रासायनिक बीम एपिटॉक्सी

रासायनिक बीम एपिटॉक्सी (CBE) सेमीकंडक्टर डिवाइस का निर्माण  लेयर सिस्टम, विशेष रूप से III-V सेमीकंडक्टर सिस्टम के लिए डिपोजिशन तकनीकों का एक महत्वपूर्ण वर्ग बनाता है। एपिटैक्सियल ग्रोथ का यह रूप एक अल्ट्राहाई  खालीपन  सिस्टम में किया जाता है। अभिकारक प्रतिक्रियाशील गैसों के आणविक बीम के रूप में होते हैं, आमतौर पर हाइड्राइड या मेटलऑर्गेनिक के रूप में। सीबीई शब्द का प्रयोग अक्सर धातु-कार्बनिक आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमओएमबीई) के साथ एक दूसरे के रूप में किया जाता है। हालाँकि, नामकरण दो (थोड़ा अलग) प्रक्रियाओं के बीच अंतर करता है। सख्त अर्थों 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 V घटक ठोस स्रोत से प्राप्त होता है।

मूल सिद्धांत
1984 में डब्ल्यूटी त्सांग द्वारा पहली बार रासायनिक बीम एपिटॉक्सी का प्रदर्शन किया गया था। इस तकनीक को तब धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (MOCVD) और आणविक बीम एपिटॉक्सी (MBE) के एक संकर के रूप में वर्णित किया गया था जिसने दोनों तकनीकों के लाभों का शोषण किया था। इस प्रारंभिक कार्य में, गैसीय समूह III और V अल्काइल का उपयोग करके InP और GaAs उगाए गए थे। जबकि समूह III के तत्व सतह पर एल्काइल के पायरोलिसिस से प्राप्त किए गए थे, समूह V के तत्वों को 950-1200 °C पर गर्म टैंटलम (Ta) या मोलिब्डेनम (Mo) के संपर्क में लाकर एल्काइल के अपघटन से प्राप्त किया गया था। गैस रिएक्टर में विशिष्ट दबाव 10 के बीच होता है2 MOCVD के लिए Torr और 1 atm। यहाँ गैस का परिवहन श्यानता प्रवाह द्वारा होता है और रसायन विसरण द्वारा सतह तक पहुँचते हैं। इसके विपरीत, 10 से कम गैस का दबाव−4 Torr का उपयोग CBE में किया जाता है। गैस परिवहन अब अधिक लंबे माध्य-मुक्त पथों के कारण आणविक बीम के रूप में होता है, और यह प्रक्रिया एक रासायनिक बीम जमाव के रूप में विकसित होती है। यहाँ यह भी ध्यान देने योग्य है कि MBE परमाणु बीम (जैसे अल्युमीनियम  (Al) और गैलियम (Ga)) और आणविक बीम (जैसे आर्सेनिक | As) को नियोजित करता है।4और फास्फोरस | पी4) जो ठोस तात्विक स्रोतों से उच्च तापमान पर वाष्पित हो जाते हैं, जबकि CBE के स्रोत कमरे के तापमान पर वाष्प चरण में होते हैं। MOCVD, MBE और CBE के विकास कक्ष में विभिन्न प्रक्रियाओं की तुलना चित्र 1 में देखी जा सकती है।



प्रायोगिक सेटअप
मानक यूएचवी विकास कक्षों में टर्बोमोलेक्यूलर और क्रायो पंपों का संयोजन उपयोग किया जाता है। कक्ष स्वयं एक तरल नाइट्रोजन क्रायोशील्ड और एक रोटेटेबल क्रिस्टल धारक से सुसज्जित है जो एक से अधिक वेफर ले जाने में सक्षम है। क्रिस्टल होल्डर को आमतौर पर पीछे की तरफ से 500 से 700 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक गर्म किया जाता है। अधिकांश सेटअपों में बढ़ती सतह पर सतह सुपरस्ट्रक्चर की इन-सीटू निगरानी और विकास दर को मापने के लिए और बीम में आणविक प्रजातियों के विश्लेषण के लिए मास स्पेक्ट्रोमीटर और अवशिष्ट गैसों के विश्लेषण के लिए RHEED उपकरण भी हैं। गैस इनलेट सिस्टम, जो सिस्टम के सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक है, सामग्री बीम प्रवाह को नियंत्रित करता है। दबाव नियंत्रित प्रणालियों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। सामग्री प्रवाह को गैस इंजेक्शन केशिका के इनपुट दबाव द्वारा नियंत्रित किया जाता है। चैम्बर के अंदर के दबाव को कैपेसिटेंस मैनोमीटर द्वारा मापा और नियंत्रित किया जा सकता है। गैसीय स्रोत सामग्री इंजेक्टर या प्रवाह जेट के आणविक बीम जो एक सजातीय बीम प्रोफ़ाइल सुनिश्चित करते हैं। कुछ शुरुआती यौगिकों के लिए, जैसे कि हाइड्राइड्स जो समूह V की शुरुआती सामग्री हैं, हाइड्राइड्स को इंजेक्टर में पहले से ही क्रैक करना पड़ता है। यह आमतौर पर एक गर्म धातु या फिलामेंट के साथ थर्मली अपघटन द्वारा किया जाता है।

ग्रोथ कैनेटीक्स
CBE से जुड़े विकास रासायनिक कैनेटीक्स को बेहतर ढंग से समझने के लिए, MBE और MOCVD से जुड़ी भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं को भी देखना महत्वपूर्ण है। चित्र 2 उनको दर्शाता है। इन तीन तकनीकों के लिए विकास कैनेटीक्स कई मायनों में भिन्न हैं। पारंपरिक एमबीई में, विकास दर समूह III परमाणु बीम की आगमन दर से निर्धारित होती है। एपिटैक्सियल ग्रोथ तब होती है जब समूह III के परमाणु गर्म सब्सट्रेट सतह पर टकराते हैं, उपयुक्त क्रिस्टल संरचना साइटों में चले जाते हैं और फिर अतिरिक्त समूह V डिमर्स या टेट्रामर्स के पास जमा हो जाते हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि सतह पर कोई रासायनिक प्रतिक्रिया शामिल नहीं है क्योंकि परमाणु ठोस मौलिक स्रोतों से थर्मल वाष्पीकरण द्वारा उत्पन्न होते हैं।

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

CBE प्रक्रियाओं में, सब्सट्रेट तक पहुँचने से पहले हाइड्राइड्स को उच्च तापमान इंजेक्टर में क्रैक किया जाता है। समान MOCVD या MOVPE की तुलना में तापमान आमतौर पर 100-150 °C कम होता है। कोई सीमा परत भी नहीं है (जैसे कि MOCVD में एक) और कम दबाव के कारण आणविक टकराव न्यूनतम हैं। समूह V एल्काइल की आमतौर पर अधिक मात्रा में आपूर्ति की जाती है, और समूह III एल्काइल अणु पारंपरिक एमबीई की तरह गर्म सब्सट्रेट पर सीधे टकराते हैं। ऐसा होने पर समूह III एल्काइल 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 रेडिकल्स को अलग करना है। दूसरा विकल्प आंशिक रूप से या पूरी तरह से असंबद्ध रूप से फिर से वाष्पित करना है। इस प्रकार, विकास दर एक उच्च सब्सट्रेट तापमान पर समूह III एल्काइल्स की आगमन दर और कम तापमान पर सतह पाइरोलिसिस 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, विकास दर से जुड़ी प्रतिक्रियाएं ढांकता हुआ परत की तुलना में अर्धचालक सतह पर तेज होती हैं। हालांकि, कोई गैस चरण प्रतिक्रियाओं की अनुपस्थिति के कारण कोई समूह III तत्व सीबीई में ढांकता हुआ सतह पर नहीं पहुंच सकता है। इसके अलावा, सीमा परत की अनुपस्थिति में आक्रामक समूह III मेटलऑर्गेनिक अणुओं को उजाड़ना आसान है। यह MOCVD या MOVPE की तुलना में CBE और कम तापमान पर चयनात्मक एपिटॉक्सी का प्रदर्शन करना आसान बनाता है। एबीसीडी टेक्नोलॉजी द्वारा पेटेंट किए गए हाल के विकास में, सब्सट्रेट रोटेशन की अब आवश्यकता नहीं है, जिससे पार्टिकल 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 CBE के लिए TMGa का उपयोग करने से उच्च p-टाइप बैकग्राउंड डोपिंग (1020 सेमी -3) शामिल कार्बन के कारण। हालांकि, यह पाया गया कि टीएमजीए के बजाय टीईजीए का उपयोग करने से 10 के बीच कमरे के तापमान छेद सांद्रता के साथ बहुत साफ GaAs हुआ।14 और 1016 सेमी −3. यह प्रदर्शित किया गया है कि छेद की सांद्रता को 10 के बीच समायोजित किया जा सकता है14 और 1021 सेमी −3 एल्काइल बीम प्रेशर और TMGa/TEGa अनुपात को समायोजित करके, GaAs के उच्च और नियंत्रणीय पी-टाइप डोपिंग प्राप्त करने के लिए साधन प्रदान करता है। इसका उपयोग उच्च गुणवत्ता वाले हेट्रोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर बनाने के लिए किया गया है।

फायदे और नुकसान
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 सब्सट्रेट रोटेशन की आवश्यकता होती है क्योंकि एमबीई में प्रत्येक तत्व के लिए अलग-अलग प्रवाह कोशिकाएं होती हैं। बड़े प्रवाह कोशिकाओं और कुशल गर्मी अपव्यय मल्टीवाफर स्केलअप को और अधिक कठिन बनाते हैं।
 * 2) उत्पादन वातावरण के लिए बेहतर: सटीक इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण प्रवाह के कारण त्वरित प्रवाह प्रतिक्रिया।
 * 3) अंडाकार दोषों की अनुपस्थिति: ये अंडाकार दोष आमतौर पर गा या इन थूक की सूक्ष्म बूंदों से उच्च तापमान प्रवाह कोशिकाओं से उत्पन्न होते हैं। ये दोष आकार और घनत्व प्रणाली-से-प्रणाली और समय-समय पर भिन्न होते हैं।
 * 4) प्रवाह की स्थिति में कम बहाव जो प्रवाहकीय स्रोत भरने पर निर्भर नहीं करता है।
 * 5) एबीसीडी टेक्नोलॉजी द्वारा पेटेंट किए गए हाल के विकास में, सब्सट्रेट रोटेशन की अब आवश्यकता नहीं है।

MOCVD
पर लाभ


 * 1) RHEED जैसे इन-सीटू डायग्नोस्टिक उपकरणों का आसान कार्यान्वयन।
 * 2) धातु वाष्पीकरण और आयन आरोपण जैसे अन्य उच्च वैक्यूम पतली-फिल्म प्रसंस्करण विधियों के साथ संगतता।

सीबीई की कमियां
इसलिए, एक अच्छी संरचना नियंत्रण के लिए उच्च और निम्न तापमान के बीच एक समझौता होना चाहिए।
 * 1) MOCVD की तुलना में अधिक पम्पिंग की आवश्यकता है।
 * 2) GaInAs के बढ़ते समय संरचना नियंत्रण कठिन हो सकता है। उच्च तापमान पर, हमारे पास Ga का बेहतर समावेश होता है, लेकिन हम समस्या से संबंधित desorption का सामना करते हैं।
 * 1) GaAlAs के लिए उच्च कार्बन निगमन।

यह भी देखें

 * एपिटाक्सी
 * आणविक किरण एपिटॉक्सी
 * मूव
 * यौगिक अर्धचालक
 * रासायनिक वाष्प निक्षेपन
 * मेटलऑर्गेनिक्स
 * पतली फिल्म बयान
 * RHEED