Какви са разликите между MBE и MOCVD технологиите?

Както реакторите за отлагане на молекулярни лъчи (MBE), така и метало-органично химическо отлагане на пари (MOCVD) работят в чисти помещения и използват един и същ набор от метрологични инструменти за характеристика на вафли. MBE с твърд източник използва висока чистота, елементарни прекурсори, нагряващи се в изливни клетки, за да създадат молекулен лъч, за да се даде възможност за отлагане (с течен азот, използван за охлаждане). За разлика от тях, MOCVD е процес на химическа пари, използвайки ултра-PURE, газообразни източници, за да се даде възможност за отлагане и изисква токсично предаване на газ и намаляване. И двете техники могат да произвеждат идентична епитаксия в някои материални системи, като арсениди. Обсъжда се изборът на една техника за другата за конкретни материали, процеси и пазари.

Епитаксия на молекулярната лъча

MBE реактор обикновено съдържа камера за прехвърляне на проби (отворена за въздуха, за да се позволи да се зареждат и разтоварват вафли на вафли) и камера за растеж (обикновено запечатана и само отворена за въздуха за поддръжка), където субстрата се прехвърля за епитаксиален растеж . MBE реакторите работят при ултра-високи вакуумни (UHV) условия, за да предотвратят замърсяването от въздушните молекули. Камерата може да се нагрява, за да се ускори евакуацията на тези замърсители, ако камерата е отворена за въздух.

Често изходните материали на епитаксия в MBE реактор са твърди полупроводници или метали. Те се нагряват извън точките им за топене (т.е. изпаряване на изходния материал) в изливни клетки. Тук атомите или молекулите се задвижват във вакуумната камера MBE през малка бленда, която придава силно насочен молекулен лъч. Това възпрепятства нагрятия субстрат; обикновено се изработва от еднокристални материали като силиций, галиев арсенид (GAAS) или други полупроводници. При условие че молекулите не се десорбират, те ще дифундират върху повърхността на субстрата, насърчавайки епитаксиалния растеж. След това епитаксията се вгражда слой по слой, като съставът и дебелината на всеки слой се контролират, за да се постигнат желаните оптични и електрически свойства.

Субстратът е монтиран централно, в рамките на растежната камера, върху отопляем държач, заобиколен от криошилдс, обърнат към изливните клетки и системата на затвора. Държачът се върти, за да осигури равномерно отлагане и епитаксиална дебелина. Cryoshields са течно-азотни охладени плочи, които улавят замърсители и атоми в камерата, които преди това не се улавят на повърхността на субстрата. Замърсителите могат да бъдат от десорбция на субстрата при високи температури или от „над пълнене“ от молекулния лъч.

Ултра-високо-вакуумната MBE реакторна камера позволява да се използват инструменти за наблюдение на място за контрол на процеса на отлагане. Отражение на високоенергийната електронна дифракция (RHEED) се използва за наблюдение на повърхността на растеж. Лазерно отражение, термично изображение и химичен анализ (масспектрометрия, шнекова спектрометрия) анализират състава на изпарения материал. Други сензори се използват за измерване на температури, налягане и темпове на растеж, за да се регулира параметрите на процеса в реално време.

Темп на растеж и корекция

Скоростта на епитаксиален растеж, която обикновено е около една трета от монослоя (0,1 nm, 1Å) за секунда, се влияе от скоростта на потока (броят атоми, пристигащи на повърхността на субстрата, контролиран от температурата на източника) и температурата на субстрата (което влияе върху дифузионните свойства на атомите върху повърхността на субстратите и тяхната десорбция, контролирана от топлината на субстрата). Тези параметри се регулират и наблюдават независимо в рамките на MBE реактора, за да се оптимизира епитаксиалният процес.

Чрез контролиране на темповете на растеж и доставката на различни материали с помощта на механична затворена система, трикомпонентни и четвъртични сплави и многослойни структури могат да се отглеждат надеждно и многократно. След отлагането субстратът се охлажда бавно, за да се избегне топлинен стрес и се тества, за да се характеризира неговата кристална структура и свойства.

Материални характеристики за MBE

Характеристиките на материалните системи III-V, използвани в MBE, са:

● Силиций: Растежът върху силициеви субстрати изисква много високи температури, за да се осигури десорбция на оксид (>1000°C), така че са необходими специални нагреватели и държачи за пластини. Проблеми около несъответствието в константата на решетката и коефициента на разширение правят III-V растежа върху силиций активна тема за научноизследователска и развойна дейност.

●  Антимон: За полупроводници III-SB трябва да се използват ниски температури на субстрата, за да се избегне десорбцията от повърхността. Може да се появи и „не-конгруенция“ при високи температури, при които един атомен вид може да бъде изпарен за предпочитане, за да остави нестоихиометрични материали.

● Фосфор: За III-P сплави, фосфор ще бъде отложен от вътрешната страна на камерата, като се изисква отнемащ време процес на почистване, който може да направи кратки производствени работи безжизнес.

Металоорганично химическо отлагане на пари

Реакторът MOCVD има високотемпературна реакционна камера с водно охлаждане. Субстратите се позиционират върху графитен приемник, нагрят чрез RF, резистивно или инфрачервено нагряване. Реактивните газове се инжектират вертикално в процесната камера над субстратите. Равномерността на слоя се постига чрез оптимизиране на температурата, впръскването на газ, общия газов поток, въртенето на фиксатора и налягането. Носещите газове са или водород, или азот.

За да отлага епитаксиални слоеве, MOCVD използва много органични предшественици с много чистота като триметилгалий за галиев или триметилалуминиев за алуминий за елементите от група III и хидридни газове (арзин и фосфин) за груповите елементи. Метал-органиката се съдържа в балончетата на газовия поток. Концентрацията, инжектирана в процесорната камера, се определя чрез температура и налягане на метало-органичния и носещия газов поток през балончето.

Реагентите се разлагат напълно върху повърхността на субстрата при температурата на растеж, освобождавайки метални атоми и органични странични продукти. Концентрацията на реагентите се регулира, за да се получат различни структури от сплави III-V, заедно със система за превключване на движение/отдушник за регулиране на сместа от пари.

Субстратът обикновено е монокристална пластина от полупроводников материал като галиев арсенид, индиев фосфид или сапфир. Той се зарежда върху токоприемника в реакционната камера, над която се инжектират прекурсорните газове. Голяма част от изпарените металоорганични и други газове преминават през нагрятата камера за растеж непроменени, но малко количество претърпява пиролиза (напукване), създавайки подвид материали, които абсорбират върху повърхността на горещия субстрат. След това повърхностна реакция води до включването на елементите III-V в епитаксиален слой. Като алтернатива може да възникне десорбция от повърхността, като неизползваните реагенти и реакционните продукти се евакуират от камерата. Освен това, някои прекурсори могат да предизвикат „отрицателен растеж“ ецване на повърхността, като например при въглеродно допиране на GaAs/AlGaAs и със специални източници на ецващи средства. Сцепторът се върти, за да осигури постоянен състав и дебелина на епитаксия.

Температурата на растеж, необходима в MOCVD реактора, се определя предимно от необходимата пиролиза на прекурсорите и след това се оптимизира по отношение на повърхностната подвижност. Скоростта на растеж се определя от налягането на парата на метало-органичните източници от група III в балончетата. Повърхностната дифузия се влияе от атомните стъпки на повърхността, като по тази причина често се използват дезориентирани субстрати. Растежът на силициевите субстрати изисква много високотемпературни етапи, за да се гарантира десорбция на оксид (> 1000 ° C), изискващи специализирани нагреватели и държачи за вафли.

Вакуумното налягане и геометрията на реактора означава, че техниките за мониторинг на място варират от тези на MBE, като MBE обикновено има повече опции и възможности за конфигуриране. За MOCVD пирометрията с коригирана емисионна способност се използва за измерване на температурата на повърхността на пластината на място (за разлика от дистанционното измерване с термодвойка); отразяващата способност позволява да се анализира грапавостта на повърхността и скоростта на епитаксиален растеж; вафлен лък се измерва чрез лазерно отражение; и доставените органометални концентрации могат да бъдат измерени чрез ултразвуков мониторинг на газа, за да се повиши точността и възпроизводимостта на процеса на растеж.

Обикновено сплавите, съдържащи алуминий, се отглеждат при по-високи температури (> 650 ° С), докато слоевете, съдържащи фосфор, се отглеждат при по-ниски температури (<650 ° С), с възможни изключения за Alinp. За AlingaaS и INGAASP сплави, използвани за телекомуникационни приложения, разликата в температурата на напукване на арзин прави контрола на процеса по -проста, отколкото за фосфина. Въпреки това, за епитаксиално повторно израстване, където активните слоеве са гравирани, се предпочита фосфин. За антимонидни материали се появява неволно (и като цяло нежелано) въглеродно включване в ALSB, поради липсата на подходящ източник на прекурсор, ограничавайки избора на сплави и така усвояването на растежа на антимонид от MOCVD.

За силно напрегнати слоеве, поради способността за рутинно използване на арсенидни и фосфидни материали, са възможни балансиране на напрежението и компенсация, като например за GaAsP бариери и InGaAs квантови ямки (QW).

Резюме

MBE обикновено има повече възможности за наблюдение на място от MOCVD. Епитаксиалният растеж се регулира от скоростта на потока и температурата на субстрата, които се контролират отделно, със свързан мониторинг на място, позволяващ много по-ясно, директно разбиране на процесите на растеж.

MOCVD е много гъвкава техника, която може да се използва за отлагане на широка гама от материали, включително съставни полупроводници, нитриди и оксиди, чрез промяна на химията на прекурсора. Прецизният контрол на процеса на растеж позволява производството на сложни полупроводникови устройства с персонализирани свойства за приложения в електрониката, фотониката и оптоелектрониката. Времето за почистване на камерата MOCVD е по-бързо от MBE.

MOCVD е отличен за повторен растеж на лазери с разпределена обратна връзка (DFBs), заровени хетероструктурни устройства и челно съединени вълноводи. Това може да включва ецване на място на полупроводника. Следователно MOCVD е идеален за монолитна InP интеграция. Въпреки че монолитната интеграция в GaAs е в начален стадий, MOCVD позволява селективен растеж на площта, където диелектричните маскирани зони помагат за разпределяне на дължините на вълните на излъчване/абсорбция. Това е трудно да се направи с MBE, където могат да се образуват поликристални отлагания върху диелектричната маска.

Като цяло, MBE е методът на растеж на избора на SB материали, а MOCVD е изборът за P материали. И двете техники за растеж имат подобни възможности за базирани на материали. Традиционните пазари само за MBE, като електроника, вече могат да се обслужват еднакво добре с растежа на MOCVD. Въпреки това, за по -напреднали структури, като квантова точка и квантови каскадни лазери, MBE често се предпочита за основната епитаксия. Ако е необходим епитаксиален повторно растение, тогава MOCVD обикновено се предпочита, поради неговото ецване и маскираща гъвкавост.