MBE आणि MOCVD तंत्रज्ञानामध्ये काय फरक आहेत?

दोन्ही आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE) आणि मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (MOCVD) अणुभट्ट्या क्लीनरूम वातावरणात कार्य करतात आणि वेफर वैशिष्ट्यीकरणासाठी मेट्रोलॉजी टूल्सचा समान संच वापरतात. सॉलिड-स्रोत MBE उच्च-शुद्धतेचा वापर करते, इफ्यूजन पेशींमध्ये गरम केलेले मूलभूत पूर्ववर्ती डिपॉझिशन सक्षम करण्यासाठी आण्विक बीम तयार करण्यासाठी (थंड करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या द्रव नायट्रोजनसह). याउलट, MOCVD ही एक रासायनिक वाष्प प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये अति-शुद्ध, वायू स्रोत वापरणे शक्य होते आणि विषारी वायू हाताळणे आणि कमी करणे आवश्यक असते. दोन्ही तंत्रे आर्सेनाइड्ससारख्या काही भौतिक प्रणालींमध्ये एकसमान एपिटॅक्सी तयार करू शकतात. विशिष्ट सामग्री, प्रक्रिया आणि बाजारपेठेसाठी एका तंत्राच्या निवडीवर चर्चा केली जाते.

आण्विक बीम एपिटॅक्सी

MBE अणुभट्टीमध्ये सामान्यत: नमुना ट्रान्सफर चेंबर (हवेसाठी खुले, वेफर सब्सट्रेट्स लोड आणि अनलोड करता येतात) आणि ग्रोथ चेंबर (सामान्यत: सीलबंद, आणि फक्त देखरेखीसाठी हवेसाठी खुले) असते जेथे सब्सट्रेट एपिटॅक्सियल वाढीसाठी हस्तांतरित केले जाते. . MBE अणुभट्ट्या अति-उच्च व्हॅक्यूम (UHV) स्थितींमध्ये हवेच्या रेणूंपासून दूषित होण्यापासून रोखण्यासाठी कार्य करतात. जर चेंबर हवेसाठी खुले असेल तर या दूषित घटकांच्या निर्वासनाला गती देण्यासाठी चेंबर गरम केले जाऊ शकते.

बऱ्याचदा, MBE अणुभट्टीतील एपिटॅक्सीचे स्त्रोत सामग्री घन अर्धसंवाहक किंवा धातू असतात. हे त्यांच्या वितळण्याच्या बिंदूंच्या पलीकडे (म्हणजे स्त्रोत सामग्रीचे बाष्पीभवन) उत्सर्जन पेशींमध्ये गरम केले जातात. येथे, अणू किंवा रेणू एका लहान छिद्राद्वारे MBE व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये चालवले जातात, ज्यामुळे उच्च दिशात्मक आण्विक बीम मिळते. हे गरम झालेल्या सब्सट्रेटवर प्रभाव पाडते; सामान्यतः सिलिकॉन, गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) किंवा इतर सेमीकंडक्टर सारख्या सिंगल-क्रिस्टल सामग्रीपासून बनविलेले. रेणू शोषत नाहीत हे प्रदान करून, ते थर पृष्ठभागावर पसरतील, एपिटॅक्सियल वाढीस प्रोत्साहन देतील. एपिटॅक्सी नंतर स्तरानुसार बिल्ट-अप केले जाते, इच्छित ऑप्टिकल आणि इलेक्ट्रिकल गुणधर्म प्राप्त करण्यासाठी प्रत्येक लेयरची रचना आणि जाडी नियंत्रित केली जाते.

सब्सट्रेट मध्यभागी, ग्रोथ चेंबरमध्ये, क्रायोशिल्ड्सने वेढलेल्या गरम धारकावर, इफ्यूजन पेशी आणि शटर सिस्टमला तोंड देत बसवले जाते. एकसमान डिपॉझिशन आणि एपिटॅक्सियल जाडी प्रदान करण्यासाठी धारक फिरतो. क्रायोशिल्ड्स हे लिक्विड-नायट्रोजन कूल्ड-प्लेट्स आहेत जे दूषित पदार्थ आणि अणूंना चेंबरमध्ये अडकवतात जे आधी सब्सट्रेट पृष्ठभागावर पकडले गेले नाहीत. दूषित पदार्थ उच्च तापमानात सब्सट्रेटच्या विसर्जनामुळे किंवा आण्विक बीममधून ‘ओव्हर फिलिंग’मुळे असू शकतात.

अल्ट्रा-हाय-व्हॅक्यूम MBE रिॲक्टर चेंबर इन-सीटू मॉनिटरिंग टूल्सचा वापर डिपॉझिशन प्रक्रियेवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी सक्षम करते. रिफ्लेक्शन हाय-एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रॅक्शन (RHEED) चा वापर वाढीच्या पृष्ठभागाचे निरीक्षण करण्यासाठी केला जातो. लेझर रिफ्लेक्शन, थर्मल इमेजिंग आणि रासायनिक विश्लेषण (मास स्पेक्ट्रोमेट्री, ऑगर स्पेक्ट्रोमेट्री) बाष्पीभवन सामग्रीच्या रचनेचे विश्लेषण करतात. रिअल-टाइममध्ये प्रक्रिया पॅरामीटर्स समायोजित करण्यासाठी तापमान, दाब आणि वाढीचा दर मोजण्यासाठी इतर सेन्सर्सचा वापर केला जातो.

वाढ दर आणि समायोजन

एपिटॅक्सियल वाढीचा दर, जो सामान्यत: प्रति सेकंद मोनोलेयरच्या एक तृतीयांश (0.1nm, 1Å) असतो, फ्लक्स रेट (स्रोत तापमानाद्वारे नियंत्रित असलेल्या थरच्या पृष्ठभागावर येणाऱ्या अणूंची संख्या) आणि सब्सट्रेट तापमानाने प्रभावित होतो. (जे सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरील अणूंच्या डिफ्यूझिव्ह गुणधर्मांवर आणि त्यांच्या डिसॉर्प्शनवर परिणाम करते, जे सब्सट्रेटच्या उष्णतेद्वारे नियंत्रित होते). हे पॅरामीटर्स स्वतंत्रपणे समायोजित केले जातात आणि MBE अणुभट्टीमध्ये परीक्षण केले जातात, एपिटेक्सियल प्रक्रियेस अनुकूल करण्यासाठी.

यांत्रिक शटर प्रणालीचा वापर करून वाढीचा दर आणि विविध सामग्रीचा पुरवठा नियंत्रित करून, टर्नरी आणि चतुर्थांश मिश्र धातु आणि बहु-स्तर संरचना विश्वसनीयपणे आणि वारंवार वाढवता येतात. डिपॉझिशननंतर, थर्मल ताण टाळण्यासाठी थर हळूहळू थंड केला जातो आणि त्याची स्फटिकासारखे रचना आणि गुणधर्म ओळखण्यासाठी चाचणी केली जाते.

MBE साठी साहित्य वैशिष्ट्ये

MBE मध्ये वापरल्या जाणाऱ्या III-V मटेरियल सिस्टमची वैशिष्ट्ये अशी आहेत:

●  सिलिकॉन: सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवरील वाढीसाठी ऑक्साईड डिसॉर्प्शन (>1000°C) सुनिश्चित करण्यासाठी खूप उच्च तापमान आवश्यक आहे, म्हणून विशेषज्ञ हीटर आणि वेफर होल्डर आवश्यक आहेत. जाळी स्थिरांक आणि विस्तार गुणांक मधील जुळत नसलेल्या समस्यांमुळे सिलिकॉनवर III-V ची वाढ सक्रिय R&D विषय बनते.

● अँटीमोनी: III-Sb सेमीकंडक्टरसाठी, पृष्ठभागावरील विकृती टाळण्यासाठी कमी थर तापमानाचा वापर करणे आवश्यक आहे. उच्च तापमानात ‘नॉन-कॉन्ग्र्युन्स’ देखील उद्भवू शकते, जेथे एक अणू प्रजातीचे बाष्पीभवन नॉन-स्टोइचिओमेट्रिक सामग्री सोडले जाऊ शकते.

●  फॉस्फरस: III-P मिश्रधातूंसाठी, चेंबरच्या आतील बाजूस फॉस्फरस जमा केला जाईल, यासाठी वेळ घेणारी क्लीन-अप प्रक्रिया आवश्यक आहे ज्यामुळे कमी उत्पादन चालणे अव्यवहार्य होऊ शकते.

धातू-सेंद्रिय रासायनिक वाष्प जमा

MOCVD अणुभट्टीमध्ये उच्च-तापमान, वॉटर-कूल्ड रिॲक्शन चेंबर आहे. आरएफ, रेझिस्टिव्ह किंवा आयआर हीटिंगद्वारे गरम केलेल्या ग्रेफाइट ससेप्टरवर सबस्ट्रेट्स ठेवलेले असतात. अभिकर्मक वायू सब्सट्रेट्सच्या वरच्या प्रक्रियेच्या चेंबरमध्ये अनुलंबपणे इंजेक्ट केले जातात. तापमान, गॅस इंजेक्शन, एकूण वायू प्रवाह, ससेप्टर रोटेशन आणि दाब ऑप्टिमाइझ करून स्तर एकसमानता प्राप्त केली जाते. वाहक वायू एकतर हायड्रोजन किंवा नायट्रोजन असतात.

एपिटॅक्सियल लेयर जमा करण्यासाठी, MOCVD गट-III घटकांसाठी गॅलियमसाठी ट्रायमिथिलगॅलियम किंवा ॲल्युमिनियमसाठी ट्रायमेथिलॅल्युमिनियम आणि गट-V घटकांसाठी हायड्राइड वायू (आर्सिन आणि फॉस्फिन) सारख्या उच्च-शुद्धतेच्या धातू-सेंद्रिय पूर्ववर्ती वापरते. मेटल-ऑर्गेनिक्स गॅस फ्लो बबलर्समध्ये असतात. प्रक्रिया चेंबरमध्ये इंजेक्शन दिलेली एकाग्रता बबलरमधून मेटल-ऑर्गेनिक आणि वाहक वायूच्या प्रवाहाच्या तापमान आणि दाबाने निर्धारित केली जाते.

अभिकर्मक वाढीच्या तापमानात सब्सट्रेट पृष्ठभागावर पूर्णपणे विघटित होतात, धातूचे अणू आणि सेंद्रिय उप-उत्पादने सोडतात. वाष्प मिश्रण समायोजित करण्यासाठी रन/व्हेंट स्विचिंग सिस्टमसह भिन्न, III-V मिश्र धातु संरचना तयार करण्यासाठी अभिकर्मकांची एकाग्रता समायोजित केली जाते.

सब्सट्रेट हा सहसा गॅलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड किंवा नीलम सारख्या अर्धसंवाहक पदार्थाचा एकल-क्रिस्टल वेफर असतो. हे प्रतिक्रिया कक्षातील ससेप्टरवर लोड केले जाते ज्यावर पूर्ववर्ती वायू इंजेक्ट केले जातात. बहुतेक वाष्पयुक्त धातू-सेंद्रिय पदार्थ आणि इतर वायू अपरिवर्तित गरम ग्रोथ चेंबरमधून प्रवास करतात, परंतु थोड्या प्रमाणात पायरोलिसिस (क्रॅकिंग) होते, ज्यामुळे उप-प्रजाती पदार्थ तयार होतात जे गरम सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर शोषून घेतात. पृष्ठभागाच्या प्रतिक्रियेचा परिणाम नंतर III-V घटकांच्या एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये समावेश होतो. वैकल्पिकरित्या, चेंबरमधून न वापरलेले अभिकर्मक आणि प्रतिक्रिया उत्पादने बाहेर काढल्यास, पृष्ठभागावरील विकृती येऊ शकते. याव्यतिरिक्त, काही पूर्ववर्ती पृष्ठभागावर 'नकारात्मक वाढ' कोरीव काम करण्यास प्रवृत्त करू शकतात, जसे की GaAs/AlGaAs च्या कार्बन डोपिंगमध्ये आणि समर्पित नक्षी स्त्रोतांसह. एपिटॅक्सीची सुसंगत रचना आणि जाडी सुनिश्चित करण्यासाठी ससेप्टर फिरतो.

MOCVD अणुभट्टीमध्ये आवश्यक वाढीचे तापमान प्रामुख्याने प्रिकर्सर्सच्या आवश्यक पायरोलिसिसद्वारे निर्धारित केले जाते आणि नंतर पृष्ठभागाच्या गतिशीलतेच्या संदर्भात ऑप्टिमाइझ केले जाते. बबलर्समधील गट-III धातू-सेंद्रिय स्त्रोतांच्या वाष्प दाबाने वाढीचा दर निश्चित केला जातो. पृष्ठभागावरील अणू पायऱ्यांमुळे पृष्ठभागाच्या प्रसारावर परिणाम होतो, या कारणास्तव अनेकदा चुकीचे सबस्ट्रेट्स वापरले जातात. सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवरील वाढीसाठी ऑक्साइड डिसॉर्प्शन (>1000°C) सुनिश्चित करण्यासाठी अत्यंत उच्च-तापमानाच्या टप्प्यांची आवश्यकता असते, विशेषज्ञ हीटर्स आणि वेफर सब्सट्रेट धारकांची मागणी होते.

अणुभट्टीचा व्हॅक्यूम प्रेशर आणि भूमितीचा अर्थ असा आहे की इन-सीटू मॉनिटरिंग तंत्र MBE प्रमाणे बदलतात, MBE मध्ये सामान्यतः अधिक पर्याय आणि कॉन्फिगरेबिलिटी असते. MOCVD साठी, उत्सर्जन-दुरुस्त पायरोमेट्री इन-सीटू, वेफर पृष्ठभाग तापमान मापनासाठी वापरली जाते (रिमोट, थर्मोकूपल मापनाच्या विरूद्ध); परावर्तकता पृष्ठभाग खडबडीत होण्यास आणि एपिटॅक्सियल वाढीच्या दराचे विश्लेषण करण्यास अनुमती देते; वेफर धनुष्य लेसर परावर्तनाद्वारे मोजले जाते; वाढ प्रक्रियेची अचूकता आणि पुनरुत्पादन क्षमता वाढवण्यासाठी, पुरवठा केलेल्या ऑर्गेनोमेटलिक सांद्रता अल्ट्रासोनिक गॅस मॉनिटरिंगद्वारे मोजल्या जाऊ शकतात.

सामान्यतः, ॲल्युमिनियम-युक्त मिश्रधातू उच्च तापमानात (>650°C) वाढतात, तर फॉस्फरस-युक्त थर कमी तापमानात (<650°C) वाढतात, AlInP साठी संभाव्य अपवाद वगळता. टेलिकॉम ऍप्लिकेशन्ससाठी वापरल्या जाणाऱ्या AlInGaAs आणि InGaAsP मिश्र धातुंसाठी, आर्सिनच्या क्रॅकिंग तापमानातील फरक फॉस्फिनपेक्षा प्रक्रिया नियंत्रण सोपे करते. तथापि, एपिटॅक्सियल री-ग्रोथसाठी, जेथे सक्रिय स्तर कोरलेले आहेत, फॉस्फिनला प्राधान्य दिले जाते. अँटीमोनाइड सामग्रीसाठी, योग्य पूर्वसूरी स्रोत नसल्यामुळे, मिश्रधातूंची निवड मर्यादित केल्यामुळे आणि MOCVD द्वारे ऍन्टीमोनाइडच्या वाढीचे प्रमाण कमी झाल्यामुळे, AlSb मध्ये अजाणतेपणाने (आणि सामान्यतः अवांछित) कार्बनचा समावेश होतो.

अत्यंत ताणलेल्या थरांसाठी, आर्सेनाइड आणि फॉस्फाइड सामग्रीचा नियमित वापर करण्याच्या क्षमतेमुळे, ताण संतुलन आणि नुकसान भरपाई शक्य आहे, जसे की GaAsP अडथळे आणि InGaAs क्वांटम विहिरी (QWs).

सारांश

MBE मध्ये सामान्यतः MOCVD पेक्षा अधिक इन-सीटू मॉनिटरिंग पर्याय असतात. एपिटॅक्सियल ग्रोथ फ्लक्स रेट आणि सब्सट्रेट तापमानाद्वारे समायोजित केली जाते, जे स्वतंत्रपणे नियंत्रित केले जाते, संबंधित इन-सीटू मॉनिटरिंगमुळे वाढ प्रक्रिया अधिक स्पष्ट, थेट, समजू शकते.

MOCVD हे एक अत्यंत अष्टपैलू तंत्र आहे ज्याचा उपयोग पूर्ववर्ती रसायनशास्त्र बदलून कंपाऊंड सेमीकंडक्टर्स, नायट्राइड्स आणि ऑक्साईडसह विविध प्रकारच्या सामग्री जमा करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. वाढीच्या प्रक्रियेचे अचूक नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटोनिक्स आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समधील अनुप्रयोगांसाठी अनुकूल गुणधर्मांसह जटिल सेमीकंडक्टर उपकरणे तयार करण्यास अनुमती देते. MOCVD चेंबर क्लीन-अप वेळा MBE पेक्षा जलद आहेत.

MOCVD वितरित फीडबॅक (DFBs) लेझर, दफन केलेले हेटरोस्ट्रक्चर डिव्हाइसेस आणि बट-जॉइंटेड वेव्हगाइड्सच्या पुनर्विकासासाठी उत्कृष्ट आहे. यामध्ये सेमीकंडक्टरचे इन-सिटू एचिंग समाविष्ट असू शकते. MOCVD, म्हणून, मोनोलिथिक InP एकत्रीकरणासाठी आदर्श आहे. GaAs मध्ये मोनोलिथिक एकत्रीकरण त्याच्या बाल्यावस्थेत असले तरी, MOCVD निवडक क्षेत्र वाढ करण्यास सक्षम करते, जेथे डायलेक्ट्रिक मास्क केलेले क्षेत्र उत्सर्जन/शोषण तरंगलांबी जागा करण्यास मदत करतात. MBE सह हे करणे कठीण आहे, जेथे डायलेक्ट्रिक मास्कवर पॉलीक्रिस्टल ठेवी तयार होऊ शकतात.

सर्वसाधारणपणे, MBE ही Sb सामग्रीसाठी निवडीची वाढीची पद्धत आहे आणि MOCVD ही P सामग्रीसाठी निवड आहे. दोन्ही वाढ तंत्रांमध्ये As-आधारित सामग्रीसाठी समान क्षमता आहेत. पारंपारिक MBE-केवळ बाजार, जसे की इलेक्ट्रॉनिक्स, आता MOCVD वाढीसह तितकेच चांगले सेवा दिली जाऊ शकते. तथापि, क्वांटम डॉट आणि क्वांटम कॅस्केड लेसर सारख्या अधिक प्रगत संरचनांसाठी, बेस एपिटॅक्सीसाठी MBE ला प्राधान्य दिले जाते. एपिटॅक्सियल रीग्रोथ आवश्यक असल्यास, एमओसीव्हीडीला सामान्यतः प्राधान्य दिले जाते, त्याच्या नक्षीकाम आणि मास्किंग लवचिकतेमुळे.