分子束外延(MBE)工艺及设备原理介绍

本文从概念、应用、优势、原理、设备等角度介绍了分子束外延工艺。

分子束外延工艺介绍

分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)是一种在超高真空状态下，进行材料外延技术，下图为分子束外延的核心组成，包括受热的衬底和释放到衬底上的多种元素的分子束。

 

在这个过程中，晶体衬底被加热升温，各种分子束流被发射到衬底表面发生相互作用，最终在衬底上结合成单质或化合物半导体，外延层的厚度可以控制在10E-10m至10E-6m的量级之间，也就是纳米级别的厚度。

在半导体行业我们常听到的光刻机，可实现为3nm或5nm半导体工艺，分子束外延设备在进行材料生长时，也是纳米级别。

举个例子，我们蒸镀设备，在进行薄膜材料生长时，通常是微米级别，几微米或几十微米。如果拿生活中的东西来类比，普通外延的厚度相当于豆腐，而分子束外延可以控制在原子层厚度，类似菜市场的千张，通过不同原子层的叠加生长，可以生长出不同厚度的千张。

     

分子束外延的应用

MBE技术的起源基于1950年代Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的真空沉积法和1960年代关于砷化镓表面相互作用的反应动力学研究，由美国贝尔实验室的卓以和教授于1970年代初开发的半导体材料薄膜超高真空沉积技术。顺便提一下，半导体行业的晶体管的起源也来自贝尔实验室，可见技术的传承性是极其重要的。

时至今日，MBE这种技术已经应用在多种材料的制备上，包括Ⅲ-Ⅴ族的GaAs基的InGaAs、AlGaAs，InP基的InGaAsP、AlGaAsP，GaSb基InAsSb材料，还有Ⅳ族的Si、Ge，另外还有不同材料体系的低维量子结构，即超晶格结构、量子阱、量子线、量子点等。

在国内，虽然在MBE方面的研究和应用稍晚于国外，但是至今以MBE为研究手段的国内科研单位数量众多，如清华大学，中科院物理所，中科院半导体所，中科院上海技术物理研究所，中科院上海微系统与信息技术研究所，苏州大学等，近年来，半导体行业受到更大的关注，越来越多的企业也开始参与到MBE的商业开发和应用当中，这一大批国内科研和商业组织极大地推动了国内MBE相关研究的发展。

一般使用MBE外延的材料具有相同的晶体结构，或者具有类似对称性的结构，而晶格常数与衬底的差异程度不超过10%。

这是为什么呢？

为了避免材料在外延生长过程中的应力或缺陷。补充说一下什么是晶体。晶体是原子呈现周期性排列的固体，类似用砖块做房子，要形成整体的排列方式，楼房从低到高的砖块最好是一样的大小，要是有大小不一样的砖块，随着房子往上越垒越高，微小的砖块差异会逐渐累积，最后形成一个错位或缺口，这部分在晶体里就是晶体缺陷。

 

所以，在进行分子束外延时，衬底的晶体尺寸(也就是晶格常数)与外延晶体尺寸越接近越好。

分子束外延的优势

为什么现在在外延生长时，越来越多的机构开始研究MBE技术呢？

MBE有它的先天优势，主要包括以下几点：

(1)超高真空环境下制备高纯低掺杂的半导体材料，如AlGaAs/GaAs调制掺杂异质结，在低温下电子迁移率比天然存在的半导体材料大几个数量级。也就是说高真空环境下，晶体中的杂质少，电子在晶体内跑来跑去时，障碍物少，普通半导体中电子的运动像是在市区道路上开车，高纯半导体中的电子运动像在高速道路上，一路顺畅，动不动就漂移。

(2)分子外延机制排除了生长表面边界层形成，并允许使用机械快门来切换分子束，即切换沉积材料的种类，还能通过机械阀位控制分子束流量，以控制化合物半导体中的组分比例。这些特征导致富集相组成的突变，其时间短于材料沉积单分子层(monolayer，ML)所需的时间。

如果说分子束外延像是做千张的话，每层千张的大豆分子不用自己慢吞吞的跑到千张表面，分子束外延设备有一套加热及加速装备，把不同层上的大豆分子装在火箭筒里，要生长第一层的千张，就把第一层的大豆分子发射出去，形成第一层千张，这样就可以快速生长不同厚度的千张了。

(3)生长温度低于其他Ⅲ-Ⅴ族材料外延技术，如GaAs的MBE生长温度范围在500-600℃，而在气相外延沉积当中是700℃。较低的生长温度可以减少成分或掺杂原子穿过界面的扩散从而保证组分和掺杂分布的突变性。

能降低生长温度主要基于火箭筒的效果，火箭筒已经把外延材料加热发射出去了，发射出去的这些分子再吸附在衬底上进行生长，需要的温度就降低了许多。

(4)相对较慢的生长速率，在1ML/s或者1μm/h或更低的水平，可以保证最大程度的可靠精准生长。

这部分的慢和前面的快得从不同层面解读，它的慢是指通过控制火箭筒的发射频率来降低外延的生长速度，因为有的材料合成速度很慢，如果分子发射频率太高，还没进行完全的化学反应，又来一大堆分子，这样就很难得到需要的化学成分了。

(5)与其他外延技术相比，不同监测技术在生长室或连接在超高真空腔体中的可用性促进对分子束外延生长机制的更深入理解，如能够对生长表面的化学计量和形貌进行原位实时的监测，还能够发现生长机制的重要特征。

(6)生长过程是动力学过程，而不受热力学的约束。

(7)表征表面反应的相对简单性。

(8)固相沉积动力学过程的可预测性。

分子束外延原理和设备组成

分子束外延的反应动力学过程如图所示：

 

分子束外延在衬底表面发生的两种或以上的热分子(原子)结合，实现晶体生长的动力学过程，在晶体生长的过程中，入射分子在衬底表面除了会发生吸附和结合，还会涉及分解、迁移、脱附等一系列的物理反应过程，而且在实际反应过程中，吸附和脱附过程是同时发生的，二者处于动态平衡之中。

分子束外延的核心是要保证高纯固态/气体源能够通过热蒸发或者其他方式产生定向且速率可控的分子束，然后分子束有效传送到衬底表面，发生反应实现外延生长，且整个过程不受杂质分子干扰或入侵，最终在衬底表面生长出高质量的薄膜。为了实现高质量的外延，要求这个过程在超高真空(<10E-6torr)的状态条件下进行。

此外，一般的MBE外延生长室都会配备一层冷屏，通过77K的液氮流入冷屏，降低腔体内壁温度，吸附残余气体分子，保持腔内超高真空环境，可以进一步降低残余气体分子碰撞到衬底表面的概率，提高外延质量。

分子束外延设备介绍

分子束外延的设备是一个复杂的系统，其主要涉及四个方面，包括真空、机械、材料、计算机控制，基本组成如下图所示：

 

一般MBE腔体主要有两至三段钢结构腔体组成，首要的是生长室，是材料的外延生长区域，真空度最高。然后是进样室和预处理室，进样室是可以快速破真空和恢复初级真空状态的小型腔体，是样品进出腔体的过渡室，进样室使用机械泵和涡轮分子泵进行抽真空，真空程度可达10E-2~10E-4Pa。

样品进入腔体以后，从进样室转移到预处理室，在预处理室中有固定的衬底加热器模块，可以将放入其中的样品进行100℃至400℃的低温烘烤，以除去衬底表面吸附的水分、N2、CO2等，让衬底表面更加洁净，被热释放出来的气体在预处理室中，通过离子泵吸附抽走，预处理室的真空程度可达10E-6Pa。

一般较为大型的MBE都会有中室，是预处理室连接生长室的过渡腔体，在预处理室完成除气的样品，会被转移到中室进行储备，转移样品时引起的真空波动不会影响生长室的正常生长和超高真空状态，另外在这里可以装配其他真空设备或连接其他真空腔体，如可以连接另外一个生长室实现双腔生长，连接扫描电子显微镜，扫描隧道显微镜等表征设备，实现样品生长到表征的全真空操作。

目前MBE生长室有多种布置形式，有卧式，倾斜式，立式，如图所示。

 

但基本都包括了几个模块：衬底加热器，高能衍射(RHEED)电子枪，源炉，观察窗，真空规，样品传递模块，快门挡板，液氮冷屏，如图所示。

 

生长室获取超高真空所需要的真空设备除了离子泵，还有冷凝泵和冷屏，真空程度可达10E-8Pa，能够满足大部分外延生长的要求。在生长室、中室、预处理室之间都会有大型的插板阀将每段腔体隔断或者连通，既保证生长室生长时不受其他腔体的真空程度的干扰，也能够在生长前后进行样品传送。

在获取真空以后主要使用真空规在腔体内部对真空状态进行监测，真空规在腔体内电离残余气体分子形成电流，电流反馈信号到仪表上即可获取腔体内部压强示数，从而确认腔体真空度。

在生长室内，衬底加热器被置于腔体中心位置，能够装置衬底，并在生长过程中在衬底背面进行加热和旋转衬底，以保证衬底的各个区域能够均匀外延。而与衬底生长位置相对的腔体位置上会放置多个束源炉，如下图所示为不同类型的固态源束源炉，有(a)三族元素和掺杂元素常用的热扩散炉；(b)五族元素常用的阀控裂解炉。

在Ⅲ-Ⅴ族的分子束外延生长中，因为只有存在Ⅲ族元素的情况下，V族元素才能附着在衬底表面，所以生长速率是由Ⅲ族元素决定的。

而源炉温度越高，发射的分子束流量越大，由此，通过控制源炉温度即可控制分子束流量，从而控制外延的生长速率。

在实际生长过程中，通常使用过量的V族元素确保外延表面在富V族元素的状态下生长，避免Ⅲ族元素脱附。在腔体中，与源炉炉口垂直的位置会装置快门，快门可以在生长过程中控制分子束发射的流量在0和100%之间的瞬时切换，这样可以实现不同分子束之间的切换使用，实现外延层界面突变。快门可以直接安装在源炉（如下图）,也可以在腔体内部按照伸缩型挡板遮挡炉口。

 

在生长室当中，一般都配备了反射式高能电子衍射仪(Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED)，其有一个高能电子枪和与之相对的荧光屏组成，如图所示。通过电磁场调节角度，RHEED产生的上千伏高能电子束掠入射到样品表面，电子束通过表面数个原子层深度，经过晶格后发生衍射，到达荧光屏上显示出衍射条纹图像，如图所示。不同的衍射条纹可以反映样品表面的再构信息，RHEED可以实现在外延生长过程中对外延表面的结构、洁净度、平滑度、生长速率进行原位监测。

 

在MBE腔体内部，还有传送样品的导轨和运输车模块，多个样品托持有使用的拨叉，腔体外部有可以受电脑控制的快门气动阀等机械部件，这些在目前先进的MBE设备中都已经实现了全自动控制，大大提升了MBE的外延稳定性和工作效率。

审核编辑：刘清