第五章 分子束外延--5.4 分子束外延生长硅
一般来说，硅分子束外延是指与硅有关的分子束外延，既包 括在硅衬底上同质外延生长Si薄膜，也包括在硅衬底上异质 外延生长其他系统的分子束外延技术。 一、表面制备 集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、 扩散和引线蒸发等工序前，采用物理或化学的方法去除硅片 表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清洁度要求的硅片 表面的过程。 随着集成电路由大规模向超大规模发展，电路的集成度日益 提高、单元图形的尺寸日益卫华，污染物对器件的影响也越 加突出。
残余气体有显著的吸附效果。 ✓ 整个系统要进行烘烤，生长系统内的附属机件应能承受150-
200℃的高温，且具有很高的气密性。
第五章 分子束外延--5.3 外延生长设备
（2）分子束源组件 是生长室中的核心部件。由喷射炉、挡板和液氮屏蔽
罩构成。其作用是产生射向衬底的热分子束。分子 束的纯度、稳定性和均匀性是决定外延层质量的关 键，因此对分子束源组件所用材料的纯度、稳定性、 真空放气性能和分子束流方向性及流量控制等都有 较高的要求。 束源炉的加热方式可采用电阻加热、电子束轰击等。
第五章 分子束外延
第五章 分子束外延--5.1引言
➢ 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, 简称MBE）是晶体薄 膜的一种外延生长技术。是指在清洁的超高真空（UHV）环 境下，使具有一定热能的一种或多种分子（原子）束流喷射 到晶体衬底，在衬底表面发生反应的过程，由于分子在“飞 行”过程中几乎与环境气体无碰撞，以分子束的形式射向衬 底，进行外延生长，故此得名。
➢ MBE的生长速度比较慢，既是优点也是不足：过快的生长速 率无法生长很薄的外延层，更谈不上精确控制层厚；MBE从 诞生的开始就不是作为厚膜生长技术出现的，而是针对几纳 米乃至几埃的超薄层外延，因此不适于大量生产。
➢ 分子束外延中的分子（原子）运动速率非常之高，源分子 （原子）由束源发出到衬底表面的时间极其短暂，一般是毫 秒量级，一旦将分子束切断，几乎是在同时，生长表面上源 的供应就停止了，生长也及时停止。不会出现层厚失控。
➢ 属于真空蒸镀方法，由美国Bell实验室的卓以和在20世纪70 年代初期开创的。
第五章 分子束外延--5.1引言
➢ 可在多种半导体衬底上直接生长出外延层厚度、掺杂和异质 界面平整度能精确到原子量级的超薄多层二维结构材料和器 件，并通过与光刻、电子束刻蚀等工艺技术相结合或采用在 一些特定衬底晶面直接生长的方法，还可制备出一维和零维 的纳米材料等。
第五章 分子束外延--5.3 外延生长设备
➢ 典型的MBE设备具有三个真空工作室，即进样室、分析室和 外延生长室。
➢ 进样室用于换取样品，是整个设备和外界联系的通道。 ➢ 分析室对样品进行表面成分、电子结构和杂质污染等分析。 ➢ 外延生长室用于样品的分子束外延生长。 ➢ 每个室都具有独立的抽气设备，各室之间用闸板阀隔开，这
样即使某一个室和大气相同，其他室仍可保持真空状态，可 以保证生长室不会因换取样品而受大气污染。
第五章 分子束外延--5.3 外延生长设备
（1）真空系统 ✓ 主真空室的本底压强应不高于10-8Pa。 ✓ 生长室和分析室除机械泵-分子泵联动抽气装置外，一般还需
要配置离子泵和钛升华泵，以维持超高真空环境。 ✓ 在生长室内壁，还加有大面积的液氮冷屏套，对CO、H2O等
达衬底表面。因此通过石英晶体膜厚仪监测，可严格地控制 生长速率。 （２）分子束外延的生长速率比较慢，大约0.01-1nm/s。可实现 单原子（分子）层外延，具有极好的膜厚可控性。
第五章 分子束外延--5.2 分子束外延的原理和特点
➢ 分子束外延技术的典型特点： （３）通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，可严格控制膜
➢ 各喷射炉前的挡板用来改变外延膜的组分和掺杂。 ➢ 根据设定的程序（或手动）开关挡板、改变炉温和控制生长
时间，则可生长出不同厚度的化合物或不同组分比的三元、 四元固溶体以及它们的异质结，制备各种超薄微结构材料。
第五章 分子束外延--5.2 分子束外延的原理和特点
➢ 分子束外延技术的典型特点： （１）从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到
的成分和杂质浓度，也可实现选择性外延生长。 （４）是在非热平衡态下的生长，因此衬底温度可低于平衡态
温度，实现低温生长，可有效减少互扩散和自掺杂。 （５）配合反射高能电子衍射等装置，可实现原位观察。利用
这些装备，可以对外延过程中结晶性质、生长表面的状态等 作实时、原位监测。
第五章 分子束外延--5.2 分子束外延的原理和特点
第五章 分子束外延--5.2 分子束外延的原理和特点
➢ 在超高真空（<10-10Torr）系统中相对地放置衬底和多个分 子束源炉（喷射炉），将组成化合物的各种元素和掺杂剂元 素分别放入不同的喷射炉内，加热使它们的分子（或原子） 以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到加热的衬 底表面上，与表面相互作用（包括在表面迁移、分解、吸附 和脱附等）进行单晶薄膜的外延生长。
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第五章 分子束外延--5.4 分子束外延生长硅
一、表面制备 硅片表面的污染物通常以原子、离子、分子、粒子或膜的形成，以物理 吸附或化学吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中。 硅片表面是硅晶体的一个断面。这个表面所有的晶格都处于破坏状态， 即有一层或多层硅原子的键被打开，呈现一层或几层的悬挂键。不饱和 化学键的化学活性高，处于不稳定状态，极易与周围的分子或原子结合 起来，这就是所谓的“吸附”。 一些被吸附的杂质粒子获得加大的动能而脱离硅片表面，重新回到周围 介质（如空气）中去，称为“解吸”。
第五章 分子束外延--5.3 外延生长设备
（3）束流（蒸发速率）监测装置 石英晶体监测：目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过 程中厚度的实时测量。这一方法原理是基于适应晶体片的固 有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象。
使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题: 一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。
➢ MBE不仅可以制备Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，还可以制备Ⅱ-Ⅵ 族、Ⅳ-Ⅳ族等材料以及金属和绝缘体薄膜等。
➢ 20世纪90年代，MBE在如何减少椭圆缺陷，克服杂质堆积、 异质外延，调制掺杂，选择区域外延等方面都取得了重大的 进步，技术日趋成熟，已走向生产实用化。
第五章 分子束外延--5.2 分子束外延的原理和特点