Lição 13.3Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Epitaxia por feixe molecular (MBE)

Faz crescer um cristal uma camada atômica por vez a partir de feixes em ultra-alto vácuo

A epitaxia por feixe molecular (MBE) faz crescer um cristal uma camada de átomos por vez. Em um vácuo mais vazio que o espaço onde voa a Estação Espacial Internacional, pequenos fornos disparam feixes de elementos puros contra um wafer quente, e os átomos se acomodam na rede cristalina dele. Constrói as camadas ultrafinas dentro de muitos lasers e chips de alta frequência.

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

Câmara de crescimento de MBE em corte · 6 etapasO círculo grande é um corte pela câmara de vácuo; o círculo pequeno no alto à direita amplia a superfície do wafer. Os números circulados correspondem às etapas abaixo.

Como funciona

Faça vácuo. O wafer entra por uma câmara de carga (uma pequena eclusa), então a câmara principal nunca abre para o ar. Bombas e criopainéis (superfícies resfriadas com nitrogênio líquido que prendem gás residual) mantêm um ultra-alto vácuo, cerca de 10⁻¹⁰ Torr: aproximadamente um décimo de trilionésimo da pressão normal do ar.
Aqueça e limpe o wafer. O wafer fica de face para baixo em um suporte aquecido que gira devagar. O aquecimento elimina sua fina película de óxido e deixa uma superfície cristalina atomicamente limpa.
Aqueça as células. Células de efusão (pequenos fornos, também chamadas de células de Knudsen) guardam elementos ultrapuros como gálio, alumínio e arsênio. Aquecida com precisão, cada uma emite um fluxo constante de átomos.
Abra os obturadores. Em um vácuo desses, os átomos voam em linha reta sem bater em nada, como tinta spray no espaço vazio. Cada célula tem um obturador que abre ou fecha em uma fração de segundo, ligando e desligando os materiais.
Construa o cristal camada por camada. Os átomos que pousam no wafer quente se movem brevemente e depois se travam no lugar, copiando a rede cristalina de baixo; essa cópia é o que epitaxia significa. O crescimento corre a cerca de uma camada atômica por segundo, aproximadamente um micrômetro por hora.
Conte as camadas ao vivo. A RHEED (difração de elétrons de alta energia por reflexão) envia um feixe de elétrons rasante pela superfície até uma tela luminosa. O brilho do padrão pulsa uma vez a cada camada atômica completa, então os operadores podem contar as camadas enquanto crescem.

Dados-chave

Materiais: Semicondutores compostos como arseneto de gálio (GaAs), arseneto de alumínio e gálio e fosfeto de índio; também silício-germânio, óxidos e novos materiais 2D
Peças típicas: Wafers com pilhas de camadas de cristal, algumas com apenas poucos átomos de espessura, para lasers e transistores
Tamanho da peça: Wafers normalmente de 50–150 mm de diâmetro; camadas de um átomo (cerca de 0,3 nm) a alguns micrômetros de espessura
Precisão: Espessura controlada até uma única camada atômica, com limites muito nítidos entre os materiais
Acabamento superficial: Lisa como espelho, atomicamente plana
Tamanho de lote adequado: Pesquisa e produção de alto valor; as máquinas de produção fazem crescer um punhado de wafers por carga
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental específico para a peça; um sistema normalmente custa de várias centenas de milhares a alguns milhões de dólares
Velocidade: Cerca de uma camada atômica por segundo (aproximadamente 1 µm por hora); uma pilha completa de dispositivo leva horas

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Controle da espessura e da composição em nível de camada atômica
Material extremamente puro com interfaces nítidas
Monitoramento ao vivo com RHEED
Faz poços quânticos, pontos quânticos e materiais totalmente novos

Limites

Crescimento muito lento
O ultra-alto vácuo significa longas evacuações, bake-outs e manutenção
Máquinas caras e materiais de origem ultrapuros
Produção menor que a da MOCVD (deposição química em fase vapor com organometálicos), o método à base de gás usado para volume

Onde é usado

FotônicaDiodos laser, VCSELs (minúsculos lasers para reconhecimento facial e enlaces de dados), lasers de cascata quântica
Telecom e rádioTransistores de alta frequência (HEMTs) para 5G, satélites e radar
OptoeletrônicaDetectores de infravermelho, fotodiodos
Tecnologias quânticasPontos quânticos, materiais para qubits
PesquisaNovos materiais, cristais 2D, camadas de óxido

Como reconhecê-lo

Você não consegue ver. As camadas de MBE têm de poucos átomos a poucos micrômetros de espessura, enterradas dentro de chips menores que um grão de arroz. Só um microscópio eletrônico revela as fileiras empilhadas de átomos.
Onde ela se esconde. Os lasers dos sensores de reconhecimento facial de celulares, os transmissores de fibra óptica e os amplificadores de rádio de satélites dependem de pilhas de camadas epitaxiais, crescidas por MBE ou por sua prima à base de gás, a MOCVD. Nada por fora diz qual foi.
Um wafer pronto parece um simples espelho; nada mostra as dezenas de camadas por dentro.
Em fotos de laboratório, procure uma câmara de aço brilhante cheia de portas, fornos apontando para cima no centro e uma tela RHEED luminosa.

Compare com

Deposição de camada atômica13.4também constrói filmes uma camada atômica por vez, mas com pulsos alternados de gás; reveste qualquer forma de modo uniforme e normalmente não dá continuidade à rede cristalina.Revestimento PVD11.8também evapora material no vácuo, mas deposita revestimentos policristalinos mais grossos muito mais rápido, em ferramentas e peças.Crescimento Czochralski13.1faz o wafer de cristal em massa sobre o qual a MBE depois constrói.

Assista

Dr. Rahat Batool · O princípio: ultra-alto vácuo, células de efusão, obturadores e o wafer aquecido

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · Uma palestra de especialista sobre o que o crescimento de materiais átomo por átomo torna possível

UoM_EEE · Um tour por máquinas de MBE reais em um laboratório universitário

Anthony Aiello · Um padrão RHEED ao vivo gravado durante o crescimento

Veja fotos reais

Wikipedia: Epitaxia por feixe molecular — princípio, equipamento e história; poucas fotos, então use o Commons abaixo
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A MBE dispara feixes de átomos puros contra um wafer quente em ultra-alto vácuo.
As novas camadas copiam a rede cristalina do wafer, uma camada atômica por vez.
É lenta e cara, mas controla camadas até um único átomo.