分子束外延(Molecular?Beam?Epitaxy，簡(jiǎn)稱MBE)是制備極薄的單層或多層單晶薄膜的一種技術(shù)，它是在超高真空的條件下，把一定比例的構(gòu)成晶體的各個(gè)組分和摻雜原子(分子)以一定的熱運(yùn)動(dòng)速度噴射到熱的襯底表面來進(jìn)行晶體外延生長(zhǎng)的技術(shù)。它生長(zhǎng)的材料是一種與襯底晶格結(jié)構(gòu)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的單晶層。這個(gè)單晶層稱為外延層，而把生長(zhǎng)外延層的過程叫做外延生長(zhǎng)。歷史：1969-1972年間，A．Y．Cho進(jìn)行了MBE的開創(chuàng)性研究，用MBE生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的GaAs薄膜單晶及n型、p型摻雜，制備出了多種半導(dǎo)體器件，而且生長(zhǎng)出個(gè)GaAs／AIGaAs超晶格材料，從而引起了人們的關(guān)注我國(guó)于80年代初由半導(dǎo)體所和物理所分別研制出了自己的MBE設(shè)備分子束外延設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它主要涉及如下幾個(gè)方面的技術(shù)：真空、機(jī)械、材料、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)設(shè)備：?高真空生長(zhǎng)室：源發(fā)射爐、襯底夾、加熱器?過程控制系統(tǒng)：閘門、熱電偶、加熱器控制?監(jiān)測(cè)、分析系統(tǒng)：高能電子、衍射儀質(zhì)譜儀、俄歇分析儀MBE的生長(zhǎng)系統(tǒng)?進(jìn)樣室（裝樣、取樣、對(duì)襯底進(jìn)行低溫除氣）進(jìn)樣室用于換取樣品，可同時(shí)放入多個(gè)襯底片。?預(yù)處理與表面分析室（襯底預(yù)除氣、表面分析XPS、UPS、SIMS、LEED）預(yù)備分析室可對(duì)襯底片進(jìn)行除氣處理，通常在這個(gè)真空室配置AES、SIMIS、XPS、UPS等分析儀器。???外延生長(zhǎng)室是MBE系統(tǒng)中重要的一個(gè)真空工作室，配置有分子束源、樣品架、電離記、高能電子衍射儀和四極質(zhì)譜儀等部件。???監(jiān)控系統(tǒng)：四極質(zhì)譜儀-真空度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)殘余氣體和分子束流的成分；電離計(jì)-測(cè)量分子束流量；電子衍射儀-觀察晶體表面結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)表面光潔平整度；俄歇譜儀-檢測(cè)表面成分、化學(xué)計(jì)量比和表面沾污等。?MBE的原理：?利用在超高真空（內(nèi)腔〈10（-10）torr）環(huán)境下，加熱（對(duì)于cell的控溫精密掌握）材料源蒸鍍其分子，氣體分子在成長(zhǎng)腔內(nèi)的平均自由路徑大于蒸鍍?cè)粗粱逯g的距離，可視為使蒸鍍物質(zhì)以分子束依直線行走而直接到達(dá)連基板2進(jìn)行磊晶成長(zhǎng)。各源爐前的擋板用來改變外延層的組份和摻雜。根據(jù)設(shè)定的程序開關(guān)擋板、改變爐溫和控制生長(zhǎng)時(shí)間，就可以生長(zhǎng)出不同厚度、不同組份、不同摻雜濃度的外延材料。?MBE生長(zhǎng)過程及特點(diǎn)?生長(zhǎng)條件苛刻，要在MBE外延生長(zhǎng)中取得較好的生長(zhǎng)效果，對(duì)生長(zhǎng)前載入系統(tǒng)的襯底表面平整度要求非常高，需去除表面的有機(jī)玷污和某些金屬玷污，同時(shí)還要進(jìn)行晶片表面損傷層的去除和表面拋光。

1.?源蒸發(fā)形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向襯底；?分子束從束源爐(Knudsen?effusion?cell)中產(chǎn)生，束源爐溫度由PID或者計(jì)算機(jī)控制，并通過熱偶提供溫度反饋。分子束流的大小主要由束源爐的溫度決定，其穩(wěn)定度可達(dá)±1％。束流強(qiáng)度由幾何關(guān)系推導(dǎo)出，但實(shí)際受坩堝的錐度、口徑、液面與爐口的距離等因素影響。?

2.?分子束在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。從生長(zhǎng)過程看，MBE有三個(gè)基本區(qū)域：分子束產(chǎn)生區(qū)、各分子束交叉混合區(qū)、反應(yīng)和晶化過程區(qū)。?

3.?從源射出的分子束撞擊襯底表面被吸附??RHEED是重要的設(shè)備。高能電子槍發(fā)射電子束以1-3度掠射到基片表面?

4.?被吸附的分子（原子）在表面遷移、分解?這時(shí)候我們可以經(jīng)過表面晶格衍射在熒光屏上產(chǎn)生的衍射條紋直接反映薄膜的結(jié)晶性和表面形貌，衍射強(qiáng)度隨表面的粗糙度發(fā)生變化。振蕩反映了薄膜的層狀外延生長(zhǎng)和外延生長(zhǎng)的單胞層數(shù)。?

5.?原子進(jìn)入晶格位置發(fā)生外延生長(zhǎng)?可在原子尺度范圍內(nèi)地控制外延層的厚度、界面平整度和摻雜分布，結(jié)合掩膜技術(shù)，可以制備具有二維和三維結(jié)構(gòu)的薄膜?？呻S意改變外延層的組分和摻雜。?

??多種蒸鍍材料或反應(yīng)性鍍膜技術(shù)：Metal?Cell,?Oxide?Cell,?Liquid?Metal?Cell,?Organic?Cell???各種容量的蒸發(fā)源???系統(tǒng)配備石英膜厚計(jì),協(xié)助鍍膜監(jiān)控?為什么要超高真空？

1、避免源爐噴射出的原子在到達(dá)襯底之前與環(huán)境中的殘余氣體碰撞而受到污染?氣體分子密度n(cm-3)與真空度p(torr)的關(guān)系：?

分子的平均自由程：?

2、避免環(huán)境中的殘余氣體分子與外延表面碰撞而使外延面受到污染?單位時(shí)間、單位面積表面被氣體分子碰撞次數(shù)：?分子熱運(yùn)動(dòng)平均速度：?真空技術(shù)主要包括：?真空的獲得、真空的測(cè)量、真空檢漏。