분자선 에피택시

분자선 에피택시(molecular-beam epitaxy, MBE)는 단결정의 박막 증착을 위한 에피택시 방법이다. MBE는 트랜지스터를 포함한 반도체 장치 제조에 널리 사용된다. MBE는 마이크로파 주파수에서 다이오드와 MOSFET (MOS 전계효과 트랜지스터)를 만드는 데 사용되며, 광디스크 (예: CD 및 DVD)를 읽는 데 사용되는 레이저를 제조하는 데 사용된다.

역사
MBE 공정의 원래 아이디어는 K. G. 균터(K. G. Günther)에 의해 처음 확립되었다. 그가 증착한 필름은 에피택시가 아니었지만 유리 기판에 증착되었다. 진공 기술의 발전과 함께, 존 데이비(John Davey)와 타이터스 팬키(Titus Pankey)는 균터의 방법을 사용하여 단결정 GaAs 기판 위에 GaAs 에피택시 필름을 성공적으로 성장시킴으로써 MBE 공정을 입증했다. MBE 필름의 주요 후속 개발은 J.R. 아서(J.R. Arthur)의 성장 메커니즘의 운동 거동 조사와 알프레드 Y. 초(Alfred Y. Cho)의 1960년대 후반 반사 고에너지 전자 회절 (RHEED)을 사용한 MBE 공정의 현장 관찰에 의해 가능해졌다.

방법
분자선 에피택시는 고진공 또는 초고진공 (10−8–10−12 토르)에서 이루어진다. MBE 공정의 가장 중요한 측면은 증착률 (일반적으로 시간당 3,000 nm 미만)이며, 이는 필름이 기존 결정 위에 층으로 에피택시적으로 성장하도록 한다. 이러한 증착률은 다른 증착 기술과 동일한 불순물 수준을 달성하기 위해 비례적으로 더 나은 진공을 필요로 한다. 운반 가스가 없으며 초고진공 환경으로 인해 성장된 필름의 최고 순도를 달성할 수 있다.
섬네일|열 증착으로 팔라듐(111) 표면에 증착된 은의 한 원자 두께 섬. 기판은 거울면 광택과 진공 어닐링을 거쳤음에도 불구하고 일련의 테라스처럼 보인다. 덮개의 보정은 주사 터널링 현미경 (STM)을 사용하여 완전한 단층을 완성하는 데 필요한 시간을 추적하고 각도 분해 광전자 분광법 (ARPES)에서 은 필름 두께의 특징적인 양자 우물 상태의 출현으로부터 달성되었다. 이미지 크기는 250 nm x 250 nm.
고체 소스 MBE에서는 갈륨 및 비소와 같은 원소들이 초고순도 형태로 별도의 유사-크누센 증발 셀 또는 전자빔 증발기에서 천천히 승화하기 시작할 때까지 가열된다. 그런 다음 기체 원소는 웨이퍼에 응축되어 서로 반응할 수 있다. 갈륨과 비소의 예에서는 단결정 갈륨 비소가 형성된다. 구리나 금과 같은 증발원이 사용될 때, 표면에 충돌하는 기체 원소는 (충돌하는 원자가 표면을 돌아다니는 시간 창 후에) 흡착되거나 반사될 수 있다. 표면의 원자도 탈착될 수 있다. 소스의 온도를 제어하면 기판 표면에 충돌하는 물질의 속도를 제어하고, 기판의 온도는 호핑 또는 탈착 속도에 영향을 미친다. "빔"이라는 용어는 증발된 원자들이 원자의 긴 평균 자유 거리로 인해 웨이퍼에 도달할 때까지 서로 또는 진공 챔버 가스와 상호 작용하지 않는다는 것을 의미한다.

작동 중에 결정층의 성장을 모니터링하기 위해 반사 고에너지 전자 회절 (RHEED)이 종종 사용된다. 컴퓨터는 각 로 앞에 있는 셔터를 제어하여 각 층의 두께를 단일 원자 층까지 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 이러한 방식으로 서로 다른 재료 층의 복잡한 구조를 제작할 수 있다. 이러한 제어를 통해 전자가 공간에 갇힐 수 있는 구조를 개발할 수 있었으며, 이는 양자 우물 또는 심지어 퀀텀닷을 제공한다. 이러한 층은 이제 반도체 레이저 및 발광 다이오드를 포함한 많은 현대 반도체 장치의 중요한 부분이다.

기판을 냉각해야 하는 시스템에서는 성장 챔버 내의 초고진공 환경이 액체 질소 또는 차가운 질소 가스를 사용하여 약 77 켈빈(-196 섭씨)으로 냉각된 저온 펌프 및 저온 패널 시스템에 의해 유지된다. 차가운 표면은 진공 내 불순물에 대한 흡입구 역할을 하므로 이러한 조건에서 필름을 증착하려면 진공 수준이 몇 배 더 좋아야 한다. 다른 시스템에서는 결정이 성장하는 웨이퍼가 작동 중에 수백 섭씨도로 가열될 수 있는 회전 플래터에 장착될 수 있다.

분자선 에피택시(MBE)는 일부 유형의 유기 반도체 증착에도 사용된다. 이 경우 원자 대신 분자가 증발되어 웨이퍼에 증착된다. 다른 변형으로는 가스 소스 MBE가 있으며, 이는 화학기상증착과 유사하다.

섬네일|FZU - 체코 과학원 물리학 연구소의 분자선 에피택시 시스템 Veeco Gen II. 이 시스템은 단결정 반도체, 반도체 헤테로구조, 스핀트로닉스 재료 및 알루미늄, 갈륨, 비소, 인, 망가니즈, 구리, 규소, 탄소를 포함하는 기타 복합 재료 시스템의 성장을 위해 설계되었다.
MBE 시스템은 필요에 따라 수정될 수도 있다. 예를 들어, 산소 소스는 첨단 전자, 자기 및 광학 응용을 위한 산화물 재료를 증착하기 위해 통합될 수 있다.J. Palakkal, A. Arzumanov, R. Xie, Z. Li, N. Hadaeghi, T. Wagner, T. Jiang, Y. Ruan, G. Cherkashinin, L. M. Luna, H. Zhang, L. Alff 'Off-Stoichiometry Engineering of the Electrical and Optical Properties of SrNbO3 Using Oxide Molecular Beam Epitaxy', Advanced Functional Materials, 2025, 2419990, https://doi.org/10.1002/adfm.202419990 산화제 또는 산소 가스/라디칼/오존 소스의 분자 빔은 다성분 산화물의 원하는 산화 상태를 달성하는 데 사용된다.

양자 나노구조
분자선 에피택시의 성과 중 하나는 원자적으로 평탄하고 급격한 헤테로 계면을 형성할 수 있도록 하는 나노구조이다. 최근에는 나노선과 그 안에 구축된 양자 구조의 건설이 정보 처리와 양자 통신 및 컴퓨팅을 위한 온칩 응용과의 가능한 통합을 허용할 수 있다. 이러한 헤테로구조 나노선 레이저는 실리콘 및 피코초 신호 처리Mayer, B., et al. "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser". Nature Communications 8 (2017): 15521.와의 단일 통합을 허용하는 고급 MBE 기술을 사용하여만 구축할 수 있다.

아사로-틸러-그린펠드 불안정성
그린펠드 불안정성으로도 알려진 아사로-틸러-그린펠드(Asaro–Tiller–Grinfeld, ATG) 불안정성은 분자선 에피택시 동안 종종 발생하는 탄성 불안정성이다. 성장하는 박막과 지지하는 결정의 격자 크기 사이에 불일치가 있으면 성장하는 박막에 탄성 에너지가 축적된다. 어떤 임계 높이에서, 박막이 격리된 섬으로 분리되어 장력이 횡방향으로 완화될 수 있다면 박막의 자유 에너지가 낮아질 수 있다. 임계 높이는 영률, 불일치 크기 및 표면 장력에 따라 달라진다.

양자점의 자기조립과 같이 이 불안정성에 대한 몇 가지 응용이 연구되었다. 일부 공동체에서는 ATG를 스트란스키-크라스타노프 성장이라고 부른다.

 같이 보기 
인물
 콜린 P. 플린
 아서 고사드
 허버트 크뢰머
 벤 G. 스트리트먼
기술 주제
 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터 (HEMT)
 헤테로접합 바이폴라 트랜지스터
 펄스 레이저 증착
 유기금속 기상 에피택시
 양자 캐스케이드 레이저
 태양 전지
 열 레이저 에피택시
 젖음층

 내용주 

 각주 





더 읽어보기


 외부 링크 
 분자선 에피택시를 이용한 실리콘 및 게르마늄 나노선
 텍사스 대학교 MBE 그룹 (MBE 성장에 대한 기본 지식)
 박막 물리학: 분자선 에피택시 (강의 노트)
 CrystalXE: 에피택시 전문 소프트웨어

분류:박막 퇴적물