Quais são as diferenças entre as tecnologias MBE e MOCVD?

Os reatores de epitaxia por feixe molecular (MBE) e de deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD) operam em ambientes de sala limpa e usam o mesmo conjunto de ferramentas de metrologia para caracterização de wafers. MBE de fonte sólida usa precursores elementares de alta pureza aquecidos em células de efusão para criar um feixe molecular para permitir a deposição (com nitrogênio líquido usado para resfriamento). Em contraste, o MOCVD é um processo químico de vapor, que utiliza fontes gasosas ultrapuras para permitir a deposição e requer tratamento e redução de gases tóxicos. Ambas as técnicas podem produzir epitaxia idêntica em alguns sistemas de materiais, como os arsenietos. A escolha de uma técnica em detrimento de outra para materiais, processos e mercados específicos é discutida.

Epitaxia por Feixe Molecular

Um reator MBE normalmente compreende uma câmara de transferência de amostra (aberta ao ar, para permitir que substratos de wafer sejam carregados e descarregados) e uma câmara de crescimento (normalmente selada e aberta apenas ao ar para manutenção) onde o substrato é transferido para crescimento epitaxial . Os reatores MBE operam em condições de ultra-alto vácuo (UHV) para evitar a contaminação por moléculas de ar. A câmara pode ser aquecida para acelerar a evacuação destes contaminantes se a câmara estiver aberta ao ar.

Freqüentemente, os materiais de origem da epitaxia em um reator MBE são semicondutores sólidos ou metais. Estes são aquecidos além dos seus pontos de fusão (isto é, evaporação do material de origem) em células de efusão. Aqui, átomos ou moléculas são conduzidos para a câmara de vácuo MBE através de uma pequena abertura, o que proporciona um feixe molecular altamente direcional. Isto colide com o substrato aquecido; geralmente feito de materiais monocristalinos como silício, arsenieto de gálio (GaAs) ou outros semicondutores. Desde que as moléculas não sejam dessorvidas, elas se difundirão na superfície do substrato, promovendo o crescimento epitaxial. A epitaxia é então construída camada por camada, com a composição e espessura de cada camada controladas para atingir as propriedades ópticas e elétricas desejadas.

O substrato é montado centralmente, dentro da câmara de crescimento, em um suporte aquecido cercado por escudos criogênicos, voltado para as células de efusão e para o sistema de veneziana. O suporte gira para fornecer deposição uniforme e espessura epitaxial. Os escudos criogênicos são placas resfriadas com nitrogênio líquido que retêm contaminantes e átomos na câmara que não foram previamente capturados na superfície do substrato. Os contaminantes podem ser provenientes da dessorção do substrato a altas temperaturas ou do “enchimento excessivo” do feixe molecular.

A câmara do reator MBE de ultra-alto vácuo permite que ferramentas de monitoramento in-situ sejam usadas para controlar o processo de deposição. A difração de elétrons de alta energia de reflexão (RHEED) é usada para monitorar a superfície de crescimento. A refletância do laser, a imagem térmica e a análise química (espectrometria de massa, espectrometria Auger) analisam a composição do material evaporado. Outros sensores são usados ​​para medir temperaturas, pressões e taxas de crescimento, a fim de ajustar os parâmetros do processo em tempo real.

Taxa de crescimento e ajuste

A taxa de crescimento epitaxial, que normalmente é cerca de um terço de uma monocamada (0,1 nm, 1Å) por segundo, é influenciada pela taxa de fluxo (o número de átomos que chegam à superfície do substrato, controlado pela temperatura da fonte) e pela temperatura do substrato. (que afeta as propriedades difusivas dos átomos na superfície do substrato e sua dessorção, controlada pelo calor do substrato). Esses parâmetros são ajustados e monitorados de forma independente dentro do reator MBE, para otimizar o processo epitaxial.

Ao controlar as taxas de crescimento e o fornecimento de diferentes materiais usando um sistema de obturador mecânico, ligas ternárias e quaternárias e estruturas multicamadas podem ser cultivadas de forma confiável e repetida. Após a deposição, o substrato é resfriado lentamente para evitar estresse térmico e testado para caracterizar sua estrutura e propriedades cristalinas.

Características do material para MBE

As características dos sistemas de materiais III-V usados ​​no MBE são:

●  Silício: O crescimento em substratos de silício requer temperaturas muito altas para garantir a dessorção do óxido (>1000°C), portanto são necessários aquecedores especializados e suportes de wafer. Questões em torno da incompatibilidade na constante da rede e no coeficiente de expansão tornam o crescimento III-V no silício um tópico ativo de P&D.

●  Antimônio: Para semicondutores III-Sb, devem ser utilizadas baixas temperaturas do substrato para evitar a dessorção da superfície. A “não congruência” também pode ocorrer em altas temperaturas, onde uma espécie atômica pode ser preferencialmente evaporada para deixar materiais não estequiométricos.

●  Fósforo: Para ligas III-P, o fósforo será depositado no interior da câmara, exigindo um processo de limpeza demorado que pode inviabilizar pequenas tiragens de produção.

Deposição de vapor químico metal-orgânico

O reator MOCVD possui uma câmara de reação resfriada a água e de alta temperatura. Os substratos são posicionados em um susceptor de grafite aquecido por aquecimento RF, resistivo ou IR. Os gases reagentes são injetados verticalmente na câmara de processo acima dos substratos. A uniformidade da camada é alcançada otimizando a temperatura, a injeção de gás, o fluxo total de gás, a rotação e a pressão do susceptor. Os gases transportadores são hidrogênio ou nitrogênio.

Para depositar camadas epitaxiais, o MOCVD usa precursores metal-orgânicos de altíssima pureza, como trimetilgálio para gálio ou trimetilalumínio para alumínio para os elementos do grupo III e gases hidreto (arsina e fosfina) para os elementos do grupo V. Os metais orgânicos estão contidos em borbulhadores de fluxo de gás. A concentração injetada na câmara de processo é determinada pela temperatura e pressão do fluxo metal-orgânico e do gás de arraste através do borbulhador.

Os reagentes se decompõem totalmente na superfície do substrato na temperatura de crescimento, liberando átomos metálicos e subprodutos orgânicos. A concentração dos reagentes é ajustada para produzir diferentes estruturas de liga III-V, juntamente com um sistema de comutação run/vent para ajustar a mistura de vapor.

O substrato é geralmente um wafer de cristal único de um material semicondutor, como arsenieto de gálio, fosfeto de índio ou safira. Ele é carregado no susceptor dentro da câmara de reação sobre a qual os gases precursores são injetados. Grande parte dos metais orgânicos vaporizados e outros gases viajam inalterados através da câmara de crescimento aquecida, mas uma pequena quantidade sofre pirólise (craqueamento), criando subespécies de materiais que são absorvidos pela superfície do substrato quente. Uma reação superficial resulta então na incorporação dos elementos III-V em uma camada epitaxial. Alternativamente, pode ocorrer dessorção da superfície, com reagentes não utilizados e produtos de reação evacuados da câmara. Além disso, alguns precursores podem induzir o ataque de “crescimento negativo” da superfície, como na dopagem de carbono de GaAs/AlGaAs, e com fontes de ataque dedicadas. O susceptor gira para garantir composição e espessura consistentes da epitaxia.

A temperatura de crescimento necessária no reator MOCVD é determinada principalmente pela pirólise necessária dos precursores e depois otimizada em relação à mobilidade superficial. A taxa de crescimento é determinada pela pressão de vapor das fontes metal-orgânicas do grupo III nos borbulhadores. A difusão superficial é afetada por passos atômicos na superfície, com substratos mal orientados sendo frequentemente usados ​​por esse motivo. O crescimento em substratos de silício requer estágios de temperatura muito alta para garantir a dessorção de óxido (>1000°C), exigindo aquecedores especializados e suportes de substrato de wafer.

A pressão de vácuo e a geometria do reator significam que as técnicas de monitoramento in-situ variam daquelas do MBE, com o MBE geralmente tendo mais opções e configurabilidade. Para MOCVD, a pirometria com correção de emissividade é usada para medição in-situ da temperatura da superfície do wafer (em oposição à medição remota por termopar); a refletividade permite analisar a rugosidade da superfície e a taxa de crescimento epitaxial; o arco do wafer é medido por reflexão do laser; e as concentrações organometálicas fornecidas podem ser medidas por meio de monitoramento ultrassônico de gás, para aumentar a precisão e a reprodutibilidade do processo de crescimento.

Normalmente, as ligas contendo alumínio são cultivadas em temperaturas mais altas (>650°C), enquanto as camadas contendo fósforo são cultivadas em temperaturas mais baixas (<650°C), com possíveis exceções para AlInP. Para ligas AlInGaAs e InGaAsP, utilizadas em aplicações de telecomunicações, a diferença na temperatura de craqueamento da arsina torna o controle do processo mais simples do que para a fosfina. No entanto, para o recrescimento epitaxial, onde as camadas ativas são gravadas, a fosfina é preferida. Para materiais antimonetados, ocorre incorporação não intencional (e geralmente indesejada) de carbono no AlSb, devido à falta de uma fonte precursora apropriada, limitando a escolha de ligas e, portanto, a absorção do crescimento de antimoneto pelo MOCVD.

Para camadas altamente deformadas, devido à capacidade de utilizar rotineiramente materiais de arsenieto e fosfeto, o equilíbrio e a compensação de deformação são possíveis, como para barreiras de GaAsP e poços quânticos de InGaAs (QWs).

Resumo

O MBE geralmente tem mais opções de monitoramento in-situ do que o MOCVD. O crescimento epitaxial é ajustado pela taxa de fluxo e pela temperatura do substrato, que são controladas separadamente, com monitoramento in-situ associado, permitindo uma compreensão muito mais clara e direta dos processos de crescimento.

MOCVD é uma técnica altamente versátil que pode ser usada para depositar uma ampla gama de materiais, incluindo semicondutores compostos, nitretos e óxidos, variando a química do precursor. O controle preciso do processo de crescimento permite a fabricação de dispositivos semicondutores complexos com propriedades personalizadas para aplicações em eletrônica, fotônica e optoeletrônica. Os tempos de limpeza da câmara MOCVD são mais rápidos que o MBE.

O MOCVD é excelente para o crescimento de lasers de feedback distribuído (DFBs), dispositivos de heteroestrutura enterrada e guias de ondas articulados. Isto pode incluir gravação in situ do semicondutor. MOCVD é, portanto, ideal para integração monolítica de InP. Embora a integração monolítica em GaAs esteja em sua infância, o MOCVD permite o crescimento seletivo da área, onde áreas mascaradas dielétricas ajudam a espaçar os comprimentos de onda de emissão/absorção. Isto é difícil de fazer com MBE, onde podem formar-se depósitos policristalinos na máscara dielétrica.

Em geral, MBE é o método de crescimento preferido para materiais Sb e MOCVD é a escolha para materiais P. Ambas as técnicas de crescimento têm capacidades semelhantes para materiais à base de As. Os mercados tradicionais exclusivamente MBE, como os da eletrónica, podem agora ser igualmente bem servidos com o crescimento do MOCVD. No entanto, para estruturas mais avançadas, como lasers de pontos quânticos e cascata quântica, o MBE é frequentemente preferido para a epitaxia de base. Se for necessário novo crescimento epitaxial, então o MOCVD é geralmente preferido, devido à sua flexibilidade de ataque e mascaramento.