Molecular beam epitaxy/pl

Dane projektu

Typ
Autorski	C. Cochrane
Lokalizacja	Kingston , Kanada
Status	Zaprojektowany
Lata
Zastosowania	Produkcja materiałów nanometrycznych o wysokiej czystości
Manifest OKH	Pobierać

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE) to proces wytwarzania materiałów o wysokiej czystości, stosowany do produkcji materiałów w skali nano. Materiał powstaje w wyniku interakcji między podłożem a jedną lub kilkoma wiązkami atomów lub cząsteczek padającymi na jego powierzchnię. Wiązki te powstają w wyniku sublimacji stałego materiału źródłowego. Cały proces odbywa się w warunkach ultrawysokiej próżni ^(W) . MBE charakteryzuje się wieloma zaletami w porównaniu z podobnymi procesami osadzania cienkich warstw, takimi jak osadzanie z fazy gazowej . Niektóre z nich to: znacznie zwiększona czystość, dowolna rozdzielczość osadzania oraz praca w niskich temperaturach.

opis systemu

Główny aparat MBE składa się z dwóch głównych sekcji: komory substratu i komór efuzyjnych. Wszystkie sekcje muszą być opróżnione do niskiego ciśnienia, aby zapewnić warunki wiązki molekularnej. Warunki te wymagają, aby droga swobodna cząstki była większa niż wymiary komory substratu. W przypadku typowego układu MBE wystarczające jest ciśnienie 10E–4 torów, ale powszechnie stosuje się ciśnienia rzędu 10E–10 torów. ^{[ 1 ]}

Komórki wysiękowe

The effusion cells are the source of the molecular beams. A source material is placed in a crucible within the cells and heated by radiation from a resistive heating source. The solid source material sublimates due to the increased temperature and high vacuum. The pressure of the vapour can be controlled by varying the temperature of the solid phase, which in turn is controlled by variations in crucible heating. Because the beam intensity within the substrate chamber depends on the effusion cell pressures, the amount of material reaching the surface can be controlled by varying the source temperature.

Substrate Stage

A schematic of a basic substrate chamber is shown >. The effusion cells are attached to the chamber and oriented so as to direct the beam upon the substrate holder. The substrate holder is heated with a resistive element, as in the effusion cells.

The substrate is the material that the film will grow on. Common substrate materials are silicon, GaAs, and sapphire, but other substrates can be used. The choice of substrate is very important, and has been shown to effect the thin film microstructure. In fact, certain crystal structures have been found to be accessible only through a careful consideration of substrate behaviour.^[2] The substrate stage can be rotated during deposition to increase the surface homogeneity.

Shutters

The shutters at the end of the collimation tunnel enable an operator to terminate the material flux from each cell separately. The shutter closing time is significantly smaller than a single layer deposition time. This means that the composition of the final material can be controlled at the monolayer level.

The orientation of the shutters relative to the beam direction is important for predictable operation of the system. Traditional shuttering systems had the shutters at right angles to the beam direction, directly blocking the beam path and redirecting some of the beam into the effusion cell. However, this method was found to adversely effect the beam flux continuity.^[3] Variations of up to 20% in the beam flux following shutter opening and closing were observed, with a decay time of 30s. These variations can severely alter the composition of the growth material. It is now suggested that the shutters be placed some distance away from the effusion cells and at an angle, so that the beam is simply directed away from the substrate stage, as opposed to returned into the effusion cell. Any beam that hits the chamber wall is captured, so this process decreases materials efficiency as more is wasted, but increases reproducibility and control over the system. The balance between these two is application specific and must be taken into account.

RHEED

W nowoczesnych urządzeniach MBE zaimplementowano system monitorowania RHEED (dyfrakcja elektronów o wysokiej energii odbicia). System RHEED służy do monitorowania powierzchni wzrostu podczas osadzania. Elektrony o wysokiej energii padają na powierzchnię, tworząc na ekranie RHEED obraz dyfrakcyjny. Obraz dyfrakcyjny można analizować w celu określenia właściwości powierzchni, takich jak struktura materiału, a także jego skład. Stwierdzono, że intensywność obrazu dyfrakcyjnego zmienia się przewidywalnie wraz z formowaniem się warstwy powierzchniowej i może być wykorzystana do określenia momentu pełnego uformowania się monowarstwy. Informacje te można wykorzystać do sterowania przesłonami komórek efuzyjnych w celu uzyskania atomowo płaskiej powierzchni. ^{[ 1 ]}

Kolejną zaletą aparatu RHEED jest to, że pozwala operatorowi na badanie powierzchni bez konieczności jej bezpośredniego oglądania. Pozwala to uniknąć problemów związanych z ekranami obserwacyjnymi w urządzeniach UHV. ^{[ 4 ]}

Zasady działania

Epitaksja z wiązek molekularnych to skomplikowany proces. Zrozumienie, jak i dlaczego działa, można jednak uzyskać jedynie poprzez zrozumienie podstawowych zasad inżynierii materiałowej leżących u podstaw tego procesu. W nauce o materiałach istnieją dwa główne zagadnienia, które napędzają proces MBE: równowaga fazowa w komórkach efuzyjnych oraz dyfuzja powierzchniowa na powierzchni wzrostu.

Równowaga fazowa

W komórkach efuzyjnych głównym procesem napędzającym generowanie strumienia jest równowaga fazowa ^{W ciało} stałe-para . Ogólny diagram fazowy dla układu jednoskładnikowego pokazano po prawej stronie. Ciśnienie, przy którym przeprowadzany jest proces MBE, znajduje się poniżej punktu potrójnego (miejsca, w którym spotykają się trzy linie), a zatem jedynymi fazami obecnymi w stanie równowagi są faza stała i para. Równowaga jest osiągnięta w normalnych warunkach pracy, jeśli komórka efuzyjna jest prawidłowo zaprojektowana. Prawo fazowe Gibba stanowi:

Gdzie F to liczba stopni swobody układu, N to liczba obecnych składników chemicznych, a P to liczba obecnych faz. ^{[ 5 ]} W komórce efuzyjnej znajduje się jeden składnik chemiczny i dwie fazy. Zatem istnieje tylko jeden stopień swobody, co oznacza, że ​​ciśnienia i temperatury nie można zmieniać niezależnie. Odwrotnie oznacza to, że ciśnienie w komórce można kontrolować, zmieniając temperaturę. Temperatura i ciśnienie są wykładniczo powiązane, to znaczyP(T)≈Cmi−ΔH/kT, GdzieΔHjest utajonym ciepłem parowania iCjest pewną stałą niezależną od temperatury. ^{[ 1 ]}

dyfuzję powierzchniową

W miarę jak materiał rośnie na podłożu, tempo i rodzaj wzrostu kryształu ^W są kontrolowane przez energię dostępną atomom. Stała dyfuzji ^W na powierzchni jest dana wzorem:

DS=DS0mi−Q/kT

GdzieDSjest współczynnikiem dyfuzji powierzchniowej,DS0jest czynnikiem prewykładniczym, Q jest energią aktywacji, T jest temperaturą (w kelwinach), a k jest stałą Boltzmanna. ^{[ 5 ]}

Szybkość dyfuzji powierzchniowej jest na ogół większa niż dyfuzji w sieci krystalicznej. Jednak powierzchnia typowego materiału jest o kilka rzędów wielkości mniejsza niż powierzchnia właściwa i dlatego często jest pomijana w rozważaniach dyfuzyjnych. Jednak podczas wzrostu metodą MBE bardzo znaczna część kryształu jest narażona na wpływ bliskości powierzchni. Większa ilość dyfuzji powierzchniowej zwiększa tempo wzrostu, a także jakość powierzchni. Jeśli przybywające atomy mogą przemieszczać się dalej wzdłuż powierzchni, mają większe szanse na osiągnięcie stanu o najniższej energii, wolnego od defektów. Chociaż ograniczenie defektów jest korzystne energetycznie, ze względu na obniżenie energii powierzchni, tworzenie defektów jest faworyzowane ze względu na względy entropii. Aby temu zaradzić, powierzchnia musi być wystarczająco ogrzana, aby energia cieplna dyfundujących atomów była wystarczająco duża, aby dyfuzja defektów została wyeliminowana.

Minimalizacja energii powierzchniowej jest główną siłą napędową wzrostu w procesie MBE. Gdy pojedynczy atom dociera do powierzchni, całkowita liczba zerwanych wiązań atomowych związanych z powierzchnią, innymi słowy, jego energia, wzrasta. Atom ten sam w sobie nie jest preferowany do pozostania na powierzchni i prawdopodobnie powróci do fazy gazowej po dyfuzji wzdłuż powierzchni. Jeśli w pobliżu pojawi się inny atom, a oba atomy wejdą w interakcję podczas dyfuzji, liczba zerwanych wiązań związanych z dwoma atomami zmniejszy się. Dodanie trzeciego atomu prowadzi do dalszego spadku energii powierzchniowej. Prowadzi to do powstawania „wysp” materiału na powierzchni. W miarę jak coraz więcej atomów dociera do wyspy, zmierzają one w jej kierunku, co powoduje dalszy wzrost wyspy.

Atomy, które docierają na szczyt wyspy, będą miały tendencję do dyfuzji z wyspy nad półką. Ten skok w dół jest energetycznie korzystny. Liczba zerwanych wiązań związanych z atomem na szczycie wyspy jest większa niż atomu na krawędzi. Podobnie, atomy będą dyfundować w kierunku załamań w półce, a nie w kierunku obszarów otwartych. Dołączenie załamania nie wiąże się z dodatkowymi zerwanymi wiązaniami, podczas gdy utworzenie nowej sekcji półki wiąże się z utworzeniem wielu nowych zerwanych wiązań. Powoduje to wzrost względnie okrągłych wysp. Ze względu na powolne tempo wzrostu w typowych zastosowaniach MBE, tempo dyfuzji przez powierzchnię jest na tyle duże, że atomy lądujące na szczycie wyspy na niekompletnej warstwie będą dyfundować przez wyspę, dołączając do niekompletnej warstwy.

Rozważania dotyczące próżni

Dwiema najważniejszymi przyczynami występowania ultrawysokiej wilgotności (UHV) w procesie MBE są wymagania dotyczące warunków wiązki oraz minimalizacja zanieczyszczeń w atmosferze. Warunki wiązki są spełnione, jeśli ciśnienie jest niższe niż 10^-4 Torr. Stężenia zanieczyszczeń powierzchniowych przy tym ciśnieniu nie są jednak odpowiednie dla wzrostu epitaksjalnego o wysokiej czystości. Szybkość, z jaką cząsteczki pary oddziałują z powierzchnią, jest określona wzorem:

DNDT=P2πMkT

Gdzie dn/dt to liczba oddziaływań na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni, P to ciśnienie, m to masa cząstki, T to temperatura, a k to stała Boltzmanna. ^{[ 3 ]} Jeśli P przyjmiemy w torach, a m zastąpimy przez M, masę molową, otrzymamy drugie wyrażenie. W standardowych warunkach atmosferycznych, w temperaturze 25 stopni Celsjusza i średniej masie molowej pary 40 g, szybkość oddziaływań jest liniowo proporcjonalna do ciśnienia, jakoDNDT=3.2×1020PTorr. Jeżeli na przykład ciśnienie wynosi 10^-6 Torr (mniej niż jedna tysięczna atmosfery), szybkość interakcji wynosi3.2×1014cm^-2 s^-1. Jako wskazówkę podano gęstość atomową czystego krzemu na powierzchni3.2×1014cm^-2. Oznacza to, że w tych warunkach co sekundę może utworzyć się cała monowarstwa cząstek zanieczyszczeń. Oczywiście jest to niedopuszczalne.

Widać, że szybkość interakcji można również zmniejszyć poprzez podniesienie temperatury. Jest to jednak nieefektywne. Aby zmniejszyć szybkość interakcji 100-krotnie, wystarczy obniżyć ciśnienie zaledwie 100-krotnie, co jest możliwe w przypadku nowoczesnych urządzeń. Aby osiągnąć tę samą zmianę szybkości poprzez zmianę temperatury, temperatura musi zostać zwiększona 10 000-krotnie! Podczas gdy duże wahania temperatury są znacznie mniej energochłonne przy niskim ciśnieniu, zmiana szybkości interakcji wymagana do uzyskania użytecznego systemu wymagałaby zbyt dużych wahań temperatury, co zwiększyłoby zarówno koszty operacyjne, jak i koszty materiałów aparatury. Ponadto, praca w tak niewiarygodnie wysokich temperaturach ogranicza możliwości produkcji materiałów.

Procesy wzrostu

Podczas osadzania jedna lub więcej wiązek jest skierowana w stronę podłoża. Gdy cząstka dotrze do podłoża, zostanie zaabsorbowana na powierzchni. W zależności od podłoża i warunków powierzchni, cząstka albo dołączy do powierzchni, albo zostanie desorbowana i powróci do atmosfery. Warunki absorpcji w dużym stopniu zależą od hodowanego materiału i materiału podłoża. Badanie kinetyki wzrostu jest bardzo trudne w dziedzinie MBE ze względu na wzajemne powiązania parametrów wzrostu (np. zmiana strumienia wiązki zmienia również atmosferę przy podłożu). ^{[ 1 ]} Innym problemem w MBE jest to, że proces osadzania nie zachodzi w stanie równowagi termodynamicznej lub w jego pobliżu. Temperatury wiązek molekularnych są zwykle bardzo różne od temperatur powierzchni podłoża.

Prace w MBE skupiały się na produkcji domieszkowanych substancji ^W lub związków binarnych ^W , często do zastosowań w półprzewodnikach ^W . Dwa najczęstsze typy MBE to IV i III-V. Nazwy te odpowiadają grupie, w której znajdują się materiały źródłowe w układzie okresowym ^W . Krzem jest najpopularniejszym materiałem IV do zastosowań w MBE, a układ GaAs jest szczególnie powszechnym przykładem układu III-V. ^{[ 1 ]} Inne układy (zwłaszcza II-VI) są możliwe i zostały zbadane, ale ilość pracy nad tymi układami jest niewielka w porównaniu z układami IV i III-V.

systemy IV

Jednym z głównych celów IV MBE jest domieszkowanie krzemu do zastosowań półprzewodnikowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych mechanizmów domieszkowania opartych na dyfuzji, MBE pozwala na tworzenie dowolnie ostrych profili domieszkowania. Na przykład, aby wytworzyć warstwę krzemu typu n, należy użyć wiązek krzemu i fosforu. Strumień krzemu powinien być większy niż fosforu, co można osiągnąć poprzez regulację temperatury w komorze efuzyjnej fosforu. Krzem typu P można wytwarzać w podobny sposób, a złącze pn lub pin można uzyskać poprzez naprzemienne stosowanie wiązek.

Systemy III-V

Podczas wczesnych prac nad produkcją warstw GaAs zaobserwowano interesujący efekt. Współczynnik przylegania substancji chemicznej to prawdopodobieństwo, że cząstka, która dotrze do podłoża, pozostanie na podłożu. Stwierdzono, że współczynnik przylegania cząstek III wynosił jedność. ^{[ 1 ]} W przypadku braku cząstek III nie wystąpiła absorpcja cząstek VI. Doprowadziło to do wniosku, że szybkość wzrostu materiału zależy wyłącznie od strumienia wiązki III. W przypadku GaAs cząsteczki As były absorbowane na powierzchni i albo reagowały z Ga na powierzchni, albo były desorbowane. Cząsteczki Ga zbierałyby się jako kropelki na powierzchni podłoża w przypadku braku wystarczającego strumienia As, aby utrzymać wzrost. Wyniki te można powiązać z różnicami w zachowaniu wiązania substancji chemicznych III i V oraz wynikającymi z tego energiami związanymi z formowaniem powierzchni. W przypadku Ga, formowanie się interfejsów ciało stałe-ciecz i ciecz-para jest energetycznie korzystne na podłożu GaAs i tworzą się kropelki. Proces ten jest niekorzystny dla As, więc cząstki As tworzyłyby cząsteczki gazowe (As2, As4). Zjawisko to jest istotne w rozwoju warstw III-V i stanowi jedną z metod kontroli tempa wzrostu w procesach MBE. Podobne zjawisko nie występuje w przypadku cząstek IV, co stanowi jedną z głównych różnic między tymi dwoma procesami wzrostu.

Rozważania dotyczące efektywności

Dobór materiałów do aparatury

Wybór materiałów do zastosowania w aparacie MBE jest podyktowany środowiskiem UHV i wymaganiami dotyczącymi niskiego poziomu zanieczyszczeń. Każdy materiał wybrany do zastosowania w wysokiej próżni musi charakteryzować się bardzo niską prężnością par. Niska szybkość parowania ogranicza uszkodzenia systemu, ale, co ważniejsze, zmniejsza również stężenie atomów zanieczyszczeń w atmosferze. Każdy atom, który opuszcza zbiornik i dociera do etapu podłoża, z dużym prawdopodobieństwem dołączy do powierzchni próbki i ją zanieczyści. Wymóg ten można spełnić, stosując w aparacie metale ogniotrwałe.

Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie metale ogniotrwałe są odpowiednie. Na przykład molibden ma akceptowalne właściwości materiałowe do stosowania w wysokiej próżni, ale nie nadaje się do obróbki MBE. Ze względu na metodę przetwarzania stosowaną do produkcji elementów molibdenowych, znaczna ilość siarki jest osadzona w elementach molibdenowych. Zanieczyszczenia te dyfundują z powierzchni do atmosfery próżni. Siarka jest ważnym domieszkowaniem półprzewodników. Wszelkie zabłąkane cząsteczki domieszki mogą prowadzić do pogorszenia właściwości powłoki, czego należy unikać za wszelką cenę. Z tego powodu tantal jest stosowany w wielu elementach zbiorników (np. rezystancyjnych elementach grzejnych, przesłonach komór efuzyjnych).

Materiał tygla do komórki efuzyjnej również musi być starannie dobrany. Ponieważ tygiel ma bezpośredni kontakt z materiałem źródłowym i pracuje w wysokich temperaturach, wymagana jest bardzo niska reaktywność i szybkość parowania. Standardem przemysłowym dla tygli do komórek efuzyjnych do produkcji półprzewodników jest azotek boru. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

Segregacja systemów

Jak każdy system próżniowy, aparat MBE musi być okresowo poddawany działaniu ciśnienia w celu czyszczenia i konserwacji. Aby załadować substrat lub napełnić pustą komorę efuzyjną, cały aparat również musi być poddawany działaniu ciśnienia. Za każdym razem, gdy aparat powraca do ciśnienia atmosferycznego, system jest ponownie napełniany zanieczyszczeniami. Z punktu widzenia wydajności procesu, im rzadziej jakakolwiek część systemu jest poddawana działaniu ciśnienia, a następnie ponownie wprowadzana do próżni, tym lepiej. Jednym z rozwiązań tego problemu w MBE jest segregacja systemu.

Nowoczesne systemy MBE są podzielone na co najmniej dwie odrębne komory: jedną, w której następuje wymiana substratów, i drugą, w której następuje wzrost materiału. Umożliwia to ładowanie i rozładowywanie substratów bez związanych z tym problemów z ciśnieniem. Po załadowaniu nowego substratu, jedynie znacznie mniejsza komora wymiany substratu musi zostać przywrócona do stanu próżni, podczas gdy komora wzrostu pozostaje w stanie UHV. Innym popularnym dodatkowym sposobem podziału jest izolowanie komór efuzyjnych. Pozwala to operatorowi na ponowne napełnienie pustej komory efuzyjnej bez zwiększania ciśnienia w komorze wzrostu, a nawet bez zatrzymywania procesu wzrostu, jeśli pracują również inne komórki. Zmniejszenie liczby etapów zwiększania ciśnienia skróci czas przetwarzania i znacząco zwiększy czystość próbki.

Surfaktanty

Jak wspomniano wcześniej, wzrost filmu podczas MBE jest napędzany dyfuzją powierzchniową. Tempo wzrostu filmu można zwiększyć poprzez zwiększenie tempa dyfuzji powierzchniowej. Jedną z metod osiągnięcia tego celu jest podniesienie temperatury. Jedynym innym sposobem na zwiększenie dyfuzji jest obniżenie współczynnika dyfuzji prewykładniczej.

Jedna grupa wykazała sukces w zwiększeniu ruchliwości układu w niskich temperaturach podczas wzrostu epitaksjalnego GaAs poprzez zastosowanie strumienia wodoru działającego jako surfaktant. ^{[ 6 ]} Kierując wiązkę atomowego wodoru w stronę powierzchni filmu GaAs wytwarzanego metodą MBE, można było obniżyć temperaturę procesu z 600 stopni Celsjusza do 330 stopni bez pogorszenia jakości filmu. Uważa się, że mechanizm ten jest związany z wiązaniem się atomów wodoru z powierzchniowymi atomami arsenu, co znacznie zmniejsza energię powierzchniową i zwiększa ruchliwość atomów galu wzdłuż powierzchni. Atomy wodoru zostały następnie przemieszczone przez atomy galu, tworząc niemal idealną warstwę.

Kolejną zaletą topnika wodorowego był efekt czyszczenia powierzchni. Atomy wodoru, które nie mają negatywnego wpływu na produkt końcowy folii, wypierały ewentualne zanieczyszczenia powierzchni. Zwiększone ciśnienie w pobliżu powierzchni podłoża spowodowane topnikiem wodorowym wypychało inne atomy, poprawiając jakość powierzchni. Dodatkowy topnik może być również użyty do schłodzenia i oczyszczenia folii pod koniec etapu obróbki.

Edytuj

Tradycyjne metody ogrzewania radiacyjnego w MBE okazały się skuteczne. Wprowadzono szereg udoskonaleń.

• Osłona urządzenia grzewczego podłoża wielowarstwową (najczęściej tantalową) powłoką w celu zmniejszenia strat energii promieniowania ^{[ 7 ] [ 8 ]}
• Zmiana kształtu elementu rezystancyjnego w celu optymalizacji wydajności ^{[ 7 ]}
• Zastosowanie ogrzewania wiązką elektronów w komórkach efuzyjnych w celu wykorzystania materiałów o wyższej i niższej prężności par ^{[ 1 ]}
• Zastosowanie laserów dyfuzyjnych do nagrzewania etapu podłoża, co pozwala na osiągnięcie wysokich temperatur w krótkim czasie (wzrost temperatury o 800 kelwinów w czasie krótszym niż 200 sekund); nagrzewanie jest bardzo zlokalizowane, co zmniejsza potencjał wydzielania gazów ^{[ 9 ]}

patenty

Badania nad MBE trwają od kilkudziesięciu lat, a podstawowy aparat został udoskonalony. Udzielono wielu patentów na ulepszenia aparatu. Niektóre z udoskonaleń obejmują:

• udoskonalenia systemu migawek umożliwiające dowolne zmiany strumienia ^{[ 10 ]}
• łatwo wyjmowalne tygle do komórek efuzyjnych, aby uniknąć wyłączenia systemu podczas napełniania ^{[ 10 ]}

odniesienia

Linki zewnętrzne

• Wikipedia: Epitaksja z wiązek molekularnych

Dane strony

Część	MECH370
Słowa kluczowe	materiały nanometryczne , wysoka czystość , nanotechnologia
Cel Zrównoważonego Rozwoju	SDG09 Innowacje i infrastruktura przemysłu
Autorski	Benjamin W. Sturtz , C. Cochrane
Licencja	CC-BY-SA-3.0
Lokalizacja	{{{współrzędne}}}
Organizacje	Uniwersytet Królowej
Język	Angielski (en)
Tłumaczenia	chiński , indonezyjski
Powiązany	2 podstrony , 8 stron link tutaj
Przekierowania	Epitaksja wiązką molekularną
Widoki	1883 odsłon ( analiza )
Stworzony	9 kwietnia 2008 r. , autor: Benjamin W. Sturtz
Ostatnia edycja	11 czerwca 2024 r. przez Kathy Nativi
Cytuj jako	Benjamin W. Sturtz , C. Cochrane (2008–2024). „Epitaksja z wiązek molekularnych” . Appropedia . Pobrano 10 września 2025 r .
Zapytania API	podstawowy , semantyczny , html , pliki , więcej