분자 빔 에피타크시 는 무엇 입니까? 원자 규모 의 결정 성장 의 원리 를 이해 함

분자 빔 에피타크시 (Molecular Beam Epitaxy) 는 현대 반도체 연구 및 제조에 사용되는 가장 정확한 얇은 필름 퇴적 기술 중 하나입니다.아서 와 알프레드 Y1960년대 후반 벨 연구소에서 MBE는 첨단 반도체 장치에 대한 고품질의 대각층을 생산하는 중요한 플랫폼이 되었습니다.

지난 수십 년 동안 MBE 시스템은 지속적으로 진화했습니다. 소스 설계, 진공 기술,온도 조절 및 현장 특성화 등으로 결정 질이 크게 향상되었습니다., 프로세스 반복성, 양과 두께 균일성 점점 더 큰 웨이퍼에 걸쳐.

이 과정 은 초고 진공 환경 에서 이루어진다. 원소 물질 은 열기 를 가하는 원자 나 분자 를 생성 할 때까지 열린다. 그 물질 들 은 열기 를 가하는 기질 으로 이동 한다.

이 원자 또는 분자 빔이 활성화 된 기질 표면에 도달하면 일련의 물리적 및 화학적 과정이 발생합니다.기질 온도와 성장 시간, MBE는 극도로 정확한 필름 퇴적을 달성 할 수 있으며 경우에 따라 단일 원자층 제어에 접근 할 수 있습니다.

이 능력은 MBE를 반도체 이원 구조, 양자 구조 및 구성 및 인터페이스 품질의 매우 정확한 통제가 필요한 다른 장치에 특히 가치가 있습니다.

분자 빔 근원: MBE 시스템 의 핵심

고체 소스 MBE 시스템에서는 분자 빔 소스가 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.

서로 다른 원소 재료는 적절한 빔 안정성과 순도를 달성하기 위해 다른 증발 원소 설계가 필요합니다. 반도체 성장, 안티모나이드 및 다른 III-V 물질을 포함하여,각 요소의 증기 압력 및 열 특성에 따라 여러 가지 소스 구성이 사용될 수 있습니다.

전형적인 원천은 고체 또는 액체 원소 물질을 포함하는 관성 크라이블로 구성됩니다. 크라이블은 저항적 난방 요소를 사용하여 종종 가열됩니다.물질이 증발하여 분자 또는 원자 빔을 형성할 때까지.

소스 온도를 안정시키기 위해 열쌍과 정확한 온도 조절기가 사용됩니다.물 냉각 시스템은 또한 일반적으로 원자 집합 주변에서 원치 않는 난방 및 주변 구성 요소로부터의 방출을 방지하기 위해 사용됩니다., 그렇지 않으면 부피층을 오염시킬 수 있습니다.

원자가 기질 에 도달 할 때 무슨 일 이 일어나는가?

MBE 성장 과정에는 몇 가지 중요한 표면 메커니즘이 포함됩니다.

먼저 들어오는 원자나 분자는 기판 표면에 흡수됩니다.

흡수 후, 이 종들은 표면에 퍼져나가고, 물질 시스템에 따라 분리될 수 있다.

어떤 원자는 그 다음 기질의 결정 격자 또는 성장하는 대각층에 통합됩니다.다른 원자들도 수면으로부터 열에너지로 인해 소모될 수 있습니다..

III-V 반도체 MBE의 경우, 이러한 프로세스는 기판 온도와 그룹 III 및 그룹 V 요소의 상대적 흐름에 의해 강하게 영향을 받는다.

기판 온도는 표면 확산, 이동 및 소흡을 제어합니다. 그룹 III 흐름은 퇴적 속도와 통합 과정에 강하게 영향을 미칩니다.반면 그룹 V 플럭스는 표면 스티히오메트리를 제어하는 데 도움이됩니다, 소흡 행동 및 V/III 비율.

이 매개 변수들 사이의 올바른 균형을 유지하는 것이 안정적인 부피 자취 성장을 달성하는 데 필수적입니다.

프랭크?? 반 데르 메르웨 모드에서, 퇴적된 원자와 기판 사이의 상호작용은 퇴적된 원자 자체 사이의 상호작용보다 강하다.

그 결과, 원자들은 기질에 퍼져 2차원 핵을 형성하여 점차 연속적인 원자층으로 합쳐집니다.

그 후 여러 층이 순차적으로 쌓여 비교적 부드럽고 균일한 필름을 만들어 냅니다.

이 성장 모드는 매우 평평한 대각층과 잘 정의된 인터페이스가 필요할 때 종종 바람직합니다.

2스트란스키·크라스타노프 성장: 계층+섬 성장

스트란스키·크라스타노프 성장은 층별로 퇴적되기 시작합니다.

하지만, 초동막이 결정적인 두께에 도달하면 축적된 스트레스와 표면 에너지의 변화가 계속되는 2차원 성장을 에너지적으로 불리하게 만들 수 있습니다.

이 시점에서 초기 습기층 위에 3차원 섬이 형성되기 시작합니다.

이 전환은 특히 긴장된 이성인구체계에서 중요하며 또한 특정 자기 조립 나노 구조의 형성과 관련이 있습니다.

3볼머 웨버 성장: 섬 성장

볼머 웨버 모드에서, 퇴적된 원자 사이의 매력은 기질과의 상호작용보다 강하다.

표면을 균일하게 젖게 하는 대신 원자들은 우선적으로 모여서 고립된 3차원 섬을 형성합니다.

퇴적이 계속되면서 이 섬들이 커지고 결국 연속적인 필름으로 합쳐질 수도 있습니다.

왜 MBE 성장 은 운동학 에 의해 지배 됩니까?

많은 MBE 프로세스는 완전한 열역학적 균형에 필요한 것보다 낮은 온도에서 수행됩니다.

그 결과, 결정의 성장은 표면 확산, 흡수, 통합 및 소흡을 포함한 운동 과정에 의해 강하게 제어됩니다.

기판 표면 자유 에너지,인터페이스 에너지와 성장 필름의 표면 에너지는 따라서 물질이 2차원 또는 3차원 방식으로 성장하는지 결정하는 데 중요한 역할을합니다..

고품질의 층별 성장을 위해, 부피구조의 표면과 인터페이스 에너지의 결합은 안정적이고 부드러운 필름의 형성을 촉진해야합니다.

이 초고 진공의 조합은극도로 정확한 소스 제어와 원자 규모의 표면 운동학은 MBE가 오늘날 가장 정확하게 설계된 반도체 구조를 생산할 수 있는 독특한 능력을 부여합니다..