1、分子束外延技术简介分子束外延技术简介声明：声明：本文件中引用的来自书籍、刊物及网页中的图片本文件中引用的来自书籍、刊物及网页中的图片的一切权利归各自的权利人所有。的一切权利归各自的权利人所有。 什么是分子束外延什么是分子束外延 真空技术介绍真空技术介绍 分子束外延设备分子束外延设备 分子束外延工艺分子束外延工艺什么是分子束外延什么是分子束外延外延生长技术在半导体领域得到应用是外延生长技术在半导体领域得到应用是在在2020世纪世纪6060年代。它指的是在一定条件年代。它指的是在一定条件下，使某种或某些种物质的原子（或分下，使某种或某些种物质的原子（或分子）有规则排列、定向生长在经过仔细子）有规则
2、排列、定向生长在经过仔细加工的晶体（一般称为衬底）表面上。加工的晶体（一般称为衬底）表面上。它生长的材料是一种与衬底晶格结构有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。这个单晶层称一定对应关系的单晶层。这个单晶层称为为外延层外延层，而把生长外延层的过程叫做，而把生长外延层的过程叫做外延生长外延生长。分子束外延（分子束外延（MBE）是外延生长技术中非是外延生长技术中非常重要的一种。它是常重要的一种。它是60年代末年代末70年代初年代初在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备半导体超薄层材料和器件的技术。在超高半导体超薄层材料和器件的技术。在超高真空条
3、件下，构成晶体的各个组份和掺杂真空条件下，构成晶体的各个组份和掺杂原子（分子）以一定的热运动速度、按一原子（分子）以一定的热运动速度、按一定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体的外延生长。的外延生长。在在超高真空系统超高真空系统中，分子束源炉与被加热中，分子束源炉与被加热的衬底相对放置。将组成化合物中的各个的衬底相对放置。将组成化合物中的各个元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。加热源炉使它们的分子（原子）以一定的加热源炉使它们的分子（原子）以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到热运动速度和一定的束流强度比例喷射到衬底表
4、面上，与表面相互作用，进行单晶衬底表面上，与表面相互作用，进行单晶薄膜的外延生长。各源炉前的薄膜的外延生长。各源炉前的挡板挡板用来改用来改变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变开关挡板、改变炉温炉温和控制生长时间，就和控制生长时间，就可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺可以生长出不同厚度、不同组份、不同掺杂浓度的外延材料。杂浓度的外延材料。 分子束外延分子束外延原理示意图原理示意图其特点是其特点是: 生长速度慢（生长速度慢（1 m/h），），生长温度低，生长温度低，可随意改变外延层的组份和掺杂，可随意改变外延层的组份和掺杂，可在原子尺度范围内精确
5、控制外延层的可在原子尺度范围内精确控制外延层的厚度、异质结界面平整度和掺杂分布。厚度、异质结界面平整度和掺杂分布。在生长的原位研究外延表面的生长过程在生长的原位研究外延表面的生长过程和作表面分析。和作表面分析。 分子束外延分子束外延的生长过程是一个或多个热的生长过程是一个或多个热分子（原子）束与加热的衬底表面的反分子（原子）束与加热的衬底表面的反应过程。它涉及入射分子（原子）在衬应过程。它涉及入射分子（原子）在衬底表面的底表面的吸附吸附、分解分解、迁移迁移、结合结合、脱脱附附等复杂过程。主要是受表面化学、表等复杂过程。主要是受表面化学、表面反应控制的动力学过程，而不是热平面反应控制的动力学过程
6、，而不是热平衡过程。衡过程。 外延表面反应过程外延表面反应过程19471960197019801990发明晶体管发明集成电路固态源MBE气态源MBEMBE生长出高质量GaAs单晶薄膜在MBE生长的GaAs/AlGaAs sls中观察到负微分电阻现象MBE GaAs/AlGaAs DH LD 激光器阈值电流密度1kA/cm2为什么要超高真空？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、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与环境中的残余气体碰撞而受到污染气体分子密度气体分子密度n(cm-3)与真空度与真空度p(torr)的关系：的关系：分子的平均自由程：
7、分子的平均自由程：pTn/10035. 119)cm(212n2、避免环境中的残余气体分子与外延表面、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：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：分子热运动平均速度：vnN41MRTv/8对于大多数分子对于大多数分子,1、 P=10-6 torr, l102 m P=10-10 torr, l106 m2、 P=10-6 torr, N 3x1014 cm-2 s-1， 23秒就扑满整个样品表面秒就扑满整个样品表面 P=10-10 torr, N 3x101
8、0 cm-2 s-1 58小时才能扑满整个样品小时才能扑满整个样品真空技术介绍真空技术介绍真空：低于一个大气压的气体状态真空：低于一个大气压的气体状态真空技术主要包括：真空技术主要包括：真空的获得、真空的测量、真空检漏真空的获得、真空的测量、真空检漏1010108106104102100102104粗真空粗真空低真空低真空Pa高真空高真空超高真空超高真空极高真空极高真空真空的大致范围真空的大致范围真空度的单位：真空度的单位：1 mmHg1 Torr1 Torr133 Pa1 mbar100 Pa1 ATM101325 Pa1 ATM760 Torr真空的获得真空泵真空的获得真空泵排气型：利用内
9、部的各种压缩机构将被排气型：利用内部的各种压缩机构将被抽容器中的气体压缩到排气口方向。抽容器中的气体压缩到排气口方向。吸气型：在封闭的真空系统中，利用各吸气型：在封闭的真空系统中，利用各种表面吸气的办法将被抽空间的气体分种表面吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气表面上，使被抽容器子长期吸着在吸气表面上，使被抽容器保持真空。保持真空。机械泵机械泵增压泵增压泵扩散泵扩散泵分子泵分子泵吸附泵吸附泵离子泵离子泵升华泵升华泵低温泵低温泵低真空泵 高真空泵排气型吸气型机械泵机械泵旋片式真空泵旋片式真空泵是一种油封式机械真是一种油封式机械真空泵。其工作压强范空泵。其工作压强范围为围为7607600.
10、01 Torr0.01 Torr属于低真空泵。它可属于低真空泵。它可以单独使用，也可以以单独使用，也可以作为其它高真空泵或作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。超高真空泵的前级泵。 旋片式机械泵工作演示旋片式机械泵工作演示罗茨真空泵罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。高真空多级罗茨泵。 罗茨
11、真空泵工作原理罗茨真空泵工作原理罗茨真空泵工作原理演示罗茨真空泵工作原理演示油扩散泵油扩散泵是利用高速喷是利用高速喷射（超声速）射（超声速）的油分子使处的油分子使处在分子流状态在分子流状态的气体沿一个的气体沿一个方向扩散而排方向扩散而排出泵外。出泵外。 进气进气排气排气冷却管冷却管加热器加热器泵油泵油涡轮分子泵涡轮分子泵其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量，做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量，然后以与入射方向无关的方向脱离，其发射角度遵然后以与入射方向无关的方向脱离，其发射角度遵守余弦定理守余
12、弦定理进气进气排气排气转子转子叶片叶片定子定子叶片叶片入射气体入射气体分子速度分子速度叶片切向速度叶片切向速度abab(a)(b)涡轮分子泵涡轮分子泵吸附泵吸附泵在液氮温度下使用多孔在液氮温度下使用多孔吸附剂吸气的真空泵吸附剂吸气的真空泵可分为内冷式和外冷式可分为内冷式和外冷式内冷式吸附泵内冷式吸附泵低温泵（冷凝泵）低温泵（冷凝泵）使用低于使用低于20K的金属表面对气体分子进行多分子层的金属表面对气体分子进行多分子层的吸附相对于气体的凝聚，可获得更低的极限的吸附相对于气体的凝聚，可获得更低的极限压强、更大的抽速。压强、更大的抽速。钛升华泵钛升华泵利用化学活性金属利用化学活性金属钛在室温或者液氮
13、钛在室温或者液氮温度下以化学吸附温度下以化学吸附形式吸附一些化学形式吸附一些化学活性的气体。活性的气体。钛升华器钛升华器溅射离子泵溅射离子泵是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及惰性气体抽气的超高真空泵。惰性气体抽气的超高真空泵。NS5 kV直流电源直流电源磁铁磁铁钛阴极钛阴极桶状阳极桶状阳极1010108106104102100102104机械泵机械泵吸附泵吸附泵Pa涡轮分子泵涡轮分子泵离子泵离子泵升华泵升华泵扩散泵扩散泵低温泵低温泵各种真空泵的工作范围各种真空泵的工作范围真空的测量真空计真空的测量真空计绝对真空计：直接测量气体的压强，如绝对
14、真空计：直接测量气体的压强，如U型管气压计。型管气压计。相对真空计：利用物理规律间接测量气相对真空计：利用物理规律间接测量气体压强，如热偶规管、电离规管。体压强，如热偶规管、电离规管。热偶规管热偶规管气体的导热与气体压强存在一定的对应关系。气体的导热与气体压强存在一定的对应关系。规管热丝恒流电源加热丝加热丝热电偶热电偶毫伏表毫伏表接被测真空系统接被测真空系统DL-3型热偶规管结构及真空度校准曲线型热偶规管结构及真空度校准曲线电离规管电离规管电子在电场中飞行时，电子在电场中飞行时，若与气体分子碰撞，若与气体分子碰撞，将以一定的几率发生将以一定的几率发生电离，产生正离子和电离，产生正离子和次电子，
15、电子在飞行次电子，电子在飞行中产生正离子的几率中产生正离子的几率在一定温度下正比气在一定温度下正比气体压强，因此可以根体压强，因此可以根据离子流的大小测量据离子流的大小测量真空度。真空度。e收集极收集极C（负电位）（负电位）阳极阳极A（正电位）（正电位）阴极阴极F（零电位）（零电位）两种结构两种结构的电离规的电离规管管分子束外延设备分子束外延设备分子束外延设备是一个复杂的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系统，它主要涉及如下几个方面的技术：面的技术：真空、机械、材料、电子、真空、机械、材料、电子、自动控制、计算机自动控制、计算机真空腔室、真空泵、真空阀门、真空计源炉温度控制、
16、挡板控制、烘烤控制、真空度监测、RHEED监测、残余气体分析等计算机真空系统控制与监测系统分子束外延设备真空系统的组成分子束外延设备真空系统的组成进样室进样室（装样、取样、对衬底进行低（装样、取样、对衬底进行低温除气）温除气）预处理与表面分析室预处理与表面分析室（衬底预除气、（衬底预除气、表面分析表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED）生长室生长室（样品生长）（样品生长）衬底传递机构衬底传递机构（样品在各腔室之间的（样品在各腔室之间的传递）传递）生长室生长室预处理室预处理室进样室进样室缓冲室缓冲室小车小车Riber 32P MBE系统系统V80H MBE系统系统Riber 32P MBE系
17、统系统Riber 32P 双生长室双生长室MBE系统系统V80H 双生长室双生长室MBE系统系统进样室进样室装样、取样、装样、取样、对衬底进行对衬底进行低温除气低温除气Riber 32P MBE系统系统预处理与表面分析室预处理与表面分析室衬底预除气、表面分析衬底预除气、表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED等等V80H MBE系统系统生长室生长室 样品生长样品生长典型的典型的MBE生长室生长室源炉荧光屏RHEED电子枪观察窗电离规衬底加热器样品传递衬底液氮冷屏挡板V80H MBE系统系统生长室生长室 样品生长样品生长源炉液氮冷屏观察窗衬底加热器挡板源炉的两种配置源炉的两种配置1 卧式配置卧
18、式配置源炉的两种配置源炉的两种配置2 立式配置立式配置衬底加热器衬底加热器电离规加热器操纵机构Riber 32P MBE系统系统衬底加热器衬底加热器V80H MBE系统系统加热器操纵机构主挡板钼托（钼托（substrate mounting block）Riber 3 吋无铟钼托吋无铟钼托Riber MBE系统源炉和挡板系统源炉和挡板挡板挡板挡板挡板源炉源炉电阻加热式源炉电阻加热式源炉源炉源炉裂解炉裂解炉电子束加热式源炉电子束加热式源炉激光辅助加热式源炉激光辅助加热式源炉气态源炉气态源炉Load-lock式源炉式源炉Riber MBE Load-lock式源炉式源炉配备配备Load-lock源
19、炉的源炉的Riber 32P MBE系统系统源炉温度的控制源炉温度的控制可控直流可控直流电源电源计算机计算机源炉源炉热偶热偶PID温度温度控制器控制器控制信号控制信号总线总线PID温度控制器温度控制器温度设定温度设定电路电路冷端补偿冷端补偿电路电路PID调节调节电路电路手动控手动控制信号制信号误差放大误差放大电路电路接口接口电路电路电源电源电路电路PID调节调节器器PIDVINVPVIVDVOOt1/PTI KITITD / KDKD/PVPVIVDVOP： 比例带比例带TI： 积分时间积分时间KI： 积分增益积分增益TD：微分时间：微分时间KD：微分增益：微分增益四极质谱仪四极质谱仪在在MB
20、E设备上主设备上主要用作超高真空要用作超高真空检漏和残余气体检漏和残余气体分析分析OXYZU1+U2 cos(wt)四极质谱仪结构示意图四极质谱仪结构示意图反射高能电子衍射（反射高能电子衍射（RHEED）原位观察样品表面的清洁度、平整度、表面原位观察样品表面的清洁度、平整度、表面结构、确定生长条件结构、确定生长条件GaAs(100)面面 x2和和x4再构的再构的RHEED图案图案RHEED振荡振荡GaAs生长时的生长时的RHEED振荡振荡计算机自动监测与控制计算机自动监测与控制V80H的计算机自动监测和控制系统的计算机自动监测和控制系统分子束外延工艺分子束外延工艺衬底的化学清洁处理衬底的化学清
21、洁处理去蜡去蜡去油去油腐蚀腐蚀贴片贴片装样装样预除气预除气生长生长取样取样去蜡和去油去蜡和去油1 石油醚煮沸石油醚煮沸 5 分钟；分钟；2 石油醚煮沸石油醚煮沸 5 分钟；分钟；3 无水乙醇煮沸无水乙醇煮沸 5 分钟；分钟；4 丙酮煮沸丙酮煮沸 5 分钟；分钟；5 三氯乙烯煮沸三氯乙烯煮沸 5 分钟、二次；分钟、二次；6 丙酮煮沸丙酮煮沸 5 分钟；分钟；7 乙醇煮沸乙醇煮沸 5 分钟；分钟；8 大量纯水冲洗数次大量纯水冲洗数次腐蚀腐蚀1 511腐蚀液腐蚀腐蚀液腐蚀 5 分钟；分钟；2 大量纯水冲洗数次；大量纯水冲洗数次；3 高纯氮气吹干。高纯氮气吹干。511腐蚀液的配置：腐蚀液的配置：1 1
22、体积纯水倒入烧杯中；体积纯水倒入烧杯中；2 1体积双氧水倒入烧杯中，摇匀；体积双氧水倒入烧杯中，摇匀；3 5体积浓硫酸倒入冷水浴中的烧杯，体积浓硫酸倒入冷水浴中的烧杯， 摇匀，冷却后使用。摇匀，冷却后使用。贴片贴片有有In钼托钼托1 加热钼托至加热钼托至160 OC；2 在钼托表面涂在钼托表面涂In，使融化；，使融化；3 重复推动衬底，使衬底和钼托之间形重复推动衬底，使衬底和钼托之间形成一薄层无空气隙的成一薄层无空气隙的In层；层；4 去除钼托上多余的去除钼托上多余的In无无In钼托钼托预除气预除气 待生长室真空度到达规定时，打开生待生长室真空度到达规定时，打开生长室与预除气室之间的真空阀，将
23、贴长室与预除气室之间的真空阀，将贴有衬底的钼托传送到预处理室，在一有衬底的钼托传送到预处理室，在一定温度下（定温度下（GaAs不超过不超过 400 OC、InP不超过不超过 300 OC）加热钼托，使其充分）加热钼托，使其充分放气。真空度达到要求后，加热器降放气。真空度达到要求后，加热器降温。将除过气的钼托传送到缓冲室存温。将除过气的钼托传送到缓冲室存放，或传送到生长室进行生长。放，或传送到生长室进行生长。衬底的脱氧化物衬底的脱氧化物 当衬底温度升高到某一特定温度时，当衬底温度升高到某一特定温度时，衬底表面氧化物迅速分解，脱离衬底。衬底表面氧化物迅速分解，脱离衬底。该变化可以由该变化可以由RH
24、EED图样的变化观图样的变化观察到。一般的，认为：察到。一般的，认为：GaAs脱氧化脱氧化物温度为物温度为580 OC，InP脱氧化物温度脱氧化物温度为为540 OC。衬底的脱氧现象可用来确。衬底的脱氧现象可用来确定生长时衬底实际温度所对应的表观定生长时衬底实际温度所对应的表观温度。温度。生长生长 按照预先编制好的程序，在计算按照预先编制好的程序，在计算机控制下开关各源炉挡板、改变各源机控制下开关各源炉挡板、改变各源炉温度，进行材料的生长。在生长过炉温度，进行材料的生长。在生长过程中，有关人员密切注意和定时记录程中，有关人员密切注意和定时记录仪器的各种状态参数，要及时、正确仪器的各种状态参数，要及时、正确地处理生长中发生的异常情况。地处理生长中发生的异常情况。谢谢 谢！谢！
