MBE மற்றும் MOCVD தொழில்நுட்பங்களுக்கு இடையே உள்ள வேறுபாடுகள் என்ன?

மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்சி (MBE) மற்றும் உலோக-கரிம இரசாயன நீராவி படிவு (MOCVD) உலைகள் இரண்டும் சுத்தமான அறை சூழல்களில் இயங்குகின்றன மற்றும் செதில் குணாதிசயத்திற்கு ஒரே மாதிரியான அளவியல் கருவிகளைப் பயன்படுத்துகின்றன. திட-மூலமான MBE, படிவுகளை செயல்படுத்துவதற்கு ஒரு மூலக்கூறு கற்றை உருவாக்க, (குளிரூட்டலுக்குப் பயன்படுத்தப்படும் திரவ நைட்ரஜனுடன்) எஃப்யூஷன் செல்களில் சூடேற்றப்பட்ட உயர்-தூய்மை, தனிம முன்னோடிகளைப் பயன்படுத்துகிறது. இதற்கு நேர்மாறாக, MOCVD என்பது ஒரு இரசாயன நீராவி செயல்முறையாகும், இது மிகவும் தூய்மையான, வாயு மூலங்களைப் பயன்படுத்தி படிவுகளை செயல்படுத்துகிறது, மேலும் நச்சு வாயுவைக் கைமாறுதல் மற்றும் குறைத்தல் தேவைப்படுகிறது. இரண்டு நுட்பங்களும் ஆர்சனைடுகள் போன்ற சில பொருள் அமைப்புகளில் ஒரே மாதிரியான எபிடாக்ஸியை உருவாக்கலாம். குறிப்பிட்ட பொருட்கள், செயல்முறைகள் மற்றும் சந்தைகளுக்கு ஒரு நுட்பத்தை மற்றொன்றுக்கு மேல் தேர்வு செய்வது விவாதிக்கப்படுகிறது.

மூலக்கூறு பீம் எபிடாக்ஸி

ஒரு MBE உலை பொதுவாக ஒரு மாதிரி பரிமாற்ற அறையை (காற்றுக்குத் திறந்து, செதில் அடி மூலக்கூறுகளை ஏற்றவும் இறக்கவும் அனுமதிக்க) மற்றும் ஒரு வளர்ச்சி அறை (பொதுவாக சீல் வைக்கப்பட்டு, பராமரிப்புக்காக காற்றில் மட்டுமே திறந்திருக்கும்) ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளது, அங்கு அடி மூலக்கூறு எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு மாற்றப்படுகிறது . காற்று மூலக்கூறுகளிலிருந்து மாசுபடுவதைத் தடுக்க MBE உலைகள் தீவிர உயர் வெற்றிட (UHV) நிலைமைகளில் இயங்குகின்றன. அறை ஒளிபரப்பப்பட்டிருந்தால் இந்த அசுத்தங்களை வெளியேற்றுவதை துரிதப்படுத்த அறையை சூடாக்கலாம்.

பெரும்பாலும், ஒரு MBE உலையில் எபிடாக்ஸியின் மூல பொருட்கள் திடமான குறைக்கடத்திகள் அல்லது உலோகங்கள். இவை உருகும் புள்ளிகளுக்கு அப்பால் (அதாவது மூலப்பொருள் ஆவியாதல்) எஃபுஷன் கலங்களில் வெப்பப்படுத்தப்படுகின்றன. இங்கே, அணுக்கள் அல்லது மூலக்கூறுகள் ஒரு சிறிய துளை மூலம் MBE வெற்றிட அறைக்குள் செலுத்தப்படுகின்றன, இது அதிக திசை மூலக்கூறு கற்றை அளிக்கிறது. இது சூடான அடி மூலக்கூறு மீது தடுக்கிறது; வழக்கமாக சிலிக்கான், காலியம் ஆர்சனைடு (GAAS) அல்லது பிற குறைக்கடத்திகள் போன்ற ஒற்றை-படிக பொருட்களால் ஆனது. மூலக்கூறுகள் சிதைக்கவில்லை என்பதை வழங்குவதன் மூலம், அவை அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் பரவுகின்றன, எபிடாக்சியல் வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கும். எபிடாக்ஸி பின்னர் அடுக்கு மூலம் கட்டமைக்கப்பட்டுள்ளது, ஒவ்வொரு அடுக்கின் கலவை மற்றும் தடிமன் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது, விரும்பிய ஆப்டிகல் மற்றும் மின் பண்புகளை அடைய கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது.

அடி மூலக்கூறு மையமாக, வளர்ச்சி அறைக்குள், கிரையோஷீல்டுகளால் சூழப்பட்ட ஒரு சூடான ஹோல்டரில், எஃப்யூஷன் செல்கள் மற்றும் ஷட்டர் அமைப்பை எதிர்கொள்ளும் வகையில் பொருத்தப்பட்டுள்ளது. ஒரே மாதிரியான படிவு மற்றும் எபிடாக்சியல் தடிமன் வழங்க ஹோல்டர் சுழலும். கிரையோஷீல்டுகள் என்பது திரவ-நைட்ரஜன் குளிரூட்டப்பட்ட-தட்டுகள் ஆகும், அவை அறையிலுள்ள அசுத்தங்கள் மற்றும் அணுக்களை அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் பிடிக்கவில்லை. அசுத்தங்கள் அதிக வெப்பநிலையில் அடி மூலக்கூறின் சிதைவு அல்லது மூலக்கூறு கற்றையிலிருந்து 'அதிக நிரப்புதல்' மூலம் இருக்கலாம்.

அல்ட்ரா-உயர்-வெற்றிட MBE உலை அறை, இடதுபுற கண்காணிப்பு கருவிகளை படிவு செயல்முறையைக் கட்டுப்படுத்த பயன்படுத்த உதவுகிறது. பிரதிபலிப்பு உயர் ஆற்றல் எலக்ட்ரான் டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் (RHEED) வளர்ச்சி மேற்பரப்பைக் கண்காணிக்க பயன்படுத்தப்படுகிறது. லேசர் பிரதிபலிப்பு, வெப்ப இமேஜிங் மற்றும் வேதியியல் பகுப்பாய்வு (மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி, ஆகர் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி) ஆவியாக்கப்பட்ட பொருளின் கலவையை பகுப்பாய்வு செய்கிறது. நிகழ்நேரத்தில் செயல்முறை அளவுருக்களை சரிசெய்ய வெப்பநிலை, அழுத்தங்கள் மற்றும் வளர்ச்சி விகிதங்களை அளவிட பிற சென்சார்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

வளர்ச்சி விகிதம் மற்றும் சரிசெய்தல்

எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி விகிதம், பொதுவாக ஒரு வினாடிக்கு ஒரு மோனோலேயரில் மூன்றில் ஒரு பங்கு (0.1nm, 1Å), ஃப்ளக்ஸ் வீதம் (அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் வரும் அணுக்களின் எண்ணிக்கை, மூல வெப்பநிலையால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது) மற்றும் அடி மூலக்கூறு வெப்பநிலை ஆகியவற்றால் பாதிக்கப்படுகிறது. (இது அடி மூலக்கூறுகளின் மேற்பரப்பில் உள்ள அணுக்களின் பரவக்கூடிய பண்புகளை பாதிக்கிறது மற்றும் அவற்றின் சிதைவு, அடி மூலக்கூறு வெப்பத்தால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது). இந்த அளவுருக்கள் எபிடாக்சியல் செயல்முறையை மேம்படுத்த, MBE உலைக்குள் சுயாதீனமாக சரிசெய்யப்பட்டு கண்காணிக்கப்படுகின்றன.

வளர்ச்சி விகிதங்களைக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலமும், இயந்திர ஷட்டர் அமைப்பைப் பயன்படுத்தி வெவ்வேறு பொருட்களை வழங்குவதன் மூலமும், மும்மடங்கு மற்றும் குவாட்டர்னரி உலோகக்கலவைகள் மற்றும் பல அடுக்கு கட்டமைப்புகள் நம்பகத்தன்மையுடனும் மீண்டும் மீண்டும் வளர்க்கப்படலாம். படிவுக்குப் பிறகு, வெப்ப அழுத்தத்தைத் தவிர்ப்பதற்காக அடி மூலக்கூறு மெதுவாக குளிர்விக்கப்பட்டு அதன் படிக அமைப்பு மற்றும் பண்புகளை வகைப்படுத்த சோதிக்கப்படுகிறது.

MBE க்கான பொருள் பண்புகள்

MBE இல் பயன்படுத்தப்படும் III-V பொருள் அமைப்புகளின் பண்புகள்:

● சிலிக்கான்: சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளின் வளர்ச்சிக்கு ஆக்சைடு சிதைவை உறுதி செய்ய மிக அதிக வெப்பநிலை தேவைப்படுகிறது (>1000°C), எனவே சிறப்பு ஹீட்டர்கள் மற்றும் வேஃபர் ஹோல்டர்கள் தேவை. லட்டு மாறிலி மற்றும் விரிவாக்கக் குணகம் ஆகியவற்றில் பொருந்தாத சிக்கல்கள் சிலிக்கானில் III-V வளர்ச்சியை செயலில் உள்ள R&D தலைப்பாக மாற்றுகிறது.

●  ஆண்டிமனி: III-SB குறைக்கடத்திகளுக்கு, மேற்பரப்பில் இருந்து விலகுவதைத் தவிர்க்க குறைந்த அடி மூலக்கூறு வெப்பநிலை பயன்படுத்தப்பட வேண்டும். அதிக வெப்பநிலையில் ‘ஒத்திசைவு’ கூட ஏற்படலாம், அங்கு ஒரு அணு இனங்கள் முன்னுரிமை ஆவியாகி ஸ்டோச்சியோமெட்ரிக் அல்லாத பொருட்களை விட்டு வெளியேறலாம்.

● பாஸ்பரஸ்: III-P உலோகக்கலவைகளுக்கு, அறையின் உட்புறத்தில் பாஸ்பரஸ் வைக்கப்படும், இது ஒரு நேரத்தை எடுத்துக்கொள்ளும் சுத்தப்படுத்தும் செயல்முறை தேவைப்படுகிறது, இது குறுகிய உற்பத்தியை சாத்தியமற்றதாக ஆக்குகிறது.

உலோக-கரிம இரசாயன நீராவி படிவு

MOCVD அணுஉலை உயர்-வெப்பநிலை, நீர்-குளிரூட்டப்பட்ட எதிர்வினை அறையைக் கொண்டுள்ளது. அடி மூலக்கூறுகள் RF, resistive அல்லது IR வெப்பமாக்கல் மூலம் சூடேற்றப்பட்ட கிராஃபைட் சசெப்டரில் நிலைநிறுத்தப்படுகின்றன. எதிர்வினை வாயுக்கள் அடி மூலக்கூறுகளுக்கு மேலே உள்ள செயல்முறை அறைக்குள் செங்குத்தாக செலுத்தப்படுகின்றன. வெப்பநிலை, வாயு உட்செலுத்துதல், மொத்த வாயு ஓட்டம், உறிஞ்சி சுழற்சி மற்றும் அழுத்தம் ஆகியவற்றை மேம்படுத்துவதன் மூலம் அடுக்கு சீரான தன்மை அடையப்படுகிறது. கேரியர் வாயுக்கள் ஹைட்ரஜன் அல்லது நைட்ரஜன் ஆகும்.

எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை டெபாசிட் செய்ய, MOCVD ஆனது, குழு-III தனிமங்களுக்கு காலியத்திற்கான ட்ரைமெதில்காலியம் அல்லது அலுமினியத்திற்கான ட்ரைமெதைலாலுமினியம் மற்றும் குழு-V தனிமங்களுக்கு ஹைட்ரைடு வாயுக்கள் (ஆர்சின் மற்றும் பாஸ்பைன்) போன்ற மிக உயர்-தூய்மை உலோக-கரிம முன்னோடிகளைப் பயன்படுத்துகிறது. உலோக-கரிமங்கள் வாயு ஓட்ட குமிழிகளில் உள்ளன. செயல்முறை அறைக்குள் செலுத்தப்படும் செறிவு, குமிழி வழியாக உலோக-கரிம மற்றும் கேரியர் வாயு ஓட்டத்தின் வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது.

வளர்ச்சி வெப்பநிலையில் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உலைகள் முழுமையாக சிதைந்து, உலோக அணுக்கள் மற்றும் கரிம துணை தயாரிப்புகளை வெளியிடுகின்றன. நீராவி கலவையை சரிசெய்ய ரன்/வென்ட் மாறுதல் அமைப்புடன் வெவ்வேறு, III-V அலாய் கட்டமைப்புகளை உற்பத்தி செய்ய உலைகளின் செறிவு சரிசெய்யப்படுகிறது.

அடி மூலக்கூறு பொதுவாக காலியம் ஆர்சனைடு, இண்டியம் பாஸ்பைட் அல்லது சபையர் போன்ற குறைக்கடத்திப் பொருளின் ஒற்றை-படிக செதில் ஆகும். முன்னோடி வாயுக்கள் உட்செலுத்தப்படும் எதிர்வினை அறைக்குள் இது சஸ்பெப்டரில் ஏற்றப்படுகிறது. ஆவியாக்கப்பட்ட உலோக-கரிமங்கள் மற்றும் பிற வாயுக்கள் வெப்பமான வளர்ச்சி அறை வழியாக மாறாமல் பயணிக்கின்றன, ஆனால் ஒரு சிறிய அளவு பைரோலிசிஸுக்கு (விரிசல்) உட்பட்டு, சூடான அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சும் கிளையினப் பொருட்களை உருவாக்குகிறது. ஒரு மேற்பரப்பு எதிர்வினை பின்னர் III-V கூறுகளை ஒரு எபிடாக்சியல் அடுக்கில் இணைக்கிறது. மாற்றாக, அறையில் இருந்து வெளியேற்றப்படும் பயன்படுத்தப்படாத வினைப்பொருட்கள் மற்றும் எதிர்வினை பொருட்கள் மூலம் மேற்பரப்பில் இருந்து சிதைவு ஏற்படலாம். கூடுதலாக, சில முன்னோடிகள் GaAs/AlGaAகளின் கார்பன் டோப்பிங் மற்றும் பிரத்யேக எட்சாண்ட் மூலங்கள் போன்ற மேற்பரப்பின் 'எதிர்மறை வளர்ச்சி' பொறிப்பைத் தூண்டலாம். எபிடாக்ஸியின் சீரான கலவை மற்றும் தடிமன் ஆகியவற்றை உறுதி செய்வதற்காக சசெப்டர் சுழல்கிறது.

MOCVD அணுஉலையில் தேவைப்படும் வளர்ச்சி வெப்பநிலை முதன்மையாக முன்னோடிகளின் தேவையான பைரோலிசிஸால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது, பின்னர் மேற்பரப்பு இயக்கம் தொடர்பாக உகந்ததாக இருக்கும். குமிழிகளில் உள்ள குழு-III உலோக-கரிம மூலங்களின் நீராவி அழுத்தத்தால் வளர்ச்சி விகிதம் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. மேற்பரப்பில் உள்ள அணு படிகளால் மேற்பரப்பு பரவல் பாதிக்கப்படுகிறது, இந்த காரணத்திற்காக தவறான அடி மூலக்கூறுகள் பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளின் வளர்ச்சிக்கு ஆக்சைடு தேய்மானத்தை (>1000°C) உறுதி செய்ய மிக அதிக வெப்பநிலை நிலைகள் தேவை, சிறப்பு ஹீட்டர்கள் மற்றும் வேஃபர் அடி மூலக்கூறு வைத்திருப்பவர்கள் தேவை.

உலையின் வெற்றிட அழுத்தம் மற்றும் வடிவியல் என்பது இன்-சிட்டு கண்காணிப்பு நுட்பங்கள் MBE க்கு வேறுபடுகின்றன, MBE பொதுவாக அதிக விருப்பங்களையும் உள்ளமைவையும் கொண்டிருக்கின்றன. MOCVD க்கு, உமிழ்வு-சரிசெய்யப்பட்ட பைரோமெட்ரி இன்-சிட்டு, செதில் மேற்பரப்பு வெப்பநிலை அளவீட்டுக்கு பயன்படுத்தப்படுகிறது (தொலை, தெர்மோகப்பிள் அளவீட்டுக்கு மாறாக); பிரதிபலிப்பு மேற்பரப்பு முரட்டுத்தனத்தையும் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி விகிதத்தையும் பகுப்பாய்வு செய்ய அனுமதிக்கிறது; வேஃபர் வில் லேசர் பிரதிபலிப்பால் அளவிடப்படுகிறது; மற்றும் வழங்கப்பட்ட ஆர்கனோமெட்டாலிக் செறிவுகளை மீயொலி வாயு கண்காணிப்பு வழியாக அளவிட முடியும், இது வளர்ச்சி செயல்முறையின் துல்லியம் மற்றும் இனப்பெருக்கத்தை அதிகரிக்கவும்.

பொதுவாக, அலுமினியம் கொண்ட உலோகக்கலவைகள் அதிக வெப்பநிலையில் (>650°C) வளர்க்கப்படுகின்றன, அதே சமயம் பாஸ்பரஸ் கொண்ட அடுக்குகள் குறைந்த வெப்பநிலையில் (<650°C) வளர்க்கப்படுகின்றன, AlInP க்கு விதிவிலக்குகள் உள்ளன. AlInGaAs மற்றும் InGaAsP உலோகக்கலவைகள், தொலைத்தொடர்பு பயன்பாடுகளுக்குப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, ஆர்சைனின் விரிசல் வெப்பநிலையில் உள்ள வேறுபாடு பாஸ்பைனை விட செயல்முறைக் கட்டுப்பாட்டை எளிதாக்குகிறது. இருப்பினும், எபிடாக்சியல் மறு-வளர்ச்சிக்கு, செயலில் உள்ள அடுக்குகள் பொறிக்கப்பட்ட இடத்தில், பாஸ்பைன் விரும்பப்படுகிறது. ஆண்டிமோனைடு பொருட்களுக்கு, AlSb இல் தற்செயலாக (மற்றும் பொதுவாக தேவையற்ற) கார்பன் சேர்க்கை ஏற்படுகிறது, சரியான முன்னோடி ஆதாரம் இல்லாததால், கலவைகளின் தேர்வைக் கட்டுப்படுத்துகிறது மற்றும் அதனால் MOCVD ஆண்டிமோனைடு வளர்ச்சியை உயர்த்துகிறது.

அதிக வடிகட்டிய அடுக்குகளுக்கு, ஆர்சனைடு மற்றும் பாஸ்பைடு பொருட்களை வழக்கமாகப் பயன்படுத்துவதற்கான திறன் காரணமாக, GAASP தடைகள் மற்றும் INGAAS குவாண்டம் கிணறுகள் (QWS) போன்ற திரிபு சமநிலை மற்றும் இழப்பீடு ஆகியவை சாத்தியமாகும்.

சுருக்கம்

MBE பொதுவாக MOCVD ஐ விட அதிகமான இன்-சிட்டு கண்காணிப்பு விருப்பங்களைக் கொண்டுள்ளது. எபிடாக்சியல் வளர்ச்சியானது ஃப்ளக்ஸ் வீதம் மற்றும் அடி மூலக்கூறு வெப்பநிலை ஆகியவற்றால் சரிசெய்யப்படுகிறது, அவை தனித்தனியாக கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன, தொடர்புடைய இடத்திலேயே கண்காணிப்பு மூலம் வளர்ச்சி செயல்முறைகளை மிகவும் தெளிவான, நேரடியான, புரிதலை அனுமதிக்கிறது.

MOCVD என்பது மிகவும் பல்துறை நுட்பமாகும், இது முன்னோடி வேதியியல் மாறுபடுவதன் மூலம் கூட்டு குறைக்கடத்திகள், நைட்ரைடுகள் மற்றும் ஆக்சைடுகள் உள்ளிட்ட பரந்த அளவிலான பொருட்களை டெபாசிட் செய்யப் பயன்படுகிறது. வளர்ச்சி செயல்முறையின் துல்லியமான கட்டுப்பாடு மின்னணு, ஃபோட்டானிக்ஸ் மற்றும் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ் ஆகியவற்றில் பயன்பாடுகளுக்கான வடிவமைக்கப்பட்ட பண்புகளுடன் சிக்கலான குறைக்கடத்தி சாதனங்களை உருவாக்க அனுமதிக்கிறது. MOCVD சேம்பர் சுத்தம் செய்யும் நேரங்கள் MBE ஐ விட விரைவாக உள்ளன.

விநியோகிக்கப்பட்ட பின்னூட்டம் (DFBகள்) லேசர்கள், புதைக்கப்பட்ட ஹீட்டோரோஸ்ட்ரக்சர் சாதனங்கள் மற்றும் பட்-இணைந்த அலை வழிகாட்டிகளின் மறு வளர்ச்சிக்கு MOCVD சிறந்தது. செமிகண்டக்டரின் இடத்திலேயே பொறித்தல் இதில் அடங்கும். எனவே, MOCVD ஆனது, மோனோலிதிக் InP ஒருங்கிணைப்புக்கு ஏற்றது. GaAs இல் மோனோலிதிக் ஒருங்கிணைப்பு ஆரம்ப நிலையில் இருந்தாலும், MOCVD தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட பகுதி வளர்ச்சியை செயல்படுத்துகிறது, அங்கு மின்கடத்தா முகமூடிப் பகுதிகள் உமிழ்வு/உறிஞ்சுதல் அலைநீளங்களுக்கு இடமளிக்க உதவுகின்றன. MBE உடன் இதைச் செய்வது கடினம், மின்கடத்தா முகமூடியில் பாலிகிரிஸ்டல் வைப்புக்கள் உருவாகலாம்.

பொதுவாக, MBE என்பது SB பொருட்களுக்கான தேர்வு வளர்ச்சி முறையாகும், மேலும் MOCVD என்பது P பொருட்களுக்கான தேர்வாகும். இரண்டு வளர்ச்சி நுட்பங்களும் AS- அடிப்படையிலான பொருட்களுக்கு ஒத்த திறன்களைக் கொண்டுள்ளன. எலக்ட்ரானிக்ஸ் போன்ற பாரம்பரிய MBE- மட்டும் சந்தைகள் இப்போது MOCVD வளர்ச்சியுடன் சமமாக வழங்கப்படலாம். இருப்பினும், குவாண்டம் டாட் மற்றும் குவாண்டம் கேஸ்கேட் லேசர்கள் போன்ற மேம்பட்ட கட்டமைப்புகளுக்கு, MBE பெரும்பாலும் அடிப்படை எபிடாக்ஸிக்கு விரும்பப்படுகிறது. எபிடாக்சியல் மறுசீரமைப்பு தேவைப்பட்டால், அதன் பொறித்தல் மற்றும் முகமூடி நெகிழ்வுத்தன்மை காரணமாக MOCVD பொதுவாக விரும்பப்படுகிறது.