एमबीई सिस्टम के अंदर: आणविक बीम एपिटैक्सी उपकरण इतना जटिल क्यों है

आणविक बीम एपिटैक्सी सिस्टम अनुसंधान प्रयोगशालाओं और उन्नत विनिर्माण सुविधाओं में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक विकास उपकरणों के सबसे परिष्कृत टुकड़ों में से हैं।

एमबीई मशीनें आमतौर पर विकसित किए जा रहे अर्धचालक सामग्री, आवश्यक स्रोत सामग्री की संख्या, वेफर आकार, प्रक्रिया तापमान और इन-सीटू लक्षण वर्णन आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित की जाती हैं।

इस कारण से, विभिन्न एमबीई सिस्टम की उपस्थिति और विन्यास काफी भिन्न हो सकते हैं।

हालांकि, अधिकांश सिस्टम एक ही मौलिक वास्तुकला साझा करते हैं: कई स्वतंत्र रूप से पंप किए गए वैक्यूम चैंबर, उच्च-सटीकता सामग्री स्रोत, सब्सट्रेट हीटिंग और हेरफेर सिस्टम, बीम शटर, वैक्यूम इंस्ट्रूमेंटेशन और वास्तविक समय निगरानी प्रौद्योगिकियां।

एमबीई सिस्टम की तीन-चैंबर वास्तुकला

एक विशिष्ट एमबीई प्लेटफॉर्म में तीन मुख्य वैक्यूम अनुभाग होते हैं:

• लोड-लॉक चैंबर
• बफर या तैयारी चैंबर
• विकास चैंबर

प्रत्येक चैंबर अपने स्वयं के वैक्यूम पंपिंग सिस्टम से सुसज्जित है।

सिस्टम को कई चैंबरों में विभाजित करने से वेफर और नमूने उपकरण में प्रवेश कर सकते हैं बिना मुख्य एपिटैक्सी विकास चैंबर को वायुमंडलीय संदूषण के संपर्क में बार-बार लाए।

लोड-लॉक चैंबर: प्रवेश बिंदु

लोड-लॉक चैंबर एक एमबीई सिस्टम का वह हिस्सा है जिसका उपयोग नमूनों को पेश करने और हटाने के लिए किया जाता है।

क्योंकि यह वायुमंडलीय स्थितियों के संपर्क में आने वाला एकमात्र चैंबर है, यह वैक्यूम-स्थानांतरण प्रक्रिया में पहले चरण के रूप में कार्य करता है।

एक नमूना लोड होने के बाद, पंप चैंबर के दबाव को कम करते हैं इससे पहले कि नमूना सिस्टम में गहराई तक स्थानांतरित किया जाए।

इस प्रारंभिक वैक्यूम चरण के दौरान तेल-मुक्त यांत्रिक पंप और टर्बोमॉलिक्यूलर पंप का आमतौर पर उपयोग किया जाता है।

लोड-लॉक के अंदर वायुमंडलीय जोखिम को अलग करके, सिस्टम बहुत साफ तैयारी और विकास चैंबरों की रक्षा करता है।

बफर और तैयारी चैंबर: सतह संदूषकों को हटाना

लोड-लॉक छोड़ने के बाद, नमूना आमतौर पर एक बफर या तैयारी चैंबर में प्रवेश करता है।

यह चैंबर बाहरी वातावरण और अल्ट्रा-हाई-वैक्यूम विकास चैंबर के बीच एक अतिरिक्त बाधा के रूप में कार्य करता है।

एपिटैक्सी शुरू होने से पहले, वेफर इस चैंबर में थर्मल डीगैसिंग से गुजर सकते हैं ताकि अवशोषित पानी के अणुओं और अन्य सतह संदूषकों को हटाया जा सके।

सामग्री और प्रक्रिया के आधार पर, डीगैसिंग प्रक्रिया के दौरान नमूनों को कई सौ डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जा सकता है।

ट्रांसफर तंत्र, चुंबकीय नमूना धारक और हेरफेर रॉड नमूनों को वैक्यूम को तोड़े बिना चैंबरों के बीच स्थानांतरित करने की अनुमति देते हैं।

इस हिस्से में अत्यंत निम्न दबाव बनाए रखने के लिए आयन पंप और अन्य अल्ट्रा-हाई-वैक्यूम प्रौद्योगिकियों का आमतौर पर उपयोग किया जाता है।

विकास चैंबर: जहां एपिटैक्सी होती है

विकास चैंबर एमबीई सिस्टम का केंद्रीय भाग है।

चैंबर के चारों ओर कई स्रोत सामग्री स्थापित की जाती हैं और सब्सट्रेट की ओर निर्देशित की जाती हैं।

ठोस सामग्री को गर्म क्रूसिबल के अंदर रखा जा सकता है जिन्हें एफ्यूजन सेल के रूप में जाना जाता है। जैसे-जैसे स्रोत का तापमान बढ़ता है, सामग्री वाष्पित होती है और एक नियंत्रित परमाणु या आणविक बीम उत्पन्न करती है।

विभिन्न सामग्रियों के लिए विभिन्न स्रोत डिजाइन का उपयोग किया जाता है।

कुछ स्रोत प्रवाह मुख्य रूप से स्रोत तापमान को समायोजित करके नियंत्रित होते हैं, जबकि अन्य सिस्टम तेज और अधिक सटीक नियंत्रण प्रदान करने के लिए वाल्व-नियंत्रित या क्रैकिंग स्रोतों का उपयोग कर सकते हैं।

एमबीई सिस्टम शटर का उपयोग क्यों करते हैं

प्रत्येक आणविक बीम स्रोत में आमतौर पर उसके सामने एक यांत्रिक शटर लगा होता है।

शटर ठीक से निर्धारित करता है कि स्रोत बीम सब्सट्रेट तक कब पहुंचता है।

एक प्रोग्राम की गई अनुक्रम के अनुसार व्यक्तिगत शटर को खोलने और बंद करने से, ऑपरेटर विभिन्न सामग्रियों के बीच स्विच कर सकते हैं और सटीक रूप से नियंत्रित इंटरफेस के साथ मल्टीलेयर सेमीकंडक्टर संरचनाएं बना सकते हैं।

यह क्षमता हेट्रोस्ट्रक्चर, क्वांटम वेल, सुपरलैटिस और अन्य जटिल एपिटैक्सी संरचनाओं के निर्माण के लिए आवश्यक है।

तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण है

एमबीई प्रक्रिया के दौरान स्थिर तापमान नियंत्रण आवश्यक है।

प्रत्येक स्रोत का तापमान उसके वाष्प दबाव को निर्धारित करता है और इसलिए बीम प्रवाह को दृढ़ता से प्रभावित करता है।

साथ ही, सब्सट्रेट तापमान निर्धारित करता है कि आने वाले परमाणु कैसे विसरित होते हैं, शामिल होते हैं और बढ़ती सतह से अलग होते हैं।

स्थिर स्रोत और सब्सट्रेट स्थितियों को बनाए रखने के लिए आमतौर पर पीआईडी-आधारित तापमान नियंत्रण प्रणालियों का उपयोग किया जाता है।

यहां तक कि अपेक्षाकृत छोटे तापमान भिन्नता भी विकास दर, संरचना या सतह आकारिकी को बदल सकती है, खासकर यौगिक अर्धचालक सामग्री के विकास के दौरान।

विकास चैंबर के अंदर वास्तविक समय की निगरानी

उन्नत एमबीई सिस्टम केवल सामग्री जमा नहीं करते हैं - वे विकास प्रक्रिया की लगातार निगरानी करते हैं।

सामान्य इन-सीटू डायग्नोस्टिक टूल में शामिल हैं:

सतह संरचना और विकास गतिशीलता का निरीक्षण करने के लिए रिफ्लेक्शन हाई-एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रेक्शन, या आरएचईईडी;

परमाणु और आणविक बीम की तीव्रता का मूल्यांकन करने के लिए बीम फ्लक्स मॉनिटर, या बीएफएम;

और वैक्यूम वातावरण की निगरानी करने और अवांछित गैस प्रजातियों की पहचान करने के लिए अवशिष्ट गैस विश्लेषक या मास स्पेक्ट्रोमीटर।

एक साथ, ये सिस्टम शोधकर्ताओं और प्रक्रिया इंजीनियरों को जमाव को बाधित किए बिना विकास चैंबर के अंदर क्या हो रहा है, इसका निरीक्षण करने की अनुमति देते हैं।

एमबीई सिस्टम इतने महंगे क्यों हो सकते हैं

एमबीई सिस्टम की उच्च लागत किसी एक घटक के कारण नहीं होती है।

इसके बजाय, यह एक अत्यधिक नियंत्रित वातावरण में कई उन्नत प्रौद्योगिकियों के एकीकरण से आता है।

एक एमबीई प्लेटफॉर्म को अल्ट्रा-हाई-वैक्यूम चैंबर, विशेष पंप, सटीक सामग्री स्रोत, सब्सट्रेट हीटर, रोबोटिक या चुंबकीय स्थानांतरण तंत्र, जल-शीतलन प्रणाली, उच्च-सटीकता तापमान नियंत्रक, बीम शटर, वैक्यूम गेज, आरएचईईडी उपकरण, फ्लक्स-निगरानी उपकरण और परिष्कृत नियंत्रण सॉफ्टवेयर की आवश्यकता हो सकती है।

जब सिस्टम को बड़े सब्सट्रेट, कई सामग्री, अत्यधिक समान उत्पादन वृद्धि या औद्योगिक-पैमाने पर दोहराव का समर्थन करने की आवश्यकता होती है तो आवश्यकताएं और भी अधिक मांग वाली हो जाती हैं।

यह जटिलता बताती है कि उच्च-स्तरीय एमबीई प्लेटफॉर्म एक प्रमुख पूंजी निवेश का प्रतिनिधित्व क्यों कर सकते हैं।

हालांकि, अर्धचालक अनुसंधान और उन्नत एपिटैक्सी के लिए, वे जो क्षमता प्रदान करते हैं वह बदलना मुश्किल है: लगभग परमाणु पैमाने पर सामग्री संरचना, फिल्म मोटाई और इंटरफ़ेस संरचना पर सटीक नियंत्रण।