ما هي الاختلافات بين تقنيات MBE و MOCVD؟

تعمل كل من تفاعلات الحزمة الجزيئية (MBE) وتفاعلات ترسيب البخار الكيميائي المعدني (MOCVD) في بيئات غرفة النظافة وتستخدم نفس مجموعة أدوات القياس لتوصيف الويفر. يستخدم MBE المصدر الصلب السلائف العالية ، وتسخينها في خلايا الانصباب لإنشاء شعاع جزيئي لتمكين الترسب (مع استخدام النيتروجين السائل للتبريد). في المقابل ، MOCVD هي عملية بخار كيميائي ، وذلك باستخدام مصادر غازية فائقة النشر لتمكين الترسيب ، وتتطلب تسليم الغاز السام وتخفيضه. يمكن أن تنتج كلتا التقنيتين epitaxy متطابقة في بعض أنظمة المواد ، مثل أرسينيدات. وتناقش اختيار تقنية واحدة على الآخر للمواد والعمليات والأسواق معينة.

شعاع الجزيئي epitaxy

يشتمل مفاعل MBE عادةً . تعمل مفاعلات MBE في ظروف الفراغ الفائقة (UHV) لمنع التلوث من جزيئات الهواء. يمكن تسخين الغرفة لتسريع إخلاء هذه الملوثات إذا كانت الغرفة مفتوحة للهواء.

في كثير من الأحيان، تكون المواد المصدر للتنقيط في مفاعل MBE هي أشباه الموصلات الصلبة أو المعادن. يتم تسخينها إلى ما هو أبعد من نقاط انصهارها (أي تبخر المادة المصدر) في خلايا الانصباب. هنا، يتم دفع الذرات أو الجزيئات إلى غرفة MBE المفرغة من خلال فتحة صغيرة، مما يعطي شعاعًا جزيئيًا عالي الاتجاه. هذا يصطدم بالركيزة الساخنة. عادة ما تكون مصنوعة من مواد أحادية البلورة مثل السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو أشباه الموصلات الأخرى. بشرط عدم امتصاص الجزيئات، فإنها سوف تنتشر على سطح الركيزة، مما يعزز النمو الفوقي. يتم بعد ذلك بناء الطبقة فوق طبقة، مع التحكم في تكوين كل طبقة وسمكها لتحقيق الخصائص البصرية والكهربائية المطلوبة.

يتم تثبيت الركيزة مركزيًا ، داخل غرفة النمو ، على حامل ساخن محاطًا بـ Cryoshields ، في مواجهة خلايا الانصباب ونظام الغالق. يدور الحامل لتوفير ترسب موحد وسمك الفوقي. Cryoshields عبارة عن ألواح مبردة من النيتروجين السائل والتي تصف الملوثات والذرات في الغرفة التي لم يتم التقاطها مسبقًا على سطح الركيزة. يمكن أن تكون الملوثات من امتصاص الركيزة في درجات حرارة عالية أو عن طريق "التعبئة الزائدة" من الحزمة الجزيئية.

تتيح غرفة مفاعل MBE عالية الفجوة من أدوات المراقبة في الموقع لاستخدامها للتحكم في عملية الترسيب. يتم استخدام انعكاس حيود الإلكترون عالي الطاقة (RHEED) لمراقبة سطح النمو. انعكاس الليزر ، والتصوير الحراري ، والتحليل الكيميائي (قياس الطيف الكتلي ، الطيف الأولي) يحلل تكوين المادة المتبعة. يتم استخدام أجهزة استشعار أخرى لقياس درجات الحرارة والضغوط ومعدلات النمو من أجل ضبط معلمات العملية في الوقت الفعلي.

معدل النمو والتكيف

يتأثر معدل النمو الفوقي ، والذي عادة ما يكون حوالي ثلث الطبقة أحادية (0.1NM ، 1 نوم) في الثانية ، بمعدل التدفق (عدد الذرات التي تصل إلى سطح الركيزة ، يتم التحكم فيها بدرجة حرارة المصدر) ودرجة حرارة الركيزة (الذي يؤثر على الخواص المنتشرة للذرات على سطح الركائز وامتصاصها ، التي تتحكم فيها حرارة الركيزة). يتم تعديل هذه المعلمات بشكل مستقل ومراقبتها داخل مفاعل MBE ، لتحسين العملية الفوقية.

من خلال التحكم في معدلات النمو وتوريد المواد المختلفة باستخدام نظام مصراع ميكانيكي، يمكن زراعة السبائك الثلاثية والرباعية والهياكل متعددة الطبقات بشكل موثوق ومتكرر. بعد الترسيب، يتم تبريد الركيزة ببطء لتجنب الإجهاد الحراري واختبارها لتحديد خصائص بنيتها وخصائصها البلورية.

خصائص المواد لـ MBE

خصائص أنظمة المواد III-V المستخدمة في MBE هي:

● السيليكون: يتطلب النمو على ركائز السيليكون درجات حرارة عالية جدًا لضمان امتصاص الأكسيد (> 1000 درجة مئوية)، لذلك يلزم وجود سخانات متخصصة وحاملات للرقائق. المشكلات المتعلقة بعدم التطابق في ثابت الشبكة ومعامل التمدد تجعل نمو III-V على السيليكون موضوعًا نشطًا للبحث والتطوير.

●  الأنتيمون: بالنسبة إلى أشباه الموصلات III-SB ، يجب استخدام درجات حرارة الركيزة المنخفضة لتجنب الامتصاص من السطح. قد يحدث أيضًا "عدم الابتعاد" في درجات حرارة عالية ، حيث قد يتم تبخير نوع واحد من الأنواع الذرية لترك مواد غير متكافئة.

●  الفوسفور: بالنسبة لسبائك III-P ، سيتم إيداع الفوسفور في الجزء الداخلي من الغرفة ، مما يتطلب عملية تنظيف تستغرق وقتًا طويلاً والتي قد تجعل الإنتاج القصير غير قابل للحياة.

ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي

يحتوي مفاعل MOCVD على غرفة تفاعل عالية درجة الحرارة المبردة بالماء. يتم وضع الركائز على جهاز Secortor الجرافيت الذي يتم تسخينه بواسطة RF أو مقاومة أو تسخين الأشعة تحت الحمراء. يتم حقن غازات الكاشف رأسياً في غرفة العملية فوق الركائز. يتم تحقيق توحيد الطبقة عن طريق تحسين درجة الحرارة ، وحقن الغاز ، وتدفق الغاز الكلي ، ودوران الإحساس والضغط. غازات الناقل هي إما الهيدروجين أو النيتروجين.

لإيداع الطبقات الفوقية ، يستخدم MOCVD سلائف عضوية عالية النقاء مثل تريميثيل جاليوم للجاليوم أو تريميثيل ألومينيوم للألمنيوم لعناصر المجموعة الثالثة وغازات الهيدريد (الزرسين والفوسفين) لعناصر المجموعة (V). وترد العضوية المعدنية في قاطعات تدفق الغاز. يتم تحديد التركيز الذي يتم حقنه في غرفة العملية عن طريق درجة الحرارة وضغط تدفق الغاز المعدني العضوي وتدفق الناقل عبر الفقاع.

تتحلل الكواشف بشكل كامل على سطح الركيزة عند درجة حرارة النمو، وتطلق ذرات معدنية ومنتجات عضوية ثانوية. يتم ضبط تركيز الكواشف لإنتاج هياكل سبائكية مختلفة من نوع III-V، بالإضافة إلى نظام تبديل التشغيل/التهوية لضبط خليط البخار.

عادةً ما تكون الركيزة عبارة عن رقاقة أحادية البلورة لمادة أشباه الموصلات مثل أرسينيد الغاليوم ، أو فوسفيد الإنديوم ، أو الياقوت. يتم تحميله على الحاسوب داخل غرفة التفاعل التي يتم حقن غازات السلائف عليها. يسافر الكثير من الأعضاء المعدنية والغازات الأخرى التي يتم تبخيرها عبر غرفة النمو الساخنة دون تغيير ، لكن كمية صغيرة تخضع للانحلال الحراري (التكسير) ، مما يخلق مواد الأنواع الفرعية التي تمتص على سطح الركيزة الساخنة. ثم يؤدي تفاعل السطح إلى دمج عناصر III-V في طبقة مثقبة. بدلاً من ذلك ، قد يحدث امتصاص من السطح ، مع الكواشف غير المستخدمة ومنتجات التفاعل التي تم إجلاؤها من الغرفة. بالإضافة إلى ذلك ، قد تؤدي بعض السلائف إلى حفر "النمو السلبي" للسطح ، كما هو الحال في المنشطات الكربونية لـ GAAs/Algaas ، ومع مصادر متخصصة. يدور الحاسوب لضمان تكوين وسمك ثابت من epitaxy.

يتم تحديد درجة حرارة النمو المطلوبة في مفاعل MOCVD بشكل أساسي من خلال الانحلال الحراري المطلوب للسلائف ، ثم الأمثل فيما يتعلق بالتنقل السطحي. يتم تحديد معدل النمو من خلال ضغط البخار للمصادر العضوية المعدنية في المجموعة الثانية في المخبرين. يتأثر انتشار السطح بالخطوات الذرية على السطح ، حيث يتم استخدام ركائز سائسة في كثير من الأحيان لهذا السبب. يتطلب النمو على ركائز السيليكون مراحل ذات درجة حرارة عالية جدًا لضمان امتصاص أكسيد (> 1000 درجة مئوية) ، وتطالب السخانات المتخصصة وحاملي الركيزة بالرقاقة.

ويعني الضغط الفراغي للمفاعل وهندسته أن تقنيات المراقبة في الموقع تختلف عن تلك الخاصة بـ MBE، حيث تتمتع MBE عمومًا بمزيد من الخيارات وقابلية التكوين. بالنسبة إلى MOCVD، يتم استخدام قياس الحرارة المصحح للانبعاثية لقياس درجة حرارة سطح الرقاقة في الموقع (على عكس القياس الحراري عن بعد)؛ تسمح الانعكاسية بتحليل خشونة السطح ومعدل النمو الفوقي؛ يتم قياس قوس الرقاقة عن طريق انعكاس الليزر. ويمكن قياس التركيزات المعدنية العضوية المتوفرة عن طريق مراقبة الغاز بالموجات فوق الصوتية، لزيادة دقة عملية النمو وإمكانية تكرار نتائجها.

عادة، تتم زراعة السبائك المحتوية على الألومنيوم في درجات حرارة أعلى (> 650 درجة مئوية)، في حين تتم زراعة الطبقات المحتوية على الفوسفور في درجات حرارة منخفضة (<650 درجة مئوية)، مع استثناءات محتملة لـ AlInP. بالنسبة لسبائك AlInGaAs وInGaAsP، المستخدمة في تطبيقات الاتصالات، فإن الاختلاف في درجة حرارة تكسير الزرنيخ يجعل التحكم في العملية أسهل من التحكم في الفوسفين. ومع ذلك، بالنسبة لإعادة النمو الفوقي، حيث يتم حفر الطبقات النشطة، يفضل الفوسفين. بالنسبة لمواد الأنتيمونيد، يحدث دمج الكربون غير المقصود (وغير المرغوب فيه بشكل عام) في AlSb، بسبب عدم وجود مصدر سلائف مناسب، مما يحد من اختيار السبائك وبالتالي امتصاص نمو الأنتيمونيد بواسطة MOCVD.

بالنسبة للطبقات المتوترة للغاية ، نظرًا للقدرة على الاستفادة بشكل روتيني لمواد الزرسينيد والفوسفيد ، فإن موازنة الإجهاد والتعويضات ممكنة ، مثل حواجز GAASP وآبار Ingaas Quantum (QWS).

ملخص

لدى MBE بشكل عام خيارات مراقبة في الموقع أكثر من MOCVD. يتم ضبط النمو الفوقي حسب معدل التدفق ودرجة حرارة الركيزة ، والتي يتم التحكم فيها بشكل منفصل ، مع مراقبة في الموقع المرتبطة بها مما يتيح فهم عمليات النمو أكثر وضوحًا ومباشرة.

MOCVD هي تقنية متعددة الاستخدامات يمكن استخدامها لترسيب مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك أشباه الموصلات المركبة والنيتريدات والأكاسيد، عن طريق تغيير كيمياء السلائف. يسمح التحكم الدقيق في عملية النمو بتصنيع أجهزة أشباه الموصلات المعقدة ذات خصائص مخصصة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات والضوئيات والإلكترونيات الضوئية. تعد أوقات تنظيف غرفة MOCVD أسرع من MBE.

MOCVD ممتاز لإعادة نمو ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFBS) ، وأجهزة بنية غير متجانسة مدفونة ، وأدلة موجية مقفلة. قد يشمل ذلك الحفر في الموقع من أشباه الموصلات. MOCVD ، بالتالي ، مثالي لتكامل INP متجانسة. على الرغم من أن التكامل المتجانس في GAAs في مهدته ، إلا أن MOCVD يتيح نمو المنطقة الانتقائية ، حيث تساعد المناطق المقنعة العازلة على مساحة الأطوال الموجية للانبعاثات/الامتصاص. من الصعب القيام بذلك مع MBE ، حيث يمكن أن تتشكل رواسب الكريستال على قناع العزل الكهربائي.

بشكل عام، MBE هي طريقة النمو المفضلة للمواد Sb وMOCVD هي الاختيار للمواد P. تتمتع كلتا تقنيات النمو بقدرات مماثلة للمواد المستندة إلى As. يمكن الآن تقديم الخدمات للأسواق التقليدية التي تعتمد على MBE فقط، مثل الإلكترونيات، بشكل جيد على قدم المساواة مع نمو MOCVD. ومع ذلك، بالنسبة للهياكل الأكثر تقدمًا، مثل ليزر النقطة الكمومية والليزر المتتالي الكمي، غالبًا ما يُفضل MBE للنخر الأساسي. إذا كانت إعادة النمو الفوقي مطلوبة، فيفضل استخدام MOCVD بشكل عام، نظرًا لمرونتها في النقش والإخفاء.