धडा 13.3मायक्रो आणि नॅनोप्रकरण 13 · मायक्रो- आणि नॅनोफॅब्रिकेशन

मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE)

अति-उच्च निर्वातात किरणपुंजांपासून क्रिस्टल एका वेळी एक अणुस्तर वाढवते

मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE) क्रिस्टल एका वेळी अणूंचा एक थर वाढवते. आंतरराष्ट्रीय अंतराळ स्थानक ज्या अवकाशात फिरते त्यापेक्षाही रिकाम्या निर्वातात, लहान भट्ट्या शुद्ध मूलद्रव्यांचे किरणपुंज तापलेल्या वेफरवर सोडतात आणि अणू त्याच्या क्रिस्टल जाळीत बसतात. अनेक लेसर आणि हाय-फ्रिक्वेन्सी चिप्समधील अतिशय पातळ थर यातून तयार होतात.

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

MBE ग्रोथ चेंबरचा छेद · 6 पायऱ्यामोठे वर्तुळ म्हणजे निर्वात चेंबरचा छेद; वर उजवीकडील लहान वर्तुळ वेफरच्या पृष्ठभागाचे मोठे दृश्य दाखवते. वर्तुळातील क्रमांक खालील पायऱ्यांशी जुळतात.

हे कसे चालते

हवा बाहेर काढा. वेफर लोड लॉकमधून (लहान एअरलॉक) आत जाते, त्यामुळे मुख्य चेंबर कधीही हवेसाठी उघडत नाही. पंप आणि क्रायोपॅनेल (द्रव नायट्रोजनने थंड केलेले पृष्ठभाग, जे भरकटलेला वायू पकडतात) सुमारे 10⁻¹⁰ Torr चा अति-उच्च निर्वात राखतात: म्हणजे सामान्य हवेच्या दाबाच्या सुमारे दहा-ट्रिलियनांश भाग.
वेफर तापवा आणि स्वच्छ करा. वेफर तापवलेल्या, हळू फिरणाऱ्या होल्डरवर तोंड खाली करून ठेवले जाते. तापवल्याने त्याचे पातळ ऑक्साइडचे आवरण उडून जाते आणि अणुस्तरावर स्वच्छ क्रिस्टल पृष्ठभाग मिळतो.
सेल्स तापवा. इफ्युजन सेल्स (लहान भट्ट्या, ज्यांना Knudsen सेल्सही म्हणतात) गॅलियम, अ‍ॅल्युमिनियम आणि आर्सेनिकसारखी अति-शुद्ध मूलद्रव्ये धरतात. अचूक तापवल्यावर प्रत्येक सेल अणूंचा स्थिर प्रवाह सोडतो.
शटर उघडा. अशा निर्वातात अणू कशालाही न आदळता सरळ रेषेत उडतात, रिकाम्या अवकाशातील स्प्रे पेंटसारखे. प्रत्येक सेलला एक शटर असते, जे क्षणार्धात उघडते किंवा बंद होते आणि सामग्री चालू-बंद करते.
क्रिस्टल थरावर थर वाढवा. तापलेल्या वेफरवर उतरणारे अणू थोडा वेळ फिरतात, मग जागी बसतात आणि खालच्या क्रिस्टल जाळीची नक्कल करतात; या नक्कल करण्यालाच एपिटॅक्सी म्हणतात. वाढ सुमारे प्रति सेकंद एक अणुस्तर या गतीने होते, म्हणजे ताशी सुमारे एक मायक्रोमीटर.
थरांची थेट मोजणी करा. RHEED (रिफ्लेक्शन हाय-एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रॅक्शन) पृष्ठभागावरून घासत जाणारा इलेक्ट्रॉन किरणपुंज चमकणाऱ्या पडद्यावर पाठवते. नमुन्याची चमक प्रत्येक पूर्ण अणुस्तरासाठी एकदा स्पंदन करते, त्यामुळे ऑपरेटर थर वाढताना मोजू शकतात.

मुख्य तथ्ये

साहित्य: गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs), अ‍ॅल्युमिनियम गॅलियम आर्सेनाइड आणि इंडियम फॉस्फाइडसारखे कंपाउंड सेमीकंडक्टर; तसेच सिलिकॉन-जर्मेनियम, ऑक्साइड आणि नवीन 2D सामग्री
सामान्य भाग: लेसर आणि ट्रान्झिस्टरसाठी क्रिस्टल थरांचे स्टॅक असलेले वेफर, काही थर फक्त काही अणू जाडीचे
भागाचा आकार: वेफर साधारणपणे 50–150 मिमी व्यासाचे; थर एका अणूपासून (सुमारे 0.3 nm) काही मायक्रोमीटर जाडीपर्यंत
अचूकता: जाडी एका अणुस्तरापर्यंत नियंत्रित, सामग्रींमधील सीमा अतिशय तीक्ष्ण
पृष्ठभागाची फिनिश: आरशासारखा गुळगुळीत, अणुस्तरावर सपाट
कोणत्या बॅच आकारासाठी योग्य: संशोधन आणि उच्च-मूल्य उत्पादन; उत्पादन मशीन एका फेरीत मोजकेच वेफर वाढवतात
टूलिंग आणि मशीनचा खर्च: भागासाठी खास टूलिंग नाही; एका प्रणालीची किंमत साधारणपणे काही शे हजार ते काही दशलक्ष डॉलर्स
वेग: सुमारे प्रति सेकंद एक अणुस्तर (ताशी सुमारे 1 µm); संपूर्ण डिव्हाइस स्टॅकला काही तास लागतात

ताकद आणि मर्यादा

बलस्थाने

जाडी आणि संरचनेवर अणुस्तरावरील नियंत्रण
अत्यंत शुद्ध सामग्री आणि तीक्ष्ण इंटरफेस
RHEED द्वारे थेट देखरेख
क्वांटम वेल्स, क्वांटम डॉट्स आणि अगदी नवीन सामग्री बनवते

मर्यादा

अतिशय संथ वाढ
अति-उच्च निर्वातामुळे हवा काढण्यास, बेक-आउटला आणि देखभालीला खूप वेळ लागतो
महाग मशीन आणि अति-शुद्ध स्रोत सामग्री
MOCVD (मेटल-ऑर्गॅनिक केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) पेक्षा कमी उत्पादन; मोठ्या प्रमाणासाठी वापरली जाणारी ही वायूवर आधारित पद्धत आहे

कुठे वापरली जाते

फोटॉनिक्सलेसर डायोड, VCSEL (चेहरा ओळख आणि डेटा लिंकसाठी वापरले जाणारे सूक्ष्म लेसर), क्वांटम-कॅस्केड लेसर
टेलिकॉम आणि रेडिओ5G, उपग्रह आणि रडारसाठी हाय-फ्रिक्वेन्सी ट्रान्झिस्टर (HEMT)
ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सइन्फ्रारेड डिटेक्टर, फोटोडायोड
क्वांटम तंत्रज्ञानक्वांटम डॉट्स, क्यूबिटसाठी सामग्री
संशोधननवीन सामग्री, 2D क्रिस्टल, ऑक्साइड थर

ओळखायची कशी

तुम्हाला ते दिसत नाही. MBE चे थर काही अणूंपासून काही मायक्रोमीटर जाडीचे असतात आणि तांदळाच्या दाण्यापेक्षा लहान चिप्समध्ये दडलेले असतात. फक्त इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपमध्येच अणूंच्या एकावर एक रचलेल्या रांगा दिसतात.
ते कुठे दडलेले असते. फोनमधील चेहरा ओळख सेन्सरमधील लेसर, फायबर-ऑप्टिक ट्रान्समीटर आणि उपग्रहाच्या रेडिओ अ‍ॅम्प्लिफायरमध्ये एपिटॅक्सियल थरांचे स्टॅक असतात, जे MBE ने किंवा त्याच्या वायूवर आधारित भावंडाने, MOCVD ने, वाढवलेले असतात. बाहेरून कोणती पद्धत वापरली ते कळत नाही.
तयार वेफर साध्या आरशासारखा दिसतो; आतील डझनभर थर कशातूनही दिसत नाहीत.
लॅबमधील फोटोंमध्ये अनेक पोर्ट्सनी भरलेले चकचकीत स्टीलचे चेंबर, मध्यभागी वर तोंड करून असलेल्या भट्ट्या आणि चमकणारा RHEED पडदा पाहा.