MBE的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy ，簡稱MBE是制備極薄的單層 或多層單晶薄膜的一種技術(shù)，它是在超高真空的條件下，把一定比例 的構(gòu)成晶體的各個(gè)組分和摻雜原子（分子）以一定的熱運(yùn)動速度噴射 到熱的襯底表面來進(jìn)行晶體外延生長的技術(shù)。它生長的材料是一種與襯底晶格結(jié)構(gòu)有一定對應(yīng)關(guān)系的單晶層。 這個(gè)單晶層稱為外延層，而 把生長外延層的過程叫做外延生長。歷史：1969-1972年間，A. Y. Cho進(jìn)行了 MBE的開創(chuàng)性研究，用MBE生長出了高質(zhì)量的GaAs薄膜單晶及n型、p型摻雜，制備出了多 種半導(dǎo)體器件，而且生長出第一個(gè) GaA AIGaAs超晶格材料，從而 引起了人們的關(guān)注

2、我國于80年代初由半導(dǎo)體所和物理所分別研制出了自己 的MBE設(shè)備分子束外延設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它主要涉及如下幾個(gè) 方面的技術(shù)：真空、機(jī)械、材料、電子、自動控制、計(jì)算機(jī) 設(shè)備：高真空生長室：源發(fā)射爐、襯底夾、加熱器過程控制系統(tǒng)：閘門、熱電偶、加熱器控制監(jiān)測、分析系統(tǒng)：高能電子、衍射儀質(zhì)譜儀、俄歇分析儀MBE的生長系統(tǒng)進(jìn)樣室（裝樣、取樣、對襯底進(jìn)行低溫除氣）進(jìn)樣室用于換取 樣品，可同時(shí)放入多個(gè)襯底片。預(yù)處理與表面分析室（襯底預(yù)除氣、表面分析XPS UPS SIMS LEED預(yù)備分析室可對襯底片進(jìn)行除氣處理，通常在這個(gè)真空室配置AES SIMIS、XPS UPS等分析儀器。外延生長室是MBE系統(tǒng)中

3、最重要的一個(gè)真空工作室，配置有分 子束源、樣品架、電離記、高能電子衍射儀和四極質(zhì)譜儀等部 件。監(jiān)控系統(tǒng)：四極質(zhì)譜儀-真空度檢測，監(jiān)測殘余氣體和分子束流 的成分；電離計(jì)-測量分子束流量；電子衍射儀-觀察晶體表面 結(jié)構(gòu)以及生長表面光潔平整度；俄歇譜儀-檢測表面成分、化學(xué) 計(jì)量比和表面沾污等。MBE勺原理：利用在超高真空(內(nèi)腔10(-10 ) torr )環(huán)境下，加熱(對 于cell的控溫精密掌握)材料源蒸鍍其分子，氣體分子在成長腔內(nèi) 的平均自由路徑大于蒸鍍源至基板之間的距離，可視為使蒸鍍物質(zhì)以分子束依直線行走而直接到達(dá)連基板 2進(jìn)行磊晶成長。各源爐前的擋 板用來改變外延層的組份和摻雜。根據(jù)設(shè)定的程

4、序開關(guān)擋板、改變爐 溫和控制生長時(shí)間，就可以生長出不同厚度、不同組份、不同摻雜濃 度的外延材料。MBE生長過程及特點(diǎn)生長條件苛刻，要在MBE外延生長中取得較好的生長效果，對生長前 載入系統(tǒng)的襯底表面平整度要求非常高，需去除表面的有機(jī)玷污和某 些金屬玷污，同時(shí)還要進(jìn)行晶片表面損傷層的去除和表面拋光。1. 源蒸發(fā)形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向襯底；分子束從束源爐(Knudsen effusion cell)中產(chǎn)生，束源爐溫度由PID或者計(jì)算機(jī)精確控制，并通過熱偶提供溫度反饋。分子束流 的大小主要由束源爐的溫度決定，其穩(wěn)定度可達(dá)士1%。束流強(qiáng)度由幾何關(guān)系推導(dǎo)出，但實(shí)際受坩堝的錐度、口徑、

5、液面與爐口的距離等 因素影響。2. 分子束在襯底上進(jìn)行外延生長。從生長過程看，MBE有三個(gè)基本區(qū)域：分子束產(chǎn)生區(qū)、各分子束交叉混合區(qū)、反應(yīng)和晶化過程區(qū)。3. 從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附RHEE是最重要的設(shè)備。高能電子槍發(fā)射電子束以1-3度掠射到基片表面4. 被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解這時(shí)候我們可以經(jīng)過表面晶格衍射在熒光屏上產(chǎn)生的衍射條紋直 接反映薄膜的結(jié)晶性和表面形貌，衍射強(qiáng)度隨表面的粗糙度發(fā)生 變化。振蕩反映了薄膜的層狀外延生長和外延生長的單胞層數(shù)。5. 原子進(jìn)入晶格位置發(fā)生外延生長可在原子尺度范圍內(nèi)精確地控制外延層的厚度、界面平整度和摻雜分布，結(jié)合掩膜技術(shù)，可以制備具有二

6、維和三維結(jié)構(gòu)的薄膜。可隨意改 變外延層的組分和摻雜。6. 未進(jìn)入晶格的分子因熱脫附而離開表面在蒸鍍的過程中CHAMBE的真空度維持在10-6torr，稍後由於CHAMBER內(nèi)各種材料的釋氣，真空度會被降低，所以必須不斷地抽氣，以維持 想要的真空度，如此鍍出來的膜才會純。產(chǎn)品規(guī)格：.真空抽氣經(jīng)烘烤后可達(dá)到優(yōu)于1E-10Torr。-多材料共蒸鍍的腔體設(shè)計(jì)。-樣品可升溫至800 C,具旋轉(zhuǎn)功能。-多種外延用蒸發(fā)源可供選擇。*可配備進(jìn)樣室，減少污染，樣品座可容納至少 2個(gè)樣品，減少真空腔 體開關(guān)次數(shù)。配備符合超高真空需求的磁性樣品傳送桿。提供多樣化蒸發(fā)源：Effusion cell, Plasma c

7、ell, Crack celliiiiiiiiii多種蒸鍍材料或反應(yīng)性鍍膜技術(shù)：Metal Cell, Oxide Cell, LiquidMetal Cell, Orga nic Cell.各種容量的蒸發(fā)源系統(tǒng)配備石英膜厚計(jì)，協(xié)助鍍膜監(jiān)控為什么要超高真空？1、避免源爐噴射出的原子在到達(dá)襯底之前與環(huán)境中的殘余氣體碰撞而受到污染氣體分子密度n(cm3)與真空度p(torr)的關(guān)系：n二1. 035 109T / p分子的平均自由程：12：n匚2(cm)2、避免環(huán)境中的殘余氣體分子與外延表面碰撞而使外延面受到污染1單位時(shí)間、單位面積表面被氣體分子碰撞次數(shù)：N = 4nv分子熱運(yùn)動平均速度：v 8RT/二M真空技術(shù)主要包括：真空的獲得、真空的測量、真空檢漏真空的獲得-真空泵真空的測量-