MBE және MOCVD технологияларының қандай айырмашылықтары бар?

Молекулярлық сәулелік эпитаксис (MBE) және металл-органикалық химиялық буларды тұндыру (MOCVD) реакторлары таза бөлме жағдайында жұмыс істейді және пластинаның сипаттамасы үшін метрологиялық құралдардың бірдей жиынтығын пайдаланады. Қатты көзден алынған MBE тұндыру мүмкіндігін беретін молекулалық сәулені жасау үшін эффузия жасушаларында қыздырылған жоғары таза, элементарлы прекурсорларды пайдаланады (салқындату үшін сұйық азотпен). Керісінше, MOCVD - бұл тұндыруды қамтамасыз ету үшін өте таза, газ тәрізді көздерді пайдаланатын химиялық бу процесі және улы газды беруді және азайтуды қажет етеді. Екі әдіс те кейбір материалдық жүйелерде, мысалы, арсенидтерде бірдей эпитаксия жасай алады. Белгілі бір материалдар, процестер және нарықтар үшін бір техниканы екіншісінен таңдау талқыланады.

Молекулярлық сәулелік эпитаксия

MBE реакторы әдетте үлгіні тасымалдау камерасынан (вафельді субстраттарды жүктеуге және түсіруге мүмкіндік беру үшін ауаға ашық) және субстрат эпитаксиалды өсу үшін тасымалданатын өсу камерасын (әдетте тығыздалған және тек техникалық қызмет көрсету үшін ауаға ашық) қамтиды. . MBE реакторлары ауа молекулаларымен ластануды болдырмау үшін ультра жоғары вакуумда (UHV) жұмыс істейді. Егер камера ауаға ашық болса, осы ластаушы заттардың эвакуациялануын жеделдету үшін камераны қыздыруға болады.

Көбінесе MBE реакторындағы эпитаксияның бастапқы материалдары қатты жартылай өткізгіштер немесе металдар болып табылады. Олар эффузия жасушаларында балқу нүктелерінен тыс (яғни бастапқы материалдың булануы) қызады. Мұнда атомдар немесе молекулалар MBE вакуумдық камерасына жоғары бағытталған молекулалық сәулені беретін шағын апертура арқылы жіберіледі. Бұл қыздырылған субстратқа әсер етеді; әдетте кремний, галлий арсениді (GaAs) немесе басқа жартылай өткізгіштер сияқты бір кристалды материалдардан жасалған. Молекулалар десорбцияланбаған жағдайда, олар субстрат бетінде диффузияланып, эпитаксиалды өсуге ықпал етеді. Содан кейін эпитаксия қабат-қабат жиналады, әр қабаттың құрамы мен қалыңдығы қажетті оптикалық және электрлік қасиеттерге қол жеткізу үшін бақыланады.

Субстрат орталықтан, өсу камерасының ішінде, эффузия жасушаларына және ысырма жүйесіне қаратып, криоқалқандармен қоршалған қыздырылған ұстағышқа орнатылады. Ұстағыш біркелкі тұндыру мен эпитаксиалды қалыңдықты қамтамасыз ету үшін айналады. Криоқалқандар - сұйық азотпен салқындатылған пластиналар, олар камерада субстрат бетінде бұрын ұсталмаған ластаушы заттар мен атомдарды ұстайды. Ластаушы субстратты жоғары температурада десорбциялау немесе молекулалық сәуледен «шамадан тыс толтыру» арқылы болуы мүмкін.

Өте жоғары вакуумды MBE реакторының камерасы тұндыру процесін басқару үшін жергілікті бақылау құралдарын пайдалануға мүмкіндік береді. Өсу бетін бақылау үшін шағылысу жоғары энергиялы электронды дифракция (RHEED) қолданылады. Лазерлік шағылыстыру, термиялық бейнелеу және химиялық талдау (масс-спектрометрия, Auger спектрометриясы) буланған материалдың құрамын талдайды. Басқа сенсорлар нақты уақыт режимінде процесс параметрлерін реттеу үшін температураны, қысымды және өсу жылдамдығын өлшеу үшін қолданылады.

Өсу қарқыны және реттеу

Әдетте секундына бір қабаттың шамамен үштен бірін (0,1нм, 1Å) құрайтын эпитаксиалды өсу жылдамдығына ағын жылдамдығы (көз температурасымен басқарылатын субстрат бетіне түсетін атомдар саны) және субстрат температурасы әсер етеді. (бұл субстраттар бетіндегі атомдардың диффузиялық қасиеттеріне және олардың десорбциясына әсер етеді, субстрат жылуымен басқарылады). Бұл параметрлер эпитаксиалды процесті оңтайландыру үшін MBE реакторында дербес реттеледі және бақыланады.

Өсу қарқынын бақылау және механикалық ысырма жүйесі арқылы әртүрлі материалдарды жеткізу арқылы үштік және төрттік қорытпаларды және көп қабатты құрылымдарды сенімді және бірнеше рет өсіруге болады. Шөгілгеннен кейін субстрат термиялық кернеуді болдырмау үшін баяу салқындатылады және оның кристалдық құрылымы мен қасиеттерін сипаттау үшін сыналады.

MBE үшін материал сипаттамалары

MBE-де қолданылатын III-V материалдық жүйелердің сипаттамалары:

●  Кремний: Кремний төсемдерінде өсу оксидтің десорбциясын (>1000°C) қамтамасыз ету үшін өте жоғары температураны қажет етеді, сондықтан арнайы жылытқыштар мен вафли ұстағыштары қажет. Тор тұрақтысы мен кеңею коэффициентіндегі сәйкессіздікке қатысты мәселелер кремнийдің III-V өсімін ҒЗТКЖ белсенді тақырыбына айналдырады.

●  Сурьма: III-Sb жартылай өткізгіштер үшін беткі қабаттағы десорбцияны болдырмау үшін төменгі субстрат температурасын қолдану қажет. Жоғары температурада «сәйкес келмеу» де орын алуы мүмкін, мұнда бір атомдық түр стехиометриялық емес материалдарды қалдыру үшін буланған болуы мүмкін.

●  Фосфор: III-P қорытпалары үшін фосфор камераның ішкі бөлігінде тұндырады, бұл ұзақ уақытты қажет ететін тазалау процесін талап етеді, бұл қысқа өндірісті жарамсыз етуі мүмкін.

Металл-органикалық химиялық булардың тұндыру

MOCVD реакторында жоғары температуралы, сумен салқындатылатын реакциялық камера бар. Субстраттар РЖ, резистивті немесе ИҚ қыздыру арқылы қыздырылатын графит қабылдағышқа орналастырылады. Реагент газдары астарлардың үстіндегі технологиялық камераға тігінен айдалады. Қабаттың біркелкілігі температураны, газды айдауды, жалпы газ ағынын, сенсордың айналуын және қысымды оңтайландыру арқылы қол жеткізіледі. Тасымалдаушы газдар сутегі немесе азот болып табылады.

Эпитаксиалды қабаттарды тұндыру үшін MOCVD өте жоғары таза металл-органикалық прекурсорларды пайдаланады, мысалы, галлий үшін триметилгалий немесе III топ элементтері үшін алюминий үшін триметилалюминий және V топ элементтері үшін гидридті газдар (арсин және фосфин). Металл органикалық заттар газ ағынының көпіршіктерінде болады. Технологиялық камераға айдалатын концентрация көпіршіктен өтетін металл-органикалық және тасымалдаушы газ ағынының температурасы мен қысымымен анықталады.

Реагенттер өсу температурасында субстрат бетінде толығымен ыдырап, металл атомдары мен органикалық жанама өнімдерді шығарады. Реагенттер концентрациясы бу қоспасын реттеуге арналған іске қосу/желдету коммутациялық жүйесімен бірге әртүрлі, III-V легірленген құрылымдарды алу үшін реттеледі.

Субстрат әдетте галлий арсениді, индий фосфиді немесе сапфир сияқты жартылай өткізгіш материалдың бір кристалды пластинасы болып табылады. Ол прекурсорлық газдар айдалатын реакция камерасындағы сенсорға жүктеледі. Буланған металл-органикалық заттардың және басқа да газдардың көп бөлігі қыздырылған өсу камерасы арқылы өзгермейді, бірақ аз бөлігі пиролизге (крекингке) ұшырап, ыстық субстраттың бетіне сіңетін кіші түрдегі материалдарды жасайды. Содан кейін беттік реакция III-V элементтердің эпитаксиалды қабатқа қосылуына әкеледі. Немесе, пайдаланылмаған реагенттер мен реакция өнімдері камерадан эвакуацияланып, бетінен десорбция болуы мүмкін. Сонымен қатар, кейбір прекурсорлар GaAs/AlGaAs көміртегі легирлеуінде және арнайы сілтілеу көздерімен сияқты беттің «теріс өсуін» тудыруы мүмкін. Эпитаксияның дәйекті құрамы мен қалыңдығын қамтамасыз ету үшін сусептор айналады.

MOCVD реакторында талап етілетін өсу температурасы ең алдымен прекурсорлардың қажетті пиролизімен анықталады, содан кейін бетінің қозғалғыштығына қатысты оңтайландырылған. Өсу жылдамдығы көпіршіктердегі-III топтағы металл-органикалық көздердің бу қысымымен анықталады. Беттік диффузияға беттегі атомдық қадамдар әсер етеді, осы себепті дұрыс емес бағытталған субстраттар жиі пайдаланылады. Кремний субстраттарында өсу оксидтің десорбциясын (>1000°C) қамтамасыз ету үшін өте жоғары температура кезеңдерін қажет етеді, арнайы қыздырғыштар мен пластинка ұстағыштары қажет.

Реактордың вакуумдық қысымы мен геометриясы ин-ситуалды бақылау әдістері MBE-ге ұқсайтынын білдіреді, ал MBE әдетте көбірек опциялар мен конфигурациялануға ие. MOCVD үшін эмиссивтілігі түзетілген пирометрия in-situ, пластинка бетінің температурасын өлшеу үшін қолданылады (қашықтықтан, термопаралық өлшеуге қарағанда); шағылысу бетінің кедір-бұдырлануын және эпитаксиалды өсу жылдамдығын талдауға мүмкіндік береді; вафельді садақ лазерлік шағылысу арқылы өлшенеді; және жеткізілетін металлорганикалық концентрацияларды өсу процесінің дәлдігі мен қайталану мүмкіндігін арттыру үшін ультрадыбыстық газ мониторингі арқылы өлшеуге болады.

Әдетте, құрамында алюминий бар қорытпалар жоғары температурада (>650 ° C) өсіріледі, ал фосфор бар қабаттар AlInP үшін ықтимал ерекшеліктерді қоспағанда, төмен температурада (<650 ° C) өсіріледі. Телекоммуникациялар үшін қолданылатын AlInGaAs және InGaAsP қорытпалары үшін арсиннің крекинг температурасының айырмашылығы фосфинге қарағанда процесті басқаруды жеңілдетеді. Дегенмен, белсенді қабаттар өрнектелген эпитаксиалды қайта өсу үшін фосфинге артықшылық беріледі. Антимонидтік материалдар үшін ASb-ге кездейсоқ (және әдетте қажетсіз) көміртегінің қосылуы сәйкес прекурсор көзінің болмауына байланысты, қорытпаларды таңдауды шектейді және осылайша MOCVD арқылы антимонидтердің өсуін қабылдайды.

Жоғары кернеулі қабаттар үшін арсенид пен фосфидті материалдарды жүйелі түрде пайдалану мүмкіндігіне байланысты, GaAsP тосқауылдары және InGaAs кванттық ұңғымалары (QW) сияқты деформацияны теңестіру және компенсациялау мүмкін болады.

Түйіндеме

MBE әдетте MOCVD-ге қарағанда жергілікті бақылау опцияларына ие. Эпитаксиалды өсу ағынның жылдамдығымен және субстрат температурасымен реттеледі, олар бөлек басқарылады, байланысты жердегі бақылау өсу процестерін анағұрлым анық, тікелей, түсінуге мүмкіндік береді.

MOCVD – прекурсорлар химиясын өзгерту арқылы құрама жартылай өткізгіштерді, нитридтерді және оксидтерді қоса алғанда, материалдардың кең ауқымын тұндыру үшін қолдануға болатын өте әмбебап әдіс. Өсу процесін дәл бақылау электроникадағы, фотоникадағы және оптоэлектроникадағы қолдану үшін бейімделген қасиеттері бар күрделі жартылай өткізгіш құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді. MOCVD камерасын тазалау уақыттары MBE қарағанда жылдамырақ.

MOCVD таратылған кері байланыс (DFBs) лазерлерін, жерленген гетероструктуралық құрылғыларды және түйіспелі толқын өткізгіштерді қайта өсіру үшін тамаша. Бұл жартылай өткізгішті in-situ өңдеуді қамтуы мүмкін. Сондықтан MOCVD монолитті InP интеграциясы үшін өте қолайлы. GaAs-тегі монолитті интеграция бастапқы сатысында болса да, MOCVD диэлектрлік маскирленген аймақтар сәулелену/жұтылу толқын ұзындықтарын кеңістікте бөлуге көмектесетін таңдамалы аймақты өсіруге мүмкіндік береді. Диэлектрлік маскада поликристалды шөгінділер пайда болуы мүмкін MBE-мен мұны істеу қиын.

Жалпы алғанда, MBE - Sb материалдары үшін таңдаудың өсу әдісі және MOCVD - P материалдары үшін таңдау. Екі өсу әдісінің де As негізіндегі материалдарға ұқсас мүмкіндіктері бар. Дәстүрлі MBE нарықтары, мысалы, электроника, енді MOCVD өсуімен бірдей жақсы қызмет көрсетуге болады. Дегенмен, кванттық нүкте және кванттық каскадты лазерлер сияқты неғұрлым жетілдірілген құрылымдар үшін негізгі эпитаксия үшін MBE жиі таңдалады. Егер эпитаксиалды қайта өсу қажет болса, онда сызу және маска икемділігіне байланысты MOCVD әдетте таңдалады.