रासायनिक बीम एपिटॉक्सी

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केमिकल (रासायनिक) बीम एपिटॉक्सी (सीबीई) अर्धचालक परत प्रणाली, विशेष रूप से III-V अर्धचालक प्रणालियों के लिए निक्षेपण तकनीकों का एक महत्वपूर्ण वर्ग बनाता है। एपीटैक्सियल वृद्धि का यह रूप अति उच्च निर्वात प्रणाली में किया जाता है। अभिकारक प्रतिक्रियाशील गैसों के आणविक बीम के रूप में, सामान्यतः हाइड्राइड या धातुओं के रूप में होते हैं। सीबीई शब्द का प्रयोग प्रायः धातु-कार्बनिक आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमओएमबीई) के साथ परस्पर विनिमय के लिए किया जाता है। हालांकि, नामकरण दो (थोड़ा भिन्न) प्रक्रियाओं के मध्य अंतर करता है। कठोरता से उपयोग किए जाने पर, सीबीई उस तकनीक को संदर्भित करता है जिसमें दोनों घटक गैसीय स्रोतों से प्राप्त किए जाते हैं, जबकि एमओएमबीई उस तकनीक को संदर्भित करता है जिसमें समूह III घटक को गैसीय स्रोत से और समूह V घटक को ठोस स्रोत से प्राप्त किया जाता है।

मूल सिद्धांत

1984 में डब्लू टी त्सांग द्वारा पहली बार रासायनिक बीम एपिटॉक्सी को प्रदर्शित किया गया था।[1] इस तकनीक को तब धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प संचय (एमओसीवीडी) और आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमबीई) के एक संकर के रूप में वर्णित किया गया था, जिसने दोनों तकनीकों के लाभों का फायदा उठाया। 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 टोर और 1 एटीएम के मध्य 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।[2] 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।[3] एमओसीवीडी, एमबीई और सीबीई के लिए विकास कक्ष में विभिन्न प्रक्रियाओं की तुलना चित्र 1 में देखी जा सकती है।

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चित्र 1: ए) एमओसीवीडी, बी) एमबीई, और सी) सीबीई के विकास कक्षों के अंदर बुनियादी प्रक्रियाएं।[3]

प्रयोगात्मक स्थापना

मानक यूएचवी विकास कक्षों में टर्बोमोलेक्यूलर और क्रायो पंपों का संयोजन उपयोग किया जाता है। कक्ष स्वयं तरल नाइट्रोजन क्रायोशील्ड और घूर्णन योग्य क्रिस्टल धारक से सुसज्जित है जो एक से अधिक वेफर ले जाने में सक्षम है। क्रिस्टल होल्डर को सामान्यतः पीछे की ओर 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 द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर और अवशिष्ट गैसों के विश्लेषण के लिए आरएचईईडी उपकरण भी हैं।[4] 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 प्रारंभिक यौगिकों के लिए, जैसे कि हाइड्राइड्स जो समूह V की प्रारंभिक सामग्री हैं, हाइड्राइड्स को इंजेक्टर में पहले से ही क्रैक करना पड़ता है। यह सामान्यतः गर्म धातु या फिलामेंट के साथ थर्मली अपघटन द्वारा किया जाता है।[4]

वृद्धि गतिज

सीबीई से जुड़े विकास गतिकी को बेहतर ढंग से समझने के लिए एमबीई और एमओसीवीडी से जुड़े भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं को भी देखना महत्वपूर्ण है। चित्र 2 उनको दर्शाता है। इन तीन तकनीकों के लिए विकास गतिकी 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 जाली साइटों में माइग्रेट हो 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 तापीय वाष्पीकरण द्वारा उत्पन्न होते हैं।[2]

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चित्रा 2: ए) पारंपरिक एमबीई, बी) एमओसीवीडी, और सी) सीबीई में सम्मिलित विकास गतिकी।[2]

एमओसीवीडी 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 सामान्यतः 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।[2]

सीबीई प्रक्रियाओं में, सब्सट्रेट तक पहुँचने से पहले हाइड्राइड्स को उच्च तापमान इंजेक्टर में क्रैक किया जाता है। समान एमओसीवीडी या एमओवीपीई की तुलना में तापमान सामान्यतः 100-150 °C कम होता है।[5] कोई सीमा परत भी नहीं है (जैसे कि MOCVD 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 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।[2]

उपकरण निर्माण के साथ अनुकूलता

कम तापमान पर चयनात्मक वृद्धि

एमबीई और एमओसीवीडी की अपनी मूल तकनीकों की तुलना में सीबीई का उपयोग करके अचालक 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, अचालक 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 अचालक 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।[5] 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।[6] 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 मध्य 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 मध्य 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।[3][7]
  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।[6]

एमओसीवीडी पर लाभ

  1. आरएचईईडी जैसे स्वस्थानी निदान उपकरण का सरल कार्यान्वयन।
  2. धातु वाष्पीकरण और आयन प्रत्यारोपण जैसे अन्य उच्च-वैक्यूम पतली-फिल्म प्रसंस्करण विधियों के साथ संगतता।[3][7]

सीबीई की कमियां

  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।

इसलिए, अच्छे संयोजन नियंत्रण के लिए उच्च और निम्न तापमान के मध्य व्यवस्थापन करना चाहिए।

  1. GaAlAs के लिए उच्च कार्बन निगमन।[3][7]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Tsang, W. T. (1984). "InP और GaAs का रासायनिक बीम एपिटॉक्सी". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 45 (11): 1234–1236. doi:10.1063/1.95075. ISSN 0003-6951.
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Tsang, W.T. (1987). "Chemical beam epitaxy of Ga0.47In0.53As/InP quantum wells and heterostructure devices". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 81 (1–4): 261–269. doi:10.1016/0022-0248(87)90402-7. ISSN 0022-0248.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Tsang, W.T. (1989). "रासायनिक वाष्प एपिटॉक्सी से रासायनिक बीम एपिटॉक्सी तक". Journal of Crystal Growth. Elsevier BV. 95 (1–4): 121–131. doi:10.1016/0022-0248(89)90364-3. ISSN 0022-0248.
  4. ↑ 4.0 4.1 Lüth, Hans (1994). "Chemical beam epitaxy — a child of surface science". Surface Science. 299–300: 867–877. doi:10.1016/0039-6028(94)90703-X. ISSN 0039-6028.
  5. ↑ 5.0 5.1 Benchimol, Jean-Louis; Alexandre, F.; Lamare, Bruno; Legay, Philippe (1996). "माइक्रो और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए रासायनिक बीम एपिटॉक्सी के लाभ". Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. Elsevier BV. 33 (4): 473–495. doi:10.1016/s0960-8974(96)00091-5. ISSN 0960-8974.
  6. ↑ 6.0 6.1 G. Benvenuti,Large area deposition in high vacuum with high thickness uniformity. WO_2003093529_A2[1].
  7. ↑ 7.0 7.1 7.2 M.A. Herman and H. Sitter. Molecular Beam Epitaxy. Heidelberg: Springer, 1996.
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