MBE ve MOCVD teknolojileri arasındaki farklar nelerdir?

Hem moleküler ışın epitaksi (MBE) hem de metal-organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) reaktörleri temiz oda ortamlarında çalışır ve levha karakterizasyonu için aynı metroloji araçlarını kullanır. Katı kaynaklı MBE, biriktirmeyi mümkün kılmak için moleküler bir ışın oluşturmak üzere efüzyon hücrelerinde ısıtılan yüksek saflıkta elementel öncüleri kullanır (soğutma için kullanılan sıvı nitrojen ile). Bunun aksine, MOCVD, çökelmeyi sağlamak için ultra saf, gazlı kaynakları kullanan ve toksik gazın taşınmasını ve azaltılmasını gerektiren bir kimyasal buhar işlemidir. Her iki teknik de arsenitler gibi bazı malzeme sistemlerinde aynı epitaksiyi üretebilir. Belirli malzemeler, süreçler ve pazarlar için bir tekniğin diğerine tercih edilmesi tartışılmaktadır.

Moleküler Işın Epitaksi

Bir MBE reaktörü tipik olarak bir numune transfer odası (wafer substratlarının yüklenmesine ve boşaltılmasına izin vermek için havaya açık) ve substratın epitaksiyel büyüme için transfer edildiği bir büyüme odası (normalde kapalı ve yalnızca bakım için havaya açık) içerir. . MBE reaktörleri, hava moleküllerinden kaynaklanan kirlenmeyi önlemek için ultra yüksek vakum (UHV) koşullarında çalışır. Hazne havaya açıksa, bu kirletici maddelerin tahliyesini hızlandırmak için hazne ısıtılabilir.

Çoğu zaman, bir MBE reaktöründeki epitaksinin kaynak malzemeleri katı yarı iletkenler veya metallerdir. Bunlar efüzyon hücrelerinde erime noktalarının (yani kaynak malzemenin buharlaşmasının) ötesinde ısıtılır. Burada atomlar veya moleküller, oldukça yönlü bir moleküler ışın sağlayan küçük bir açıklık yoluyla MBE vakum odasına sürülür. Bu, ısıtılmış alt tabakaya etki eder; genellikle silikon, galyum arsenit (GaAs) veya diğer yarı iletkenler gibi tek kristalli malzemelerden yapılır. Moleküllerin desorbe olmaması koşuluyla, substrat yüzeyine yayılarak epitaksiyel büyümeyi teşvik edeceklerdir. Daha sonra epitaksi, istenen optik ve elektriksel özellikleri elde etmek için her katmanın bileşimi ve kalınlığı kontrol edilerek katman katman oluşturulur.

Substrat, büyüme odasının içinde, efüzyon hücrelerine ve kapak sistemine bakacak şekilde, kriyo kalkanlarla çevrelenmiş ısıtılmış bir tutucunun üzerine merkezi olarak monte edilir. Tutucu, düzgün bir birikim ve epitaksiyel kalınlık sağlamak üzere döner. Kriyoshield'lar, daha önce substrat yüzeyinde yakalanmayan kirletici maddeleri ve atomları haznede yakalayan sıvı nitrojen soğutmalı plakalardır. Kirletici maddeler, substratın yüksek sıcaklıklarda desorpsiyonundan veya moleküler ışının "aşırı doldurulmasından" kaynaklanabilir.

Ultra yüksek vakumlu MBE reaktör odası, biriktirme sürecini kontrol etmek için yerinde izleme araçlarının kullanılmasına olanak tanır. Büyüme yüzeyini izlemek için yansıma yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) kullanılır. Lazer yansıması, termal görüntüleme ve kimyasal analiz (kütle spektrometresi, Auger spektrometrisi) buharlaşan malzemenin bileşimini analiz eder. Proses parametrelerini gerçek zamanlı olarak ayarlamak amacıyla sıcaklıkları, basınçları ve büyüme oranlarını ölçmek için diğer sensörler kullanılır.

Büyüme oranı ve ayarlama

Tipik olarak saniyede bir tek tabakanın yaklaşık üçte biri (0.1 nm, 1 Å) olan epitaksiyel büyüme hızı, akı hızından (kaynak sıcaklığı tarafından kontrol edilen substrat yüzeyine gelen atomların sayısı) ve substrat sıcaklığından etkilenir. (bu, substrat yüzeyindeki atomların yayılma özelliklerini ve bunların substrat ısısı tarafından kontrol edilen desorpsiyonunu etkiler). Epitaksiyel prosesi optimize etmek için bu parametreler MBE reaktörü içerisinde bağımsız olarak ayarlanır ve izlenir.

Mekanik bir kapatma sistemi kullanılarak büyüme hızlarının ve farklı malzemelerin tedarikinin kontrol edilmesiyle üçlü ve dörtlü alaşımlar ve çok katmanlı yapılar güvenilir ve tekrar tekrar büyütülebilir. Biriktirmeden sonra, termal stresi önlemek için substrat yavaşça soğutulur ve kristal yapısını ve özelliklerini karakterize etmek için test edilir.

MBE için malzeme özellikleri

MBE'de kullanılan III-V malzeme sistemlerinin özellikleri şunlardır:

●  Silikon: Silikon substratlarda büyüme, oksit desorpsiyonunu sağlamak için çok yüksek sıcaklıklar gerektirir (>1000°C), bu nedenle özel ısıtıcılar ve levha tutucular gerekir. Kafes sabiti ve genişleme katsayısındaki uyumsuzlukla ilgili sorunlar, silikonda III-V büyümesini aktif bir Ar-Ge konusu haline getiriyor.

●  Antimon: III-Sb yarı iletkenlerinde yüzeyden desorpsiyonu önlemek için düşük altlık sıcaklıkları kullanılmalıdır. Yüksek sıcaklıklarda 'uyumsuzluk' da meydana gelebilir; burada bir atomik tür tercihen stokiyometrik olmayan malzemeler bırakmak üzere buharlaştırılabilir.

●  Fosfor: III-P alaşımları için, odanın iç kısmında fosfor birikecek ve bu durum, kısa süreli üretimleri sürdürülemez hale getirebilecek, zaman alıcı bir temizleme işlemi gerektirecektir.

Metal-organik kimyasal buhar biriktirme

MOCVD reaktörü yüksek sıcaklıkta, su soğutmalı bir reaksiyon odasına sahiptir. Substratlar, RF, dirençli veya IR ısıtma ile ısıtılan bir grafit tutucu üzerine konumlandırılır. Reaktif gazları substratların üzerindeki proses odasına dikey olarak enjekte edilir. Katman tekdüzeliği sıcaklık, gaz enjeksiyonu, toplam gaz akışı, tutucu rotasyonu ve basıncı optimize edilerek elde edilir. Taşıyıcı gazlar hidrojen veya nitrojendir.

Epitaksiyel tabakaları biriktirmek için MOCVD, galyum için trimetilgalyum veya grup-III elementleri için alüminyum için trimetilalüminyum ve grup-V elementleri için hidrit gazları (arsin ve fosfin) gibi çok yüksek saflıkta metal-organik öncüleri kullanır. Metal-organikler gaz akışı kabarcıklarında bulunur. Proses odasına enjekte edilen konsantrasyon, fıskiyeden geçen metal-organik ve taşıyıcı gaz akışının sıcaklığı ve basıncı ile belirlenir.

Reaktifler büyüme sıcaklığında substrat yüzeyinde tamamen ayrışır ve metal atomları ve organik yan ürünler açığa çıkar. Reaktiflerin konsantrasyonu, buhar karışımını ayarlamak için bir çalışma/havalandırma anahtarlama sistemi ile birlikte farklı III-V alaşım yapıları üretecek şekilde ayarlanır.

Substrat genellikle galyum arsenit, indiyum fosfit veya safir gibi yarı iletken bir malzemeden yapılmış tek kristalli bir levhadır. Öncü gazların enjekte edildiği reaksiyon odası içindeki duyarlıya yüklenir. Buharlaşan metal-organiklerin ve diğer gazların çoğu, ısıtılmış büyüme odasından değişmeden geçer, ancak küçük bir kısmı pirolize (çatlamaya) uğrayarak sıcak alt tabakanın yüzeyi tarafından emilen alt tür malzemeler oluşturur. Daha sonra bir yüzey reaksiyonu, III-V elemanlarının epitaksiyel bir katmana dahil edilmesiyle sonuçlanır. Alternatif olarak, kullanılmayan reaktiflerin ve reaksiyon ürünlerinin odadan boşaltılmasıyla yüzeyden desorpsiyon meydana gelebilir. Ek olarak, bazı öncüller, GaAs/AlGaAs'ın karbon katkısı ve özel dağlayıcı kaynaklar gibi yüzeyde "negatif büyüme" aşındırmasına neden olabilir. Süseptör, epitaksinin tutarlı bileşimini ve kalınlıklarını sağlamak için döner.

MOCVD reaktöründe gerekli büyüme sıcaklığı öncelikle öncüllerin gerekli pirolizi ile belirlenir ve ardından yüzey hareketliliğine göre optimize edilir. Büyüme hızı, kabarcıklayıcılardaki grup-III metal-organik kaynaklarının buhar basıncıyla belirlenir. Yüzey difüzyonu yüzeydeki atomik adımlardan etkilenir ve bu nedenle sıklıkla yanlış yönlendirilmiş alt tabakalar kullanılır. Silikon substratlarda büyüme, oksit desorpsiyonunu (>1000°C) sağlamak için çok yüksek sıcaklıktaki aşamaları gerektirir; bu da uzman ısıtıcılar ve levha substrat tutucuları gerektirir.

Reaktörün vakum basıncı ve geometrisi, yerinde izleme tekniklerinin MBE'ninkinden farklı olduğu ve MBE'nin genellikle daha fazla seçeneğe ve yapılandırılabilirliğe sahip olduğu anlamına gelir. MOCVD için, yerinde, levha yüzey sıcaklığı ölçümü için emisyon derecesi düzeltilmiş pirometri kullanılır (uzaktan, termokupl ölçümünün aksine); yansıtma, yüzey pürüzlülüğünün ve epitaksiyel büyüme hızının analiz edilmesine olanak tanır; gofret yayı lazer yansımasıyla ölçülür; ve sağlanan organometalik konsantrasyonlar, büyüme sürecinin doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini artırmak için ultrasonik gaz izleme yoluyla ölçülebilir.

Tipik olarak alüminyum içeren alaşımlar daha yüksek sıcaklıklarda (>650°C) büyütülürken, fosfor içeren katmanlar daha düşük sıcaklıklarda (<650°C) büyütülür; AlInP için olası istisnalar vardır. Telekomünikasyon uygulamalarında kullanılan AlInGaAs ve InGaAsP alaşımları için, arsinin parçalanma sıcaklığındaki fark, proses kontrolünü fosfine göre daha basit hale getirir. Ancak aktif katmanların aşındırıldığı epitaksiyel yeniden büyüme için fosfin tercih edilir. Antimonid malzemeler için, uygun bir öncü kaynağın bulunmaması nedeniyle AlSb'ye kasıtsız (ve genellikle istenmeyen) karbon katılması meydana gelir, bu da alaşım seçimini ve dolayısıyla MOCVD tarafından antimonit büyümesinin alımını sınırlandırır.

Yüksek gerilime sahip katmanlar için, arsenit ve fosfit malzemelerinin rutin olarak kullanılabilmesi nedeniyle, GaAsP bariyerleri ve InGaAs kuantum kuyuları (QW'ler) gibi gerilim dengeleme ve dengeleme mümkündür.

Özet

MBE genellikle MOCVD'den daha fazla yerinde izleme seçeneğine sahiptir. Epitaksiyel büyüme, ayrı ayrı kontrol edilen akı hızı ve substrat sıcaklığı ile ayarlanır ve ilgili yerinde izleme, büyüme süreçlerinin çok daha net, doğrudan anlaşılmasına olanak tanır.

MOCVD, öncü kimyayı değiştirerek bileşik yarı iletkenler, nitrürler ve oksitler de dahil olmak üzere çok çeşitli malzemeleri biriktirmek için kullanılabilen çok yönlü bir tekniktir. Büyüme sürecinin hassas kontrolü, elektronik, fotonik ve optoelektronik uygulamaları için özel özelliklere sahip karmaşık yarı iletken cihazların imalatına olanak tanır. MOCVD odasının temizleme süreleri MBE'den daha hızlıdır.

MOCVD, dağıtılmış geri besleme (DFB'ler) lazerlerinin, gömülü heteroyapılı cihazların ve alın eklemli dalga kılavuzlarının yeniden büyütülmesi için mükemmeldir. Bu, yarı iletkenin yerinde aşındırılmasını içerebilir. MOCVD bu nedenle monolitik InP entegrasyonu için idealdir. Her ne kadar GaAs'ta monolitik entegrasyon başlangıç ​​aşamasında olsa da MOCVD, dielektrik maskeli alanların emisyon/absorbsiyon dalga boylarının aralanmasına yardımcı olduğu seçici alan büyümesine olanak sağlar. Dielektrik maske üzerinde polikristal birikintilerin oluşabileceği MBE ile bunu yapmak zordur.

Genel olarak MBE, Sb malzemeleri için tercih edilen büyütme yöntemidir ve MOCVD, P malzemeleri için tercih edilir. Her iki büyütme tekniği de As bazlı malzemeler için benzer yeteneklere sahiptir. Elektronik gibi yalnızca MBE'ye yönelik geleneksel pazarlara artık MOCVD büyümesiyle eşit derecede iyi hizmet verilebilir. Ancak kuantum nokta ve kuantum kademeli lazerler gibi daha gelişmiş yapılar için temel epitaksi olarak MBE sıklıkla tercih edilir. Epitaksiyel yeniden büyüme gerekiyorsa, aşındırma ve maskeleme esnekliği nedeniyle genellikle MOCVD tercih edilir.