MBE మరియు MOCVD టెక్నాలజీల మధ్య తేడాలు ఏమిటి?

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE) మరియు మెటల్-ఆర్గానిక్ కెమికల్ ఆవిరి నిక్షేపణ (MOCVD) రియాక్టర్లు రెండూ క్లీన్‌రూమ్ పరిసరాలలో పనిచేస్తాయి మరియు పొర లక్షణాల కోసం అదే మెట్రాలజీ సాధనాలను ఉపయోగిస్తాయి. ఘన-మూలం MBE అధిక-స్వచ్ఛతను ఉపయోగిస్తుంది, ఎఫ్యూషన్ కణాలలో వేడిచేసిన ఎలిమెంటల్ పూర్వగాములు నిక్షేపణను ప్రారంభించడానికి పరమాణు పుంజంను సృష్టించడానికి (శీతలీకరణకు ఉపయోగించే ద్రవ నత్రజనితో). దీనికి విరుద్ధంగా, MOCVD అనేది రసాయన ఆవిరి ప్రక్రియ, ఇది నిక్షేపణను ప్రారంభించడానికి అల్ట్రా-ప్యూర్, వాయువు వనరులను ఉపయోగిస్తుంది మరియు విషపూరిత వాయువు హ్యాండింగ్ మరియు తగ్గింపు అవసరం. రెండు పద్ధతులు ఆర్సెనిడెస్ వంటి కొన్ని భౌతిక వ్యవస్థలలో ఒకేలాంటి ఎపిటాక్సీని ఉత్పత్తి చేయగలవు. నిర్దిష్ట పదార్థాలు, ప్రక్రియలు మరియు మార్కెట్ల కోసం ఒక టెక్నిక్ యొక్క ఎంపిక మరొకదానిపై చర్చించబడుతుంది.

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ

MBE రియాక్టర్ సాధారణంగా ఒక నమూనా బదిలీ గదిని కలిగి ఉంటుంది (గాలికి తెరిచి ఉంటుంది, పొర సబ్‌స్ట్రెట్‌లను లోడ్ చేయడానికి మరియు అన్‌లోడ్ చేయడానికి) మరియు వృద్ధి గది (సాధారణంగా మూసివేయబడుతుంది మరియు నిర్వహణ కోసం మాత్రమే గాలికి తెరవబడుతుంది), ఇక్కడ ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధికి ఉపరితలం బదిలీ చేయబడుతుంది . MBE రియాక్టర్లు గాలి అణువుల నుండి కలుషితాన్ని నివారించడానికి అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ (UHV) పరిస్థితులలో పనిచేస్తాయి. గది గాలికి తెరిచి ఉంటే ఈ కలుషితాల తరలింపును వేగవంతం చేయడానికి గదిని వేడి చేయవచ్చు.

తరచుగా, MBE రియాక్టర్‌లోని ఎపిటాక్సీ యొక్క మూల పదార్థాలు ఘన సెమీకండక్టర్లు లేదా లోహాలు. ఇవి ఎఫ్యూషన్ కణాలలో వాటి ద్రవీభవన బిందువులకు మించి (అనగా మూల పదార్థ బాష్పీభవనం) వేడి చేయబడతాయి. ఇక్కడ, అణువులు లేదా అణువులను ఒక చిన్న ఎపర్చరు ద్వారా MBE వాక్యూమ్ చాంబర్‌లోకి నడిపిస్తారు, ఇది అధిక దిశాత్మక పరమాణు పుంజం ఇస్తుంది. ఇది వేడిచేసిన ఉపరితలంపై ప్రభావం చూపుతుంది; సాధారణంగా సిలికాన్, గల్లియం ఆర్సెనైడ్ (GAAS) లేదా ఇతర సెమీకండక్టర్స్ వంటి సింగిల్-క్రిస్టల్ పదార్థాలతో తయారు చేస్తారు. అణువులు నిర్జనమైపోవని, అవి ఉపరితల ఉపరితలంపై వ్యాప్తి చెందుతాయి, ఇది ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలను ప్రోత్సహిస్తుంది. ఎపిటాక్సీ అప్పుడు పొర ద్వారా నిర్మించబడుతుంది, ప్రతి పొర యొక్క కూర్పు మరియు మందం కావలసిన ఆప్టికల్ మరియు విద్యుత్ లక్షణాలను సాధించడానికి నియంత్రించబడుతుంది.

సబ్‌స్ట్రేట్ కేంద్రంగా, వృద్ధి గదిలో, క్రియోషిల్డ్‌లతో చుట్టుముట్టబడిన వేడిచేసిన హోల్డర్‌పై, ఎఫ్యూషన్ కణాలు మరియు షట్టర్ వ్యవస్థను ఎదుర్కొంటుంది. ఏకరీతి నిక్షేపణ మరియు ఎపిటాక్సియల్ మందాన్ని అందించడానికి హోల్డర్ తిరుగుతుంది. క్రియోషిల్డ్‌లు ద్రవ-నత్రజని చల్లబడిన-పలకలు, ఇవి గదిలో కలుషితాలు మరియు అణువులను ఉచ్చు, గతంలో సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై సంగ్రహించబడవు. కలుషితాలు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉపరితలం యొక్క నిర్జలీకరణం నుండి లేదా పరమాణు పుంజం నుండి ‘ఓవర్ నింపడం’ 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 వ్యాప్తి లక్షణాలను ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు వాటి నిర్జలీకరణం, ఉపరితల వేడిచే నియంత్రించబడుతుంది). ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి ఈ పారామితులు స్వతంత్రంగా సర్దుబాటు చేయబడతాయి మరియు MBE రియాక్టర్‌లో పర్యవేక్షించబడతాయి.

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

MBE కొరకు పదార్థ లక్షణాలు

MBEలో ఉపయోగించే III-V మెటీరియల్ సిస్టమ్స్ యొక్క లక్షణాలు:

● సిలికాన్: సిలికాన్ ఉపరితలాలపై పెరుగుదల ఆక్సైడ్ నిర్జలీకరణం (> 1000 ° C) ను నిర్ధారించడానికి చాలా ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు అవసరం, కాబట్టి స్పెషలిస్ట్ హీటర్లు మరియు పొర హోల్డర్లు అవసరం. లాటిస్ స్థిరమైన మరియు విస్తరణ గుణకంలో అసమతుల్యత చుట్టూ ఉన్న సమస్యలు సిలికాన్ పై III-V వృద్ధిని క్రియాశీల R&D అంశం చేస్తాయి.

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

●  ఫాస్పరస్.

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 పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉపరితల ఉపరితలంపై పూర్తిగా కుళ్ళిపోతాయి, లోహ అణువులను మరియు సేంద్రీయ ఉప-ఉత్పత్తులను విడుదల చేస్తాయి. ఆవిరి మిశ్రమాన్ని సర్దుబాటు చేయడానికి రియాజెంట్స్ యొక్క ఏకాగ్రత వేర్వేరు, III-V మిశ్రమ 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 ప్రధానంగా పూర్వగాముల యొక్క అవసరమైన పైరోలైసిస్ ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది, ఆపై ఉపరితల చలనశీలతకు సంబంధించి ఆప్టిమైజ్ చేయబడుతుంది. వృద్ధి రేటు బబ్లర్లలో గ్రూప్- III మెటల్-ఆర్గానిక్ మూలాల ఆవిరి పీడనం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. ఉపరితల వ్యాప్తి ఉపరితలంపై అణు దశల ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది, ఈ కారణంగా దుర్వినియోగ ఉపరితలాలు తరచుగా ఉపయోగించబడతాయి. సిలికాన్ ఉపరితలాలపై వృద్ధికి ఆక్సైడ్ నిర్జలీకరణం (> 1000 ° C), డిమాండ్ స్పెషలిస్ట్ హీటర్లు మరియు పొర సబ్‌స్ట్రేట్ హోల్డర్లను నిర్ధారించడానికి చాలా ఎక్కువ-ఉష్ణోగ్రత దశలు అవసరం.

రియాక్టర్ యొక్క వాక్యూమ్ ప్రెజర్ మరియు జ్యామితి అంటే ఇన్-సిటు పర్యవేక్షణ పద్ధతులు MBE యొక్క వాటికి మారుతూ ఉంటాయి, MBE సాధారణంగా ఎక్కువ ఎంపికలు మరియు ఆకృతీకరణను కలిగి ఉంటుంది. MOCVD కొరకు, ఉద్గార-సరిదిద్దబడిన పైరోమెట్రీ ఇన్-సిటు, పొర ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత కొలత (రిమోట్, థర్మోకపుల్ కొలతకు విరుద్ధంగా) కోసం ఉపయోగించబడుతుంది; రిఫ్లెక్టివిటీ ఉపరితల కఠినమైన మరియు ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధి రేటును విశ్లేషించడానికి అనుమతిస్తుంది; పొర విల్లును లేజర్ ప్రతిబింబం ద్వారా కొలుస్తారు; మరియు వృద్ధి ప్రక్రియ యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు పునరుత్పత్తి సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి, అల్ట్రాసోనిక్ గ్యాస్ పర్యవేక్షణ ద్వారా సరఫరా చేయబడిన ఆర్గానోమెటాలిక్ సాంద్రతలను కొలవవచ్చు.

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 వలన 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 కన్నా ఎక్కువ సైటు పర్యవేక్షణ ఎంపికలను కలిగి ఉంటుంది. ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల ఫ్లక్స్ రేట్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉష్ణోగ్రత ద్వారా సర్దుబాటు చేయబడుతుంది, ఇవి విడిగా నియంత్రించబడతాయి, అనుబంధ ఇన్-సిటు పర్యవేక్షణతో వృద్ధి ప్రక్రియల గురించి చాలా స్పష్టమైన, ప్రత్యక్ష, అవగాహనను 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 (డిఎఫ్‌బిఎస్) లేజర్‌లు, ఖననం చేయబడిన హెటెరోస్ట్రక్చర్ పరికరాలు మరియు బట్-జాయింట్ వేవ్‌గైడ్‌ల పునరుద్ధరణకు MOCVD అద్భుతమైనది. ఇందులో సెమీకండక్టర్ యొక్క సిటు ఎచింగ్ ఉండవచ్చు. అందువల్ల, మోనోలిథిక్ INP ఇంటిగ్రేషన్‌కు MOCVD అనువైనది. GAA లలో ఏకశిలా సమైక్యత ప్రారంభ దశలో ఉన్నప్పటికీ, MOCVD సెలెక్టివ్ ఏరియా పెరుగుదలను అనుమతిస్తుంది, ఇక్కడ విద్యుద్వాహక ముసుగు ప్రాంతాలు ఉద్గార/శోషణ తరంగదైర్ఘ్యాలకు సహాయపడతాయి. ఇది MBE తో చేయటం కష్టం, ఇక్కడ పాలిక్రిస్టల్ నిక్షేపాలు విద్యుద్వాహక ముసుగులో 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.