В чем разница 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 камеру переноса образца (открытую для воздуха, позволяющую загружать и выгружать подложки пластин) и камеру выращивания (обычно герметичную и открытую для воздуха только для обслуживания), куда подложка переносится для эпитаксиального выращивания. . Реакторы MBE работают в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ), чтобы предотвратить загрязнение молекулами воздуха. Камеру можно нагреть для ускорения удаления этих загрязнений, если камера была открыта для доступа 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.

Темпы 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 скорость роста и подачу различных материалов с помощью системы механического затвора, можно надежно и многократно выращивать тройные и четверные сплавы, а также многослойные структуры. После осаждения подложку медленно охлаждают, чтобы избежать термического напряжения, и проверяют ее 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 необходимо использовать низкие температуры подложки, чтобы избежать десорбции с поверхности. Также может возникнуть «неконгруэнтность» при высоких температурах, когда один вид атомов может быть преимущественно испарён с образованием нестехиометрических материалов.

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

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

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 MOCVD использует 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.

Подложка обычно представляет собой монокристаллическую пластину полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, фосфид индия или сапфир. Его загружают на токоприемник внутри реакционной камеры, через которую впрыскиваются газы-прекурсоры. Большая часть испаренных металлоорганических соединений и других газов проходит через нагретую камеру выращивания в неизмененном виде, но небольшое количество подвергается пиролизу (крекингу), создавая подвиды материалов, которые абсорбируются поверхностью горячей подложки. Поверхностная реакция приводит затем к включению элементов III-V в эпитаксиальный слой. Альтернативно может происходить десорбция с поверхности с эвакуацией неиспользованных реагентов и продуктов реакции из камеры. Кроме того, некоторые прекурсоры могут вызывать травление поверхности с «отрицательным ростом», например, при легировании углеродом GaAs/AlGaAs и при использовании специальных источников травления. Суцептор вращается, чтобы обеспечить постоянный состав и толщину эпитаксии.

Требуемая температура роста в реакторе MOCVD в первую очередь определяется необходимым пиролизом предшественников, а затем оптимизируется с точки зрения поверхностной подвижности. Скорость роста определяется давлением пара металлоорганических источников III группы в барботерах. На поверхностную диффузию влияют ступеньки атомов на поверхности, поэтому по этой причине часто используются неправильно ориентированные подложки. Рост на кремниевых подложках требует очень высокотемпературных стадий для обеспечения десорбции оксидов (> 1000°C), а также требует использования специальных нагревателей и держателей подложек.

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 возможности повседневного использования арсенидных и фосфидных материалов возможна балансировка и компенсация напряжений, например, для барьеров GaAsP и квантовых ям (КЯ) InGaAs.

Краткое содержание

MBE обычно имеет больше возможностей для мониторинга на месте, чем MOCVD. Эпитаксиальный рост регулируется скоростью потока и температурой подложки, которые контролируются отдельно, а соответствующий мониторинг на месте позволяет гораздо более четкое и прямое понимание процессов роста.

MOCVD — это универсальный метод, который можно использовать для нанесения широкого спектра материалов, включая сложные полупроводники, нитриды и оксиды, путем изменения химического состава прекурсора. Точный контроль процесса выращивания позволяет изготавливать сложные полупроводниковые устройства с индивидуальными свойствами для применения в электронике, фотонике и оптоэлектронике. Время очистки камеры MOCVD происходит быстрее, чем 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 селективно выращивать области, где области, замаскированные диэлектриком, 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.