In een MBE-systeem: waarom moleculaire beam-epitaxy-apparatuur zo complex is

Moleculaire Epitaxy-systemen behoren tot de meest geavanceerde apparatuur voor de groei van halfgeleiders die wordt gebruikt in onderzoekslaboratoria en geavanceerde productiefaciliteiten.

MBE-machines worden meestal aangepast aan de semiconductormaterialen die worden verbouwd, het vereiste aantal bronmaterialen, de wafergrootte,eisen inzake procestemperatuur en in-situ-kenmerken.

Om deze reden kunnen het uiterlijk en de configuratie van verschillende MBE-systemen aanzienlijk verschillen.

De meeste systemen hebben echter dezelfde fundamentele architectuur: meerdere onafhankelijk gepompte vacuümkamers, hoogprecise materiaalbronnen, substraatverwarmings- en manipulatiesystemen,beamschermen, vacuüminstrumentatie en real-time monitoringtechnologieën.

De driekamerarchitectuur van een MBE-systeem

Een typisch MBE-platform bestaat uit drie hoofdvacuümsecties:

• Vergrendelingskamer
• Buffer- of voorbereidingskamer
• Groeikamer

Elke kamer is voorzien van een eigen vacuümpompsysteem.

Door het systeem in meerdere kamers te scheiden, kunnen wafers en monsters de apparatuur binnengaan zonder dat de hoofd-epitaxiale groeikamer herhaaldelijk wordt blootgesteld aan luchtverontreiniging.

Verpakkingskamer: het toegangspunt

De ladingsluikkamer is het deel van een MBE-systeem dat wordt gebruikt om monsters in te voeren en te verwijderen.

Omdat het de enige kamer is die regelmatig wordt blootgesteld aan atmosferische omstandigheden, fungeert het als de eerste fase in het vacuümoverdrachtproces.

Nadat een monster is geladen, verminderen pompen de kamerdruk voordat het monster dieper in het systeem wordt overgebracht.

In deze eerste vacuümfase worden gewoonlijk olievrije mechanische pompen en turbomoleculaire pompen gebruikt.

Door de blootstelling aan de atmosfeer in de ladingsluis te isoleren, beschermt het systeem de veel schonere voorbereidings- en groeicamers.

Buffer- en bereidingskamer: verwijdering van oppervlakteverontreinigende stoffen

Na het verlaten van de ladingsluis komt het monster gewoonlijk in een buffer- of bereidingskamer.

Deze kamer dient als een extra barrière tussen de buitenomgeving en de ultrahoge vacuümgroeicamer.

Voordat de epitaxie begint, kunnen wafers in deze kamer thermisch ontgassen worden om geadsorbeerde watermoleculen en andere oppervlakteverontreinigende stoffen te verwijderen.

Afhankelijk van het materiaal en het proces kunnen monsters tijdens de ontgassingsprocedure tot enkele honderden graden Celsius worden verwarmd.

Door middel van overdrachtsmechanismen, magnetische monsterhouders en manipulatiestaven kunnen monsters tussen de kamers worden verplaatst zonder dat het vacuüm wordt verbroken.

Ionenpompen en andere ultrahoge vacuümtechnologieën worden gewoonlijk gebruikt om in dit deel van het systeem een extreem lage druk te handhaven.

Groeikamer: waar epitaxie plaatsvindt

De groeikamer is het centrale deel van het MBE-systeem.

Er worden meerdere bronmaterialen rond de kamer geïnstalleerd en gericht op het substraat.

Als de brontemperatuur stijgt, verdampt het materiaal en genereert het een gecontroleerde atoom- of moleculaire straal.

Voor verschillende materialen worden verschillende bronontwerpen gebruikt.

Sommige bronstromen worden voornamelijk gereguleerd door de brontemperatuur aan te passen, terwijl andere systemen gebruik kunnen maken van klepgecontroleerde of krakende bronnen om een snellere en nauwkeurigere controle te bieden.

Waarom MBE-systemen luiken gebruiken

Elke moleculaire straalbron heeft meestal een mechanische sluiter voor zich.

De sluiter bepaalt precies wanneer de bronstraal het substraat bereikt.

Door afzonderlijke luiken te openen en te sluiten volgens een geprogrammeerde volgorde,Operatoren kunnen wisselen tussen verschillende materialen en maken meerlagige halfgeleiderstructuren met nauwkeurig gecontroleerde interfaces.

Deze mogelijkheid is essentieel voor het maken van heterostructuren, kwantumputten, supernetwerken en andere complexe epitaxiale structuren.

Temperatuurbeheersing is essentieel

Een stabiele temperatuurregeling is nodig gedurende het hele MBE-proces.

De temperatuur van elke bron bepaalt de dampdruk en heeft dus een sterke invloed op de straalstroom.

Tegelijkertijd bepaalt de substraattemperatuur hoe de binnenkomende atomen van het groeiende oppervlak diffunderen, zich incorporeren en desorberen.

PID-gebaseerde temperatuurregelsystemen worden gewoonlijk gebruikt om stabiele bron- en substraatomstandigheden te handhaven.

Zelfs relatief kleine temperatuurvariaties kunnen de groeisnelheid, de samenstelling of de oppervlaktemorfologie veranderen, vooral tijdens de groei van samengestelde halfgeleidermaterialen.

Real-time bewaking in de groeicamer

Geavanceerde MBE-systemen deponeren niet alleen materialen, maar volgen het groeiproces continu.

De meest voorkomende in-situ-diagnostische hulpmiddelen zijn:

Reflectiegehalte-energie-elektronendiffractie, of RHEED, voor het observeren van oppervlakte-structuur en groeidynamiek;

Beam Flux Monitors, of BFM, voor het evalueren van de intensiteit van atoom- en moleculaire stralen;

en restgasanalysatoren of massa-spectrometers voor het monitoren van de vacuümomgeving en het identificeren van ongewenste gassoorten.

Samen kunnen onderzoekers en procesingenieurs observeren wat er in de groeicamer gebeurt zonder de afzetting te onderbreken.

Waarom MBE-apparatuur zo duur kan zijn

De hoge kosten van een MBE-systeem worden niet veroorzaakt door één enkel onderdeel.

In plaats daarvan komt het voort uit de integratie van meerdere geavanceerde technologieën in één zeer gecontroleerde omgeving.

Een MBE-platform kan ultrahoge vacuümkamers, gespecialiseerde pompen, precisie-materiaalbronnen, substraatverwarmers, robot- of magnetische overdrachtsmechanismen, waterkoelsystemen,met een vermogen van niet meer dan 50 W, straalluiken, vacuümmeters, RHEED-apparatuur, instrumenten voor de controle van de stroom en geavanceerde besturingssoftware.

De eisen worden nog veeleisender wanneer het systeem grote ondergronden, meerdere materialen, een zeer uniforme productiegroei of industriële herhaalbaarheid moet ondersteunen.

Deze complexiteit verklaart waarom high-end MBE-platforms een grote kapitaalinvestering kunnen vertegenwoordigen.

Voor halfgeleideronderzoek en geavanceerde epitaxie is de mogelijkheid die zij bieden echter moeilijk te vervangen: precieze controle over de samenstelling van het materiaal,filmdikte en interfacestructuur op bijna atoomschaal.