(完整word版)分子束外延
分子束外延11
图2-2.半导体晶体的晶格常数和能带隙
图2-３.硅单晶
图2-４.硅片的切割
3、带来信息技术革命的晶体--半导体晶体
氮化物 1.第三主族氮化物——短波区光电子器件最有潜力 2.高质量膜很难生长 3.在GaN和失陪衬底之间插入低温沉积过渡层薄膜 4.实现了P型氮化物并可控制N型氮化物的电导率 碳化硅SiC 1.大功率器件 2.较一般的半导体可承5.过去的十年SiC体晶的生长发展迅速 6.带动了外延及器件的飞速发展
通过电子管计算机与使用硅单晶做为器件
的微机性能的比较（见下表），硅在计算 机时代中的重要性可见一斑。
1946年电子管计算机与1976年微机的对比 指标电子管计算机微机对比体积/立方英尺 30,0000.001～106功耗/千瓦 1400.00255.6×104小时几年～104
2、人工晶体的分类 人工晶体的分类 人工晶体按照功能不同，
可粗略分为半导体晶体，激光晶体，非线 性光学晶体，光折变晶体，闪烁晶体，电 光、磁光、声光调制晶体，压电晶体，红 外探测晶体，光学晶体，双折射晶体，宝 石晶体与超硬晶体等十二类。
3、带来信息技术革命的晶体--半导体晶 体
半导体是指电阻率介于典型的金属和典
4、激光晶体
目前使用最多的激光晶体有Al2O3:Cr3+、Y3Al5O12:Nd3+ 与YVO4:Nd3+。 主要的激光晶体及它的一些基本性能 晶体 振荡 波 长(mm) 工作温度(K) 阈值能量(J) 泵浦波长(mm )激光跃迁Al2O3:Cr3+0.69293001000.350.692E → 4A2MgF2:Ni2+1.62377 1500.4-1.43T2 →
以气相外延技术合成的 Al,Ga,In,N四元材料,可以涵该所 有的可见光。
分子束外延
分子束外延
Surface phase diagram for GaAs(001) growth from Ga and As4
分子束外延
同质外延 Homoepitaxy 异质外延 Heteroepitaxy
分子束外延
异质外延
匹配
应变
弛豫
分子束外延
异质外延三种生长模式
分子束外延—发展历程
分子束外延技术1968年由 Bell Labs 的 Alfred Y. Cho （卓以和）和 John R. Arthur, Jr. 发明
分子束外延—发展历程
一维纳米线材料
D. Pan et al, Controlled Synthesis of Phase-Pure InAs Nanowires on Si(111) by Diminishing the Diameter to 10 nm, Nano Lett. 2014, 14, 1214−1220
Separate Confinement Heterostructure
Zhores I. Alferov, Nobel Lecture, December 8, 2000
分子束外延—发展历程
二十世纪七十年代基于分子束外延开展人工量子材料、能带工程研究 Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer—半导体异质结
分子束外延
精确控制生长过程 1000 nm/h ~ 1 ML/s ML-monolayer 高质量（缺陷少，均匀性好）外延薄膜 陡峭界面 远离平衡态
分子束外延
Monolayer, ML, 单分子层 闪锌矿结构 晶格常数/2 GaAs 1 ML=0.283 nm InAs 1 ML=0.303 nm
激光分分子束外延
激光分子束外延的原理
普通分子束外延：在通常的MBE系统中, MBE系统中 普通分子束外延 ：在通常的MBE系统中,分子束源和其加热系统是置于超高真空系统中 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 的。 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置。另外, 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置 。另外, 制备多 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。
激光分子束外延：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的， 激光分子束外延 ：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的 ，脉冲激光束通过一个光学窗 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面，使靶材局部气化产生激光焰，被剥蚀的粒 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面， 使靶材局部气化产生激光焰， 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜。 MBE系统中 衬底温度、 系统中, 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜 。在L-MBE系统中, 衬底温度、 激 光能量、激光斑的形状与尺寸、激光焰与衬底的距离、靶的密度和表面质量、 光能量 、激光斑的形状与尺寸 、 激光焰与衬底的距离 、 靶的密度和表面质量 、靶的旋 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。
激光分子束外延的研究内容
成膜动态机理研究： 成膜动态机理研究：激光分子束外延技术采用多种分析手段原位监测薄膜的生长过程, 精确控制薄膜以原子层尺度外延, 所以十分有利于对成膜动态机理进行研究。
Hale Waihona Puke 高温超导电性的探索： 高温超导电性的探索 ： 至今, 人们已相继发现并成功地制备出一些高温超导材料. 实 验证明, 这些材料的共同特征是在其原子排列中存在着原子尺度的层状结构, 层与层 之间会发生耦合. 这种新型材料的高温超导电性和很强的各向异性来源于其结构的准 二维性. 因此制备这种超导材料的高质量外延膜, 特别是对其进行原子层、原胞层尺 度的生长机理和动态过程的系统研究, 这就说明激光分子束外延技术是揭示高温超导 电性的最有力的方法之一。
分子束外延的含义
分子束外延的含义分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于生长单晶薄膜的先进材料制备技术。
通过控制分子束的流动和能量，可以在原子尺度上控制材料的质量和结构，从而实现高度纯净、低缺陷的薄膜生长。
这一技术在半导体、光电子学、纳米科技等领域发挥着重要作用。
MBE技术是通过在真空环境中利用化学反应来生长单晶薄膜。
从源材料中产生高能量的分子束，束流中的分子逸散并与加热的基片上的原子发生反应，从而在基片表面上沉积一层新的薄膜。
利用分子束的狭缝，薄膜可以在原子尺度上的精确控制生长，从而达到高质量、晶格匹配的效果。
MBE技术主要包括源材料的制备、束流形成和真空系统的设计。
源材料的纯度和制备过程对薄膜质量至关重要。
材料通过高温热蒸发、分子流辐射或簇射等方式产生，确保材料的纯净度和均匀性。
束流的形成则需要通过激光蒸发、热蒸发或分子簇射等技术实现。
同时，真空系统的设计和维护也是MBE技术的重要组成部分，保证材料生长的稳定性和纯净度。
MBE技术在半导体领域有广泛应用。
通过控制薄膜生长的参数，可以在半导体材料中实现掺杂和多层结构。
这为半导体器件的研究和制备提供了理想的原材料。
例如，MBE技术在光电子器件中的应用已被广泛研究。
通过调控薄膜的生长条件，可以实现光电转换和光电流输运的优化，从而实现高效率的光电子器件。
除了半导体领域，MBE技术还在纳米科技、光学薄膜和低维材料研究中发挥着重要作用。
例如，在纳米量子点的研究中，MBE技术可以精确控制量子点的大小和排列，从而调控其电学和光学性质。
在新型材料的研发中，MBE技术可以实现复杂结构的控制生长，从而研究材料的新奇性质。
总之，分子束外延技术是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体、光电子学和纳米科技等领域。
通过精确控制薄膜生长的条件和材料组分，可以实现高质量、低缺陷的薄膜生长。
这一技术的发展将推动材料科学和器件制备的进步，为相关领域的研究提供有力支持。
分子束外延生长的原理
分子束外延生长的原理
分子束外延生长（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种用于在晶体表面上逐层生长单晶薄膜的方法。
其原理如下：
1. 分子束发射：首先，通过热蒸发或激光蒸发等方法，将所需材料制成独立的分子束。
这些分子束含有待生长薄膜的原子或分子。
2. 分子束定向：分子束通过使用适当的准直光学系统进行定向，确保其能够以高度定向的方式击中生长基底。
3. 生长基底准备：生长基底（通常是单晶基底）表面需要被清洁和准备好，以确保分子束能够有效地吸附和生长。
4. 吸附和生长：当分子束击中生长基底时，原子或分子会吸附在基底上。
在吸附过程中，吸附物与基底原子相互作用，形成一个层状结构。
分子束在生长过程中控制的参数包括温度、压力和生长速率等。
5. 脱附和富集：一旦层状结构形成并达到所需厚度，可以停止分子束的发射并降低温度，以使薄膜表面的非平衡态物种重新脱附。
这一步骤可以减少杂质和缺陷的存在，提高薄膜质量。
MBE方法能够实现高度控制的单层生长，具有较低的污染和表面缺陷，被广泛应用于半导体器件和纳米结构材料的制备中。
分子束外延技术
分子束外延技术分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延膜厚度、精确控制对薄膜的掺杂和精确控制界面平整度的薄膜制备技术，主要用于制备超薄膜、多层量子阱和超晶格等半导体用高精度薄膜，是新一代电子器件、光电子器件的主要制备技术之一。
1958年，K.Z. Gunther首先提出分子東外延概念；1968年，J.E. Davey和T. Pankey用分子束外延技术制备了GaAs薄膜；1975年，MBE技术应用于半导体器件制备。
我国1980年出产首台MBE系统，1986年后进入器件应用阶段。
图1 外延膜的示意图1.分子束外延原理分子束外延是把构成晶体的各个组分分别放在不同的蒸发源中，在10-8Pa的超高真空条件下，缓慢加热膜材，使之形成分子束流并以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到基片上，在基体上进行外延薄膜生长，并在线监测生长过程的一种镀膜方法。
从本质上讲，它是一种真空蒸发镀，包括分子束的产生、分子束的输运和分子束的沉积三个过程。
分子束外延示意图如图2所示[1]，膜材放在蒸发源中，每个蒸发源有一个挡板，蒸发源对准基体，基体可以加热调节温度，另外有监测设备，在线监测薄膜晶态结构。
图2 分子束外延示意图1.1分子束的产生分子束是通过蒸发源产生的，蒸发源决定分子束的活性、分子束强度（由蒸发速率决定）。
蒸发源包括克努曾舟[2]、电子束加热源和裂解炉。
克努曾舟主要用来蒸发低熔点材料，如Ge、Ga和Al等，而电子束主要用于高熔点物质蒸发，如C、W等。
裂解炉通常用于As和P等物质的蒸发，这些材料蒸发时容易形成四聚体，需要用裂解炉使四聚体变成活性较高的二聚体或单原子。
束流反应活性高，利于制备热力学平衡态下难以制备的高浓度合金，因而能够制备新型人工材料和器件。
反应活性高，还利于降低样品生长时的衬底（基体）温度，从而减弱膜层或成分间相互扩散，有利于制作陡峭界面和极薄层的结构。
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展共22页
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
分子束外延技术(MBE)的原理及其制 备先进材料的研究进展
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
第四章-分子束外延
分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）
在超高真空环境下，使具有一定热能的一种或多种分子 （原子）束流喷射到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程 ，由于分子在“飞行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分 子束的形式射向衬底，进行外延生长，故此得名。
属性：一种真空蒸镀方法
2
因此，台阶运动速度可表示为：
V台阶
FSis
N os
其中，NOS是生长平面上硅原子浓度。
上述讨论仅对特定的台阶空间的情况成立，在此空间里，整 个台阶区域的原子流对台阶运动有贡献（ds~s，s中平均扩 散距离）。对一般情况，Burton等人（1951）给出平行台阶 的台阶极限速率：
V台阶
2s
2、热处理方法 迅速高温1250℃，SiO2SiO 跟真空度有关，温度控制是关键。
3、活性离子束，Ga+ + SiO2 Ga2O + Si。 4、光学清洁处理：脉冲激光辐射。 5、原位HCl腐蚀或H2预热，在MBE不能适应？
4.5.2 清洁表面的检验
检测手段：
（1）LEED
屏幕
Low Energy Electron Diffraction，表面信息。（几百eV）
在杂质吸附系数S、衬底温度Ts一定的条件下，可根
据图4-2定性地估计杂质的浓度。
图4-2 本底杂质浓度和本底压强的关系
外延膜掺杂浓度随掺杂源浓度、生长速率以及衬底温度 的变化有不同的模型，它可用脱附系数，吸附系数，以 及蒸气压来表示。
至今MBE的掺杂仍是一个重要课题。
过去曾得到硅中掺锑的外延膜，摸索并了解得吸附系数 与锑流量及衬底温度之间的关系。
4.6.1 硅外延生长模型
分子外延束
谢谢观看
需要超真空
2、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Fra bibliotek其特点是:
1、生长速度慢（～1m/h）， 2、生长温度低， 3、可随意改变外延层的组份和掺杂， 4、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。
5、在生长的原位研究外延表面的生长过程和作表面分析。
衬底的脱氧化物
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。该变化 可以由RHEED图样的变化观察到。衬底的 脱氧现象可用来确定生长时衬底实际温度 所对应的表观温度。
生长
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。
RHEED电子枪
液氮冷屏 衬底 源炉 样品传递 衬底 加热器 荧光屏 观察窗 典型的MBE生长室 电离规
挡板
三、分子束外延工艺
衬底的化学清洁处理
去蜡
去油
腐蚀
贴片
装样
取样
预除气
生长
预除气
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，将贴有衬底的 钼托传送到预处理室，在一定温度下加热 钼托，使其充分放气。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 室存放，或传送到生长室进行生长。
计算机
分子束外延设备真空系统的组成 进样室（装样、取样、对衬底进行低温除气） 预处理与表面分析室（衬底预除气、表面
分析XPS、UPS、SIMS、LEED） 生长室（样品生长） 衬底传递机构（样品在各腔室之间的传递）
预处理室 进样室
分子束外延技术 (2)
种类 特点
分子束外延
纯度
最好
生长速率（um/min ）
0.002-0.05
生长温度（℃）
500-600
膜厚控制（A）
5
界面层范围（nm）
0.9
厚度均匀性
±1%
组分均匀性
0.4%
产量
中等
液相外延
一般
~1
850 550 >5
/ / 高
化学气相沉积原理
气相外延
CVD
MO-CVD
实现复杂氧化物薄膜和异质结构的构筑，并进行电子结构的直接测量，大大
扩宽了传统光电子能谱的应用范围，和研究更多复杂量子材料的机理，构筑
关键材料的异质结，寻找新的量子态和应用，从而成为氧化物电子学研究的
重要手段
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
MBE-GaNAs基超晶格太阳能电池
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
低维纳米结构和器件的设计、加工、组 装、集成技术为基础
中国科学院半导体研究所
浙江大学硅材料国家重点实验室
GaAs GaN GaAs基GaSb体材料及 InAs/GaSb超晶格材料的MBE生长
研究激光器台面腐蚀(刻蚀)、电极制备等工 艺
研制出InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱激光器
超高真空环境
蒸发源
材料 加热
分子束
化学气相沉积原理
衬底相互作用 分子外延生长
四极质谱仪 高能电子衍射仪
分子束外延原理示意图
通过开关挡板、改变炉温、控制生长 时间，就可以生长出不同厚度、不同组份 、不同掺杂浓度的外延材料
生长室要确保超高真空度：极限真空可达 10-11 Torr
分子束外延 (MBE) 技术---基质加热器
MBE 组件完全按照操作标准加工，旨在提供高度可靠、灵活的性能。
Veeco 提供了一套完整的 MBE 系统组件，包括专为 MBE 工艺开发的先进的加热器、电源、设备控制器、布线和软件包。
1. 基质加热器 适用于特定温度和生长环境Veeco 提供适用于特定应用领域、专为特定温度和生长环境条件而制造的基底加热器。
标准设计使用 PBN 扩散器板和高级线丝，可提供优异的跨区一致性并降低了能耗。
∙ 优异的热均匀性 ∙ 低能耗 ∙ 清洁操作 ∙ 提供多丝材料∙ 适合于特定应用领域的设计和材料 ∙ 延长了氧和氨环境下的寿命 ∙ 提供双丝加热器∙适用于所有标准 MBE 系统2. MBE 线性移动快门动作更快、寿命更长借助 Veeco 线性移动快门可替代整体快门来控制分子束外延 (MBE) 系统中的射束流量，从而实现更快的动作。
该快门带阻尼设计，实现了更长的使用寿命（>1 百万次），活动部件由波纹管密封并由气压驱动，而且轴受到保护可防止气动启动器阻塞。
∙ 可靠、耐用、动作快速（50 ms 即可打开或关闭），因此可替代整体快门来控制 MBE 系统中的射束流量∙ 带阻尼设计的快门受到的冲击与振动降低 - 设计使用寿命 >1 百万次∙ 活动部件由波纹管密封并由气压驱动∙ 轴受到轴壳保护，可防止凝结的蒸发物阻塞启动器 ∙ 气动启动器可避免干扰 RHEED 或其他敏感设备 ∙适用于所有标准 MBE 系统3. 气体源交付系统用于 Veeco MBE 气体源精确控制Veeco 的气体源传送系统 (GSDS) 提供对气体的精确控制、互锁和监测惰性气体、有害气体和/或可燃气体。
Molly ® ECS1 生长控制软件可轻松与您的现有系统实现集成。
提供各种组合选项以符合您的需求及预算。
所有组合均附带每条管路的手动气管切断阀、气体过滤净化器、质量流量控制器和气动控制运行排气阀。
∙ 对 Veeco MBE 气体源实现高效、安全的气体控制 ∙ 便捷的操作和监测流程∙三种模型配置以满足特定应用和预算4. 磷回收系统高效、安全的捕获及中和白磷的方法由于白磷极易与氧气发生反应，Veeco 磷回收系统 (PRS) 提供了一种在为 MBE 系统通风以进行维护和/或源重新装载之前捕获及中和生长模块中白磷的安全高效方法。
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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，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。
2.表面动力学：反应物到衬底后,通常发生下列过程:①反应物扩散到衬底表面;②反应物吸附到衬底表面;③表面过程（化学反应、迁移及并入晶格等；④反应附加产物从表面脱附；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。
⏹表面过程：如果不考虑生长速率，仅从外延质量来看上述过程③表面过程非常重要。
⏹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。
（2）MBE生长原理及方法：➢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。
➢生长过程：1.入射的原子或分子在一定温度衬底表面物理化学吸附。
2.吸附分子在表面的迁移和分解。
3.组分原子与衬底或外延层品格点阵的结合或在衬底表面成核。
4.未与衬底结合的原子或分子的热脱附。
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，可以制备具有二维和三维结构的薄膜。
MBE的生长温度远低于热力学平衡态，可随意改变外延层的组分和掺杂。
与其它的外延技术相比，MBE的另一显著的优点是系统处于超高真空，可以进行RHEED、AES等实时监控，便于精确控制生长过程。
MBE生长的特点：➢真空度高达10-8Pa，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。
➢从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到达衬底表面。
通过石英晶体膜厚仪监测，可严格控制生长速率。
➢生长速率极慢，大约1um/h，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。
实际上是一种原子级的加工技术，因此MBE特别适于生长超晶格材料。
➢衬底温度较低，因此降低了界面上热膨胀引起的晶格失配效应和衬底杂质向外延层中的扩散的影响，所以外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好，外延层清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。
➢可以在喷射室内安放多个喷射炉，分别调制各组分的分子流，可同时精确控制生长层的厚度、组分和掺杂分布。
因此再结合适当的控制技术，可生长二维和三维图形结构的薄膜或器件。
➢MBE是在超高真空环境中进行的，且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析仪器实时观察生长面上的成分、结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和监测。
➢MBE生长是一个动力学过程，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。
➢MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用喷射炉前的快门可以对生长和中断进行瞬时控制，因为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。
因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
存在问题：●设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差；●外延膜表面缺陷密度大（可能是衬底表面的缺陷或杂质污染引起的）●MBE的生长速度比较慢，既是优点也是不足：MBE从诞生的开始就不是作为厚膜生长技术出现的，而是针对几纳米乃至几埃的超薄层外延，因此不适于大量生产。