MBE 技術と MOCVD 技術の違いは何ですか?

分子ビームエピタキシー（MBE）と金属有機化学蒸気堆積（MOCVD）反応器の両方が、クリーンルーム環境で動作し、ウェーハ特性化のために同じメトロロジーツールのセットを使用します。ソリッドソースMBEは、滲出細胞で加熱された高純度の元素前駆体を使用して分子ビームを作成して堆積を可能にします（冷却に使用される液体窒素を使用）。対照的に、MOCVDは、堆積を可能にするために超純粋な気体源を使用した化学的蒸気プロセスであり、有毒ガスの手渡しと削減が必要です。どちらの技術も、アルセニドなどの一部の材料システムで同一のエピタキシーを生成できます。特定の材料、プロセス、および市場の1つの手法の選択について説明します。

分子ビームエピタキシー

MBE反応器は、通常、サンプルトランスファーチャンバー（空気に開放され、ウェーハ基板を荷重および荷降ろしできるようにする）と成長チャンバー（通常は密閉され、メンテナンスのために空気が開いている）で構成されています。 。 MBE反応器は、大気分子からの汚染を防ぐために、超高真空（UHV）条件で動作します。チャンバーが空気に開いている場合、これらの汚染物質の避難を加速するために、チャンバーを加熱することができます。

多くの場合、MBE リアクターでのエピタキシーのソース材料は固体半導体または金属です。これらは、噴出セル内で融点を超えて加熱されます（つまり、原料物質の蒸発）。ここでは、原子または分子が小さな開口部を通って MBE 真空チャンバーに送り込まれ、指向性の高い分子ビームが生成されます。これは加熱された基板に影響を与えます。通常、シリコン、ガリウムヒ素 (GaAs)、またはその他の半導体などの単結晶材料で作られています。分子が脱着しない限り、分子は基板表面に拡散し、エピタキシャル成長を促進します。その後、エピタキシーは層ごとに構築され、各層の組成と厚さは、望ましい光学的および電気的特性を達成するために制御されます。

基板は、凍結細胞とシャッターシステムに面した極低温に囲まれた加熱ホルダーに、成長チャンバー内で中央に取り付けられています。ホルダーは回転して均一な堆積とエピタキシャルの厚さを提供します。極低温は、基質表面に以前に捕捉されていなかったチャンバー内に汚染物質と原子を閉じ込める液体ニトロゲン冷却板です。汚染物質は、高温での基質の脱着または分子ビームからの「過剰充填」によるものです。

Ultra-High-Vacuum MBE Reactor Chamberは、堆積プロセスを制御するために、現場監視ツールを使用できるようにします。反射高エネルギー電子回折（Rheed）は、成長面の監視に使用されます。レーザー反射率、熱イメージング、および化学分析（質量分析、オーガー分光測定）は、蒸発した材料の組成を分析します。他のセンサーは、プロセスパラメーターをリアルタイムで調整するために、温度、圧力、成長率を測定するために使用されます。

成長率と調整

エピタキシャル成長速度は、通常 1 秒あたり単層 (0.1nm、1Å) の約 3 分の 1 ですが、フラックス レート (ソース温度によって制御され、基板表面に到達する原子の数) と基板温度の影響を受けます。 （これは、基板表面上の原子の拡散特性とその脱着に影響を与え、基板の熱によって制御されます）。これらのパラメータは、エピタキシャル プロセスを最適化するために、MBE リアクター内で個別に調整および監視されます。

メカニカルシャッターシステムを使用して成長速度とさまざまな材料の供給を制御することにより、三元合金および四元合金と多層構造を確実かつ繰り返し成長させることができます。堆積後、基板は熱ストレスを避けるためにゆっくりと冷却され、その結晶構造と特性を特徴付けるためにテストされます。

MBEの材料特性

MBEで使用されるIII-V材料システムの特性は次のとおりです。

● シリコン：シリコン基板の成長には、酸化物の脱着（> 1000°C）を確保するために非常に高温が必要なため、専門のヒーターとウェーハホルダーが必要です。格子定数と膨張係数の不一致に関する問題は、シリコンのIII-V成長をアクティブなR＆Dトピックにします。

●アンチモン：III-SB半導体の場合、表面からの脱着を避けるために、低基質温度を使用する必要があります。高温での「非変動」も発生する可能性があり、1つの原子種が優先的に蒸発して、非和解材料を残すことができます。

●リン：III-P合金の場合、リンはチャンバーの内側に堆積され、短い生産が実行不可能になる可能性のある時間のかかるクリーンアッププロセスが必要です。

有機金属化学気相成長法

MOCVD反応器には、高温で冷却された反応チャンバーがあります。基質は、RF、抵抗性またはIR加熱のいずれかで加熱されたグラファイト容疑者に配置されます。試薬ガスは、基質の上のプロセスチャンバーに垂直に注入されます。層の均一性は、温度、ガス噴射、総ガスの流れ、容疑者の回転、および圧力を最適化することにより達成されます。キャリアガスは、水素または窒素のいずれかです。

エピタキシャル層を堆積するために、MOCVD では、III 族元素の場合はガリウムの場合はトリメチルガリウム、アルミニウムの場合はトリメチルアルミニウムなど、非常に高純度の金属有機前駆体が使用され、V 族元素の場合は水素化物ガス (アルシンとホスフィン) が使用されます。有機金属はガスフローバブラーに含まれています。プロセス チャンバーに注入される濃度は、バブラーを通る有機金属およびキャリア ガスの流れの温度と圧力によって決まります。

試薬は成長温度で基板表面で完全に分解し、金属原子と有機副生成物を放出します。試薬の濃度は、蒸気混合物を調整するためのラン/ベント切り替えシステムとともに、さまざまな III-V 合金構造を生成するように調整されます。

基板は通常、ガリウムヒ素、リン化インジウム、サファイアなどの半導体材料の単結晶ウェーハです。それは、前駆体ガスが注入される反応チャンバー内のサセプター上にロードされます。蒸発した有機金属およびその他のガスの多くは、加熱された成長チャンバーを変化せずに通過しますが、少量は熱分解（亀裂）を受け、高温の基板の表面に吸収される亜種材料を生成します。表面反応により、III-V族元素がエピタキシャル層に取り込まれます。あるいは、未使用の試薬および反応生成物がチャンバーから排出されることにより、表面からの脱着が発生する可能性があります。さらに、GaAs/AlGaAs の炭素ドーピングなど、専用のエッチャント ソースを使用した場合など、一部の前駆体は表面の「負の成長」エッチングを引き起こす可能性があります。サセプタは回転して、エピタキシーの組成と厚さを均一にします。

MOCVD リアクターで必要な成長温度は、主に前駆体の必要な熱分解によって決定され、表面移動度に関して最適化されます。成長速度は、バブラー内の III 族金属有機ソースの蒸気圧によって決まります。表面拡散は表面の原子ステップの影響を受けるため、誤った配向の基板が使用されることがよくあります。シリコン基板上での成長には、確実に酸化物を脱離させるための非常に高温のステージ (>1000°C) が必要であり、専門のヒーターとウェーハ基板ホルダーが必要です。

原子炉の真空圧力とジオメトリは、in-situモニタリング技術がMBEの技術によって異なることを意味し、MBEは一般により多くのオプションと構成可能性を持っています。 MOCVDの場合、放射率補正ピロメトリーは、現場、ウェーハ表面温度測定に使用されます（リモート、熱電対測定とは対照的に）。反射率により、表面の粗雑さとエピタキシャル成長速度を分析できます。ウェーハ弓はレーザー反射によって測定されます。供給された有機金属濃度は、超音波ガスモニタリングを介して測定して、成長プロセスの精度と再現性を高めることができます。

通常、アルミニウムを含む合金は高温（> 650°C）で成長しますが、リン含有層は、ALINPの可能性のある例外を除いて、低温（<650°C）で成長します。通信アプリケーションに使用されるAlingaasおよびIngaasp合金の場合、アルシンの亀裂温度の違いにより、プロセス制御はホスフィンよりも簡単になります。ただし、活性層がエッチングされているエピタキシャル再成長の場合、ホスフィンが好まれます。アンチモニド材料の場合、適切な前駆体源がないため、ALSBへの意図しない（そして一般的に望ましくない）炭素取り込みが発生し、合金の選択とMOCVDによるアンチモニド成長の取り込みが制限されます。

GaAsP バリアや InGaAs 量子井戸 (QW) など、高ひずみ層の場合、ヒ化物およびリン化物材料を日常的に利用できるため、ひずみのバランスと補償が可能です。

まとめ

MBEには、一般に、MOCVDよりも多くのin-situモニタリングオプションがあります。エピタキシャルの成長は、フラックス速度と基質温度によって調整されます。これは、関連するin-situモニタリングにより、成長プロセスのより明確で直接的な理解が可能になります。

MOCVDは、前駆体化学を変化させることにより、複合半導体、窒化物、酸化物など、幅広い材料を堆積するために使用できる非常に用途の広い技術です。成長プロセスを正確に制御することで、電子機器、フォトニクス、オプトエレクトロニクスのアプリケーションに合わせたテーラードプロパティを備えた複雑な半導体デバイスの製造が可能になります。 MOCVDチャンバーのクリーンアップ時間はMBEよりも速いです。

MOCVD は、分布帰還 (DFB) レーザー、埋め込みヘテロ構造デバイス、およびバットジョイント導波路の再成長に優れています。これには、半導体の現場エッチングが含まれる場合があります。したがって、MOCVD はモノリシック InP 集積化に最適です。 GaAs のモノリシック集積は初期段階にありますが、MOCVD では選択的な領域の成長が可能であり、誘電体でマスクされた領域により発光/吸収波長の間隔が確保されます。 MBE では誘電体マスク上に多結晶の堆積物が形成される可能性があるため、これを行うのは困難です。

一般に、MBEはSB材料に最適な成長方法であり、MOCVDはP材料の選択肢です。両方の成長技術には、ASベースの材料に同様の機能があります。電子機器などの従来のMBEのみの市場は、MOCVDの成長と同様に機能するようになりました。ただし、量子ドットや量子カスケードレーザーなどのより高度な構造の場合、ベースエピタキシーにはMBEが好まれることがよくあります。エピタキシャル再成長が必要な場合、そのエッチングとマスキングの柔軟性のため、MOCVDが一般的に好まれます。