MBE:Molecular Beam Epitaxy

انباشت به روش MBE

MBE ، یکی از روش های تخصصی است که در آن لایه به شکل تقریباً کریستالی روی زیرلایه قرار می گیرد و در بسیاری از صنایع پیشرفته از جمله ساخت قطعات الکترونیک مانند ترانزیستورها و مدارات مجتمع به کار برده می شود.
بیشتر تحقیقات انجام گرفته با این سیستم، بر روی عناصر گروه III و گروه V (مانند Al ،Ga ،In ،As ،P و Sb ) و همچنین بر روی ژرمانیوم و سیلیکن صورت می گیرد.
در دهه اخیر این روش بصورت تجربی رشد محسوسی داشته و تعداد کتب و مقالات چاپ شده در این مدت، معیار خوبی از پیشرفت آن مي باشد.
اگر چه فرآیند اصلی MBE از زمان های خیلی قبل انجام می گرفته است، اما کار اصلي در اين زمينه در رشد ترکیبی نیمه رساناها شکل گرفت كه آرتور و چو Cho&Arthur متولي آن بودند. آنها با استفاده از طیف نگار جرمی و تکنیک های آنالیز سطحی، فرآیند رشد گالیوم آرسناید را در اندازه های اتمی بررسی کردند. به دنبال آنها چانگ و دیگران این فرآیند را به گونه ای توسعه دادند که امروزه سیستم MBE نامیده می شود. مهم ترین تغییر، بهبود در سیستم خلأ محفظه بود که تا ^11-10 تور افزایش می یافت ولی درک صحیحی از MBE ریشه در آنالیز سطحی و همچنین رشد لایه های اپی تکسی در سطح اتمی دارد. محفظه از استیل 304 و یا 316 ساخته شده که سطوح داخلی آن کاملاً پولیش شده تا جذب گازها و رطوبت توسط دیواره ها به حداقل برسد.
معمولاً کلیه قسمت ها به گونه ای ساخته شده اند که ویفرها تحت خلأ فرازیاد به راحتی قابل جابجایی باشند. این سیستم شامل فرآیندهای مختلفی مانند آنالیز لایه، آماده سازی زیرلایه و فرآیند رشد است. همچنین سیستم می تواند برای لایه نشانی فلزی(کندوپاش و یا تبخیر حرارتی)، محفظه جداگانه ای داشته باشد.
خلأ مورد نظر حدود ^11-10 تور بوده و در این حال مسافت پویش آزاد گازها چندین مرتبه از فاصله نمونه تا زیرلایه (حدود20 سانتی متر) بیشتر است. واکنش ها به شکل خاص در روی سطح زیرلایه، جائی که پرتوهای چشمه های مختلف در آن با هم ترکیب می شوند، رخ می دهد.
به دلیل اینکه زمان زیادی گاهاً چند روز لازم است تا شرایط خلأ فرازیاد آماده شود، معمولاً سیستم تحت یک خلأ ثابت قرار می گیرد و فقط فضای محدودی از سیستم با هوا در تماس است. در بیشتر این سیستم ها می توان آنالیز ساختاری و شیمیایی از محصول داخل محفظه خلأ نیز داشت. متناسب با نوع تکنیک های رشد و تعداد آنالیزها از محفظه های مختلفی استفاده می شود که غالباً به صورت جدا به پمپ های خلأ مخصوص خود متصل بوده و خلأ مورد نظر را ایجاد می کنند. غالباً از یک محفظه کوچک به نام Load lock به عنوان محفظه ای جدا از محفظه رشد برای انتقال نمونه استفاده می کنند.
در شکل 1، نمای شماتیک یکی از سیستم های MBE را می توان مشاهده کرد. چشمه های مختلف با قدرت ایجاد شار با آهنگ های متفاوت وجود دارند که می توانند در این سیستم ها بکار روند. این چشمه ها همگی به سمت زیرلایه ای که بوسیله یک هیتر گرم می شود متمرکز شده اند تا تحرک پذیری بیشتری به سطح زیرلایه بدهد و در نتیجه یک تک لایه کریستالی تشکیل می شود. در شکل 1(چپ)، جزئیات بیشتری شامل چشمه های باریکه مولکولی، انتقال نمونه و سیستم چرخان آن، یک گیج BAYARD ALPERT برای اندازه گیری فشار محفظه و شار باریکه مولکولی، صفحه فلورسانس برای کنترل ساختار لایه، آنالیز جرمی چارقطبی، هیتر، نمونه و نگهدارنده سلول های نادسن دیده می شود.

شکل 1): نماي شماتيك از سامانه MBE در زواياي مختلف

همان طور که گفته شد یکی از مزایای سیستم هایMBE آنالیز نمونه در داخل سیستم است. این آنالیزها ممکن است در محفظه اصلی و یا محفظه های جانبی آن انجام شوند.
از متداول ترین آنالیزهای مورد استفاده می توان به طیف سنج الکترون های اوژه، طیف نگاری جرمی یون ثانویه(SIMS ) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS ) اشاره نمود.
در اين سامانه ها، معمولاً از یک تفنگ یونی برای تمیز کاری زیرلایه استفاده می شود. بدين ترتيب یک سیستم استاندارد MBE ، مطابق شکل 2و شکل 3، معمولاً از چند محفظه خلأ مختلف ساخته شده است.
- Load-lock برای ورود و خروج زیرلایه
- محفظه خلأ براي رشد لايه
- محفظه خلأ برای آنالیزها .(- چند محفظه ای بودن این سیستم ها امکان مانور بیشتری به اپراتور برای آنالیزهای مختلف و تنوع رشد می دهد).
یک محفظه Load-lock تا حدود ^8-10 تور تخلیه می شود. در حالی که دیگر محفظه های خلأ به خلأ بالاتر از ^11-10×5-^10-10×5 تور می رسد.

شكل2: نماي شماتيك از سامانه MBE

روش های متداول در محفظه رشد، روش تبخیر گرمایی مقاومتی، تفنگ الکترونی و چشمه های یونی و روش کاشت Implantation می باشند.

شكل(3)، نمونه ای واقعی از سیستم های MBE ساخت شرکت Veeco

در فرآیند رشد MBE ، کنترل درجه حرارت، شاترها، پرتوهای مولکولی و یا اتمی و آهنگ انباشت هر یک از چشمه ها که به سمت نمونه(تحت گرمای مناسب) هدایت می شوند در رشد اپی تکسی لایه بسیار مهم است.
اینک فرآیند کلی رشد در یک سیستم MBE را بررسي مي كنيم:
1- آماده سازی ویفرها که شامل تمیزکاری و گاهي لکه برداری از روی آنهاست.
2- قرار دادن ویفرها در داخل سیستم و تخلیه محفظه های خلأ. زیرلایه های مورد استفاده، ویفرهای تک کریستالی هستند و قبل از انباشت، از طریق سونش، تمیز می شوند و معمولاً یک لایه اکسیدی برای محافظت در مقابل گازهای هوا و مواد ویفر روی زیرلایه بکار می رود.
3- ایجاد حرارت زیر ویفرها، به گونه ای که سطوح کاملاً تمیز و خالص شود. به عنوان مثال550-500 درجه سانتیگراد برای Ga و900-700 برای سیلیکن در نظرگرفته مي شود.
4- تحت خلأ خیلی بالا و توسط چند چشمه با آهنگ های بالاتر از یک میکرون در ساعت، لایه شروع به رشد می کند.
5- آنالیزهای مختلف روی لایه در حال رشد و یا لایه تشکیل شده انجام می شود.
با توجه به اینکه خواص الکتریکی این مواد مستقیماً به ساختار کریستالی لایه ها مربوط می شوند، MBE بهترین انتخاب برای آنهاست.با توجه به فرآیند دقیق و اعمال خلأ بالا در سامانه هاي MBE ، کاربردهای فراوانی برای آن وجود دارد که از جمله می توان به ساخت سلول های خورشیدی، ابررساناها، لیزرهای نیمه هادی و ساخت LED اشاره نمود.

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی

فیلم آموزشی در مورد MBE

فیلمها و مطالب آموزشی

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM