Vilka är skillnaderna mellan MBE- och MOCVD-tekniker?

Både molecular beam epitaxi (MBE) och metall-organisk kemisk ångavsättning (MOCVD) reaktorer fungerar i renrumsmiljöer och använder samma uppsättning metrologiverktyg för waferkarakterisering. MBE från fast källa använder elementära prekursorer av hög renhet som värms upp i effusionsceller för att skapa en molekylär stråle för att möjliggöra avsättning (med flytande kväve som används för kylning). Däremot är MOCVD en kemisk ångprocess som använder ultrarena, gasformiga källor för att möjliggöra avsättning och kräver hantering och minskning av giftig gas. Båda teknikerna kan producera identisk epitaxi i vissa materialsystem, såsom arsenider. Valet av en teknik framför den andra för särskilda material, processer och marknader diskuteras.

Molekylär strålepitaxi

En MBE-reaktor innefattar typiskt en provöverföringskammare (öppen mot luften, för att tillåta att wafersubstrat kan laddas och lossas) och en tillväxtkammare (normalt förseglad och endast öppen mot luften för underhåll) där substratet överförs för epitaxiell tillväxt . MBE-reaktorer arbetar under ultrahögt vakuum (UHV) för att förhindra kontaminering från luftmolekyler. Kammaren kan värmas upp för att påskynda evakueringen av dessa föroreningar om kammaren har varit öppen för luft.

Ofta är källmaterialen för epitaxi i en MBE-reaktor fasta halvledare eller metaller. Dessa värms upp över deras smältpunkter (d.v.s. förångning av källmaterial) i effusionsceller. Här drivs atomer eller molekyler in i MBE-vakuumkammaren genom en liten öppning, vilket ger en starkt riktad molekylstråle. Detta träffar det uppvärmda substratet; vanligtvis gjorda av enkristallmaterial som kisel, galliumarsenid (GaAs) eller andra halvledare. Förutsatt att molekylerna inte desorberar, kommer de att diffundera på substratytan, vilket främjar epitaxiell tillväxt. Epitaxi byggs sedan upp lager för lager, med varje lagers sammansättning och tjocklek kontrollerad för att uppnå de önskade optiska och elektriska egenskaperna.

Substratet är monterat centralt, i tillväxtkammaren, på en uppvärmd hållare omgiven av kryosköldar, vänd mot effusionscellerna och slutarsystemet. Hållaren roterar för att ge enhetlig avsättning och epitaxiell tjocklek. Kryosköldarna är flytande kväve kylda plattor som fångar föroreningar och atomer i kammaren som inte tidigare fångats på substratytan. Föroreningarna kan vara från desorption av substratet vid höga temperaturer eller genom "överfyllning" från den molekylära strålen.

MBE-reaktorkammaren med ultrahögt vakuum gör det möjligt att använda in-situ övervakningsverktyg för att kontrollera deponeringsprocessen. Reflektion med hög energi elektrondiffraktion (RHEED) används för att övervaka tillväxtytan. Laserreflektans, termisk avbildning och kemisk analys (masspektrometri, Auger-spektrometri) analyserar sammansättningen av det förångade materialet. Andra sensorer används för att mäta temperaturer, tryck och tillväxthastigheter för att justera processparametrar i realtid.

Tillväxttakt och anpassning

Den epitaxiella tillväxthastigheten, som vanligtvis är ungefär en tredjedel av ett monolager (0,1nm, 1Å) per sekund, påverkas av flödeshastigheten (antalet atomer som anländer till substratytan, kontrollerat av källtemperaturen) och substrattemperaturen (vilket påverkar atomernas diffusiva egenskaper på substratytan och deras desorption, styrd av substratvärmen). Dessa parametrar justeras och övervakas oberoende av MBE-reaktorn för att optimera den epitaxiella processen.

Genom att kontrollera tillväxthastigheter och tillgången på olika material med hjälp av ett mekaniskt slutarsystem kan ternära och kvartära legeringar och flerskiktsstrukturer odlas tillförlitligt och upprepade gånger. Efter deponering kyls substratet långsamt för att undvika termisk stress och testas för att karakterisera dess kristallina struktur och egenskaper.

Materialegenskaper för MBE

Egenskaperna för III-V materialsystem som används i MBE är:

●  Kisel: Tillväxt på silikonsubstrat kräver mycket höga temperaturer för att säkerställa oxiddesorption (>1000°C), så specialvärmare och waferhållare krävs. Frågor kring obalansen i gitterkonstanten och expansionskoefficienten gör III-V-tillväxt på kisel till ett aktivt FoU-ämne.

●  Antimon: För III-Sb-halvledare måste låga substrattemperaturer användas för att undvika desorption från ytan. "Icke-kongruens" vid höga temperaturer kan också förekomma, där en atomart företrädesvis kan förångas för att lämna icke-stökiometriska material.

●  Fosfor: För III-P-legeringar kommer fosfor att avsättas på insidan av kammaren, vilket kräver en tidskrävande saneringsprocess som kan göra korta produktionsomgångar olämpliga.

Metall-organisk kemisk ångavsättning

MOCVD-reaktorn har en högtemperatur, vattenkyld reaktionskammare. Substraten placeras på en grafitsusceptor som värms upp av antingen RF, resistiv eller IR-uppvärmning. Reagensgaser injiceras vertikalt i processkammaren ovanför substraten. Lagerlikformighet uppnås genom att optimera temperatur, gasinjektion, totalt gasflöde, susceptorrotation och tryck. Bärargaser är antingen väte eller kväve.

För att avsätta epitaxiella skikt använder MOCVD mycket hög renhet metallorganiska prekursorer såsom trimetylgallium för gallium eller trimetylaluminium för aluminium för grupp III-elementen och hydridgaser (arsin och fosfin) för grupp-V-elementen. De organiska metallerna finns i gasflödesbubblare. Koncentrationen som injiceras i processkammaren bestäms av temperaturen och trycket hos det metallorganiska och bärargasflödet genom bubblaren.

Reagenserna sönderdelas helt på substratytan vid tillväxttemperaturen och frigör metallatomer och organiska biprodukter. Koncentrationen av reagens justeras för att producera olika strukturer av III-V-legering, tillsammans med ett växlingssystem för körning/ventilation för att justera ångblandningen.

Substratet är vanligtvis en enkristallskiva av ett halvledarmaterial såsom galliumarsenid, indiumfosfid eller safir. Den laddas på susceptorn i reaktionskammaren över vilken prekursorgaserna injiceras. Mycket av de förångade metallorganiska ämnen och andra gaser färdas genom den uppvärmda tillväxtkammaren oförändrad, men en liten mängd genomgår pyrolys (sprickbildning), vilket skapar underarter som absorberar på ytan av det varma substratet. En ytreaktion resulterar sedan i införlivandet av III-V-elementen i ett epitaxiellt skikt. Alternativt kan desorption från ytan förekomma, med oanvända reagens och reaktionsprodukter evakuerade från kammaren. Dessutom kan vissa prekursorer inducera "negativ tillväxt" etsning av ytan, såsom vid koldopning av GaAs/AlGaAs, och med dedikerade etsmedelskällor. Susceptorn roterar för att säkerställa konsekvent sammansättning och tjocklek av epitaxi.

Tillväxttemperaturen som krävs i MOCVD-reaktorn bestäms i första hand av den erforderliga pyrolysen av prekursorerna och optimeras sedan med avseende på ytmobilitet. Tillväxthastigheten bestäms av ångtrycket för grupp-III metall-organiska källor i bubblorna. Ytdiffusion påverkas av atomära steg på ytan, med felorienterade substrat som ofta används av denna anledning. Tillväxt på kiselsubstrat kräver mycket höga temperaturer för att säkerställa oxiddesorption (>1000°C), krävande specialvärmare och wafersubstrathållare.

Reaktorns vakuumtryck och geometri gör att in-situ övervakningstekniker varierar från MBE, där MBE generellt sett har fler alternativ och konfigurerbarhet. För MOCVD används emissivitetskorrigerad pyrometri för mätning av waferyttemperatur på plats (i motsats till fjärrmätning av termoelement); reflektionsförmågan tillåter ytans uppruggning och den epitaxiella tillväxthastigheten att analyseras; waferbåge mäts genom laserreflektion; och medföljande organometalliska koncentrationer kan mätas via ultraljudsgasövervakning, för att öka noggrannheten och reproducerbarheten av tillväxtprocessen.

Vanligtvis odlas aluminiumhaltiga legeringar vid högre temperaturer (>650°C), medan fosforhaltiga skikt odlas vid lägre temperaturer (<650°C), med möjliga undantag för AlInP. För AlInGaAs och InGaAsP-legeringar, som används för telekomapplikationer, gör skillnaden i krackningstemperaturen för arsin processtyrningen enklare än för fosfin. För epitaxiell återväxt, där de aktiva skikten etsas, föredras emellertid fosfin. För antimonidmaterial inträffar oavsiktlig (och i allmänhet oönskad) kolinkorporering i AlSb, på grund av bristen på en lämplig prekursorkälla, vilket begränsar valet av legeringar och sålunda upptaget av antimonidtillväxt av MOCVD.

För mycket ansträngda skikt, på grund av förmågan att rutinmässigt använda arsenid- och fosfidmaterial, är töjningsbalansering och kompensation möjlig, såsom för GaAsP-barriärer och InGaAs-kvantbrunnar (QW).

Sammanfattning

MBE har generellt fler alternativ för övervakning på plats än MOCVD. Den epitaxiella tillväxten justeras av flödeshastigheten och substrattemperaturen, som kontrolleras separat, med tillhörande in-situ-övervakning som möjliggör en mycket tydligare, direkt förståelse av tillväxtprocesserna.

MOCVD är en mycket mångsidig teknik som kan användas för att deponera ett brett spektrum av material, inklusive sammansatta halvledare, nitrider och oxider, genom att variera prekursorkemin. Exakt kontroll av tillväxtprocessen möjliggör tillverkning av komplexa halvledarenheter med skräddarsydda egenskaper för applikationer inom elektronik, fotonik och optoelektronik. Rengöringstider för MOCVD-kammaren är snabbare än MBE.

MOCVD är utmärkt för återväxt av lasrar med distribuerad återkoppling (DFB), nedgrävda heterostrukturenheter och stumfogade vågledare. Detta kan innefatta in-situ etsning av halvledaren. MOCVD är därför idealisk för monolitisk InP-integration. Även om monolitisk integration i GaAs är i sin linda, möjliggör MOCVD selektiv areatillväxt, där dielektriska maskerade områden hjälper till att rymma emissions-/absorptionsvåglängderna. Detta är svårt att göra med MBE, där polykristallavlagringar kan bildas på den dielektriska masken.

I allmänhet är MBE den valda tillväxtmetoden för Sb-material och MOCVD är valet för P-material. Båda tillväxtteknikerna har liknande möjligheter för As-baserade material. Traditionella MBE-marknader, såsom elektronik, kan nu betjänas lika bra med MOCVD-tillväxt. Men för mer avancerade strukturer, såsom kvantpunkts- och kvantkaskadlasrar, föredras ofta MBE för basepitaxin. Om epitaxiell återväxt krävs, är MOCVD i allmänhet att föredra, på grund av dess etsnings- och maskeringsflexibilitet.