MBE اور MOCVD ٹیکنالوجیز میں کیا فرق ہے؟

دونوں مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (MBE) اور دھاتی-نامیاتی کیمیائی بخارات جمع کرنے (MOCVD) ری ایکٹر کلین روم کے ماحول میں کام کرتے ہیں اور ویفر کی خصوصیت کے لیے میٹرولوجی ٹولز کا ایک ہی سیٹ استعمال کرتے ہیں۔ ٹھوس ماخذ MBE اعلی طہارت کا استعمال کرتا ہے، ایفیوژن سیلوں میں گرم ہونے والے عنصری پیشگی کو جمع کرنے کے لیے مالیکیولر بیم بنانے کے لیے (ٹھنڈا کرنے کے لیے استعمال ہونے والے مائع نائٹروجن کے ساتھ)۔ اس کے برعکس، MOCVD ایک کیمیائی بخارات کا عمل ہے، جس میں انتہائی خالص، گیسی ذرائع کا استعمال کیا جاتا ہے تاکہ اسے جمع کیا جا سکے، اور اس کے لیے زہریلی گیس کی منتقلی اور تخفیف کی ضرورت ہوتی ہے۔ دونوں تکنیکیں کچھ مادی نظاموں جیسے آرسنائڈز میں ایک جیسی ایپیٹیکسی پیدا کر سکتی ہیں۔ خاص مواد، عمل، اور بازاروں کے لیے ایک تکنیک کے دوسرے پر انتخاب پر تبادلہ خیال کیا گیا ہے۔

مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی

ایک MBE ری ایکٹر میں عام طور پر ایک نمونہ منتقلی چیمبر (ہوا کے لیے کھلا، ویفر سبسٹریٹس کو لوڈ اور ان لوڈ کرنے کی اجازت دینے کے لیے) اور ایک گروتھ چیمبر (عام طور پر سیل کیا جاتا ہے، اور صرف دیکھ بھال کے لیے ہوا کے لیے کھلا ہوتا ہے) پر مشتمل ہوتا ہے جہاں سبسٹریٹ کو epitaxial ترقی کے لیے منتقل کیا جاتا ہے۔ . MBE ری ایکٹر انتہائی ہائی ویکیوم (UHV) حالات میں ہوا کے مالیکیولز سے آلودگی کو روکنے کے لیے کام کرتے ہیں۔ اگر چیمبر ہوا کے لیے کھلا ہو تو ان آلودگیوں کے انخلاء کو تیز کرنے کے لیے چیمبر کو گرم کیا جا سکتا ہے۔

اکثر، ایم بی ای ری ایکٹر میں ایپیٹیکسی کے ماخذ مواد ٹھوس سیمی کنڈکٹرز یا دھاتیں ہوتے ہیں۔ یہ بہاوی خلیوں میں اپنے پگھلنے والے مقامات (یعنی ماخذ مادی بخارات) سے باہر گرم ہوتے ہیں۔ یہاں، ایٹموں یا مالیکیولز کو ایک چھوٹے یپرچر کے ذریعے MBE ویکیوم چیمبر میں لے جایا جاتا ہے، جو ایک انتہائی دشاتمک مالیکیولر بیم دیتا ہے۔ یہ گرم سبسٹریٹ پر اثر انداز ہوتا ہے۔ عام طور پر سنگل کرسٹل مواد جیسے سلکان، گیلیم آرسنائیڈ (GaAs) یا دیگر سیمی کنڈکٹرز سے بنا ہوتا ہے۔ بشرطیکہ مالیکیول ڈیزورب نہ ہوں، وہ سبسٹریٹ کی سطح پر پھیل جائیں گے، جس سے اپیٹیکسیل نمو کو فروغ ملے گا۔ اس کے بعد ایپیٹیکسی کو پرت کے لحاظ سے بنایا جاتا ہے، جس میں ہر پرت کی ساخت اور موٹائی کو مطلوبہ نظری اور برقی خصوصیات کو حاصل کرنے کے لیے کنٹرول کیا جاتا ہے۔

سبسٹریٹ مرکزی طور پر، گروتھ چیمبر کے اندر، کرائیوشیلڈز سے گھرا ہوا ایک گرم ہولڈر پر نصب کیا جاتا ہے، جس میں فیوژن سیلز اور شٹر سسٹم کا سامنا ہوتا ہے۔ ہولڈر یکساں جمع اور اپیٹیکسیل موٹائی فراہم کرنے کے لیے گھومتا ہے۔ کریوشیلڈز مائع نائٹروجن کولڈ پلیٹیں ہیں جو چیمبر میں آلودگیوں اور ایٹموں کو پھنساتی ہیں جو پہلے سبسٹریٹ سطح پر نہیں پکڑے گئے تھے۔ آلودگی زیادہ درجہ حرارت پر سبسٹریٹ کے ڈیسورپشن یا مالیکیولر بیم سے 'اوور فلنگ' سے ہو سکتی ہے۔

الٹرا ہائی ویکیوم MBE ری ایکٹر چیمبر ان سیٹو مانیٹرنگ ٹولز کو جمع کرنے کے عمل کو کنٹرول کرنے کے لیے استعمال کرنے کے قابل بناتا ہے۔ ریفلیکشن ہائی انرجی الیکٹران ڈفریکشن (RHEED) ترقی کی سطح کی نگرانی کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ لیزر ریفلیکشن، تھرمل امیجنگ، اور کیمیائی تجزیہ (ماس اسپیکٹومیٹری، اوجر اسپیکٹومیٹری) بخارات بن جانے والے مواد کی ساخت کا تجزیہ کرتے ہیں۔ دوسرے سینسر کا استعمال درجہ حرارت، دباؤ اور شرح نمو کی پیمائش کے لیے کیا جاتا ہے تاکہ عمل کے پیرامیٹرز کو حقیقی وقت میں ایڈجسٹ کیا جا سکے۔

شرح نمو اور ایڈجسٹمنٹ

epitaxial ترقی کی شرح، جو عام طور پر monolayer (0.1nm, 1Å) فی سیکنڈ کا تقریباً ایک تہائی ہے، بہاؤ کی شرح (سبسٹریٹ سطح پر پہنچنے والے ایٹموں کی تعداد، ماخذ کے درجہ حرارت کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے) اور سبسٹریٹ درجہ حرارت سے متاثر ہوتا ہے۔ (جو سبسٹریٹس کی سطح پر ایٹموں کی مختلف خصوصیات کو متاثر کرتا ہے اور ان کے ڈیسورپشن کو، سبسٹریٹ حرارت کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے)۔ ان پیرامیٹرز کو آزادانہ طور پر ایڈجسٹ کیا جاتا ہے اور ایم بی ای ری ایکٹر کے اندر نگرانی کی جاتی ہے، تاکہ ایپیٹیکسیل عمل کو بہتر بنایا جا سکے۔

مکینیکل شٹر سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے شرح نمو اور مختلف مواد کی سپلائی کو کنٹرول کر کے، ٹرنری اور کوٹرنری اللویز اور ملٹی لیئر ڈھانچے کو قابل اعتماد اور بار بار اگایا جا سکتا ہے۔ جمع کرنے کے بعد، تھرمل تناؤ سے بچنے کے لیے سبسٹریٹ کو آہستہ آہستہ ٹھنڈا کیا جاتا ہے اور اس کی کرسٹل لائن ساخت اور خصوصیات کو نمایاں کرنے کے لیے ٹیسٹ کیا جاتا ہے۔

MBE کے لیے مادی خصوصیات

MBE میں استعمال ہونے والے III-V مادی نظام کی خصوصیات یہ ہیں:

●  سلکان: سلیکون سبسٹریٹس پر بڑھنے کے لیے بہت زیادہ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ آکسائیڈ ڈیسورپشن (>1000°C) کو یقینی بنایا جا سکے، اس لیے ماہر ہیٹر اور ویفر ہولڈرز کی ضرورت ہوتی ہے۔ جالی مستقل اور توسیعی گتانک میں مماثلت کے آس پاس کے مسائل سلیکون پر III-V نمو کو ایک فعال R&D موضوع بناتے ہیں۔

● اینٹیمنی: III-Sb سیمی کنڈکٹرز کے لیے، سطح سے ڈیسورپشن سے بچنے کے لیے کم سبسٹریٹ درجہ حرارت کا استعمال کیا جانا چاہیے۔ اعلی درجہ حرارت پر 'غیر موافقت' بھی ہو سکتی ہے، جہاں ایک جوہری پرجاتیوں کو ترجیحی طور پر غیر سٹوچیومیٹرک مواد چھوڑنے کے لیے بخارات بنایا جا سکتا ہے۔

● فاسفورس: III-P مرکبات کے لیے، فاسفورس کو چیمبر کے اندر جمع کیا جائے گا، جس کے لیے ایک وقت طلب کلین اپ عمل درکار ہوتا ہے جس کی وجہ سے مختصر پیداوار نا قابل عمل ہو سکتی ہے۔

دھاتی نامیاتی کیمیائی بخارات کا ذخیرہ

MOCVD ری ایکٹر میں اعلی درجہ حرارت، پانی سے ٹھنڈا رد عمل چیمبر ہے۔ سبسٹریٹس کو گریفائٹ سسپٹر پر رکھا جاتا ہے جسے RF، مزاحمتی یا IR ہیٹنگ سے گرم کیا جاتا ہے۔ ریجنٹ گیسوں کو عمودی طور پر سبسٹریٹس کے اوپر پروسیس چیمبر میں داخل کیا جاتا ہے۔ پرت کی یکسانیت درجہ حرارت، گیس انجیکشن، گیس کے کل بہاؤ، سسپٹر کی گردش اور دباؤ کو بہتر بنا کر حاصل کی جاتی ہے۔ کیریئر گیسیں یا تو ہائیڈروجن ہیں یا نائٹروجن۔

epitaxial تہوں کو جمع کرنے کے لیے، MOCVD بہت زیادہ پاکیزگی والے دھاتی-نامیاتی پیشرو استعمال کرتا ہے جیسے کہ گروپ-III کے عناصر کے لیے گیلیئم کے لیے trimethylgallium یا المونیم کے لیے trimethylaluminium اور گروپ-V عناصر کے لیے ہائیڈرائیڈ گیسیں (آرسین اور فاسفائن)۔ دھاتی آرگینکس گیس کے بہاؤ کے بلبلوں میں موجود ہیں۔ پروسیس چیمبر میں داخل ہونے والے ارتکاز کا تعین ببلر کے ذریعے دھاتی نامیاتی اور کیریئر گیس کے بہاؤ کے درجہ حرارت اور دباؤ سے ہوتا ہے۔

ری ایجنٹس نمو کے درجہ حرارت پر سبسٹریٹ کی سطح پر مکمل طور پر گل جاتے ہیں، دھاتی ایٹموں اور نامیاتی ضمنی مصنوعات کو جاری کرتے ہیں۔ ری ایجنٹس کے ارتکاز کو مختلف، III-V الائے ڈھانچے تیار کرنے کے لیے ایڈجسٹ کیا جاتا ہے، ساتھ ساتھ بخارات کے مرکب کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے رن/وینٹ سوئچنگ سسٹم۔

سبسٹریٹ عام طور پر سیمی کنڈکٹر مواد جیسے گیلیم آرسنائیڈ، انڈیم فاسفائیڈ، یا نیلم کا سنگل کرسٹل ویفر ہوتا ہے۔ یہ رد عمل کے چیمبر کے اندر سسپٹر پر لادا جاتا ہے جس پر پیشگی گیسیں انجکشن کی جاتی ہیں۔ زیادہ تر بخارات شدہ دھاتی آرگینکس اور دیگر گیسیں بغیر کسی تبدیلی کے گرم گروتھ چیمبر کے ذریعے سفر کرتی ہیں، لیکن تھوڑی مقدار پائرولیسس (کریکنگ) سے گزرتی ہے، جس سے ذیلی قسم کے مواد پیدا ہوتے ہیں جو گرم سبسٹریٹ کی سطح پر جذب ہوتے ہیں۔ اس کے بعد سطحی رد عمل کا نتیجہ III-V عناصر کے epitaxial تہہ میں شامل ہوتا ہے۔ متبادل طور پر، غیر استعمال شدہ ری ایجنٹس اور رد عمل کی مصنوعات کو چیمبر سے نکال کر سطح سے ڈیسورپشن ہو سکتا ہے۔ مزید برآں، کچھ پیشرو سطح کی ’منفی نمو‘ اینچنگ کو آمادہ کر سکتے ہیں، جیسے GaAs/AlGaAs کی کاربن ڈوپنگ، اور مخصوص اینچنٹ ذرائع کے ساتھ۔ ایپیٹیکسی کی مستقل ساخت اور موٹائی کو یقینی بنانے کے لیے سسپٹر گھومتا ہے۔

MOCVD ری ایکٹر میں مطلوبہ نمو کا درجہ حرارت بنیادی طور پر پیشگیوں کے مطلوبہ پائرولیسس سے طے ہوتا ہے، اور پھر سطح کی نقل و حرکت کے حوالے سے بہتر بنایا جاتا ہے۔ ترقی کی شرح کا تعین بلبلوں میں گروپ III دھاتی نامیاتی ذرائع کے بخارات کے دباؤ سے ہوتا ہے۔ سطح کا پھیلاؤ سطح پر جوہری اقدامات سے متاثر ہوتا ہے، اس وجہ سے اکثر غلط ذیلی ذخیرے استعمال ہوتے ہیں۔ سلیکون سبسٹریٹس پر نمو کے لیے آکسائیڈ ڈیسورپشن (>1000°C) کو یقینی بنانے کے لیے بہت زیادہ درجہ حرارت کے مراحل کی ضرورت ہوتی ہے، ماہر ہیٹر اور ویفر سبسٹریٹ ہولڈرز کا مطالبہ کرتے ہیں۔

ری ایکٹر کے ویکیوم پریشر اور جیومیٹری کا مطلب ہے کہ ان سیٹو مانیٹرنگ کی تکنیکیں MBE کی طرح مختلف ہوتی ہیں، MBE کے پاس عام طور پر زیادہ اختیارات اور کنفیگربلٹی ہوتی ہے۔ MOCVD کے لیے، emissivity-corrected pyrometry in-situ، wafer سطح کے درجہ حرارت کی پیمائش کے لیے استعمال کیا جاتا ہے (دور دراز، تھرموکوپل پیمائش کے برعکس)؛ عکاسی سطح کی کھردری اور اپیٹیکسیل ترقی کی شرح کا تجزیہ کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ ویفر بو کی پیمائش لیزر ریفلیکشن سے کی جاتی ہے۔ اور فراہم کردہ organometallic ارتکاز کو الٹراسونک گیس کی نگرانی کے ذریعے ماپا جا سکتا ہے، تاکہ ترقی کے عمل کی درستگی اور تولیدی صلاحیت کو بڑھایا جا سکے۔

عام طور پر، ایلومینیم پر مشتمل مرکب زیادہ درجہ حرارت (>650 ° C) پر اگائے جاتے ہیں، جبکہ فاسفورس پر مشتمل تہوں کو کم درجہ حرارت (<650 ° C) پر اگایا جاتا ہے، AlInP کے ممکنہ استثناء کے ساتھ۔ AlInGaAs اور InGaAsP مرکبات کے لیے، جو ٹیلی کام ایپلی کیشنز کے لیے استعمال ہوتے ہیں، آرسائن کے کریکنگ ٹمپریچر میں فرق فاسفائن کے مقابلے پراسیس کنٹرول کو آسان بنا دیتا ہے۔ تاہم، epitaxial دوبارہ نمو کے لیے، جہاں فعال پرتیں کھدی ہوئی ہیں، فاسفائن کو ترجیح دی جاتی ہے۔ antimonide مواد کے لیے، AlSb میں غیر ارادی (اور عام طور پر ناپسندیدہ) کاربن کا انضمام ہوتا ہے، مناسب پیشگی ماخذ کی کمی کی وجہ سے، مرکب دھاتوں کے انتخاب کو محدود کر دیتا ہے اور اسی طرح MOCVD کے ذریعے اینٹیمونائیڈ کی افزائش کو بڑھانا۔

انتہائی تناؤ والی تہوں کے لیے، آرسنائیڈ اور فاسفائیڈ مواد کو معمول کے مطابق استعمال کرنے کی صلاحیت کی وجہ سے، تناؤ کا توازن اور معاوضہ ممکن ہے، جیسے GaAsP رکاوٹوں اور InGaAs کوانٹم ویلز (QWs) کے لیے۔

خلاصہ

MBE کے پاس عام طور پر MOCVD سے زیادہ اندرون خانہ نگرانی کے اختیارات ہوتے ہیں۔ epitaxial ترقی کو بہاؤ کی شرح اور سبسٹریٹ درجہ حرارت کے ذریعہ ایڈجسٹ کیا جاتا ہے، جو الگ الگ کنٹرول ہوتے ہیں، متعلقہ اندرونی نگرانی کے ساتھ ترقی کے عمل کو زیادہ واضح، براہ راست، سمجھنے کی اجازت دیتا ہے۔

MOCVD ایک انتہائی ورسٹائل تکنیک ہے جس کا استعمال پیشگی کیمسٹری کو مختلف کرکے مرکب سیمی کنڈکٹرز، نائٹرائڈز اور آکسائیڈز سمیت وسیع پیمانے پر مواد کو جمع کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے۔ ترقی کے عمل کا درست کنٹرول الیکٹرانکس، فوٹوونکس اور آپٹو الیکٹرانکس میں ایپلی کیشنز کے لیے موزوں خصوصیات کے ساتھ پیچیدہ سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کی تیاری کی اجازت دیتا ہے۔ MOCVD چیمبر کی صفائی کے اوقات MBE سے زیادہ تیز ہیں۔

MOCVD ڈسٹری بیوٹڈ فیڈ بیک (DFBs) لیزرز، دفن شدہ ہیٹرسٹرکچر ڈیوائسز، اور بٹ جوائنٹڈ ویو گائیڈز کی دوبارہ نشوونما کے لیے بہترین ہے۔ اس میں سیمی کنڈکٹر کی ان سیٹو اینچنگ شامل ہوسکتی ہے۔ MOCVD، لہذا، یک سنگی InP انضمام کے لیے مثالی ہے۔ اگرچہ GaAs میں یک سنگی انضمام اپنے ابتدائی دور میں ہے، MOCVD انتخابی علاقے کی ترقی کو قابل بناتا ہے، جہاں ڈائی الیکٹرک نقاب پوش علاقے اخراج/جذب طول موج کو خلا میں مدد دیتے ہیں۔ MBE کے ساتھ ایسا کرنا مشکل ہے، جہاں ڈائی الیکٹرک ماسک پر پولی کرسٹل کے ذخائر بن سکتے ہیں۔

عام طور پر، MBE Sb مواد کے لیے انتخاب کا ترقی کا طریقہ ہے اور MOCVD P مواد کے لیے انتخاب ہے۔ دونوں ترقی کی تکنیکوں میں As-based مواد کے لیے یکساں صلاحیتیں ہیں۔ روایتی MBE-صرف مارکیٹس، جیسے الیکٹرانکس، اب MOCVD ترقی کے ساتھ یکساں طور پر اچھی طرح سے پیش کی جا سکتی ہیں۔ تاہم، زیادہ جدید ڈھانچے، جیسے کوانٹم ڈاٹ اور کوانٹم کیسکیڈ لیزرز کے لیے، MBE کو اکثر بنیادی ایپیٹیکسی کے لیے ترجیح دی جاتی ہے۔ اگر epitaxial regrowth کی ضرورت ہو، تو MOCVD کو عام طور پر ترجیح دی جاتی ہے، اس کی اینچنگ اور ماسکنگ لچک کی وجہ سے۔