อะไรคือความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยี MBE และ MOCVD?

ทั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบเอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล (MBE) และเครื่องปฏิกรณ์แบบสะสมไอสารเคมีอินทรีย์และโลหะ (MOCVD) ทำงานในสภาพแวดล้อมห้องปลอดเชื้อ และใช้ชุดเครื่องมือมาตรวิทยาชุดเดียวกันสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของเวเฟอร์ MBE จากแหล่งกำเนิดของแข็งใช้สารตั้งต้นของธาตุที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งถูกให้ความร้อนในเซลล์ที่ไหลออกมาเพื่อสร้างลำแสงโมเลกุลเพื่อให้สามารถสะสมตัวได้ (โดยใช้ไนโตรเจนเหลวเพื่อทำความเย็น) ในทางตรงกันข้าม MOCVD เป็นกระบวนการไอสารเคมีที่ใช้แหล่งก๊าซบริสุทธิ์พิเศษเพื่อให้สามารถสะสมตัวได้ และต้องมีการส่งและกำจัดก๊าซพิษ ทั้งสองเทคนิคสามารถสร้างเอพิแทกซีที่เหมือนกันในระบบวัสดุบางชนิด เช่น อาร์เซไนด์ มีการพูดคุยถึงทางเลือกของเทคนิคหนึ่งเหนือเทคนิคอื่นๆ สำหรับวัสดุ กระบวนการ และตลาดเฉพาะ

Epitaxy ลำแสงโมเลกุล

โดยทั่วไป เครื่องปฏิกรณ์ MBE จะประกอบด้วยห้องถ่ายโอนตัวอย่าง (เปิดออกไปในอากาศ เพื่อให้ซับสเตรตเวเฟอร์สามารถโหลดและขนถ่ายได้) และห้องเจริญเติบโต (โดยปกติจะปิดผนึก และเปิดให้อากาศเพื่อการบำรุงรักษาเท่านั้น) ซึ่งซับสเตรตถูกถ่ายโอนสำหรับการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว . เครื่องปฏิกรณ์ MBE ทำงานในสภาวะสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV) เพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากโมเลกุลอากาศ ห้องนี้สามารถให้ความร้อนเพื่อเร่งการอพยพของสารปนเปื้อนเหล่านี้ได้หากห้องเปิดโล่ง

บ่อยครั้ง วัสดุต้นทางของอีพิแทกซีในเครื่องปฏิกรณ์ MBE นั้นเป็นสารกึ่งตัวนำหรือโลหะที่เป็นของแข็ง สิ่งเหล่านี้ได้รับความร้อนเกินจุดหลอมเหลว (เช่น การระเหยของวัสดุจากแหล่งกำเนิด) ในเซลล์ที่ไหลออกมา ที่นี่ อะตอมหรือโมเลกุลถูกผลักเข้าไปในห้องสุญญากาศ MBE ผ่านรูรับแสงขนาดเล็ก ซึ่งให้ลำแสงโมเลกุลที่มีทิศทางสูง สิ่งนี้กระทบกับวัสดุพิมพ์ที่ได้รับความร้อน มักทำจากวัสดุผลึกเดี่ยว เช่น ซิลิคอน แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) หรือสารกึ่งตัวนำอื่นๆ โดยมีเงื่อนไขว่าโมเลกุลไม่ดูดซับ พวกมันจะแพร่กระจายบนพื้นผิวของสารตั้งต้น ส่งเสริมการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว จากนั้น epitaxy จะถูกสร้างขึ้นทีละชั้น โดยมีการควบคุมองค์ประกอบและความหนาของแต่ละชั้นเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าตามที่ต้องการ

สารตั้งต้นติดตั้งอยู่ตรงกลางภายในห้องการเจริญเติบโตบนตัวยึดที่ร้อนจัดล้อมรอบด้วย cryoshields หันหน้าเข้าหาเซลล์ที่ไหลออกมาและระบบชัตเตอร์ ผู้ถือหมุนเพื่อให้การสะสมและความหนาของ epitaxial Cryoshields เป็นแผ่นระบายความร้อนของเหลวไนโตรเจนซึ่งกับดักปนเปื้อนและอะตอมในห้องที่ไม่เคยถูกจับบนพื้นผิวพื้นผิวก่อนหน้านี้ สารปนเปื้อนอาจมาจากการสลายของสารตั้งต้นที่อุณหภูมิสูงหรือโดย 'การเติม' จากลำแสงโมเลกุล

ห้องปฏิกรณ์ MBE สุญญากาศสูงพิเศษทำให้สามารถใช้เครื่องมือตรวจสอบในแหล่งกำเนิดเพื่อควบคุมกระบวนการสะสม การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบสะท้อน (RHEED) ใช้ในการติดตามพื้นผิวการเจริญเติบโต การสะท้อนแสงเลเซอร์ การถ่ายภาพความร้อน และการวิเคราะห์ทางเคมี (แมสสเปกโตรเมทรี ออเกอร์สเปกโตรเมทรี) วิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุที่ระเหย เซ็นเซอร์อื่นๆ ใช้ในการวัดอุณหภูมิ ความดัน และอัตราการเติบโต เพื่อปรับพารามิเตอร์กระบวนการแบบเรียลไทม์

อัตราการเติบโตและการปรับ

อัตราการเติบโตของเยื่อบุผิว ซึ่งโดยปกติจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสามของชั้นเดียว (0.1 นาโนเมตร, 1Å) ต่อวินาที ได้รับอิทธิพลจากอัตราฟลักซ์ (จำนวนอะตอมที่มาถึงพื้นผิวของซับสเตรต ซึ่งควบคุมโดยอุณหภูมิของแหล่งกำเนิด) และอุณหภูมิของซับสเตรต (ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติการแพร่กระจายของอะตอมบนพื้นผิวของสารตั้งต้นและการคายการดูดซึม ซึ่งควบคุมโดยความร้อนของสารตั้งต้น) พารามิเตอร์เหล่านี้ได้รับการปรับและตรวจสอบอย่างอิสระภายในเครื่องปฏิกรณ์ MBE เพื่อปรับกระบวนการเอพิแทกเซียลให้เหมาะสมที่สุด

ด้วยการควบคุมอัตราการเติบโตและการจัดหาวัสดุต่างๆ โดยใช้ระบบกลไกชัตเตอร์ ทำให้โลหะผสมแบบไตรนารีและควอเทอร์นารีและโครงสร้างหลายชั้นสามารถเติบโตได้อย่างน่าเชื่อถือและซ้ำๆ หลังจากการสะสม พื้นผิวจะเย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดจากความร้อน และทดสอบเพื่อดูคุณลักษณะของโครงสร้างและคุณสมบัติของผลึก

ลักษณะวัสดุสำหรับ MBE

คุณลักษณะของระบบวัสดุ III-V ที่ใช้ใน MBE คือ:

●  ซิลิคอน: การเติบโตบนพื้นผิวซิลิกอนต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมากเพื่อให้แน่ใจว่ามีการดูดซับออกไซด์ (>1000°C) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องทำความร้อนแบบพิเศษและตัวยึดเวเฟอร์ ปัญหาเกี่ยวกับค่าคงที่แลตทิซที่ไม่ตรงกันและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทำให้การเติบโตของ III-V บนซิลิคอนเป็นหัวข้อการวิจัยและพัฒนาที่กระตือรือร้น

●พลวง: สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ III-Sb ต้องใช้อุณหภูมิของซับสเตรตต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการคายซึมออกจากพื้นผิว 'ความไม่สอดคล้องกัน' ที่อุณหภูมิสูงอาจเกิดขึ้นได้เช่นกัน โดยที่สายพันธุ์อะตอมหนึ่งชนิดอาจถูกระเหยเป็นพิเศษเพื่อให้เหลือวัสดุที่ไม่มีปริมาณสารสัมพันธ์ไว้

●  ฟอสฟอรัส: สำหรับโลหะผสม III-P ฟอสฟอรัสจะถูกฝากไว้ที่ด้านในของห้องโดยต้องใช้กระบวนการทำความสะอาดที่ใช้เวลานานซึ่งอาจทำให้การผลิตสั้น ๆ ทำงานไม่ได้

การสะสมไอของสารเคมีอินทรีย์และโลหะ

เครื่องปฏิกรณ์ MOCVD มีห้องปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงและระบายความร้อนด้วยน้ำ พื้นผิวจะอยู่ในตำแหน่งที่ไวต่อกราไฟท์ที่ถูกทำให้ร้อนด้วย RF, ความต้านทานหรือการทำความร้อน IR ก๊าซรีเอเจนต์จะถูกฉีดเข้าในแนวตั้งลงในห้องกระบวนการเหนือพื้นผิว ความสม่ำเสมอของชั้นสามารถทำได้โดยการปรับอุณหภูมิการฉีดก๊าซการไหลของก๊าซรวมการหมุนของไวรัสและความดัน ก๊าซพาหะเป็นไฮโดรเจนหรือไนโตรเจน

ในการสะสมชั้น epitaxial MOCVD ใช้สารตั้งต้นโลหะอินทรีย์ที่มีความบริสุทธิ์สูงมากเช่น trimethylgallium สำหรับแกลเลียมหรือ trimethylaluminium สำหรับอลูมิเนียมสำหรับองค์ประกอบกลุ่ม -III และก๊าซไฮไดรด์ โลหะอสังหาริมทรัพย์มีอยู่ในฟองอากาศ ความเข้มข้นที่ฉีดเข้าไปในห้องกระบวนการจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิและความดันของการไหลของก๊าซโลหะอินทรีย์และพาหะผ่าน bubbler

รีเอเจนต์สลายตัวอย่างเต็มที่บนพื้นผิวพื้นผิวที่อุณหภูมิการเจริญเติบโตปล่อยอะตอมโลหะและผลพลอยได้จากอินทรีย์ ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ถูกปรับเพื่อสร้างโครงสร้างโลหะผสม III-V ที่แตกต่างกันพร้อมกับระบบสลับการเรียกใช้/ช่องระบายอากาศสำหรับการปรับส่วนผสมของไอ

สารตั้งต้นมักจะเป็นเวเฟอร์ผลึกเดี่ยวของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์, อินเดียมฟอสเฟตหรือไพลิน มันถูกโหลดลงบนตัวไวรัสภายในห้องปฏิกิริยาซึ่งสารตั้งต้นจะถูกฉีด อสังหาริมทรัพย์ของโลหะและก๊าซอื่น ๆ ที่มีไอระเหยและก๊าซอื่น ๆ เดินทางผ่านห้องเจริญเติบโตที่ไม่เปลี่ยนแปลง แต่มีปริมาณเล็กน้อยผ่านการไพโรไลซิส (การแคร็ก) สร้างวัสดุชนิดย่อยที่ดูดซับลงบนพื้นผิวของพื้นผิวร้อน ปฏิกิริยาพื้นผิวจะส่งผลให้เกิดการรวมตัวกันขององค์ประกอบ III-V ลงในชั้น epitaxial อีกวิธีหนึ่งคือการสลายตัวจากพื้นผิวอาจเกิดขึ้นได้ด้วยรีเอเจนต์ที่ไม่ได้ใช้และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาอพยพออกจากห้อง นอกจากนี้สารตั้งต้นบางตัวอาจทำให้เกิด 'การเจริญเติบโตเชิงลบ' ของพื้นผิวเช่นในการเติมคาร์บอนของ GaAs/Algaas และด้วยแหล่งที่มาของ etchant โดยเฉพาะ ไวต่อการหมุนเพื่อให้แน่ใจว่าองค์ประกอบและความหนาที่สอดคล้องกันของ epitaxy

อุณหภูมิการเติบโตที่ต้องการในเครื่องปฏิกรณ์ MOCVD นั้นถูกกำหนดโดยไพโรไลซิสที่ต้องการของสารตั้งต้นเป็นหลัก จากนั้นจึงปรับให้เหมาะสมที่สุดเกี่ยวกับการเคลื่อนตัวของพื้นผิว อัตราการเติบโตถูกกำหนดโดยความดันไอของแหล่งโลหะ-อินทรีย์กลุ่ม III ในฟองสบู่ การแพร่กระจายของพื้นผิวได้รับผลกระทบจากขั้นตอนของอะตอมบนพื้นผิว โดยที่ซับสเตรตที่วางทิศทางผิดมักจะถูกนำมาใช้ด้วยเหตุผลนี้ การเติบโตบนพื้นผิวซิลิกอนต้องใช้ขั้นตอนที่มีอุณหภูมิสูงมากเพื่อให้แน่ใจว่ามีการดูดซับออกไซด์ (>1000°C) ซึ่งต้องใช้เครื่องทำความร้อนแบบพิเศษและตัวยึดซับสเตรตเวเฟอร์

ความดันสุญญากาศและรูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์หมายความว่าเทคนิคการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดจะแตกต่างกันไปตามเทคนิคของ MBE โดยโดยทั่วไปแล้ว MBE จะมีตัวเลือกและการกำหนดค่าได้มากกว่า สำหรับ MOCVD ไพโรเมทรีที่แก้ไขการแผ่รังสีจะใช้สำหรับการวัดอุณหภูมิพื้นผิวเวเฟอร์ในแหล่งกำเนิด (ซึ่งต่างจากการวัดเทอร์โมคัปเปิลระยะไกล) การสะท้อนกลับช่วยให้สามารถวิเคราะห์ความหยาบของพื้นผิวและอัตราการเติบโตของเยื่อบุผิวได้ โบว์เวเฟอร์วัดจากการสะท้อนของเลเซอร์ และความเข้มข้นของออร์แกโนเมทัลลิกที่ให้มาสามารถวัดได้ผ่านการตรวจติดตามก๊าซอัลตราโซนิก เพื่อเพิ่มความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการเติบโต

โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมที่มีอลูมิเนียมจะปลูกที่อุณหภูมิสูงกว่า (> 650 ° C) ในขณะที่ชั้นที่มีฟอสฟอรัสจะปลูกที่อุณหภูมิต่ำกว่า (<650 ° C) โดยมีข้อยกเว้นที่เป็นไปได้สำหรับ Alinp สำหรับ Alingaas และ Ingaasp Alloys ที่ใช้สำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคมความแตกต่างในอุณหภูมิการแคร็กของ arsine ทำให้การควบคุมกระบวนการง่ายกว่าฟอสฟีน อย่างไรก็ตามสำหรับการเติบโตของ epitaxial re ซึ่งชั้นที่ใช้งานได้รับการแกะสลักฟอสฟอฟฟีนเป็นที่ต้องการ สำหรับวัสดุ antimonide การรวมตัวกันของคาร์บอนโดยไม่ได้ตั้งใจ

สำหรับเลเยอร์ที่มีความตึงเครียดสูงเนื่องจากความสามารถในการใช้วัสดุอาร์เซไนด์และฟอสฟอรัสเป็นประจำการปรับสมดุลความเครียดและการชดเชยเป็นไปได้เช่นสำหรับอุปสรรค GAASP และ INGAAS Quantum Wells (QWS)

สรุป

MBE โดยทั่วไปมีตัวเลือกการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดมากกว่า MOCVD การเจริญเติบโตของ epitaxial ถูกปรับโดยอัตราฟลักซ์และอุณหภูมิพื้นผิวซึ่งควบคุมแยกต่างหากโดยมีการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดที่เกี่ยวข้องซึ่งช่วยให้ชัดเจนขึ้นโดยตรงเข้าใจกระบวนการเจริญเติบโต

MOCVD เป็นเทคนิคอเนกประสงค์สูงที่สามารถใช้เพื่อกักเก็บวัสดุหลากหลายประเภท รวมถึงสารกึ่งตัวนำแบบผสม ไนไตรด์ และออกไซด์ โดยการเปลี่ยนเคมีของสารตั้งต้น การควบคุมกระบวนการเติบโตที่แม่นยำช่วยให้สามารถผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อนพร้อมคุณสมบัติที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โฟโตนิกส์ และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เวลาทำความสะอาดห้องเพาะเลี้ยง MOCVD เร็วกว่า MBE

MOCVD นั้นยอดเยี่ยมสำหรับการฟื้นฟูเลเซอร์แบบป้อนกลับแบบกระจาย (DFB) อุปกรณ์โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างแบบฝัง และท่อนำคลื่นแบบข้อต่อชน ซึ่งอาจรวมถึงการแกะสลักในแหล่งกำเนิดของเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้น MOCVD จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบูรณาการ InP แบบเสาหิน แม้ว่าการบูรณาการเสาหินใน GaAs ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ MOCVD ช่วยให้เกิดการเติบโตของพื้นที่แบบเลือกได้ โดยที่พื้นที่ที่ปิดบังด้วยอิเล็กทริกจะช่วยเพิ่มความยาวคลื่นการปล่อย / การดูดซับ ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะทำกับ MBE เนื่องจากคราบโพลีคริสตัลสามารถก่อตัวบนหน้ากากอิเล็กทริกได้

โดยทั่วไป MBE เป็นวิธีการเจริญเติบโตที่เป็นทางเลือกสำหรับวัสดุ Sb และ MOCVD เป็นทางเลือกสำหรับวัสดุ P เทคนิคการเติบโตทั้งสองมีความสามารถที่คล้ายคลึงกันสำหรับวัสดุที่มีพื้นฐานมาจาก As-based ตลาดเฉพาะ MBE แบบดั้งเดิม เช่น อิเล็กทรอนิกส์ สามารถให้บริการได้ดีพอๆ กันกับการเติบโตของ MOCVD อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงสร้างขั้นสูง เช่น ควอนตัมดอทและควอนตัมคาสเคดเลเซอร์ มักนิยมใช้ MBE สำหรับ epitaxy ฐาน หากจำเป็นต้องมีการงอกใหม่ของเยื่อบุผิว โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้ MOCVD เนื่องจากมีความยืดหยุ่นในการกัดและการมาสก์