Које су разлике између МБЕ и МОЦВД технологија?

И реактори молекуларне епитаксије (МБЕ) и реактори метал-органског хемијског таложења из паре (МОЦВД) раде у чистим просторијама и користе исти скуп метролошких алата за карактеризацију плочица. МБЕ из чврстог извора користи елементарне прекурсоре високе чистоће загрејане у ефузионим ћелијама да би створио молекуларни сноп који омогућава таложење (са течним азотом који се користи за хлађење). Насупрот томе, МОЦВД је процес хемијске паре, који користи ултра чисте, гасовите изворе да би се омогућило таложење, и захтева руковање и смањење токсичног гаса. Обе технике могу произвести идентичну епитаксију у неким системима материјала, као што су арсениди. Разматра се избор једне технике у односу на другу за одређене материјале, процесе и тржишта.

Епитаксија молекуларног зрака

МБЕ реактор обично садржи комору за пренос узорака (отворену према ваздуху, како би се омогућило пуњење и истовар супстрата вафла) и комору за раст (нормално затворену и отворену само за ваздух ради одржавања) где се супстрат преноси за епитаксијални раст. . МБЕ реактори раде у условима ултра-високог вакуума (УХВ) како би спречили контаминацију од молекула ваздуха. Комора се може загрејати да би се убрзала евакуација ових загађивача ако је комора била отворена за ваздух.

Често су изворни материјали епитаксије у МБЕ реактору чврсти полупроводници или метали. Оне се загревају изнад својих тачака топљења (тј. испаравање изворног материјала) у ефузионим ћелијама. Овде се атоми или молекули убацују у МБЕ вакуумску комору кроз мали отвор, који даје високо усмерени молекуларни сноп. Ово утиче на загрејану подлогу; обично направљен од монокристалних материјала као што су силицијум, галијум арсенид (ГаАс) или други полупроводници. Под условом да се молекули не десорбују, они ће дифундовати на површини супстрата, промовишући епитаксијални раст. Епитаксија се затим гради слој по слој, при чему се састав и дебљина сваког слоја контролишу како би се постигла жељена оптичка и електрична својства.

Супстрат је постављен централно, унутар коморе за раст, на загрејаном држачу окруженом криоштитовима, окренутим према ћелијама за изливање и систему затварача. Држач се ротира како би се обезбедило равномерно таложење и епитаксијална дебљина. Крио штитови су плоче хлађене течним азотом које хватају загађиваче и атоме у комори који нису претходно заробљени на површини супстрата. Загађивачи могу бити од десорпције супстрата на високим температурама или 'прекомерног пуњења' из молекулског снопа.

Комора МБЕ реактора ултра високог вакуума омогућава коришћење алата за праћење на лицу места за контролу процеса таложења. Рефлекцијска високоенергетска дифракција електрона (РХЕЕД) се користи за праћење површине раста. Рефлексија ласера, термичка слика и хемијска анализа (масена спектрометрија, Оже спектрометрија) анализирају састав испареног материјала. Други сензори се користе за мерење температуре, притиска и стопе раста како би се параметри процеса прилагодили у реалном времену.

Стопа раста и прилагођавање

На епитаксијалну брзину раста, која је типично око трећине монослоја (0,1нм, 1А) у секунди, утиче брзина флукса (број атома који долазе на површину супстрата, контролисан температуром извора) и температура супстрата (што утиче на дифузиона својства атома на површини супстрата и њихову десорпцију, контролисану топлотом супстрата). Ови параметри се независно подешавају и надгледају унутар МБЕ реактора, како би се оптимизовао епитаксијални процес.

Контролом стопе раста и снабдевања различитим материјалима коришћењем механичког система затварача, тернарне и кватернарне легуре и вишеслојне структуре могу се гајити поуздано и више пута. Након таложења, супстрат се полако хлади да би се избегао термички стрес и тестира се да би се окарактерисала његова кристална структура и својства.

Карактеристике материјала за МБЕ

Карактеристике ИИИ-В система материјала који се користе у МБЕ су:

●  Силицијум: Раст на силицијумским подлогама захтева веома високе температуре да би се обезбедила десорпција оксида (>1000°Ц), тако да су потребни специјални грејачи и држачи плочица. Проблеми око неусклађености константе решетке и коефицијента експанзије чине ИИИ-В раст на силицијуму активном темом истраживања и развоја.

●  Антимон: За ИИИ-Сб полупроводнике, ниске температуре подлоге се морају користити да би се избегла десорпција са површине. „Неконгруенција“ на високим температурама такође може да се јави, где се једна атомска врста може првенствено испарити да би се оставили нестехиометријски материјали.

●  фосфор: За легуре ИИИ-П, фосфор ће се таложити у унутрашњости коморе, што захтева дуготрајан процес чишћења који може учинити кратке производне циклусе неодрживим.

Метално-органско хемијско таложење паре

МОЦВД реактор има високотемпературну, водом хлађену реакциону комору. Подлоге се постављају на графитни пријемник који се загрева било РФ, отпорним или ИР грејањем. Реагенс гасови се убризгавају вертикално у процесну комору изнад супстрата. Уједначеност слоја се постиже оптимизацијом температуре, убризгавања гаса, укупног протока гаса, ротације пријемника и притиска. Гасови носачи су водоник или азот.

За депоновање епитаксијалних слојева, МОЦВД користи метал-органске прекурсоре веома високе чистоће као што су триметилгалијум за галијум или триметилалуминијум за алуминијум за елементе групе ИИИ и хидридне гасове (арсин и фосфин) за елементе групе В. Металне органске материје налазе се у балончићима за проток гаса. Концентрација која се убризгава у процесну комору одређена је температуром и притиском протока метал-органског и носећег гаса кроз балон.

Реагенси се потпуно разлажу на површини супстрата на температури раста, ослобађајући атоме метала и органске нуспроизводе. Концентрација реагенса је подешена тако да се произведу различите структуре легуре ИИИ-В, заједно са системом за пребацивање рада/вентилације за подешавање мешавине паре.

Супстрат је обично једнокристална плочица од полупроводничког материјала као што је галијум арсенид, индијум фосфид или сафир. Ставља се на сусцептор унутар реакционе коморе преко које се убризгавају прекурсори гасови. Велики део испарених металних органских и других гасова путује кроз загрејану комору за раст непромењен, али мала количина пролази кроз пиролизу (пуцање), стварајући материјале подврсте који апсорбују на површину вруће подлоге. Површинска реакција затим резултира уградњом ИИИ-В елемената у епитаксијални слој. Алтернативно, може доћи до десорпције са површине, са неискоришћеним реагенсима и продуктима реакције евакуисаним из коморе. Поред тога, неки прекурсори могу да изазову „негативан раст“ нагризања површине, као што је допирање угљеника ГаАс/АлГаАс, и са наменским изворима јеткања. Сусцептор се ротира да би се обезбедио конзистентан састав и дебљина епитаксије.

Температура раста потребна у МОЦВД реактору је првенствено одређена потребном пиролизом прекурсора, а затим је оптимизована у погледу покретљивости површине. Брзина раста је одређена притиском паре метал-органских извора групе ИИИ у бубблерима. На површинску дифузију утичу атомски кораци на површини, при чему се често користе погрешно оријентисани супстрати из тог разлога. Раст на силицијумским супстратима захтева фазе веома високе температуре да би се обезбедила десорпција оксида (>1000°Ц), захтевне специјалне грејаче и држаче подлоге за плочице.

Вакумски притисак и геометрија реактора значе да се технике надзора на лицу места разликују од оних код МБЕ, при чему МБЕ генерално има више опција и могућности конфигурисања. За МОЦВД, пирометрија коригована емисивношћу се користи за мерење температуре површине плочице на лицу места (за разлику од даљинског мерења термопаром); рефлексивност омогућава анализу храпавости површине и епитаксијалне стопе раста; облатни лук се мери ласерском рефлексијом; и испоручене органометалне концентрације могу се мерити путем ултразвучног праћења гаса, да би се повећала тачност и поновљивост процеса раста.

Типично, легуре које садрже алуминијум се узгајају на вишим температурама (>650°Ц), док се слојеви који садрже фосфор узгајају на нижим температурама (<650°Ц), са могућим изузецима за АлИнП. За легуре АлИнГаАс и ИнГаАсП, које се користе за телекомуникацијске апликације, разлика у температури пуцања арсина чини контролу процеса једноставнијом него за фосфин. Међутим, за епитаксијални поновни раст, где су активни слојеви урезани, пожељнији је фосфин. За антимонидне материјале долази до ненамерног (и генерално нежељеног) уграђивања угљеника у АлСб, због недостатка одговарајућег извора прекурсора, ограничавајући избор легура и на тај начин прихватање раста антимонида од стране МОЦВД.

За високо напрегнуте слојеве, због могућности да се рутински користе арсенидни и фосфидни материјали, могуће је балансирање деформација и компензација, као што су ГаАсП баријере и ИнГаАс квантне бушотине (КВс).

Резиме

МБЕ генерално има више опција за праћење на лицу места него МОЦВД. Епитаксијални раст се прилагођава брзином флукса и температуром супстрата, који се засебно контролишу, са повезаним ин-ситу надзором који омогућава много јасније, директније разумевање процеса раста.

МОЦВД је веома разноврсна техника која се може користити за депоновање широког спектра материјала, укључујући сложене полупроводнике, нитриде и оксиде, варирањем хемије прекурсора. Прецизна контрола процеса раста омогућава производњу сложених полупроводничких уређаја са прилагођеним својствима за примену у електроници, фотоници и оптоелектроници. Време чишћења МОЦВД коморе је брже од МБЕ.

МОЦВД је одличан за поновни раст ласера ​​са дистрибуираном повратном спрегом (ДФБ), укопаних хетероструктурних уређаја и таласовода спојених на чело. Ово може укључивати нагризање полупроводника на лицу места. МОЦВД је, стога, идеалан за монолитну ИнП интеграцију. Иако је монолитна интеграција у ГаАс у повојима, МОЦВД омогућава селективни раст области, где диелектричне маскиране области помажу да се раздвоје таласне дужине емисије/апсорпције. Ово је тешко урадити са МБЕ, где се поликристални депозити могу формирати на диелектричној маски.

Генерално, МБЕ је метода избора за Сб материјале, а МОЦВД је избор за П материјале. Обе технике раста имају сличне могућности за материјале на бази Ас. Традиционална тржишта само за МБЕ, као што је електроника, сада могу да се опслужују подједнако добро са растом МОЦВД-а. Међутим, за напредније структуре, као што су квантне тачке и квантни каскадни ласери, МБЕ је често пожељнији за базну епитаксију. Ако је потребан епитаксијални поновни раст, онда је МОЦВД генерално пожељан, због његове флексибилности урезивања и маскирања.