分子束外延

分子束外延（英文名称；Molecular Beam Epitaxy）

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。

3、MBE的一般结构：

目前最典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。

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。

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 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。

生长室结构：

➢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。

（1）真空系统

✓主真空室的本底压强应不高于10-8Pa。

✓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。

✓在生长室内壁，还加有大面积的液氮冷屏套，对CO、H2O等残余气体有显著的吸附效果。

✓整个系统要进行烘烤，生长系统内的附属机件应能承受150-200℃的高温，且具有很高的气密性。

✓（3）束流（蒸发速率）监测装置

✓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。

✓使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:

✓一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移；

✓二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。

✓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。

图分子束外延（MBE）设备的结构示意图

MBE的真空系统由3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 (-10)torr时，再送入生长室中进行外延生长。

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。

RHEED的作用总结为以下几点：

（1）在生长前，监视生长层表面的氧化物解吸附过程，校准衬底加热器的热电偶。

（2）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。

（3）在生长过程中利用RHEED的强度振荡校准生长速率。

（4）生长后观察生长层表面的结构与平整度。

4、MBE的生长

（1）外延的基本物理过程：

1. 表面成核——对外延材料结构有最大影响的阶段是生长的

最初阶段，这个阶段叫成核。当衬底表面只吸附少量生长物

原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，