分子束外延分析和总结docx

　　1、定义：分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度形成蒸汽，经小孔准直后形成分子束或原子束直接喷射到上述衬底上，同时控制分子束对衬底的扫描，就可以生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。

　　2、研究对象：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。

　　进样室：进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道，也可同时放入多个衬底片。

　　预备分析室：对衬底片进行除气处理，对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。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系统中最重要的一个真空工作室，用于样品的分子束外延生长。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。

　　（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m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。

　　分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子（原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源的供应就停止了，生长也及时停止。不会出现层厚失控。

　　生长室和分析室除机械泵-分子泵联动抽气装置外，一般还需要配置离子泵和钛升华泵，以维持超高真空环境。

　　石英晶体监测：目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。这一方法原理是基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。

　　分子束从束源炉(Knudseneffusioncell)中产生，束源炉温度由PID或者计算机精确控制，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。

　　RHEED是最重要的设备。高能电子枪发射电子束以1-3度掠射到基片表面后，经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。

　　MBE 的结构原理如图所示。整个生长过程需要在超真空环境下进行，从加热的克努森池中产生的分子束流在一个加热的单晶衬底上反应形成晶体。在每一个克努森池里的坩锅中装有生长层所需要的一种元素或化合物，将坩锅设定到合适的温度，使得分子束流正好能在衬底的表面形成所期望的外延组分。为了保证组分的厚度和均匀性，坩锅在衬底周围以圆形排列，并在衬底生长的过程中可以进行旋转。在生长时，组分和掺杂的连续性变化可以由连续改变各个坩锅的温度来实现，而组分的突变则是通过在每一个坩锅入口处的机械阀门的开、关来实现的。在生长过程中，坩锅和衬底的附近需要有液氮冷凝装置，以减少生长层中的非故意掺杂，即减少生长室中的本底掺杂浓度。

　　MBE的线个相互隔开的真空室（生长室、预各室和速装室）组成。在将衬底样品材料和样品台由外界装入生长室的过程中，首先要进入速装室，在100℃加热10个小时以上，以去掉大部分衬底和载体上所吸附的气体。之后，将衬底和样品台送入预备室，在400℃加热2h以上，去掉残留气体。当预备室内气压降至P＜10

　　衬底加热器可以给样品台提供一个稳定、均匀而且重复性很好的温场。当衬底加热器两次测量的温度相同时，衬底的实际温差控制在

　　±5℃之内。衬底加热器在垂直于分子束流的平面上旋转，以确保外延层生长均匀。为了防止在生长方向上的成分起伏，需使衬底的旋转周期与单层的生长时间相对应，这就要求转速要高于60转／分。

　　在生长过程中，需要随时了解材料的生长状况，并在此基础上进行调整。在衬底加热器的背面装有一台电离规，可以对各个源材料在

　　衬底处的分子束流强度进行在位测量。电离规本质上是一个浓度指示器，用它可以在生长前得出III、V族源在衬底处的相对压力比。反射式高能电子衍射仪（RHEED）用于观察生长层表面的微观结构。使用RHEED时，电子枪出射的高能电子束（E＋10～15KeV）与衬底表面的夹角为1°～2°，与坩锅产生的分子束流近乎垂直，这样可以保证在生长时也使用RHEED，而且还可以保证电子射到材料的表面时，进入1～2层之后就会被反弹出来。如此，可以获得大量的表面信息。因此可以用这种方法监视材料生长初期的生长速率。

　　通过观察生长层表面的再构（2×4）→（4×2）的相变，确定生长时所需要的III／V比。

　　离开衬底表面。所以，要想在衬底表面实现外延材料的生长，首先由欲生长材料的原子（或分子）形成原子团，然后这些原子团不断吸收新的原子加入而逐渐长大成晶核。它们再进一步相互结合形成连续的单晶薄层。

　　⑤附加产物扩散离开表面。每个步骤都有特定的激活能，因此，在不同外延温度下对生长速率的影响不同。

　　沉积到衬底表面上的原子通常去寻找合适的位置落入，使得系统的总能量降至最低。对于实际表面，像表面台阶之类的表面缺陷是原子并入晶格的最佳位置。（见下图）

　　生长机制：对于表面上存在许多淀积原子的情况，它们除了在表面处键合外，还相互结合以进一步减少自由键的数目。外来的淀积原子不断加入小的原子群并形成大的聚集体。显然，当这些原子团继续生长时，它们自己就被看作是提供高结合能位置的表面缺陷，在淀积过程中进一步聚集原子生长。

　　生长原理：MBE的生长方式是按动力学方式进行的。从分子束喷射出的分子到达衬底表面时，由于受到表面力场的作用而被吸咐于衬底表面，经过表面上的迁移、再排列等，最后在适当的位置上释放出汽化热，形成晶核或嫁接到晶格结点上，形成外延薄膜。

　　MBE的生长速度慢(几微米/时)，可在原子尺度范围内精确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

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