(完整word版)分子束外延

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1、分子束外延 （英文名称； Molecular Beam Epitaxy）1、定义：分子束外延是一种新的 晶体生长技术 ，简记为 MBE 。其方法是将 半导体衬底 放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质 按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度形成蒸汽，经小孔准直后形成 分子束或原子束直接喷射到上述衬底上，同时控制分子束对衬底的扫描，就可以生长出极薄的（可薄至单原子层水平） 单晶体和几种物质交替的 超晶格结构 。2、研究对象 ：分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。3、MBE 的一般结构 ：目前最典型的MBE 系统是由进样室、预备分析室、和外

2、延生长室串连而成。进样室：进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道，也可同时放入多个衬底片。预备分析室：对衬底片进行除气处理，对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。通常在这个真空室配置AES 、SIMIS 、XPS 、UPS 等分析仪器。外延生长室：是MBE 系统中最重要的一个真空工作室，用于样品的分子束外延生长。 配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。监测分子束流有以下几种：（1）石英晶体常用于监测束流， 束流屏蔽和冷却适当， 可得满意结果。但噪音影响稳定性。几个 m 后，石英晶体便失去了线性。调换频繁，主系统经常充气，这不利于工作。（ 2）小型离子

3、表，测分子束流压，而不是测分子束流通量。由于系统部件上的淀积而使其偏离标准。（ 3）低能电子束， 横穿分子束， 利用所探测物种的电子激发荧光。原子被激发并很快衰退到基态产生 UV 荧光，光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。可做硅源的反馈控制。不足之处：切断电子束，大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。它只测原子类，不能测分子类物质。生长室结构：? 分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂， 一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。不会出现层厚失控。（1）真空系统? 主真空室的

4、本底压强应不高于 10-8Pa 。? 生长室和分析室除机械泵 -分子泵联动抽气装置外， 一般还需要配置离子泵和钛升华泵，以维持超高真空环境。?在生长室内壁，还加有大面积的液氮冷屏套，对CO、H2O 等残余气体有显著的吸附效果。? 整个系统要进行烘烤，生长系统内的附属机件应能承受 150-200 的高温，且具有很高的气密性。? （3）束流（蒸发速率）监测装置? 石英晶体监测：目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。这一方法原理是基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。? 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:? 一，石英晶体的温度变化会造成其固有频

5、率的漂移；? 二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。? 分子束从束源炉 (Knudsen effusion cell) 中产生，束源炉温度由PID 或者计算机精确控制，并通过热偶提供温度反馈。分子束流的大小主要由束源炉的温度决定， 其稳定度可达 1。束流强度由几何关系推导出，但实际受坩埚的锥度、口径、液面与炉口的距离等因素影响。? RHEED 是最重要的设备。高能电子枪发射电子束以 1-3 度掠射到基片表面后，经表面晶格衍射在荧光屏上产生的衍射条纹直接反映薄膜的结晶性和表面形貌，衍射强度随表面的粗糙度发生变化，振荡反映了薄膜的层状外延生长和外延生长的单胞层数。MBE 的结构原理如图

6、所示。整个生长过程需要在超真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种元素或化合物， 将坩锅设定到合适的温度， 使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。 为了保证组分的厚度和均匀性， 坩锅在衬底周围以圆形排列， 并在衬底生长的过程中可以进行旋转。 在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、关来实现的。在生长过程中，坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置，以减少生长层中的非故意掺杂，即减少生长室中的本底掺杂浓度。图 分子束

7、外延（ MBE ）设备的结构示意图MBE 的真空系统由 3 个相互隔开的真空室（生长室、预各室和速装室）组成。在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程中，首先要进入速装室，在100 加热 10 个小时以上，以去掉大部分衬底和载体上所吸附的气体。之后，将衬底和样品台送入预备室，在 400 加热 2h 以上，去掉残留气体。 当预备室内气压降至P10(-10) torr 时，再送入生长室中进行外延生长。衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好的温场。当衬底加热器两次测量的温度相同时，衬底的实际温差控制在 5 之内。衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转，以确保外延层生长均匀。 为

8、了防止在生长方向上的成分起伏， 需使衬底的旋转周期与单层的生长时间相对应，这就要求转速要高于 60 转分。在生长过程中， 需要随时了解材料的生长状况， 并在此基础上进行调整。在衬底加热器的背面装有一台电离规， 可以对各个源材料在衬底处的分子束流强度进行在位测量。电离规本质上是一个浓度指示器，用它可以在生长前得出III 、V 族源在衬底处的相对压力比。反射式高能电子衍射仪（RHEED ）用于观察生长层表面的微观结构。使用 RHEED 时，电子枪出射的高能电子束 （E10 15KeV ）与衬底表面的夹角为1 2 ，与坩锅产生的分子束流近乎垂直，这样可以保证在生长时也使用RHEED ，而且还可以保证

9、电子射到材料的表面时，进入 1 2 层之后就会被反弹出来。如此，可以获得大量的表面信息。因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。RHEED 的作用总结为以下几点：（ 1 ）在生长前，监视生长层表面的氧化物解吸附过程，校准衬底加热器的热电偶。（ 2 ）通过观察生长层表面的再构（ 2 4 ）（ 4 2 ）的相变，确定生长时所需要的 III V 比。（ 3 ）在生长过程中利用 RHEED 的强度振荡校准生长速率。（ 4 ）生长后观察生长层表面的结构与平整度。4、MBE 的生长（1）外延的基本物理过程：1. 表面成核 对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的最初阶段，这个阶段叫成核。 当衬底表面只

10、吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的， 很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子（或分子）形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。 它们再进一步相互结合形成连续的单晶薄层。2. 表面动力学：反应物到衬底后 ,通常发生下列过程 :反应物扩散到衬底表面;反应物吸附到衬底表面;表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等；反应附加产物从表面脱附；附加产物扩散离开表面。每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。表面过程：如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程表面过程非常重要。沉积到衬底表

11、面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。（见下图）生长机制：对于表面上存在许多淀积原子的情况，它们除了在表面处键合外，还相互结合以进一步减少自由键的数目。外来的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。显然，当这些原子团继续生长时，它们自己就被看作是提供高结合能位置的表面缺陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。（2）MBE 生长原理及方法：? 生长原理： MBE 的生长方式是按动力学方式进行的。 从分子束喷射出的分子到达衬底表面时，由于受到表面力场的作用而被吸咐于衬底表面，经过表面上的迁移、再排列等，最后在适

12、当的位置上释放出汽化热，形成晶核或嫁接到晶格结点上，形成外延薄膜。? 生长过程：1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面物理化学吸附。2.吸附分子在表面的迁移和分解。3.组分原子与衬底或外延层品格点阵的结合或在衬底表面成核。4.未与衬底结合的原子或分子的热脱附。MBE 的生长速度慢 (几微米 /时)，可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度、界面平整度和掺杂分布，结合掩膜技术，可以制备具有二维和三维结构的薄膜。 MBE 的生长温度远低于热力学平衡态，可随意改变外延层的组分和掺杂。与其它的外延技术相比，MBE 的另一显著的优点是系统处于超高真空，可以进行 RHEED 、AES 等实时监控，便于精确

13、控制生长过程。MBE 生长的特点：? 真空度高达 10-8 Pa ，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。? 从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到达衬底表面。通过石英晶体膜厚仪监测，可严格控制生长速率。? 生长速率极慢，大约 1um/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。实际上是一种原子级的加工技术，因此 MBE 特别适于生长超晶格 材料。? 衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应和衬底杂质向外延层中的扩散的影响，所以外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好，

14、外延层清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。? 可以在喷射室内安放多个喷射炉，分别调制各组分的分子流，可同时精确控制生长层的厚度、组分和掺杂分布。因此再结合适当的控制技术，可生长二维和三维图形结构的薄膜或器件。? MBE 是在超高真空环境中进行的，且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分、结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和监测。? MBE 生长是一个动力学过程 ，即将入射的中性粒子 （原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。? MBE 是一个超高 真空的物理沉积过程

15、，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用 喷射炉前的 快门可以对生长和中断进行瞬时控制， 因为分子束外延中的分子 （原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。不会出现层厚失控。 因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。存在问题：设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差；外延膜表面缺陷密度大（可能是衬底表面的缺陷或杂质污染引起的）MBE 的生长速度比较慢，既是优点也是不足：MBE 从诞生的开始就不是作为厚膜生长技术出现的，而是针对几纳米乃至几埃

16、的超薄层外延，因此不适于大量生产。MBE ：是在相对低温度下由原子碰撞进入到外延层，而发生重新排列，只有表面原子级清洁时，该过程才能有效发生。对半导体异质结进行选择掺杂时，虽然调制掺杂技术使结构设计更灵活，但对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数 是应解决的技术问题之一。如在生长III-V 族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题： 1.生长异质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;2. 由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是 p 型杂质）。其关键性的问题是控制镓和砷的束流强度

17、，否则都会影响表面的质量。这也是技术难点之一。5、发展趋势：分子束外延法是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点，例如 VA 族元素的交叉污染、蒸气压极低或极高的物质均难进行正常的分子束外延。于是人们结合其他生长技术不断改进MBE。MBE 与 VPE并用，就是在分子束外延时难挥发或易挥发的元素的分子源用化合物来代替。在淀积过程中有化学反应产生，此时生长速度可以大大增加。MBE 与离子束并用，把某些分子离子化，则离子束可以加速和偏转，并可进行扫描，同时也可以增加吸着系数，有利于掺杂过程。气态源分子束外延 (GSMBE)，也称化学束外延 (CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE 和 MOCVD两项技术的优点。束源炉的改进。气态源分子束外延 (GSMBE)，也称化学束外延 (CBE），外延过程中能精确地控制气体，兼有MBE 和 MOCVD两项技术的优点。