برآرایی باریکه مولکولی

سیستم رونشست باریکه مولکولی در آزمایشگاه علوم مولکولی محیطی ویلیام آر. ویلی.
روش
رونشست باریکه مولکولی یا Molecular-beam epitaxy (MBE) ، یکی از روش‌های تخصصی است که در آن لایه به شکل تقریبا کریستالی روی زیرلایه قرار می‌گیرد و در بسیاری از صنایع پیشرفته از جمله ساخت قطعات الکترونیک مانند ترانزیستورها و مدارات مجتمع به کار برده می‌شود.
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 می‌گیرد.
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 می‌باشد.
اگر چه فرآیند اصلی MBE از زمان‌های خیلی قبل انجام می‌گرفته است، اما کار اصلی در این زمینه در رشد ترکیبی نیمه رساناها شکل گرفت که آرتور و چو Cho-Arthur متولی آن بودند.
آنها با استفاده از طیف نگار جرمی و تکنیک‌های آنالیز سطحی، فرآیند رشد گالیوم آرسناید را در اندازه‌های اتمی بررسی کردند. به دنبال آنها چانگ و دیگران این فرآیند را به گونه‌ای توسعه دادند که امروزه سیستم MBE نامیده می‌شود.
مهم‌ترین تغییر، بهبود در سیستم خلا محفظه بود که تا 11-10 تور افزایش می‌یافت ولی درک صحیحی از MBE ریشه در آنالیز سطحی و همچنین رشد لایه‌های اپی تکسی در سطح اتمی دارد. محفظه از استیل 304 و یا 316 ساخته شده که سطوح داخلی آن کاملا پولیش شده تا جذب گازها و رطوبت توسط دیواره‌ها به حداقل برسد.
معمولا کلیه قسمت‌ها به گونه‌ای ساخته شده‌اند که ویفرها تحت خلا فرازیاد به راحتی قابل جابجایی باشند. این سیستم شامل فرآیندهای مختلفی مانند آنالیز لایه، آماده سازی زیرلایه و فرآیند رشد است. همچنین سیستم می‌تواند برای لایه نشانی فلزی(کندوپاش و یا تبخیر حرارتی)، محفظه جداگانه‌ای داشته باشد.
خلا 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. واکنش‌ها به شکل خاص در روی سطح زیرلایه، جائی که پرتوهای چشمه‌های مختلف در آن با هم ترکیب می‌شوند، رخ می‌دهد.
به دلیل اینکه زمان زیادی گاها چند روز لازم است تا شرایط خلا فرازیاد آماده شود، معمولا سیستم تحت یک خلا ثابت قرار می‌گیرد و فقط فضای محدودی از سیستم با هوا در تماس است. در بیشتر این سیستم‌ها می‌توان آنالیز ساختاری و شیمیایی از محصول داخل محفظه خلا نیز داشت. متناسب با نوع تکنیک‌های رشد و تعداد آنالیزها از محفظه‌های مختلفی استفاده می‌شود که غالبا به صورت جدا به پمپ‌های خلا مخصوص خود متصل بوده و خلا مورد نظر را ایجاد می‌کنند. غالبا از یک محفظه کوچک به نام Load lock به عنوان محفظه‌ای جدا از محفظه رشد برای انتقال نمونه استفاده می‌کنند.
چشمه‌های مختلف با قدرت ایجاد شار با آهنگ‌های متفاوت وجود دارند که می‌توانند در این سیستم‌ها بکار روند. این چشمه‌ها همگی به سمت زیرلایه‌ای که بوسیله یک هیتر گرم می‌شود متمرکز شده‌اند تا تحرک پذیری بیشتری به سطح زیرلایه بدهد و در نتیجه یک تک لایه کریستالی تشکیل می‌شود.
همان طور که گفته شد یکی از مزایای سیستم‌هایMBE آنالیز نمونه در داخل سیستم است. این آنالیزها ممکن است در محفظه اصلی و یا محفظه‌های جانبی آن انجام شوند.
از متداول‌ترین آنالیزهای مورد استفاده می‌توان به طیف سنج الکترون‌های اوژه، طیف نگاری جرمی یون ثانویه(SIMS ) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS ) اشاره نمود.
در این سامانه‌ها، معمولا از یک تفنگ یونی برای تمیز کاری زیرلایه استفاده می‌شود. بدین ترتیب یک سیستم استاندارد MBE ،معمولا از چند محفظه خلا مختلف ساخته شده است.
- Load-lock برای ورود و خروج زیرلایه
- محفظه خلا برای رشد لایه
- محفظه خلا برای آنالیزها .(- چند محفظه‌ای بودن این سیستم‌ها امکان مانور بیشتری به اپراتور برای آنالیزهای مختلف و تنوع رشد می‌دهد).
یک محفظه Load-lock تا حدود 8-10 تور تخلیه می‌شود. در حالی که دیگر محفظه‌های خلا به خلا بالاتر از 11-10×5-10-10×5 تور می‌رسد.
روش‌های متداول در محفظه رشد، روش تبخیر گرمایی مقاومتی، تفنگ الکترونی و چشمه‌های یونی و روش کاشت Implantation می‌باشند.
در فرآیند رشد MBE ، کنترل درجه حرارت، شاترها، پرتوهای مولکولی و یا اتمی و آهنگ انباشت هر یک از چشمه‌ها که به سمت نمونه(تحت گرمای مناسب) هدایت می‌شوند در رشد اپی تکسی لایه بسیار مهم است.
اینک فرآیند کلی رشد در یک سیستم MBE را بررسی می‌کنیم:
1- آماده سازی ویفرها که شامل تمیزکاری و گاهی لکه برداری از روی آنهاست.
2- قرار دادن ویفرها در داخل سیستم و تخلیه محفظه‌های خلا. زیرلایه‌های مورد استفاده، ویفرهای تک کریستالی هستند و قبل از انباشت، از طریق سونش، تمیز می‌شوند و معمولا یک لایه اکسیدی برای محافظت در مقابل گازهای هوا و مواد ویفر روی زیرلایه بکار می‌رود.
3- ایجاد حرارت زیر ویفرها، به گونه‌ای که سطوح کاملا تمیز و خالص شود. به عنوان مثال550-500 درجه سانتیگراد برای Ga و900-700 برای سیلیکن در نظرگرفته می‌شود.
4- تحت خلا خیلی بالا و توسط چند چشمه با آهنگ‌های بالاتر از یک میکرون در ساعت، لایه شروع به رشد می‌کند.
5- آنالیزهای مختلف روی لایه در حال رشد و یا لایه تشکیل شده انجام می‌شود.
با توجه به اینکه خواص الکتریکی این مواد مستقیما به ساختار کریستالی لایه‌ها مربوط می‌شوند، MBE بهترین انتخاب برای آنهاست.با توجه به فرآیند دقیق و اعمال خلا بالا در سامانه‌های MBE ، کاربردهای فراوانی برای آن وجود دارد که از جمله می‌توان به ساخت سلول‌های خورشیدی، ابررساناها، لیزرهای نیمه هادی و ساخت LED اشاره نمود.