पाठ 13.3माइक्रो और नैनोअध्याय 13 · माइक्रो- और नैनोफ़ैब्रिकेशन

मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (MBE)

अति-उच्च वैक्यूम में बीमों से एक-एक परमाणु परत करके क्रिस्टल उगाती है

मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (MBE) क्रिस्टल को परमाणुओं की एक-एक परत करके उगाती है। अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन जहाँ उड़ता है, उस अंतरिक्ष से भी ज़्यादा खाली वैक्यूम में छोटी भट्टियाँ शुद्ध तत्वों की बीमें गर्म वेफ़र पर दागती हैं, और परमाणु उसकी क्रिस्टल जाली में बैठ जाते हैं। यह कई लेज़रों और हाई-फ़्रीक्वेंसी चिप्स के भीतर की अति-पतली परतें बनाती है।

फ़ोटो: QGravelier, CC BY-SA 4.0, स्रोत: Wikimedia Commons

MBE ग्रोथ चैंबर का अनुप्रस्थ काट · 6 चरणबड़ा घेरा वैक्यूम चैंबर का कटा हुआ दृश्य है; ऊपर दाईं ओर का छोटा घेरा वेफ़र की सतह को ज़ूम करके दिखाता है। घेरे में लिखे नंबर नीचे दिए चरणों से मेल खाते हैं।

यह कैसे काम करती है

हवा निकालें। वेफ़र एक लोड लॉक (छोटे एयरलॉक) से अंदर जाता है, ताकि मुख्य चैंबर कभी हवा के संपर्क में न आए। पंप और क्रायोपैनल (तरल नाइट्रोजन से ठंडी की गई सतहें जो भटकी गैस को फँसा लेती हैं) अति-उच्च वैक्यूम बनाए रखते हैं, लगभग 10⁻¹⁰ Torr: सामान्य हवा के दबाव का करीब दस-खरबवाँ हिस्सा।
वेफ़र को गर्म करें और साफ़ करें। वेफ़र एक गर्म, धीरे घूमते होल्डर पर नीचे की ओर मुँह करके रखा जाता है। गर्म करने से उसकी पतली ऑक्साइड परत उड़ जाती है और परमाणु स्तर पर साफ़ क्रिस्टल सतह बचती है।
सेल गर्म करें। एफ़्यूज़न सेल (छोटी भट्टियाँ, जिन्हें Knudsen सेल भी कहते हैं) में गैलियम, एल्युमिनियम और आर्सेनिक जैसे अति-शुद्ध तत्व रखे होते हैं। ठीक-ठीक गर्म होने पर हर सेल परमाणुओं की एक स्थिर धारा छोड़ती है।
शटर खोलें। ऐसे वैक्यूम में परमाणु बिना किसी से टकराए सीधी रेखा में उड़ते हैं, खाली अंतरिक्ष में स्प्रे पेंट की तरह। हर सेल में एक शटर होता है जो पल के एक अंश में खुलता या बंद होता है और सामग्रियों को चालू-बंद करता है।
क्रिस्टल को परत दर परत बनाएँ। गर्म वेफ़र पर उतरे परमाणु थोड़ी देर इधर-उधर सरकते हैं, फिर अपनी जगह जम जाते हैं और नीचे की क्रिस्टल जाली की नकल करते हैं; इसी नकल को एपिटैक्सी कहते हैं। ग्रोथ लगभग एक परमाणु परत प्रति सेकंड की गति से चलती है, यानी लगभग एक माइक्रोमीटर प्रति घंटा।
परतें सीधे गिनें। RHEED (रिफ़्लेक्शन हाई-एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ़्रैक्शन) एक इलेक्ट्रॉन बीम को सतह के लगभग समानांतर चमकती स्क्रीन पर भेजता है। पैटर्न की चमक हर पूरी हुई परमाणु परत के साथ एक बार स्पंदित होती है, इसलिए ऑपरेटर परतों को उगते हुए गिन सकते हैं।

मुख्य तथ्य

सामग्री: गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), एल्युमिनियम गैलियम आर्सेनाइड और इंडियम फ़ॉस्फ़ाइड जैसे कंपाउंड सेमीकंडक्टर; साथ ही सिलिकॉन-जर्मेनियम, ऑक्साइड और नई 2D सामग्रियाँ
आम पार्ट: क्रिस्टल परतों के ढेर वाले वेफ़र, कुछ केवल कुछ परमाणु मोटे, लेज़रों और ट्रांज़िस्टरों के लिए
पार्ट का आकार: वेफ़र आमतौर पर 50–150 mm चौड़े; परतें एक परमाणु (लगभग 0.3 nm) से कुछ माइक्रोमीटर तक मोटी
सटीकता: मोटाई एक अकेली परमाणु परत तक नियंत्रित, सामग्रियों के बीच बहुत तीखी सीमाओं के साथ
सतह की फ़िनिश: दर्पण जैसी चिकनी, परमाणु स्तर पर समतल
किस बैच साइज़ के लिए उपयुक्त: शोध और ऊँचे मूल्य का उत्पादन; उत्पादन मशीनें प्रति रन मुट्ठी भर वेफ़र उगाती हैं
टूलिंग और मशीन की लागत: पार्ट के लिए अलग टूलिंग नहीं; एक सिस्टम की कीमत आमतौर पर कई सौ हज़ार से कुछ मिलियन डॉलर तक होती है
गति: लगभग एक परमाणु परत प्रति सेकंड (करीब 1 µm प्रति घंटा); पूरे डिवाइस स्टैक में घंटे लगते हैं

ताक़तें और सीमाएँ

खूबियाँ

मोटाई और संघटन पर परमाणु-परत स्तर का नियंत्रण
बेहद शुद्ध सामग्री, तीखे इंटरफ़ेस के साथ
RHEED से सीधी निगरानी
क्वांटम वेल, क्वांटम डॉट और बिल्कुल नई सामग्रियाँ बनाती है

सीमाएँ

बहुत धीमी ग्रोथ
अति-उच्च वैक्यूम का मतलब लंबा पंप-डाउन, बेक-आउट और रखरखाव है
महँगी मशीनें और अति-शुद्ध स्रोत सामग्री
MOCVD (मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वेपर डिपोज़िशन) से कम उत्पादन, जो बड़े पैमाने के लिए इस्तेमाल होने वाली गैस-आधारित विधि है

कहाँ इस्तेमाल होती है

फ़ोटोनिक्सलेज़र डायोड, VCSEL (चेहरा पहचानने और डेटा लिंक के लिए छोटे लेज़र), क्वांटम-कैस्केड लेज़र
दूरसंचार और रेडियो5G, उपग्रहों और रडार के लिए हाई-फ़्रीक्वेंसी ट्रांज़िस्टर (HEMT)
ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सइन्फ़्रारेड डिटेक्टर, फ़ोटोडायोड
क्वांटम तकनीकेंक्वांटम डॉट, क्यूबिट के लिए सामग्रियाँ
शोधनई सामग्रियाँ, 2D क्रिस्टल, ऑक्साइड परतें

इसे कैसे पहचानें

यह दिखता नहीं। MBE की परतें कुछ परमाणुओं से लेकर कुछ माइक्रोमीटर तक मोटी होती हैं और चावल के दाने से छोटी चिप्स के भीतर दबी रहती हैं। परमाणुओं की परतदार कतारें केवल इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से दिखती हैं।
यह कहाँ छिपी है। फ़ोन के फ़ेस-रिकग्निशन सेंसर के लेज़र, फ़ाइबर-ऑप्टिक ट्रांसमीटर और उपग्रह के रेडियो एम्प्लीफ़ायर एपिटैक्सियल परतों के ढेर पर निर्भर करते हैं, जो MBE से या उसकी गैस-आधारित सहोदर MOCVD से उगाए जाते हैं। बाहर से कुछ नहीं बताता कि कौन-सी विधि थी।
तैयार वेफ़र सादे दर्पण जैसा दिखता है; भीतर की दर्जनों परतों का कोई निशान नहीं दिखता।
लैब की तस्वीरों में पोर्ट से भरा चमकदार स्टील का चैंबर देखें, जिसके केंद्र की ओर ऊपर मुँह किए भट्टियाँ हों और चमकती RHEED स्क्रीन हो।

तुलना करें

एटॉमिक लेयर डिपॉज़िशन13.4भी फ़िल्म को एक-एक परमाणु परत करके बनाती है, लेकिन बारी-बारी गैस पल्सों से; यह किसी भी आकार पर एकसमान कोट करती है और आमतौर पर क्रिस्टल जाली को आगे नहीं बढ़ाती।PVD कोटिंग11.8भी वैक्यूम में सामग्री को वाष्पित करती है, लेकिन औज़ारों और पार्ट पर कहीं तेज़ी से मोटी, पॉलीक्रिस्टलीय कोटिंग जमाती है।Czochralski क्रिस्टल ग्रोथ13.1वह बल्क क्रिस्टल वेफ़र बनाती है जिस पर MBE फिर आगे निर्माण करती है।

देखें

Dr. Rahat Batool · सिद्धांत: अति-उच्च वैक्यूम, एफ़्यूज़न सेल, शटर और गर्म वेफ़र

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · परमाणु-दर-परमाणु सामग्री उगाने से क्या-क्या संभव होता है, इस पर एक विशेषज्ञ का व्याख्यान