Molekularstrahlepitaxie (MBE)

  • Molekularstrahlepitaxie (MBE)

    Mit dieser Technik wird das Wachstum von Halbleiterschichten geringer Dicke bei moderaten Prozesstemperaturen erreicht. Das kristallisierende Material wird dabei zusammen mit eventuell einzubringenden Dotierstoffen mit einem gezielten Ionenstrahl auf den Wafer gebracht. Auf diese Weise wächst eine Halbleiterschicht, die das vom Substrat vorgegebene Kristallgitter in hoher Regelmäßigkeit fortsetzt. Der Prozess erfordert aufwändige Technik unter Vakuumbedingungen.

    Es können komplexe Schicht-Folgen aus Materialien aufgetragen werden, die auch zueinander abweichende Kristallkonfigurationen aufweisen. Ein Beispiel dafür ist die Kombination von Silizium und Germanium, die sonst mit unterschiedlichen Atomdistanzen kondensieren. Eine solche Materialkonfiguration findet in schnellen Bauteilen Einsatz, da eine höhere Beweglichkeit der Ladungsträger als in dem reinen Silizium erzielt werden kann.

    In der verwendeten Anlage liegen die abzuscheidenden Stoffe als getrennte Quellen vor, aus denen Material durch Erhitzen ausgelöst wird. Dieses gelangt so aufgrund der hohen Austrittsgeschwindigkeit zum Wafer.

    Das Siliziummaterial wird dazu mittels Elektronenstrahlheizung zur starken Verdampfung angeregt. Die Dotierstoffe dagegen, die in geringeren Mengen integriert werden, werden durch induktive Heizung verdampft. Die aufgebrachte Menge der einzelnen Komponenten kann über die Stärke des Elektronenstrahls bzw. der Temperatur der jeweiligen Quellen geregelt, oder mit Blenden komplett ausgeschlossen werden.

    Der Abscheidungsprozess erfordert Ultrahochvakuumbedingungen; der Druck wird auf unter 10-8 reguliert. Wie bei der Technik der Chemischen Dampfabscheidung muss zu Beginn des Prozesses die natürliche Oxidschicht, die sich in der Reaktion mit Umgebungsgasen der Atmosphäre bildet, entfernt werden. Daher wird der Wafer zunächst auf Temperaturen um 800°C aufgeheizt, bevor der eigentliche Wachstumsprozess bei Temperaturen von etwa 400 bis 650°C beginnt.

    Wegen den hohen Vakuumanforderungen und der Tatsache, dass lediglich ein einzelner Wafer mit langsamer Aufwachsgeschwindigkeit (etwa 1 m pro Stunde) prozessiert werden kann, ist die Technik sehr ineffizient.