MBE 技術と MOCVD 技術の違いは何ですか?

分子線エピタキシー (MBE) リアクターと有機金属化学気相成長 (MOCVD) リアクターは両方ともクリーンルーム環境で動作し、ウェーハの特性評価に同じ一連の計測ツールを使用します。固体ソース MBE は、噴出セル内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生成し、堆積を可能にします (冷却には液体窒素が使用されます)。対照的に、MOCVD は堆積を可能にするために超高純度のガス源を使用する化学気相プロセスであり、有毒ガスの処理と軽減が必要です。どちらの技術も、ヒ素などの一部の材料系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、市場に対して、一方の技術を他方より選択することについて説明します。

分子線エピタキシー

MBE リアクターは通常、サンプル搬送チャンバー (ウェーハ基板のロードおよびアンロードを可能にするために大気に開放されている) と、エピタキシャル成長のために基板が搬送される成長チャンバー (通常は密閉されており、メンテナンスの場合のみ大気に開放されている) で構成されています。 。 MBE リアクターは、空気分子による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放されている場合、チャンバーを加熱してこれらの汚染物質の排出を促進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。これが加熱された基板に衝突します。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、所望の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、成長チャンバー内の、クライオシールドで囲まれた加熱されたホルダー上の中央に、噴出セルとシャッター システムに面して取り付けられます。ホルダーは回転して、均一な堆積とエピタキシャル厚さを提供します。クライオシールドは液体窒素で冷却されたプレートで、これまで基板表面に捕捉されなかった汚染物質や原子をチャンバー内に捕捉します。汚染物質は、高温での基板の脱離、または分子線による「過剰充填」によって発生する可能性があります。

超高真空 MBE リアクター チャンバーにより、その場モニタリング ツールを使用して堆積プロセスを制御できます。成長表面のモニタリングには反射高速電子回折 (RHEED) が使用されます。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、オージェ分析) により、蒸発した材料の組成が分析されます。他のセンサーは、プロセスパラメータをリアルタイムで調整するために、温度、圧力、成長速度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 材料系の特徴は次のとおりです。

● シリコン: シリコン基板上での成長には、酸化物の脱着を確実にするために非常に高い温度 (>1000°C) が必要となるため、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により、シリコン上での III-V 族成長が活発な研究開発テーマとなっています。

● 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い基板温度を使用する必要があります。高温での「不一致」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化学量論的な材料が残ることがあります。

● リン: III-P 合金の場合、リンがチャンバーの内側に堆積するため、時間のかかるクリーンアップ プロセスが必要となり、短期間の生産が不可能になる可能性があります。

有機金属化学気相成長法

MOCVD リアクターには、高温の水冷反応チャンバーが備わっています。基板は、RF、抵抗加熱、または IR 加熱のいずれかによって加熱されるグラファイト サセプター上に配置されます。試薬ガスは、基板の上のプロセス チャンバーに垂直に注入されます。層の均一性は、温度、ガス注入、総ガス流量、サセプターの回転、圧力を最適化することによって実現されます。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。

反応器の真空圧力と形状は、現場モニタリング技術が MBE の技術とは異なることを意味し、MBE には一般的により多くのオプションと構成可能性があります。 MOCVD の場合、(遠隔の熱電対測定とは対照的に) その場でのウェーハ表面温度測定に放射率補正された高温測定が使用されます。反射率により、表面粗さとエピタキシャル成長速度を分析できます。ウェーハの反りはレーザー反射によって測定されます。また、供給された有機金属濃度は超音波ガスモニタリングによって測定できるため、成長プロセスの精度と再現性が向上します。

通常、アルミニウム含有合金は高温 (>650°C) で成長しますが、リン含有層は低温 (<650°C) で成長しますが、AlInP の場合は例外となる可能性があります。電気通信用途に使用される AlInGaAs 合金と InGaAsP 合金の場合、アルシンの分解温度の違いにより、ホスフィンよりもプロセス制御が簡単になります。ただし、活性層がエッチングされるエピタキシャル再成長の場合は、ホスフィンが推奨されます。アンチモン化物材料の場合、適切な前駆体ソースが不足しているため、合金の選択が制限され、MOCVD によるアンチモン化物の成長の取り込みが制限されるため、AlSb への意図的でない (そして一般に望ましくない) 炭素の取り込みが発生します。

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 には通常、MOCVD よりも多くの現場モニタリング オプションがあります。エピタキシャル成長は、個別に制御される流束速度と基板温度によって調整され、関連するその場モニタリングにより、成長プロセスをより明確かつ直接的に理解できるようになります。

MOCVD は、前駆体の化学的性質を変えることで、化合物半導体、窒化物、酸化物などの幅広い材料を堆積するために使用できる、非常に汎用性の高い技術です。成長プロセスを正確に制御することで、エレクトロニクス、フォトニクス、オプトエレクトロニクスの用途に合わせた特性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 よりも短くなります。

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 材料の場合に選択される成長方法であり、MOCVD は P 材料の場合に選択される成長方法です。どちらの成長技術も、As ベースの材料に対して同様の機能を備えています。エレクトロニクスなどの従来の MBE のみの市場も、MOCVD の成長に合わせて同様に対応でき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では、ベース エピタキシーとして 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は、エッチングとマスキングの柔軟性により、MOCVD が一般に好まれます。