分子束外延技术

技术

分子束外延技术是在半导体工艺中近十几年来发展起来的一项新技术，它是在超高真空条件下，类似于真空蒸发镀把构成晶体的各个组分和予掺杂的原子(分子)，以一定的热运动速度，按一定的比例从喷射炉中喷射到基片上去进行晶体外延生长而制备单晶膜的一种方法。简称MBE法。

分子束外延生长的原理及特点

分子束外延，就是在超高真空系统中把所需要的结晶材料放入到喷射炉中，将喷射炉加热。使结晶材料形成分子束，从炉中喷出后，沉积在温度保持在几百度的单晶基片上。如果设置几个喷射炉，就可以制取多元半导体混晶，又可以同时进行掺杂。由于采用四极质谱仪对分子束的强度、相对比进行监控，并将测到的信息反馈到各个喷射炉，就可以精确地控制结晶生长。如果再装上高能电子衍射仪及其他分析仪器，则可以进行沉积系统中结晶生长过程的研究。

利用分子束外延不仅制取了双质结激光器、三维介质集成光波导，还可以用此法使二种光波导重叠地生长在同一基片上，制成了从一个波导移向另一个波导的锥形辋合器，其耦合系数接近于100%。

MBE法与其他液相、气相外延生长法相比较，其特点是，

①分子束外延生长是在超高真空下进行的，残余气体对膜的污染少，可保持极清洁的表面。

②生长温度低，如生长GaAs只有500~600℃，Si只有500℃。

③生长速度慢，(1~10μm/h)。可生长超薄(几个μm)而乎整的膜，膜层厚度、组分和杂质浓度均可进行精确地控制。

④可获得大面积的表面和界面有原子级平整度的外延生长膜。

⑤在同一系统中，可原位观察单晶薄膜的生长过程，可以进行生长机制的研究。

外延生长的缺点是时间长，大批量生产性差，对真空条件要求高。

影响分子束外延的因素

1、外延温度

为了引起外延，基片的温度应达到某一温度值，即有必要加热到外延温度以上，当温度低于外延温度时则不能引起外延。而且外延温度还与其他条件有关，不同条件下的外延温度是不同的。

2、基片结晶的臂开

在过去的常规研究方面，基片结晶是在大气下臂开(机械折断产生结晶面)而后放入真空装置中来制取外延单晶膜。已经研究了晶面一旦臂开就立刻进行制膜的方法。由于这两种方法不同，其外延温度也有所不同。基片结晶在真空下臂开而引起的处延临界温度的不同值，如图1所示。

3、压力的影响

在10-3Pa真空度下，臂开的表面，在1秒钟时间内即可被残余气体的单原子层所覆盖，若在10-5~10-7Pa真空条件下臂开而立即进行蒸镀，则外延温度应当更进一步地降低，但实验表明，并非如此。如M和A，在高真空下进行外延蒸镀与在超高真空下进行外延蒸镀，其结果并没有多少差别。然而，cu、Ag、Au在超高真空下，使(001)面同基片相平行，则很难生成单晶膜，这说明对Cu、Ag、Au进行外延蒸镀时，基片表面还需要进行适当的污染。

4、蒸发速度影响

如果降低蒸发速度，外廷温度Te也降低，如图2所示，在NaCl上面蒸镀外延Au时，NaCl上面的平行方位的蒸铰速度降低，就可以在较低的基片温度下进行晶体外延。

分子束外延装置

MBE装置由样品进样室、预处理分析室和牛K窜等组成。窜间用闸扳阀隔开，以确保生长室的超高真空与清洁。

根据MBE系统的几何结构相应地配置真空系统。根据要求，3个室的真空配置的配置泵的系统并非一样：

(1)进样室。真空度为1.33 x10-6~1 33 x10-8Pa。在l 33×10-6~1.33×10-7Pa段用吸附泵或涡轮分子加离子泵；1.33×10-7Pa时用涡轮分子泵；1.33 x 10-8Pa时用涡轮分子泵或其他泵加闭路循环液氮低温泵。

(2)预处理分析室。真空度为1 33×10-8Pa，由400L/s抽速的离子泵获得。

(3)生长室。真空度为1.33 x 10-9Pa。要按生长室的容积大小和所用的生长材料的阵质来配置。用大抽速带冷阱的特种油扩散泵、大抽速涡轮分子泵、太抽速闭路循环液氮低温泵、大抽速离子泵等四种泵为主泵，再辅以钛升华泵。

分子束外延技术的发展

分子束外延自20世纪60年代末在真空蒸镀的基础上产生以来，发展十分迅速。其中之一是引入气态的分子束源，构成所谓化学束外延(CBE)。用砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)生长InGaAsP等四元材料，或将金属有机化合物引入分子束源形成所谓金属有机化合物分子束外延(MOMBE)。这两项新技术是把MBE和发展很快的金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术相结合，进一步改进了MBE的生长和控制能力。

把分子束外延和脉冲激光结合起来，发展成所谓激光分子束外延(L-MBE)技术。它是用激光照射靶来代替分子(原子)束源，更容易实现对蒸发过程精确的控制，显示了比常规分子束外延更加广阔的应用前景。

分子束外延可能的应用领域由：在高温超导薄膜和器件的研究和应用方面将由于L-MBE能够人工控制原子层的有秩序堆积，可以外延生长发挥重要作用，出含有几个原子层组成绝缘层(I)的YBCO/I/YBCO夹心结构，具备研制三层夹心型超导隧道结的条件；外延生长含有低熔点、易挥发的多元化合物半导体薄膜，在精确调整化合物成分比以便调节隙宽度方面具有优势；人工合成具有特殊层状晶体结构的新型材料，探索新型高温超导体或具有特殊性质的新材料；激光分子束外延在研究和发展多元金属间化合物、亚稳态材料方面也可能有应用的前景。

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