تفاوت بین فناوری های MBE و MOCVD چیست؟

هر دو راکتور اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) و رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی (MOCVD) در محیط‌های تمیز کار می‌کنند و از مجموعه ابزارهای اندازه‌شناسی یکسانی برای توصیف ویفر استفاده می‌کنند. MBE منبع جامد از پیش سازهای عنصری با خلوص بالا استفاده می کند که در سلول های افیوژن گرم می شوند تا یک پرتو مولکولی ایجاد کند تا رسوب گذاری را امکان پذیر کند (با نیتروژن مایع که برای خنک کردن استفاده می شود). در مقابل، MOCVD یک فرآیند بخار شیمیایی است که از منابع بسیار خالص و گازی برای فعال کردن رسوب استفاده می کند و نیاز به انتقال و کاهش گاز سمی دارد. هر دو تکنیک می توانند اپیتاکسی یکسانی را در برخی از سیستم های مواد مانند آرسنیدها ایجاد کنند. انتخاب یک تکنیک بر دیگری برای مواد، فرآیندها و بازارهای خاص مورد بحث قرار گرفته است.

اپیتاکس پرتو مولکولی

یک راکتور MBE معمولاً شامل یک محفظه انتقال نمونه (باز به هوا، برای بارگیری و تخلیه بسترهای ویفر) و یک محفظه رشد (معمولاً مهر و موم شده و فقط برای نگهداری به هوا باز است) که در آن بستر برای رشد همپایه منتقل می شود. . راکتورهای MBE در شرایط خلاء فوق العاده بالا (UHV) کار می کنند تا از آلودگی مولکول های هوا جلوگیری کنند. در صورتی که محفظه در معرض هوا باز باشد، می توان محفظه را برای تسریع تخلیه این آلاینده ها گرم کرد.

غالباً ، مواد منبع اپیتاکسی در یک راکتور MBE نیمه هادی یا فلزات جامد هستند. اینها فراتر از نقاط ذوب آنها (یعنی تبخیر مواد منبع) در سلولهای افیوژن گرم می شوند. در اینجا ، اتمها یا مولکول ها از طریق یک دیافراگم کوچک به داخل محفظه خلاء MBE رانده می شوند که یک پرتوی مولکولی بسیار جهت دار می دهد. این وارد بستر گرم شده است. معمولاً از مواد تک کریستالی مانند سیلیکون ، گالیم آرسنید (GAAS) یا سایر نیمه هادی ها ساخته شده است. با توجه به اینکه مولکولها دفع نمی کنند ، آنها بر روی سطح بستر پخش می شوند و رشد اپیتاکسیال را ارتقا می بخشند. سپس Epitaxy لایه ای به صورت لایه ای ساخته می شود و ترکیب و ضخامت هر لایه برای دستیابی به خصوصیات نوری و الکتریکی مورد نظر کنترل می شود.

بستر به طور مرکزی، در داخل محفظه رشد، روی یک نگهدارنده گرم شده که توسط محافظ‌های سرمایی احاطه شده است، رو به سلول‌های افیوژن و سیستم شاتر نصب می‌شود. نگهدارنده برای ایجاد رسوب یکنواخت و ضخامت اپیتاکسیال می چرخد. کرایوشیلدها صفحات خنک‌شده با نیتروژن مایع هستند که آلاینده‌ها و اتم‌هایی را در محفظه محبوس می‌کنند که قبلاً روی سطح بستر جذب نشده‌اند. آلاینده ها می توانند ناشی از دفع بستر در دماهای بالا یا پر شدن بیش از حد از پرتو مولکولی باشند.

محفظه راکتور MBE با خلاء فوق العاده بالا، ابزارهای نظارتی درجا را قادر می سازد تا فرآیند رسوب گذاری را کنترل کنند. پراش الکترون با انرژی بالا (RHEED) برای نظارت بر سطح رشد استفاده می شود. بازتاب لیزری، تصویربرداری حرارتی و آنالیز شیمیایی (طیف‌سنجی جرمی، طیف‌سنجی اوگر) ترکیب مواد تبخیر شده را تجزیه و تحلیل می‌کنند. سنسورهای دیگر برای اندازه گیری دما، فشار و نرخ رشد به منظور تنظیم پارامترهای فرآیند در زمان واقعی استفاده می شوند.

نرخ رشد و تعدیل

نرخ رشد اپیتاکسیال، که معمولاً حدود یک سوم تک لایه (0.1 نانومتر، 1Å) در ثانیه است، تحت تأثیر نرخ شار (تعداد اتم‌هایی که به سطح زیرلایه می‌رسند، توسط دمای منبع کنترل می‌شود) و دمای بستر تأثیر می‌پذیرد. (که بر خواص انتشاری اتم ها در سطح زیرلایه ها و دفع آنها که توسط گرمای زیرلایه کنترل می شود) تأثیر می گذارد. این پارامترها به طور مستقل در راکتور MBE تنظیم و نظارت می شوند تا فرآیند همپایی را بهینه کنند.

با کنترل نرخ رشد و تأمین مواد مختلف با استفاده از یک سیستم کرکره مکانیکی ، آلیاژهای سه قلو و کواترنر و ساختارهای چند لایه را می توان با اطمینان و مکرر رشد داد. پس از رسوب ، بستر به آرامی خنک می شود تا از استرس حرارتی جلوگیری شود و آزمایش شود تا ساختار و خواص کریستالی آن را توصیف کند.

ویژگی های مواد برای MBE

ویژگی های سیستم های مواد III-V مورد استفاده در MBE عبارتند از:

● سیلیکون: رشد روی بسترهای سیلیکون برای اطمینان از دفع اکسید (> 1000 درجه سانتیگراد) به دمای بسیار بالایی نیاز دارد ، بنابراین بخاری های ویژه و دارندگان ویفر مورد نیاز است. مسائل مربوط به عدم تطابق در ضریب ثابت و گسترش شبکه ، رشد III-V در سیلیکون را به یک موضوع تحقیق و توسعه فعال تبدیل می کند.

● آنتیموان: برای نیمه هادی های III-SB ، برای جلوگیری از دفع سطح ، باید از دمای پایین بستر استفاده شود. "عدم کنگره" در دماهای بالا نیز ممکن است رخ دهد ، جایی که ممکن است یک گونه اتمی ترجیحاً تبخیر شود تا مواد غیر استوکیومتری را ترک کند.

●  فسفر: برای آلیاژهای III-P، فسفر در داخل محفظه رسوب می‌کند که نیاز به یک فرآیند تمیز کردن زمان‌بر دارد که ممکن است دوره‌های کوتاه تولید را غیرقابل تحمل کند.

رسوب بخار شیمیایی فلزی و ارگانیک

راکتور MOCVD دارای یک محفظه واکنش با دمای بالا و خنک کننده با آب است. بسترها بر روی یک گیرنده گرافیت قرار می‌گیرند که توسط گرمایش RF، مقاومتی یا IR گرم می‌شود. گازهای معرف به صورت عمودی به محفظه فرآیند بالای بسترها تزریق می شوند. یکنواختی لایه با بهینه سازی دما، تزریق گاز، جریان کل گاز، چرخش گیرنده و فشار حاصل می شود. گازهای حامل یا هیدروژن یا نیتروژن هستند.

برای رسوب لایه های اپیتاکسیال ، MOCVD از پیش سازهای فلزی-آلی بسیار با خلوص بالا مانند Trimethylgallium برای گالیم یا تری متیل آلومینیوم برای آلومینیوم برای عناصر گروه III و گازهای هیدرید (آرسین و فسفین) برای عناصر گروه V استفاده می کند. ارگانیک های فلزی در حباب های جریان گاز موجود است. غلظت تزریق شده به محفظه فرآیند با توجه به دما و فشار جریان گاز فلزی و آلی و حامل از طریق حباب تعیین می شود.

معرف ها به طور کامل در سطح بستر در دمای رشد تجزیه می شوند و اتم های فلز و محصولات جانبی آلی آزاد می شوند. غلظت معرف ها برای تولید ساختارهای آلیاژی مختلف III-V به همراه یک سیستم سوئیچینگ اجرا/تهویه برای تنظیم مخلوط بخار تنظیم می شود.

بستر معمولاً یک ویفر تک کریستالی از یک ماده نیمه هادی مانند گالیم آرسنید ، فسفید ایندیوم یا یاقوت کبود است. آن را بر روی حساسیت موجود در محفظه واکنش که گازهای پیش ساز تزریق می شوند ، بارگذاری می شود. بخش اعظم ارگانیک های فلزی تبخیر شده و سایر گازها از طریق محفظه رشد گرم شده بدون تغییر حرکت می کنند ، اما مقدار کمی تحت فشار (ترک خوردگی) قرار می گیرد و مواد زیر گونه ای را ایجاد می کند که بر روی سطح بستر داغ جذب می شود. یک واکنش سطح سپس منجر به ترکیب عناصر III-V در یک لایه اپیتاکسیال می شود. از طرف دیگر ، دفع سطح از سطح ممکن است رخ دهد ، با معرفهای بلااستفاده و محصولات واکنش تخلیه شده از محفظه. علاوه بر این ، برخی از پیش سازها ممکن است باعث رشد منفی سطح سطح ، مانند دوپینگ کربن GaAs/Algaas و با منابع اچانت اختصاصی شوند. حساس کننده می چرخد ​​تا از ترکیب و ضخامت مداوم اپیتاکسی اطمینان حاصل شود.

دمای رشد مورد نیاز در راکتور MOCVD در درجه اول توسط تجزیه در اثر حرارت مورد نیاز پیش سازها تعیین می شود و سپس با توجه به تحرک سطح بهینه می شود. نرخ رشد توسط فشار بخار منابع فلزی-آلی گروه III در حباب‌ها تعیین می‌شود. انتشار سطحی تحت تأثیر مراحل اتمی روی سطح قرار می گیرد، که اغلب به همین دلیل از بسترهای نادرست استفاده می شود. رشد روی بسترهای سیلیکونی به مراحل بسیار با دمای بالا نیاز دارد تا از دفع اکسید (بیش از 1000 درجه سانتیگراد) اطمینان حاصل شود که نیاز به گرمکن های تخصصی و نگهدارنده های بستر ویفر دارند.

فشار خلاء و هندسه راکتور به این معنی است که تکنیک های نظارت در محل در مورد MBE متفاوت است ، به طوری که MBE به طور کلی گزینه های بیشتری و پیکربندی دارد. برای MOCVD ، از پیرومتری اصلاح شده برای انتشار برای اندازه گیری دمای سطح ویفر (بر خلاف اندازه گیری از راه دور ، ترموکوپل) استفاده می شود. بازتاب اجازه می دهد تا زباله سطح و سرعت رشد اپیتاکسیال مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. کمان ویفر با بازتاب لیزر اندازه گیری می شود. و غلظت ارگانومتری را می توان از طریق نظارت بر گاز اولتراسونیک اندازه گیری کرد تا دقت و تکرارپذیری فرآیند رشد را افزایش دهد.

به طور معمول ، آلیاژهای حاوی آلومینیوم در دماهای بالاتر (> 650 درجه سانتیگراد) رشد می کنند ، در حالی که لایه های حاوی فسفور در دماهای پایین تر (<650 درجه سانتیگراد) رشد می کنند ، با استثنائات احتمالی برای ALINP. برای آلیاژهای Alingaas و INGAASP ، که برای کاربردهای مخابراتی استفاده می شود ، تفاوت در دمای ترک خوردگی آرسین باعث می شود کنترل فرآیند ساده تر از فسفین باشد. با این حال ، برای رشد مجدد اپیتاکسیال ، جایی که لایه های فعال در آن قرار می گیرند ، فسفین ترجیح داده می شود. برای مواد آنتی مونید ، ترکیب کربن غیر عمدی (و به طور کلی ناخواسته) در ALSB رخ می دهد ، به دلیل عدم وجود یک منبع پیش ساز مناسب ، انتخاب آلیاژها و بنابراین جذب رشد آنتیمونید توسط MOCVD.

برای لایه های بسیار متلاشی ، به دلیل توانایی در استفاده معمول از مواد آرسنید و فسفید ، تعادل کرنش و جبران خسارت امکان پذیر است ، مانند موانع GAASP و چاه های کوانتومی Ingaas (QWS).

خلاصه

MBE به طور کلی گزینه های نظارت در محل بیشتری نسبت به MOCVD دارد. رشد اپیتاکسیال توسط نرخ شار و دمای بستر تنظیم می‌شود که به طور جداگانه کنترل می‌شوند، همراه با نظارت درجا که امکان درک بسیار واضح‌تر و مستقیم‌تر از فرآیندهای رشد را فراهم می‌کند.

MOCVD یک تکنیک بسیار همه کاره است که می تواند برای رسوب گذاری طیف گسترده ای از مواد، از جمله نیمه هادی های ترکیبی، نیتریدها و اکسیدها، با تغییر ترکیب شیمیایی پیش ساز استفاده شود. کنترل دقیق فرآیند رشد امکان ساخت دستگاه های نیمه هادی پیچیده با ویژگی های مناسب برای کاربردهای الکترونیک، فوتونیک و اپتوالکترونیک را فراهم می کند. زمان تمیز کردن محفظه MOCVD سریعتر از MBE است.

MOCVD برای رشد مجدد لیزرهای بازخورد توزیع‌شده (DFBs)، دستگاه‌های ناهم‌ساختار مدفون، و موجبرهای متصل به لبه‌دار عالی است. این ممکن است شامل حکاکی درجا نیمه هادی باشد. بنابراین، MOCVD برای یکپارچه سازی InP یکپارچه ایده آل است. اگرچه ادغام یکپارچه در GaAs در مراحل ابتدایی خود است، MOCVD رشد ناحیه انتخابی را امکان پذیر می کند، جایی که مناطق پوشانده شده دی الکتریک به فضاسازی طول موج های انتشار/جذب کمک می کنند. انجام این کار با MBE دشوار است، جایی که رسوبات پلی کریستال می توانند روی ماسک دی الکتریک ایجاد شوند.

به طور کلی، MBE روش رشد انتخابی برای مواد Sb و MOCVD انتخابی برای مواد P است. هر دو تکنیک رشد قابلیت های مشابهی برای مواد مبتنی بر As دارند. بازارهای سنتی فقط MBE، مانند لوازم الکترونیکی، اکنون می توانند به همان اندازه با رشد MOCVD خدمت کنند. با این حال، برای ساختارهای پیشرفته تر، مانند لیزرهای کوانتومی و آبشاری کوانتومی، MBE اغلب برای اپیتاکسی پایه ترجیح داده می شود. اگر نیاز به رشد مجدد اپیتاکسیال باشد، به دلیل انعطاف پذیری حکاکی و پوشاندن، به طور کلی MOCVD ترجیح داده می شود.