Ano ang mga pagkakaiba sa pagitan ng MBE at MOCVD na teknolohiya?

Parehong gumagana ang molecular beam epitaxy (MBE) at metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) reactor sa mga cleanroom environment at gumagamit ng parehong set ng metrology tool para sa wafer characterization. Gumagamit ang solid-source MBE ng high-purity, elemental na precursor na pinainit sa mga effusion cell upang lumikha ng molecular beam para paganahin ang deposition (na may likidong nitrogen na ginagamit para sa paglamig). Sa kabaligtaran, ang MOCVD ay isang kemikal na proseso ng singaw, gamit ang mga ultra-pure, gaseous na pinagmumulan upang paganahin ang deposition, at nangangailangan ng nakakalason na pagbibigay at pagbabawas ng gas. Ang parehong mga diskarte ay maaaring makagawa ng magkatulad na epitaxy sa ilang mga materyal na sistema, tulad ng arsenides. Tinatalakay ang pagpili ng isang pamamaraan kaysa sa isa para sa mga partikular na materyales, proseso, at pamilihan.

Molecular Beam Epitaxy

Ang isang MBE reactor ay karaniwang binubuo ng isang sample transfer chamber (bukas sa hangin, upang payagan ang mga substrate ng wafer na mai-load at ma-disload) at isang growth chamber (karaniwang selyado, at bukas lamang sa hangin para sa pagpapanatili) kung saan ang substrate ay inililipat para sa epitaxial growth . Ang mga reactor ng MBE ay gumagana sa mga kondisyon ng ultra-high vacuum (UHV) upang maiwasan ang kontaminasyon mula sa mga molekula ng hangin. Maaaring painitin ang silid upang mapabilis ang paglisan ng mga kontaminant na ito kung ang silid ay bukas sa hangin.

Kadalasan, ang mga pinagmumulan ng materyales ng epitaxy sa isang MBE reactor ay solid semiconductors o metal. Ang mga ito ay pinainit lampas sa kanilang mga melting point (ibig sabihin, source material evaporation) sa mga effusion cell. Dito, ang mga atomo o molekula ay dinadala sa MBE vacuum chamber sa pamamagitan ng isang maliit na siwang, na nagbibigay ng mataas na direksyon ng molekular na sinag. Ito impinges sa heated substrate; karaniwang gawa sa mga single-crystal na materyales tulad ng silicon, gallium arsenide (GaAs) o iba pang semiconductors. Sa pagbibigay na ang mga molekula ay hindi nag-desorb, sila ay magkakalat sa ibabaw ng substrate, na nagtataguyod ng paglaki ng epitaxial. Ang epitaxy ay pagkatapos ay built-up na layer sa pamamagitan ng layer, na may bawat layer ng komposisyon at kapal na kinokontrol upang makamit ang ninanais na optical at electrical properties.

Ang substrate ay naka-mount sa gitna, sa loob ng silid ng paglago, sa isang pinainit na lalagyan na napapalibutan ng mga cryoshield, na nakaharap sa mga effusion cell at shutter system. Ang may hawak ay umiikot upang magbigay ng pare-parehong pagtitiwalag at kapal ng epitaxial. Ang mga cryoshield ay mga liquid-nitrogen cooled-plate na kumukuha ng mga contaminant at atoms sa chamber na hindi pa nakukuha sa substrate surface. Ang mga contaminant ay maaaring mula sa desorption ng substrate sa mataas na temperatura o sa pamamagitan ng 'over filling' mula sa molecular beam.

Ang ultra-high-vacuum MBE reactor chamber ay nagbibigay-daan sa mga in-situ na tool sa pagsubaybay na magamit upang kontrolin ang proseso ng deposition. Ginagamit ang Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) para sa pagsubaybay sa ibabaw ng paglaki. Sinusuri ng laser reflectance, thermal imaging, at chemical analysis (mass spectrometry, Auger spectrometry) ang komposisyon ng evaporated material. Ang iba pang mga sensor ay ginagamit upang sukatin ang mga temperatura, presyon at mga rate ng paglago upang maisaayos ang mga parameter ng proseso sa real-time.

Rate ng paglago at pagsasaayos

Ang rate ng paglago ng epitaxial, na karaniwang humigit-kumulang sa ikatlong bahagi ng isang monolayer (0.1nm, 1Å) bawat segundo, ay naiimpluwensyahan ng flux rate (ang bilang ng mga atom na dumarating sa ibabaw ng substrate, na kinokontrol ng temperatura ng pinagmulan) at ang temperatura ng substrate (na nakakaapekto sa mga diffusive na katangian ng mga atomo sa ibabaw ng substrate at ang kanilang desorption, na kinokontrol ng init ng substrate). Ang mga parameter na ito ay independiyenteng inaayos at sinusubaybayan sa loob ng MBE reactor, upang ma-optimize ang proseso ng epitaxial.

Sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga rate ng paglago at ang supply ng iba't ibang mga materyales gamit ang isang mechanical shutter system, ang mga ternary at quaternary na haluang metal at mga multi-layer na istruktura ay maaaring mapalago nang maaasahan at paulit-ulit. Pagkatapos ng deposition, ang substrate ay pinalamig nang dahan-dahan upang maiwasan ang thermal stress at sinubukan upang makilala ang mala-kristal na istraktura at mga katangian nito.

Mga katangian ng materyal para sa MBE

Ang mga katangian ng III-V material system na ginagamit sa MBE ay:

●  Silicon: Ang paglaki sa mga substrate ng silicon ay nangangailangan ng napakataas na temperatura upang matiyak ang desorption ng oxide (>1000°C), kaya kailangan ng mga espesyalistang heater at wafer holder. Ang mga isyu sa paligid ng mismatch sa lattice constant at expansion coefficient ay ginagawang aktibong R&D na paksa ang paglago ng III-V sa silicon.

●  Antimony: Para sa III-Sb semiconductors, ang mababang temperatura ng substrate ay dapat gamitin upang maiwasan ang desorption mula sa ibabaw. Ang 'Non-congruence' sa mataas na temperatura ay maaari ding mangyari, kung saan ang isang atomic species ay maaaring mas gusto na i-evaporate upang mag-iwan ng mga non-stoichiometric na materyales.

●  Posporus: Para sa mga III-P na haluang metal, ang phosphorous ay idedeposito sa loob ng silid, na nangangailangan ng matagal na proseso ng paglilinis na maaaring maging sanhi ng maikling produksyon na hindi mabubuhay.

Metal-organic chemical vapor deposition

Ang MOCVD reactor ay may mataas na temperatura, water-cooled reaction chamber. Ang mga substrate ay nakaposisyon sa isang graphite susceptor na pinainit ng alinman sa RF, resistive o IR heating. Ang mga reagent na gas ay iniksyon nang patayo sa silid ng proseso sa itaas ng mga substrate. Ang pagkakapareho ng layer ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-optimize ng temperatura, iniksyon ng gas, kabuuang daloy ng gas, pag-ikot ng susceptor at presyon. Ang mga carrier gas ay hydrogen o nitrogen.

Upang mag-deposito ng mga epitaxial layer, ang MOCVD ay gumagamit ng napakataas na kadalisayan na metal-organic na mga precursor gaya ng trimethylgallium para sa gallium o trimethylaluminium para sa aluminum para sa mga elemento ng pangkat-III at mga hydride gas (arsine at phosphine) para sa mga elemento ng pangkat-V. Ang metal-organics ay nakapaloob sa mga bubbler ng daloy ng gas. Ang konsentrasyon na iniksyon sa silid ng proseso ay tinutukoy ng temperatura at presyon ng daloy ng metal-organic at carrier gas sa pamamagitan ng bubbler.

Ang mga reagents ay ganap na nabubulok sa ibabaw ng substrate sa temperatura ng paglago, na naglalabas ng mga metal na atom at mga organikong by-product. Ang konsentrasyon ng mga reagents ay inaayos upang makagawa ng iba't ibang, III-V na mga istruktura ng haluang metal, kasama ang isang run/vent switching system para sa pagsasaayos ng vapor mixture.

Ang substrate ay karaniwang isang single-crystal wafer ng isang semiconductor na materyal tulad ng gallium arsenide, indium phosphide, o sapphire. Ito ay ikinarga sa susceptor sa loob ng silid ng reaksyon kung saan ang mga precursor na gas ay iniksyon. Karamihan sa mga singaw na metal-organics at iba pang mga gas ay dumadaan sa heated growth chamber na hindi nagbabago, ngunit ang isang maliit na halaga ay sumasailalim sa pyrolysis (cracking), na lumilikha ng mga subspecies na materyales na sumisipsip sa ibabaw ng mainit na substrate. Ang isang reaksyon sa ibabaw ay nagreresulta sa pagsasama ng mga elemento ng III-V sa isang epitaxial layer. Bilang kahalili, ang desorption mula sa ibabaw ay maaaring mangyari, na may mga hindi nagamit na reagents at mga produkto ng reaksyon na inilikas mula sa silid. Bilang karagdagan, ang ilang mga precursor ay maaaring mag-udyok ng 'negatibong paglaki' na pag-ukit ng ibabaw, tulad ng sa carbon doping ng GaAs/AlGaAs, at may nakalaang mga mapagkukunan ng etchant. Ang susceptor ay umiikot upang matiyak ang pare-parehong komposisyon at kapal ng epitaxy.

Ang temperatura ng paglago na kinakailangan sa MOCVD reactor ay pangunahing tinutukoy ng kinakailangang pyrolysis ng mga precursor, at pagkatapos ay na-optimize tungkol sa kadaliang mapakilos sa ibabaw. Ang rate ng paglago ay tinutukoy ng presyon ng singaw ng pangkat-III na metal-organic na pinagmumulan sa mga bubbler. Ang pagsasabog ng ibabaw ay naaapektuhan ng mga atomic na hakbang sa ibabaw, na may mga misoriented na substrate na kadalasang ginagamit para sa kadahilanang ito. Ang paglago sa mga substrate ng silikon ay nangangailangan ng mga yugto ng napakataas na temperatura upang matiyak ang desorption ng oxide (>1000°C), na nangangailangan ng mga espesyalistang pampainit at mga may hawak ng wafer substrate.

Ang vacuum pressure at geometry ng reactor ay nangangahulugan na ang mga in-situ na diskarte sa pagsubaybay ay iba-iba sa MBE, kung saan ang MBE sa pangkalahatan ay may higit pang mga opsyon at configurability. Para sa MOCVD, ang emissivity-corrected pyrometry ay ginagamit para sa in-situ, wafer surface temperature measurement (kumpara sa remote, thermocouple measurement); Ang reflectivity ay nagbibigay-daan sa pag-roughening sa ibabaw at ang epitaxial growth rate na masuri; ang wafer bow ay sinusukat ng laser reflection; at ang mga ibinigay na organometallic na konsentrasyon ay maaaring masukat sa pamamagitan ng ultrasonic gas monitoring, upang madagdagan ang katumpakan at reproducibility ng proseso ng paglago.

Karaniwan, ang mga haluang metal na naglalaman ng aluminyo ay pinatubo sa mas mataas na temperatura (>650°C), habang ang mga layer na naglalaman ng phosphorous ay pinatubo sa mas mababang temperatura (<650°C), na may mga posibleng pagbubukod para sa AlInP. Para sa AlInGaAs at InGaAsP alloys, na ginagamit para sa mga application ng telecom, ang pagkakaiba sa temperatura ng pag-crack ng arsine ay ginagawang mas simple ang kontrol ng proseso kaysa sa phosphine. Gayunpaman, para sa muling paglaki ng epitaxial, kung saan nakaukit ang mga aktibong layer, mas gusto ang phosphine. Para sa mga antimonide na materyales, ang hindi sinasadya (at sa pangkalahatan ay hindi ginustong) carbon incorporation sa AlSb ay nangyayari, dahil sa kakulangan ng naaangkop na pinagmumulan ng precursor, na nililimitahan ang pagpili ng mga haluang metal at kaya ang pagtaas ng antimonide growth ng MOCVD.

Para sa mga highly strained layer, dahil sa kakayahang regular na gumamit ng arsenide at phosphide na materyales, posible ang strain balancing at compensation, tulad ng para sa GaAsP barriers at InGaAs quantum wells (QWs).

Buod

Ang MBE sa pangkalahatan ay may mas maraming in-situ na opsyon sa pagsubaybay kaysa MOCVD. Ang paglago ng epitaxial ay nababagay sa pamamagitan ng flux rate at temperatura ng substrate, na hiwalay na kinokontrol, na may nauugnay na in-situ na pagsubaybay na nagbibigay-daan sa isang mas malinaw, direkta, pag-unawa sa mga proseso ng paglago.

Ang MOCVD ay isang napakaraming gamit na pamamaraan na maaaring magamit upang magdeposito ng malawak na hanay ng mga materyales, kabilang ang mga compound semiconductors, nitride at oxides, sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng precursor chemistry. Ang tumpak na kontrol sa proseso ng paglago ay nagbibigay-daan sa paggawa ng mga kumplikadong aparatong semiconductor na may mga pinasadyang katangian para sa mga aplikasyon sa electronics, photonics at optoelectronics. Ang mga oras ng paglilinis ng silid ng MOCVD ay mas mabilis kaysa sa MBE.

Ang MOCVD ay mahusay para sa muling paglaki ng mga distributed feedback (DFBs) lasers, buried heterostructure device, at butt-jointed waveguides. Maaaring kabilang dito ang in-situ etching ng semiconductor. Ang MOCVD, samakatuwid, ay perpekto para sa monolitikong pagsasama ng InP. Bagama't ang monolithic integration sa GaAs ay nasa simula pa lamang nito, pinapagana ng MOCVD ang selective area growth, kung saan ang mga dielectric masked na lugar ay nakakatulong sa space ng emission/absorption wavelength. Mahirap itong gawin sa MBE, kung saan ang mga polycrystal na deposito ay maaaring mabuo sa dielectric mask.

Sa pangkalahatan, ang MBE ang piniling paraan ng paglago para sa mga materyales ng Sb at ang MOCVD ay ang pagpipilian para sa mga materyales na P. Ang parehong mga diskarte sa paglago ay may magkatulad na kakayahan para sa mga materyales na batay sa As. Ang mga tradisyonal na MBE-only na mga merkado, tulad ng electronics, ay maaari na ngayong maihatid nang pantay-pantay sa paglago ng MOCVD. Gayunpaman, para sa mas advanced na mga istraktura, tulad ng quantum dot at quantum cascade lasers, ang MBE ay madalas na ginustong para sa base epitaxy. Kung kinakailangan ang epitaxial regrowth, karaniwang mas gusto ang MOCVD, dahil sa flexibility ng etching at masking nito.