分子束外延設備有很多種。但就其主要結構而論是大同小異的。分子束外延的設備較其他外延技術的設備複雜，要包括超高真空系統努森箱及各種分析儀器。從MBE技術的發展過程看，當初主要是為開發以GaAs為中心的Ⅲ-V族化合物半導體，而後是針對Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族化合物半導體，最近正轉向針對Si半導體器件的套用開發。從MBE裝置的角度看，逐步從單純研究用裝置向批量生產用裝置進展。
基本介紹
- 中文名：分子束外延設備
- 外文名：Molecular beam epitaxy equipment
- 設備包含：超高真空系統努森箱
- 真空度：10-8Pa
- 適用：薄膜生長機理、表面結構研究
- 發展：提高外延膜的均勻性、重複性
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簡介
第一代MBE裝置如圖1所示。在同一個超高真空室中安裝了分子束源、可加熱的基片支架、四極質譜儀、反射高能電子衍射裝置(RHEED)、俄歇電子譜儀、二次離子質量分析儀等，可以用計算機自動控制晶體生長。為獲得高質量外延膜，需要超高真空．，而俄歇分析等也需要超高真空。為此，除排氣採用離子泵系統之外，整個裝置均可烘烤除氣，從而可保證10Pa的真空度。
圖1 MBE裝置
該設備適於薄膜生長機理、表面結構、雜質摻入等基礎性研究，現在仍用於這方面的研究。
MBE用於Ⅲ-V族化合物半導體薄膜生長方面，一般都是GaAs或以GaAs為主體的外延生長。其中，As的粘附係數與Ga的存在密切相關，有Ga存在時，As的粘附係數為1，無Ga存在時，As的粘附係數為0。也就是說，只要保證比Ga多的As分子束射在GaAs單晶體上，不變成GaAs的As即可全部再蒸發，從而能夠獲得符合化學計量比的GaAs外延層。MBE設備正是巧妙地利用了這一點。上述的Ga和As分別由嚴格控溫的分子束髮出，並射向基板。利用設定於裝置中的各種分析手段對外延膜的生長過程及結品形態等進行線上分析。由此獲得表面原子尺寸平坦的優質MBEGaAs單晶膜。
MBE也是在真空室中使從蒸發室飛來的分子在基板上附著，在這一點上與傳統的真空蒸鍍並無多大區別。但MBE有兩點極為關鍵：其一，在高真空中採用的是分子束；其二，分子束源置於液氮冷卻槽中。這樣，從分子東源直線射出的分子束不會對晶體生長室造成污染。而且，從基板返回的As等也容易被冷阱及離子泵等排除，從而保證到達基板的總是新鮮的入射分子。清潔的超高真空系統提供了進一步的保證。上述措施的共同作用可以避免雜質混入，從而獲得優良的外延單晶膜。
分子束外延設備發展
第二代以後的MBE裝置，在外延膜生長機理及裝置構成方面與第一代基本相同，僅在分子束源和擋板機構等方面作了根本性的改變。第二代MBE設備是在一室型第一代MBE設備基礎上，增加一基板交換室，變為兩室型。一室型MBE設備在每次交換基板時，外延室都要與大氣連通，不僅抽真空浪費時間，而且真空度和清潔度都難以保證。二室型設備僅基板交換室在交換基板時與大氣連通，而外延室始終處於真空狀態。第三代MBE設備是為了提高分析功能並增大外延室的尺寸，另設一分析室，變為三室型，其結構圖2所示。
圖2 第三代MBE設備
第四代MBE裝置是在第三代基礎上，為適應器件製作及基板尺寸大型化的要求，提高外延膜的均勻性、重複性，減少膜層缺陷、改善膜層質量，提高處理能力，在軟體和硬體兩方面加以改進。目前，MBE設備經過進一步發展，已達到批量化生產的第五代。
分子束外延技術的發展
分子束外延自20世紀60年代末在真空蒸鍍的基礎上產生以來，發展十分迅速。其中之一是引入氣態的分子束源，構成所謂化學束外延(CBE)。用砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)生長InGaAsP等四元材料，或將金屬有機化合物引入分子束源形成所謂金屬有機化合物分子束外延(MOMBE)。這兩項新技術是把MBE和目前發展很快的金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)技術相結合，進一步改進了MBE的生長和控制能力。
把分子束外延和脈衝雷射結合起來，發展成所謂雷射分子束外延(L-MBE)技術。它是用雷射照射靶來代替分子(原子)束源，更容易實現對蒸發過程精確的控制，顯示了比常規分子束外延更加廣闊的套用前景。
