برآرایی باریکه مولکولی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
سیستم رونشست باریکه مولکولی در آزمایشگاه علوم مولکولی محیطی ویلیام آر. ویلی.

روش[ویرایش]

رونشست باریکه مولکولی یا Molecular-beam epitaxy (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.

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.

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 ،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. 
 

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

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.

منابع[ویرایش]

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