项目四 硅分子束外延

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1、项目四硅分子束外延任务一、基本概况硅分子束外延包括同质外延，异质外延。硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积，在适当加热的硅衬底上进行硅（或与硅相关材料）的外延生长。（1）外延期间，衬底处于较低温度。（2）同时掺杂。（3）系统维持高真空。(工作压强10-8Pa×7.5×10-3Torr/Pa=7.5×10-11Torr)（4）特别注意原子级干净的表面。它的工作原理如图4-1所示。图4－1MBE工作过程示意图任务二、分子束外延的发展历史背景相对于CVD缺点而发展起来。CVD缺陷：衬底高温，1050℃，自掺杂严重（跟高温有关）。原始的分子束外延：硅衬底加

2、热至适当温度，真空下使硅蒸发到硅衬底上,进行外延生长。（1962年）。分子束外延：MolecularBeamEpitaxy，MBE。生长准则：入射分子充分运动，达到衬底的热表面，并以单晶形式排列。（1）衬底的温度达到1/3熔点温度，1450℃/3，T=500℃，可获得足够的表面迁移率。（23）杂质浓度：取决于系统的真空度，即杂质吸附在表面以及结合到外延膜中的程度。硅蒸发技术：1、电阻加热，瞬间蒸发。2、电子轰击蒸发。在低工作压强中进行，玷污成主要问题。氧、氢存在，表面只有小部分结合，晶体产生缺陷，衬底温度TS升高，生长速率增高，1mm/min增至1.5mm

3、/min,TS=1200°C，但掺杂无法控制。超高真空系统出现（UltrahighVacuumUHV），本底真空度降至10-9Pa，生长速率Re下降，TS下降。在杂质吸附系数S、衬底温度TS条件下，可根据图4-2定性地估计杂质的浓度。图4-2本底杂质浓度和本底压强的关系3外延膜掺杂浓度随掺杂源浓度、生长速率以及衬底温度的变化有不同的模型，它可用脱附系数，吸附系数，以及蒸气压来表示。至今MBE的参杂仍是一个重要课题。过去曾得到硅中掺锑的外延膜，摸索并了解得吸附系数与锑流量及衬底温度之间的关系。任务三、硅分子束外延的重要性硅MBE是在一个严格控制的低温系统中进

4、行。（1）能很好地控制杂质浓度，达到原子级。非掺杂浓度可控在<3´1013/cm3。（2）外延可在无缺陷的最佳条件下进行。（3）外延层，厚度可控制在单原子层的厚度内，进行超晶格外延，几十个A°——几百个A°，从而可实现人工设计，并制备性能优异的新功能材料。（4）硅的同质外延，类硅的异质外延。任务四、外延生长设备发展方向：可靠性，高性能和多功能，价格高，复杂，运行费用高。可用于硅MBE，化合物MBE，III-V族MBE，金属半导体的MBE正在发展中。基本的共同特点：（1）基本的超高真空系统，外延室，努森加热室；（2）分析手段，LEED、SIMS，RHEED等

5、；（3）进样室。基本结构见图4-3。（1）电子束轰击硅靶表面，从而容易产生硅分子束。为了避免硅分子束散发到旁边去而引起不良影响，大面积屏蔽和准直是必需的。（2）电阻加热的硅阴极产生不了强分子束，其它的石墨坩埚有Si-C玷污，最好的办法是电子束蒸发产生硅源。因为，硅MBE某些部分温度较高，便于蒸发，硅的低蒸发压要求蒸发源具有较高温度。蒸发同时，要对束流密度和扫描参数进行控制。使得硅熔坑正好处在硅棒内，硅棒成为高纯坩埚。333金属分子束外延室电子蒸发器容量40cm2外延室溅射清洗阶段准备/分析室观察口箱进口锁定阀门观察口箱进口锁定中间转输舱观察口离子源磁性区分

6、析容量150cm3电子束蒸发器离子掺杂系统合金化阶段硅分子束外延室衬底传送器夹钳100舱33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mm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。可用做硅源的反馈控制。不足之处：切断电子束，大部分红外荧光和背景辐

7、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。（4）原子吸收谱，监测掺杂原子的束流密度。用断续束流，对Si、Ga分别用251.6mm，294.4mm光辐射进行探测，光束穿过原子束所吸收强度转换成原子束密度，并得到相应比率。分子束外延（MBE）衬底底座是一个难点。MBE是一个冷壁过程，却衬底硅片加热高达1200°C，环境要常温。此外，硅片要确保温度均匀。由电阻耐火金属和石墨阴极，背面辐射加热，而整个加热部件却装在液氮冷却的容器中，以减少对真空部件的热辐射。衬底旋转，保证加热均匀。自由偏斜，可增强二次注入的掺杂效应。阴极热发射电子轰击硅片，

8、以提高衬底温度。在硅基技术很成熟，现大直径硅片外延，对晶体质量，外