干貨：分子束外延要點解析

一、分子束外延?(Molecular?Beam?Epitaxy，MBE)簡介

在超高真空環境下，?使具有一定熱能的一種或多種分子?(原子) 束流噴射到晶體襯底?，在襯底表面發生反應的過程

，山于分子在?"飛行"過程中幾乎與環境氣體無碰撞?，以分?子束的形式射向襯底?，進行外延生長， 故此而得名。

屬性:?一種真空蒸鍍方法

始創:?20世紀70年代初期，美國Bell實驗室

應用:?外延生長原子級精確控制的超薄多層?二維結構材料和器件(超品格、量子阱、調制摻雜異質結、量子陰:激光器?、高電子遷移率晶體管等)?;結合其他工藝，還可制備一維和?零維的納米材料(量子線、量子點等）。

MBE?的典型特點:

(1) 從源爐噴出的分子（原子）以?"分子束"?流形式直線?到達襯底表面。通過石英晶體膜厚儀監測， 可嚴格控制生長速率。

(2)分子束外延的生長速率較慢?，大約0.01-1nm/s。可實現單原子(分子)層外延?，具有極好的膜厚可控性?。

(3) 通過調節束源和襯底之間的擋板的開閉?，可嚴格控制膜的成分和雜質濃度?，也可實現選擇性外延生長。

(4)非熱平衡生長?，襯底溫度可低于平衡態溫度 ?，實現低溫生長?，可有效減少互擴散和自摻?雜。

(5) 配合反射高能電子衍射(?RHEED?) 等裝置?，可實現原價觀察、實時監測。

生長速率比較慢?，既是MBE的一個優點?，同時也是它的不足，不適于厚膜生長和大量生產?。

二、硅分子束外延

1?基本概況

硅分子束外延包括同質外延?，異質外延?。

硅分子束外延是通過原子、分子或離子的物理淀積?，在適當加熱的硅襯底上進行硅(或與硅相關材料)的外延生長。

(1) 外延期間?，襯底處于較低溫度?。

(?2?) 同時摻雜。

(3) 系統維持高真空。

(4)特別注意原子級干凈的表面。

圖1 硅MBE的工作原理示意圖

2 硅分子束外延的發展歷史背景

相對于CVD缺點而發展起來。

CVD缺陷?:?襯底高溫?，1050oC?，向摻雜嚴重(跟高溫有關)?。?原始的分子束外延?:?硅襯底加熱至適當溫度，真空下使硅蒸發?到硅襯底上?，進行外延生長。

生長準則?:?入射分子充分運動，達到襯底的熱?表面?，并以單晶形式排列。

3 硅分子束外延的重要性

硅MBE是在一個嚴格控制的低溫系統中進行?。

(1) 能很好地控制雜質濃度?，達到原子級?。非摻雜濃度可控在<3×10¹³/cm³。

(2) 外延可在無缺陷的最佳條件下進行?。

(3)?外延層厚度可控制在單原子層的厚度內?，進行超晶格外延，幾nm~幾十nm，從而可實現人工設計?，并制備性能優異的新功能材料。

(4) 硅的同質外延，類硅的異質外延?。

4?外延生長設備

發展方向?:可靠性、高性能和多功能

缺點:?價格高?、復雜，運行費用高?。

適用范圍?:?可用于硅MBE?，化合物MBE?，III-V族MBE?，金屬半導體的?MBE正在發展中。

基本的共同特點?:

(1) 基本的超高真空系統?，外延室?，努森加熱室；

(2) 分析手段?，LEED?、SIMS，陽EED等；

(3) 進樣室。

圖2 硅分子束外延系統示意圖

(1)電子束轟擊硅靶表面，從而容易產生硅分子束。為了避免硅分子束散發到旁邊去而引起不良影響?，大面積屏屏蔽和準直是必需的?。

(2) 電阻加熱的硅陰極產生不了強分子束，?其它的石墨柑鍋有Si-C玷污，最好的辦法是電子束蒸發產生硅源。因為，硅MBE某些部分溫度較高?，便于蒸發?，硅的低蒸發壓要求蒸發源具有較高溫度。蒸發同時，要對束流密度和掃描參數進行控制。使得硅熔坑正好處在硅棒內?，硅棒成為高純柑梢。

監測分子束流有以下幾種:

(1) 石英晶體常用?于監測束流?，束流屏蔽和冷卻適當，可得滿意結果，但噪音影響穩定性。幾個μm后?，石英晶體便失去了線性。調換頻繁，主系統經常充氣，這不利于工作?。

(2)小型離子表?，測分子束流壓?，而不是測分子束流通量。?由于系統部件上的淀積而使其偏離標準?。

(3) 低能電子束?，橫穿分子束?，利用所探測物種的電子激發熒光。原子被激發并很快衰退到基態產生uv熒光，光學聚焦后熒光密度正比于束流密度。可做硅源的反饋控制。不足之處:?切斷電子束，大部分紅外熒光和背景輻射也會使信噪比惡化到不穩定的程度。?它只測原子類，不能測分子類物質。

(4) 原子吸收譜?，監測摻雜原子的束流密度?。

用斷續束流?，對Si、Ga分別用251.6nm，294.4nm光輻射進行探測，光束穿過原子束所吸收強度轉換成原子束密度，并得到相應比率。

分子束外延?(?MBE?) 襯底底座是一個難點?。

MBE是一個冷壁過程?，即襯底硅片加熱高達?1200℃，環境要常溫。此外?，硅片要確保溫度均勻。山電阻耐火金屬和石墨陰極，背而輻射加熱，而整個加熱部件卻裝在液氮冷卻的容器中?，以減少對真空部件的熱輻射。襯底旋轉，保證加熱均勻。自由偏斜?，可增強二次注入的摻雜效應?。

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