分子束外延

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的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（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。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。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜

分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）技术是在真空沉积法和1968年阿尔瑟(Arthur)对镓砷原子与GaAs表面相互作用的反应动力学研究的基础上，由美国贝尔实验室的卓以和在70年代初开创的。它推动了以超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。分子束外延（MBE）是一种灵活的外延薄膜技术，可以表述为在超高真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成高质量的薄膜材料或各种所需结构。晶体生长受分子束相互作用的动力学过程支配，而异于常规的化学气相淀积(VPE)和液相外延(LPE)中的准热力学平衡。随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术，近年来又出现了激光分子束外延技术。

作为国防创新实验室的重要部门，材器中心现拥有两台MBE设备，分别为RIBER 32P和RIBER EPINEAT，均用于碲镉汞（HgCdTe）材料的制备。RIBER 32P作为早期研究型的设备在材器中心已经运行十多年，从早期在ZnCdTe衬底到后来在异质衬底(GaAs、Si、Ge) 上均做过很多Ⅱ-Ⅵ材料外延研究工作，参与了很多工程项目。RIBER EPINEAT作为生产型设备，自2004年引进材料组以来目前主要

用于异质衬底上CdTe缓冲层制备。32P外延尺寸可为2英寸或3英寸，EPINEAT 外延尺寸为3英寸或4英寸，也可同时为3个2英寸。

以EPINEAT为例，MBE生长工艺按时间顺序可以主要分为三个部分：衬底处理，生长过程的控制和后道工艺。每一部分又由许多道工序组成，例如在衬底处理工艺中，包括了衬底的选片、抛光、清洗、腐蚀、装片、预除气等环节，这些工序构成了一个完整的MBE生长过程。该套系统主要由一个预处理室、一个过渡室和一个生长室组成。预处理室用于完成衬底的进样，以Si衬底为例，在进样室装样，等待约1.5小时后进样室真空小于10-8Torr，再传入过渡室内，在400℃下进行1小时预除气，然后传送入生长室；在生长室中主要完成样品的高温脱氧和缓冲层的外延过程。进样室和过渡室的真空维持靠溅射离子泵，极限真空度可以达到10-10Torr，而生长室的真空维持靠低温吸附泵、溅射离子泵和液氮冷阱，极限真空能到10-11 Torr。

MBE生长的主要原理简单地描述如下：

（1）源蒸发形成具有一定束流密度的分子或原子束，并在高真空下射向衬底；

（2）分子（原子）束在衬底上进行外延生长。从生长过程看，MBE有三个基本区域：分子（原子）束产生区、各分子（原子）束交叉混合区、反应和晶化过程区；

（3）从源射出的分子（原子）束撞击衬底表面被吸附；

（4）被吸附的分子（原子）在表面迁移、分解；

（5）分子（原子）进入晶格位置发生外延生长；

（6）未进入晶格的分子（原子）因热脱附而离开表面。

MBE设备对超高真空和工艺过程要求严格，使得整个硬件较复杂且运行费用较高，

但与其他的外延方式相比存在以下几个优点：

（1）生长速率慢，大约每秒生长一个单原子层，真正实现2D模式生长，容易得到光滑均匀的表面和界面，有利于实现精确控制厚度、结构、成分和形成陡峭的异质结构等。MBE实际上是一种原子级加工技术，特别适于生长超晶格材料。

（2）外延生长的温度低，因此降低了衬底杂质向外延层的自掺杂扩散和多层结构中界面互扩散效应。

（3）由于生长是在超高真空中进行的，在MBE装置中可附有四极质谱仪、电离计(束流规)高能电子衍射(RHEED)、原位椭偏仪等，可以随时监控外延层的成份和结构的完整性，有利于科学研究及生长顺利进行。

（4）MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。

（5）MBE是一个超高真空的物理沉积过程，生长过程中不同掺杂源原位掺杂很容易实现，利用快门可以对生长和中断进行瞬时控制，实现对掺杂种类和浓度的迅速调整。