Lección 13.3Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Epitaxia de haces moleculares (MBE)

Hace crecer un cristal una capa atómica cada vez a partir de haces en ultra alto vacío

La epitaxia de haces moleculares (MBE) hace crecer un cristal una capa de átomos cada vez. En un vacío más vacío que el espacio donde vuela la Estación Espacial Internacional, pequeños hornos disparan haces de elementos puros contra una oblea caliente, y los átomos se asientan en su red cristalina. Construye las capas ultrafinas del interior de muchos láseres y chips de alta frecuencia.

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

Cámara de crecimiento MBE en sección · 6 pasosEl círculo grande es un corte de la cámara de vacío; el círculo pequeño de arriba a la derecha amplía la superficie de la oblea. Los números en círculo corresponden a los pasos de abajo.

Cómo funciona

Haz el vacío. La oblea entra por una esclusa de carga (una pequeña cámara de aire), así que la cámara principal nunca se abre al aire. Las bombas y los criopaneles (superficies enfriadas con nitrógeno líquido que atrapan el gas sobrante) mantienen un ultra alto vacío, de unos 10⁻¹⁰ Torr: aproximadamente una diezbillonésima de la presión normal del aire.
Calienta y limpia la oblea. La oblea se coloca boca abajo en un soporte calentado que gira despacio. El calor elimina su fina piel de óxido y deja una superficie cristalina atómicamente limpia.
Calienta las celdas. Las celdas de efusión (pequeños hornos, también llamadas celdas de Knudsen) contienen elementos ultrapuros como galio, aluminio y arsénico. Calentada con precisión, cada una emite una corriente constante de átomos.
Abre los obturadores. En un vacío así, los átomos vuelan en línea recta sin chocar con nada, como pintura en spray en el espacio vacío. Cada celda tiene un obturador que se abre o se cierra en una fracción de segundo, conectando y desconectando los materiales.
Construye el cristal capa a capa. Los átomos que caen sobre la oblea caliente se mueven un instante y luego se fijan en su sitio, copiando la red cristalina de debajo; esa copia es lo que significa epitaxia. El crecimiento va a aproximadamente una capa atómica por segundo, más o menos una micra por hora.
Cuenta las capas en directo. El RHEED (difracción de electrones de alta energía por reflexión) envía un haz de electrones rasante sobre la superficie hacia una pantalla luminosa. El brillo del patrón pulsa una vez por cada capa atómica completada, así que los operadores pueden contar las capas mientras crecen.

Datos clave

Materiales: Semiconductores compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), el arseniuro de aluminio y galio y el fosfuro de indio; también silicio-germanio, óxidos y nuevos materiales 2D
Piezas típicas: Obleas con pilas de capas cristalinas, algunas de solo unos pocos átomos de espesor, para láseres y transistores
Tamaño de pieza: Obleas normalmente de 50–150 mm de diámetro; capas desde un átomo (unos 0,3 nm) hasta unos pocos micrómetros de espesor
Precisión: Espesor controlado hasta una sola capa atómica, con límites muy nítidos entre materiales
Acabado superficial: Lisa como un espejo, atómicamente plana
Tamaño de lote adecuado: Investigación y producción de alto valor; las máquinas de producción hacen crecer un puñado de obleas por tanda
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje específico de la pieza; un sistema suele costar de varios cientos de miles a unos pocos millones de dólares
Velocidad: Aproximadamente una capa atómica por segundo (unas 1 µm por hora); una pila completa de dispositivo lleva horas

Ventajas y límites

Ventajas

Control a nivel de capa atómica del espesor y de la composición
Material extremadamente puro con interfaces nítidas
Monitorización en directo con RHEED
Hace pozos cuánticos, puntos cuánticos y materiales totalmente nuevos

Límites

Crecimiento muy lento
El ultra alto vacío implica largos vaciados, horneados y mantenimiento
Máquinas caras y materiales de partida ultrapuros
Menor producción que el MOCVD (deposición química de vapor metalorgánica), el método basado en gas que se usa para volumen

Dónde se usa

FotónicaDiodos láser, VCSEL (láseres diminutos para reconocimiento facial y enlaces de datos), láseres de cascada cuántica
Telecomunicaciones y radioTransistores de alta frecuencia (HEMT) para 5G, satélites y radar
OptoelectrónicaDetectores de infrarrojos, fotodiodos
Tecnologías cuánticasPuntos cuánticos, materiales para cúbits
InvestigaciónNuevos materiales, cristales 2D, capas de óxido

Cómo reconocerlo

No se ve. Las capas MBE tienen de unos pocos átomos a unos pocos micrómetros de espesor, enterradas dentro de chips más pequeños que un grano de arroz. Solo un microscopio electrónico revela las filas apiladas de átomos.
Dónde se esconde. Los láseres de los sensores de reconocimiento facial de los móviles, los transmisores de fibra óptica y los amplificadores de radio de satélites dependen de pilas de capas epitaxiales, crecidas con MBE o con su primo basado en gas, el MOCVD. Nada en el exterior te dice cuál.
Una oblea terminada parece un simple espejo; nada muestra las decenas de capas del interior.
En las fotos de laboratorio, busca una cámara de acero brillante repleta de puertos, hornos apuntando hacia arriba en su centro y una pantalla RHEED luminosa.

Compáralo con

Deposición de capas atómicas13.4también construye películas una capa atómica cada vez, pero con pulsos de gas alternos; recubre cualquier forma de manera uniforme y normalmente no continúa la red cristalina.Recubrimiento PVD11.8también evapora material en vacío, pero deposita recubrimientos policristalinos más gruesos mucho más rápido, en herramientas y piezas.Crecimiento de cristales por el método Czochralski13.1hace la oblea de cristal masivo sobre la que luego construye la MBE.

Míralo

Dr. Rahat Batool · El principio: ultra alto vacío, celdas de efusión, obturadores y la oblea calentada

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · Una charla de un experto sobre lo que permite hacer crecer materiales átomo a átomo

UoM_EEE · Un recorrido por máquinas MBE reales en un laboratorio universitario

Anthony Aiello · Un patrón RHEED en directo grabado durante el crecimiento

Ver fotos reales

Wikipedia: Epitaxia de haces moleculares — principio, equipo e historia; pocas fotos, así que usa Commons más abajo
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

La MBE dispara haces de átomos puros contra una oblea caliente en ultra alto vacío.
Las nuevas capas copian la red cristalina de la oblea, una capa atómica cada vez.
Es lenta y cara, pero controla las capas hasta un solo átomo.