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.

बर्‍याचदा, एमबीई अणुभट्टीमध्ये एपिटॅक्सीची स्त्रोत सामग्री सॉलिड सेमीकंडक्टर्स किंवा धातू असतात. हे फ्यूजन पेशींमध्ये त्यांच्या वितळण्याच्या बिंदूंच्या (म्हणजे स्त्रोत सामग्री बाष्पीभवन) च्या पलीकडे गरम केले जाते. येथे, अणू किंवा रेणू एका लहान छिद्रातून एमबीई व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये चालविले जातात, जे अत्यंत दिशात्मक आण्विक बीम देते. हे गरम पाण्याची सोय सब्सट्रेटवर प्रभावित करते; सामान्यत: सिलिकॉन, गॅलियम आर्सेनाइड (जीएएएस) किंवा इतर सेमीकंडक्टर सारख्या सिंगल-क्रिस्टल सामग्रीपासून बनविलेले. रेणू डेसॉर्ब करत नाहीत हे प्रदान करीत, ते एपिटॅक्सियल वाढीस प्रोत्साहन देणार्‍या सब्सट्रेट पृष्ठभागावर पसरतील. एपिटॅक्सी नंतर लेयरद्वारे अंगभूत लेयर आहे, प्रत्येक लेयरची रचना आणि जाडी इच्छित ऑप्टिकल आणि इलेक्ट्रिकल गुणधर्म साध्य करण्यासाठी नियंत्रित केली जाते.

सब्सट्रेट मध्यभागी, ग्रोथ चेंबरमध्ये, क्रायोशिल्ड्सने वेढलेल्या गरम धारकावर, फ्यूजन सेल्स आणि शटर सिस्टमचा सामना करीत आहे. एकसमान साठा आणि एपिटॅक्सियल जाडी प्रदान करण्यासाठी धारक फिरतो. क्रायोशिल्ड्स लिक्विड-नायट्रोजन कूल्ड-प्लेट्स आहेत जे चेंबरमध्ये दूषित पदार्थ आणि अणू अडकतात जे पूर्वी सब्सट्रेट पृष्ठभागावर कॅप्चर केलेले नाहीत. दूषित पदार्थ उच्च तापमानात सब्सट्रेटच्या डेसॉरप्शनपासून किंवा आण्विक बीममधून ‘ओव्हर फिलिंग’ करून असू शकतात.

अल्ट्रा-हाय-व्हॅक्यूम एमबीई अणुभट्टी चेंबर जमा प्रक्रिया नियंत्रित करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या इन-सिटू मॉनिटरिंग टूल्सचा वापर करण्यास सक्षम करते. प्रतिबिंब उच्च-उर्जा इलेक्ट्रॉन डिफरक्शन (आरईडी) वाढीच्या पृष्ठभागावर देखरेख करण्यासाठी वापरली जाते. लेसर प्रतिबिंब, थर्मल इमेजिंग आणि रासायनिक विश्लेषण (मास स्पेक्ट्रोमेट्री, ऑगर स्पेक्ट्रोमेट्री) बाष्पीभवन सामग्रीच्या रचनांचे विश्लेषण करते. रिअल-टाइममध्ये प्रक्रिया पॅरामीटर्स समायोजित करण्यासाठी तापमान, दबाव आणि वाढीचे दर मोजण्यासाठी इतर सेन्सरचा वापर केला जातो.

वाढीचा दर आणि समायोजन

एपिटॅक्सियल वाढीचा दर, जो सामान्यत: मोनोलेयर (0.1nm, 1Å) प्रति सेकंदाचा एक तृतीयांश असतो, फ्लक्स रेट (स्रोत तापमानाद्वारे नियंत्रित असलेल्या थराच्या 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

एमबीईमध्ये वापरल्या जाणार्‍या III-V मटेरियल सिस्टमची वैशिष्ट्ये आहेत:

●  सिलिकॉन: सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवरील वाढीसाठी ऑक्साईड डेसॉरप्शन (> 1000 डिग्री सेल्सियस) सुनिश्चित करण्यासाठी खूप उच्च तापमान आवश्यक आहे, म्हणून तज्ञ हीटर आणि वेफर धारक आवश्यक आहेत. जाळीच्या स्थिर आणि विस्तार गुणांकातील न जुळणार्‍या समस्यांमुळे सिलिकॉनवर सक्रिय आर अँड डी विषय III-V वाढ होते.

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

●  फॉस्फरस: III-P मिश्र धातुंसाठी, फॉस्फरस चेंबरच्या आतील बाजूस जमा केले जाईल, ज्यास वेळ घेणारी क्लीन-अप प्रक्रिया आवश्यक आहे ज्यामुळे लहान उत्पादन न चालवता येईल.

धातू-सेंद्रिय रासायनिक वाष्प जमा

एमओसीव्हीडी अणुभट्टीमध्ये उच्च-तापमान, वॉटर-कूल्ड रिएक्शन चेंबर आहे. सब्सट्रेट्स आरएफ, प्रतिरोधक किंवा आयआर हीटिंगद्वारे गरम केलेल्या ग्रेफाइट संवेदनशीलतेवर स्थित आहेत. सब्सट्रेट्सच्या वरील प्रक्रिया चेंबरमध्ये रीएजेंट वायू अनुलंब इंजेक्शन दिले जातात. तापमान, गॅस इंजेक्शन, एकूण गॅस प्रवाह, संवेदनाक्षम रोटेशन आणि दबाव अनुकूलित करून थर एकरूपता प्राप्त केली जाते. कॅरियर वायू एकतर हायड्रोजन किंवा नायट्रोजन आहेत.

एपिटॅक्सियल थर जमा करण्यासाठी, एमओसीव्हीडी ग्रुप-व्ही घटकांसाठी गट-तिसरा घटक आणि हायड्राइड वायू (आर्सिन आणि फॉस्फिन) साठी एल्युमिनियमसाठी गॅलियम किंवा ट्रायमेथिलेल्युमिनियमसाठी ट्रायमेथिलगॅलियम सारख्या अत्यंत उच्च-शुद्धता मेटल-सेंद्रिय पूर्ववर्ती वापरते. मेटल-ऑर्गेनिक्स गॅस फ्लो बबलर्समध्ये असतात. प्रोसेस चेंबरमध्ये इंजेक्शन केलेली एकाग्रता बबलरद्वारे मेटल-सेंद्रिय आणि वाहक गॅस प्रवाहाच्या तापमान आणि दाबाने निश्चित 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 भिन्न असतात, MBE कडे 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 करण्यास आणि एपिटॅक्सियल वाढ 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.

थोडक्यात, एल्युमिनियमयुक्त मिश्र धातुंचे प्रमाण जास्त तापमानात (> 650 डिग्री सेल्सियस) घेतले जाते, तर फॉस्फरसयुक्त थर कमी तापमानात (<650 डिग्री सेल्सियस) वाढतात, एलिनपीसाठी संभाव्य अपवाद वगळता. टेलिकॉम अनुप्रयोगांसाठी वापरल्या जाणार्‍या अलिंगास आणि इनगॅस्प मिश्र धातुंसाठी, आर्सिनच्या क्रॅकिंग तापमानात फरक फॉस्फिनपेक्षा प्रक्रिया नियंत्रण सुलभ करते. तथापि, एपिटॅक्सियल री-वाढीसाठी, जिथे सक्रिय थर कोरले जातात, फॉस्फिनला प्राधान्य दिले जाते. अँटीमोनाइड सामग्रीसाठी, एएलएसबीमध्ये नकळत (आणि सामान्यत: अवांछित) कार्बन समाविष्ट होते, योग्य पूर्ववर्ती स्त्रोताच्या अभावामुळे, मिश्रधातूची निवड मर्यादित करते आणि म्हणूनच एमओसीव्हीडीद्वारे अँटीमोनाइड वाढीची वाढ होते.

अत्यधिक ताणलेल्या थरांसाठी, आर्सेनाइड आणि फॉस्फाइड सामग्रीचा नियमितपणे वापर करण्याच्या क्षमतेमुळे, गाएएसपी अडथळे आणि आयएनजीएएएस क्वांटम वेल्स (क्यूडब्ल्यूएस) सारख्या ताण संतुलन आणि भरपाई शक्य आहे.

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.

एमओसीव्हीडी हे एक अत्यंत अष्टपैलू तंत्र आहे ज्याचा उपयोग कंपाऊंड सेमीकंडक्टर, नायट्राइड्स आणि ऑक्साईड्ससह, प्रीकर्सर रसायनशास्त्रात बदलून विस्तृत सामग्री जमा करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. वाढीच्या प्रक्रियेचे अचूक नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटॉनिक्स आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्समधील अनुप्रयोगांसाठी तयार केलेल्या गुणधर्मांसह जटिल सेमीकंडक्टर डिव्हाइस तयार करण्यास अनुमती देते. एमओसीव्हीडी चेंबर क्लीन-अप वेळा एमबीईपेक्षा वेगवान असतात.

वितरित अभिप्राय (डीएफबीएस) लेसर, दफन केलेले हेटरोस्ट्रक्चर डिव्हाइस आणि बट-संयुक्त वेव्हगॉइड्सच्या पुनरुत्थानासाठी एमओसीव्हीडी उत्कृष्ट आहे. यात सेमीकंडक्टरच्या इन-सिटू एचिंगचा समावेश असू शकतो. मोकव्हीडी, म्हणूनच, मोनोलिथिक आयएनपी एकत्रीकरणासाठी आदर्श आहे. जरी जीएएएसमध्ये मोनोलिथिक एकत्रीकरण त्याच्या बालपणात असले तरी, एमओसीव्हीडी निवडक क्षेत्राची वाढ सक्षम करते, जिथे डायलेक्ट्रिक मुखवटा घातलेले क्षेत्र उत्सर्जन/शोषण तरंगलांबी जागृत करण्यास मदत करते. हे एमबीई बरोबर करणे अवघड आहे, जेथे डायलेक्ट्रिक मास्कवर पॉलीक्रिस्टल ठेवी तयार होऊ शकतात.

सर्वसाधारणपणे, एमबीई ही एसबी सामग्रीसाठी निवडीची वाढण्याची पद्धत आहे आणि एमओसीव्हीडी ही पी सामग्रीसाठी निवड आहे. दोन्ही वाढीच्या तंत्रामध्ये-आधारित सामग्रीसाठी समान क्षमता आहेत. पारंपारिक एमबीई-केवळ बाजारपेठ, जसे की इलेक्ट्रॉनिक्स, आता एमओसीव्हीडी वाढीसह तितकेच चांगले सेवा दिली जाऊ शकते. तथापि, क्वांटम डॉट आणि क्वांटम कॅस्केड लेसर सारख्या अधिक प्रगत संरचनांसाठी, बेस एपिटॅक्सीसाठी एमबीई बहुतेकदा प्राधान्य दिले जाते. जर एपिटॅक्सियल रीग्रोथ आवश्यक असेल तर एमओसीव्हीडी सामान्यत: त्याच्या एचिंग आणि मास्किंगच्या लवचिकतेमुळे प्राधान्य दिले जाते.