第四章 分子束外延.ppt

1、第四章分子束外延、分子束外延(MBE )是在超高真空环境下，将具有一定热能的一个或多个分子(原子)束喷射到结晶基板上，在基板表面反应的过程，分子在飞行的过程中几乎属性：真空蒸镀方法的创始者： 1970年代初期，卓以和， 美国Bell实验室应用：原子级精密控制的超薄多层二维结构材料和器件(超晶格、量子阱、调制掺杂异质结、量子阱激光、高电子迁移率晶体管等)； 与其他过程一起，也可以制作维度和零维度的纳米材料(量子线、量子点等)。 MBE的典型特征是(1)从源炉喷出的分子(原子)以“分子束”流的形式直线到达基板表面。 通过水晶晶体膜厚修正的监测，可以严格控制生长速度。 (2)分子束外延的生长速度较慢

2、，约为0.011nm/s。 能够实现单原子(分子)层的外延，具有极其优异的膜厚控制性。 (3)通过调节束源和衬底之间的挡板的开闭，能够严格控制膜的成分和杂质浓度，也能够实现选择性的外延生长。 (4)非热平衡生长能够实现基板温度低于平衡状态温度的低温生长，并且能够有效地减少相互扩散和自掺杂。 (5)可配合反射高能量电子衍射(RHEED )等装置，进行现场观察、实时监测。 增长速度较慢，既是MBE的优点，又是其不足，不适于厚膜增长和大量生产。 硅分子束外延，4.1基本概况硅分子束外延包括同质外延和异质外延。 硅分子束外延通过原子、分子或离子的物理堆积，在适当加热的硅基板上进行硅(或硅相关材料)的外

3、延生长。 (1)在外延期间，衬底处于较低温度。 (2)同时掺杂。 (3)系统维持高真空。 (工作压力10-8 pa7. 510-3 torr/pa=7. 510-11 torr ) (4)特别注意原子水平的漂亮表面。 图4-1硅MBE的工作原理示意图是4.2硅分子束外延的发展历史背景对CVD缺点的发展。 CVD缺陷：基板高温，1050，自动掺杂严重(与高温有关)。 原始分子束外延：将硅衬底加热到适当的温度，真空下在硅衬底上蒸发硅，进行外延生长(1962年)。 生长标准：入射分子充分运动，到达基板热表面，排列成单晶。 (1)基板的温度达到熔点温度1/3、1450/3、T=500，得到充分的表面迁

4、移率。 (2)杂质浓度：取决于系统的真空度，即杂质吸附在表面，与外延膜结合的程度。 硅蒸发技术： 1、电阻加热、瞬间蒸发。 2 .电子冲击蒸发。 在低工作压力下进行，污垢成为主要问题。 存在氧、氢，表面仅结合极少一部分，在结晶中产生缺陷，基板温度TS上升，生长速度提高，1m/min增加到1.5m/min，TS=1200，但是掺杂无法控制。 超高真空系统出现(Ultrahigh Vacuum，UHV )时，本底真空度降低到10-9Pa，生长速度Re降低，TS降低。 图4-2的本底杂质浓度和本底压力的关系是在杂质吸附系数s、基板温度Ts一定的条件下，能够根据图4-2定性地估计杂质浓度。 外延膜的掺

5、杂浓度随掺杂源浓度、生长速度和衬底温度的变化有所不同，可以用解吸系数、吸附系数和蒸气压来表示。 现在MBE的掺杂仍然是重要的课题。 以往，得到了在硅中掺杂锑的外延膜，探索并理解了吸附系数与锑流量以及基板温度的关系。 4.3硅分子束外延的重要性硅MBE在严格控制的低温系统中进行。 (1)杂质浓度可以很好地控制在原子水平。 非掺杂浓度可控制在31013/cm3。 (2)外延可以在无缺陷的最佳条件下进行。 (3)通过将外延层的厚度控制在单原子层的厚度内，进行数nm数十nm的超晶格外延，能够实现人工修正，制造性能优异的新功能材料。(4)硅的同质外延、硅类的异质外延。 4.4外延生长设备的发展方向：可靠

6、性、高性能和多功能缺点：价格高、复杂、运行成本高。 适用范围：硅MBE、化合物MBE、-族MBE、能用于金属半导体的MBE正在发展中。 基本共同特征： (1)基本的超高真空系统、外延室、努森加热室；(2)分析手段、LEED、SIMS、RHEED等；(3)试料注入室。 基本结构如图4-3所示。 (1)电子束与硅靶表面碰撞，容易产生硅分子束。 为了避免硅分子束横向发射而造成不良影响，需要大面积屏蔽和对准。 (2)电阻加热的硅阴极不能产生强分子束，其他石墨坩埚有sic污垢，电子束蒸发产生硅源是最好的方法。 硅MBE的一部分的温度高容易蒸发，对于硅的低蒸发压力要求蒸发源的温度高。 在蒸发的同时，控制光

7、束密度和扫描残奥仪表。 硅熔融坑正好在硅棒内，硅棒成为高纯度坩埚。 (1)石英晶体常用于监测束流，束流的屏蔽和冷却适当，结果满意。 但是噪音会影响稳定性。 几米后，石英晶体失去了线性。 交换频繁，主系统经常膨胀，这不利于工作。 (2)用小型离子计测量分子束的流动压力，而不是分子束的流通量。 由于系统零件上的堆积而偏离标准。 (3)低能电子束横穿分子束，利用检测出的种类的电子激发荧光。 原子一受激就衰退到基态产生UV荧光，光学聚焦后的荧光密度与光束密度成正比。 可以进行硅源的反馈控制。 不足之处：切断电子束的话，红外荧光和背景辐射的大部分也会使信噪比不稳定恶化。 只能测定原子类，不能测定分子类。

8、 (4)监测原子吸收光谱、掺杂原子的光束密度。 使用断续光束流，分别用251.6nm、294.4nm的光照射检测Si、Ga，将光束被原子束吸收的强度转换为原子束密度，得到相应的比率。 分子束外延(MBE )衬底基础是一个难点。 MBE是冷壁工艺，衬底硅片达到1200，环境为常温。 此外，硅片应保持温度均匀。 通过电阻耐火金属和石墨阴极从背面辐射加热，加热部件整体被放入用液氮冷却的容器中，减少对真空部件的热辐射。 基板旋转，加热均匀。 时滞自由，能够提高二次注入的掺杂效果。 阴极的热释放电子撞击硅片，提高基板温度。 硅基技术已成熟，目前大直径硅片外延对晶体质量、外延膜厚度和掺杂均匀性的要求很高。

9、 在MBE过程中，掺杂分子束从标准的并苯喷射室产生，得到适当的掺杂外延膜。 使用低能量离子源掺杂外延膜用的离子束，离子能量500eV1000eV。 固体源或气体源的离子(磁分析系统、质量)倾斜入射。 MBE设备的发展，一室多室发展。 一室多功能：样品准备： load lock。 分析：监测LEED、俄歇、RHEED、表面结构、清洁度、生长形态。 生长：外延膜的生长。 多室多功能： 1、生长室、同质外延单室、异质外延双室。 2 .独立的分析室。 3 .样品准备室、装载或无负荷的墨盒、大量。 4、室间有硅片输送机构。 防止交叉污染，保证高品质的外延膜生长。 硅片的直径为6英寸，152.4mm的弹壳

10、、安装、排出与成长同时进行。 生长源有大容量，台板被传送。 现代MBE设备：高容量蒸发器，离子掺杂附件，全成分分析。 样品的制备，一些后工序加工，多片加工能力。 4.5表面制备MBE :在较低温度下由原子碰撞进入外延层，发生重排列，仅在表面原子级清洁时，该过程才有效发生。 清洗后的表面被清洗后，只有在系统保持高真空度的情况下，才能保持清洗度。 硅表面容易形成SiO2，表面容易吸收大气中的碳氢化合物。在外延之前必须清洗表面。 (已在第三章CVD中论述)。 4.5.1清洗处理1、溅射清洗处理、(等离子溅射清洗) RF、ECR:Ar、h必须与高温处理结合，以恢复损坏的晶格。 2、热处理方法快速高温1

11、250，SiO2SiO与真空度有关，温度控制至关重要。 3 .活性离子束，Ga SiO2 Ga2O Si。 4 .光学清洁处理：脉冲激光照射。 5、原位HCl腐蚀或H2预热，MBE不能处理吗？ 4.5.2清洁表面的检查检查手段： (1)LEED屏幕Low Energy Electron Diffraction，表面信息。 (数百ev ) (2) RHEED :反射率：反射率，10001500eV，深表面信息。 给出了I .表面长有序的信息，ii. RHEED表面形态，表面痕量SiC结晶信息。 表面台阶密度的信息。 (3)表面杂质及其化学状态： XPS、俄歇、表面杂质1012原子/cm2、原子水

12、平清洁度。 由表面杂质SiO2引起的层叠缺陷、堆叠故障； 由表面杂质c引起的位错、dislocation density； 可能是SiC粒子引起的重排。 高纯度化学试剂清洗系统(短时间)是在原位装卸高清洗表面。 4.6外延生长前的硅片必须保持干净。 一旦形成原子水平的清洁表面，就必须立即开始外延生长。 保持时间过长的话，会被表面吸附弄脏。 4.6.1硅外延生长模型在高过饱和状态下进行。 过饱和比的定义： p :到达表面的分子束等价压力P0 :基板温度下的平衡压力。 (1)晶体在低过饱和度下生长。 如何防止过饱和比升高？ 二维生长模型，即层状生长模型。 参照图4-4。 图4-4的表面台阶。 图中

13、显示了基板的取向偏差以及代表性的扭转位置。 台阶密度由基板取向偏差控制的沿着一个阶段的方向的扭转密度依赖于基板的结晶方向及温度。 ds :台阶间隔，h :台阶高度，偏离角=0.2，h=3，ds=105/cm，=1/数百，硅晶片通常偏离15。 入射的硅原子被吸附在硅片表面。 表面势阱被捕获，在与硅片表面垂直或平行的方向上振动。 脱离能Edsi=2.4eV/原子，950，没有足够的能量，1013Hz左右，硅原子在硅片表面的滞留时间也大于1ms。 硅原子在小于1ms(1ms )的时间与外延膜结合。 阶梯上的扭转位置是理想的陷阱，形成阶梯区域的稳态分布。 可以用阶跃自由能和阶跃取向来描述阶跃、陷阱的扭

14、转密度，并且陷阱的扭转密度随着温度的升高而增加。 图4-5的硅吸附原子浓度与其到步长的距离的关系是： a :步长大致分离，b :步长密集的情况，仅在步长被认为是慢运动的情况下成立，即低饱和比的情况。 其中，s是硅原子的表面扩散长度。 在阶梯差中，吸附原子的浓度必须等于生长温度下表面原子的平衡浓度n。 P0:平衡蒸发压，0 :硅原子在温度T0的基板上停留的时间。 VSi :硅原子的振动频率，Edsi :解吸能。 阶梯间的吸附原子浓度用ns(x )表示，吸附原子流量Js用Ds :吸附原子的扩散系数，x :阶梯传播方向表示。 阶梯和消耗的吸附原子的比率，在稳态下碰撞的原子流Fs外延生长，两者必须相等

15、。 即，对于阶梯运动及详细机理，记述为阶梯是准静态的，吸附原子的浓度分布是对称的，阶梯间的侧方原子流为零。 如果在两个步骤之间选择了参考点，则在其条件下(如Albink，1968 )得到，其中ds为步长间隔。 步进中的原子流有助于步进运动，因此步进运动速度在其中可表示为NOS是生长平面上的硅原子浓度。 上述讨论仅在特定的步进空间时才成立，该空间中整个步进区域的原子流有助于步进运动(dss，s中的平均扩散距离)。 通常，Burton等人(1951 )给出了平行步长的极限速度，并且假设当获得扩散方程时再次可以忽略步长运动。当原子运动的平均距离通常大于步进运动的距离时，该近似是正确的，即，在s步ts

16、中，ts表示时间，并且可以以饱和比的形式重写。 其中，Wsk是扭结的形成能(扭结原子运动的活化能)。 这里有几个概念： ds :步长间隔，v :步长运动速度，s :平均扩散距离，Wsk :扭曲形成能量，Nos :生长平面上的硅原子浓度。 如果表面有烃化合物的污垢，就会成为台阶钉住，阻止台阶的输送，影响外延质量。 低高度的表面步骤，步骤的积累和钉扎少，有利于低缺陷密度的外延层的生长。 变位不是阶梯源。 基板的结晶有意偏离，形成许多台阶。 RHEED信号周期性振荡，外延生长可以推测为遵循层状生长机制。 (1)MBE的生长速度由硅原子到达的比例和为了维持结晶生长而供给的吸附原子具有充分的表面迁移率决

17、定。 如果不满足条件，就会产生缺陷，形成非晶体。 (2)步可以在优先方向上传播，因为具有高扭转密度的步通常具有更高的传播速度。 4.6.2如生长温度前所述，MBE只要吸附原子具有充分的表面迁移率，就可以进行外延生长。 有效的迁移能量(热能)取决于衬底温度。 衬底的晶体取向与外延温度的关系。 可以外延生长的最低温度。 低温生长机理与高温生长机理不同。 (100 )面和(111 )面的表面构造的特征不同。 (100 )面上外延生长容易。 (111 )晶面是一个硅原子具有一个单键，可以自由旋转，(100 )晶面是双键。 (111 )晶体取向的波导特性，与(100 )晶面相比，同时满足所有接合的要求是

18、困难的。 这可能是因为在低温下可以在(100 )晶面上外延生长。 表面重构对外延也有影响。 (111 )面的重构77结构要求温度高，(100)21重构要求在低温度下重新排列。 图4-6表示清洁器111面呈现77的构成图。 图4-7提出了二维层错的假设。 图4-6 Si(111)77重构表面的STM图像(左) Si(111) 77重构表面的DAS模型示意图(右)，4.7掺杂是在外延生长的同时掺杂和实时掺杂。 此外，外延温度低于固体扩散的温度(600 )，掺杂分布一定，原则上可以形成原子水平的陡峭的杂质分布。 现有的去噪技术，其掺杂分布的陡度受到一定的限制。 掺杂： (1)传统的加热分子束流掺杂；(2)离子注入，图4-7二次离子质谱过程过渡态的掺杂深度分布具有明显的隧道效应，离子注入扩散过程，4.7.1自发掺杂自发掺杂：外延温度下掺杂矛盾： (1)不利于低平衡压、高温、