分子束外延.pdf

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MolecularBeamEpitaxy分子束外延分子束外延化合物半导体材料生长与表征化合物半导体材料生长与表征20162016春季春季提纲提纲分子束外延分子束外延发展历程发展历程分子束外延系统分子束外延系统分子束外延操作分子束外延操作分子束外延系统分子束外延系统真空部分真空部分/加热部分加热部分/控制部分控制部分/原位监测部分原位监测部分分子束外延系统分子束外延系统真空真空常见真空环境常见真空环境分子束外延分子束外延系统系统真空真空常用气压单位换算常用气压单位换算分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空等级真空等级分子束外延分子束外延系统系统真空真空三级真空腔室设计三级真空腔室设计Loadlock/IntroductionChamberPrep/BufferChamberGrowthChamber分子束外延分子束外延系统系统真空真空304不锈钢腔体不锈钢腔体/valve阀门阀门/flange法兰法兰/gasket垫圈垫圈ConflatFlange（CF）分子束外延分子束外延系统系统真空真空304不锈钢腔体不锈钢腔体/valve阀门阀门/flange法兰法兰/gasket垫圈垫圈KleinFlange（KF）分子束外延分子束外延系统系统真空真空304不锈钢腔体不锈钢腔体/valve阀门阀门/flange法兰法兰/gasket垫圈垫圈波纹管波纹管分子束外延分子束外延系统系统真空真空gatevalve304不锈钢腔体不锈钢腔体/valve阀门阀门/flange法兰法兰/gasket垫圈垫圈分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空材料真空材料钼钼（Molybdenum）钽钽（Tantalum）PBN（pyrolyticboronnitride）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump无油涡旋真空泵无油涡旋真空泵（scrollpump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump无油涡旋真空泵无油涡旋真空泵（scrollpump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump分子泵分子泵（turbomolecularpump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump分子泵分子泵（turbomolecularpump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump离子泵离子泵（ionpump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump离子泵离子泵（ionpump）在强大的电场和磁场作用下在强大的电场和磁场作用下,电电子以螺旋线方式高速运动子以螺旋线方式高速运动,与气与气体分子碰撞产生正离子和二次体分子碰撞产生正离子和二次电子电子,产生的电子继续与气体分产生的电子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。

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气体分子被电离后形成的正离子加速向阴极板运动子加速向阴极板运动,由于能量由于能量很大很大,冲击阴极时产生强烈的溅冲击阴极时产生强烈的溅射射,大量的钛原子被轰击出来大量的钛原子被轰击出来,沉积在阳极筒壁上和阴极板上沉积在阳极筒壁上和阴极板上遭受离子轰击较弱的区域遭受离子轰击较弱的区域,形成形成新鲜的钛膜吸附活性气体。

新鲜的钛膜吸附活性气体。

分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump钛升华泵钛升华泵（Titaniumsublimationpump）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，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。

与腔内残余气体分子反应形成稳定的物质。

分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump冷凝泵冷凝泵/低温泵低温泵（cryopump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空真空泵真空泵vacuumpump冷凝泵冷凝泵/低温泵低温泵（cryopump）分子束外延分子束外延系统系统真空真空液氮冷屏液氮冷屏LN2cryopanel分子束外延分子束外延系统系统真空真空液氮冷屏液氮冷屏LN2cryopanel分子束外延分子束外延系统系统真空真空烘烤烘烤bakeout分子束外延分子束外延系统系统真空真空烘烤烘烤bakeout200oCfor24hours,125oCfor48hoursor100oCfor60hours分子束外延分子束外延系统系统真空真空离子规离子规iongauge分子束外延分子束外延系统系统加热加热源炉加热源炉加热EffusionCell/KnudsenCell分子束外延分子束外延系统系统加热加热衬底加热器衬底加热器Manipulator温度监测温度监测Thermocouple热电偶热电偶K-typethermocouple（镍铬镍铝）分子束外延分子束外延系统系统加热加热分子束外延分子束外延系统系统加热加热温度监测温度监测Thermocouple热电偶热电偶衬底温度监测衬底温度监测分子束外延分子束外延系统系统加热加热pyrometer红外辐射高温计红外辐射高温计斯特藩斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量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与黑体本身的热力学温度T的四次方成正比的四次方成正比发射率（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。

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。

分子束外延分子束外延系统系统控制控制控制软件控制软件分子束外延分子束外延系统系统控制控制控制机柜控制机柜rack分子束外延分子束外延系统系统控制控制衬底温度控制衬底温度控制/源炉温度控制源炉温度控制电源模块（电源模块（PSU）欧陆温控表（欧陆温控表（EUROTHERMtemperaturecontroller）热电偶热电偶+模数转换模块模数转换模块分子束外延分子束外延系统系统控制控制衬底温度控制衬底温度控制/源炉温度控制源炉温度控制PIDcontrollerproportional,integral,andderivative分子束外延分子束外延系统系统控制控制分子束流开关控制分子束流开关控制Shutter挡板挡板/快门快门分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射RHEEDPatternfromAu/Ag/Si（111）分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射phosphoruscoatedleadglassdisk分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射RHEEDpatternsobservedontheGaAs（001）surfacewiththeelectronbeamdirectedalongthe（a）110and（b）1-10crystallographicdirections.分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测表面监测表面监测Reflectionhigh-energyelectrondiffraction（RHEED）反射高能电子衍射反射高能电子衍射分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测残余气体监测残余气体监测ResidualGasAnalyzer（RGA）/QuadrupoleMassAnalyzer（QMA）分子束外延分子束外延系统系统原位监测原位监测分子束流分子束流BeamFluxMonitor（BFM）BeamEquivalentPressure（BEP）分子束外延操作分子束外延操作衬底取放衬底取放Holder托托分子束外延操作分子束外延操作衬底取放衬底取放Holder托托分子束外延操作分子束外延操作衬底取放衬底取放Platen分子束外延操作分子束外延操作衬底取放衬底取放Transferrod传递杆传递杆分子束外延操作分子束外延操作往液氮冷屏注入液氮往液氮冷屏注入液氮源炉升温源炉升温将所需源炉的加热温度从待机温度往上升，将所需源炉的加热温度从待机温度往上升，10-20oC/min衬底加热除气衬底加热除气degas通过通过BFM测量源炉束流大小测量源炉束流大小衬底加热脱氧衬底加热脱氧分子束外延操作分子束外延操作外延结构生长外延结构生长源炉温度源炉温度生长速率生长速率源炉挡板开闭源炉挡板开闭材料切换材料切换源炉挡板打开时间源炉挡板打开时间衬底温度衬底温度GaAs盖层盖层50nmAl0.7Ga0.3As50nmGaAs5nmAl0.3Ga0.7As50nmGaAs缓冲层缓冲层300nmGaAs（001）衬底衬底