रासायनिक बीम एपिटॉक्सी

केमिकल (रासायनिक) बीम एपिटॉक्सी (सीबीई) अर्धचालक परत प्रणाली, विशेष रूप से III-V अर्धचालक प्रणाली के लिए डिपोजिशन तकनीक का एक महत्वपूर्ण वर्ग बनाता है। एपीटैक्सियल ग्रोथ का यह रूप अति उच्च निर्वात प्रणाली में किया जाता है। अभिकारक प्रतिक्रियाशील गैसों के आणविक बीम के रूप में होते हैं, सामान्यतः हाइड्राइड या धातु के रूप में। सीबीई शब्द का प्रयोग प्रायः धातु-कार्बनिक आण्विक बीम एपिटाक्सी (एमओएमबीई) के साथ एक दूसरे के लिए किया जाता है। हालाँकि, नामकरण दोनों (थोड़ा भिन्न) प्रक्रियाओं के बीच अंतर करता है। सख्त अर्थ में उपयोग किए जाने पर, सीबीई उस तकनीक को संदर्भित करता है जिसमें दोनों घटक गैसीय स्रोतों से प्राप्त होते हैं, जबकि एमओएमबीई उस तकनीक को संदर्भित करता है जिसमें समूह III घटक गैसीय स्रोत से और समूह वी घटक ठोस स्रोत से प्राप्त होता है।

मूल सिद्धांत
1984 में डब्लू टी त्सांग द्वारा पहली बार रासायनिक बीम एपिटॉक्सी का प्रदर्शन किया गया था। इस तकनीक को तब धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (एमओसीवीडी) और आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमबीई) के एक संकर के रूप में वर्णित किया गया था, जिसने दोनों तकनीकों के लाभों का शोषण किया। इस प्रारंभिक कार्य में, InP (इंडियम फास्फाइड) और GaAs (गैलियम आर्सेनाइड) को गैसीय समूह III और V एल्काइल का उपयोग करके प्राप्त किया गया था। जबकि समूह III के तत्व सतह पर एल्काइल के पायरोलिसिस से प्राप्त किए गए थे, समूह V के तत्वों को एल्काइल के अपघटन से 950-1200 डिग्री सेल्सियस पर गर्म टैंटलम (Ta) या मोलिब्डेनम (Mo) के संपर्क में लाकर प्राप्त किया गया था। गैस रिएक्टर में विशिष्ट दबाव एमओसीवीडी के लिए 102 Torr और 1 atm के बीच है। यहाँ गैस का परिवहन श्यान प्रवाह द्वारा होता है और रसायन विसरण द्वारा सतह पर पहुँचते हैं। इसके विपरीत, सीबीई में 10−4 टोर्र से कम गैस के दबाव का उपयोग किया जाता है। लंबे माध्य-मुक्त पथों के कारण अब गैस परिवहन आणविक बीम के रूप में होता है, और यह प्रक्रिया रासायनिक बीम जमाव में विकसित होती है। यहां यह भी ध्यान देने योग्य है कि एमबीई परमाणु बीम (जैसे एल्यूमीनियम (Al) और गैलियम (Ga)) का उपयोग करता है और आणविक बीम (जैसे कि As4 और P4) जो ठोस मौलिक स्रोतों से उच्च तापमान पर वाष्पित हो जाते हैं, जबकि सीबीई के स्रोत कमरे के तापमान पर वाष्प चरण में होते हैं। एमओसीवीडी, एमबीई और सीबीई के लिए विकास कक्ष में विभिन्न प्रक्रियाओं की तुलना चित्र 1 में देखी जा सकती है।



प्रयोगात्मक स्थापना
मानक यूएचवी विकास कक्षों में टर्बोमोलेक्युलर और क्रायो पंप का संयोजन उपयोग किया जाता है। चैम्बर में ही तरल नाइट्रोजन क्रायो शील्ड और एक से अधिक वेफर ले जाने में सक्षम रोटेटेबल क्रिस्टल होल्डर है। क्रिस्टल धारक को सामान्यतः पीछे की ओर से 500 से 700 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म किया जाता है।  अधिकांश सेटअपों में बढ़ती सतह पर सतह सुपरस्ट्रक्चर की इन-सीटू निगरानी और विकास दर को मापने के लिए, बीम में आणविक प्रजातियों के विश्लेषण के लिए मास स्पेक्ट्रोमीटर और अवशिष्ट गैसों के विश्लेषण के लिए आरएचईईडी उपकरण भी होते हैं। गैस इनलेट प्रणाली, जो प्रणाली के सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक है, सामग्री बीम प्रवाह को नियंत्रित करती है। दबाव-नियंत्रित प्रणालियाँ सबसे अधिक उपयोग की जाती हैं। सामग्री प्रवाह को गैस इंजेक्शन केशिका के इनपुट दबाव द्वारा नियंत्रित किया जाता है। कक्ष के अंदर के दबाव को समाई मैनोमीटर द्वारा मापा और नियंत्रित किया जा सकता है। गैसीय स्रोत सामग्री इंजेक्टर या इफ्यूजन जेट के आणविक बीम एक सजातीय बीम प्रोफाइल सुनिश्चित करते हैं। कुछ प्रारंभिक यौगिकों के लिए, जैसे कि हाइड्राइड्स जो कि समूह V की प्रारंभिक सामग्री हैं, हाइड्राइड्स को इंजेक्टर में पहले से क्रैक करना पड़ता है। यह सामान्यतः एक गर्म धातु या फिलामेंट के साथ तापीय अपघटन द्वारा किया जाता है।

वृद्धि गतिज
सीबीई से जुड़े विकास कैनेटीक्स को बेहतर ढंग से समझने के लिए, एमबीई और एमओसीवीडी से जुड़ी भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं को भी देखना महत्वपूर्ण है। चित्र 2 में उन्हें दर्शाया गया है। इन तीन तकनीकों के लिए विकास कैनेटीक्स कई तरह से भिन्न हैं। पारंपरिक एमबीई में, वृद्धि दर समूह III परमाणु बीम के आगमन दर से निर्धारित होती है। एपिटैक्सियल ग्रोथ तब होती है जब समूह III के परमाणु गर्म सब्सट्रेट सतह पर टकराते हैं, उपयुक्त जाली साइटों में माइग्रेट हो जाते हैं और फिर अतिरिक्त समूह वी डिमर्स या टेट्रामर्स के पास जमा हो जाते हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि सतह पर कोई रासायनिक प्रतिक्रिया सम्मिलित नहीं है क्योंकि ठोस मौलिक स्रोतों से थर्मल वाष्पीकरण द्वारा परमाणु उत्पन्न होते हैं।

एमओसीवीडी में, समूह III के अल्काइल पहले से ही आंशिक रूप से गैस की प्रवाह में अलग हो गए हैं। ये गर्म सब्सट्रेट पर मौजूद स्थिर सीमा परत के माध्यम से फैलते हैं, जिसके बाद वे परमाणु समूह III तत्वों में अलग हो जाते हैं। ये परमाणु तब उपयुक्त जाली साइट पर चले जाते हैं और समूह V परमाणु के साथ जुड़कर एपिटैक्सियल जमा करते हैं जो हाइड्राइड्स के थर्मल अपघटन से प्राप्त हुआ था। यहां विकास दर सामान्यतः सीमा परत के माध्यम से समूह III एल्काइल्स के प्रसार दर से सीमित होती है। इस प्रक्रिया में अभिकारकों के बीच गैस चरण की प्रतिक्रिया भी देखी गई है।

सीबीई प्रक्रियाओं में, हाइड्राइड्स सब्सट्रेट तक पहुंचने से पहले उच्च तापमान इंजेक्टर में टूट जाते हैं। समान एमओसीवीडी या एमओवीपीई की तुलना में तापमान सामान्यतः 100-150 °C कम होता है। वहाँ भी कोई सीमा परत नहीं है (जैसे कि एमओसीवीडी में एक) और कम दबाव के कारण आणविक टकराव न्यूनतम हैं। समूह V एल्काइल की सामान्यतः अधिक मात्रा में आपूर्ति की जाती है, और समूह III एल्काइल अणु पारंपरिक एमबीई के रूप में सीधे गर्म सब्सट्रेट पर टकराते हैं। ऐसा होने पर समूह III के अल्काइल अणु के पास दो विकल्प होते हैं। पहला विकल्प सतह से तापीय ऊर्जा प्राप्त करके और सतह पर तात्विक समूह III परमाणुओं को पीछे छोड़ते हुए इसके तीन अल्काइल मूलकों को अलग करना है। दूसरा विकल्प आंशिक रूप से या पूरी तरह से असम्बद्ध रूप से फिर से वाष्पित होना है। इस प्रकार, विकास दर एक उच्च सब्सट्रेट तापमान पर समूह III अल्किलों की आगमन दर और कम तापमान पर सतह पायरोलिसिस दर द्वारा निर्धारित की जाती है।

कम तापमान पर चयनात्मक वृद्धि
एमबीई और एमओसीवीडी की अपनी मूल तकनीकों की तुलना में सीबीई का उपयोग करके ढांकता हुआ मास्किंग के माध्यम से चयनात्मक वृद्धि आसानी से प्राप्त की जाती है। तात्विक स्रोत MBE का उपयोग करके चयनात्मक वृद्धि प्राप्त करना कठिन है क्योंकि समूह III के परमाणु सोखने के बाद आसानी से नहीं उतरते हैं। रासायनिक स्रोतों के साथ, ढांकता हुआ परत की तुलना में अर्धचालक सतह पर विकास दर से जुड़ी प्रतिक्रियाएं तेज होती हैं। हालांकि, किसी भी गैस चरण प्रतिक्रियाओं की अनुपस्थिति के कारण कोई भी समूह III तत्व सीबीई में ढांकता हुआ सतह पर नहीं पहुंच सकता है। इसके अलावा, सीमा परत की अनुपस्थिति में प्रभाव डालने वाले समूह III मेटलऑर्गेनिक अणुओं के लिए उजाड़ना आसान है। इससे एमओसीवीडी या एमओवीपीई की तुलना में सीबीई और कम तापमान पर चयनात्मक एपिटॉक्सी का प्रदर्शन करना आसान हो जाता है। एबीसीडी टेक्नोलॉजी द्वारा पेटेंट किए गए हाल के विकास में, सब्सट्रेट रोटेशन की अब आवश्यकता नहीं है, जिससे कण बीम के साथ इन-सीटू पैटर्निंग जैसी नई संभावनाएं पैदा होती हैं। यह संभावना एक ही चरण में पैटर्न वाली पतली फिल्मों को प्राप्त करने के लिए बहुत ही रोचक दृष्टिकोण खोलती है, विशेष रूप से उन सामग्रियों के लिए जो ऑक्साइड जैसे नक़्क़ाशी करना मुश्किल है।

पी-टाइप डोपिंग
यह देखा गया कि GaAs के सीबीई के लिए TMGa (ट्राइमेथिलगैलियम) का उपयोग करने से निगमित कार्बन के कारण उच्च p-प्रकार की पृष्ठभूमि डोपिंग (1020 सेमी−3) हो गई। हालांकि, यह पाया गया कि टीएमजीए के बजाय टीईजीए का उपयोग करने से 1014 और 1016 सेमी-3 के बीच कमरे के तापमान छेद सांद्रता के साथ बहुत साफ गाए प्राप्त हुए। यह प्रदर्शित किया गया है कि छिद्र सांद्रता को 014 और 1016 सेमी−3 के बीच समायोजित किया जा सकता है, केवल अल्काइल बीम दबाव और टीएमजीए/टीईजीए अनुपात को समायोजित करके, GaAs के उच्च और नियंत्रणीय पी-टाइप डोपिंग प्राप्त करने के लिए साधन प्रदान करते हैं। उच्च-गुणवत्ता वाले हेट्रोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर के निर्माण के लिए इसका उपयोग किया गया है। [4]

लाभ और हानि
सीबीई एमओसीवीडी और एमबीई की अपनी मूल तकनीकों पर कई अन्य लाभ प्रदान करता है, जिनमें से कुछ नीचे सूचीबद्ध हैं:

एमबीई पर लाभ


 * 1) आसान मल्टीवेफर स्केलअप: मोटाई और अनुरूपता में एकरूपता के लिए सबस्ट्रेट रोटेशन आवश्यक है क्योंकि एमबीई में प्रत्येक तत्व के लिए अलग-अलग प्रवाह कोशिकाएं हैं। बड़े प्रवाह कोशिकाओं और कुशल गर्मी लंपटता मल्टीवेफर स्केलअप को और अधिक कठिन बना देती है।
 * 2) उत्पादन पर्यावरण के लिए बेहतर: सटीक इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण प्रवाह के कारण त्वरित प्रवाह प्रतिक्रिया।
 * 3) अंडाकार दोषों की अनुपस्थिति: ये अंडाकार दोष सामान्यतः गा की सूक्ष्म बूंदों या उच्च तापमान प्रवाह कोशिकाओं से थूकने से उत्पन्न होते हैं। ये दोष आकार और घनत्व प्रणाली-दर-प्रणाली और समय-समय पर भिन्न होते हैं।
 * 4) बहाव की स्थितियों में कम बहाव जो प्रवाही स्रोत भरने पर निर्भर नहीं करता है।
 * 5) एबीसीडी टेक्नोलॉजी द्वारा पेटेंट किए गए हाल के घटनाक्रमों में, सब्सट्रेट रोटेशन की अब आवश्यकता नहीं है।

एमओसीवीडी पर लाभ


 * 1) RHEED जैसे स्वस्थानी निदान उपकरण का सरल कार्यान्वयन।
 * 2) धातु वाष्पीकरण और आयन प्रत्यारोपण जैसे अन्य उच्च-वैक्यूम पतली-फिल्म प्रसंस्करण विधियों के साथ संगतता।

सीबीई की कमियां
इसलिए, अच्छे संयोजन नियंत्रण के लिए उच्च और निम्न तापमान के बीच व्यवस्थापन करना चाहिए।
 * 1) एमओसीवीडी की तुलना में अधिक पम्पिंग की आवश्यकता है।
 * 2) GaInAs बढ़ने पर रचना नियंत्रण कठिन हो सकता है। उच्च तापमान पर, हमारे पास गा का बेहतर समावेश होता है, लेकिन हम समस्या से संबंधित इन के विलोपन का सामना करते हैं।
 * 1) GaAlAs के लिए उच्च कार्बन निगमन।

यह भी देखें

 * एपिटाक्सी
 * आणविक किरण एपिटॉक्सी
 * एमओवीपीई
 * यौगिक अर्धचालक
 * रासायनिक वाष्प निक्षेपन
 * मेटलऑर्गेनिक्स
 * थिन-फिल्म डिपोजिशन
 * आरएचईईडी