Quali sono le differenze tra le tecnologie MBE e MOCVD?

Entrambi i reattori per epitassia a fascio molecolare (MBE) e deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD) operano in ambienti cleanroom e utilizzano lo stesso set di strumenti metrologici per la caratterizzazione dei wafer. L'MBE a fonte solida utilizza precursori elementari di elevata purezza riscaldati in celle di effusione per creare un fascio molecolare per consentire la deposizione (con azoto liquido utilizzato per il raffreddamento). Al contrario, il MOCVD è un processo di vapore chimico, che utilizza fonti gassose ultra pure per consentire la deposizione e richiede il trattamento e l’abbattimento dei gas tossici. Entrambe le tecniche possono produrre un'epitassia identica in alcuni sistemi materiali, come gli arseniuri. Viene discussa la scelta di una tecnica rispetto all'altra per particolari materiali, processi e mercati.

Epitassia del raggio molecolare

Un reattore MBE comprende tipicamente una camera di trasferimento del campione (aperta all'aria, per consentire il caricamento e lo scaricamento dei substrati dei wafer) e una camera di crescita (normalmente sigillata e aperta solo all'aria per la manutenzione) in cui il substrato viene trasferito per la crescita epitassiale . I reattori MBE funzionano in condizioni di vuoto ultra-alto (UHV) per prevenire la contaminazione da parte delle molecole d'aria. La camera può essere riscaldata per accelerare l'evacuazione di questi contaminanti se la camera è rimasta aperta all'aria.

Spesso, i materiali di partenza dell'epitassia in un reattore MBE sono semiconduttori solidi o metalli. Questi vengono riscaldati oltre il loro punto di fusione (cioè l'evaporazione del materiale di partenza) nelle celle di effusione. Qui, gli atomi o le molecole vengono spinti nella camera a vuoto MBE attraverso una piccola apertura, che fornisce un raggio molecolare altamente direzionale. Ciò influisce sul substrato riscaldato; solitamente realizzati con materiali monocristallini come silicio, arseniuro di gallio (GaAs) o altri semiconduttori. A condizione che le molecole non si desorbano, si diffonderanno sulla superficie del substrato, favorendo la crescita epitassiale. L’epitassia viene quindi creata strato per strato, con la composizione e lo spessore di ciascuno strato controllati per ottenere le proprietà ottiche ed elettriche desiderate.

Il substrato è montato centralmente, all'interno della camera di crescita, su un supporto riscaldato circondato da cryoshields, di fronte alle cellule di effusione e al sistema di otturazione. Il supporto ruota per fornire una deposizione uniforme e uno spessore epitassiale. I cryoshields sono piastre raffreddate ad azoto liquido che intrappolano nella camera i contaminanti e gli atomi che non vengono precedentemente catturati sulla superficie del substrato. I contaminanti possono derivare dal desorbimento del substrato ad alte temperature o dal “riempimento eccessivo” del fascio molecolare.

La camera del reattore MBE ad altissimo vuoto consente di utilizzare strumenti di monitoraggio in situ per controllare il processo di deposizione. La diffrazione elettronica ad alta energia di riflessione (RHEED) viene utilizzata per monitorare la superficie di crescita. La riflettanza laser, l'imaging termico e l'analisi chimica (spettrometria di massa, spettrometria Auger) analizzano la composizione del materiale evaporato. Altri sensori vengono utilizzati per misurare temperature, pressioni e tassi di crescita al fine di regolare i parametri di processo in tempo reale.

Tasso di crescita e aggiustamento

La velocità di crescita epitassiale, che tipicamente è circa un terzo di un monostrato (0,1 nm, 1Å) al secondo, è influenzata dalla velocità di flusso (il numero di atomi che arrivano alla superficie del substrato, controllato dalla temperatura della sorgente) e dalla temperatura del substrato (che influenza le proprietà diffusive degli atomi sulla superficie dei substrati e il loro desorbimento, controllato dal calore del substrato). Questi parametri vengono regolati e monitorati in modo indipendente all'interno del reattore MBE, per ottimizzare il processo epitassiale.

Controllando i tassi di crescita e la fornitura di materiali diversi utilizzando un sistema di scatto meccanico, le leghe ternarie e quaternarie e le strutture multistrato possono essere coltivate in modo affidabile e ripetutamente. Dopo la deposizione, il substrato viene raffreddato lentamente per evitare lo stress termico e testato per caratterizzare la sua struttura e le proprietà cristalline.

Caratteristiche del materiale per MBE

Le caratteristiche dei sistemi di materiali III-V utilizzati in MBE sono:

● Silicio: La crescita sui substrati di silicio richiede temperature molto elevate per garantire il desorbimento dell'ossido (> 1000 ° C), quindi sono necessari riscaldatori specialistici e wafer. Le questioni relative alla mancata corrispondenza nel costante reticolare e del coefficiente di espansione rendono la crescita III-V sul silicio un argomento di R&S attivo.

●  Antimonio: Per i semiconduttori III-SB, devono essere utilizzate basse temperature del substrato per evitare il desorbimento dalla superficie. "La non congruenza" a temperature elevate può anche verificarsi, in cui una specie atomica può essere preferenzialmente evaporata per lasciare materiali non storiciometrici.

● Fosforo: Per le leghe III-P, il fosforo si depositerà all'interno della camera, richiedendo un lungo processo di pulizia che potrebbe rendere impraticabili cicli di produzione brevi.

Deposizione chimica da fase vapore metallo-organica

Il reattore MOCVD ha una camera di reazione ad alta temperatura raffreddata ad acqua. I substrati sono posizionati su un suscettore di grafite riscaldato mediante riscaldamento RF, resistivo o IR. I gas reagenti vengono iniettati verticalmente nella camera di processo sopra i substrati. L'uniformità dello strato si ottiene ottimizzando la temperatura, l'iniezione di gas, il flusso totale di gas, la rotazione e la pressione del suscettore. I gas di trasporto sono idrogeno o azoto.

Per depositare strati epitassiali, MOCVD utilizza precursori metallo-organici di altissima purezza come trimetilgallio per il gallio o trimetilalluminio per l'alluminio per gli elementi del gruppo III e gas idruro (arsina e fosfina) per gli elementi del gruppo V. Le sostanze metallo-organiche sono contenute nei gorgogliatori a flusso di gas. La concentrazione iniettata nella camera di processo è determinata dalla temperatura e dalla pressione del flusso di gas metallo-organico e di trasporto attraverso il gorgogliatore.

I reagenti si decompongono completamente sulla superficie del substrato alla temperatura di crescita, rilasciando atomi metallici e sottoprodotti organici. La concentrazione dei reagenti viene regolata per produrre diverse strutture di leghe III-V, insieme a un sistema di commutazione run/vent per regolare la miscela di vapori.

Il substrato è di solito un wafer a cristallo singolo di un materiale semiconduttore come arsenide di gallio, fosfuro di indio o zaffiro. Viene caricato sul suscettore all'interno della camera di reazione su cui vengono iniettati i gas precursori. Gran parte degli organici metallici vaporizzati e di altri gas viaggiano attraverso la camera di crescita riscaldata inalterata, ma una piccola quantità subisce pirolisi (cracking), creando materiali sottospecie che si assorbono sulla superficie del substrato a caldo. Una reazione di superficie provoca quindi l'incorporazione degli elementi III-V in uno strato epitassiale. In alternativa, può verificarsi desorbimento dalla superficie, con reagenti inutilizzati e prodotti di reazione evacuati dalla camera. Inoltre, alcuni precursori possono indurre l'attacco di "crescita negativa" della superficie, come nel doping di carbonio di GAAS/ALGAAS e con fonti di incisioni dedicate. Il suscettore ruota per garantire composizione e spessori coerenti dell'epitassia.

La temperatura di crescita richiesta nel reattore MOCVD è determinata principalmente dalla pirolisi richiesta dei precursori e quindi ottimizzata per quanto riguarda la mobilità superficiale. Il tasso di crescita è determinato dalla pressione di vapore delle fonti metallo-organiche del gruppo III nei gorgogliatori. La diffusione superficiale è influenzata dai passaggi atomici sulla superficie, per questo motivo spesso vengono utilizzati substrati orientati in modo errato. La crescita su substrati di silicio richiede fasi a temperatura molto elevata per garantire il desorbimento dell'ossido (>1000°C), richiedendo riscaldatori specializzati e supporti per substrati di wafer.

La pressione del vuoto e la geometria del reattore significa che le tecniche di monitoraggio in situ variano per quelle di MBE, con MBE generalmente con più opzioni e configurabilità. Per MOCVD, la pirometria corretta dall'emissività viene utilizzata per la misurazione della temperatura della superficie del wafer in situ (rispetto alla misurazione remota della termocoppia); La riflettività consente di analizzare l'analisi del tasso di crescita epitassiale; L'arco del wafer è misurato dalla riflessione laser; e le concentrazioni organometalliche fornite possono essere misurate tramite monitoraggio ad ultrasuoni di gas, per aumentare l'accuratezza e la riproducibilità del processo di crescita.

Tipicamente, le leghe contenenti alluminio vengono coltivate a temperature più elevate (>650°C), mentre gli strati contenenti fosforo vengono coltivati ​​a temperature più basse (<650°C), con possibili eccezioni per AlInP. Per le leghe AlInGaAs e InGaAsP, utilizzate per applicazioni nel settore delle telecomunicazioni, la differenza nella temperatura di cracking dell'arsina rende il controllo del processo più semplice rispetto a quello della fosfina. Tuttavia, per la ricrescita epitassiale, in cui gli strati attivi vengono attaccati, si preferisce la fosfina. Per i materiali antimonidici, si verifica un'incorporazione involontaria (e generalmente indesiderata) di carbonio nell'AlSb, a causa della mancanza di una fonte di precursore appropriata, limitando la scelta delle leghe e quindi l'assorbimento della crescita di antimonide da parte del MOCVD.

Per strati altamente sollecitati, grazie alla capacità di utilizzare abitualmente materiali di arseniuro e fosfuro, sono possibili il bilanciamento e la compensazione della deformazione, come per le barriere GaAsP e i pozzi quantici InGaAs (QW).

Riepilogo

MBE ha generalmente più opzioni di monitoraggio in situ rispetto al MOCVD. La crescita epitassiale è regolata dalla velocità di flusso e dalla temperatura del substrato, che sono controllate separatamente, con un monitoraggio in situ associato che consente una comprensione molto più chiara e diretta, di comprensione.

MOCVD è una tecnica altamente versatile che può essere utilizzata per depositare un'ampia gamma di materiali, inclusi semiconduttori composti, nitruri e ossidi, variando la chimica del precursore. Il controllo preciso del processo di crescita consente la fabbricazione di dispositivi semiconduttori complessi con proprietà su misura per applicazioni in elettronica, fotonica e optoelettronica. I tempi di pulizia della camera MOCVD sono più rapidi rispetto a MBE.

MOCVD è eccellente per la ricrescita di laser a feedback distribuito (DFB), dispositivi eterostrutturati sepolti e guide d'onda giunte di testa. Ciò può includere l'incisione in situ del semiconduttore. MOCVD è quindi ideale per l'integrazione monolitica InP. Sebbene l'integrazione monolitica nel GaAs sia agli inizi, il MOCVD consente la crescita selettiva dell'area, dove le aree mascherate dielettriche aiutano a distanziare le lunghezze d'onda di emissione/assorbimento. Questo è difficile da fare con MBE, dove si possono formare depositi di policristalli sulla maschera dielettrica.

In generale, MBE è il metodo di crescita della scelta per i materiali SB e il MOCVD è la scelta per i materiali P. Entrambe le tecniche di crescita hanno capacità simili per i materiali basati su As. I mercati tradizionali solo MBE, come l'elettronica, ora possono essere serviti ugualmente bene con la crescita del MOCVD. Tuttavia, per strutture più avanzate, come il punto quantico e i laser a cascata quantistica, MBE è spesso preferita per l'epitassia di base. Se è richiesta la ricrescita epitassiale, è generalmente preferito MOCVD, a causa della sua flessibilità di incisione e mascheramento.