Hvad er forskellene mellem MBE- og MOCVD-teknologier?

Både molecular beam epitaxy (MBE) og metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) reaktorer fungerer i renrumsmiljøer og bruger det samme sæt af metrologiværktøjer til wafer karakterisering. Solid-source MBE bruger høj renhed, elementære prækursorer opvarmet i effusionsceller for at skabe en molekylær stråle for at muliggøre aflejring (med flydende nitrogen brugt til afkøling). I modsætning hertil er MOCVD en kemisk dampproces, der bruger ultrarene, gasformige kilder for at muliggøre aflejring, og kræver håndtering og reduktion af giftig gas. Begge teknikker kan producere identisk epitaksi i nogle materialesystemer, såsom arsenider. Valget af den ene teknik frem for den anden for bestemte materialer, processer og markeder diskuteres.

Molekylær stråleepitaxi

En MBE-reaktor omfatter typisk et prøveoverførselskammer (åbent til luften, for at tillade wafersubstrater at blive påfyldt og losset) og et vækstkammer (normalt forseglet og kun åbent til luften til vedligeholdelse), hvor substratet overføres til epitaksial vækst . MBE-reaktorer fungerer under ultrahøjvakuum (UHV) forhold for at forhindre forurening fra luftmolekyler. Kammeret kan opvarmes for at fremskynde evakueringen af ​​disse forurenende stoffer, hvis kammeret har været åbent for luft.

Ofte er kildematerialerne til epitaksi i en MBE-reaktor faste halvledere eller metaller. Disse opvarmes ud over deres smeltepunkter (dvs. kildematerialefordampning) i effusionsceller. Her bliver atomer eller molekyler drevet ind i MBE-vakuumkammeret gennem en lille åbning, som giver en meget retningsbestemt molekylær stråle. Dette rammer det opvarmede underlag; normalt lavet af enkeltkrystalmaterialer som silicium, galliumarsenid (GaAs) eller andre halvledere. Forudsat at molekylerne ikke desorberer, vil de diffundere på substratoverfladen, hvilket fremmer epitaksial vækst. Epitaksien opbygges derefter lag for lag, hvor hvert lags sammensætning og tykkelse kontrolleres for at opnå de ønskede optiske og elektriske egenskaber.

Substratet er monteret centralt i vækstkammeret på en opvarmet holder omgivet af kryoskjolde, vendt mod effusionscellerne og lukkersystemet. Holderen roterer for at give ensartet aflejring og epitaksial tykkelse. Kryoskjoldene er flydende nitrogenkølede plader, som fanger forurenende stoffer og atomer i kammeret, som ikke tidligere er fanget på substratoverfladen. Forureningen kan være fra desorption af substratet ved høje temperaturer eller ved 'overfyldning' fra den molekylære stråle.

MBE-reaktorkammeret med ultrahøjt vakuum gør det muligt at bruge in-situ overvågningsværktøjer til at kontrollere deponeringsprocessen. Refleksion højenergi elektrondiffraktion (RHEED) bruges til at overvåge vækstoverfladen. Laserreflektans, termisk billeddannelse og kemisk analyse (massespektrometri, Auger-spektrometri) analyserer sammensætningen af ​​det fordampede materiale. Andre sensorer bruges til at måle temperaturer, tryk og væksthastigheder for at justere procesparametre i realtid.

Vækstrate og tilpasning

Den epitaksiale væksthastighed, som typisk er omkring en tredjedel af et monolag (0,1nm, 1Å) pr. (hvilket påvirker atomernes diffusive egenskaber på substratets overflade og deres desorption, styret af substratvarmen). Disse parametre justeres uafhængigt og overvåges i MBE-reaktoren for at optimere den epitaksiale proces.

Ved at kontrollere væksthastigheder og tilførsel af forskellige materialer ved hjælp af et mekanisk lukkersystem kan ternære og kvaternære legeringer og flerlagsstrukturer dyrkes pålideligt og gentagne gange. Efter aflejring afkøles substratet langsomt for at undgå termisk stress og testes for at karakterisere dets krystallinske struktur og egenskaber.

Materialeegenskaber for MBE

Karakteristikaene for III-V materialesystemer, der anvendes i MBE er:

●  Silicium: Vækst på siliciumsubstrater kræver meget høje temperaturer for at sikre oxiddesorption (>1000°C), så specialvarmere og waferholdere er påkrævet. Problemer omkring uoverensstemmelsen i gitterkonstanten og ekspansionskoefficienten gør III-V-vækst på silicium til et aktivt F&U-emne.

●  Antimon: For III-Sb-halvledere skal der anvendes lave substrattemperaturer for at undgå desorption fra overfladen. 'Ikke-kongruens' ved høje temperaturer kan også forekomme, hvor en atomart fortrinsvis kan fordampes for at efterlade ikke-støkiometriske materialer.

●  Fosfor: For III-P-legeringer vil fosfor blive aflejret på indersiden af ​​kammeret, hvilket kræver en tidskrævende oprensningsproces, som kan gøre korte produktionskørsler uholdbare.

Metal-organisk kemisk dampaflejring

MOCVD-reaktoren har et højtemperatur-vandkølet reaktionskammer. Substrater placeres på en grafit-susceptor opvarmet ved enten RF-, resistiv- eller IR-opvarmning. Reagensgasser sprøjtes lodret ind i proceskammeret over substraterne. Lagens ensartethed opnås ved at optimere temperatur, gasinjektion, total gasflow, susceptorrotation og tryk. Bærergasser er enten brint eller nitrogen.

For at afsætte epitaksiale lag anvender MOCVD meget høj renhed metal-organiske prækursorer såsom trimethylgallium for gallium eller trimethylaluminium for aluminium for gruppe III-elementerne og hydridgasser (arsin og phosphin) til gruppe-V-elementerne. De metalorganiske stoffer er indeholdt i gasstrømsboblere. Koncentrationen, der sprøjtes ind i proceskammeret, bestemmes af temperatur og tryk af den metalorganiske og bærergasstrøm gennem bobleren.

Reagenserne nedbrydes fuldstændigt på substratoverfladen ved væksttemperaturen og frigiver metalatomer og organiske biprodukter. Koncentrationen af ​​reagenser justeres til at producere forskellige III-V-legeringsstrukturer sammen med et run/vent switching system til justering af dampblandingen.

Substratet er normalt en enkelt-krystal wafer af et halvledermateriale såsom galliumarsenid, indiumphosphid eller safir. Det fyldes på susceptoren i reaktionskammeret, over hvilket forstadiegasserne injiceres. Meget af de fordampede metal-organiske stoffer og andre gasser bevæger sig gennem det opvarmede vækstkammer uændret, men en lille mængde gennemgår pyrolyse (revner), hvilket skaber underarter, materialer, der absorberer på overfladen af ​​det varme substrat. En overfladereaktion resulterer derefter i inkorporeringen af ​​III-V-elementerne i et epitaksielt lag. Alternativt kan der forekomme desorption fra overfladen, hvor ubrugte reagenser og reaktionsprodukter evakueres fra kammeret. Derudover kan nogle prækursorer inducere 'negativ vækst' ætsning af overfladen, såsom ved carbondoping af GaAs/AlGaAs og med dedikerede ætsningskilder. Susceptoren roterer for at sikre ensartet sammensætning og tykkelse af epitaksen.

Væksttemperaturen, der kræves i MOCVD-reaktoren, bestemmes primært af den nødvendige pyrolyse af forstadierne, og derefter optimeret med hensyn til overflademobilitet. Væksthastigheden bestemmes af damptrykket af gruppe-III metal-organiske kilder i boblerne. Overfladediffusion påvirkes af atomare trin på overfladen, hvor misorienterede substrater ofte bruges af denne grund. Vækst på siliciumsubstrater kræver meget høje temperaturstadier for at sikre oxiddesorption (>1000°C), krævende specialvarmere og wafersubstratholdere.

Reaktorens vakuumtryk og geometri betyder, at in-situ overvågningsteknikker varierer fra MBE's, hvor MBE generelt har flere muligheder og konfigurerbarhed. For MOCVD bruges emissivitetskorrigeret pyrometri til in-situ måling af waferoverfladetemperatur (i modsætning til fjernmåling af termoelement); reflektivitet gør det muligt at analysere overfladens ruhed og den epitaksiale væksthastighed; waferbue måles ved laserreflektion; og leverede organometalliske koncentrationer kan måles via ultralydsgasovervågning for at øge nøjagtigheden og reproducerbarheden af ​​vækstprocessen.

Typisk dyrkes aluminiumholdige legeringer ved højere temperaturer (>650°C), mens fosforholdige lag dyrkes ved lavere temperaturer (<650°C), med mulige undtagelser for AlInP. For AlInGaAs og InGaAsP legeringer, der anvendes til telekommunikationsapplikationer, gør forskellen i krakningstemperaturen for arsin processtyringen enklere end for fosphin. Til epitaksial genvækst, hvor de aktive lag er ætset, foretrækkes imidlertid phosphin. For antimonidmaterialer forekommer utilsigtet (og generelt uønsket) kulstofinkorporering i AlSb på grund af manglen på en passende precursorkilde, hvilket begrænser valget af legeringer og dermed optagelsen af ​​antimonidvækst af MOCVD.

For stærkt belastede lag er belastningsbalancering og kompensation mulig på grund af evnen til rutinemæssigt at anvende arsenid- og phosphidmaterialer, såsom for GaAsP-barrierer og InGaAs-kvantebrønde (QW'er).

Oversigt

MBE har generelt flere in-situ overvågningsmuligheder end MOCVD. Den epitaksiale vækst justeres af fluxhastigheden og substrattemperaturen, som styres separat, med tilhørende in-situ overvågning, der tillader en meget klarere, direkte forståelse af vækstprocesserne.

MOCVD er en meget alsidig teknik, der kan bruges til at afsætte en lang række materialer, herunder sammensatte halvledere, nitrider og oxider, ved at variere prækursorkemien. Præcis styring af vækstprocessen muliggør fremstilling af komplekse halvlederenheder med skræddersyede egenskaber til applikationer inden for elektronik, fotonik og optoelektronik. MOCVD-kammeroprydningstider er hurtigere end MBE.

MOCVD er fremragende til genvækst af distributed feedback (DFB'er) lasere, nedgravede heterostrukturenheder og stødledde bølgeledere. Dette kan omfatte in-situ ætsning af halvlederen. MOCVD er derfor ideel til monolitisk InP-integration. Selvom monolitisk integration i GaAs er i sin vorden, muliggør MOCVD selektiv områdevækst, hvor dielektriske maskerede områder hjælper med at rumme emissions-/absorptionsbølgelængderne. Dette er svært at gøre med MBE, hvor der kan dannes polykrystalaflejringer på den dielektriske maske.

Generelt er MBE den foretrukne vækstmetode for Sb-materialer, og MOCVD er valget for P-materialer. Begge vækstteknikker har lignende muligheder for As-baserede materialer. Traditionelle MBE-kun markeder, såsom elektronik, kan nu betjenes lige så godt med MOCVD-vækst. For mere avancerede strukturer, såsom kvantepunkt- og kvantekaskadelasere, foretrækkes MBE dog ofte til basisepitaksen. Hvis epitaksial genvækst er påkrævet, foretrækkes MOCVD generelt på grund af dets ætsnings- og maskeringsfleksibilitet.