Урок 13.3Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)

Выращивает кристалл по одному атомному слою из пучков в сверхвысоком вакууме

Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) выращивает кристалл по одному слою атомов. В вакууме, более пустом, чем космос на орбите Международной космической станции, маленькие печи выпускают пучки чистых элементов на горячую пластину, и атомы садятся в её кристаллическую решётку. Так строятся сверхтонкие слои внутри многих лазеров и высокочастотных чипов.

Фото: QGravelier, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

Ростовая камера MBE в разрезе · 6 шаговБольшой круг — разрез вакуумной камеры; малый круг вверху справа показывает крупным планом поверхность пластины. Номера в кружках соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Откачайте воздух. Пластина входит через шлюзовую камеру (небольшой шлюз), поэтому главная камера никогда не открывается воздуху. Насосы и криопанели (поверхности, охлаждённые жидким азотом, которые улавливают остаточный газ) поддерживают сверхвысокий вакуум, около 10⁻¹⁰ Торр: примерно десять триллионных долей нормального давления воздуха.
Нагрейте и очистите пластину. Пластина лежит лицевой стороной вниз на нагретом, медленно вращающемся держателе. Нагрев удаляет её тонкую оксидную плёнку и оставляет атомарно чистую поверхность кристалла.
Нагрейте ячейки. Эффузионные ячейки (небольшие печи, их также называют ячейками Кнудсена) содержат сверхчистые элементы, такие как галлий, алюминий и мышьяк. При точном нагреве каждая даёт устойчивый поток атомов.
Откройте заслонки. В таком вакууме атомы летят по прямым линиям, ни во что не попадая, как краска из баллончика в пустоте. У каждой ячейки есть заслонка, которая открывается или закрывается за доли секунды, включая и выключая материалы.
Выращивайте кристалл слой за слоем. Атомы, попавшие на горячую пластину, ненадолго перемещаются, затем встают на место, копируя кристаллическую решётку под собой; это копирование и называется эпитаксией. Рост идёт со скоростью около одного атомного слоя в секунду, примерно микрометр в час.
Считайте слои в реальном времени. RHEED (дифракция отражённых быстрых электронов) направляет электронный пучок скользяще вдоль поверхности на светящийся экран. Яркость картины пульсирует один раз на каждый завершённый атомный слой, поэтому операторы могут считать слои по мере роста.

Ключевые факты

Материалы: Составные полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs), арсенид алюминия-галлия и фосфид индия; также кремний-германий, оксиды и новые 2D-материалы
Типичные детали: Пластины со стопками кристаллических слоёв, некоторые толщиной всего в несколько атомов, для лазеров и транзисторов
Размер детали: Пластины обычно диаметром 50–150 мм; слои толщиной от одного атома (около 0,3 нм) до нескольких микрометров
Точность: Толщина контролируется с точностью до одного атомного слоя, с очень резкими границами между материалами
Качество поверхности: Зеркально гладкая, атомарно плоская
Подходящая партия: Исследования и дорогостоящее производство; производственные установки выращивают за запуск несколько пластин
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка под конкретную деталь не нужна; установка обычно стоит от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов
Скорость: Около одного атомного слоя в секунду (примерно 1 мкм в час); полная структура прибора занимает часы

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Контроль толщины и состава на уровне атомного слоя
Исключительно чистый материал с резкими границами раздела
Контроль в реальном времени с помощью RHEED
Создаёт квантовые ямы, квантовые точки и совершенно новые материалы

Ограничения

Очень медленный рост
Сверхвысокий вакуум означает долгую откачку, прогревы и обслуживание
Дорогие установки и сверхчистые исходные материалы
Производительность ниже, чем у MOCVD (металлоорганического химического осаждения из газовой фазы) — газового метода, применяемого для больших объёмов

Где применяется

ФотоникаЛазерные диоды, VCSEL (крошечные лазеры для распознавания лиц и линий передачи данных), квантово-каскадные лазеры
Связь и радиоВысокочастотные транзисторы (HEMT) для 5G, спутников и радаров
ОптоэлектроникаИнфракрасные детекторы, фотодиоды
Квантовые технологииКвантовые точки, материалы для кубитов
ИсследованияНовые материалы, 2D-кристаллы, оксидные слои

Как узнать процесс

Её не видно. Слои MBE имеют толщину от нескольких атомов до нескольких микрометров и скрыты внутри чипов, меньших рисового зёрнышка. Только электронный микроскоп показывает уложенные ряды атомов.
Где она прячется. Лазеры в датчиках распознавания лиц на телефонах, оптоволоконные передатчики и спутниковые радиоусилители опираются на эпитаксиальные стопки слоёв, выращенные либо MBE, либо её газовым родственником MOCVD. Снаружи ничто не подскажет, какой именно метод использован.
Готовая пластина выглядит как обычное зеркало; ничто не выдаёт десятки слоёв внутри.
На фотографиях из лабораторий ищите блестящую стальную камеру, ощетинившуюся фланцами, с печами, направленными вверх к её центру, и светящийся экран RHEED.

Сравните с

Атомно-слоевое осаждение13.4тоже строит плёнки по одному атомному слою, но из чередующихся импульсов газа; покрывает любую форму равномерно и обычно не продолжает кристаллическую решётку.PVD-покрытие11.8тоже испаряет материал в вакууме, но наносит более толстые поликристаллические покрытия гораздо быстрее, на инструменты и детали.Выращивание кристаллов по Чохральскому13.1делает объёмную кристаллическую пластину, на которой затем строит слои MBE.

Смотрите

Dr. Rahat Batool · Принцип: сверхвысокий вакуум, эффузионные ячейки, заслонки и нагретая пластина

AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · Доклад эксперта о том, что даёт возможность выращивать материалы атом за атомом

UoM_EEE · Экскурсия по настоящим установкам MBE в университетской лаборатории

Anthony Aiello · Живая картина RHEED, записанная во время роста

Смотреть реальные фото

Википедия: Molecular-beam epitaxy — принцип, оборудование и история; фотографий мало, поэтому воспользуйтесь Commons ниже
Поиск фотографий в Wikimedia Commons