Was sind die Unterschiede zwischen MBE- und MOCVD-Technologien?

Sowohl molekulare Strahlpitaxie (MBE) als auch Metall-organische chemische Dampfablagerung (MOCVD) -Reaktoren arbeiten in Reinraumumgebungen und verwenden dieselben Metrologiewerkzeuge zur Wafercharakterisierung. MBE mit fester Quelle verwendet hochpurige, elementare Vorläufer, die in Effusionszellen erhitzt werden, um einen molekularen Strahl zu erzeugen, um die Ablagerung zu ermöglichen (mit zum Abkühlen verwendet). Im Gegensatz dazu ist MOCVD ein chemischer Dampfprozess mit ultra-pure-, gasförmigen Quellen, um die Ablagerung zu ermöglichen, und erfordert eine giftige Gashandierung und -verlust. Beide Techniken können in einigen materiellen Systemen wie Arseniden eine identische Epitaxie erzeugen. Die Auswahl einer Technik über die andere für bestimmte Materialien, Prozesse und Märkte wird diskutiert.

Molekularstrahlpitaxie

Ein MBE-Reaktor besteht typischerweise aus einer Probentransferkammer (offen zur Luft, um das Be- und Entladen von Wafersubstraten zu ermöglichen) und einer Wachstumskammer (normalerweise versiegelt und nur zur Wartung offen zur Luft), in die das Substrat zum epitaktischen Wachstum transferiert wird . MBE-Reaktoren arbeiten unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV), um eine Kontamination durch Luftmoleküle zu verhindern. Die Kammer kann beheizt werden, um die Evakuierung dieser Verunreinigungen zu beschleunigen, wenn die Kammer der Luft ausgesetzt war.

Oft sind die Quellmaterialien der Epitaxie in einem MBE -Reaktor feste Halbleiter oder Metalle. Diese werden über ihre Schmelzpunkte (d. H. Quellmaterialverdampfung) in Eckzellen erhitzt. Hier werden Atome oder Moleküle durch eine kleine Apertur in die MBE -Vakuumkammer getrieben, die einen stark richtungsmolekularen Strahl ergibt. Dies trifft auf das erhitzte Substrat; Normalerweise bestehen aus Einzelkristallmaterialien wie Silizium, Galliumarsenid (GaAs) oder anderen Halbleitern. Vorausgesetzt, dass die Moleküle nicht desorben, diffundieren sie die Substratoberfläche und fördern das epitaxiale Wachstum. Die Epitaxie wird dann Schicht für Schicht aufgebaut, wobei die Zusammensetzung und die Dicke jeder Schicht gesteuert werden, um die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften zu erreichen.

Das Substrat ist zentral in der Wachstumskammer auf einem beheizten Halter montiert, der von Kryoschilden umgeben ist und den Effusionszellen und dem Verschlusssystem zugewandt ist. Der Halter dreht sich, um eine gleichmäßige Abscheidung und epitaktische Dicke zu gewährleisten. Die Kryoschilde sind mit flüssigem Stickstoff gekühlte Platten, die Verunreinigungen und Atome in der Kammer einfangen, die zuvor nicht auf der Substratoberfläche eingefangen wurden. Die Verunreinigungen können durch Desorption des Substrats bei hohen Temperaturen oder durch „Überfüllung“ durch den Molekularstrahl entstehen.

Mit der Ultra-High-Vacuum-MBE-Reaktorkammer können In-situ-Überwachungswerkzeuge verwendet werden, um den Abscheidungsprozess zu steuern. Reflexion mit hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) wird zur Überwachung der Wachstumsoberfläche verwendet. Laserreflexion, thermische Bildgebung und chemische Analyse (Massenspektrometrie, Augerspektrometrie) analysieren die Zusammensetzung des verdampften Materials. Andere Sensoren werden verwendet, um Temperaturen, Druck- und Wachstumsraten zu messen, um die Prozessparameter in Echtzeit anzupassen.

Wachstumsrate und Anpassung

Die epitaktische Wachstumsrate, die typischerweise etwa ein Drittel einer Monoschicht (0,1 nm, 1 Å) pro Sekunde beträgt, wird durch die Flussrate (die Anzahl der Atome, die an der Substratoberfläche ankommen, gesteuert durch die Quellentemperatur) und die Substrattemperatur beeinflusst (was die Diffusionseigenschaften von Atomen auf der Substratoberfläche und deren Desorption beeinflusst, gesteuert durch die Substratwärme). Diese Parameter werden im MBE-Reaktor unabhängig angepasst und überwacht, um den Epitaxieprozess zu optimieren.

Durch die Steuerung der Wachstumsraten und die Versorgung verschiedener Materialien unter Verwendung eines mechanischen Verschlusssystems können ternäre und quaternäre Legierungen und mehrschichtige Strukturen zuverlässig und wiederholt angebaut werden. Nach der Ablagerung wird das Substrat langsam abgekühlt, um thermische Spannungen zu vermeiden, und getestet, um seine kristalline Struktur und Eigenschaften zu charakterisieren.

Materialmerkmale für MBE

Die Eigenschaften von III-V-Materialsystemen, die in MBE verwendet werden, sind:

●  Silizium: Das Wachstum von Siliziumsubstraten erfordert sehr hohe Temperaturen, um die Oxiddesorption (> 1000 ° C) sicherzustellen, sodass Spezialisten und Waferinhaber erforderlich sind. Probleme rund um die Nichtübereinstimmung in der Gitterkonstante und des Expansionskoeffizienten machen III-V-Wachstum bei Silizium zu einem aktiven F & E-Thema.

● Antimon: Bei III-Sb-Halbleitern müssen niedrige Substrattemperaturen verwendet werden, um eine Desorption von der Oberfläche zu vermeiden. Bei hohen Temperaturen kann es auch zu „Nichtkongruenz“ kommen, wobei eine Atomart bevorzugt verdampft und nichtstöchiometrische Materialien zurückbleiben.

● Phosphor: Bei III-P-Legierungen lagert sich Phosphor im Inneren der Kammer ab, was einen zeitaufwändigen Reinigungsprozess erfordert, der kurze Produktionsläufe möglicherweise unrentabel macht.

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

Der MOCVD-Reaktor hat eine Hochtemperatur, wassergekühlte Reaktionskammer. Die Substrate werden auf einem Graphit -Suszeptor positioniert, der entweder von RF, Widerstand oder IR -Erwärmung erhitzt wird. Reagenzgase werden vertikal in die Prozesskammer über den Substraten injiziert. Die Gleichmäßigkeit der Schicht wird durch Optimierung von Temperatur, Gaseinspritzung, Gesamtgasstrom, Suszeptorrotation und Druck erreicht. Trägergase sind entweder Wasserstoff oder Stickstoff.

Um epitaxiale Schichten abzuschließen, verwendet MOCVD sehr hochreinig-organische Vorläufer wie Trimethylgallium für Gallium oder Trimethylaluminium für Aluminium für die Gruppe-III-Elemente und Hydridgase (Arsine und Phosphin) für die Gruppen-V-Elemente. Die Metallorganik sind in Gasströmungsblasen enthalten. Die in die Prozesskammer injizierte Konzentration wird durch Temperatur und Druck des Metall-organischen und Trägergasstroms durch den Bubbler bestimmt.

Die Reagenzien zersetzen sich bei der Wachstumstemperatur auf der Substratoberfläche vollständig und füllen Metallatome und organische Nebenprodukte frei. Die Konzentration der Reagenzien wird eingestellt, um unterschiedliche III-V-Legierungsstrukturen zu erzeugen, zusammen mit einem Lauf-/Entlüftungsschaltsystem zur Einstellung des Dampfgemisches.

Das Substrat ist normalerweise ein Einkristallwafer eines Halbleitermaterials wie Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Saphir. Es wird in die Reaktionskammer auf den Suszeptor geladen, über den die Vorläufergase injiziert werden. Ein Großteil der verdampften Metallorganisation und anderer Gase fließen durch die erhitzte Wachstumskammer unverändert, aber eine kleine Menge unterliegt einer Pyrolyse (Risse), wodurch Unterartsmaterialien erzeugt werden, die auf die Oberfläche des heißen Substrats absorbieren. Eine Oberflächenreaktion führt dann zum Einbau der III-V-Elemente in eine epitaxiale Schicht. Alternativ kann eine Desorption von der Oberfläche auftreten, wobei ungenutzte Reagenzien und Reaktionsprodukte aus der Kammer evakuiert werden. Darüber hinaus können einige Vorläufer ein „negatives Wachstum“ der Oberfläche induzieren, z. Der Suszeptor dreht sich, um eine konsistente Zusammensetzung und Dicken der Epitaxie zu gewährleisten.

Die im MOCVD -Reaktor erforderliche Wachstumstemperatur wird hauptsächlich durch die erforderliche Pyrolyse der Vorläufer bestimmt und dann hinsichtlich der Oberflächenmobilität optimiert. Die Wachstumsrate wird durch den Dampfdruck der Gruppe-III-Metall-organischen Quellen in den Beulen bestimmt. Die Oberflächendiffusion wird durch atomare Schritte auf der Oberfläche beeinflusst, wobei aus diesem Grund häufig fehlorientierte Substrate verwendet werden. Das Wachstum der Siliziumsubstrate erfordert sehr hohe Temperaturstadien, um die Oxiddesorption (> 1000 ° C), fordern spezielle Heizungen und Wafer-Substratinhaber zu gewährleisten.

Der Vakuumdruck und die Geometrie des Reaktors des Reaktors bedeuten, dass die Überwachungstechniken der In-situ-Überwachung zu denen von MBE variieren, wobei MBE im Allgemeinen mehr Optionen und Konfigurierbarkeit aufweist. Für MOCVD wird die Emissionsgrad-korrigierte Pyrometrie für die Messung der Oberflächentemperatur von In-situ (im Gegensatz zu einer abgelegenen Messung der Thermoelement) verwendet; Das Reflexionsvermögen ermöglicht die Analyse der epitaxialen Wachstumsrate. Der Waferbogen wird durch Laserreflexion gemessen; und gelieferte organometallische Konzentrationen können durch Ultraschallgasüberwachung gemessen werden, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Wachstumsprozesses zu erhöhen.

Typischerweise werden aluminiumhaltige Legierungen bei höheren Temperaturen (>650 °C) gezüchtet, während phosphorhaltige Schichten bei niedrigeren Temperaturen (<650 °C) gezüchtet werden, mit möglichen Ausnahmen für AlInP. Bei AlInGaAs- und InGaAsP-Legierungen, die für Telekommunikationsanwendungen verwendet werden, macht der Unterschied in der Cracktemperatur von Arsin die Prozesssteuerung einfacher als bei Phosphin. Für das epitaktische Neuwachstum, bei dem die aktiven Schichten geätzt werden, wird jedoch Phosphin bevorzugt. Bei Antimonidmaterialien kommt es aufgrund des Fehlens einer geeigneten Vorläuferquelle zu einem unbeabsichtigten (und im Allgemeinen unerwünschten) Kohlenstoffeinbau in AlSb, was die Auswahl der Legierungen und damit die Aufnahme des Antimonidwachstums durch MOCVD einschränkt.

Bei hochbeanspruchten Schichten ist aufgrund der Möglichkeit, routinemäßig Arsenid- und Phosphidmaterialien zu verwenden, ein Spannungsausgleich und eine Kompensation möglich, beispielsweise für GaAsP-Barrieren und InGaAs-Quantentöpfe (QWs).

Zusammenfassung

MBE hat im Allgemeinen mehr Überwachungsoptionen für In-situ als MOCVD. Das epitaxiale Wachstum wird durch die Flussrate und die Substratemperatur angepasst, die getrennt kontrolliert werden, wobei die zugehörige In-situ-Überwachung ein viel klareres, direktes Verständnis der Wachstumsprozesse ermöglicht.

MOCVD ist eine sehr vielseitige Technik, mit der eine breite Palette von Materialien, einschließlich zusammengesetzter Halbleiter, Nitriden und Oxide, durch Variieren der Vorläuferchemie verwendet werden kann. Die genaue Kontrolle des Wachstumsprozesses ermöglicht die Herstellung komplexer Halbleitergeräte mit maßgeschneiderten Eigenschaften für Anwendungen in Elektronik, Photonik und Optoelektronik. Die MOCVD-Kammeraufräumzeiten sind schneller als MBE.

MOCVD eignet sich hervorragend für das Nachwachsen der verteilten Feedback (DFBS) -Laser, vergrabenen Heterostrukturgeräte und den winzigen Wellenleiter. Dies kann eine In-situ-Radierung des Halbleiters beinhalten. MOCVD ist daher ideal für die monolithische Inp -Integration. Obwohl die monolithische Integration in GaAs noch in den Kinderschuhen steckt, ermöglicht MOCVD ein selektives Flächenwachstum, wobei dielektrische maskierte Bereiche helfen, die Emissions-/Absorptionswellenlängen zu räumen. Dies ist schwierig mit MBE zu tun, wobei sich auf der dielektrischen Maske Polykristallablagerungen bilden können.

Im Allgemeinen ist MBE die Wachstumsmethode der Wahl für Sb-Materialien und MOCVD die Wahl für P-Materialien. Beide Wachstumstechniken haben ähnliche Fähigkeiten für As-basierte Materialien. Traditionelle reine MBE-Märkte wie die Elektronik können jetzt mit MOCVD-Wachstum gleichermaßen gut bedient werden. Für fortgeschrittenere Strukturen wie Quantenpunkt- und Quantenkaskadenlaser wird jedoch häufig MBE für die Basisepitaxie bevorzugt. Wenn ein epitaktisches Nachwachsen erforderlich ist, wird MOCVD aufgrund seiner Ätz- und Maskierungsflexibilität im Allgemeinen bevorzugt.