MBE와 MOCVD 기술의 차이점은 무엇입니까?

분자빔 에피택시(MBE)와 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 반응기는 모두 클린룸 환경에서 작동하며 웨이퍼 특성화를 위해 동일한 계측 도구 세트를 사용합니다. 고체 소스 MBE는 삼출 셀에서 가열된 고순도 원소 전구체를 사용하여 분자 빔을 생성하여 증착을 가능하게 합니다(냉각에 액체 질소 사용). 이와 대조적으로 MOCVD는 초순수 가스 소스를 사용하여 증착을 가능하게 하는 화학적 증기 공정이며 독성 가스 처리 및 저감이 필요합니다. 두 기술 모두 비소화물과 같은 일부 물질 시스템에서 동일한 에피택시를 생성할 수 있습니다. 특정 재료, 프로세스 및 시장에 대해 다른 기술보다 하나의 기술을 선택하는 방법이 논의됩니다.

분자빔 에피택시

MBE 반응기는 일반적으로 샘플 이송 챔버(웨이퍼 기판을 로드 및 언로드할 수 있도록 공기에 개방됨)와 기판이 에피택셜 성장을 위해 이송되는 성장 챔버(일반적으로 밀봉되고 유지 관리를 위해 공기에만 개방됨)로 구성됩니다. . MBE 반응기는 공기 분자로 인한 오염을 방지하기 위해 초고진공(UHV) 조건에서 작동합니다. 챔버가 공기에 개방된 경우 챔버를 가열하여 이러한 오염 물질의 배출을 가속화할 수 있습니다.

MBE 반응기의 에피택시 원료는 고체 반도체나 금속인 경우가 많습니다. 이는 삼출 셀에서 녹는점 이상으로 가열됩니다(즉, 원료 물질 증발). 여기에서 원자나 분자는 작은 구멍을 통해 MBE 진공 챔버로 유입되어 방향성이 높은 분자 빔을 제공합니다. 이는 가열된 기판에 영향을 미칩니다. 일반적으로 실리콘, 갈륨비소(GaAs) 또는 기타 반도체와 같은 단결정 재료로 만들어집니다. 분자가 탈착되지 않는다면 기판 표면에 확산되어 에피택셜 성장이 촉진됩니다. 그런 다음 에피택시는 원하는 광학적 및 전기적 특성을 달성하기 위해 각 층의 구성과 두께를 제어하여 층별로 구축됩니다.

기판은 성장 챔버 내에서 삼출 세포 및 셔터 시스템을 향하는 저온 보호막으로 둘러싸인 가열 홀더 중앙에 장착됩니다. 홀더는 회전하여 균일한 증착과 에피택셜 두께를 제공합니다. 크라이오실드는 이전에 기판 표면에 포획되지 않은 오염물질과 원자를 챔버에 가두는 액체 질소 냉각판입니다. 오염 물질은 고온에서 기판이 탈착되거나 분자 빔의 '과충진'으로 인해 발생할 수 있습니다.

초고진공 MBE 반응기 챔버를 사용하면 현장 모니터링 도구를 사용하여 증착 공정을 제어할 수 있습니다. 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)은 성장 표면을 모니터링하는 데 사용됩니다. 레이저 반사율, 열 화상 및 화학 분석(질량 분석법, Auger 분석법)을 통해 증발된 물질의 구성을 분석합니다. 다른 센서는 공정 매개변수를 실시간으로 조정하기 위해 온도, 압력 및 성장률을 측정하는 데 사용됩니다.

성장률 및 조정

일반적으로 초당 단층(0.1nm, 1Å)의 약 1/3인 에피택셜 성장 속도는 유속(기판 표면에 도착하는 원자의 수, 소스 온도에 의해 제어됨) 및 기판 온도의 영향을 받습니다. (이는 기판 표면의 원자 확산 특성과 기판 열에 의해 제어되는 탈착에 영향을 미칩니다). 이러한 매개변수는 MBE 반응기 내에서 독립적으로 조정 및 모니터링되어 에피택셜 공정을 최적화합니다.

기계적 셔터 시스템을 사용하여 성장률과 다양한 재료의 공급을 제어함으로써 3원 및 4원 합금과 다층 구조를 안정적이고 반복적으로 성장시킬 수 있습니다. 증착 후 기판은 열 응력을 피하기 위해 천천히 냉각되고 결정 구조와 특성을 특성화하기 위해 테스트됩니다.

MBE의 재료 특성

MBE에 사용되는 III-V 재료 시스템의 특성은 다음과 같습니다.

●  실리콘: 실리콘 기판에서의 성장에는 산화물 탈착을 보장하기 위해 매우 높은 온도(>1000°C)가 필요하므로 전문 히터와 웨이퍼 홀더가 필요합니다. 격자 상수와 팽창 계수의 불일치 문제로 인해 실리콘의 III-V 성장이 활발한 R&D 주제가 되었습니다.

●  안티몬: III-Sb 반도체의 경우 표면 탈착을 방지하기 위해 낮은 기판 온도를 사용해야 합니다. 고온에서 '비일치'가 발생할 수도 있는데, 여기서 하나의 원자 종이 우선적으로 증발되어 비화학양론적 물질이 남을 수 있습니다.

●  인: III-P 합금의 경우 인이 챔버 내부에 침전되어 시간이 많이 걸리는 청소 공정이 필요하므로 짧은 생산이 불가능할 수 있습니다.

금속-유기 화학 기상 증착

MOCVD 반응기는 고온 수냉식 반응 챔버를 갖추고 있습니다. 기판은 RF, 저항성 또는 IR 가열에 의해 가열되는 흑연 서셉터 위에 위치합니다. 시약 가스는 기판 위의 프로세스 챔버에 수직으로 주입됩니다. 층 균일성은 온도, 가스 주입, 전체 가스 흐름, 서셉터 회전 및 압력을 최적화하여 달성됩니다. 운반 가스는 수소 또는 질소입니다.

에피택셜 층을 증착하기 위해 MOCVD는 III족 원소의 경우 갈륨용 트리메틸갈륨, 알루미늄의 경우 트리메틸알루미늄, V족 원소의 경우 수소화물 가스(아르신 및 포스핀)와 같은 매우 고순도 금속-유기 전구체를 사용합니다. 금속 유기물은 가스 흐름 버블러에 포함되어 있습니다. 공정 챔버에 주입되는 농도는 버블러를 통과하는 금속-유기 및 운반 가스 흐름의 온도와 압력에 따라 결정됩니다.

시약은 성장 온도에서 기판 표면에서 완전히 분해되어 금속 원자와 유기 부산물을 방출합니다. 시약의 농도는 증기 혼합물을 조정하기 위한 실행/배기 전환 시스템과 함께 다양한 III-V 합금 구조를 생성하도록 조정됩니다.

기판은 일반적으로 갈륨 비소, 인듐 인화물 또는 사파이어와 같은 반도체 재료의 단결정 웨이퍼입니다. 이는 전구체 가스가 주입되는 반응 챔버 내의 서셉터에 로드됩니다. 증발된 금속-유기물 및 기타 가스의 대부분은 가열된 성장 챔버를 통해 변경되지 않은 채 이동하지만 소량은 열분해(균열)되어 뜨거운 기판 표면에 흡수되는 아종 물질을 생성합니다. 그러면 표면 반응으로 인해 III-V 원소가 에피택셜 층에 통합됩니다. 또는 사용하지 않은 시약과 반응 생성물이 챔버에서 배출되면서 표면에서 탈착이 발생할 수 있습니다. 또한 일부 전구체는 GaAs/AlGaAs의 탄소 도핑과 전용 에칭 소스를 사용하여 표면의 '음성 성장' 에칭을 유도할 수 있습니다. 서셉터는 에피택시의 일관된 구성과 두께를 보장하기 위해 회전합니다.

MOCVD 반응기에 필요한 성장 온도는 주로 전구체의 필요한 열분해에 의해 결정된 다음 표면 이동성과 관련하여 최적화됩니다. 성장 속도는 버블러의 III족 금속-유기 공급원의 증기압에 의해 결정됩니다. 표면 확산은 표면의 원자 단계에 의해 영향을 받으며, 이러한 이유로 잘못된 방향의 기판이 사용되는 경우가 많습니다. 실리콘 기판에서 성장하려면 산화물 탈착(>1000°C)을 보장하기 위해 매우 높은 온도 단계가 필요하며, 특수 히터와 웨이퍼 기판 홀더가 필요합니다.

반응기의 진공 압력 및 형상은 현장 모니터링 기술이 MBE의 기술과 다르며 일반적으로 MBE가 더 많은 옵션과 구성 가능성을 갖는다는 것을 의미합니다. MOCVD의 경우 방사율 보정 고온계는 현장 웨이퍼 표면 온도 측정(원격 열전대 측정과 반대)에 사용됩니다. 반사율을 통해 표면 거칠기와 에피택셜 성장 속도를 분석할 수 있습니다. 웨이퍼 활은 레이저 반사로 측정됩니다. 공급된 유기금속 농도는 초음파 가스 모니터링을 통해 측정되어 성장 과정의 정확성과 재현성을 높일 수 있습니다.

일반적으로 알루미늄 함유 합금은 더 높은 온도(>650°C)에서 성장하는 반면, 인 함유 층은 AlInP를 제외하고 더 낮은 온도(<650°C)에서 성장합니다. 통신 응용 분야에 사용되는 AlInGaAs 및 InGaAsP 합금의 경우 아르신의 균열 온도 차이로 인해 포스핀보다 공정 제어가 더 간단해집니다. 그러나 활성층이 에칭되는 에피택셜 재성장의 경우 포스핀이 선호됩니다. 안티몬화물 재료의 경우 적절한 전구체 소스가 부족하여 합금 선택이 제한되고 MOCVD에 의한 안티몬화물 성장 흡수가 제한되기 때문에 AlSb에 의도하지 않은(그리고 일반적으로 원치 않는) 탄소 통합이 발생합니다.

변형률이 높은 층의 경우 비소 및 인화물 재료를 일상적으로 활용하는 능력으로 인해 GaAsP 장벽 및 InGaAs 양자 우물(QW)과 같은 변형 균형 및 보상이 가능합니다.

요약

MBE는 일반적으로 MOCVD보다 현장 모니터링 옵션이 더 많습니다. 에피택셜 성장은 별도로 제어되는 플럭스 속도와 기판 온도에 의해 조정되며 관련 현장 모니터링을 통해 성장 프로세스를 훨씬 더 명확하고 직접적으로 이해할 수 있습니다.

MOCVD는 전구체 화학을 변화시켜 화합물 반도체, 질화물 및 산화물을 포함한 광범위한 재료를 증착하는 데 사용할 수 있는 매우 다양한 기술입니다. 성장 과정을 정밀하게 제어하면 전자공학, 포토닉스 및 광전자공학 응용 분야에 맞게 맞춤형 특성을 갖춘 복잡한 반도체 장치를 제작할 수 있습니다. MOCVD 챔버 청소 시간은 MBE보다 빠릅니다.

MOCVD는 분산 피드백(DFB) 레이저, 매립형 이종 구조 장치 및 맞대기 접합 도파관의 재성장에 탁월합니다. 이는 반도체의 인시츄 에칭을 포함할 수 있다. 따라서 MOCVD는 모놀리식 InP 통합에 이상적입니다. GaAs의 모놀리식 통합은 초기 단계이지만 MOCVD는 선택적 영역 성장을 가능하게 하며 유전체 마스크 영역은 방출/흡수 파장의 공간을 확보하는 데 도움이 됩니다. 이는 유전체 마스크에 다결정 증착물이 형성될 수 있는 MBE에서는 수행하기 어렵습니다.

일반적으로 Sb 재료에는 MBE 성장 방법이 선택되고 P 재료에는 MOCVD가 선택됩니다. 두 가지 성장 기술 모두 As 기반 재료에 대해 유사한 기능을 갖습니다. 전자 제품과 같은 전통적인 MBE 전용 시장은 이제 MOCVD 성장과 동일하게 서비스를 받을 수 있습니다. 그러나 양자점 및 양자 캐스케이드 레이저와 같은 고급 구조의 경우 기본 에피택시에 MBE가 선호되는 경우가 많습니다. 에피택셜 재성장이 필요한 경우 에칭 및 마스킹 유연성으로 인해 일반적으로 MOCVD가 선호됩니다.