ما هي الاختلافات بين تقنيات MBE وMOCVD؟

تعمل كل من مفاعلات ترسيب الشعاع الجزيئي (MBE) وترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) في بيئات غرف الأبحاث وتستخدم نفس مجموعة أدوات القياس لتوصيف الرقاقة. يستخدم MBE ذو المصدر الصلب سلائف عنصرية عالية النقاء يتم تسخينها في خلايا الانصباب لإنشاء شعاع جزيئي لتمكين الترسيب (مع استخدام النيتروجين السائل للتبريد). في المقابل، فإن عملية MOCVD عبارة عن عملية بخار كيميائي، تستخدم مصادر غازية فائقة النقاء لتمكين الترسيب، وتتطلب معالجة الغاز السام وإخفائه. يمكن لكلتا التقنيتين إنتاج تنضيد متطابق في بعض أنظمة المواد، مثل الزرنيخيدات. تتم مناقشة اختيار تقنية واحدة على الأخرى لمواد وعمليات وأسواق معينة.

شعاع الجزيئي الجزيئي

يشتمل مفاعل MBE عادةً على غرفة نقل العينات (مفتوحة للهواء، للسماح بتحميل وتفريغ ركائز الرقاقة) وغرفة نمو (عادةً ما تكون مغلقة، ومفتوحة للهواء فقط للصيانة) حيث يتم نقل الركيزة للنمو الفوقي . تعمل مفاعلات MBE في ظروف الفراغ العالي جدًا (UHV) لمنع التلوث من جزيئات الهواء. يمكن تسخين الغرفة لتسريع إخلاء هذه الملوثات إذا كانت الغرفة مفتوحة للهواء.

في كثير من الأحيان، تكون المواد المصدر للتنقيط في مفاعل MBE هي أشباه الموصلات الصلبة أو المعادن. يتم تسخينها إلى ما هو أبعد من نقاط انصهارها (أي تبخر المادة المصدر) في خلايا الانصباب. هنا، يتم دفع الذرات أو الجزيئات إلى غرفة MBE المفرغة من خلال فتحة صغيرة، مما يعطي شعاعًا جزيئيًا عالي الاتجاه. هذا يصطدم بالركيزة الساخنة. عادة ما تكون مصنوعة من مواد أحادية البلورة مثل السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو أشباه الموصلات الأخرى. بشرط عدم امتصاص الجزيئات، فإنها سوف تنتشر على سطح الركيزة، مما يعزز النمو الفوقي. يتم بعد ذلك بناء الطبقة فوق طبقة، مع التحكم في تكوين كل طبقة وسمكها لتحقيق الخصائص البصرية والكهربائية المطلوبة.

يتم تركيب الركيزة مركزيًا، داخل غرفة النمو، على حامل ساخن محاط بألواح التبريد، في مواجهة خلايا الانصباب ونظام الغالق. يدور الحامل لتوفير ترسيب موحد وسمك الفوقي. إن الصفائح المبردة عبارة عن ألواح مبردة بالنيتروجين السائل تحبس الملوثات والذرات في الحجرة التي لم يتم التقاطها مسبقًا على سطح الركيزة. يمكن أن تكون الملوثات ناتجة عن امتزاز الركيزة عند درجات حرارة عالية أو عن طريق "الملء الزائد" من الحزمة الجزيئية.

تتيح غرفة مفاعل MBE فائقة الفراغ استخدام أدوات المراقبة في الموقع للتحكم في عملية الترسيب. يتم استخدام حيود الإلكترون عالي الطاقة (RHEED) لمراقبة سطح النمو. يقوم انعكاس الليزر، والتصوير الحراري، والتحليل الكيميائي (قياس الطيف الكتلي، قياس طيف أوجيه) بتحليل تركيبة المادة المتبخرة. تُستخدم أجهزة استشعار أخرى لقياس درجات الحرارة والضغوط ومعدلات النمو من أجل ضبط معلمات العملية في الوقت الفعلي.

معدل النمو والتكيف

يتأثر معدل النمو الفوقي، والذي يبلغ عادةً حوالي ثلث الطبقة الأحادية (0.1 نانومتر، 1 أنجستروم) في الثانية، بمعدل التدفق (عدد الذرات التي تصل إلى سطح الركيزة، والتي يتم التحكم فيها بواسطة درجة حرارة المصدر) ودرجة حرارة الركيزة (مما يؤثر على الخواص الانتشارية للذرات على سطح الركائز وامتزازها، الذي يتم التحكم فيه بواسطة حرارة الركيزة). يتم ضبط هذه المعلمات ومراقبتها بشكل مستقل داخل مفاعل MBE، لتحسين العملية الفوقي.

من خلال التحكم في معدلات النمو وتوريد المواد المختلفة باستخدام نظام مصراع ميكانيكي، يمكن زراعة السبائك الثلاثية والرباعية والهياكل متعددة الطبقات بشكل موثوق ومتكرر. بعد الترسيب، يتم تبريد الركيزة ببطء لتجنب الإجهاد الحراري واختبارها لتوصيف بنيتها وخصائصها البلورية.

الخصائص المادية لـ MBE

خصائص أنظمة المواد III-V المستخدمة في MBE هي:

●  السيليكون: يتطلب النمو على ركائز السيليكون درجات حرارة عالية جدًا لضمان امتصاص الأكسيد (> 1000 درجة مئوية)، لذلك يلزم وجود سخانات متخصصة وحاملات للرقائق. المشكلات المتعلقة بعدم التطابق في ثابت الشبكة ومعامل التمدد تجعل نمو III-V على السيليكون موضوعًا نشطًا للبحث والتطوير.

●  الأنتيمون: بالنسبة لأشباه الموصلات III-Sb، يجب استخدام درجات حرارة منخفضة للركيزة لتجنب الامتزاز من السطح. قد يحدث أيضًا "عدم التطابق" عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث قد يتم تبخير أحد الأنواع الذرية بشكل تفضيلي لترك مواد غير متكافئة.

●  الفوسفور: بالنسبة لسبائك III-P، سيتم ترسيب الفوسفور داخل الحجرة، مما يتطلب عملية تنظيف تستغرق وقتًا طويلاً مما قد يجعل فترات الإنتاج القصيرة غير قابلة للتطبيق.

ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي

يحتوي مفاعل MOCVD على غرفة تفاعل ذات درجة حرارة عالية ومبردة بالماء. يتم وضع الركائز على مستقبل الجرافيت الذي يتم تسخينه إما عن طريق تسخين الترددات اللاسلكية أو المقاومة أو الأشعة تحت الحمراء. يتم حقن الغازات الكاشفة عموديًا في غرفة العملية فوق الركائز. يتم تحقيق توحيد الطبقة من خلال تحسين درجة الحرارة وحقن الغاز وإجمالي تدفق الغاز ودوران المستقبِل والضغط. الغازات الحاملة هي إما الهيدروجين أو النيتروجين.

لترسيب الطبقات الفوقي، يستخدم MOCVD سلائف معدنية عضوية عالية النقاء مثل ثلاثي ميثيل جاليوم للغاليوم أو ثلاثي ميثيل ألومنيوم للألمنيوم لعناصر المجموعة الثالثة وغازات الهيدريد (الزرنيخ والفوسفين) لعناصر المجموعة الخامسة. وتوجد المواد العضوية المعدنية في فقاعات تدفق الغاز. يتم تحديد التركيز الذي يتم حقنه في غرفة العملية بواسطة درجة الحرارة والضغط لتدفق الغاز المعدني العضوي والغاز الحامل عبر الفوارة.

تتحلل الكواشف بشكل كامل على سطح الركيزة عند درجة حرارة النمو، وتطلق ذرات معدنية ومنتجات عضوية ثانوية. يتم ضبط تركيز الكواشف لإنتاج هياكل سبائكية مختلفة من نوع III-V، بالإضافة إلى نظام تبديل التشغيل/التهوية لضبط خليط البخار.

عادة ما تكون الركيزة عبارة عن رقاقة أحادية البلورة من مادة شبه موصلة مثل زرنيخيد الغاليوم، أو فوسفيد الإنديوم، أو الياقوت. يتم تحميله على المستقبِل داخل غرفة التفاعل التي يتم حقن الغازات الأولية فوقها. تنتقل الكثير من المواد العضوية المعدنية المتبخرة والغازات الأخرى عبر غرفة النمو الساخنة دون تغيير، لكن كمية صغيرة تخضع للتحلل الحراري (التشقق)، مما يؤدي إلى تكوين أنواع فرعية من المواد التي تمتص على سطح الركيزة الساخنة. يؤدي التفاعل السطحي بعد ذلك إلى دمج العناصر III-V في الطبقة الفوقي. وبدلاً من ذلك، قد يحدث الامتزاز من السطح، مع إخلاء الكواشف ومنتجات التفاعل غير المستخدمة من الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، قد تحفز بعض السلائف نقش "النمو السلبي" للسطح، كما هو الحال في المنشطات الكربونية لـ GaAs/AlGaAs، ومع مصادر التنميش المخصصة. يدور المستقبِل لضمان تكوين وسماكة متسقة للنفوق.

يتم تحديد درجة حرارة النمو المطلوبة في مفاعل MOCVD في المقام الأول عن طريق الانحلال الحراري المطلوب للسلائف، ثم يتم تحسينها فيما يتعلق بالتنقل السطحي. يتم تحديد معدل النمو من خلال ضغط البخار للمصادر المعدنية العضوية من المجموعة الثالثة في الفقاعات. يتأثر الانتشار السطحي بالخطوات الذرية على السطح، وغالبًا ما يتم استخدام ركائز مشوهة لهذا السبب. يتطلب النمو على ركائز السيليكون مراحل ذات درجة حرارة عالية جدًا لضمان امتصاص الأكسيد (> 1000 درجة مئوية)، مما يتطلب سخانات متخصصة وحاملات ركائز الرقاقة.

ويعني الضغط الفراغي للمفاعل وهندسته أن تقنيات المراقبة في الموقع تختلف عن تلك الخاصة بـ MBE، حيث تتمتع MBE عمومًا بمزيد من الخيارات وقابلية التكوين. بالنسبة إلى MOCVD، يتم استخدام قياس الحرارة المصحح للانبعاثية لقياس درجة حرارة سطح الرقاقة في الموقع (على عكس القياس الحراري عن بعد)؛ تسمح الانعكاسية بتحليل خشونة السطح ومعدل النمو الفوقي؛ يتم قياس قوس الرقاقة عن طريق انعكاس الليزر. ويمكن قياس التركيزات المعدنية العضوية المتوفرة عن طريق مراقبة الغاز بالموجات فوق الصوتية، لزيادة دقة عملية النمو وإمكانية تكرار نتائجها.

عادة، تتم زراعة السبائك المحتوية على الألومنيوم في درجات حرارة أعلى (> 650 درجة مئوية)، في حين تتم زراعة الطبقات المحتوية على الفوسفور في درجات حرارة منخفضة (<650 درجة مئوية)، مع استثناءات محتملة لـ AlInP. بالنسبة لسبائك AlInGaAs وInGaAsP، المستخدمة في تطبيقات الاتصالات، فإن الاختلاف في درجة حرارة تكسير الزرنيخ يجعل التحكم في العملية أسهل من التحكم في الفوسفين. ومع ذلك، بالنسبة لإعادة النمو الفوقي، حيث يتم حفر الطبقات النشطة، يفضل الفوسفين. بالنسبة لمواد الأنتيمونيد، يحدث دمج الكربون غير المقصود (وغير المرغوب فيه بشكل عام) في AlSb، بسبب عدم وجود مصدر سلائف مناسب، مما يحد من اختيار السبائك وبالتالي امتصاص نمو الأنتيمونيد بواسطة MOCVD.

بالنسبة للطبقات شديدة التوتر، نظرًا للقدرة على استخدام مواد الزرنيخيد والفوسفيد بشكل روتيني، من الممكن تحقيق موازنة الإجهاد والتعويض، مثل حواجز GaAsP وآبار InGaAs الكمومية (QWs).

ملخص

لدى MBE عمومًا خيارات مراقبة في الموقع أكثر من MOCVD. يتم ضبط النمو الفوقي من خلال معدل التدفق ودرجة حرارة الركيزة، والتي يتم التحكم فيها بشكل منفصل، مع مراقبة الموقع المرتبطة بها مما يسمح بفهم أكثر وضوحًا ومباشرة لعمليات النمو.

MOCVD هي تقنية متعددة الاستخدامات يمكن استخدامها لترسيب مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك أشباه الموصلات المركبة والنيتريدات والأكاسيد، عن طريق تغيير كيمياء السلائف. يسمح التحكم الدقيق في عملية النمو بتصنيع أجهزة أشباه الموصلات المعقدة ذات خصائص مخصصة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات والضوئيات والإلكترونيات الضوئية. تعد أوقات تنظيف غرفة MOCVD أسرع من MBE.

يعد MOCVD ممتازًا لإعادة نمو أشعة الليزر ذات التغذية المرتدة الموزعة (DFBs)، وأجهزة البنية المتغايرة المدفونة، وأدلة الموجات المفصلية. قد يشمل ذلك النقش في الموقع لأشباه الموصلات. لذلك، يعد MOCVD مثاليًا لتكامل InP المتجانس. على الرغم من أن التكامل المتجانس في GaAs لا يزال في مراحله الأولى، إلا أن MOCVD يتيح نموًا انتقائيًا للمنطقة، حيث تساعد المناطق العازلة المقنعة على تباعد أطوال موجات الانبعاث/الامتصاص. يصعب القيام بذلك مع MBE، حيث يمكن أن تتشكل رواسب متعددة البلورات على القناع العازل.

بشكل عام، MBE هي طريقة النمو المفضلة للمواد Sb وMOCVD هي الاختيار للمواد P. تتمتع كلتا تقنيات النمو بقدرات مماثلة للمواد المستندة إلى As. يمكن الآن تقديم الخدمات للأسواق التقليدية التي تعتمد على MBE فقط، مثل الإلكترونيات، بشكل جيد على قدم المساواة مع نمو MOCVD. ومع ذلك، بالنسبة للهياكل الأكثر تقدمًا، مثل ليزر النقطة الكمومية والليزر المتتالي الكمي، غالبًا ما يُفضل MBE للنخر الأساسي. إذا كانت إعادة النمو الفوقي مطلوبة، فيفضل استخدام MOCVD بشكل عام، نظرًا لمرونتها في النقش والإخفاء.