[科普中國(guó)]-分子束外延設(shè)備

分了束外延設(shè)備有很多種。但就其主要結(jié)構(gòu)而論是大同小異的。分子束外延的設(shè)備較其他外延技術(shù)的設(shè)備復(fù)雜，要包括超高真空系統(tǒng)努森箱及各種分析儀器。從MBE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程看，當(dāng)初主要是為開(kāi)發(fā)以GaAs為中心的Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體，而后是針對(duì)Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，最近正轉(zhuǎn)向針對(duì)Si半導(dǎo)體器件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。從MBE裝置的角度看，逐步從單純研究用裝置向批量生產(chǎn)用裝置進(jìn)展。1

簡(jiǎn)介第一代MBE裝置如下圖所示。在同一個(gè)超高真空室中安裝了分子束源、可加熱的基片支架、四極質(zhì)譜儀、反射高能電子衍射裝置(RHEED)、俄歇電子譜儀、二次離子質(zhì)量分析儀等，可以用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制晶體生長(zhǎng)。為獲得高質(zhì)量外延膜，需要超高真空．，而俄歇分析等也需要超高真空。為此，除排氣采用離子泵系統(tǒng)之外，整個(gè)裝置均可烘烤除氣，從而可保證10-8Pa的真空度。

該設(shè)備適于薄膜生長(zhǎng)機(jī)理、表面結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)摻入等基礎(chǔ)性研究，現(xiàn)在仍用于這方面的研究。

MBE用于Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)方面，一般都是GaAs或以GaAs為主體的外延生長(zhǎng)。其中，As的粘附系數(shù)與Ga的存在密切相關(guān)，有Ga存在時(shí)，As的粘附系數(shù)為1，無(wú)Ga存在時(shí)，As的粘附系數(shù)為0。也就是說(shuō)，只要保證比Ga多的As分子束射在GaAs單晶體上，不變成GaAs的As即可全部再蒸發(fā)，從而能夠獲得符合化學(xué)計(jì)量比的GaAs外延層。MBE設(shè)備正是巧妙地利用了這一點(diǎn)。上述的Ga和As分別由嚴(yán)格控溫的分子束發(fā)出，并射向基板。利用設(shè)置于裝置中的各種分析手段對(duì)外延膜的生長(zhǎng)過(guò)程及結(jié)品形態(tài)等進(jìn)行在線分析。由此獲得表面原子尺寸平坦的優(yōu)質(zhì)MBEGaAs單晶膜。

MBE也是在真空室中使從蒸發(fā)室飛來(lái)的分子在基板上附著，在這一點(diǎn)上與傳統(tǒng)的真空蒸鍍并無(wú)多大區(qū)別。但MBE有兩點(diǎn)極為關(guān)鍵：其一，在高真空中采用的是分子束；其二，分子束源置于液氮冷卻槽中。這樣，從分子?xùn)|源直線射出的分子束不會(huì)對(duì)晶體生長(zhǎng)室造成污染。而且，從基板返回的As等也容易被冷阱及離子泵等排除，從而保證到達(dá)基板的總是新鮮的入射分子。清潔的超高真空系統(tǒng)提供了進(jìn)一步的保證。上述措施的共同作用可以避免雜質(zhì)混入，從而獲得優(yōu)良的外延單晶膜。

分子束外延設(shè)備發(fā)展第二代以后的MBE裝置，在外延膜生長(zhǎng)機(jī)理及裝置構(gòu)成方面與第一代基本相同，僅在分子束源和擋板機(jī)構(gòu)等方面作了根本性的改變。第二代MBE設(shè)備是在一室型第一代MBE設(shè)備基礎(chǔ)上，增加一基板交換室，變?yōu)閮墒倚?。一室型MBE設(shè)備在每次交換基板時(shí)，外延室都要與大氣連通，不僅抽真空浪費(fèi)時(shí)間，而且真空度和清潔度都難以保證。二室型設(shè)備僅基板交換室在交換基板時(shí)與大氣連通，而外延室始終處于真空狀態(tài)。第三代MBE設(shè)備是為了提高分析功能并增大外延室的尺寸，另設(shè)一分析室，變?yōu)槿倚?，其結(jié)構(gòu)下圖所示。

第四代MBE裝置是在第三代基礎(chǔ)上，為適應(yīng)器件制作及基板尺寸大型化的要求，提高外延膜的均勻性、重復(fù)性，減少膜層缺陷、改善膜層質(zhì)量，提高處理能力，在軟件和硬件兩方面加以改進(jìn)。目前，MBE設(shè)備經(jīng)過(guò)進(jìn)一步發(fā)展，已達(dá)到批量化生產(chǎn)的第五代。2

分子束外延技術(shù)的發(fā)展分子束外延自20世紀(jì)60年代末在真空蒸鍍的基礎(chǔ)上產(chǎn)生以來(lái)，發(fā)展十分迅速。其中之一是引入氣態(tài)的分子束源，構(gòu)成所謂化學(xué)束外延(CBE)。用砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)生長(zhǎng)InGaAsP等四元材料，或?qū)⒔饘儆袡C(jī)化合物引入分子束源形成所謂金屬有機(jī)化合物分子束外延(MOMBE)。這兩項(xiàng)新技術(shù)是把MBE和目前發(fā)展很快的金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步改進(jìn)了MBE的生長(zhǎng)和控制能力。

把分子束外延和脈沖激光結(jié)合起來(lái)，發(fā)展成所謂激光分子束外延(L-MBE)技術(shù)。它是用激光照射靶來(lái)代替分子(原子)束源，更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)過(guò)程精確的控制，顯示了比常規(guī)分子束外延更加廣闊的應(yīng)用前景。

分子束外延可能的應(yīng)用領(lǐng)域由：在高溫超導(dǎo)薄膜和器件的研究和應(yīng)用方面將由于L-MBE能夠人工控制原子層的有秩序堆積，可以外延生長(zhǎng)發(fā)揮重要作用，出含有幾個(gè)原子層組成絕緣層(I)的YBCO/I/YBCO夾心結(jié)構(gòu)，具備研制三層夾心型超導(dǎo)隧道結(jié)的條件； 外延生長(zhǎng)含有低熔點(diǎn)、易揮發(fā)的多元化合物半導(dǎo)體薄膜，在精確調(diào)整化合物成分比以便調(diào)節(jié)隙寬度方面具有優(yōu)勢(shì)；人工合成具有特殊層狀晶體結(jié)構(gòu)的新型材料，探索新型高溫超導(dǎo)體或具有特殊性質(zhì)的新材料；激光分子束外延在研究和發(fā)展多元金屬間化合物、亞穩(wěn)態(tài)材料方面也可能有應(yīng)用的前景。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)