本文從概念、應用、優勢、原理、設備等角度介紹了分子束外延工藝。

分子束外延工藝介紹

分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)是一種在超高真空狀態下，進行材料外延技術，下圖為分子束外延的核心組成，包括受熱的襯底和釋放到襯底上的多種元素的分子束。

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在這個過程中，晶體襯底被加熱升溫，各種分子束流被發射到襯底表面發生相互作用，最終在襯底上結合成單質或化合物半導體，外延層的厚度可以控制在10E-10m至10E-6m的量級之間，也就是納米級別的厚度。

在半導體行業我們常聽到的光刻機，可實現為3nm或5nm半導體工藝，分子束外延設備在進行材料生長時，也是納米級別。

舉個例子，我們蒸鍍設備，在進行薄膜材料生長時，通常是微米級別，幾微米或幾十微米。如果拿生活中的東西來類比，普通外延的厚度相當于豆腐，而分子束外延可以控制在原子層厚度，類似菜市場的千張，通過不同原子層的疊加生長，可以生長出不同厚度的千張。

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分子束外延的應用

MBE技術的起源基于1950年代Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的真空沉積法和1960年代關于砷化鎵表面相互作用的反應動力學研究，由美國貝爾實驗室的卓以和教授于1970年代初開發的半導體材料薄膜超高真空沉積技術。順便提一下，半導體行業的晶體管的起源也來自貝爾實驗室，可見技術的傳承性是極其重要的。

時至今日，MBE這種技術已經應用在多種材料的制備上，包括Ⅲ-Ⅴ族的GaAs基的InGaAs、AlGaAs，InP基的InGaAsP、AlGaAsP，GaSb基InAsSb材料，還有Ⅳ族的Si、Ge，另外還有不同材料體系的低維量子結構，即超晶格結構、量子阱、量子線、量子點等。

在國內，雖然在MBE方面的研究和應用稍晚于國外，但是至今以MBE為研究手段的國內科研單位數量眾多，如清華大學，中科院物理所，中科院半導體所，中科院上海技術物理研究所，中科院上海微系統與信息技術研究所，蘇州大學等，近年來，半導體行業受到更大的關注，越來越多的企業也開始參與到MBE的商業開發和應用當中，這一大批國內科研和商業組織極大地推動了國內MBE相關研究的發展。

一般使用MBE外延的材料具有相同的晶體結構，或者具有類似對稱性的結構，而晶格常數與襯底的差異程度不超過10%。

這是為什么呢？

為了避免材料在外延生長過程中的應力或缺陷。補充說一下什么是晶體。晶體是原子呈現周期性排列的固體，類似用磚塊做房子，要形成整體的排列方式，樓房從低到高的磚塊最好是一樣的大小，要是有大小不一樣的磚塊，隨著房子往上越壘越高，微小的磚塊差異會逐漸累積，最后形成一個錯位或缺口，這部分在晶體里就是晶體缺陷。

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所以，在進行分子束外延時，襯底的晶體尺寸(也就是晶格常數)與外延晶體尺寸越接近越好。

分子束外延的優勢

為什么現在在外延生長時，越來越多的機構開始研究MBE技術呢？

MBE有它的先天優勢，主要包括以下幾點：

(1)超高真空環境下制備高純低摻雜的半導體材料，如AlGaAs/GaAs調制摻雜異質結，在低溫下電子遷移率比天然存在的半導體材料大幾個數量級。也就是說高真空環境下，晶體中的雜質少，電子在晶體內跑來跑去時，障礙物少，普通半導體中電子的運動像是在市區道路上開車，高純半導體中的電子運動像在高速道路上，一路順暢，動不動就漂移。

(2)分子外延機制排除了生長表面邊界層形成，并允許使用機械快門來切換分子束，即切換沉積材料的種類，還能通過機械閥位控制分子束流量，以控制化合物半導體中的組分比例。這些特征導致富集相組成的突變，其時間短于材料沉積單分子層(monolayer，ML)所需的時間。

如果說分子束外延像是做千張的話，每層千張的大豆分子不用自己慢吞吞的跑到千張表面，分子束外延設備有一套加熱及加速裝備，把不同層上的大豆分子裝在火箭筒里，要生長第一層的千張，就把第一層的大豆分子發射出去，形成第一層千張，這樣就可以快速生長不同厚度的千張了。

(3)生長溫度低于其他Ⅲ-Ⅴ族材料外延技術，如GaAs的MBE生長溫度范圍在500-600℃，而在氣相外延沉積當中是700℃。較低的生長溫度可以減少成分或摻雜原子穿過界面的擴散從而保證組分和摻雜分布的突變性。

能降低生長溫度主要基于火箭筒的效果，火箭筒已經把外延材料加熱發射出去了，發射出去的這些分子再吸附在襯底上進行生長，需要的溫度就降低了許多。

(4)相對較慢的生長速率，在1ML/s或者1μm/h或更低的水平，可以保證最大程度的可靠精準生長。

這部分的慢和前面的快得從不同層面解讀，它的慢是指通過控制火箭筒的發射頻率來降低外延的生長速度，因為有的材料合成速度很慢，如果分子發射頻率太高，還沒進行完全的化學反應，又來一大堆分子，這樣就很難得到需要的化學成分了。

(5)與其他外延技術相比，不同監測技術在生長室或連接在超高真空腔體中的可用性促進對分子束外延生長機制的更深入理解，如能夠對生長表面的化學計量和形貌進行原位實時的監測，還能夠發現生長機制的重要特征。

(6)生長過程是動力學過程，而不受熱力學的約束。

(7)表征表面反應的相對簡單性。

(8)固相沉積動力學過程的可預測性。

分子束外延原理和設備組成

分子束外延的反應動力學過程如圖所示：

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分子束外延在襯底表面發生的兩種或以上的熱分子(原子)結合，實現晶體生長的動力學過程，在晶體生長的過程中，入射分子在襯底表面除了會發生吸附和結合，還會涉及分解、遷移、脫附等一系列的物理反應過程，而且在實際反應過程中，吸附和脫附過程是同時發生的，二者處于動態平衡之中。

分子束外延的核心是要保證高純固態/氣體源能夠通過熱蒸發或者其他方式產生定向且速率可控的分子束，然后分子束有效傳送到襯底表面，發生反應實現外延生長，且整個過程不受雜質分子干擾或入侵，最終在襯底表面生長出高質量的薄膜。為了實現高質量的外延，要求這個過程在超高真空(<10E-6torr)的狀態條件下進行。

此外，一般的MBE外延生長室都會配備一層冷屏，通過77K的液氮流入冷屏，降低腔體內壁溫度，吸附殘余氣體分子，保持腔內超高真空環境，可以進一步降低殘余氣體分子碰撞到襯底表面的概率，提高外延質量。

分子束外延設備介紹

分子束外延的設備是一個復雜的系統，其主要涉及四個方面，包括真空、機械、材料、計算機控制，基本組成如下圖所示：

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一般MBE腔體主要有兩至三段鋼結構腔體組成，首要的是生長室，是材料的外延生長區域，真空度最高。然后是進樣室和預處理室，進樣室是可以快速破真空和恢復初級真空狀態的小型腔體，是樣品進出腔體的過渡室，進樣室使用機械泵和渦輪分子泵進行抽真空，真空程度可達10E-2~10E-4Pa。

樣品進入腔體以后，從進樣室轉移到預處理室，在預處理室中有固定的襯底加熱器模塊，可以將放入其中的樣品進行100℃至400℃的低溫烘烤，以除去襯底表面吸附的水分、N2、CO2等，讓襯底表面更加潔凈，被熱釋放出來的氣體在預處理室中，通過離子泵吸附抽走，預處理室的真空程度可達10E-6Pa。

一般較為大型的MBE都會有中室，是預處理室連接生長室的過渡腔體，在預處理室完成除氣的樣品，會被轉移到中室進行儲備，轉移樣品時引起的真空波動不會影響生長室的正常生長和超高真空狀態，另外在這里可以裝配其他真空設備或連接其他真空腔體，如可以連接另外一個生長室實現雙腔生長，連接掃描電子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡等表征設備，實現樣品生長到表征的全真空操作。

目前MBE生長室有多種布置形式，有臥式，傾斜式，立式，如圖所示。

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但基本都包括了幾個模塊：襯底加熱器，高能衍射(RHEED)電子槍，源爐，觀察窗，真空規，樣品傳遞模塊，快門擋板，液氮冷屏，如圖所示。

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生長室獲取超高真空所需要的真空設備除了離子泵，還有冷凝泵和冷屏，真空程度可達10E-8Pa，能夠滿足大部分外延生長的要求。在生長室、中室、預處理室之間都會有大型的插板閥將每段腔體隔斷或者連通，既保證生長室生長時不受其他腔體的真空程度的干擾，也能夠在生長前后進行樣品傳送。

在獲取真空以后主要使用真空規在腔體內部對真空狀態進行監測，真空規在腔體內電離殘余氣體分子形成電流，電流反饋信號到儀表上即可獲取腔體內部壓強示數，從而確認腔體真空度。

在生長室內，襯底加熱器被置于腔體中心位置，能夠裝置襯底，并在生長過程中在襯底背面進行加熱和旋轉襯底，以保證襯底的各個區域能夠均勻外延。而與襯底生長位置相對的腔體位置上會放置多個束源爐，如下圖所示為不同類型的固態源束源爐，有(a)三族元素和摻雜元素常用的熱擴散爐；(b)五族元素常用的閥控裂解爐。

在Ⅲ-Ⅴ族的分子束外延生長中，因為只有存在Ⅲ族元素的情況下，V族元素才能附著在襯底表面，所以生長速率是由Ⅲ族元素決定的。

而源爐溫度越高，發射的分子束流量越大，由此，通過控制源爐溫度即可控制分子束流量，從而控制外延的生長速率。

在實際生長過程中，通常使用過量的V族元素確保外延表面在富V族元素的狀態下生長，避免Ⅲ族元素脫附。在腔體中，與源爐爐口垂直的位置會裝置快門，快門可以在生長過程中控制分子束發射的流量在0和100%之間的瞬時切換，這樣可以實現不同分子束之間的切換使用，實現外延層界面突變?？扉T可以直接安裝在源爐（如下圖）,也可以在腔體內部按照伸縮型擋板遮擋爐口。

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在生長室當中，一般都配備了反射式高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED)，其有一個高能電子槍和與之相對的熒光屏組成，如圖所示。通過電磁場調節角度，RHEED產生的上千伏高能電子束掠入射到樣品表面，電子束通過表面數個原子層深度，經過晶格后發生衍射，到達熒光屏上顯示出衍射條紋圖像，如圖所示。不同的衍射條紋可以反映樣品表面的再構信息，RHEED可以實現在外延生長過程中對外延表面的結構、潔凈度、平滑度、生長速率進行原位監測。

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在MBE腔體內部，還有傳送樣品的導軌和運輸車模塊，多個樣品托持有使用的撥叉，腔體外部有可以受電腦控制的快門氣動閥等機械部件，這些在目前先進的MBE設備中都已經實現了全自動控制，大大提升了MBE的外延穩定性和工作效率。

審核編輯：劉清