​MBE的工作原理及优缺点

发布时间:2020/10/19 浏览次数:41

分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,简称MBE)是制备极薄的单层或多层单晶薄膜的一种技术,它是在超高真空的条件下,把一定比例的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长的技术。它生长的材料是一种与衬底晶格结构有一定对应关系的单晶层。这个单晶层称为外延层,而把生长外延层的过程叫做外延生长。历史:1969-1972年间,A.Y.Cho进行了MBE的开创性研究,用MBE生长出了高质量的GaAs薄膜单晶及n型、p型掺杂,制备出了多种半导体器件,而且生长出个GaAs/AIGaAs超晶格材料,从而引起了人们的关注我国于80年代初由半导体所和物理所分别研制出了自己的MBE设备分子束外延设备是一个复杂的系统,它主要涉及如下几个方面的技术:真空、机械、材料、电子、自动控制、计算机设备:高真空生长室:源发射炉、衬底夹、加热器过程控制系统:闸门、热电偶、加热器控制监测、分析系统:高能电子、衍射仪质谱仪、俄歇分析仪MBE的生长系统进样室(装样、取样、对衬底进行低温除气)进样室用于换取样品,可同时放入多个衬底片。预处理与表面分析室(衬底预除气、表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED)预备分析室可对衬底片进行除气处理,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系统中重要的一个真空工作室,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。  监控系统:四极质谱仪-真空度检测,监测残余气体和分子束流的成分;电离计-测量分子束流量;电子衍射仪-观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度;俄歇谱仪-检测表面成分、化学计量比和表面沾污等。 MBE的原理: 利用在超高真空(内腔〈10(-10)torr)环境下,加热(对于cell的控温精密掌握)材料源蒸镀其分子,气体分子在成长腔内的平均自由路径大于蒸镀源至基板之间的距离,可视为使蒸镀物质以分子束依直线行走而直接到达连基板2进行磊晶成长。各源炉前的挡板用来改变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间,就可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺杂浓度的外延材料。 MBE生长过程及特点 生长条件苛刻,要在MBE外延生长中取得较好的生长效果,对生长前载入系统的衬底表面平整度要求非常高,需去除表面的有机玷污和某些金属玷污,同时还要进行晶片表面损伤层的去除和表面抛光。

1. 源蒸发形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向衬底; 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。 

2. 分子束在衬底上进行外延生长。从生长过程看,MBE有三个基本区域:分子束产生区、各分子束交叉混合区、反应和晶化过程区。 

3. 从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附  RHEED是重要的设备。高能电子枪发射电子束以1-3度掠射到基片表面 

4. 被吸附的分子(原子)在表面迁移、分解 这时候我们可以经过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。 

5. 原子进入晶格位置发生外延生长 可在原子尺度范围内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。可随意改变外延层的组分和掺杂。 

 多种蒸镀材料或反应性镀膜技术:Metal Cell, Oxide Cell, Liquid Metal Cell, Organic Cell  各种容量的蒸发源  系统配备石英膜厚计,协助镀膜监控 为什么要超高真空?

1、避免源炉喷射出的原子在到达衬底之前与环境中的残余气体碰撞而受到污染 气体分子密度n(cm-3)与真空度p(torr)的关系: 

分子的平均自由程: 

2、避免环境中的残余气体分子与外延表面碰撞而使外延面受到污染 单位时间、单位面积表面被气体分子碰撞次数: 分子热运动平均速度: 真空技术主要包括: 真空的获得、真空的测量、真空检漏。