Apa perbedaan antara teknologi MBE dan MOCVD?

Baik Epitaxy Beam Molecular (MBE) dan reaktor logam-organik uap uap (MOCVD) beroperasi di lingkungan kamar bersih dan menggunakan set alat metrologi yang sama untuk karakterisasi wafer. MBE sumber-padat menggunakan prekursor elemen dengan kemurnian tinggi yang dipanaskan dalam sel efusi untuk membuat balok molekuler untuk memungkinkan pengendapan (dengan nitrogen cair yang digunakan untuk pendinginan). Sebaliknya, MOCVD adalah proses uap kimia, menggunakan sumber-sumber gas yang sangat murni untuk memungkinkan pengendapan, dan membutuhkan penyerahan dan pengurangan gas beracun. Kedua teknik dapat menghasilkan epitaxy yang identik dalam beberapa sistem material, seperti arsenides. Pilihan satu teknik di atas yang lain untuk bahan, proses, dan pasar tertentu dibahas.

Epitaks balok molekul

Reaktor MBE biasanya terdiri dari ruang transfer sampel (terbuka ke udara, untuk memungkinkan substrat wafer dimuat dan dibongkar) dan ruang pertumbuhan (biasanya disegel, dan hanya terbuka ke udara untuk pemeliharaan) di mana substrat ditransfer untuk pertumbuhan epitaxial pertumbuhan . Reaktor MBE beroperasi dalam kondisi vakum ultra-tinggi (UHV) untuk mencegah kontaminasi dari molekul udara. Ruang dapat dipanaskan untuk mempercepat evakuasi kontaminan ini jika ruang telah terbuka ke udara.

Seringkali, bahan sumber epitaks dalam reaktor MBE adalah semikonduktor atau logam padat. Ini dipanaskan di luar titik leleh mereka (mis. Penguapan bahan sumber) dalam sel efusi. Di sini, atom atau molekul didorong ke dalam ruang vakum MBE melalui aperture kecil, yang memberikan balok molekul yang sangat terarah. Ini menimpa substrat yang dipanaskan; Biasanya terbuat dari bahan kristal tunggal seperti silikon, gallium arsenide (GaAs) atau semikonduktor lainnya. Asalkan molekul tidak desorb, mereka akan berdifusi pada permukaan substrat, mempromosikan pertumbuhan epitaxial. Epitaxy kemudian dibangun lapisan demi lapis, dengan komposisi dan ketebalan masing-masing lapisan dikendalikan untuk mencapai sifat optik dan listrik yang diinginkan.

Substrat dipasang secara terpusat, di dalam ruang pertumbuhan, pada dudukan berpemanas yang dikelilingi oleh cryoshield, menghadap sel efusi dan sistem penutup. Penahannya berputar untuk memberikan deposisi yang seragam dan ketebalan epitaksial. Cryoshield adalah pelat berpendingin nitrogen cair yang memerangkap kontaminan dan atom di dalam ruangan yang sebelumnya tidak ditangkap pada permukaan substrat. Kontaminan dapat berasal dari desorpsi substrat pada suhu tinggi atau karena ‘pengisian berlebih’ dari berkas molekul.

Ruang reaktor MBE dengan vakum sangat tinggi memungkinkan alat pemantauan di tempat digunakan untuk mengontrol proses pengendapan. Difraksi elektron energi tinggi refleksi (RHEED) digunakan untuk memantau permukaan pertumbuhan. Reflektansi laser, pencitraan termal, dan analisis kimia (spektrometri massa, spektrometri Auger) menganalisis komposisi bahan yang diuapkan. Sensor lain digunakan untuk mengukur suhu, tekanan, dan laju pertumbuhan untuk menyesuaikan parameter proses secara real-time.

Tingkat pertumbuhan dan penyesuaian

Laju pertumbuhan epitaxial, yang biasanya sekitar sepertiga dari monolayer (0,1nm, 1å) per detik, dipengaruhi oleh laju fluks (jumlah atom yang tiba di permukaan substrat, dikendalikan oleh suhu sumber) dan suhu substrat (yang mempengaruhi sifat difusif atom pada permukaan substrat dan desorpsi, dikendalikan oleh panas substrat). Parameter ini disesuaikan secara independen dan dipantau dalam reaktor MBE, untuk mengoptimalkan proses epitaxial.

Dengan mengendalikan tingkat pertumbuhan dan pasokan bahan yang berbeda menggunakan sistem rana mekanis, paduan terner dan kuaterner dan struktur multi-lapisan dapat ditumbuhkan dengan andal dan berulang kali. Setelah deposisi, substrat didinginkan secara perlahan untuk menghindari tegangan termal dan diuji untuk mengkarakterisasi struktur dan sifat kristalnya.

Karakteristik material untuk MBE

Ciri-ciri sistem material III-V yang digunakan pada MBE adalah:

● Silikon: Pertumbuhan pada substrat silikon membutuhkan suhu yang sangat tinggi untuk memastikan desorpsi oksida (> 1000 ° C), sehingga pemanas spesialis dan pemegang wafer diperlukan. Masalah seputar ketidakcocokan dalam koefisien konstan dan ekspansi membuat pertumbuhan III-V pada silikon topik R&D aktif.

● Antimon: Untuk semikonduktor III-Sb, suhu substrat yang rendah harus digunakan untuk menghindari desorpsi dari permukaan. 'Non-kongruensi' pada suhu tinggi juga dapat terjadi, di mana satu spesies atom lebih disukai diuapkan untuk meninggalkan material non-stoikiometri.

●  Fosfor: Untuk paduan III-P, fosfor akan disimpan di bagian dalam ruang, sehingga memerlukan proses pembersihan yang memakan waktu yang mungkin membuat produksi jangka pendek tidak dapat dijalankan.

Deposisi uap kimia logam-organik

Reaktor MOCVD memiliki ruang reaksi suhu tinggi, berpendingin air. Substrat diposisikan pada kerentanan grafit yang dipanaskan oleh RF, resistif atau pemanasan IR. Gas reagen disuntikkan secara vertikal ke ruang proses di atas substrat. Keseragaman lapisan dicapai dengan mengoptimalkan suhu, injeksi gas, aliran gas total, rotasi dan tekanan kerentanan. Gas pembawa adalah hidrogen atau nitrogen.

Untuk menyimpan lapisan epitaxial, MOCVD menggunakan prekursor logam-organik sangat tinggi seperti trimethylgallium untuk gallium atau trimethylaluminium untuk aluminium untuk elemen kelompok-III dan gas hidrida (arsine dan fosfin) untuk elemen kelompok-V. Logam-organik terkandung dalam bubbler aliran gas. Konsentrasi yang disuntikkan ke ruang proses ditentukan oleh suhu dan tekanan aliran logam-organik dan pembawa melalui bubbler.

Reagen terurai sempurna pada permukaan substrat pada suhu pertumbuhan, melepaskan atom logam dan produk samping organik. Konsentrasi reagen disesuaikan untuk menghasilkan struktur paduan III-V yang berbeda, bersama dengan sistem peralihan run/vent untuk menyesuaikan campuran uap.

Substrat biasanya berupa wafer kristal tunggal dari bahan semikonduktor seperti galium arsenida, indium fosfida, atau safir. Ini dimuat ke susceptor di dalam ruang reaksi di mana gas prekursor disuntikkan. Sebagian besar logam-organik dan gas-gas lain yang diuapkan bergerak melalui ruang pertumbuhan yang dipanaskan tanpa perubahan, namun sejumlah kecil mengalami pirolisis (retak), menciptakan bahan subspesies yang menyerap ke permukaan substrat panas. Reaksi permukaan kemudian menghasilkan penggabungan unsur III-V ke dalam lapisan epitaksial. Alternatifnya, desorpsi dari permukaan dapat terjadi, dengan reagen yang tidak terpakai dan produk reaksi dievakuasi dari ruangan. Selain itu, beberapa prekursor dapat menyebabkan ‘pertumbuhan negatif’ pada etsa permukaan, seperti pada doping karbon GaAs/AlGaAs, dan dengan sumber etsa khusus. Susceptor berputar untuk memastikan komposisi dan ketebalan epitaksi yang konsisten.

Suhu pertumbuhan yang diperlukan dalam reaktor MOCVD terutama ditentukan oleh pirolisis yang diperlukan dari prekursor, dan kemudian dioptimalkan mengenai mobilitas permukaan. Laju pertumbuhan ditentukan oleh tekanan uap dari sumber logam-organik kelompok-III di Bubblers. Difusi permukaan dipengaruhi oleh langkah -langkah atom di permukaan, dengan substrat yang salah orientasi sering digunakan karena alasan ini. Pertumbuhan pada substrat silikon membutuhkan tahap suhu yang sangat tinggi untuk memastikan desorpsi oksida (> 1000 ° C), menuntut pemanas spesialis dan pemegang substrat wafer.

Tekanan vakum dan geometri reaktor berarti bahwa teknik pemantauan di tempat berbeda dengan teknik MBE, dan MBE umumnya memiliki lebih banyak pilihan dan kemampuan konfigurasi. Untuk MOCVD, pirometri yang dikoreksi emisivitas digunakan untuk pengukuran suhu permukaan wafer secara in-situ (berlawanan dengan pengukuran termokopel jarak jauh); reflektifitas memungkinkan kekasaran permukaan dan laju pertumbuhan epitaksial dianalisis; busur wafer diukur dengan refleksi laser; dan konsentrasi organologam yang disuplai dapat diukur melalui pemantauan gas ultrasonik, untuk meningkatkan akurasi dan reproduktifitas proses pertumbuhan.

Biasanya, paduan yang mengandung aluminium ditanam pada suhu yang lebih tinggi (>650°C), sedangkan lapisan yang mengandung fosfor ditanam pada suhu yang lebih rendah (<650°C), dengan kemungkinan pengecualian untuk AlInP. Untuk paduan AlInGaAs dan InGaAsP, yang digunakan untuk aplikasi telekomunikasi, perbedaan suhu retak arsin membuat kontrol proses lebih sederhana dibandingkan fosfin. Namun, untuk pertumbuhan kembali epitaksi, dimana lapisan aktif tergores, fosfin lebih disukai. Untuk bahan antimonida, terjadi penggabungan karbon yang tidak disengaja (dan umumnya tidak diinginkan) ke dalam AlSb, karena kurangnya sumber prekursor yang tepat, terbatasnya pilihan paduan dan penyerapan pertumbuhan antimonida oleh MOCVD.

Untuk lapisan yang sangat tegang, karena kemampuan untuk secara rutin memanfaatkan bahan arsenida dan fosfida, penyeimbangan regangan dan kompensasi dapat dilakukan, seperti untuk penghalang GaAsP dan sumur kuantum InGaAs (QWs).

Ringkasan

MBE umumnya memiliki lebih banyak opsi pemantauan in-situ daripada MOCVD. Pertumbuhan epitaxial disesuaikan dengan laju fluks dan suhu substrat, yang dikontrol secara terpisah, dengan pemantauan in-situ yang terkait memungkinkan pemahaman yang lebih jelas, langsung, tentang proses pertumbuhan.

MOCVD adalah teknik serbaguna yang dapat digunakan untuk menyimpan berbagai bahan, termasuk senyawa semikonduktor, nitrida, dan oksida, dengan memvariasikan kimia prekursor. Kontrol yang tepat terhadap proses pertumbuhan memungkinkan pembuatan perangkat semikonduktor kompleks dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi dalam elektronik, fotonik, dan optoelektronik. Waktu pembersihan ruang MOCVD lebih cepat daripada MBE.

MOCVD sangat baik untuk laser yang didistribusikan kembali (DFBS), perangkat heterostruktur terkubur, dan pandu gelombang butt-jointed. Ini mungkin termasuk etsa in-situ semikonduktor. Oleh karena itu, MOCVD ideal untuk integrasi INP monolitik. Meskipun integrasi monolitik di GAAS masih dalam masa pertumbuhan, MOCVD memungkinkan pertumbuhan area selektif, di mana area bertopeng dielektrik membantu ruang -panjang gelombang emisi/penyerapan. Ini sulit dilakukan dengan MBE, di mana endapan polikristal dapat terbentuk pada topeng dielektrik.

Secara umum, MBE adalah metode pertumbuhan pilihan untuk bahan SB dan MOCVD adalah pilihan untuk bahan P. Kedua teknik pertumbuhan memiliki kemampuan yang sama untuk bahan berbasis AS. Pasar tradisional MBE, seperti elektronik, sekarang dapat dilayani sama baiknya dengan pertumbuhan MOCVD. Namun, untuk struktur yang lebih maju, seperti titik kuantum dan laser kaskade kuantum, MBE sering lebih disukai untuk epitaks dasar. Jika pertumbuhan kembali epitaxial diperlukan, maka MOCVD umumnya lebih disukai, karena fleksibilitas etsa dan menutupi.