MBE र MOCVD प्रविधिहरू बीच के भिन्नताहरू छन्?

दुबै आणविक बीम एपिटेक्सी (MBE) र धातु-जैविक रासायनिक भाप डिपोजिसन (MOCVD) रिएक्टरहरू क्लिनरूम वातावरणमा काम गर्छन् र वेफर विशेषताको लागि मेट्रोलोजी उपकरणहरूको समान सेट प्रयोग गर्छन्। ठोस-स्रोत MBE ले उच्च-शुद्धता, मौलिक पूर्ववर्तीहरू प्रयोग गर्दछ जुन इफ्यूजन कोशिकाहरूमा तताइएको हुन्छ र जम्मा गर्न सक्षम पार्न आणविक बीम सिर्जना गर्दछ (ठण्डाको लागि प्रयोग गरिएको तरल नाइट्रोजनको साथ)। यसको विपरित, MOCVD एक रासायनिक वाष्प प्रक्रिया हो, अल्ट्रा-शुद्ध, ग्यास स्रोतहरू प्रयोग गरी जम्मा गर्न सक्षम गर्न, र विषाक्त ग्यास हस्तान्तरण र कम गर्न आवश्यक छ। दुबै प्रविधिहरूले आर्सेनाइडहरू जस्ता केही भौतिक प्रणालीहरूमा समान एपिटेक्सी उत्पादन गर्न सक्छन्। विशेष सामग्री, प्रक्रियाहरू, र बजारहरूको लागि अर्कोमा एउटा प्रविधिको छनोट छलफल गरिएको छ।

आणविक बीम एपिटेक्सी

एक MBE रिएक्टरमा सामान्यतया नमूना स्थानान्तरण कक्ष (हावामा खुला, वेफर सब्सट्रेटहरू लोड र अनलोड गर्न अनुमति दिन) र विकास कक्ष (सामान्यतया सिल गरिएको, र मर्मतका लागि मात्र हावामा खुला) जहाँ सब्सट्रेट एपिटेक्सियल वृद्धिको लागि स्थानान्तरण गरिन्छ। । MBE रिएक्टरहरूले हावाको अणुहरूबाट प्रदूषण रोक्नको लागि अल्ट्रा-हाई भ्याकुम (UHV) अवस्थाहरूमा काम गर्छन्। यदि चेम्बर हावाको लागि खुला छ भने यी प्रदूषकहरूको निकासीलाई गति दिन चेम्बरलाई तताउन सकिन्छ।

अक्सर, एक MBE रिएक्टर मा epitaxy को स्रोत सामग्री ठोस अर्धचालक वा धातु हो। यी तिनीहरूको पिघलने बिन्दुहरू (अर्थात् स्रोत सामग्री वाष्पीकरण) भन्दा बाहिर तताइन्छ कोषहरूमा। यहाँ, परमाणु वा अणुहरू MBE भ्याकुम चेम्बरमा सानो एपर्चर मार्फत चलाइन्छ, जसले उच्च दिशात्मक आणविक बीम दिन्छ। यसले तातो सब्सट्रेटमा असर गर्छ; सामान्यतया सिलिकन, ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs) वा अन्य अर्धचालकहरू जस्ता एकल-क्रिस्टल सामग्रीबाट बनेको हुन्छ। प्रदान गर्दै कि अणुहरूले डिसोर्ब गर्दैनन्, तिनीहरू सब्सट्रेट सतहमा फैलिनेछन्, एपिटेक्सियल वृद्धिलाई बढावा दिन्छ। एपिटेक्सीलाई लेयरद्वारा तह बनाइन्छ, प्रत्येक तहको संरचना र मोटाईलाई इच्छित अप्टिकल र विद्युतीय गुणहरू प्राप्त गर्न नियन्त्रण गरिन्छ।

सब्सट्रेट केन्द्रमा माउन्ट गरिएको छ, ग्रोथ चेम्बर भित्र, क्रायोशिल्ड्सले घेरिएको तातो होल्डरमा, फ्युजन सेलहरू र शटर प्रणालीको सामना गर्दै। होल्डर एकसमान जम्मा र epitaxial मोटाई प्रदान गर्न घुमाउँछ। क्रायोशिल्डहरू तरल-नाइट्रोजन कूल्ड-प्लेटहरू हुन् जसले च्याम्बरमा दूषित पदार्थहरू र परमाणुहरूलाई जालमा राख्छन् जुन पहिले सब्सट्रेट सतहमा कब्जा गरिएको थिएन। प्रदूषकहरू उच्च तापमानमा सब्सट्रेटको डिसोर्प्शन वा आणविक बीमबाट 'ओभर फिलिंग' द्वारा हुन सक्छ।

अल्ट्रा-हाई-भ्याकुम MBE रिएक्टर च्याम्बरले इन-सिटु निगरानी उपकरणहरूलाई डिपोजिसन प्रक्रिया नियन्त्रण गर्न प्रयोग गर्न सक्षम बनाउँछ। प्रतिबिम्ब उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोन विवर्तन (RHEED) वृद्धि सतह अनुगमन गर्न प्रयोग गरिन्छ। लेजर प्रतिबिम्ब, थर्मल इमेजिङ, र रासायनिक विश्लेषण (मास स्पेक्ट्रोमेट्री, Auger स्पेक्ट्रोमेट्री) ले वाष्पीकरण गरिएको सामग्रीको संरचनाको विश्लेषण गर्दछ। अन्य सेन्सरहरू वास्तविक समयमा प्रक्रिया प्यारामिटरहरू समायोजन गर्न तापमान, दबाब र वृद्धि दरहरू मापन गर्न प्रयोग गरिन्छ।

वृद्धि दर र समायोजन

एपिटेक्सियल वृद्धि दर, जुन सामान्यतया एक मोनोलेयर (0.1nm, 1Å) प्रति सेकेन्डको एक तिहाइ हुन्छ, फ्लक्स दर (सब्सट्रेट सतहमा आउने परमाणुहरूको संख्या, स्रोतको तापक्रमद्वारा नियन्त्रित) र सब्सट्रेट तापक्रमबाट प्रभावित हुन्छ। (जसले सब्सट्रेटको सतहमा परमाणुहरूको डिफ्यूसिभ गुणहरू र तिनीहरूको डिसोर्पशनलाई असर गर्छ, सब्सट्रेट तापद्वारा नियन्त्रित)। यी प्यारामिटरहरू epitaxial प्रक्रिया अनुकूलन गर्न, MBE रिएक्टर भित्र स्वतन्त्र रूपमा समायोजन र निगरानी गरिन्छ।

मेकानिकल शटर प्रणाली प्रयोग गरी विकास दर र विभिन्न सामग्रीको आपूर्ति नियन्त्रण गरेर, टर्नरी र क्वाटरनरी मिश्र र बहु-तह संरचनाहरू भरपर्दो र बारम्बार उत्पादन गर्न सकिन्छ। जम्मा गरेपछि, थर्मल तनावबाट बच्न सब्सट्रेटलाई बिस्तारै चिसो गरिन्छ र यसको क्रिस्टलीय संरचना र गुणहरू पहिचान गर्न परीक्षण गरिन्छ।

MBE को लागि सामाग्री विशेषताहरु

MBE मा प्रयोग हुने III-V सामग्री प्रणालीका विशेषताहरू हुन्:

●  सिलिकन: सिलिकन सब्सट्रेटको वृद्धिलाई अक्साइड डिसोर्प्शन (>1000°C) सुनिश्चित गर्न धेरै उच्च तापक्रम चाहिन्छ, त्यसैले विशेषज्ञ हिटर र वेफर होल्डरहरू आवश्यक हुन्छन्। जाली स्थिरता र विस्तार गुणांकमा बेमेलको वरपरका समस्याहरूले सिलिकनमा III-V वृद्धिलाई सक्रिय R&D विषय बनाउँछ।

● एंटीमोनी: III-Sb अर्धचालकहरूको लागि, सतहबाट डिसोर्प्शनबाट बच्नको लागि कम सब्सट्रेट तापक्रम प्रयोग गर्नुपर्छ। उच्च तापक्रममा 'गैर-अनुरूपता' पनि हुन सक्छ, जहाँ एक परमाणु प्रजातिलाई गैर-स्टोइचियोमेट्रिक सामग्री छोड्न प्राथमिकतामा वाष्पीकरण गर्न सकिन्छ।

● फस्फोरस: III-P मिश्र धातुहरूको लागि, फस्फोरस चेम्बरको भित्री भागमा जम्मा गरिनेछ, एक समय-उपभोग गर्ने सफाई प्रक्रिया आवश्यक छ जसले छोटो उत्पादन चलाउन असम्भव बनाउन सक्छ।

धातु-जैविक रासायनिक वाष्प निक्षेप

MOCVD रिएक्टरमा उच्च-तापमान, पानी-चिसो प्रतिक्रिया कक्ष छ। सब्सट्रेटहरू RF, प्रतिरोधक वा IR तताउने द्वारा तताइएको ग्रेफाइट ससेप्टरमा राखिन्छन्। अभिकर्मक ग्यासहरू सब्सट्रेटहरू माथिको प्रक्रिया कक्षमा ठाडो रूपमा इन्जेक्ट गरिन्छ। तह एकरूपता तापमान, ग्यास इंजेक्शन, कुल ग्यास प्रवाह, ससेप्टर रोटेशन र दबाब अनुकूलन गरेर हासिल गरिन्छ। वाहक ग्याँसहरू या त हाइड्रोजन वा नाइट्रोजन हुन्।

एपिटेक्सियल तहहरू जम्मा गर्न, MOCVD ले समूह-III तत्वहरूको लागि ग्यालियमको लागि ट्राइमेथाइलगैलियम वा एल्युमिनियमको लागि ट्राइमेथाइलल्युमिनियम र समूह-V तत्वहरूको लागि हाइड्राइड ग्यासहरू (आर्सिन र फस्फिन) जस्ता धेरै उच्च शुद्धता धातु-जैविक पूर्ववर्तीहरू प्रयोग गर्दछ। धातु-जैविकहरू ग्यास प्रवाह बबलरहरूमा समावेश छन्। प्रक्रिया कक्षमा इन्जेक्ट गरिएको एकाग्रता बबलर मार्फत धातु-जैविक र वाहक ग्यास प्रवाहको तापक्रम र दबाब द्वारा निर्धारण गरिन्छ।

अभिकर्मकहरू विकासको तापक्रममा सब्सट्रेट सतहमा पूर्ण रूपमा विघटन हुन्छन्, धातु परमाणुहरू र जैविक उप-उत्पादनहरू जारी गर्छन्। अभिकर्मकहरूको एकाग्रता विभिन्न, III-V मिश्र धातु संरचनाहरू उत्पादन गर्न समायोजन गरिन्छ, वाष्प मिश्रण समायोजन गर्न रन/भेन्ट स्विचिङ प्रणालीको साथ।

सब्सट्रेट सामान्यतया ग्यालियम आर्सेनाइड, इन्डियम फस्फाइड, वा नीलमणि जस्ता अर्धचालक सामग्रीको एकल-क्रिस्टल वेफर हो। यो प्रतिक्रिया कक्ष भित्र ससेप्टरमा लोड गरिएको छ जसमा पूर्ववर्ती ग्यासहरू इंजेक्शन गरिन्छ। धेरै जसो वाष्पयुक्त धातु-अर्गानिक्स र अन्य ग्यासहरू तातो ग्रोथ चेम्बरबाट अपरिवर्तित यात्रा गर्छन्, तर थोरै मात्राले पाइरोलिसिस (क्र्याकिंग) पार गर्दछ, उप-प्रजाति सामग्रीहरू सिर्जना गर्दछ जुन तातो सब्सट्रेटको सतहमा अवशोषित हुन्छ। सतह प्रतिक्रियाले त्यसपछि III-V तत्वहरूलाई एपिटेक्सियल तहमा समावेश गर्दछ। वैकल्पिक रूपमा, अप्रयुक्त अभिकर्मकहरू र प्रतिक्रिया उत्पादनहरू चेम्बरबाट खाली गरी सतहबाट डिसोर्प्शन हुन सक्छ। थप रूपमा, केही पूर्ववर्तीहरूले सतहको 'नकारात्मक वृद्धि' नक्कल गर्न प्रेरित गर्न सक्छन्, जस्तै GaAs/AlGaAs को कार्बन डोपिङमा, र समर्पित एचेन्ट स्रोतहरूसँग। ससेप्टरले एपिटेक्सीको लगातार संरचना र मोटाई सुनिश्चित गर्न घुमाउँछ।

MOCVD रिएक्टरमा आवश्यक वृद्धि तापमान मुख्य रूपमा पूर्ववर्तीहरूको आवश्यक पाइरोलिसिसद्वारा निर्धारण गरिन्छ, र त्यसपछि सतह गतिशीलताको सन्दर्भमा अनुकूलित हुन्छ। बबलरहरूमा समूह-III धातु-जैविक स्रोतहरूको वाष्प दबाबद्वारा वृद्धि दर निर्धारण गरिन्छ। सतह फैलावट सतहमा परमाणु चरणहरू द्वारा प्रभावित हुन्छ, गलत सब्सट्रेटहरू प्राय: यस कारणको लागि प्रयोग गरिन्छ। सिलिकन सब्सट्रेटको वृद्धिलाई अक्साइड डिसोर्प्शन (>1000°C) सुनिश्चित गर्न धेरै उच्च-तापमान चरणहरू चाहिन्छ, विशेषज्ञ हिटर र वेफर सब्सट्रेट होल्डरहरूको माग गर्दछ।

रिएक्टरको भ्याकुम प्रेशर र ज्यामितिको अर्थ हो कि इन-सिटु निगरानी प्रविधिहरू MBE सँग भिन्न हुन्छन्, MBE सँग सामान्यतया धेरै विकल्पहरू र कन्फिगरेबिलिटी हुन्छ। MOCVD को लागि, उत्सर्जन-सही पाइरोमेट्री इन-सिटु, वेफर सतहको तापक्रम मापनको लागि प्रयोग गरिन्छ (रिमोट, थर्मोकोपल मापनको विपरीत); परावर्तकताले सतहलाई रफिङ गर्न र एपिटेक्सियल वृद्धि दरलाई विश्लेषण गर्न अनुमति दिन्छ; वेफर बो लेजर प्रतिबिम्ब द्वारा मापन गरिन्छ; र आपूर्ति गरिएको organometallic सांद्रता अल्ट्रासोनिक ग्यास निगरानी मार्फत मापन गर्न सकिन्छ, वृद्धि प्रक्रियाको शुद्धता र पुन: उत्पादन क्षमता बढाउन।

सामान्यतया, एल्युमिनियम युक्त मिश्र धातुहरू उच्च तापक्रम (>650°C) मा हुर्किन्छन्, जबकि फस्फोरस युक्त तहहरू तल्लो तापक्रम (<650°C) मा हुर्किन्छन्, AlInP को लागि सम्भावित अपवादहरू सहित। AlInGaAs र InGaAsP मिश्र धातुहरूका लागि, टेलिकम अनुप्रयोगहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ, आर्सिनको क्र्याकिंग तापमानमा भिन्नताले प्रक्रिया नियन्त्रणलाई फस्फिनको तुलनामा सरल बनाउँदछ। यद्यपि, एपिटेक्सियल पुन: वृद्धिको लागि, जहाँ सक्रिय तहहरू कोरिएका हुन्छन्, फास्फिनलाई प्राथमिकता दिइन्छ। एन्टिमोनाइड सामग्रीहरूको लागि, AlSb मा अनावश्यक (र सामान्यतया अनावश्यक) कार्बन समावेश हुन्छ, उपयुक्त पूर्ववर्ती स्रोतको कमीको कारणले, मिश्र धातुहरूको छनोटलाई सीमित गर्दै र MOCVD द्वारा एन्टिमोनाइड वृद्धिको ग्रहण।

अत्यधिक तनावपूर्ण तहहरूका लागि, आर्सेनाइड र फस्फाइड सामग्रीहरू नियमित रूपमा प्रयोग गर्ने क्षमताको कारणले, स्ट्रेन सन्तुलन र क्षतिपूर्ति सम्भव छ, जस्तै GaAsP अवरोधहरू र InGaAs क्वान्टम वेल्स (QWs) को लागि।

सारांश

MBE सँग सामान्यतया MOCVD भन्दा बढी in-situ निगरानी विकल्पहरू छन्। एपिटेक्सियल बृद्धिलाई प्रवाह दर र सब्सट्रेट तापमान द्वारा समायोजित गरिन्छ, जुन अलग-अलग नियन्त्रण गरिन्छ, सम्बन्धित इन-सीटु अनुगमनको साथ विकास प्रक्रियाहरूको धेरै स्पष्ट, प्रत्यक्ष, बुझ्न अनुमति दिन्छ।

MOCVD एक उच्च बहुमुखी प्रविधि हो जुन कम्पाउन्ड सेमीकन्डक्टरहरू, नाइट्राइडहरू र अक्साइडहरू सहित, पूर्ववर्ती रसायन विज्ञानलाई फरक पारेर सामग्रीहरूको विस्तृत दायरा जम्मा गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। वृद्धि प्रक्रियाको सटीक नियन्त्रणले इलेक्ट्रोनिक्स, फोटोनिक्स र अप्टोइलेक्ट्रोनिक्समा अनुप्रयोगहरूको लागि अनुकूल गुणहरू सहित जटिल अर्धचालक उपकरणहरूको निर्माण गर्न अनुमति दिन्छ। MOCVD च्याम्बर सफा गर्ने समय MBE भन्दा छिटो हुन्छ।

MOCVD डिस्ट्रिब्युटेड फिडब्याक (DFBs) लेजरहरू, दफन गरिएको हेटेरोस्ट्रक्चर उपकरणहरू, र बट-जोइन्टेड वेभगाइडहरूको पुन: वृद्धिको लागि उत्कृष्ट छ। यसमा सेमीकन्डक्टरको इन-सिटु इचिङ समावेश हुन सक्छ। MOCVD, त्यसैले, मोनोलिथिक InP एकीकरणको लागि आदर्श हो। यद्यपि GaAs मा मोनोलिथिक एकीकरण यसको बाल्यावस्थामा छ, MOCVD ले छनौट क्षेत्र वृद्धिलाई सक्षम बनाउँछ, जहाँ डाइलेक्ट्रिक मास्क गरिएका क्षेत्रहरूले उत्सर्जन/अवशोषण तरंगदैर्ध्यलाई ठाउँ बनाउन मद्दत गर्दछ। यो MBE सँग गर्न गाह्रो छ, जहाँ पालीक्रिस्टल निक्षेपहरू डाइलेक्ट्रिक मास्कमा बन्न सक्छ।

सामान्यतया, MBE Sb सामग्रीहरूको लागि छनौटको वृद्धि विधि हो र MOCVD P सामग्रीहरूको लागि छनौट हो। दुबै वृद्धि प्रविधिहरूमा As-आधारित सामग्रीको लागि समान क्षमताहरू छन्। परम्परागत MBE-मात्र बजारहरू, जस्तै इलेक्ट्रोनिक्स, अब MOCVD वृद्धि संग समान रूपमा सेवा गर्न सकिन्छ। यद्यपि, अधिक उन्नत संरचनाहरू, जस्तै क्वान्टम डट र क्वान्टम क्यास्केड लेजरहरूको लागि, MBE लाई प्राय: बेस एपिटेक्सीको लागि प्राथमिकता दिइन्छ। यदि epitaxial regrowth आवश्यक छ भने, MOCVD लाई सामान्यतया रुचाइन्छ, यसको नक्काशी र मास्किङ लचिलोपनको कारण।