Каковы различия между технологиями MBE и MOCVD?

Реакторы как для молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), так и для химического осаждения металлоорганических соединений (MOCVD) работают в чистых помещениях и используют один и тот же набор метрологических инструментов для определения характеристик пластин. В методе MBE с твердым источником используются элементарные предшественники высокой чистоты, нагретые в эффузионных ячейках для создания молекулярного луча, обеспечивающего осаждение (с жидким азотом, используемым для охлаждения). Напротив, MOCVD представляет собой химический паровой процесс, в котором для осаждения используются сверхчистые газообразные источники, и он требует обращения с токсичными газами и борьбы с ними. Оба метода могут обеспечить идентичную эпитаксию в некоторых системах материалов, таких как арсениды. Обсуждается выбор одной технологии над другой для конкретных материалов, процессов и рынков.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Реактор MBE обычно включает в себя камеру переноса образца (открытую в воздух, чтобы позволить загрузке и разгрузке пластин) и камеру роста (обычно герметизированная и открытая только для воздуха для технического обслуживания), где субстрат переносится для эпитаксиального роста Полем Реакторы MBE работают в условиях сверхвысокого вакуума (UHV), чтобы предотвратить загрязнение молекул воздуха. Камера может быть нагрета, чтобы ускорить эвакуацию этих загрязняющих веществ, если камера была открыта для воздуха.

Часто исходными материалами эпитаксии в реакторе МПЭ являются твердые полупроводники или металлы. Они нагреваются выше точки плавления (т.е. испарения исходного материала) в эффузионных камерах. Здесь атомы или молекулы подаются в вакуумную камеру МЛЭ через небольшое отверстие, которое создает узконаправленный молекулярный луч. Это воздействует на нагретую подложку; обычно изготавливаются из монокристаллических материалов, таких как кремний, арсенид галлия (GaAs) или других полупроводников. При условии, что молекулы не десорбируются, они будут диффундировать по поверхности подложки, способствуя эпитаксиальному росту. Затем эпитаксия наносится слой за слоем, при этом состав и толщина каждого слоя контролируются для достижения желаемых оптических и электрических свойств.

Подложку монтируют в центре камеры выращивания на нагреваемом держателе, окруженном криоэкранами, лицом к эффузионным ячейкам и системе заслонок. Держатель вращается, обеспечивая равномерное осаждение и эпитаксиальную толщину. Криоэкраны представляют собой пластины, охлаждаемые жидким азотом, которые улавливают в камере загрязняющие вещества и атомы, которые ранее не были захвачены на поверхности подложки. Загрязнения могут возникать в результате десорбции подложки при высоких температурах или в результате «избыточного заполнения» молекулярным лучом.

Камера реактора MBE со сверхвысоким вакуумом позволяет использовать инструменты мониторинга на месте для управления процессом осаждения. Дифракция быстрых электронов на отражение (RHEED) используется для контроля поверхности роста. Лазерное отражение, тепловидение и химический анализ (масс-спектрометрия, оже-спектрометрия) анализируют состав испаряемого материала. Другие датчики используются для измерения температуры, давления и скорости роста с целью корректировки параметров процесса в режиме реального времени.

Скорость роста и корректировка

Скорость эпитаксиального роста, которая обычно составляет около трети монослоя (0,1 нм, 1 Å) в секунду, зависит от скорости потока (количества атомов, прибывающих на поверхность подложки, контролируемого температурой источника) и температуры подложки. (что влияет на диффузионные свойства атомов на поверхности подложек и их десорбцию, контролируемую теплом подложки). Эти параметры независимо регулируются и контролируются в реакторе MBE для оптимизации эпитаксиального процесса.

Контролируя темпы роста и поставку различных материалов, используя систему механической затвора, тройные и четвертичные сплавы и многослойные структуры можно выращивать надежно и многократно. После осаждения подложка медленно охлаждается, чтобы избежать теплового напряжения, и испытывают, чтобы охарактеризовать его кристаллическую структуру и свойства.

Характеристики материала для MBE

Характеристики систем материалов III-V, используемых в MBE:

● Кремний: Рост на кремниевых подложках требует очень высоких температур для обеспечения десорбции оксидов (> 1000°C), поэтому требуются специальные нагреватели и держатели пластин. Проблемы, связанные с несоответствием постоянной решетки и коэффициента расширения, делают рост III-V на кремнии активной темой исследований и разработок.

●  Сурьма: Для полупроводников III-SB низкие температуры субстрата должны использоваться, чтобы избежать десорбции с поверхности. «Незащитное соглашение» также может возникнуть при высоких температурах, когда один атомный вид может быть преимущественно испариваться, чтобы оставить нестехиометрические материалы.

● Фосфор: Для сплавов III-P фосфор будет откладываться внутри камеры, что потребует трудоемкого процесса очистки, что может сделать короткие производственные циклы нецелесообразными.

Металлическая операционная химическая отложение паров

Реактор MOCVD имеет высокотемпературную реакционную камеру с водяным охлаждением. Подложки располагаются на графитовом токоприемнике, нагреваемом радиочастотным, резистивным или ИК-нагревом. Газы-реагенты впрыскиваются вертикально в технологическую камеру над подложками. Однородность слоя достигается за счет оптимизации температуры, впрыска газа, общего расхода газа, вращения токоприемника и давления. Газами-носителями являются водород или азот.

Для нанесения эпитаксиальных слоев методом MOCVD используются металлоорганические предшественники очень высокой чистоты, такие как триметилгаллий для галлия или триметилалюминий для алюминия для элементов III группы и гидридные газы (арсин и фосфин) для элементов V группы. Металлоорганика содержится в барботерах газового потока. Концентрация, вводимая в технологическую камеру, определяется температурой и давлением потока металлорганики и газа-носителя через барботер.

Реагенты полностью разлагаются на поверхности подложки при температуре роста, выделяя атомы металлов и органические побочные продукты. Концентрация реагентов регулируется для получения различных структур сплавов III-V, а также используется система переключения режима работы/вентиляции для регулировки паровоздушной смеси.

Субстрат обычно представляет собой однокристаллическую пластину полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, фосфид индий или сапфир. Он загружается на восприимчик в реакционной камере, в которую вводится газы -предшественники. Большая часть испаренной металлоорганики и других газов проходит через камеру нагретого роста неизменной, но небольшое количество подвергается пиролизу (растрескивание), создавая подвиды, которые поглощаются на поверхности горячего подложки. Поверхностная реакция приводит к включению элементов III-V в эпитаксиальный слой. В качестве альтернативы могут возникнуть десорбция с поверхности, с неиспользованными реагентами и продуктами реакции, эвакуированными из камеры. Кроме того, некоторые предшественники могут вызвать «отрицательный рост» травление поверхности, например, в допинге углерода GaAs/Algaas, и с выделенными источниками травления. Поразитель вращается, чтобы обеспечить последовательный состав и толщины эпитаксии.

Температура роста, необходимая в реакторе MOCVD, в первую очередь определяется требуемым пиролизом предшественников, а затем оптимизируется в отношении подвижности поверхности. Скорость роста определяется давлением паров в металлических источниках группы III у бабблеров. Поверхностная диффузия влияет атомные ступени на поверхности, при этом по этой причине часто используются разоваченные субстраты. Рост на кремниевых субстратах требует очень высокотемпературных стадий, чтобы обеспечить десорбцию оксида (> 1000 ° C), требующие специализированных нагревателей и держателей подложки пластин.

Давление вакуума и геометрия реактора означают, что методы мониторинга на месте отличаются от методов MBE, при этом MBE обычно имеет больше возможностей и возможностей настройки. Для MOCVD пирометрия с коррекцией по излучательной способности используется для измерения температуры поверхности пластины на месте (в отличие от дистанционного измерения с помощью термопары); отражательная способность позволяет анализировать шероховатость поверхности и скорость эпитаксиального роста; изгиб пластины измеряется путем отражения лазера; а концентрации подаваемых металлорганических соединений можно измерить с помощью ультразвукового газового мониторинга, чтобы повысить точность и воспроизводимость процесса выращивания.

Обычно алюминийсодержащие сплавы выращиваются при более высоких температурах (>650°С), а фосфорсодержащие слои – при более низких температурах (<650°С), за возможным исключением AlInP. Для сплавов AlInGaAs и InGaAsP, используемых в телекоммуникациях, разница в температуре крекинга арсина упрощает управление процессом, чем для фосфина. Однако для эпитаксиального повторного роста, когда активные слои травятся, предпочтителен фосфин. В случае антимонидных материалов происходит непреднамеренное (и, как правило, нежелательное) внедрение углерода в AlSb из-за отсутствия подходящего источника прекурсора, что ограничивает выбор сплавов и, следовательно, поглощение роста антимонида методом MOCVD.

Для сильно напряженных слоев, благодаря способности регулярно использовать арсенид и фосфидные материалы, возможны балансировка деформации и компенсация, такие как барьеры GAASP и квантовые скважины (QWS).

Краткое содержание

MBE, как правило, имеет больше вариантов мониторинга на месте, чем MOCVD. Эпитаксиальный рост корректируется с помощью скорости потока и температуры субстрата, которые отдельно контролируются, с связанным с этим мониторинг на месте обеспечивает гораздо более четкое, непосредственное понимание процессов роста.

MOCVD - это очень универсальный метод, который можно использовать для отложения широкого спектра материалов, включая составные полупроводники, нитриды и оксиды, путем изменения химии предшественников. Точный контроль процесса роста позволяет изготовление сложных полупроводниковых устройств с индивидуальными свойствами для применений в области электроники, фотоники и оптоэлектроники. Время очистки камеры MOCVD быстрее MBE.

MOCVD отлично подходит для повторного выращивания лазеров с распределенной обратной связью (DFB), устройств со скрытыми гетероструктурами и волноводов с стыковым соединением. Это может включать травление полупроводника на месте. Таким образом, MOCVD идеально подходит для монолитной интеграции InP. Хотя монолитная интеграция в GaAs находится в зачаточном состоянии, MOCVD позволяет избирательно выращивать области, где диэлектрические маскируемые области помогают распределять длины волн излучения/поглощения. Это сложно сделать при МЛЭ, поскольку на диэлектрической маске могут образовываться поликристаллические отложения.

В общем, MBE является предпочтительным методом выращивания для материалов Sb, а MOCVD — для P-материалов. Оба метода выращивания имеют схожие возможности для материалов на основе мышьяка. Традиционные рынки, использующие только MBE, такие как электроника, теперь могут одинаково хорошо обслуживаться с ростом MOCVD. Однако для более совершенных структур, таких как лазеры с квантовыми точками и квантовыми каскадами, MBE часто предпочтительнее в качестве базовой эпитаксии. Если требуется эпитаксиальное повторное выращивание, то обычно предпочтительнее MOCVD из-за его гибкости при травлении и маскировке.