Lektion 13.3Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Molekularstrahlepitaxie (MBE)

Lässt einen Kristall Atomlage für Atomlage aus Strahlen im Ultrahochvakuum wachsen

Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) lässt einen Kristall Atomlage für Atomlage wachsen. In einem Vakuum, das leerer ist als der Raum, in dem die Internationale Raumstation fliegt, feuern kleine Öfen Strahlen reiner Elemente auf einen heißen Wafer, und die Atome setzen sich in sein Kristallgitter. Sie baut die hauchdünnen Schichten im Inneren vieler Laser und Hochfrequenzchips auf.

Foto: QGravelier, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

MBE-Wachstumskammer im Querschnitt · 6 SchritteDer große Kreis ist ein Schnitt durch die Vakuumkammer; der kleine Kreis oben rechts zoomt auf die Waferoberfläche. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Abpumpen. Der Wafer gelangt durch eine Schleuse (eine kleine Luftschleuse) hinein, sodass sich die Hauptkammer nie zur Luft öffnet. Pumpen und Kryopaneele (mit flüssigem Stickstoff gekühlte Flächen, die vagabundierendes Gas einfangen) halten ein Ultrahochvakuum von etwa 10⁻¹⁰ Torr: grob ein Zehnbillionstel des normalen Luftdrucks.
Den Wafer erhitzen und reinigen. Der Wafer liegt mit der Fläche nach unten auf einem beheizten, langsam drehenden Halter. Das Erhitzen treibt seine dünne Oxidhaut aus und hinterlässt eine atomar saubere Kristalloberfläche.
Die Zellen erhitzen. Effusionszellen (kleine Öfen, auch Knudsen-Zellen genannt) enthalten ultrareine Elemente wie Gallium, Aluminium und Arsen. Präzise erhitzt, gibt jede einen stetigen Strom von Atomen ab.
Die Blenden öffnen. In einem solchen Vakuum fliegen Atome geradlinig, ohne etwas zu treffen, wie Sprühlack im leeren Raum. Jede Zelle hat eine Blende, die sich in einem Bruchteil einer Sekunde öffnet oder schließt und Materialien ein- und ausschaltet.
Den Kristall Lage für Lage aufbauen. Atome, die auf dem heißen Wafer landen, wandern kurz umher und rasten dann ein, wobei sie das Kristallgitter darunter kopieren; dieses Kopieren bedeutet Epitaxie. Das Wachstum läuft mit etwa einer Atomlage pro Sekunde, grob einem Mikrometer pro Stunde.
Die Lagen live zählen. RHEED (Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen) schickt einen Elektronenstrahl streifend über die Oberfläche auf einen leuchtenden Schirm. Die Helligkeit des Musters pulsiert einmal pro vollendeter Atomlage, sodass das Bedienpersonal die Lagen beim Wachsen zählen kann.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumgalliumarsenid und Indiumphosphid; auch Silizium-Germanium, Oxide und neue 2D-Materialien
Typische Teile: Wafer mit Stapeln von Kristallschichten, manche nur wenige Atome dick, für Laser und Transistoren
Bauteilgröße: Wafer meist 50–150 mm Durchmesser; Schichten von einem Atom (etwa 0,3 nm) bis zu einigen Mikrometern Dicke
Präzision: Dicke auf eine einzelne Atomlage geregelt, mit sehr scharfen Grenzen zwischen Materialien
Oberfläche: Spiegelglatt, atomar eben
Geeignete Losgröße: Forschung und hochwertige Produktion; Produktionsmaschinen züchten eine Handvoll Wafer pro Durchlauf
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein bauteilspezifisches Werkzeug; eine Anlage kostet meist von einigen hunderttausend bis zu einigen Millionen Dollar
Geschwindigkeit: Etwa eine Atomlage pro Sekunde (grob 1 µm pro Stunde); ein vollständiger Bauelementestapel dauert Stunden

Stärken und Grenzen

Stärken

Kontrolle von Dicke und Zusammensetzung auf Atomlagenebene
Extrem reines Material mit scharfen Grenzflächen
Live-Überwachung mit RHEED
Erzeugt Quantentöpfe, Quantenpunkte und ganz neue Materialien

Grenzen

Sehr langsames Wachstum
Ultrahochvakuum bedeutet lange Abpumpzeiten, Ausheizen und Wartung
Teure Maschinen und ultrareine Ausgangsmaterialien
Geringerer Ausstoß als bei MOCVD (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung), der gasbasierten Methode für große Stückzahlen

Wo es eingesetzt wird

PhotonikLaserdioden, VCSELs (winzige Laser für Gesichtserkennung und Datenverbindungen), Quantenkaskadenlaser
Telekommunikation und FunkHochfrequenztransistoren (HEMTs) für 5G, Satelliten und Radar
OptoelektronikInfrarotdetektoren, Fotodioden
QuantentechnologienQuantenpunkte, Materialien für Qubits
ForschungNeue Materialien, 2D-Kristalle, Oxidschichten

So erkennen Sie es

Man sieht es nicht. MBE-Schichten sind einige Atome bis einige Mikrometer dick und stecken in Chips, die kleiner sind als ein Reiskorn. Nur ein Elektronenmikroskop enthüllt die gestapelten Atomreihen.
Wo es sich versteckt. Die Laser in Gesichtserkennungssensoren von Handys, Glasfaser-Sendern und Satellitenfunkverstärkern beruhen auf epitaktischen Schichtstapeln, gewachsen entweder per MBE oder mit ihrem gasbasierten Verwandten, MOCVD. Äußerlich verrät nichts, welches.
Ein fertiger Wafer sieht aus wie ein schlichter Spiegel; nichts zeigt die Dutzende Schichten im Inneren.
Auf Laborfotos achten Sie auf eine glänzende Stahlkammer mit vielen Anschlüssen, Öfen, die auf ihre Mitte zeigen, und einem leuchtenden RHEED-Schirm.

Im Vergleich mit

Atomlagenabscheidung13.4baut Filme ebenfalls Atomlage für Atomlage auf, aber aus wechselnden Gaspulsen; es beschichtet jede Form gleichmäßig und setzt das Kristallgitter meist nicht fort.PVD-Beschichtung11.8verdampft Material ebenfalls im Vakuum, scheidet aber dickere, polykristalline Beschichtungen weit schneller ab, auf Werkzeugen und Teilen.Czochralski-Kristallzüchtung13.1erzeugt den Volumenkristall-Wafer, auf dem MBE dann aufbaut.

Ansehen

Dr. Rahat Batool · Das Prinzip: Ultrahochvakuum, Effusionszellen, Blenden und der beheizte Wafer

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · Ein Expertenvortrag darüber, was das Wachsenlassen von Materialien Atom für Atom möglich macht

UoM_EEE · Ein Rundgang durch echte MBE-Maschinen in einem Universitätslabor

Anthony Aiello · Ein während des Wachstums aufgezeichnetes Live-RHEED-Muster

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Molekularstrahlepitaxie — Prinzip, Ausrüstung und Geschichte; wenige Fotos, nutzen Sie daher Commons unten
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MBE feuert Strahlen reiner Atome im Ultrahochvakuum auf einen heißen Wafer.
Die neuen Schichten kopieren das Kristallgitter des Wafers, Atomlage für Atomlage.
Es ist langsam und teuer, steuert aber Schichten bis hinunter zu einem einzelnen Atom.