分子束外延技术

分子束外延技术

英文名称；Molecular Beam Epitaxy

[定义]

分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。

分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜。

[相关技术]晶体生长技术；化学束外延；半导体材料技术

[技术难点]

分子束外延作为已经成熟的技术早已应用到了微波器件和光电器件的制作中。但由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高，所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮，因而提高了日常维持的费用。

MBE能对半导体异质结进行选择掺杂，大大扩展了掺杂半导体所能达到的性能和现象的范围。调制掺杂技术使结构设计更灵活。但同样对与控制、平滑度、稳定性和纯度有关的晶体生长参数提出了严格的要求，如何控制晶体生长参数是应解决的技术问题之一。

MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展，但在生长III-V族化合物超薄层时，常规MBE技术存在两个问题：1.生长异质结时，由于大量的原子台阶，其界面呈原子级粗糙，因而导致器件的性能恶化;2.由于生长温度高而不能形成边缘陡峭的杂质分布，导致杂质原子的再分布（尤其是p型杂质）。其关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则都会影响表面的质量。这也是技术难点之一。

[国外概况]

从硒整流器诞生以来，真空淀积已广泛应用于半导体薄膜器件的制备上。从40年代起，蒸发铅和锡的硫化物薄膜被广泛研究，直到1964年以前还没有实现优质的外延。1964年Schoolar和Zemel用泻流盒产生的分子束在NaCl上外延生长出PbS薄膜。这也许是现代MBE技术的前奏。直到70年代初期真空设备商品化以后，MBE才得到广泛应用。MBE基本上是真空淀积的一种复杂变种，其复杂程度取决于

各个研究工作想要达到的目标。因为是真空淀积，MBE的生长主要由分子束和晶体表面的反应动力学所控制，它同液相外延（LPE）和化学汽相淀积（CVD）等其他技术不同，后两者是在接近于热力学平衡条件下进行的。而MBE是在超高真空环境中进行的，如果配备必需的仪器，就能用许多测试技术对外延生长作在位或原位质量评估。

分子束外延的重要阶段性成果就是掺杂超晶格和应变层结构的出现。掺杂超晶格是一种周期性掺杂的半导体结构。通过周期性掺杂的方法来调制半导体的能带结构。掺杂超晶格的有效制备方法是掺杂技术，该技术就是定义在一个原子平面上进行掺杂。在衬底材料生长停止的条件下，生长一个单原子层的掺杂剂，这个单原子层的杂质通过高温工艺或分凝便形成一个掺杂区，因而界面非常陡峭，二维电子气的浓度和迁移率都增大。用MBE技术，在外延层晶格失配小于某一临界条件下，生长出高质量外延层，这种结构为应变层结构。应变层结构的出现丰富了异质结结构的种类。因为晶格常数匹配的半导体材料很有限，而应变层结构可使晶格常数相关较大的半导体进行组合，使两种材料都充分发挥各自的优点。应变层结构具有晶格匹配结构的所有优点，可制作量子霍尔器件。

随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术。MEE技术自1986年问世以来有了较大的发展。它是改进型的MBE。在砷化镓的MBE过程中，使镓原子到达表面后不立即直接与砷原子发生表面反应生长砷化镓层，而是使镓原子在衬底表面具有较长的距离，达到表面台阶处成核生长。它在很低的温度下（200度）也能生长出高质量的外延层，关键性的问题是控制镓和砷的束流强度，否则会影响表面的质量。近年来出现了气源迁移增强外延，为硅基低维材料的制作开辟了新的工艺研究方向。气源MBE技术的发展是为了解决砷和磷束流强度比率难以控制的问题。其特点是继续采用固态IV族元素和杂质源，再用砷烷和磷烷作为V族元素源，从而解决了用MBE方法生长InP系的主要困难。

MBE作为一种高级真空蒸发形式，因其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，非常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长，并在技术半导体场效应晶体管（MESFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。MBE的未来发展趋势就是进一步发展和完善MEE和GS-MBE。

目前世界上有许多国家和地区都在研究MBE技术，包括美国、日本、英国、法国、德国和我国台湾。具体的研究机构有日本的东京工学院电学与电子工程系，日本东京大学，日本理化研究所半导体实验室，日本日立公司，日本NTT光电实验室，美国佛罗里达大学材料科学与工程系，美国休斯顿大学真空外延中心，英国利沃浦大学材料科学与工程系，英国牛津大学物理和理化实验室，牛津大学无机化学实验室，德国薄膜和离子技术研究所，德国University of Ulm的半导体物理实验室，德国西门子公司，南朝鲜的电子和通信研究所，法国的Thomson CSF 公司，台湾大学电子工程系等。

[影响]

在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世，使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域。半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用。它是微电子技术，光电子技术，超导电子技术及真空电子技术的基础。历史地看，外延技术的进展和用它制成所要求的结构在现代半导体器件的发展中起了不可缺少的作用。MBE的出现，无疑激发了科学家和工程师们的想象力，给他们提供了挑战性的机会。分子束外延技术的发展，推动了以GaAs为主的III-V族半导体及其它多元多层异质材料的生长，大大地促进了新型微电子技术领域的发展，造就了GaAs IC、GeSi异质晶体管及其集成电路以及各种超晶格新型器件。特别是GaAs IC（以MESFET、HEMT、HBT以及以这些器件为主设计和制作的集成电路）和红外及其它光电器件，在军事应用中有着极其重要的意义。GaAs MIMIC（微波毫米波单片电路）和GaAs VHSIC （超高速集成电路）将在新型相控阵雷达、阵列化电子战设备、灵巧武器和超高速信号处理、军用计算机等方面起着重要的作用。

90年代中美国有50种以上整机系统使用MIMIC。所谓整机系统包括灵巧武器、雷达、电子战和通信领域。在雷达方面，包括S、C、X、Ku波段用有源发射/接收(T/R)组件设计制作的相控阵雷达；在电子战方面，Raytheon公司正在大力发展宽带超宽带砷化镓MIMIC的T/R组件和有源诱铒MIMIC；在灵巧武器方面，美国MIMIC计划的第一阶段已有8 种灵巧武器使用了该电路，并在海湾战争中得到了应用；在通信方面，主要是国防通信卫星系统（DSCS），全球（卫星）定位系统（GPS），短波超高频通信的小型倾向毫米波保密通信等。

光电器件在军事上的应用，已成为提高各类武器和通信指挥控制系统的关键技术之一，对提高系统的生存能力也有着特别重要的作用。主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷耦合器件(CCD)摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。而上述光电器件的关键技术与微电子、微波毫米波器件的共同之处是分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材料生长技术。行家认为未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱（点、线）结构材料及器件的研究，其发展潜力无可估量。未来战争是以军事电子为主导的高科技战争，其标志就是军事装备的电子化、智能化。而其核心是微电子化。以微电子为核心的关键电子元器件是一个高科技基础技术群，而器件和电路的发展一定要依赖于超薄层材料生长技术如分子束外延技术的进步。

分子束外延

分子束外延（英文名称；Molecular Beam Epitaxy） 1、定义：分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其 方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度形成蒸汽，经小孔准直后形成分子束或原 子束直接喷射到上述衬底上，同时控制分子束对衬底的扫描， 就可以生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。 2、研究对象：分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶 体和超晶格的生长。 3、MBE的一般结构： 目前最典型的MBE系统是由进样室、预备分析室、和外延生长室串连而成。 进样室：进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道，也可同时放入多个衬底片。 预备分析室：对衬底片进行除气处理，对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。通常在这个真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析仪器。 外延生长室：是MBE系统中最重要的一个真空工作室，用于样品的分子束外延生长。配置有分子束源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。

监测分子束流有以下几种： ●（1）石英晶体常用于监测束流，束流屏蔽和冷却适当，可得满 意结果。但噪音影响稳定性。几个 m后，石英晶体便失去了线性。调换频繁，主系统经常充气，这不利于工作。 ●（2）小型离子表，测分子束流压，而不是测分子束流通量。由 于系统部件上的淀积而使其偏离标准。 ●（3）低能电子束，横穿分子束，利用所探测物种的电子激发荧 光。原子被激发并很快衰退到基态产生UV荧光，光学聚焦后荧光密度正比于束流密度。可做硅源的反馈控制。不足之处：切断电子束，大部分红外荧光和背景辐射也会使信噪比恶化到不稳定的程度。它只测原子类，不能测分子类物质。 生长室结构：

【CN110144553A】大面积原子级精度激光分子束外延薄膜制备系统及方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910280729.1 (22)申请日 2019.04.09 (71)申请人 复旦大学 地址 200433 上海市杨浦区邯郸路220号 (72)发明人 朱银燕　叶碧莹　郁扬　黄海明　 王文彬　高春雷　吴施伟　殷立峰　 沈健　 (74)专利代理机构 上海正旦专利代理有限公司 31200 代理人 陆飞　王洁平 (51)Int.Cl. C23C 14/28(2006.01) C23C 14/50(2006.01) C23C 14/54(2006.01) C30B 23/02(2006.01) C30B 23/06(2006.01) (54)发明名称 大面积原子级精度激光分子束外延薄膜制 备系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种大面积原子级精度激光 分子束外延薄膜制备系统及方法。本发明系统包 括快速进样室、 主腔及其配件、准分子激光器、气体传输组件、机械泵以及若干个分子泵。本发明 通过利用二轴步进电机对激光光路中的全反镜 进行控制，对系统中的氧管、高能电子衍射、样品 加热组件进行修改以及对样品架、样品托重新设 计，实现大样品均匀生长。本发明制备的样品具 有生长面积大、表面平整、无颗粒物、各区域物理 性质一致的优点。本发明方法可通过控制激光光 路、靶台等设备， 实现样品的自动和手动生长。权利要求书1页 说明书6页 附图11页CN 110144553 A 2019.08.20 C N 110144553 A

1.一种大面积原子级精度激光分子束外延薄膜制备系统，其包括快速进样室、准分子激光器、主腔、样品架、靶台、样品加热组件、透镜组件、反射式高能电子衍射仪、荧光屏、气体传输组件和机械泵；其特征在于，快速进样室、样品架和反射式高能电子衍射仪分别通过法兰口连接在主腔四周，靶台位于主腔底部，并在主腔中轴线上，样品架最前端位于靶台正上方；样品架的前端设有样品槽，样品槽中心为通孔，样品槽中插入样品托；样品加热组件位于主腔的正上方，样品加热组件包括红外激光光纤、第二聚焦透镜和支架，红外激光光纤和第二聚焦透镜固定在支架上，红外激光光纤位于第二聚焦透镜的上方，且位于第二聚焦透镜的焦点处；透镜组件包括第一聚焦透镜、全反射镜、两个步进电机以及固定支架；固定支架上安装滑轨，第一聚焦透镜和全反射镜安置在滑轨上，可以沿着固定支架上下移动；全反射镜分别与第一步进电机、第二步进电机相连，使得全反射镜可分别沿着第一旋转轴和第二旋转轴旋转转动，第一旋转轴和第二旋转轴相互正交；透镜组件通过固定支架固定在样品加热组件后方；准分子激光器发出的激光通过透镜组件引入主腔；气体传输组件中包括波纹管和卡套管；反射式高能电子衍射仪通过两根波纹管分别与快速进样室和机械泵相连，氧气通过卡套管连入主腔内，卡套管有2根，其中一根指向样品托中心，另外一根呈环形，靠近靶台表面。 2.根据权利要求1所述的薄膜制备系统，其特征在于，样品架中还包括面内角旋转轴、齿条和齿轮；面内角旋转轴的转动由样品架前端的齿条带动齿轮实现。 3.根据权利要求1所述的薄膜制备系统，其特征在于，样品架和样品托采用耐高温耐高氧的镍基合金。 4.根据权利要求1所述的薄膜制备系统，其特征在于，样品槽和样品架之间设有陶瓷垫片；样品架前端部分为镂空结构。 5.根据权利要求1所述的薄膜制备系统，其特征在于，第一步进电机控制全反射镜沿着第一旋转轴在-10°~10°角度内旋转，第二步进电机控制全反射镜沿着第二旋转轴进行0°~360°旋转。 6.一种基于权利要求1所述的系统的薄膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤： （1）清洗衬底并安装在样品托上，样品托经快速进样室传样至样品架，通过卡套管向主腔中通入氧气，通过样品加热组件的红外激光光纤加热样品至合适温度； （2）打开反射式高能电子衍射仪的控制器，在荧光屏上观察衍射斑并将衍射斑调至最优； （3）打开仪器控制程序，设定激光参数，将靶位转至需要生长的位置，打开靶材自转按钮；打开激光扫靶程序，打开扫靶方案，控制全反射镜开始转动；准备就绪后，选择手动生长或自动生长，即开始生长样品；此时，脉冲激光根据设定的程序打在靶面上不同位置，在整个扫靶周期内，脉冲位置遍历靶面；重复样品生长操作，根据样品生长计划层状生长样品； （4）生长完毕后，关闭反射式高能电子衍射仪，关闭红外激光加热，样品托被传送至快速进样室中，取出样品。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用行列扫描的扫靶方式。 权　利　要　求　书1/1页2CN 110144553 A

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3、分子束外延系统( MBE，Molecular Beam Epitaxy System ) 设备名称：分子束外延系统。 设备功能：分子束外延系统，提供在沉底表面按特定生长薄膜的工艺设备；分子束外延工艺，是一种制备 单晶薄膜的技术，它是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜。 主要企业(品牌)： 国际：法国Riber 公司、美国Veeco 公司、芬兰DCA Instruments 公司、美国SVTAssociates 公司、美国NBM公司、德国Omicron 公司、德国MBE-Komponenten公司、英国Oxford Applied Research (OAR 公司, 国内：沈阳中科仪器、北京汇德信科技有限公司、绍兴匡泰仪器设备有限公司、沈阳科友真空技术有限公司。 4、氧化炉( VDF) 设备名称：氧化炉。 设备功能：为半导体材料进行氧化处理，提供要求的氧化氛围，实现半导体预期设计的氧化处理过程，是半导体加工过程的不

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激光分子束外延系统LMBE

激光分子束外延系统（LMBE） 1主要技术参数与要求 (1) 主腔体： 1. 腔体材料采用优质304不锈钢，全金属密封连接，腔体直径16英寸 （圆柱形设计）； 2. 观察窗采取保护措施（加装含铅玻璃）以防止辐射，腔体预留仪器升 级窗口； 3. 真空系统采用德国普发分子泵（Hipace700），分子泵需配有数据接 口以实现软件控制，抽速为650L/s，并配合使用爱德华涡旋式干泵（dry pump，减少返油污染），抽速5.4 m3/hr，本底极限真空度优于5×10-9mbar （烘烤后）。分子泵与腔体之间采用软连接（配有Damper），以减小分子泵震动对RHEED的影响。 4. 主腔体配备两套不同的真空计，一套组合pirani/Bayard-Alpert（真空 计类型）真空计，量程5×10-10 mbar 到1 bar，用于测量真空度； ★5. 另外配置一套精确的Baratron（真空计类型）真空计，量程10-4到 1 mbar，专门用于精确控制生长时的工艺压力。 (2) 快速进样室： 1. 进样室配备单独的分子泵（普发Hipace80），可软件控制，抽速为 70L/s，配前级隔膜泵，本底真空优于5×10-5 mbar； 2. 能够通过磁力杆方便地传递样品以及靶材，与主腔体之间采用 DN100CF插板阀隔离； 2. 配备Pirani/capacitive（真空计类型）真空计，量程5×10-5 mbar 到 1bar； 3. 进样室配有观察窗； (3) 加热系统： 1. 电阻式加热器，最高加热温度900°C，温度稳定性 1°C，容纳样品尺 寸1英寸，对于1英寸的加热区域温度均匀性为3%； ★2．加热器为插拔式设计，即整个加热器（包括加热丝）可通过磁力杆

分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展

分子束外延技术（MBE）的原理 及其制备先进材料的研究进展 XX （XXXX大学材料学院，西安710000） 摘要：分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的,是为了满足在电子器件工艺中越来越高的要求.MBE是一个动力学过程，而不是一个热力学过程.与其它外延薄膜生长技术相比，MBE具有许多特点,如生长速率低、衬底温度较低等.在超薄层材料外延生长技术方面，MBE的问世使原子、分子数量级厚度的外延生长得以实现，开拓了能带工程这一新的半导体领域.半导体材料科学的发展对于半导体物理学和信息科学起着积极的推动作用.MBE是制备新型器件较为有用的方法，但是有其缺点.未来的发展趋势是结合其他生长技术不断改进MBE，如MBE与VPE并用、气态源分子束外延(GSMBE)、激光分子束外延（LaserMBE）等. 关键词：分子束外延；薄膜；生长技术；半导体 The principle of Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the research progress in the preparation of advanced materials XX (Department of Materials,XXX,Xian 710000) Abstract:Molecular Beam Epitaxywas developed forthe preparation of semiconductor thin film materials by vacuumevaporationtechnique in the 50's，which aims to meet the requirements ofthe electronic devices in the process of higher and higher.MBE is a dynamic process, not a thermodynamic process.MBE has many characteristics whencomparing with other epitaxial thin film growth techniques , such as low growth rate, low substrate temperature and so on.The advent of MBE letthe thicknessof order of magnitudeof atomic, molecular of epitaxial growth be achieved in ultrathin layer epitaxial growth technique, that has opened upBand Engineering,anew field of semiconductors.The development of semiconductor materials science plays an active role in the development of semiconductor physics and information science.MBE is a more useful way to prepare new devices, but there areshortcomings.In the future,the development trend is to continuous improving MBE with the combination of other growth techniques,such as combining MBE with VPE,Gas Source Molecular Beam Epitaxy,Laser Molecular Beam Epitaxy etc. Key words:Molecular Beam Epitaxy;thin film;growth techniques;semiconductor

液相外延和分子束外延

液相外延 液相外延【liquid phase epitaxy】由溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的方法。液相外延由尼尔松于1963年发明，成为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法，被广泛的用于电子器件的生产上。薄层材料和衬底材料相同的称为同质外延，反之称为异质外延。液相外延可分为倾斜法、垂直法和滑舟法三种，其中倾斜法是在生长开始前，使石英管内的石英容器向某一方向倾斜，并将溶液和衬底分别放在容器内的两端；垂直法是在生长开始前，将溶液放在石墨坩锅中，而将衬底放在位于溶液上方的衬底架上；滑舟法是指外延生长过程在具有多个溶液槽的滑动石墨舟内进行。在外延生长过程中，可以通过四种方法进行溶液冷却：平衡法、突冷法、过冷法和两相法。 与其他外延方法相比；它具有如下的优点：1）生长设备比较简单，；2）有较高的生长速率；3）掺杂剂选择范围广；4）晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低；5）晶体纯度高，生长系统中没有剧毒和强腐蚀性的原料及产物，操作安全、简便等。 LPE的不足在于，当外延层与衬底晶格常数差大于1%时，不能进行很好的生长。其次，由于分凝系数的不同，除生长很薄的外延层外，在生长方向上控制掺杂和多元化合物组合均匀性遇到困难。再者LPE的外延层表面一般不如气相外延好。 分子束外延 Molecular Beam Epitaxy 内容 分子束外延的英文缩写为ＭＢＥ，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。 特点 （1）生长速率极慢，大约1um/小时，相当于每秒生长一个单原子层，因此有利于实现精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构等。实际上是一种原子级的加工技术，因此MBE特别适于生长超晶格材料。（2）外延生长的温度低，因此降低了界面上热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。（3）由于生

碲镉汞分子束外延材料生长工序简介

碲镉汞分子束外延材料生长工序简介 碲镉汞（HgCdTe）分子束外延（MBE）材料即在分子束外延系统中生长的HgCdTe薄膜材料。全世界商用的分子束外延系统有多个公司的多种型号，但基本配置大同小异。这里介绍法国Riber公司的RIBER 32P 3英寸分子束外延系统，该套系统主要由一个预处理室、一个过渡室、一个生长室组成。预处理室用于完成衬底的进样和预先除气；过渡室用于样品的传递或暂存；在生长室中则主要完成样品的高温脱氧、缓冲层的生长和HgCdTe薄膜材料的外延。进样室和过渡室采用溅射离子泵，真空度可以达到10-10Torr。由于Hg材料的特殊性质，生长室的真空靠低温泵和冷阱来维持，外延生长时真空度保持在10-9Torr 的水平。 生长室的装置如图1所示，主要包括束源炉、液氮冷却系统、衬底加热装置、真空检测系统以及束源炉和衬底的温度监测控制系统。样品架具有旋转机构，以保证外延材料组分和厚度的均匀性，其中心位置装有非接触式测温热电偶，另外在样品架的对面装有红外辐射测温仪用的窗口。在生长过程中主要依靠热电偶和红外测温仪进行精确的衬底温度测量。样品的装片方式采用3英寸无In衬底架，由于衬底为红外透明材料，测温仪受到衬底加热器的热辐射干扰，无法获得衬底材料表面的真实温度，这时介于样品和加热器之间的热电偶测量信号将发挥重要的温度测量和指导温度控制的作用。生长所用的主要源材料为高纯的Hg(7N)，Te (7N)，CdTe(7N)。超高真空环境结合高纯源材料，保障 2 了其他材料杂质含量较少，避免了引入不必要的杂质掺杂。 图1 生长室装置示意图

HgCdTe外延材料的生长工艺 分子束外延生长工艺按时间顺序可以主要分为三个部分：衬底的预处理，装片工艺，HgCdTe生长条件的控制，后道工艺和材料评价。每一部分又由许多道更小的工序步骤组成。 ●衬底处理工艺 一般包括衬底的选片、抛光、清洗、腐蚀等环节，根据衬底材料的不同其处理方式也有一定区别。如Si衬底材料：Si衬底由于其反应性较强，与空气中的气体作用会在衬底表面产生杂质，从而将阻止正常的单晶生长并成为外延层内缺陷的主要起因。因此外延生长前，必须经过高温脱氧将衬底表面吸附的原子级杂质去除干净，才能继续外延生长。Si表面的原子级杂质主要是氧化层和碳化层，Lander 和Morrison报道了当Si衬底加热至800 ～1000℃时氧化层可完全去除，而去除碳化层的温度却要高达1200℃以上。这样的高温将引起杂质的互扩散，改变Si衬底中的掺杂浓度，除此之外还将增加晶体缺陷如位错和层错，在衬底中产生滑移线，而且RIBER 32P MBE的衬底加热能力有限，如何通过衬底前道清洁处理工艺把Si脱氧温度降到900℃以下，是首先要解决的问题。以Ishizaka方法为基础，通过改变人工氧化层生长方法以及HF腐蚀时间，降低脱氧温度的合适衬底制备工艺：（1）有机清洗，去油脂（2）化学方法对Si进行多次循环的氧化、去氧化，以完全去除Si表面的碳化层和氧化层（3）Cl原子进行Si表面钝化，防止Si与空气中的O、C原子发生反应（4）干燥后进行进样前的衬底筛选检验。 ●装片工艺 衬底的装片模式现在主要采用无In装片方式，即将3英寸衬底直接装配在无In钼环上。其装片方式，由图2可见，衬底在衬底架内自由放置，依赖于背后加热器的辐射加热，无热应力问题，并可保证衬底材料的横向温度均匀性。 图2 衬底的加热和旋转示意图

分子束外延

分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。 分子束外延是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。随着超高真空技术的发展而日趋完善，由于分子束外延技术的发展开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学的新领域，进一步说明了半导体材料的发展对半导体物理和半导体器件的影响。分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）技术是在真空沉积法和1968年阿尔瑟(Arthur)对镓砷原子与GaAs表面相互作用的反应动力学研究的基础上，由美国贝尔实验室的卓以和在70年代初开创的。它推动了以超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。分子束外延（MBE）是一种灵活的外延薄膜技术，可以表述为在超高真空环境中通过把热蒸发产生的原子或分子束投射到具有一定取向、一定温度的清洁衬底上而生成高质量的薄膜材料或各种所需结构。晶体生长受分子束相互作用的动力学过程支配，而异于常规的化学气相淀积(VPE)和液相外延(LPE)中的准热力学平衡。随着MBE技术的发展，出现了迁移增强外延技术（MEE）和气源分子束外延（GS-MEE）技术，近年来又出现了激光分子束外延技术。 作为国防创新实验室的重要部门，材器中心现拥有两台MBE设备，分别为RIBER 32P和RIBER EPINEAT，均用于碲镉汞（HgCdTe）材料的制备。RIBER 32P作为早期研究型的设备在材器中心已经运行十多年，从早期在ZnCdTe衬底到后来在异质衬底(GaAs、Si、Ge) 上均做过很多Ⅱ-Ⅵ材料外延研究工作，参与了很多工程项目。RIBER EPINEAT作为生产型设备，自2004年引进材料组以来目前主要

脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点

脉冲激光沉积技术 所谓“脉冲激光沉积技术”是将脉冲准分子激光所产生的高功率脉冲激光束 聚焦作用于真空室内的靶材表面，使靶在极短的时间内加热熔化、气化直至使靶材表面产生高温高压等离子体，形成一个看起来像羽毛状的发光团—羽辉；等离子体羽辉垂直于靶材表面定向局域膨胀发射从而在衬底上沉积形成薄膜。 脉冲激光沉积（PLD）是一种新型的制膜技术，PLD制备薄膜大体可分为三个过程：激光与靶材相互作用产生等离子体；等离子体在空间的输运；等离子体在基片上沉积形成薄膜。与其它制膜技术相比，PLD具有以下特点和优势： 一、所沉积形成的薄膜可以和靶材成分保持一致。由于等离子体的瞬间爆炸性发射，不存在成分择优蒸发效应以及等离子体发射的沿靶轴向的空间约束效应，因此膜与靶材的成分保持一致。由于同样的原理，PLD可以制备出含有易挥发元素的多元化合物薄膜。 二、可在较低温度下原位生长织构膜或外延单晶膜。由于等离子体中原子的能量比通常蒸发法产生的离子能量要大得多，原子沿表面的迁移扩散更剧烈，故在较低温度下也能实现外延生长，而低的脉冲重复频率也使原子在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。PLD的这一特点使之适用于制备高质量的高温超导、铁电、压电、电光等多种功能薄膜。 三、能够获得连续的极细薄膜，制备出高质量纳米薄膜。由于高的离子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用，故PLD促进薄膜的生长沿二维展开，并且可以避免分离核岛的出现。 四、生长速率较快，效率高。比如，在典型的制备氧化物薄膜的条件下，1小时即可获得1微米左右的膜厚。 五、生长过程中可原位引入多种气体，包括活性和惰性气体，甚至它们的化合物。气氛气体的压强可变范围较大，其上限可达1torr.甚至更高，这点是其它技术难以比拟的。气氛气体的引入，可在反应气氛中制膜，使环境气体电离并参与薄膜沉积反应，对于提高薄膜质量具有重要意义。 六、由于换靶位置灵活，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长，这种原位沉积所形成的多层膜具有原子级清洁的界面。 七、成膜污染小。由于激光是一种十分干净的能源，加热靶时不会带进杂质，这就避免了使用柑祸等加热镀膜原材料时对所沉积的薄膜造成污染的问题。 正因为脉冲激光沉积技术具有上述突出优点，再加上该技术设备较简单，操作易控制，可采用操作简便的多靶台，灵活性大，故适用范围广，并为多元化合物薄膜、多层膜及超晶格膜的制备提供了方便。目前，该技术已被广泛运用于各种功能性薄膜的制备和研究，包括高温超导、铁电、压电、半导体及超晶格等薄膜，甚至可用于制备生物活性薄膜，显示出广泛的应用前景。

有机分子束外延技术与研究进展

第20卷　第4期 物　理　学　进　展Vol.20,No.4　2000年10月PRO GRESS IN PH YSICS Oct.,2000文章编号:1000Ο0542(2000)04Ο0395Ο12 收稿日期:2000Ο05Ο24;修改日期:2000Ο07Ο17 基金项目:国家自然科学基金和中国科学院“九五” 重大基础研究基金的资助有机分子束外延技术与研究进展 周淑琴　刘云圻　邱文丰　朱道本 (中国科学院化学研究所有机固体室,北京　100080) 摘　要:　本文介绍了超高真空分子束外延生长有机薄膜的技术及其研究进展,讨论了外延材料的纯化过程和杂质对外延薄膜结构的影响;从理论和实验观点评论了薄膜的生长性质和膜的有序结构。超高真空有机分子束外延技术是一种多用途的高技术,可以生长有机、无机、有机/无机混和的薄膜结构。这种薄膜结构是未来光学和电子器件有希望应用的新一类工程材料。 关键词:　 有机分子束外延;超高真空;有机薄膜;分子器件中图分类号:　484.1 文献标识码:　A 0　引　言 薄膜科学始终是一门发展迅速、内容丰富、极其有意义的独立学科。随着分子电子学的发展,薄膜技术特别是有序薄膜技术,在微观电子学和纳米电子学方面深受重视。在过去的十年,超薄的有机分子薄膜和具有特殊光、电、磁功能的多层结构膜的研究有了惊人的进展。完成这种有序超薄有机膜的一个重要方法之一是分子束外延生长技术。这种技术的主要特点是使用超高真空(U HV )技术。如果化合物的纯度很高,结构完整,那么就能够很好的控制单分子有机膜的外延生长[1～3]。多年来,这种有机单分子膜的控制是采用众所周知的LB 膜沉积技术[4]。近年来,一种分子自组装技术也能完成单分子膜的制备[5]。但这两种薄膜技术,都要求对成膜分子进行化学修饰,使其带有特定的基团,从而限制了分子材料的研究范围。超薄有机分子薄膜真空生长技术也称为有机分子束沉积(OMBD )技术,或有机分子外延(OMB E )技术,它的优点在于无需对材料进行修饰,外延层的厚度可控,基片及环境的清洁度可达到原子级,在沉积超薄膜的过程中能够原位实时地监控膜的结构生长情况。OMB E 技术为了解超薄有机膜系统的基础结构和光、电、磁性质提供了全新的可行性操作。 超薄有机分子薄膜在分子电子学或纳米电子学领域具有广泛的实际应用前景,目前,

分子束外延 (MBE) 技术---基质加热器

MBE 组件 完全按照操作标准加工，旨在提供高度可靠、灵活的性能。Veeco 提供了一套完整的 MBE 系统组件，包括专为 MBE 工艺开发的先进的加热器、电源、设备控制器、布线和软件包。 1. 基质加热器 适用于特定温度和生长环境 Veeco 提供适用于特定应用领域、专为特定温度和生长环境条件而制造的基底加热器。标准设计使用 PBN 扩散器板和高级线丝，可提供优异的跨区一致性并降低了能耗。 ? 优异的热均匀性 ? 低能耗 ? 清洁操作 ? 提供多丝材料 ? 适合于特定应用领域的设计和材料 ? 延长了氧和氨环境下的寿命 ? 提供双丝加热器 ? 适用于所有标准 MBE 系统 2. MBE 线性移动快门 动作更快、寿命更长 借助 Veeco 线性移动快门可替代整体快门来控制分子束外延 (MBE) 系统中的射束流量，从而实现更快的动作。该快门带阻尼设计，实现了更长的使用寿命（>1 百万次），活动部件由波纹管密封并由气压驱动，而且轴受到保护可防止气动启动器阻塞。 ? 可靠、耐用、动作快速（50 ms 即可打开或关闭），因此可替代整体快门来控制 MBE 系统中的射束流量 ? 带阻尼设计的快门受到的冲击与振动降低 - 设计使用寿命 >1 百万次 ? 活动部件由波纹管密封并由气压驱动 ? 轴受到轴壳保护，可防止凝结的蒸发物阻塞启动器 ? 气动启动器可避免干扰 RHEED 或其他敏感设备 ? 适用于所有标准 MBE 系统 3. 气体源交付系统 用于 Veeco MBE 气体源精确控制 Veeco 的气体源传送系统 (GSDS) 提供对气体的精确控制、互锁和监测惰性气体、有害气体和/或可燃气体。Molly ? ECS1 生长控制软件可轻松与您的现有系统实现集成。 提供各种组合选项以符合您的需求及预算。所有组合均附带每条管路的手动气管切断阀、气体过滤净化器、质量流量控制器和气动控制运行排气阀。 ? 对 Veeco MBE 气体源实现高效、安全的气体控制 ? 便捷的操作和监测流程 ? 三种模型配置以满足特定应用和预算

史上最全的半导体材料工艺设备汇总

史上最全的半导体材料工艺设备汇总 ? 据中国半导体工业协会（CSIA）的数据，2013年中国半导体销售额2508亿元，同比增长%，其中设计亿元，增长%；制造亿元，增长%；封装亿元，增长%，而进口半导体芯片为2313亿美元。 根据安邦半导体产业顾问莫大康提供的数据，在2013年中国半导体前10大制造商中，外商占4家，包括如SK、Hynix、Intel、TSMC及和舰，不包括在成都的德州仪器。总销售额为亿元，其中4家外资为亿元，占比贡献为%。在2013年中国前10大封装制造商中，外商占7家（未计及西安的美光），总销售额为亿元，其中外资为亿元，占比贡献为%。半导体业如此巨大的市场，半导体工艺设备为半导体大规模制造提供制造基础，摩尔定律，给电子业描绘的前景，必将是未来半导体器件的集成化、微型化程度更高，功能更强大。Source:中研网Source：微迷网小编为您解读半导体生产过程中的主要设备的概况。1、单晶炉设备名称：单晶炉。设备功能：熔融半导体材料，拉单晶，为后续半导体器件制造，提供单晶体的半导体晶坯。主要企业（品牌）：国际：德国PVATePlaAG公司、日本Ferrotec 公司、美国QUANTUMDESIGN公司、德国Gero公司、美国KAYEX 公司。国内：北京京运通、七星华创、北京京仪世纪、河北晶龙阳光、西安理工晶科、常州华盛天龙、上海汉虹、西安华德、

中国电子科技集团第四十八所、上海申和热磁、上虞晶盛、晋江耐特克、宁夏晶阳、常州江南、合肥科晶材料技术有限公司、沈阳科仪公司。2、气相外延炉设备名称：气相外延炉。设备功能：为气相外延生长提供特定的工艺环境，实现在单晶上，生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体，为单晶沉底实现功能化做基础准备。气相外延即化学气相沉积的一种特殊工艺，其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续，而且与衬底的晶向保持对应的关系。主要企业（品牌）：国际：美国CVDEquipment 公司、美国GT公司、法国Soitec公司、法国AS公司、美国ProtoFlex公司、美国科特·莱思科（）公司、美国AppliedMaterials公司。国内：中国电子科技集团第四十八所、青岛赛瑞达、合肥科晶材料技术有限公司、北京金盛微纳、济南力冠电子科技有限公司。3、分子束外延系统（MBE，MolecularBeamEpitaxySystem）设备名称：分子束外延系统。设备功能：分子束外延系统，提供在沉底表面按特定生长薄膜的工艺设备；分子束外延工艺，是一种制备单晶薄膜的技术，它是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜。主要企业（品牌）：国际：法国Riber公司、美国Veeco公司、芬兰DCAInstruments公司、美国SVTAssociates 公司、美国NBM公司、德国Omicron公司、德国MBE-Komponenten 公司、英国OxfordAppliedResearch（OAR）公司。国内：沈阳中科仪器、北京汇德信科技有限公司、绍兴匡泰仪器设备有限