Wat zijn de verschillen tussen MBE- en MOCVD-technologieën?

Zowel moleculaire bundelepitaxie (MBE) als metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) reactoren werken in cleanroomomgevingen en gebruiken dezelfde set metrologische hulpmiddelen voor waferkarakterisering. MBE uit vaste bronnen maakt gebruik van zeer zuivere, elementaire voorlopers die in effusiecellen worden verwarmd om een ​​moleculaire straal te creëren die afzetting mogelijk maakt (waarbij vloeibare stikstof wordt gebruikt voor koeling). MOCVD is daarentegen een chemisch dampproces, waarbij gebruik wordt gemaakt van ultrazuivere, gasvormige bronnen om afzetting mogelijk te maken, en vereist de hantering en bestrijding van giftige gassen. Beide technieken kunnen in sommige materiële systemen, zoals arseniden, identieke epitaxie produceren. De keuze van de ene techniek boven de andere voor bepaalde materialen, processen en markten wordt besproken.

Moleculaire bundelepitaxie

Een MBE-reactor omvat doorgaans een monsteroverdrachtskamer (open naar de lucht, zodat wafersubstraten kunnen worden geladen en gelost) en een groeikamer (normaal afgesloten en alleen open naar de lucht voor onderhoud) waar het substraat wordt overgebracht voor epitaxiale groei . MBE-reactoren werken in ultrahoogvacuümomstandigheden (UHV) om besmetting door luchtmoleculen te voorkomen. De kamer kan worden verwarmd om de afvoer van deze verontreinigingen te versnellen als de kamer open is geweest voor lucht.

Vaak zijn de bronmaterialen van epitaxie in een MBE-reactor vaste halfgeleiders of metalen. Deze worden in effusiecellen verwarmd tot voorbij hun smeltpunt (dat wil zeggen verdamping van het bronmateriaal). Hier worden atomen of moleculen door een kleine opening in de MBE-vacuümkamer gedreven, wat een zeer gerichte moleculaire straal oplevert. Dit botst op het verwarmde substraat; meestal gemaakt van éénkristalmaterialen zoals silicium, galliumarsenide (GaAs) of andere halfgeleiders. Op voorwaarde dat de moleculen niet desorberen, zullen ze op het substraatoppervlak diffunderen, waardoor epitaxiale groei wordt bevorderd. De epitaxie wordt vervolgens laag voor laag opgebouwd, waarbij de samenstelling en dikte van elke laag worden gecontroleerd om de gewenste optische en elektrische eigenschappen te bereiken.

Het substraat wordt centraal, in de groeikamer, gemonteerd op een verwarmde houder omgeven door cryoschilden, gericht naar de effusiecellen en het sluitersysteem. De houder roteert om een ​​uniforme afzetting en epitaxiale dikte te verkrijgen. De cryoschilden zijn met vloeibare stikstof gekoelde platen die verontreinigingen en atomen in de kamer opvangen die nog niet eerder op het substraatoppervlak zijn opgevangen. De verontreinigingen kunnen het gevolg zijn van desorptie van het substraat bij hoge temperaturen of van ‘overvulling’ van de moleculaire bundel.

De ultrahoogvacuüm MBE-reactorkamer maakt het mogelijk om in-situ monitoringinstrumenten te gebruiken om het depositieproces te controleren. Reflectie hoogenergetische elektronendiffractie (RHEED) wordt gebruikt voor het monitoren van het groeioppervlak. Laserreflectie, thermische beeldvorming en chemische analyse (massaspectrometrie, Auger-spectrometrie) analyseren de samenstelling van het verdampte materiaal. Andere sensoren worden gebruikt om temperaturen, drukken en groeisnelheden te meten om procesparameters in realtime aan te passen.

Groeisnelheid en aanpassing

De epitaxiale groeisnelheid, die doorgaans ongeveer een derde van een monolaag (0,1 nm, 1Å) per seconde bedraagt, wordt beïnvloed door de fluxsnelheid (het aantal atomen dat het substraatoppervlak bereikt, gecontroleerd door de brontemperatuur) en de substraattemperatuur. (wat de diffusie-eigenschappen van atomen op het substraatoppervlak en hun desorptie beïnvloedt, gecontroleerd door de substraatwarmte). Deze parameters worden binnen de MBE-reactor onafhankelijk aangepast en bewaakt om het epitaxiale proces te optimaliseren.

Door de groeisnelheid en de toevoer van verschillende materialen te controleren met behulp van een mechanisch sluitersysteem, kunnen ternaire en quaternaire legeringen en meerlaagse structuren betrouwbaar en herhaaldelijk worden gekweekt. Na afzetting wordt het substraat langzaam afgekoeld om thermische spanning te voorkomen en getest om de kristallijne structuur en eigenschappen ervan te karakteriseren.

Materiaaleigenschappen voor MBE

De kenmerken van III-V-materiaalsystemen die in MBE worden gebruikt, zijn:

●  Silicium: Voor groei op siliciumsubstraten zijn zeer hoge temperaturen nodig om de oxidedesorptie te garanderen (>1000°C). Daarom zijn gespecialiseerde verwarmers en waferhouders vereist. Kwesties rond de mismatch in roosterconstante en uitzettingscoëfficiënt maken III-V-groei op silicium tot een actief R&D-onderwerp.

●  Antimoon: Voor III-Sb-halfgeleiders moeten lage substraattemperaturen worden gebruikt om desorptie van het oppervlak te voorkomen. ‘Niet-congruentie’ bij hoge temperaturen kan ook voorkomen, waarbij één atomaire soort bij voorkeur wordt verdampt, waardoor niet-stoichiometrische materialen achterblijven.

● Fosfor: Bij III-P-legeringen zal fosfor worden afgezet aan de binnenkant van de kamer, wat een tijdrovend schoonmaakproces vereist, waardoor korte productieruns niet levensvatbaar kunnen zijn.

Metaal-organische chemische dampafzetting

De MOCVD-reactor heeft een watergekoelde reactiekamer op hoge temperatuur. Substraten worden op een grafiet susceptor geplaatst die wordt verwarmd door RF-, resistieve of IR-verwarming. Reagensgassen worden verticaal in de proceskamer boven de substraten geïnjecteerd. Laaguniformiteit wordt bereikt door het optimaliseren van de temperatuur, gasinjectie, totale gasstroom, susceptorrotatie en druk. Draaggassen zijn waterstof of stikstof.

Om epitaxiale lagen af ​​te zetten, gebruikt MOCVD zeer zuivere metaal-organische voorlopers zoals trimethylgallium voor gallium of trimethylaluminium voor aluminium voor de elementen uit groep III en hydridegassen (arsine en fosfine) voor de elementen uit groep V. De metaalorganische stoffen bevinden zich in gasstroomborrelaars. De concentratie die in de proceskamer wordt geïnjecteerd, wordt bepaald door de temperatuur en druk van de metaal-organische en draaggasstroom door de bubbler.

De reagentia ontleden volledig op het substraatoppervlak bij de groeitemperatuur, waarbij metaalatomen en organische bijproducten vrijkomen. De concentratie van reagentia wordt aangepast om verschillende III-V-legeringsstructuren te produceren, samen met een run/vent-schakelsysteem voor het aanpassen van het dampmengsel.

Het substraat is gewoonlijk een eenkristalwafel van een halfgeleidermateriaal zoals galliumarsenide, indiumfosfide of saffier. Het wordt op de susceptor in de reactiekamer geladen waarover de precursorgassen worden geïnjecteerd. Een groot deel van de verdampte metaal-organische stoffen en andere gassen reizen ongewijzigd door de verwarmde groeikamer, maar een kleine hoeveelheid ondergaat pyrolyse (kraken), waardoor ondersoortige materialen ontstaan ​​die op het oppervlak van het hete substraat absorberen. Een oppervlaktereactie resulteert dan in de opname van de III-V-elementen in een epitaxiale laag. Als alternatief kan desorptie van het oppervlak optreden, waarbij ongebruikte reagentia en reactieproducten uit de kamer worden geëvacueerd. Bovendien kunnen sommige precursoren ‘negatieve groei’-etsing van het oppervlak veroorzaken, zoals bij koolstofdotering van GaAs/AlGaAs, en met speciale etsmiddelbronnen. De susceptor roteert om een ​​consistente samenstelling en dikte van de epitaxie te garanderen.

De benodigde groeitemperatuur in de MOCVD-reactor wordt primair bepaald door de benodigde pyrolyse van de precursors, en vervolgens geoptimaliseerd wat betreft oppervlaktemobiliteit. De groeisnelheid wordt bepaald door de dampdruk van de metaal-organische bronnen uit groep III in de bubblers. Oppervlaktediffusie wordt beïnvloed door atomaire stappen op het oppervlak, waarbij om deze reden vaak verkeerd georiënteerde substraten worden gebruikt. Voor de groei op siliciumsubstraten zijn stadia van zeer hoge temperaturen nodig om de oxidedesorptie te garanderen (>1000°C), wat gespecialiseerde verwarmers en wafersubstraathouders vergt.

De vacuümdruk en geometrie van de reactor zorgen ervoor dat de in-situ monitoringtechnieken verschillen van die van MBE, waarbij MBE over het algemeen meer opties en configureerbaarheid heeft. Voor MOCVD wordt emissiviteitsgecorrigeerde pyrometrie gebruikt voor in-situ meting van de waferoppervlaktetemperatuur (in tegenstelling tot thermokoppelmeting op afstand); reflectiviteit maakt het mogelijk oppervlakteruwheid en de epitaxiale groeisnelheid te analyseren; waferboog wordt gemeten door laserreflectie; en aangeleverde organometaalconcentraties kunnen worden gemeten via ultrasone gasmonitoring, om de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van het groeiproces te vergroten.

Meestal worden aluminiumhoudende legeringen bij hogere temperaturen (>650°C) gegroeid, terwijl fosforhoudende lagen bij lagere temperaturen (<650°C) worden gegroeid, met mogelijke uitzonderingen voor AlInP. Voor AlInGaAs- en InGaAsP-legeringen, gebruikt voor telecomtoepassingen, maakt het verschil in de kraaktemperatuur van arsine de procescontrole eenvoudiger dan voor fosfine. Voor epitaxiale hergroei, waarbij de actieve lagen worden geëtst, verdient fosfine echter de voorkeur. Bij antimonidematerialen vindt onbedoelde (en over het algemeen ongewenste) koolstofopname in AlSb plaats, als gevolg van het ontbreken van een geschikte precursorbron, waardoor de keuze van legeringen wordt beperkt en dus de opname van antimonidegroei door MOCVD.

Voor sterk belaste lagen zijn, vanwege de mogelijkheid om routinematig arsenide- en fosfidematerialen te gebruiken, spanningsbalancering en compensatie mogelijk, zoals voor GaAsP-barrières en InGaAs-kwantumputten (QW's).

Samenvatting

MBE heeft over het algemeen meer in-situ monitoringopties dan MOCVD. De epitaxiale groei wordt aangepast door de fluxsnelheid en de substraattemperatuur, die afzonderlijk worden geregeld, met bijbehorende in-situ monitoring die een veel duidelijker en directer begrip van de groeiprocessen mogelijk maakt.

MOCVD is een zeer veelzijdige techniek die kan worden gebruikt voor het deponeren van een breed scala aan materialen, waaronder samengestelde halfgeleiders, nitriden en oxiden, door de precursorchemie te variëren. Nauwkeurige controle van het groeiproces maakt de fabricage mogelijk van complexe halfgeleiderapparaten met op maat gemaakte eigenschappen voor toepassingen in de elektronica, fotonica en opto-elektronica. MOCVD-kameropruimingstijden zijn sneller dan MBE.

MOCVD is uitstekend geschikt voor de hergroei van lasers met gedistribueerde feedback (DFB's), begraven heterostructuurapparaten en golfgeleiders met stootvoegen. Dit kan het in situ etsen van de halfgeleider omvatten. MOCVD is daarom ideaal voor monolithische InP-integratie. Hoewel de monolithische integratie in GaAs nog in de kinderschoenen staat, maakt MOCVD selectieve gebiedsgroei mogelijk, waarbij diëlektrische gemaskeerde gebieden helpen de emissie-/absorptiegolflengten te spreiden. Dit is moeilijk te doen met MBE, waarbij zich polykristallijne afzettingen op het diëlektrische masker kunnen vormen.

Over het algemeen is MBE de voorkeursgroeimethode voor Sb-materialen en MOCVD de keuze voor P-materialen. Beide groeitechnieken hebben vergelijkbare mogelijkheden voor op As gebaseerde materialen. Traditionele MBE-markten, zoals elektronica, kunnen nu even goed worden bediend met MOCVD-groei. Voor meer geavanceerde structuren, zoals kwantumdot- en kwantumcascadelasers, heeft MBE echter vaak de voorkeur voor de basisepitaxie. Als epitaxiale hergroei vereist is, wordt doorgaans de voorkeur gegeven aan MOCVD vanwege de flexibiliteit bij het etsen en maskeren.