分子束外延
分子束外延技术
分子束外延原理示意图
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分子束外延原理
外延表面反应过程
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分子束外延原理
MBE的典型特点：
• （1）从源炉喷出的分子（原子）以“分子束”流形式直线到达 衬底表面，可严格控制生长速率。 • （2）分子束外延的生长速率较慢，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。 • （3）通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，可严格控制膜的 成分和杂质浓度，也可实现选择性外延生长。
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国内外成果
中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室：李存才数十年 来负责微系统所四台分子束外延MBE设备的维运。2014年，该所信息功能材料国家 重点实验室研制出了InP基无锑量子阱激光器，制备的2.4微米窄条激光器（6 µ m×0.8 mm）在300 K时阈值电流仅62 mA，单面输出功率超过11 mW。此2.4微米 InP基无锑量子阱激光器是目前国际上已有报道中室温激射波长最长的。 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所：低维纳米结构和器件的设计、加工、 组装、集成技术为基础 浙江大学硅材料国家重点实验室：从事硅单晶材料及半导体材料的基础科学与应用 基础研究，着重拓展硅外延、太阳能硅材料、硅基光电子材料以及纳米硅材料的研 究;半导体薄膜领域：在坚持ZnO薄膜生长和掺杂特色的基础上，重点开展半导体薄 膜在LED照明领域的应用; 哈尔滨工业大学：InAs/GaSb超晶格
低温泵是使用低于20K的金 属表面使气体凝结，并保持 凝结物的蒸汽压力低于泵的 极限压力，从而达到抽气作 用低温泵可以获得抽气速率 最大、极限压力最低的清洁 真空。
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分子束外延设备
真空计
在低压强气体中，气体分子被电离生成的正 离子数与气体压强成正比。电离真空计是基 于在一定条件下，待测气体的压力与气体电 离产生的离子流呈正比关系的原理制作的真 空测量仪器。按照离子产生的方法不同，电 离真空计可分为热阴极电离真空计和冷阴极 电离真空计
分子束外延
分子束外延装置图
分子束外延装置主要由工作室、分子束喷射炉和 各种监控仪器组成。 特点： 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够 精确控制膜厚、组分和掺杂，适合于制作微波、 光电和多层结构器件。 分子束外延制膜是将原子一个一个地直接沉积在 衬底上实现外延生成的。分子束外延虽然也是一 个蒸发过程，但它并不以蒸发温度为控制参数， 而以系统中的四极质谱仪、原子吸收光谱等现代 仪器精密地监控分子束的种类和强度，从而严格 控制生长过程与生长速率。 分子束外延是一个超高真空的物理淀积过程，利 用快门可对生长和中断进行瞬时控制。因此，膜 的组分和掺杂浓度可随要求的变化作迅速调整。
三、分子束外延
分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制 膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。它 是在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的 分子束流直接喷到衬底表面，从而在其上形 成外延层的技术。 其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且 能够精确控制膜厚、组分和掺杂，适合于制 作微波、光电和多层结构器件。
分子束外延能独立控制各蒸发源的蒸发和喷射速度，从而能 制备合金薄膜。 分子束外延的衬底温度低，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。 分子束外延是动力学过程，即将入射的中性粒子（原子或分 子）一个一个地堆积在衬底上进行生长，而不是一个热力学 过程，所以它是按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。 分子束外延的另一显著特点是生长速率低，大约1 ， 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异质结等，特别适于生长超晶格 m / h 材料和外延薄膜材料。分子束外延受衬底材料的影响较大， 要求外延材料与衬底材料的晶格结构和原子间距相互匹配， 晶格失配率是一种新的薄膜沉积技术，他是在单 晶基片上，在合适的条件下，沿基片表面形 成一层晶体结构完整的新单晶层的制膜方法。 外延分为：同质外延和异质外延。
分子束外延技术
分子束外延技术分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延膜厚度、精确控制对薄膜的掺杂和精确控制界面平整度的薄膜制备技术，主要用于制备超薄膜、多层量子阱和超晶格等半导体用高精度薄膜，是新一代电子器件、光电子器件的主要制备技术之一。
1958年，K.Z. Gunther首先提出分子東外延概念；1968年，J.E. Davey和T. Pankey用分子束外延技术制备了GaAs薄膜；1975年，MBE技术应用于半导体器件制备。
我国1980年出产首台MBE系统，1986年后进入器件应用阶段。
图1 外延膜的示意图1.分子束外延原理分子束外延是把构成晶体的各个组分分别放在不同的蒸发源中，在10-8Pa的超高真空条件下，缓慢加热膜材，使之形成分子束流并以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到基片上，在基体上进行外延薄膜生长，并在线监测生长过程的一种镀膜方法。
从本质上讲，它是一种真空蒸发镀，包括分子束的产生、分子束的输运和分子束的沉积三个过程。
分子束外延示意图如图2所示[1]，膜材放在蒸发源中，每个蒸发源有一个挡板，蒸发源对准基体，基体可以加热调节温度，另外有监测设备，在线监测薄膜晶态结构。
图2 分子束外延示意图1.1分子束的产生分子束是通过蒸发源产生的，蒸发源决定分子束的活性、分子束强度（由蒸发速率决定）。
蒸发源包括克努曾舟[2]、电子束加热源和裂解炉。
克努曾舟主要用来蒸发低熔点材料，如Ge、Ga和Al等，而电子束主要用于高熔点物质蒸发，如C、W等。
裂解炉通常用于As和P等物质的蒸发，这些材料蒸发时容易形成四聚体，需要用裂解炉使四聚体变成活性较高的二聚体或单原子。
束流反应活性高，利于制备热力学平衡态下难以制备的高浓度合金，因而能够制备新型人工材料和器件。
反应活性高，还利于降低样品生长时的衬底（基体）温度，从而减弱膜层或成分间相互扩散，有利于制作陡峭界面和极薄层的结构。
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。
原子层沉积 分子束外延
原子层沉积分子束外延摘要：1.原子层沉积与分子束外延的概述2.原子层沉积技术的原理与特点3.分子束外延技术的原理与特点4.两种技术的应用领域及优缺点对比5.中国在相关领域的研究与发展正文：原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是两种重要的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、光学和能源等领域。
原子层沉积技术是一种自下而上的薄膜制备方法，通过气相沉积的方式，将材料原子一层一层地沉积在基底上。
ALD技术的特点是薄膜厚度可控、成分均匀、生长速率慢，因此能够实现对薄膜的精确控制。
此外，ALD技术可以应用于多种材料，包括金属、氧化物和化合物等。
在我国，ALD技术已经取得了显著的研究成果，并在半导体、太阳能电池、发光二极管等领域得到了广泛应用。
分子束外延技术则是一种自上而下的薄膜制备方法，通过将材料分子束射到基底表面，使其逐层生长。
MBE技术的特点是薄膜生长速率快、薄膜质量高、成分可控。
由于MBE技术对薄膜的生长具有很高的控制能力，因此在我国被广泛应用于量子点、量子井、超晶格等纳米材料的制备。
此外，MBE技术还在光电子器件、半导体器件等领域具有重要应用价值。
在对比两种技术时，ALD适用于大面积、均匀薄膜的制备，而MBE更适用于小面积、高质量薄膜的制备。
同时，ALD技术在我国的研究与应用相对成熟，拥有较高的产业化水平；而MBE技术在我国的研究尚处于起步阶段，但具有巨大的市场潜力。
总之，原子层沉积和分子束外延技术在我国都取得了显著的研究成果，并具有广泛的应用前景。
作为职业写手，我们有责任关注这两种技术的发展动态，挖掘其在不同领域的应用潜力，为我国科技事业的发展贡献力量。
mbe 分子束外延
mbe 分子束外延
MBE（分子束外延）是一种用于薄膜生长的技术。
在MBE过程中，固态材料通过热蒸发产生分子束，然后这些分子束沉积在衬底表面。
这种技术可以精确地控制薄膜的厚度和成分，因此在半导体和光电领域得到广泛应用。
MBE的工作原理是利用高真空环境中的分子束进行生长。
首先，固态材料（通常是金属、合金或化合物）被加热到高温，使其蒸发成气体态。
然后，这些气体态的分子通过使用运动控制的出口孔径进入到真空室中，并被一个电子束或离子束进行解离。
解离后的分子束会通过衬底的孔径进入到衬底表面，然后在衬底表面沉积成薄膜。
最终的薄膜的厚度和成分可以通过调整衬底表面的温度、蒸发速率和解离度来控制。
MBE具有许多优点。
首先，它可以在高真空环境中进行，这使得薄膜几乎没有与空气中的杂质接触，从而减少了薄膜的污染。
其次，由于分子束的精确控制，可以生长非常薄的薄膜（纳米级别），从而使得器件设计更加灵活。
此外，MBE可以生长多层结构，因此适用于复杂的器件设计。
然而，MBE也存在一些挑战。
首先，MBE是一个高成本的技术，需要耗费大量的设备和能量。
其次，由于分子束的束缚效应，薄膜生长的速率相对较低，通常需要几个小时到几天的时间来完成。
此外，MBE对衬底的要求也比较严格，需要高质量的晶体衬底。
总的来说，MBE是一种强大的薄膜生长技术，可以用于制备高质量的晶体薄膜。
它在半导体、光电和纳米材料等领域具有广泛的应用前景。
分子束外延技术
分子束外延技术1. 引言分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种先进的材料制备技术，广泛应用于半导体器件和纳米材料的研究和生产领域。
该技术利用超高真空环境下的分子束束流，通过在晶体表面逐层沉积原子和分子，从而制备出具有高结晶质量和精确控制的薄膜和异质结构。
本文将详细介绍分子束外延技术的原理、仪器设备、潜在应用以及一些发展趋势。
2. 分子束外延技术原理分子束外延技术的核心原理是利用超高真空环境下的分子束束流进行材料的生长。
该技术的关键步骤包括分子束的制备、束流的对准和单分子层的沉积。
首先，需要使用分子束制备室来蒸发所需的材料。
通常使用的方法有热源蒸发、激光蒸发和电子束蒸发。
通过控制蒸发源温度和压力，可以得到所需的原子或分子束。
然后，将分子束引入基底材料的表面。
为了精确地控制分子束的对准，常采用光束热脱附（Photodesorption）和金刚石细针扫描（Diamond Anvil Scanning）等技术。
最后，在基底材料的表面逐层沉积原子和分子，形成所需的薄膜和结构。
这需要控制沉积速率、表面扩散和吸附动力学等参数，以保证沉积的薄膜具有高结晶质量和所需的形貌。
3. 分子束外延技术仪器设备分子束外延技术需要高度精密的仪器设备来实现对分子束的制备和束流的对准。
典型的MBE系统包括以下几个关键组件：3.1 蒸发室蒸发室用于蒸发所需的材料。
该室通常具有多个独立的炉子，可以同时蒸发多种材料。
蒸发室还包括温度控制装置、高真空泵和检测装置等。
3.2 基底基底是分子束外延技术中用于生长薄膜的材料。
常用的基底材料包括GaAs、InP、Si和Ge等。
基底通常具有高结晶质量和平整的表面，以保证薄膜的生长质量。
3.3 光束对准系统光束对准系统用于精确地对准分子束到基底的表面。
该系统通常包括光源、准直系统和检测器。
光源可以是连续光源或激光光源，用于产生对准所需的光束。
3.4 薄膜生长监测系统薄膜生长监测系统用于实时监测薄膜生长的情况。
分子束外延和cvd
分子束外延和cvd分子束外延和化学气相沉积（CVD）是两种常用的薄膜生长技术，它们在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
本文将从人类的视角出发，详细介绍这两种技术的原理、应用和优缺点，以及它们对人类社会的贡献和影响。
一、分子束外延（MBE）分子束外延是一种通过在真空中控制分子束来生长薄膜的技术。
在MBE过程中，采用气体源将原子或分子转化为分子束，然后将其瞄准到待生长表面上。
通过控制分子束的能量和角度，可以实现对薄膜生长的精确控制。
MBE技术在半导体器件、光电子器件和纳米材料等领域有着重要的应用。
MBE技术的优点在于其生长速率较慢，能够实现高质量的薄膜生长。
由于在真空环境下进行，可以避免氧化和杂质的污染，从而得到更纯净的材料。
此外，MBE技术可以实现单层薄膜的生长和原子级别的控制，有利于制备纳米器件和量子结构。
然而，MBE技术也存在一些限制。
首先，由于薄膜生长速率较慢，生产效率较低，不适合大规模工业生产。
其次，MBE设备复杂，操作难度较大，需要高度专业化的技术人员进行操作和维护。
此外，MBE技术对材料的选择性较强，只能用于某些特定的材料。
二、化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种通过化学反应在固体表面上生长薄膜的技术。
在CVD过程中，将气体源中的反应物输送到待生长表面上，通过化学反应生成固态产物。
CVD技术具有生长速度快、适用范围广的特点，广泛应用于半导体、涂层和薄膜材料等领域。
CVD技术的优点在于其生长速度快，适用于大面积薄膜的生长。
同时，CVD技术可以实现复杂结构的薄膜生长，如多层薄膜、异质结构等。
此外，CVD技术的设备相对简单，操作和维护较为方便。
然而，CVD技术也存在一些问题。
首先，由于化学反应涉及到多种气体和反应物，需要严格控制反应条件，如温度、压力和气体流量等，以保证薄膜的质量和均匀性。
其次，CVD过程中会产生大量的废气和有害物质，需要进行处理和排放，对环境造成一定的影响。
总的来说，分子束外延和化学气相沉积是两种重要的薄膜生长技术，它们在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
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分子束外延操作
往液氮冷屏注入液氮 源炉升温 将所需源炉的加热温度从待机温度往上升，10-20oC/min 衬底加热除气 degas 通过BFM测量源炉束流大小 衬底加热脱氧
分子束外延操作
外延结构生长 源炉温度——生长速率
源炉挡板开闭——材料切换
GaAs盖层 50 nm Al0.7Ga0.3As 50 nm GaAs 5 nm Al0.3Ga0.7As 50 nm GaAs 缓冲层 300 nm
冷凝泵/低温泵 (cryo pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
冷凝泵/低温泵 (cryo pump)
分子束外延系统—真空
液氮冷屏 LN2 cryopanel
分子束外延系统—真空
液氮冷屏 LN2 cryopanel
分子束外延系统—真空
烘烤 bake out
分子束外延系统—真空
分子束外延系统—加热
温度监测
Thermocouple 热电偶
K-type thermocouple (镍铬–镍铝)
分子束外延系统—加热
温度监测
Thermocouple 热电偶
分子束外延系统—加热
衬底温度监测
pyrometer 红外辐射高温计 斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law ） 一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量j* 与黑体本身的热力学温度T的四次方成正比
无油涡旋真空泵 (scroll pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
分子泵 (turbomolecular pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
分子泵 (turbomolecular pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
离子泵 (ion pump)
真空等级
分子束外延系统—真空
三级真空腔室设计
Loadlock/Introduction Chamber Prep/Buffer Chamber Growth Chamber
分子束外延系统—真空
304不锈钢腔体/valve 阀门/flange 法兰/gasket 垫圈
Conflat Flange (CF)
离子泵 (ion pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
高电流下使钛灯丝升华，升华出的钛原子吸附在附近腔体表面形成薄膜， 与腔内残余气体分子反应形成稳定的物质。
钛升华泵 (Titanium sublimation pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
gate valve
分子束外延系统—真空
真空材料
钼(Molybdenum)
钽(Tantalum)
PBN(pyrolytic boron nitride)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
无油涡旋真空泵 (scroll pump)
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
分子束外延系统—真空
304不锈钢腔体/valve 阀门/flange 法兰/gasket 垫圈
Klein Flange (KF)
分子束外延系统—真空
304不锈钢腔体/valve 阀门/flange 法兰/gasket 垫圈
波纹管
分子束外延系统—真空
304不锈钢腔体/valve 阀门/flange 法兰/gasket 垫圈
发射率（Emissivity）—— 物体的发射率等于物体在一定温度下发射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。
分子束外延系统—控制
控制ack
分子束外延系统—控制
衬底温度控制/源炉温度控制
电源模块（PSU） 欧陆温控表（EUROTHERM temperature controller） 热电偶+模数转换模块
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
RHEED Pattern from Au/Ag/Si(111)
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
分子束外延系统—原位监测
残余气体监测
Residual Gas Analyzer (RGA)/ Quadrupole Mass Analyzer (QMA)
RHEED patterns observed on the GaAs(0 0 1) surface with the electron beam directed along the (a) [1 1 0] and (b) [1 -1 0] crystallographic directions.
分子束外延系统—真空
真空泵 vacuum pump
在强大的电场和磁场作用下, 电 子以螺旋线方式高速运动, 与气 体分子碰撞产生正离子和二次 电子, 产生的电子继续与气体分 子碰撞产生新的正离子和电子。 气体分子被电离后形成的正离 子加速向阴极板运动, 由于能量 很大, 冲击阴极时产生强烈的溅 射, 大量的钛原子被轰击出来, 沉积在阳极筒壁上和阴极板上 遭受离子轰击较弱的区域, 形成 新鲜的钛膜吸附活性气体。
分子束外延系统—控制
衬底温度控制/源炉温度控制
PID controller
proportional, integral, and derivative
分子束外延系统—控制
分子束流开关控制
Shutter 挡板/快门
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
源炉挡板打开时间
衬底温度
GaAs (001) 衬底
phosphorus coated lead glass disk
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
分子束外延系统—原位监测
表面监测
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 反射高能电子衍射
化合物半导体材料生长与表征 2016春季
Molecular Beam Epitaxy 分子束外延
提纲
分子束外延 发展历程 分子束外延系统 分子束外延操作
分子束外延系统
真空部分/加热部分/控制部分/原位监测部分
分子束外延系统—真空
常见真空环境
分子束外延系统—真空
常用气压单位换算
分子束外延系统—真空
分子束外延系统—原位监测
分子束流
Beam Flux Monitor (BFM)
Beam Equivalent Pressure (BEP)
分子束外延操作
衬底取放
Holder 托
分子束外延操作
衬底取放
Holder 托
分子束外延操作
衬底取放
Platen
分子束外延操作
衬底取放
Transfer rod 传递杆
烘烤 bake out
200oC for 24 hours, 125oC for 48 hours or 100oC for 60 hours
分子束外延系统—真空
离子规 ion gauge
分子束外延系统—加热
源炉加热 Effusion Cell/Knudsen Cell
分子束外延系统—加热
衬底加热器 Manipulator