《表面工程技术》课程论文

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1、分子束外延技术原理及应用引言外延是指在单晶基片上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。外延方法主要有气相外延、液相外延和分子束外延。气相外延主要就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。将外延层所需的化学组分以气相的形式，通过物理或化学变化在衬底上进行的外延，这就是气相外延。液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，有固体析出而进行结晶生长的方法。生长晶体的驱动力是溶液的过饱和度。当衬底与溶液接触时，若溶液处于过饱和状态则会有溶质从溶液中析出。条件适宜时，析出的溶质就会在衬底上生长出外延

2、层。分子束外延（MBE）是将真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种成膜技术，它在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强，在基片上外延成膜的技术。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定的限制。分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延技术的原理与特点分子束外延是一种

3、在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。但因一般的真空蒸镀达不到半导体薄膜要求的高纯度、晶体的完整性和杂质的控制，因而限制了它在制备半导体薄膜方面的应用。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。MBE属于真空蒸镀的范畴，因此在制备半导体薄膜的方法上和其他的外延方法相比有着巨大的优势，具体表现如：（1）在超高真空下生长，污染较少，可生长出高纯度外延材料；（2）生长速度为一般为0.1～10个单原子层/s，通过挡板的快速开关可实现

4、束流的快速切换从而达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制；（3）衬底温度低，可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结；（4）MBE生长不是热平衡条件下进行的，可生长按普通热平衡方法难以生长的薄膜材料，易于生长多种新型材料；（5）MBE生长为二维生长模型，使外延层的表面、界面具有原子级的平整度（RHEED强度周期性地对应于单分子层的厚度）；（6）高真空，可用多种表面分析仪器对外延生长过程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息，便于进行生长过程和生长机理的研究；（7）MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连接，使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀等在真空条件下连续进

5、行，提高器件性能及成品率。与此同时，这种外延技术也存在着一些不足之处，主要问题有以下几种：（1）表面形态的卵形缺陷，长须状缺陷及多晶生长；（2）难于控制两种以上V族元素，不利于批量生产；（3）生长时间长，表面缺陷密度大；（4）设备较为昂贵，分析仪器易受蒸气分子的污染。分子束外延生产设备、参数MBE设备由真空系统、蒸发源、监控系统和分析测试系统构成。蒸发源由几个克努曾槽型分子束盒构成。后者由坩埚、加热器、热屏蔽、遮板构成。分子束盒用水冷却，周围有液氮屏蔽。分子束加热和遮板的开闭是精确控制的关键。生长系统主要由以下几个部分组成：进样室、预处理室（衬底存储室）和生长室。监控系统由四极质谱仪（其作用是

6、：真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分）、电离计（其作用是：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）和俄歇谱仪（其作用是：检测表面成分、化学计量比和表面沾污等）等四种仪器构成。下图是一种计算机控制的分子束外延生长装备示意图。这种早期使用的装置为单室结构。现在的MBE设备一般都是生长室、分析室和基片交换室的三室分离型设备。现以GaAs为例说明MBE法制备Ⅲ—Ⅴ族半导体单晶膜的工艺：对经过化学处理的GaAs基片，在10-8Pa的超真空下用As分子束碰撞，经过1min加热，基片温度达到650℃，获得清洁的表面，生长温度可选择在500至700℃；Ga和As分子束从分子

7、束盒射至基片上，形成外延生长；分子束强度按一定关系求得，并用设置在分子束路径上的四级质量分析仪检测，调节分子束盒的温度和遮板开闭。上图是浙江大学光电研究所所引进的MBE设备的实物图,该设备可以在各种衬底材料上实现各种材料薄膜的外延生长，可实现分子自组装、超晶格、量子阱、一维纳米线等工艺实施。分子束外延薄膜生长设备具有超高的真空环境，可在理想的环境下进行薄膜外延生长，它可以排除薄膜在生长时的各种干扰