分子束外延技术简介ppt课件

1、分子束外延技术简介,声明：本文件中引用的来自书籍、刊物及网页中的图片的一切权利归各自的权利人所有,什么是分子束外延 真空技术介绍 分子束外延设备 分子束外延工艺,什么是分子束外延,外延生长技术在半导体领域得到应用是在20世纪60年代。它指的是在一定条件下，使某种或某些种物质的原子（或分子）有规则排列、定向生长在经过仔细加工的晶体（一般称为衬底）表面上。它生长的材料是一种与衬底晶格结构有一定对应关系的单晶层。这个单晶层称为外延层，而把生长外延层的过程叫做外延生长,分子束外延（MBE）是外延生长技术中非常重要的一种。它是60年代末70年代初在真空蒸发的基础上迅速发展起来的制备半导体超薄层材料和器件

2、的技术。在超高真空条件下，构成晶体的各个组份和掺杂原子（分子）以一定的热运动速度、按一定的比例喷射到热的衬底表面上进行晶体的外延生长,在超高真空系统中，分子束源炉与被加热的衬底相对放置。将组成化合物中的各个元素和掺杂元素分别放入不同的源炉内。加热源炉使它们的分子（原子）以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到衬底表面上，与表面相互作用，进行单晶薄膜的外延生长。各源炉前的挡板用来改变外延层的组份和掺杂。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，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,分子束外延原理示意图,其特点是: 生长速度慢（1m/h）， 生长温度低， 可随意改变外延

3、层的组份和掺杂， 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。 在生长的原位研究外延表面的生长过程和作表面分析,分子束外延的生长过程是一个或多个热分子（原子）束与加热的衬底表面的反应过程。它涉及入射分子（原子）在衬底表面的吸附、分解、迁移、结合、脱附等复杂过程。主要是受表面化学、表面反应控制的动力学过程，而不是热平衡过程,外延表面反应过程,1947,1960,1970,1980,1990,发明晶体管,发明集成电路,固态源MBE,气态源MBE,MBE生长出高质量GaAs单晶薄膜 在MBE生长的GaAs/AlGaAs sls中观察到负微分电阻现象 MBE GaAs/AlGa

4、As DH LD 激光器阈值电流密度1kA/cm2,为什么要超高真空？ 1、避免源炉喷射出的原子在到达衬底之前与环境中的残余气体碰撞而受到污染 气体分子密度n(cm-3)与真空度p(torr)的关系： 分子的平均自由程,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 单位时间、单位面积表面被气体分子碰撞次数： 分子热运动平均速度,对于大多数分子, 1、 P=10-6 torr, l102 m P=10-10 torr, l106 m 2、 P=10-6 torr, N 3x1014 cm-2 s-1， 23秒就扑满整个样品表面 P=10-10 torr, N 3x1010 cm-

5、2 s-1 58小时才能扑满整个样品,真空技术介绍,真空：低于一个大气压的气体状态 真空技术主要包括： 真空的获得、真空的测量、真空检漏,真空的大致范围,真空度的单位： 1 mmHg1 Torr 1 Torr133 Pa 1 mbar100 Pa 1 ATM101325 Pa 1 ATM760 Torr,真空的获得真空泵 排气型：利用内部的各种压缩机构将被抽容器中的气体压缩到排气口方向。 吸气型：在封闭的真空系统中，利用各种表面吸气的办法将被抽空间的气体分子长期吸着在吸气表面上，使被抽容器保持真空,机械泵 旋片式真空泵 是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为7600.01 Torr属于低真空

6、泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵,旋片式机械泵工作演示,罗茨真空泵 （简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵,罗茨真空泵工作原理,罗茨真空泵工作原理演示,油扩散泵 是利用高速喷射（超声速）的油分子使处在分子流状态的气体沿一个方向扩散而排出泵外,进气,排气,冷却管,加热器,泵油,涡轮分子泵 其工作原理基于气体分子入射到固体表面上一般不做弹性反射，而是停滞一定时间与表面交换能量，然后以与入射方向无关的方向脱离，其发射角度遵守余弦定理,进

7、气,排气,转子 叶片,定子 叶片,a,b,涡轮分子泵,吸附泵 在液氮温度下使用多孔 吸附剂吸气的真空泵 可分为内冷式和外冷式,内冷式吸附泵,低温泵（冷凝泵） 使用低于20K的金属表面对气体分子进行多分子层的吸附相对于气体的凝聚，可获得更低的极限压强、更大的抽速,钛升华泵 利用化学活性金属钛在室温或者液氮温度下以化学吸附形式吸附一些化学活性的气体,钛升华器,溅射离子泵 是一种兼用新鲜钛膜和电离机构同时对化学活性及惰性气体抽气的超高真空泵,N,S,5 kV直流电源,磁铁,钛阴极,桶状阳极,各种真空泵的工作范围,真空的测量真空计 绝对真空计：直接测量气体的压强，如U型管气压计。 相对真空计：利用物理

8、规律间接测量气体压强，如热偶规管、电离规管,热偶规管 气体的导热与气体压强存在一定的对应关系,规管热丝 恒流电源,加热丝,热电偶,毫伏表,接被测真空系统,DL-3型热偶规管结构及真空度校准曲线,电离规管 电子在电场中飞行时，若与气体分子碰撞，将以一定的几率发生电离，产生正离子和次电子，电子在飞行中产生正离子的几率在一定温度下正比气体压强，因此可以根据离子流的大小测量真空度,e,收集极C（负电位,阳极A（正电位,阴极F（零电位,两种结构的电离规管,分子束外延设备,分子束外延设备是一个复杂的系统，它主要涉及如下几个方面的技术： 真空、机械、材料、电子、自动控制、计算机,真空腔室、真空泵、 真空阀门

9、、真空计,源炉温度控制、 挡板控制、 烘烤控制、 真空度监测、 RHEED监测、 残余气体分析 等,计算机,真空系统,控制与监测系统,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,Riber 32P MBE系统,V80H MBE系统,Riber 32P MBE系统,Riber 32P 双生长室MBE系统,V80H 双生长室MBE系统,进样室 装样、取样、对衬底进行低温除气,Riber 32P MBE系统,预处理与表面分析室 衬底预除气

10、、表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED等,V80H MBE系统,生长室 样品生长,典型的MBE生长室,V80H MBE系统,生长室 样品生长,源炉的两种配置,1 卧式配置,源炉的两种配置 2 立式配置,Riber 32P MBE系统,衬底加热器,V80H MBE系统,钼托（substrate mounting block,Riber 3 吋无铟钼托,Riber MBE系统源炉和挡板,挡板,源炉 电阻加热式源炉,源炉 裂解炉 电子束加热式源炉 激光辅助加热式源炉 气态源炉 Load-lock式源炉,Riber MBE Load-lock式源炉,配备Load-lock源炉的Riber 32P

11、 MBE系统,源炉温度的控制,PID温度控制器,PID调节器,VP,VI,VD,VO,P： 比例带 TI： 积分时间 KI： 积分增益 TD：微分时间 KD：微分增益,四极质谱仪 在MBE设备上主要用作超高真空检漏和残余气体分析,U1+U2 cos(wt,四极质谱仪结构示意图,反射高能电子衍射（RHEED） 原位观察样品表面的清洁度、平整度、表面结构、确定生长条件,GaAs(100)面 x2和x4再构的RHEED图案,RHEED振荡,GaAs生长时的RHEED振荡,计算机自动监测与控制,V80H的计算机自动监测和控制系统,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,预除气

12、,生长,取样,去蜡和去油 石油醚煮沸 5 分钟； 石油醚煮沸 5 分钟； 3 无水乙醇煮沸 5 分钟； 4 丙酮煮沸 5 分钟； 5 三氯乙烯煮沸 5 分钟、二次； 6 丙酮煮沸 5 分钟； 7 乙醇煮沸 5 分钟； 8 大量纯水冲洗数次,腐蚀 511腐蚀液腐蚀 5 分钟； 2 大量纯水冲洗数次； 3 高纯氮气吹干。 511腐蚀液的配置： 1 1体积纯水倒入烧杯中； 2 1体积双氧水倒入烧杯中，摇匀； 3 5体积浓硫酸倒入冷水浴中的烧杯， 摇匀，冷却后使用,贴片 有In钼托 1 加热钼托至160 OC； 2 在钼托表面涂In，使融化； 3 重复推动衬底，使衬底和钼托之间形成一薄层无空气隙的In层； 4 去除钼托上多余的In 无In钼托,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（GaAs不超过 400 OC、InP不超过 300 OC）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,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