第五章 分子束外延讲课稿.ppt

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1、第五章分子束外延可在多种半导体衬底上直接生长出外延层厚度、掺杂和异质界面平整度能精确到原子量级的超薄多层二维结构材料和器件，并通过与光刻、电子束刻蚀等工艺技术相结合或采用在一些特定衬底晶面直接生长的方法，还可制备出一维和零维的纳米材料等。MBE不仅可以制备Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，还可以制备Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族等材料以及金属和绝缘体薄膜等。20世纪90年代，MBE在如何减少椭圆缺陷，克服杂质堆积、异质外延，调制掺杂，选择区域外延等方面都取得了重大的进步，技术日趋成熟，已走向生产实用化。第五章分子束外延--5.1引言第五章分子束外延--5.2分子束外延的原理和特点在超高真空（<10

2、-10Torr）系统中相对地放置衬底和多个分子束源炉（喷射炉），将组成化合物的各种元素和掺杂剂元素分别放入不同的喷射炉内，加热使它们的分子（或原子）以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到加热的衬底表面上，与表面相互作用（包括在表面迁移、分解、吸附和脱附等）进行单晶薄膜的外延生长。各喷射炉前的挡板用来改变外延膜的组分和掺杂。根据设定的程序（或手动）开关挡板、改变炉温和控制生长时间，则可生长出不同厚度的化合物或不同组分比的三元、四元固溶体以及它们的异质结，制备各种超薄微结构材料。第五章分子束外延--5.2分子束外延的原理和特点分子束外延技术的典型特点：（１）从源炉喷出的分

3、子（原子）以“分子束”流形式直线到达衬底表面。因此通过石英晶体膜厚仪监测，可严格地控制生长速率。（２）分子束外延的生长速率比较慢，大约0.01-1nm/s。可实现单原子（分子）层外延，具有极好的膜厚可控性。第五章分子束外延--5.2分子束外延的原理和特点分子束外延技术的典型特点：（３）通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，可严格控制膜的成分和杂质浓度，也可实现选择性外延生长。（４）是在非热平衡态下的生长，因此衬底温度可低于平衡态温度，实现低温生长，可有效减少互扩散和自掺杂。（５）配合反射高能电子衍射等装置，可实现原位观察。利用这些装备，可以对外延过程中结晶性质、生长表面的状态

4、等作实时、原位监测。第五章分子束外延--5.2分子束外延的原理和特点MBE的生长速度比较慢，既是优点也是不足：过快的生长速率无法生长很薄的外延层，更谈不上精确控制层厚；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。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。第五章分子束外延--5.2分子束外延的原理和特点典型的MBE设备具有三个真空工作室，即进样室、分析室和外

5、延生长室。进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道。分析室对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。外延生长室用于样品的分子束外延生长。每个室都具有独立的抽气设备，各室之间用闸板阀隔开，这样即使某一个室和大气相同，其他室仍可保持真空状态，可以保证生长室不会因换取样品而受大气污染。第五章分子束外延--5.3外延生长设备（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

6、，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。第五章分子束外延--5.3外延生长设备（2）分子束源组件是生长室中的核心部件。由喷射炉、挡板和液氮屏蔽罩构成。其作用是产生射向衬底的热分子束。分子束的纯度、稳定性和均匀性是决定外延层质量的关键，因此对分子束源组件所用材料的纯度、稳定性、真空放气性能和分子束流方向性及流量控制等都有较高的要求。束源炉的加热方式可采用电阻加热、电子束轰击等。第五章分子束外延--5.3外延生长设备（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

7、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。第五章分子束外延--5.3外延生长设备一般来说，硅分子束外延是指与硅有关的分子束外延，既包括在硅衬底上同质外延生长Si薄膜，也包括在硅衬底上异质外延生长其他系统的分子束外延技术。一、表面制备集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工序前，采用物理或化学的方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合