Bài 13.3Vi mô và nanoChương 13 · Chế tạo vi mô và nano

Epitaxy chùm phân tử (MBE)

Nuôi tinh thể từng lớp nguyên tử một từ các chùm tia trong chân không siêu cao

Epitaxy chùm phân tử (MBE) nuôi tinh thể từng lớp nguyên tử một. Trong chân không trống hơn cả không gian nơi Trạm Vũ trụ Quốc tế bay, những lò nhỏ bắn chùm nguyên tố tinh khiết vào wafer nóng, và nguyên tử lắng vào mạng tinh thể của nó. Nó tạo các lớp siêu mỏng bên trong nhiều laser và chip tần số cao.

Ảnh: QGravelier, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

Buồng nuôi MBE ở mặt cắt · 6 bướcVòng tròn lớn là mặt cắt qua buồng chân không; vòng tròn nhỏ ở góc trên bên phải phóng to bề mặt wafer. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Hút chân không. Wafer vào qua khoang chuyển (buồng khí nhỏ), nên buồng chính không bao giờ mở ra không khí. Bơm và tấm lạnh (bề mặt làm lạnh bằng nitơ lỏng giữ khí thừa) giữ chân không siêu cao, khoảng 10⁻¹⁰ Torr: xấp xỉ một phần mười nghìn tỷ áp suất không khí thường.
Gia nhiệt và làm sạch wafer. Wafer nằm úp mặt xuống trên giá đỡ được gia nhiệt, quay chậm. Gia nhiệt đuổi lớp oxit mỏng đi và để lại bề mặt tinh thể sạch đến mức nguyên tử.
Gia nhiệt các cell. Các cell phun (lò nhỏ, còn gọi là cell Knudsen) chứa nguyên tố siêu tinh khiết như gali, nhôm và asen. Được gia nhiệt chính xác, mỗi cell phát ra một dòng nguyên tử đều đặn.
Mở màn chắn. Trong chân không như vậy, nguyên tử bay thẳng mà không va vào gì, như sơn phun trong không gian trống. Mỗi cell có màn chắn mở hoặc đóng trong một phần giây, bật tắt các vật liệu.
Dựng tinh thể từng lớp một. Nguyên tử đáp lên wafer nóng di chuyển loanh quanh một lúc, rồi khóa vào vị trí, sao chép mạng tinh thể bên dưới; việc sao chép này là ý nghĩa của epitaxy. Sự phát triển chạy ở khoảng một lớp nguyên tử mỗi giây, xấp xỉ một micromet mỗi giờ.
Đếm lớp trực tiếp. RHEED (nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ) gửi chùm điện tử lướt qua bề mặt lên màn hình phát sáng. Độ sáng của hoa văn xung một lần cho mỗi lớp nguyên tử hoàn thành, nên người vận hành đếm được các lớp khi chúng mọc.

Thông số chính

Vật liệu: Chất bán dẫn hợp chất như gali asenua (GaAs), nhôm gali asenua và indi photphua; cũng có silic–germani, oxit và vật liệu 2D mới
Chi tiết thường gặp: Wafer mang chồng lớp tinh thể, có lớp chỉ dày vài nguyên tử, cho laser và transistor
Kích thước chi tiết: Wafer thường rộng 50–150 mm; lớp từ một nguyên tử (khoảng 0,3 nm) đến vài micromet dày
Độ chính xác: Độ dày được kiểm soát đến một lớp nguyên tử, với ranh giới rất sắc nét giữa các vật liệu
Bề mặt hoàn thiện: Nhẵn như gương, phẳng ở mức nguyên tử
Số lượng phù hợp: Nghiên cứu và sản xuất giá trị cao; máy sản xuất nuôi một số ít wafer mỗi lần chạy
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn riêng cho chi tiết; một hệ thống thường tốn từ vài trăm nghìn đến vài triệu đô la
Tốc độ: Khoảng một lớp nguyên tử mỗi giây (xấp xỉ 1 µm mỗi giờ); một chồng linh kiện đầy đủ mất vài giờ

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Kiểm soát độ dày và thành phần ở mức lớp nguyên tử
Vật liệu cực tinh khiết với mặt phân cách sắc nét
Giám sát trực tiếp bằng RHEED
Tạo giếng lượng tử, chấm lượng tử và vật liệu hoàn toàn mới

Hạn chế

Tăng trưởng rất chậm
Chân không siêu cao nghĩa là hút chân không dài, nung xả khí và bảo trì
Máy đắt và vật liệu nguồn siêu tinh khiết
Sản lượng thấp hơn MOCVD (lắng đọng hơi hóa học kim loại–hữu cơ), phương pháp dùng khí cho sản lượng lớn

Ứng dụng

Quang tửĐiốt laser, VCSEL (laser nhỏ cho nhận diện khuôn mặt và liên kết dữ liệu), laser cascade lượng tử
Viễn thông và vô tuyếnTransistor tần số cao (HEMT) cho 5G, vệ tinh và radar
Quang điện tửĐầu dò hồng ngoại, điốt quang
Công nghệ lượng tửChấm lượng tử, vật liệu cho qubit
Nghiên cứuVật liệu mới, tinh thể 2D, lớp oxit

Cách nhận biết

Bạn không thấy được. Các lớp MBE dày từ vài nguyên tử đến vài micromet, chôn bên trong chip nhỏ hơn hạt gạo. Chỉ kính hiển vi điện tử mới lộ ra các hàng nguyên tử xếp chồng.
Nó ẩn ở đâu. Laser trong cảm biến nhận diện khuôn mặt điện thoại, bộ phát sợi quang và bộ khuếch đại vô tuyến vệ tinh dựa vào chồng lớp epitaxy, được nuôi bằng MBE hoặc họ hàng dùng khí của nó, MOCVD. Không có gì bên ngoài cho bạn biết là loại nào.
Một wafer thành phẩm trông như tấm gương trơn; không có gì cho thấy hàng chục lớp bên trong.
Trong ảnh phòng thí nghiệm, hãy tìm buồng thép bóng với nhiều cổng, các lò hướng lên giữa buồng và màn hình RHEED phát sáng.