Hva er forskjellene mellom MBE- og MOCVD-teknologier?

Både molekylær strålepitaxy (MBE) og metall-organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) reaktorer fungerer i reneomsmiljøer og bruker det samme settet med metrologiverktøy for wafer-karakterisering. Solid-source MBE bruker høy-renhet, elementære forløpere oppvarmet i effusjonsceller for å skape en molekylær stråle for å muliggjøre avsetning (med flytende nitrogen brukt til avkjøling). I kontrast er MOCVD en kjemisk dampprosess, ved bruk av ultrakur, gassholdig kilder for å muliggjøre avsetning, og krever toksisk gassoverføring og reduksjon. Begge teknikkene kan produsere identisk epitaksi i noen materielle systemer, for eksempel arsenider. Valget av den ene teknikken over den andre for bestemt materiale, prosesser og markeder blir diskutert.

Molekylær bjelkepitaksi

En MBE -reaktor omfatter typisk et prøveoverføringskammer (åpen for luften, for å la skiveunderlag lastes og losses) og et vekstkammer (normalt forseglet, og bare åpent for luften for vedlikehold) der underlaget overføres for epitaksial vekst . MBE-reaktorer opererer under ultrahøye vakuum (UHV) forhold for å forhindre forurensning fra luftmolekyler. Kammeret kan varmes opp for å akselerere evakueringen av disse forurensningene hvis kammeret har vært åpent for luft.

Ofte er kildematerialene til epitaksi i en MBE -reaktor solide halvledere eller metaller. Disse varmes utover smeltepunktene deres (dvs. fordampning av kildemateriale) i effusjonsceller. Her blir atomer eller molekyler drevet inn i MBE -vakuumkammeret gjennom en liten blenderåpning, som gir en svært retningsbestemt molekylstrål. Dette påvirker det oppvarmede underlaget; vanligvis laget av enkeltkrystallematerialer som silisium, galliumarsenid (GaAs) eller andre halvledere. Forutsatt at molekylene ikke desorberer, vil de diffundere på underlagsoverflaten og fremme epitaksial vekst. Epitaxy blir deretter bygget opp lag for lag, med hvert lags sammensetning og tykkelse kontrollert for å oppnå de ønskede optiske og elektriske egenskapene.

Substratet er montert sentralt, inne i vekstkammeret, på en oppvarmet holder omgitt av kryoskjold, vendt mot effusjonscellene og lukkersystemet. Holderen roterer for å gi jevn avsetning og epitaksial tykkelse. Kryoskjoldene er flytende nitrogenkjølte plater som fanger forurensninger og atomer i kammeret som ikke tidligere er fanget på underlagets overflate. Forurensningene kan være fra desorpsjon av substratet ved høye temperaturer eller ved "overfylling" fra molekylstrålen.

Det ultra-høye vakuum MBE-reaktorkammeret gjør det mulig å bruke overvåkningsverktøy på stedet for å kontrollere deponeringsprosessen. Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED) brukes til å overvåke vekstoverflaten. Laserrefleksjon, termisk avbildning og kjemisk analyse (massespektrometri, Auger -spektrometri) analyserer sammensetningen av det fordampede materialet. Andre sensorer brukes til å måle temperaturer, trykk og vekstrater for å justere prosessparametere i sanntid.

Veksthastighet og justering

Den epitaksiale veksthastigheten, som vanligvis er omtrent en tredjedel av et monolag (0,1 nm, 1Å) per sekund, påvirkes av flukshastigheten (antall atomer som ankommer underlagsoverflaten, kontrollert av kildetemperaturen) og underlagstemperaturen (som påvirker de diffusive egenskapene til atomer på underlagsoverflaten og deres desorpsjon, kontrollert av underlagsvarmen). Disse parametrene er uavhengig justert og overvåket i MBE -reaktoren, for å optimalisere den epitaksiale prosessen.

Ved å kontrollere vekstrater og tilførsel av forskjellige materialer ved bruk av et mekanisk lukkersystem, kan ternære og kvartære legeringer og flerlagsstrukturer dyrkes pålitelig og gjentatte ganger. Etter avsetning avkjøles underlaget sakte for å unngå termisk spenning og testes for å karakterisere dens krystallinske struktur og egenskaper.

Materialegenskaper for MBE

Egenskapene til III-V materialsystemer brukt i MBE er:

● Silisium: Vekst på silisiumsubstrater krever svært høye temperaturer for å sikre oksyd desorpsjon (> 1000 ° C), så spesialiserte varmeovner og skiveholdere er påkrevd. Problemer rundt misforholdet i gitterkonstant og ekspansjonskoeffisient gjør III-V-vekst på silisium til et aktivt FoU-tema.

●  Antimoni: For III-SB-halvledere må lave underlagstemperaturer brukes for å unngå desorpsjon fra overflaten. ‘Ikke-kongruens’ ved høye temperaturer kan også forekomme, der en atomart kan fortrinnsvis fordampes til å etterlate ikke-støkiometriske materialer.

●  Fosfor: For III-P-legeringer vil fosfor bli avsatt på innsiden av kammeret, og krever en tidkrevende opprydningsprosess som kan gjøre korte produksjonskjøringer uunngåelig.

Metallorganisk kjemisk dampavsetning

MOCVD-reaktoren har et høye temperatur, vannkjølt reaksjonskammer. Substrater er plassert på en grafittmottor oppvarmet med enten RF, resistiv eller IR -oppvarming. Reagensgasser injiseres vertikalt i prosesskammeret over underlagene. Lag ensartethet oppnås ved å optimalisere temperatur, gassinjeksjon, total gasstrøm, masceptorrotasjon og trykk. Bæregasser er enten hydrogen eller nitrogen.

For å avsette epitaksiale lag bruker MOCVD meget metall-organiske forløpere med høy renhet som trimetylgallium for gallium eller trimetylaluminium for aluminium for gruppe-III-elementene og hydridgassene (arsin og fosfin) for gruppevelementene. Metallorganikkene er inneholdt i gasstrømningsboblere. Konsentrasjonen som er injisert i prosesskammeret bestemmes av temperatur og trykk i metallorganisk og bærergasstrøm gjennom bobleren.

Reagensene dekomponerer helt på underlagsoverflaten ved veksttemperaturen, og frigjør metallatomer og organiske biprodukter. Konsentrasjonen av reagenser justeres for å produsere forskjellige, III-V-legeringsstrukturer, sammen med et løps-/ventilasjonssystem for å justere dampblandingen.

Substratet er vanligvis en enkeltkrystallskive av et halvledermateriale som galliumarsenid, indiumfosfid eller safir. Den er lastet på masceptoren i reaksjonskammeret som forløpergassene blir injisert over. Mye av det dampiserte metallorganetikken og andre gasser reiser gjennom det oppvarmede vekstkammeret uendret, men en liten mengde gjennomgår pyrolyse (sprekker), og skaper underarter som absorberer på overflaten av det varme underlaget. En overflatereaksjon resulterer da i inkorporering av III-V-elementene i et epitaksialt lag. Alternativt kan desorpsjon fra overflaten forekomme, med ubrukte reagenser og reaksjonsprodukter som er evakuert fra kammeret. I tillegg kan noen forløpere indusere ‘negativ vekst’ etsing av overflaten, for eksempel i karbondoping av GAAS/alger, og med dedikerte etsningskilder. Sosceptoren roterer for å sikre jevn sammensetning og tykkelse av epitaksien.

Veksttemperaturen som kreves i MOCVD -reaktoren bestemmes først og fremst av den nødvendige pyrolysen av forløperne, og deretter optimalisert angående overflatemobilitet. Veksthastigheten bestemmes av damptrykket til gruppen-III metallorganiske kilder i boblerne. Overflatediffusjon påvirkes av atomtrinn på overflaten, med feilorienterte underlag som ofte brukes av denne grunn. Vekst på silisiumsubstrater krever svært høye temperaturstadier for å sikre oksyd desorpsjon (> 1000 ° C), og krever spesialistvarmere og skiveunderlagsholdere.

Reaktorens vakuumtrykk og geometri betyr at in-situ overvåkingsteknikker varierer fra MBE, med MBE som generelt har flere alternativer og konfigurerbarhet. For MOCVD brukes emissivitetskorrigert pyrometri for in-situ måling av waferoverflatetemperatur (i motsetning til ekstern termoelementmåling); reflektivitet gjør at overflaten blir ru og den epitaksiale veksthastigheten kan analyseres; waferbue måles ved laserrefleksjon; og medfølgende organometalliske konsentrasjoner kan måles via ultrasonisk gassovervåking, for å øke nøyaktigheten og reproduserbarheten til vekstprosessen.

Vanligvis dyrkes aluminiumholdige legeringer ved høyere temperaturer (> 650 ° C), mens fosforholdige lag dyrkes ved lavere temperaturer (<650 ° C), med mulige unntak for ALINP. For Alingaas og Ingaasp -legeringer, brukt til teleapplikasjoner, gjør forskjellen i sprekkertemperaturen til Arsine prosesskontrollen enklere enn for fosfin. For epitaksial gjenvekst, der de aktive lagene er etset, er fosfin imidlertid foretrukket. For antimonidmaterialer forekommer utilsiktet (og generelt uønsket) karboninnløp i ALSB, på grunn av mangelen på en passende forløperkilde, og begrenser valget av legeringer og slik opptak av antimonidvekst av MOCVD.

For svært anstrengte lag, på grunn av evnen til rutinemessig å bruke arsenid- og fosfidmaterialer, er belastningsbalansering og kompensasjon mulig, slik som for GaAsP-barrierer og InGaAs kvantebrønner (QWs).

Sammendrag

MBE har generelt flere in-situ overvåkingsmuligheter enn MOCVD. Den epitaksiale veksten justeres av flukshastigheten og substrattemperaturen, som styres separat, med tilhørende in-situ overvåking som tillater en mye klarere, direkte forståelse av vekstprosessene.

MOCVD er en svært allsidig teknikk som kan brukes til å avsette et bredt spekter av materialer, inkludert sammensatte halvledere, nitrider og oksider, ved å variere forløperkjemien. Presis kontroll av vekstprosessen tillater fremstilling av komplekse halvlederenheter med skreddersydde egenskaper for applikasjoner innen elektronikk, fotonikk og optoelektronikk. MOCVD Chamber Clean-Up Times er raskere enn MBE.

MOCVD er utmerket for gjenveksten av distribuerte tilbakemeldinger (DFBS) lasere, nedgravde heterostrukturenheter og rumpe-leddede bølgeledere. Dette kan omfatte etsning av halvleder på stedet. MOCVD er derfor ideell for monolitisk INP -integrasjon. Selv om monolitisk integrasjon i GAAS er i sin spede begynnelse, muliggjør MOCVD selektiv områdevekst, der dielektriske maskerte områder hjelper til med å plassere utslipp/absorpsjonsbølgelengder. Dette er vanskelig å gjøre med MBE, der polykrystallavsetninger kan dannes på den dielektriske masken.

Generelt er MBE den foretrukne vekstmetoden for Sb-materialer og MOCVD er valget for P-materialer. Begge vekstteknikkene har lignende evner for As-baserte materialer. Tradisjonelle MBE-markeder, som elektronikk, kan nå betjenes like godt med MOCVD-vekst. For mer avanserte strukturer, som kvantepunkt- og kvantekaskadelasere, foretrekkes imidlertid ofte MBE for basisepitaksien. Hvis epitaksial gjenvekst er nødvendig, er MOCVD generelt foretrukket, på grunn av dens etsings- og maskeringsfleksibilitet.