контролюючи темпи зростання та постачання різних матеріалів за допомогою механічної системи затвора, потрійні та четвертинні сплави та багатошарові структури можуть бути вирощені надійно і неодноразово. Після осадження субстрат повільно охолоджується, щоб уникнути теплового напруження та перевіряють, щоб характеризувати її кристалічну структуру та властивості.

Характеристики матеріалу для МВЕ

Характеристики систем матеріалів III-V, що використовуються в MBE, такі:

●  Силікон: Зростання кремнієвих субстратів вимагає дуже високих температур для забезпечення оксидної десорбції (> 1000 ° C), тому потрібні спеціалізовані нагрівачі та власники вафель. Проблеми навколо невідповідності в константі решітки та коефіцієнта розширення роблять зростання III-V на кремнію активною темою НДДКР.

●  Сурма: Для напівпровідників III-SB необхідно використовувати низькі температури субстрату, щоб уникнути десорбції з поверхні. "Неконгрус" при високих температурах також може виникнути, де один атомний вид може бути переважно випаруватися, щоб залишати нестихіометричні матеріали.

● Фосфор: Для сплавів III-P фосфор буде осаджувати на внутрішній стороні камери, що вимагає трудомісткого процесу очищення, який може зробити короткі виробничі пробіжки нежиттєздатними.

Металоорганічне хімічне осадження з газової фази

Реактор MOCVD має високотемпературну реакційну камеру з водяним охолодженням. Субстрати розташовуються на графітовому токоприймачі, що нагрівається радіочастотним, резистивним або інфрачервоним нагріванням. Гази-реагенти впорскуються вертикально в технологічну камеру над підкладками. Рівномірність шару досягається шляхом оптимізації температури, впорскування газу, загального потоку газу, обертання токоприймача та тиску. Гази-носії - водень або азот.

Для нанесення епітаксійних шарів MOCVD використовує металоорганічні прекурсори дуже високої чистоти, такі як триметилгалій для галію або триметилалюміній для алюмінію для елементів III групи та гідридні гази (арсин і фосфін) для елементів V групи. Металоорганіка міститься в барботерах потоку газу. Концентрація, що вводиться в технологічну камеру, визначається температурою і тиском потоку металоорганіки і газу-носія через барботер.

Реагенти повністю розкладаються на поверхні субстрату при температурі росту, вивільняючи атоми металів та органічні побічні продукти. Концентрація реагентів регулюється для отримання різних структур сплавів III-V, а також системою перемикання запуску/вентиляційного вентиляції для регулювання парової суміші.

Субстрат зазвичай є однокристальною пластиною напівпровідникового матеріалу, такого як арсенід галію, фосфід індію або сапфір. Він завантажується на сприйнятливий всередині реакційної камери, над якою вводять гази -попередники. Значна частина паролізованих металів та інших газів проїжджає через камеру нагрітого росту, але невелика кількість зазнає піролізу (розтріскування), створюючи підвидові матеріали, що поглинають на поверхню гарячого підкладки. Потім поверхнева реакція призводить до включення елементів III-V в епітаксіальний шар. Альтернативно, може виникнути десорбція з поверхні, з невикористаними реагентами та продуктами реакції, евакуйованими з камери. Крім того, деякі попередники можуть викликати травлення поверхні "негативного росту", наприклад, у допінгу вуглецю GaAs/Algaas та з виділеними джерелами. Сприцептор обертається, щоб забезпечити послідовну склад і товщину епітаксії.

Температура росту, необхідна в реакторі MOCVD, насамперед визначається необхідним піролізом прекурсорів, а потім оптимізується щодо рухливості поверхні. Швидкість росту визначається тиском пари металоорганічних джерел III групи в барботерах. На поверхневу дифузію впливають атомні сходинки на поверхні, з цієї причини часто використовуються неправильно орієнтовані підкладки. Вирощування на кремнієвих підкладках вимагає дуже високотемпературних етапів для забезпечення десорбції оксиду (>1000 °C), вимогливих спеціальних нагрівачів і тримачів підкладок для пластин.

Вакуумний тиск і геометрію реактора означає, що методи моніторингу на місці відрізняються від методів MBE, при цьому MBE, як правило, має більше варіантів та конфігурації. Для MOCVD використовується пірометрія, коригувана випромінюванням, використовується для вимірювання температури поверхні in-situ (на відміну від віддаленого вимірювання термопари); Відбивна здатність дозволяє проаналізувати поверхневу грубу та епітаксіальну швидкість росту; Власний лук вимірюється лазерним відображенням; і постачаються органометалічні концентрації можна виміряти за допомогою ультразвукового моніторингу газу, щоб підвищити точність та відтворюваність процесу росту.

Як правило, алюмінієві сплави вирощують при більш високих температурах (> 650 ° C), тоді як фосфорні шари вирощують при нижчих температурах (<650 ° C), за можливими винятками для ALINP. Для сплавів Alingaas та Ingaasp, що використовуються для застосувань телекомунікацій, різниця в температурі розтріскування арсіна робить контроль процесу простішим, ніж для фосфіну. Однак для епітаксіального повторного зростання, де активні шари втеча, є кращим фосфіном. Для антимонідних матеріалів виникає ненавмисне (і, як правило, небажане) включення вуглецю в ALSB через відсутність відповідного джерела попередника, що обмежує вибір сплавів і тому поглинання росту антимоніду MOCVD.

Для сильно напружених шарів, завдяки можливості регулярного використання арсенідних і фосфідних матеріалів, можливе балансування та компенсація деформацій, наприклад, для бар’єрів GaAsP і квантових ям (КЯ) InGaAs.

Резюме

MBE, як правило, має більше варіантів моніторингу на місці, ніж MOCVD. Епітаксіальний ріст коригується за швидкістю потоку та температурою субстрату, які окремо контролюються, пов'язаний з цим моніторинг in-situ, що дозволяє набагато чіткіше, пряме розуміння процесів росту.

MOCVD - це високо універсальна методика, яка може бути використана для нанесення широкого спектру матеріалів, включаючи складні напівпровідники, нітриди та оксиди, змінюючи хімію -попередник. Точний контроль процесу росту дозволяє виготовити складні напівпровідникові пристрої з індивідуальними властивостями для застосувань в електроніці, фотоніці та оптоелектроніці. Час очищення камери MOCVD швидше, ніж MBE.

MOCVD чудово підходить для відновлення лазерів із розподіленим зворотним зв’язком (DFBs), пристроїв із захованою гетероструктурою та хвилеводів, з’єднаних встик. Це може включати травлення напівпровідника на місці. Таким чином, MOCVD ідеально підходить для монолітної інтеграції InP. Хоча монолітна інтеграція в GaAs знаходиться в зародковому стані, MOCVD забезпечує селективне зростання області, де діелектричні замасковані області допомагають розподілити довжини хвиль випромінювання/поглинання. Це важко зробити з MBE, де полікристалічні відкладення можуть утворюватися на діелектричній масці.

Загалом, MBE - це метод зростання вибору для матеріалів SB, а MOCVD - це вибір для P матеріалів. Обидві методи зростання мають подібні можливості для матеріалів на основі AS. Традиційні ринки, що стосуються лише MBE, такі як електроніка, тепер можуть подавати однаково добре з зростанням MOCVD. Однак для більш досконалих структур, таких як квантова крапка та квантові каскадні лазери, MBE часто віддають перевагу для базової епітаксії. Якщо необхідне епітаксіальне відростання, то, як правило, є перевагу MOCVD, завдяки його травленні та гнучкості маскування.