Молекулярно-лучевая эпитаксия.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (МЛЭ), которую ещё называют молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ), – усовершенствованная разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Англоязычное название этой технологии: MBE – Molecular Beam Epitaxy. Принципиальная схема и структура:
Остаточное давление в ростовой камере обычно чрезвычайно мало – pост < 1∙10–8 Па (или ∼10–10 мм рт.ст.). Потоки атомов или молекул образуются за счёт испарения жидких или сублимации твёрдых материалов, располагающихся в источниках – эффузионных ячейках.
Их температура определяет интенсивность потоков частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Основной механизм управления потоками – заслонки.
Сверхвысокий вакуум в ростовой камере нужен, чтобы атомы прошли необходимое расстояние до подложки без соударения, и чтобы в эпитаксиальном слое «не оседало ничего лишнего» из остаточной атмосферы вакуумной камеры. Для равномерного роста по площади пластины подложка вращается. Кроме того, осуществляется подогрев подложки.
Эпитаксиальный рост плёнки полупроводника состоит из следующих важнейших этапов:
1) адсорбции составляющих вещество атомов и молекул;
2) миграции и диссоциации адсорбированных частиц;
3) пристраивания составляющих атомов к подложке, приводящего к зародышеобразованию и росту слоя.
Анализ осаждённой плёнки проводят непосредственно в рабочей камере (это называется анализ «in situ», что означает «по месту»).
В систему мониторинга входит:
Дифракция отражённых высоко-энергетичных электронов (энергия первичного пучка 10…30 кэВ, угол падения – 1°) (англ.: reflection high energy electron diffraction (RHEED)). Положение и интенсивность дифракционных максимумов, наблюдаемых на люминесцентном экране в конкретное время роста, содержат информацию о структуре, толщине поверхностного слоя и его стехиометрии (обогащении поверхности тем или иным сортом атомов), а также о скорости роста и химическом составе;
Эллипсометрия (контролирует толщину плёнок, отличных от подложки);
Масс-спектрометрия остаточной атмосферы (квадрупольный масс-спектрометр) и интенсивности потоков базовых элементов;
Вторичная ионная масс-спектрометрия для контроля состава слоев
Лазерная рефлектометрия для измерения скорости роста и состояния поверхности;
Инфракрасная пирометрия температуры ростовой поверхности;
Методы контроля интенсивности молекулярных пучков и др.
В настоящее время выпускаются установки МПЭ, позволяющие одновременно выращивать эпитаксиальные структуры сразу на нескольких подложках большого диаметра, что делает эту технологию также применимой к масштабному промышленному производству.
Принцип работы молекулярно-лучевой эпитаксии
Молекулярные пучки:
В процессе МЛЭ исходные материалы подаются в виде молекул или атомов из специальных источников (например, термокатализаторов или радикальных источников).
Каждый источник генерирует поток молекул или атомов (молекулярный пучок), который направляется в вакуумную камеру к подложке.
Контроль потока:
Потоки молекул (или атомов) тщательно контролируются, чтобы обеспечить необходимое соотношение элементов для осаждения нужных материалов.
Концентрация и скорость этих потоков регулируются с помощью источников, таких как эванесцентные источники или калориметрические контроллеры.
Кристаллизация на подложке:
Подложка (обычно из полупроводников, например, кремний, галлий-арсенид или индиум-фосфид) нагревается до определённой температуры, чтобы атомы материала могли сажаться на поверхности и кристаллизоваться.
Поступающие молекулы или атомы осаждаются на поверхности и начинают организовываться в кристаллическую решётку.
Реакция и рост:
Процесс роста материала происходит в условиях ультра-вакуумной среды, что обеспечивает высокую чистоту и высококачественное осаждение.
Операция продолжается до тех пор, пока не достигнута требуемая толщина и структура материала.
Преимущества молекулярно-лучевой эпитаксии
Возможность формирования атомарно-гладких границ слоёв, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.
Получение счётного количества завершённых слоёв, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.
Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях.
Возможность создания структур со сложным распределением концентрации основных и примесных элементов.
Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере, что исключает недопустимо высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоёв.
Низкие температуры роста, что минимизирует диффузию в объёме, размывающую границы между слоями.
Возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса
Относительно низкая температура роста (на 200 – 300 ºС ниже, чем при газофазной эпитаксии из металлорганических соединений)
Возможность резкого прерывания и возобновления роста (реализуется за счёт заслонок, время срабатывания которых примерно равна 0,3 с)
Наличие атомно-гладкой поверхности растущего кристалла при эпитаксиальном росте
Высокое качество плёнок:
МЛЭ позволяет получать тонкие плёнки с высокой кристаллической структурой, минимальными дефектами и низким уровнем примесей, что критично для полупроводниковых и оптоэлектронных применений.
Точная контролируемость состава:
Метод позволяет точно контролировать состав осаждаемого материала на уровне атомов или молекул, что важно для создания сложных многослойных и гетероструктур.
Гибкость в создании многослойных структур:
МЛЭ позволяет создавать многослойные структуры с разными материалами (например, различные полупроводниковые соединения), что необходимо для создания современных транзисторов, лазеров, солнечных элементов и других устройств.
Высокая точность в контроле толщины слоёв:
МЛЭ обеспечивает высокоточную толщину слоёв с точностью до нанометров, что позволяет создавать устройства с чрезвычайно малыми размерами.
Низкие температуры осаждения:
Процесс можно проводить при низких температурах (от 300°C до 800°C), что позволяет использовать чувствительные подложки и материалам, не теряя их целостности.
Недостатки молекулярно-лучевой эпитаксии
Высокая стоимость оборудования:
Оборудование для МЛЭ является высокотехнологичным и дорогим. Камеры, источники молекул и системы вакуума требуют значительных инвестиций.
Низкая скорость роста:
(обычно менее 1 мкм/час). В сравнении с другими методами, такими как CVD (газофазное осаждение), скорость роста плёнок в МЛЭ может быть низкой, что делает этот метод менее подходящим для массового производства.
чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999 %;
требуется сверхвысокий вакуум;
для улучшения качества границы перед осаждением слоя требуется тонкая ионная очистка;
высокая сложность легирования материала;
малая площадь используемых подложек;
малая производительность;
высокая энергоёмкость;
не может быть использован для получения разнородных материалов.
Сложность в масштабировании:
Процесс молекулярно-лучевой эпитаксии требует высокоточных условий, что ограничивает его использование для больших или высокоскоростных производственных процессов.
Применение молекулярно-лучевой эпитаксии
Полупроводниковая промышленность:
МЛЭ широко используется для создания сложных полупроводниковых структур, таких как гетероструктуры, квантовые точки и квантовые ямы. Например, создание лазеров на основе GaAs, GaN или InP.
Используется для изготовления транзисторов, которые необходимы для высокоскоростных электронных устройств, таких как микропроцессоры и радио-частотные устройства.
Оптоэлектроника:
МЛЭ позволяет создавать высококачественные светодиоды (LED), лазеры, фотодетекторы и солнечные элементы, особенно в материальных системах с нитридом галлия (GaN), которые используются в оптоэлектронных устройствах с высокой яркостью и мощностью.
Квантовые технологии:
Технология используется для создания квантовых структур, таких как квантовые точки и квантовые вазы, которые необходимы для разработки квантовых компьютеров, квантовых датчиков и других квантовых приложений.
Нанотехнологии:
МЛЭ активно используется в нанотехнологиях для создания наноструктурированных материалов и устройств. Например, для роста нанопроволок, наноплёнок и других структур с точным контролем на атомарном уровне.
Микроскопия и нанофабрикация:
МЛЭ применяется для создания образцов, которые используются в сканирующих туннельных микроскопах и других инструментах для исследования структуры материалов на атомарном уровне.
Типы молекулярно-лучевой эпитаксии
MBE для полупроводников:
Наиболее распространённый метод для создания полупроводниковых гетероструктур. Используется для роста таких материалов, как GaAs, InP, GaN, AlGaAs, и других.
MBE для углеродных материалов:
МЛЭ используется для роста углеродных наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и графен, которые имеют широкое применение в области электроники и материаловедения.
MBE для других материалов:
Применяется для осаждения и создания тонких плёнок и гетероструктур на основе металлов, диэлектриков и ферромагнитных материалов.
Молекулярно-лучевая эпитаксия остаётся одним из наиболее точных и высококачественных методов осаждения материалов, особенно для создания сложных многослойных структур в области микро- и наноэлектроники.