MBE మరియు MOCVD సాంకేతికతల మధ్య తేడాలు ఏమిటి?

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE) మరియు మెటల్-ఆర్గానిక్ కెమికల్ ఆవిరి నిక్షేపణ (MOCVD) రియాక్టర్‌లు రెండూ క్లీన్‌రూమ్ పరిసరాలలో పనిచేస్తాయి మరియు పొర క్యారెక్టరైజేషన్ కోసం ఒకే విధమైన మెట్రాలజీ సాధనాలను ఉపయోగిస్తాయి. ఘన-మూలం MBE నిక్షేపణను ఎనేబుల్ చేయడానికి (శీతలీకరణ కోసం ఉపయోగించే ద్రవ నైట్రోజన్‌తో) పరమాణు పుంజాన్ని సృష్టించడానికి ఎఫ్యూషన్ కణాలలో వేడి చేయబడిన అధిక-స్వచ్ఛత, మూలక పూర్వగాములను ఉపయోగిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, MOCVD అనేది ఒక రసాయన ఆవిరి ప్రక్రియ, నిక్షేపణను ప్రారంభించడానికి అల్ట్రా-స్వచ్ఛమైన, వాయు మూలాలను ఉపయోగిస్తుంది మరియు విషపూరిత వాయువును అందజేయడం మరియు తగ్గించడం అవసరం. రెండు పద్ధతులు ఆర్సెనైడ్స్ వంటి కొన్ని మెటీరియల్ సిస్టమ్‌లలో ఒకే విధమైన ఎపిటాక్సీని ఉత్పత్తి చేయగలవు. నిర్దిష్ట మెటీరియల్స్, ప్రాసెస్‌లు మరియు మార్కెట్‌ల కోసం ఒక టెక్నిక్‌ని మరొకదానిపై ఎంచుకోవడం చర్చించబడుతుంది.

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ

ఒక MBE రియాక్టర్ సాధారణంగా నమూనా బదిలీ గదిని కలిగి ఉంటుంది (వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను లోడ్ చేయడానికి మరియు అన్‌లోడ్ చేయడానికి అనుమతించడానికి గాలికి తెరిచి ఉంటుంది) మరియు గ్రోత్ చాంబర్ (సాధారణంగా సీలు చేయబడింది మరియు నిర్వహణ కోసం గాలికి మాత్రమే తెరవబడుతుంది) ఇక్కడ సబ్‌స్ట్రేట్ ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు బదిలీ చేయబడుతుంది. . MBE రియాక్టర్లు గాలి అణువుల నుండి కలుషితం కాకుండా నిరోధించడానికి అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ (UHV) పరిస్థితులలో పనిచేస్తాయి. ఛాంబర్ గాలికి తెరిచి ఉంటే, ఈ కలుషితాల తరలింపును వేగవంతం చేయడానికి గదిని వేడి చేయవచ్చు.

తరచుగా, MBE రియాక్టర్‌లో ఎపిటాక్సీ యొక్క మూల పదార్థాలు ఘన సెమీకండక్టర్లు లేదా లోహాలు. ఇవి ఎఫ్యూషన్ కణాలలో వాటి ద్రవీభవన బిందువుల కంటే (అంటే మూల పదార్థ బాష్పీభవనానికి) మించి వేడి చేయబడతాయి. ఇక్కడ, పరమాణువులు లేదా అణువులు MBE వాక్యూమ్ చాంబర్‌లోకి ఒక చిన్న ఎపర్చరు ద్వారా నడపబడతాయి, ఇది అధిక దిశాత్మక పరమాణు పుంజం ఇస్తుంది. ఇది వేడిచేసిన ఉపరితలంపై ప్రభావం చూపుతుంది; సాధారణంగా సిలికాన్, గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) లేదా ఇతర సెమీకండక్టర్స్ వంటి సింగిల్-క్రిస్టల్ పదార్థాలతో తయారు చేస్తారు. అణువులు నిర్జలీకరణం కావు, అవి ఉపరితల ఉపరితలంపై వ్యాపించి, ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలను ప్రోత్సహిస్తాయి. ఎపిటాక్సీ అనేది ప్రతి పొర యొక్క కూర్పు మరియు మందంతో కావలసిన ఆప్టికల్ మరియు ఎలక్ట్రికల్ లక్షణాలను సాధించడానికి నియంత్రించబడటంతో పొరల వారీగా నిర్మించబడుతుంది.

సబ్‌స్ట్రేట్ కేంద్రంగా, గ్రోత్ ఛాంబర్‌లో, క్రయోషీల్డ్‌లతో చుట్టుముట్టబడిన వేడిచేసిన హోల్డర్‌పై, ఎఫ్యూషన్ కణాలు మరియు షట్టర్ సిస్టమ్‌కు ఎదురుగా అమర్చబడి ఉంటుంది. హోల్డర్ ఏకరీతి నిక్షేపణ మరియు ఎపిటాక్సియల్ మందాన్ని అందించడానికి తిరుగుతుంది. క్రయోషీల్డ్‌లు లిక్విడ్-నైట్రోజన్ కూల్డ్-ప్లేట్‌లు, ఇవి గతంలో సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై సంగ్రహించబడని కలుషితాలు మరియు అణువులను ఛాంబర్‌లోని ట్రాప్ చేస్తాయి. కలుషితాలు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉపరితల నిర్జలీకరణం లేదా పరమాణు పుంజం నుండి 'ఓవర్ ఫిల్లింగ్' ద్వారా కావచ్చు.

అల్ట్రా-హై-వాక్యూమ్ MBE రియాక్టర్ చాంబర్ నిక్షేపణ ప్రక్రియను నియంత్రించడానికి ఇన్-సిటు మానిటరింగ్ టూల్స్‌ను అనుమతిస్తుంది. రిఫ్లెక్షన్ హై-ఎనర్జీ ఎలక్ట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్ (RHEED) పెరుగుదల ఉపరితలాన్ని పర్యవేక్షించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. లేజర్ ప్రతిబింబం, థర్మల్ ఇమేజింగ్ మరియు రసాయన విశ్లేషణ (మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ, అగర్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ) ఆవిరైన పదార్థం యొక్క కూర్పును విశ్లేషిస్తుంది. నిజ సమయంలో ప్రాసెస్ పారామితులను సర్దుబాటు చేయడానికి ఉష్ణోగ్రతలు, ఒత్తిళ్లు మరియు వృద్ధి రేటును కొలవడానికి ఇతర సెన్సార్లు ఉపయోగించబడతాయి.

వృద్ధి రేటు మరియు సర్దుబాటు

ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధి రేటు, సాధారణంగా సెకనుకు మోనోలేయర్‌లో మూడింట ఒక వంతు (0.1nm, 1Å), ఫ్లక్స్ రేట్ (అధస్తర ఉపరితలం వద్దకు వచ్చే అణువుల సంఖ్య, మూల ఉష్ణోగ్రతచే నియంత్రించబడుతుంది) మరియు ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది. (ఇది సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై అణువుల యొక్క డిఫ్యూసివ్ లక్షణాలను ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు వాటి నిర్జలీకరణం, ఉపరితల వేడిచే నియంత్రించబడుతుంది). ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి ఈ పారామితులు స్వతంత్రంగా సర్దుబాటు చేయబడతాయి మరియు MBE రియాక్టర్‌లో పర్యవేక్షించబడతాయి.

యాంత్రిక షట్టర్ వ్యవస్థను ఉపయోగించి వృద్ధి రేట్లు మరియు వివిధ పదార్థాల సరఫరాను నియంత్రించడం ద్వారా, టెర్నరీ మరియు క్వాటర్నరీ మిశ్రమాలు మరియు బహుళ-పొర నిర్మాణాలను విశ్వసనీయంగా మరియు పదేపదే పెంచవచ్చు. నిక్షేపణ తర్వాత, ఉష్ణ ఒత్తిడిని నివారించడానికి ఉపరితలం నెమ్మదిగా చల్లబడుతుంది మరియు దాని స్ఫటికాకార నిర్మాణం మరియు లక్షణాలను వర్గీకరించడానికి పరీక్షించబడుతుంది.

MBE కోసం మెటీరియల్ లక్షణాలు

MBEలో ఉపయోగించే III-V మెటీరియల్ సిస్టమ్స్ యొక్క లక్షణాలు:

●  సిలికాన్: ఆక్సైడ్ నిర్జలీకరణాన్ని (>1000°C) నిర్ధారించడానికి సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెరుగుదలకు చాలా ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు అవసరమవుతాయి, కాబట్టి స్పెషలిస్ట్ హీటర్‌లు మరియు వేఫర్ హోల్డర్‌లు అవసరం. లాటిస్ స్థిరాంకం మరియు విస్తరణ గుణకంలో అసమతుల్యత చుట్టూ ఉన్న సమస్యలు సిలికాన్‌పై III-V వృద్ధిని క్రియాశీల R&D అంశంగా చేస్తాయి.

●  యాంటిమోనీ: III-Sb సెమీకండక్టర్ల కోసం, ఉపరితలం నుండి నిర్జలీకరణాన్ని నివారించడానికి తక్కువ ఉపరితల ఉష్ణోగ్రతలను తప్పనిసరిగా ఉపయోగించాలి. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద 'నాన్-కాంగ్రూయెన్' కూడా సంభవించవచ్చు, ఇక్కడ ఒక పరమాణు జాతులు నాన్-స్టోయికియోమెట్రిక్ పదార్థాలను వదిలివేయడానికి ప్రాధాన్యంగా ఆవిరైపోవచ్చు.

●  భాస్వరం: III-P మిశ్రమాల కోసం, ఫాస్పరస్ గది లోపలి భాగంలో నిక్షిప్తం చేయబడుతుంది, తక్కువ సమయంలో ఉత్పత్తిని అమలు చేయలేనిదిగా చేసే సమయం తీసుకునే శుభ్రపరిచే ప్రక్రియ అవసరం.

లోహ-సేంద్రీయ రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ

MOCVD రియాక్టర్ అధిక-ఉష్ణోగ్రత, నీటి-చల్లబడిన ప్రతిచర్య గదిని కలిగి ఉంటుంది. సబ్‌స్ట్రేట్‌లు RF, రెసిస్టివ్ లేదా IR హీటింగ్ ద్వారా వేడి చేయబడిన గ్రాఫైట్ ససెప్టర్‌పై ఉంచబడతాయి. రియాజెంట్ వాయువులు సబ్‌స్ట్రేట్‌ల పైన ఉన్న ప్రాసెస్ ఛాంబర్‌లోకి నిలువుగా ఇంజెక్ట్ చేయబడతాయి. ఉష్ణోగ్రత, గ్యాస్ ఇంజెక్షన్, మొత్తం గ్యాస్ ప్రవాహం, ససెప్టర్ రొటేషన్ మరియు పీడనాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయడం ద్వారా పొర ఏకరూపత సాధించబడుతుంది. క్యారియర్ వాయువులు హైడ్రోజన్ లేదా నైట్రోజన్.

ఎపిటాక్సియల్ పొరలను నిక్షిప్తం చేయడానికి, MOCVD గ్రూప్-III మూలకాల కోసం గాలియం కోసం ట్రైమిథైల్‌గాలియం లేదా అల్యూమినియం కోసం ట్రైమెథైలాల్యూమినియం మరియు గ్రూప్-V మూలకాల కోసం హైడ్రైడ్ వాయువులు (ఆర్సిన్ మరియు ఫాస్ఫైన్) వంటి అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన లోహ-సేంద్రీయ పూర్వగాములను ఉపయోగిస్తుంది. మెటల్-ఆర్గానిక్స్ గ్యాస్ ఫ్లో బబ్లర్లలో ఉంటాయి. ప్రాసెస్ చాంబర్‌లోకి ఇంజెక్ట్ చేయబడిన ఏకాగ్రత బబ్లర్ ద్వారా మెటల్-ఆర్గానిక్ మరియు క్యారియర్ గ్యాస్ ప్రవాహం యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.

కారకాలు వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉపరితల ఉపరితలంపై పూర్తిగా కుళ్ళిపోతాయి, లోహ పరమాణువులు మరియు సేంద్రీయ ఉప-ఉత్పత్తులను విడుదల చేస్తాయి. రియాజెంట్ల ఏకాగ్రత ఆవిరి మిశ్రమాన్ని సర్దుబాటు చేయడానికి రన్/వెంట్ స్విచింగ్ సిస్టమ్‌తో పాటు విభిన్న, III-V మిశ్రమం నిర్మాణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి సర్దుబాటు చేయబడుతుంది.

ఉపరితలం సాధారణంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్, ఇండియం ఫాస్ఫైడ్ లేదా నీలమణి వంటి సెమీకండక్టర్ పదార్థం యొక్క సింగిల్-క్రిస్టల్ పొర. ఇది పూర్వగామి వాయువులు ఇంజెక్ట్ చేయబడిన రియాక్షన్ ఛాంబర్‌లోని ససెప్టర్‌పైకి లోడ్ చేయబడుతుంది. చాలా వరకు ఆవిరైన లోహ-ఆర్గానిక్స్ మరియు ఇతర వాయువులు వేడిచేసిన గ్రోత్ ఛాంబర్‌లో మార్పు లేకుండా ప్రయాణిస్తాయి, అయితే కొద్ది మొత్తంలో పైరోలిసిస్ (పగుళ్లు)కి లోనవుతాయి, ఇవి వేడి ఉపరితల ఉపరితలంపైకి శోషించే ఉపజాతి పదార్థాలను సృష్టిస్తాయి. ఒక ఉపరితల ప్రతిచర్య అప్పుడు III-V మూలకాలను ఎపిటాక్సియల్ పొరలో చేర్చడానికి దారితీస్తుంది. ప్రత్యామ్నాయంగా, ఛాంబర్ నుండి ఖాళీ చేయబడిన ఉపయోగించని కారకాలు మరియు ప్రతిచర్య ఉత్పత్తులతో ఉపరితలం నుండి నిర్జలీకరణం సంభవించవచ్చు. అదనంగా, కొన్ని పూర్వగాములు GaAs/AlGaAs యొక్క కార్బన్ డోపింగ్ మరియు అంకితమైన ఎచాంట్ మూలాలతో ఉపరితలం యొక్క 'ప్రతికూల వృద్ధి' చెక్కడాన్ని ప్రేరేపించవచ్చు. ఎపిటాక్సీ యొక్క స్థిరమైన కూర్పు మరియు మందాలను నిర్ధారించడానికి ససెప్టర్ తిరుగుతుంది.

MOCVD రియాక్టర్‌లో అవసరమైన పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత ప్రాథమికంగా పూర్వగాముల యొక్క అవసరమైన పైరోలైసిస్ ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది, ఆపై ఉపరితల చలనశీలతకు సంబంధించి ఆప్టిమైజ్ చేయబడుతుంది. బబ్లర్లలోని గ్రూప్-III మెటల్-ఆర్గానిక్ మూలాల ఆవిరి పీడనం ద్వారా వృద్ధి రేటు నిర్ణయించబడుతుంది. ఉపరితల వ్యాప్తి ఉపరితలంపై పరమాణు దశల ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది, ఈ కారణంగా తరచుగా దుర్వినియోగం చేయబడిన ఉపరితలాలు ఉపయోగించబడతాయి. సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెరుగుదలకు ఆక్సైడ్ నిర్జలీకరణం (>1000°C), స్పెషలిస్ట్ హీటర్‌లు మరియు వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్ హోల్డర్‌లను నిర్ధారించడానికి చాలా అధిక-ఉష్ణోగ్రత దశలు అవసరం.

రియాక్టర్ యొక్క వాక్యూమ్ ప్రెజర్ మరియు జ్యామితి అంటే ఇన్-సిటు మానిటరింగ్ టెక్నిక్‌లు MBEకి మారుతూ ఉంటాయి, MBE సాధారణంగా మరిన్ని ఎంపికలు మరియు కాన్ఫిగరబిలిటీని కలిగి ఉంటుంది. MOCVD కోసం, ఎమిసివిటీ-కరెక్టెడ్ పైరోమెట్రీ ఇన్-సిటు, పొర ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత కొలత కోసం ఉపయోగించబడుతుంది (రిమోట్, థర్మోకపుల్ కొలతకు విరుద్ధంగా); పరావర్తనం ఉపరితల కరుకుదనం మరియు ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధి రేటును విశ్లేషించడానికి అనుమతిస్తుంది; పొర విల్లు లేజర్ ప్రతిబింబం ద్వారా కొలుస్తారు; మరియు సరఫరా చేయబడిన ఆర్గానోమెటాలిక్ సాంద్రతలను అల్ట్రాసోనిక్ గ్యాస్ పర్యవేక్షణ ద్వారా కొలవవచ్చు, వృద్ధి ప్రక్రియ యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు పునరుత్పత్తిని పెంచడానికి.

సాధారణంగా, అల్యూమినియం-కలిగిన మిశ్రమాలు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (>650°C) పెరుగుతాయి, అయితే ఫాస్పరస్-కలిగిన పొరలు AlInPకి మినహాయింపులతో తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (<650°C) పెరుగుతాయి. AlInGaAs మరియు InGaAsP మిశ్రమాల కోసం, టెలికాం అనువర్తనాల కోసం ఉపయోగిస్తారు, ఆర్సిన్ యొక్క క్రాకింగ్ ఉష్ణోగ్రతలో వ్యత్యాసం ఫాస్ఫైన్ కంటే ప్రక్రియ నియంత్రణను సులభతరం చేస్తుంది. అయినప్పటికీ, ఎపిటాక్సియల్ రీ-గ్రోత్ కోసం, క్రియాశీల పొరలు చెక్కబడిన చోట, ఫాస్ఫైన్‌కు ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది. యాంటీమోనైడ్ పదార్థాల కోసం, తగిన పూర్వగామి మూలం లేకపోవడం, మిశ్రమాల ఎంపికను పరిమితం చేయడం మరియు MOCVD ద్వారా యాంటీమోనైడ్ పెరుగుదలను తీసుకోవడం వల్ల AlSbలో అనుకోకుండా (మరియు సాధారణంగా అవాంఛిత) కార్బన్ విలీనం జరుగుతుంది.

ఆర్సెనైడ్ మరియు ఫాస్ఫైడ్ పదార్థాలను మామూలుగా ఉపయోగించుకోగల సామర్థ్యం కారణంగా అధిక వడకట్టిన పొరల కోసం, GaAsP అడ్డంకులు మరియు InGaAs క్వాంటం బావులు (QWs) వంటి స్ట్రెయిన్ బ్యాలెన్సింగ్ మరియు పరిహారం సాధ్యమవుతుంది.

సారాంశం

MBE సాధారణంగా MOCVD కంటే ఎక్కువ ఇన్-సిటు పర్యవేక్షణ ఎంపికలను కలిగి ఉంటుంది. ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల ఫ్లక్స్ రేట్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉష్ణోగ్రత ద్వారా సర్దుబాటు చేయబడుతుంది, ఇవి విడిగా నియంత్రించబడతాయి, అనుబంధిత ఇన్-సిటు పర్యవేక్షణతో వృద్ధి ప్రక్రియలను మరింత స్పష్టంగా, ప్రత్యక్షంగా, అర్థం చేసుకోవడానికి అనుమతిస్తుంది.

MOCVD అనేది అత్యంత బహుముఖ సాంకేతికత, ఇది పూర్వగామి రసాయన శాస్త్రాన్ని మార్చడం ద్వారా సమ్మేళనం సెమీకండక్టర్స్, నైట్రైడ్‌లు మరియు ఆక్సైడ్‌లతో సహా అనేక రకాల పదార్థాలను డిపాజిట్ చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. గ్రోత్ ప్రాసెస్ యొక్క ఖచ్చితమైన నియంత్రణ ఎలక్ట్రానిక్స్, ఫోటోనిక్స్ మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్‌లోని అప్లికేషన్‌లకు అనుకూలమైన లక్షణాలతో సంక్లిష్టమైన సెమీకండక్టర్ పరికరాల కల్పనను అనుమతిస్తుంది. MOCVD చాంబర్ క్లీన్-అప్ సమయాలు MBE కంటే వేగంగా ఉంటాయి.

పంపిణీ చేయబడిన ఫీడ్‌బ్యాక్ (DFBలు) లేజర్‌లు, బరీడ్ హెటెరోస్ట్రక్చర్ పరికరాలు మరియు బట్-జాయింటెడ్ వేవ్‌గైడ్‌ల పునరుద్ధరణకు MOCVD అద్భుతమైనది. ఇందులో సెమీకండక్టర్ యొక్క ఇన్-సిటు ఎచింగ్ ఉండవచ్చు. MOCVD, కాబట్టి, ఏకశిలా InP ఏకీకరణకు అనువైనది. GaAsలో మోనోలిథిక్ ఇంటిగ్రేషన్ ప్రారంభ దశలో ఉన్నప్పటికీ, MOCVD ఎంపిక చేసిన ప్రాంత వృద్ధిని అనుమతిస్తుంది, ఇక్కడ విద్యుద్వాహక మాస్క్‌డ్ ప్రాంతాలు ఉద్గార/శోషణ తరంగదైర్ఘ్యాలను ఖాళీ చేయడంలో సహాయపడతాయి. MBEతో దీన్ని చేయడం కష్టం, ఇక్కడ విద్యుద్వాహక ముసుగుపై పాలీక్రిస్టల్ నిక్షేపాలు ఏర్పడతాయి.

సాధారణంగా, MBE అనేది Sb మెటీరియల్‌లకు ఎంపిక చేసే వృద్ధి పద్ధతి మరియు P మెటీరియల్‌లకు MOCVD ఎంపిక. రెండు గ్రోత్ టెక్నిక్‌లు అస్-బేస్డ్ మెటీరియల్‌ల కోసం ఒకే విధమైన సామర్థ్యాలను కలిగి ఉంటాయి. ఎలక్ట్రానిక్స్ వంటి సాంప్రదాయ MBE-మాత్రమే మార్కెట్‌లు ఇప్పుడు MOCVD వృద్ధితో సమానంగా అందించబడతాయి. అయినప్పటికీ, క్వాంటం డాట్ మరియు క్వాంటం క్యాస్కేడ్ లేజర్‌ల వంటి మరింత అధునాతన నిర్మాణాల కోసం, MBE తరచుగా బేస్ ఎపిటాక్సీకి ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది. ఎపిటాక్సియల్ రీగ్రోత్ అవసరమైతే, దాని ఎచింగ్ మరియు మాస్కింగ్ ఫ్లెక్సిబిలిటీ కారణంగా సాధారణంగా MOCVDకి ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది.