Molecular Beam Epitaxy(분자선 결정 성장 시스템, MBE)

개요

Molecular Beam Epitaxy(분자선 결정 성장 시스템, MBE)는 다양한 재료들을 분자 형태로 쏘아서 증착시킴으로써 원하는 물질을 기판 위에 쌓는(적층시키는) 방법이다. MBE는 1968년대 후반 벨 연구소의 J. R. Arthur와 Alfred Y. Cho에 의해 고안되었다.

MBE는 초고진공(10-8–10-12 Torr) 속에서 다양한 구성 원소가 함유된 셀을 가열하여 나오는 증기를 분자선(molecular beam)의 형태로 방출시키고, 적당한 거리를 두고 설치된 기판 위에 반도체 단결정 박막을 형성하는 방법이다. MBE로 제조된 박막은 크기(두께)가 균일하고 불순물의 간섭이 적고, 우수한 광학 특성을 갖고 있어, 나노 트랜지스터나 나노 레이저, 메모리 등 나노 소자 제작에 다양하게 사용된다. MBE 공정의 단점은 성장 속도가 느리며, 장치의 가격이 고가라는 점이다.

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형태/특징

MBE는 불과 몇 개의 원자층 정도의 두께밖에 안 되는 매우 얇은 결정막이나 복잡한 다층구조막을 정밀제어하면서 만들 수 있어 학문적으로도 광범위하게 이용된다. MBE는 gun에서 방출된 원자들을 기질(substrate)에 증착시킨다. 기질은 수백도의 온도로 가열될 수도 있고 균일한 증착을 위해 회전도 가능하다. 건이나 기질 앞에는 가림막 등을 설치하여 일시적으로그리고 일부 물질에 대해 증착을 정지시킬 수 있게 고안하기도 한다. 기판 주변은 액체질소 등을 이용하여 초저온으로 유지시켜 물질들이 쉽게 응축될 수 있게 한다. 생성된 박막의 상태를 실시간으로 모니터링하기 위해 RHEED(Reflection high-energy electron diffraction)가 사용되기도 한다.

그림. MBE 장치 개요도

 

응용 등

MBE는 HEMT(high electron mobility transistor) 등과 같은 초고속 트랜지스터의 제조나 양자효과를 연구하기 위한 초격자 소자, 태양전지를 위한 박막재료 등의 제조 혹은 연구 등에 광범위하게 사용된다. 또한, 반도체 표면 연구에 있어 다양하게 사용되는 방법이기도 하다.

MBE와 같은 에피택시 공정은 성장되는 결정과 기판의 결정이 같은 종류인 호모 에피택시와 다른 종류인 헤테로 에피택시로 그 종류를 구분할 수있다. 또한, 원료물질을 기체의 형태로 전기로 내에 주입하여 단결정막을 만드는 기상 에피택시, 원료물질을 액체금속에 녹인 뒤 기판결정 위에 석출(析出)시켜 단결정막을 만드는 액상 에피택시와 같은 방법들도 존재한다.