পাঠ 13.3মাইক্রো ও ন্যানোঅধ্যায় 13 · মাইক্রো ও ন্যানোফ্যাব্রিকেশন

মলিকুলার বিম এপিট্যাক্সি (MBE)

অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামে বিম থেকে একবারে এক পরমাণু স্তর করে স্ফটিক বাড়ায়

মলিকুলার বিম এপিট্যাক্সি (MBE) একবারে এক পরমাণু স্তর করে স্ফটিক বাড়ায়। আন্তর্জাতিক মহাকাশ স্টেশন যেখানে উড়ছে সেই মহাশূন্যের চেয়েও ফাঁকা ভ্যাকুয়ামে ছোট ছোট ওভেন খাঁটি মৌলের বিম একটি গরম ওয়েফারের ওপর ছোড়ে, আর পরমাণুগুলো তার স্ফটিক জালিতে বসে যায়। এটি অনেক লেজার ও উচ্চ-কম্পাঙ্কের চিপের ভেতরের অতি-পাতলা স্তর তৈরি করে।

ছবি: QGravelier, CC BY-SA 4.0, সূত্র: Wikimedia Commons

MBE গ্রোথ চেম্বারের প্রস্থচ্ছেদ · ৬টি ধাপবড় বৃত্তটি ভ্যাকুয়াম চেম্বারের একটি প্রস্থচ্ছেদ; ওপরে ডানের ছোট বৃত্তটি ওয়েফারের পৃষ্ঠ বড় করে দেখায়। বৃত্তাকার সংখ্যাগুলো নিচের ধাপের সঙ্গে মেলে।

যেভাবে কাজ করে

ভ্যাকুয়াম তৈরি করুন। ওয়েফারটি একটি লোড লক (ছোট এয়ারলক) দিয়ে ঢোকে, তাই মূল চেম্বার কখনো বাতাসের সংস্পর্শে আসে না। পাম্প ও ক্রায়োপ্যানেল (তরল নাইট্রোজেনে ঠান্ডা করা পৃষ্ঠ, যা বিক্ষিপ্ত গ্যাস আটকে রাখে) অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়াম ধরে রাখে, প্রায় 10⁻¹⁰ Torr: স্বাভাবিক বায়ুচাপের প্রায় দশ ট্রিলিয়ন ভাগের এক ভাগ।
ওয়েফার গরম ও পরিষ্কার করুন। ওয়েফারটি একটি গরম, ধীরে ঘোরা হোল্ডারে উল্টো করে বসে। গরম করলে তার পাতলা অক্সাইডের আবরণ উবে যায় এবং স্ফটিকের পৃষ্ঠ পরমাণু-স্তরে পরিষ্কার থাকে।
সেলগুলো গরম করুন। এফিউশন সেলে (ছোট ওভেন, যাদের নুডসেন সেলও বলা হয়) গ্যালিয়াম, অ্যালুমিনিয়াম ও আর্সেনিকের মতো অতি-খাঁটি মৌল থাকে। নিখুঁতভাবে গরম করলে প্রতিটি সেল থেকে পরমাণুর স্থির স্রোত বের হয়।
শাটার খুলুন। এমন ভ্যাকুয়ামে পরমাণু কিছুতে ধাক্কা না খেয়ে সোজা পথে ওড়ে, ফাঁকা মহাশূন্যে স্প্রে পেইন্টের মতো। প্রতিটি সেলে একটি শাটার আছে, যা সেকেন্ডের ভগ্নাংশে খোলে বা বন্ধ হয় এবং উপাদান চালু-বন্ধ করে।
স্তরে স্তরে স্ফটিক গড়ুন। গরম ওয়েফারে নামা পরমাণু অল্প সময় ঘুরে বেড়ায়, তারপর জায়গায় আটকে যায় এবং নিচের স্ফটিক জালির নকল করে; এই নকল করাকেই এপিট্যাক্সি বলে। বৃদ্ধি চলে প্রায় সেকেন্ডে এক পরমাণু স্তর হারে, অর্থাৎ ঘণ্টায় প্রায় এক মাইক্রোমিটার।
স্তরগুলো সরাসরি গুনুন। RHEED (রিফ্লেকশন হাই-এনার্জি ইলেকট্রন ডিফ্র্যাকশন) পৃষ্ঠের ওপর দিয়ে ছুঁয়ে যাওয়া একটি ইলেকট্রন বিম জ্বলজ্বলে পর্দায় ফেলে। প্রতিটি সম্পূর্ণ পরমাণু স্তরের জন্য প্যাটার্নের উজ্জ্বলতা একবার স্পন্দিত হয়, তাই অপারেটররা স্তরগুলো বাড়ার সময়ই গুনতে পারেন।

মূল তথ্য

উপাদান: যৌগিক অর্ধপরিবাহী, যেমন গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs), অ্যালুমিনিয়াম গ্যালিয়াম আর্সেনাইড ও ইন্ডিয়াম ফসফাইড; এছাড়া সিলিকন-জার্মেনিয়াম, অক্সাইড ও নতুন 2D উপাদান
সাধারণ অংশ: লেজার ও ট্রানজিস্টরের জন্য স্ফটিক স্তরের স্তূপ বহনকারী ওয়েফার, কিছু স্তর মাত্র কয়েকটি পরমাণু পুরু
অংশের আকার: ওয়েফার সাধারণত 50–150 mm চওড়া; স্তর এক পরমাণু (প্রায় 0.3 nm) থেকে কয়েক মাইক্রোমিটার পুরু
নির্ভুলতা: পুরুত্ব একটি পরমাণু স্তর পর্যন্ত নিয়ন্ত্রিত, উপাদানগুলোর মধ্যে খুব ধারালো সীমানাসহ
পৃষ্ঠের মান: আয়নার মতো মসৃণ, পরমাণু-স্তরে সমতল
কোন ব্যাচ আকারে মানানসই: গবেষণা ও উচ্চ-মূল্যের উৎপাদন; উৎপাদন মেশিন প্রতি রানে অল্প কয়েকটি ওয়েফার বাড়ায়
টুলিং ও মেশিনের খরচ: অংশ-নির্দিষ্ট টুলিং লাগে না; একটি সিস্টেমের দাম সাধারণত কয়েক লাখ থেকে কয়েক মিলিয়ন ডলার
গতি: সেকেন্ডে প্রায় এক পরমাণু স্তর (ঘণ্টায় প্রায় 1 µm); একটি পূর্ণ ডিভাইস স্তূপে কয়েক ঘণ্টা লাগে

শক্তি ও সীমাবদ্ধতা

শক্তির দিক

পুরুত্ব ও গঠনের উপর পরমাণু-স্তরের নিয়ন্ত্রণ
অত্যন্ত খাঁটি উপাদান, ধারালো ইন্টারফেসসহ
RHEED দিয়ে সরাসরি পর্যবেক্ষণ
কোয়ান্টাম ওয়েল, কোয়ান্টাম ডট ও একেবারে নতুন উপাদান বানায়

সীমাবদ্ধতা

খুব ধীর বৃদ্ধি
অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামের মানে দীর্ঘ পাম্প-ডাউন, বেক-আউট ও রক্ষণাবেক্ষণ
দামি মেশিন ও অতি-খাঁটি উৎস উপাদান
MOCVD-এর (মেটাল-অর্গানিক কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন) চেয়ে কম উৎপাদন; এটি গ্যাসভিত্তিক পদ্ধতি, যা বেশি পরিমাণে উৎপাদনে ব্যবহার হয়

কোথায় ব্যবহৃত হয়

ফটোনিক্সলেজার ডায়োড, VCSEL (মুখ শনাক্তকরণ ও ডেটা লিংকের জন্য ছোট লেজার), কোয়ান্টাম-ক্যাসকেড লেজার
টেলিকম ও রেডিও5G, স্যাটেলাইট ও রাডারের জন্য উচ্চ-কম্পাঙ্কের ট্রানজিস্টর (HEMT)
অপটোইলেকট্রনিক্সইনফ্রারেড ডিটেক্টর, ফটোডায়োড
কোয়ান্টাম প্রযুক্তিকোয়ান্টাম ডট, কিউবিটের জন্য উপাদান
গবেষণানতুন উপাদান, 2D স্ফটিক, অক্সাইড স্তর

কীভাবে চিনবেন

এটি দেখা যায় না। MBE স্তরগুলো কয়েকটি পরমাণু থেকে কয়েক মাইক্রোমিটার পুরু, ধানের দানার চেয়েও ছোট চিপের ভেতরে লুকানো। শুধু ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপেই পরমাণুর সাজানো সারিগুলো ধরা পড়ে।
কোথায় লুকিয়ে থাকে। ফোনের মুখ-শনাক্তকরণ সেন্সরের লেজার, ফাইবার-অপটিক ট্রান্সমিটার ও স্যাটেলাইট রেডিও অ্যামপ্লিফায়ার এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের স্তূপের ওপর নির্ভর করে, যা MBE বা তার গ্যাসভিত্তিক জ্ঞাতি MOCVD দিয়ে বাড়ানো হয়। বাইরে থেকে কিছুই বলে দেয় না কোনটি।
একটি তৈরি ওয়েফার সাদামাটা আয়নার মতো দেখায়; ভেতরের কয়েক ডজন স্তরের কিছুই চোখে পড়ে না।
ল্যাবের ছবিতে খুঁজুন একটি চকচকে ইস্পাতের চেম্বার, যার গায়ে অনেক পোর্ট, কেন্দ্রের দিকে ওপরমুখী ওভেন আর জ্বলজ্বলে RHEED পর্দা।

তুলনা করুন

অ্যাটমিক লেয়ার ডিপোজিশন13.4এটিও একবারে এক পরমাণু স্তর করে ফিল্ম বানায়, তবে পর্যায়ক্রমিক গ্যাস পালস থেকে; এটি যেকোনো আকারকে সমানভাবে ঢাকে এবং সাধারণত স্ফটিক জালিকে এগিয়ে নেয় না।PVD কোটিং11.8এটিও ভ্যাকুয়ামে উপাদান বাষ্পীভূত করে, কিন্তু টুল ও অংশের ওপর অনেক দ্রুত, পুরুতর, পলিক্রিস্টালাইন প্রলেপ জমায়।জকরালস্কি স্ফটিক বৃদ্ধি13.1যে বাল্ক স্ফটিকের ওয়েফারের ওপর MBE পরে স্তর গড়ে, সেটি বানায়।

দেখুন

Dr. Rahat Batool · মূলনীতি: অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়াম, এফিউশন সেল, শাটার ও গরম ওয়েফার

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · পরমাণু ধরে ধরে উপাদান বাড়ালে কী কী সম্ভব হয়, তা নিয়ে একজন বিশেষজ্ঞের আলোচনা