Які відмінності між технологіями MBE і MOCVD?

І реактори молекулярно-променевої епітаксії (MBE), і реактори металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD) працюють у чистих приміщеннях і використовують той самий набір метрологічних інструментів для визначення характеристик пластин. MBE з твердим джерелом використовує високочисті елементарні прекурсори, нагріті в ефузійних осередках для створення молекулярного пучка для забезпечення можливості осадження (з використанням рідкого азоту для охолодження). Навпаки, MOCVD — це хімічний паровий процес, який використовує надчисті газоподібні джерела для забезпечення можливості осадження, і вимагає передачі токсичного газу та зменшення викидів. Обидва методи можуть виробляти однакову епітаксію в деяких матеріальних системах, таких як арсеніди. Обговорюється вибір однієї техніки над іншою для конкретних матеріалів, процесів і ринків.

Молекулярно-променева епітаксія

Реактор MBE зазвичай складається з камери для перенесення зразків (відкритої для повітря, щоб можна було завантажувати та вивантажувати підкладки для пластин) і камери для вирощування (зазвичай герметичної та відкритої для повітря лише для технічного обслуговування), куди підкладка переноситься для епітаксійного росту. . Реактори MBE працюють в умовах надвисокого вакууму (UHV), щоб запобігти забрудненню молекулами повітря. Камеру можна нагріти, щоб прискорити евакуацію цих забруднень, якщо камера була відкрита для повітря.

Часто вихідними матеріалами епітаксії в реакторі MBE є тверді напівпровідники або метали. Вони нагріваються до точки плавлення (тобто випаровування вихідного матеріалу) в ефузійних камерах. Тут атоми або молекули заганяються у вакуумну камеру MBE через невеликий отвір, який дає чітко спрямований молекулярний промінь. Це впливає на нагріту підкладку; зазвичай виготовлені з монокристалічних матеріалів, таких як кремній, арсенід галію (GaAs) або інші напівпровідники. За умови, що молекули не десорбуються, вони будуть дифундувати на поверхні підкладки, сприяючи епітаксійному росту. Потім епітаксія наноситься шар за шаром, причому склад і товщина кожного шару контролюються для досягнення бажаних оптичних і електричних властивостей.

Субстрат встановлюється по центру, у камері росту, на тримачі з підігрівом, оточеному кріозахисними екранами, зверненою до клітин випоту та системи затворів. Тримач обертається для забезпечення рівномірного осадження та епітаксіальної товщини. Кріозахисні екрани являють собою охолоджувані рідким азотом пластини, які затримують забруднення та атоми в камері, які раніше не були захоплені на поверхні підкладки. Забруднювачі можуть бути внаслідок десорбції підкладки при високих температурах або через «переповнення» молекулярним пучком.

Камера реактора MBE з надвисоким вакуумом дозволяє використовувати інструменти моніторингу на місці для контролю процесу осадження. Дифракція високоенергетичних електронів на відбиття (RHEED) використовується для моніторингу поверхні росту. Лазерне відображення, тепловізор і хімічний аналіз (мас-спектрометрія, оже-спектрометрія) аналізують склад випареного матеріалу. Інші датчики використовуються для вимірювання температури, тиску та швидкості росту з метою коригування параметрів процесу в режимі реального часу.

Швидкість росту та коригування

Швидкість епітаксіального росту, яка зазвичай становить приблизно третину моношару (0,1 нм, 1Å) за секунду, залежить від швидкості потоку (кількість атомів, що надходять на поверхню підкладки, що контролюється температурою джерела) і температури підкладки. (що впливає на дифузійні властивості атомів на поверхні підкладок і їх десорбцію, що контролюється теплом підкладки). Ці параметри незалежно регулюються та контролюються в реакторі MBE для оптимізації епітаксійного процесу.

Контролюючи швидкість росту та подачу різних матеріалів за допомогою механічної системи затвора, можна надійно та багаторазово вирощувати потрійні та четвертинні сплави та багатошарові структури. Після осадження підкладку повільно охолоджують, щоб уникнути термічного навантаження, і перевіряють її кристалічну структуру та властивості.

Характеристики матеріалу для МВЕ

Характеристики систем матеріалів III-V, що використовуються в MBE, такі:

●  Силікон: Вирощування на кремнієвих підкладках вимагає дуже високих температур для забезпечення десорбції оксиду (>1000°C), тому потрібні спеціальні нагрівачі та тримачі для пластин. Проблеми, пов’язані з невідповідністю постійної решітки та коефіцієнта розширення, роблять ріст III-V на кремнії активною темою досліджень і розробок.

●  Сурма: Для напівпровідників III-Sb необхідно використовувати низькі температури підкладки, щоб уникнути десорбції з поверхні. Також може виникнути «неконгруентність» при високих температурах, коли один атомний вид може переважно випаровуватися, залишаючи нестехіометричні матеріали.

●  Фосфор: Для сплавів III-P фосфор буде відкладатися всередині камери, що вимагає тривалого процесу очищення, який може зробити короткі виробничі цикли нежиттєздатними.

Металоорганічне хімічне осадження з газової фази

Реактор MOCVD має високотемпературну реакційну камеру з водяним охолодженням. Субстрати розташовуються на графітовому токоприймачі, що нагрівається радіочастотним, резистивним або інфрачервоним нагріванням. Гази-реагенти впорскуються вертикально в технологічну камеру над підкладками. Рівномірність шару досягається шляхом оптимізації температури, впорскування газу, загального потоку газу, обертання токоприймача та тиску. Гази-носії - водень або азот.

Для нанесення епітаксійних шарів MOCVD використовує металоорганічні прекурсори дуже високої чистоти, такі як триметилгалій для галію або триметилалюміній для алюмінію для елементів III групи та гідридні гази (арсин і фосфін) для елементів V групи. Металоорганіка міститься в барботерах потоку газу. Концентрація, що вводиться в технологічну камеру, визначається температурою і тиском потоку металоорганіки і газу-носія через барботер.

Реагенти повністю розкладаються на поверхні підкладки при температурі росту, звільняючи атоми металу та органічні побічні продукти. Концентрація реагентів регулюється для отримання різних структур сплаву III-V разом із системою перемикання подачі/вентиляції для регулювання суміші парів.

Зазвичай підкладкою є монокристалічна пластина з напівпровідникового матеріалу, такого як арсенід галію, фосфід індію або сапфір. Його завантажують на токоприймач у реакційній камері, над якою вводять гази-попередники. Значна частина випаровуваної металоорганіки та інших газів проходить через нагріту камеру росту без змін, але невелика кількість піддається піролізу (крекінгу), утворюючи підвиди матеріалів, які поглинаються поверхнею гарячої підкладки. Потім поверхнева реакція призводить до включення елементів III-V в епітаксіальний шар. Крім того, може відбуватися десорбція з поверхні, коли невикористані реагенти та продукти реакції виводяться з камери. Крім того, деякі прекурсори можуть викликати «негативне зростання» травлення поверхні, наприклад, легування вуглецем GaAs/AlGaAs, а також спеціальні джерела травлення. Суцептор обертається, щоб забезпечити постійний склад і товщину епітаксії.

Температура росту, необхідна в реакторі MOCVD, насамперед визначається необхідним піролізом прекурсорів, а потім оптимізується щодо рухливості поверхні. Швидкість росту визначається тиском пари металоорганічних джерел III групи в барботерах. На поверхневу дифузію впливають атомні сходинки на поверхні, з цієї причини часто використовуються неправильно орієнтовані підкладки. Вирощування на кремнієвих підкладках вимагає дуже високотемпературних етапів для забезпечення десорбції оксиду (>1000 °C), вимогливих спеціальних нагрівачів і тримачів підкладок для пластин.

Вакуумний тиск і геометрія реактора означають, що методи моніторингу на місці відрізняються від методів MBE, причому MBE, як правило, має більше опцій і можливостей налаштування. Для MOCVD пірометрія з поправкою на випромінювальну здатність використовується для вимірювання температури поверхні пластини на місці (на відміну від дистанційного вимірювання за допомогою термопари); відбивна здатність дозволяє проаналізувати шорсткість поверхні та швидкість епітаксіального росту; вафельний бантик вимірюється лазерним відбиттям; і концентрації металоорганічних сполук, що подаються, можна виміряти за допомогою ультразвукового моніторингу газу, щоб підвищити точність і відтворюваність процесу росту.

Як правило, сплави, що містять алюміній, вирощують при вищих температурах (>650°C), тоді як шари, що містять фосфор, вирощують при нижчих температурах (<650°C), за можливим винятком для AlInP. Для сплавів AlInGaAs і InGaAsP, які використовуються в телекомунікаційних додатках, різниця в температурі крекінгу арсину робить процес керування простішим, ніж для фосфіну. Однак для епітаксійного повторного нарощування, де активні шари витравлені, кращим є фосфін. Для антимонідних матеріалів відбувається ненавмисне (і загалом небажане) включення вуглецю в AlSb через відсутність відповідного джерела прекурсора, що обмежує вибір сплавів і, отже, поглинання зростання антимоніду MOCVD.

Для сильно напружених шарів, завдяки можливості регулярного використання арсенідних і фосфідних матеріалів, можливе балансування та компенсація деформацій, наприклад, для бар’єрів GaAsP і квантових ям (КЯ) InGaAs.

Резюме

MBE зазвичай має більше можливостей моніторингу на місці, ніж MOCVD. Епітаксійне зростання регулюється за допомогою швидкості потоку та температури підкладки, які окремо контролюються, з відповідним моніторингом на місці, що дозволяє набагато чіткіше, безпосереднє розуміння процесів росту.

MOCVD — це дуже універсальна техніка, яку можна використовувати для осадження широкого діапазону матеріалів, включаючи складні напівпровідники, нітриди та оксиди, змінюючи хімічний склад прекурсорів. Точний контроль процесу росту дозволяє виготовляти складні напівпровідникові пристрої з індивідуальними властивостями для застосування в електроніці, фотоніці та оптоелектроніці. Час очищення камери MOCVD швидший, ніж MBE.

MOCVD чудово підходить для відновлення лазерів із розподіленим зворотним зв’язком (DFB), пристроїв із захованою гетероструктурою та хвилеводів, з’єднаних встик. Це може включати травлення напівпровідника на місці. Таким чином, MOCVD ідеально підходить для монолітної інтеграції InP. Хоча монолітна інтеграція в GaAs знаходиться в зародковому стані, MOCVD забезпечує селективне зростання області, де діелектричні замасковані області допомагають розподілити довжини хвиль випромінювання/поглинання. Це важко зробити з MBE, де полікристалічні відкладення можуть утворюватися на діелектричній масці.

Загалом MBE є методом вибору для Sb матеріалів, а MOCVD є вибором для P матеріалів. Обидві методи вирощування мають однакові можливості для матеріалів на основі As. Традиційні ринки лише MBE, такі як електроніка, тепер можуть однаково добре обслуговуватися завдяки зростанню MOCVD. Однак для більш просунутих структур, таких як квантово-точкові та квантово-каскадні лазери, MBE часто є кращим для базової епітаксії. Якщо потрібне епітаксіальне відростання, то перевага віддається MOCVD завдяки його гнучкості травлення та маскування.