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Molecular beam epitaxy 分子束磊晶法

 

MBE是以真空蒸镀的方式进行磊晶,蒸发的分子以极高的热速率,直线前进到磊晶基板之上,以快门阻隔的方式,控制蒸发分子束,获得超陡界面。MBE的成长过程有反射高能量电子绕射振荡现象,使其具有在磊晶成长时监控磊晶层成长厚度的能力,其控制精确度,可以达到单原子层,因此可以轻易地成长超结晶格子结构。

 

生长一层薄薄的磊晶在半导体基板上,是半导体制程中一项很基本、也很重要的技术。但要磊晶层长得好,且能将其厚度及成分控制得恰到好处,就不是一件容易的事。在各种磊晶技术当中能够完全达到上述要求的,大概就只有分子束磊晶(molecular beam epitaxy,简称MBE)了。

 

分子束磊晶可说是近年来在半导体制程技术当中最重要的一项发展,它是在1970年代初期,由贝尔实验室的John Arthor及华裔的卓以和博士共同发展出来的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上图为铠柏科技董事长与MBE之父桌以和在展会现场

 

这项技术抛弃了传统热平衡方式的磊晶成长,而采用真空蒸镀的方式。分子束磊晶的成长系统和成长方式可由附图显示。首先将待成长的芯片放置在一个超高真空(~10-10mmHg)的小室(chamber)中,所需成长的材料则放在小室一端的小炉子当中。当炉温升至一定高度时,炉中的材料会以原子束或分子束的形式蒸发出来,此时基板也被加热至一适当的温度。当分子束射至基板时,就会与基板表面的原子结合而形成磊晶。磊晶成长的速率完全由单位时间内射到基板表面的分子数目决定,这可以很容易的由装置成长材料炉子的炉温所控制,一般成长的速率约为一秒钟成长0.1层至3层原子。由于速度慢,所以可以很精确的控制磊晶层的厚度。每个炉子的前端有一扇门,门的开关决定了磊晶层的起始点和终止点,控制这些门的开关顺序就可以得到多层的磊晶结构。

 

分子束磊晶技术的发展将半导体元件带入一个崭新的领域。过去元件的大小用微米(10-6m)计算,以分子束磊晶技术所作出来的元件大小则可用埃(10-10m)来计算,我们甚至可以准确到用原子的层数来计算磊晶的厚度。当这些磊晶层薄到约100Å时,传统分析电子运动的方式已不再适用,而必须考虑到量子效应。许多在传统元件中无法表现出来的特性,此时都表现出来。如今利用这些量子效应所制作的元件,有许多已经优于传统的元件。例如量子井雷射,它的起振电流和量子效率均比传统的半导体雷射强许多;又如共振穿透元件,它所具备的负电阻效应是纯粹电子运动量子化后的结果,更是一般传统元件无法作到的。

 

分子束磊晶技术带给我们的不仅是最新的磊晶技术,更是半导体元件的一项革命。它带领我们进入量子元件的世界,对今后半导体技术发展的影响将是无比深远的。

 

我们产品的主要特点:

 

1、可以生长小样品及最大6”样品,4轴样品操纵台(XYZ和旋转)以及专利的5轴(XYZ,Rotation and Tilt)。

2、SiC以及 PBN钨丝等等的加热元件,温度可以加到900摄氏度,如果是两寸以下的样品可以到1100摄氏度。

3、腔体用SUS316不锈钢制作(至少18%铬和8%镍),这种材料掺杂了钼,极大地减少了碳化铬的形成,使其更耐氧化。该腔室还完全被冷屏所包围,以减少冷凝水和烃类对外延沉积的污染。冷屏还可以热隔离每个束源炉,从而减少蒸发源之间交叉污染的可能性。

4、真空可到1×10-10torr,使用泵有浦发700分子泵与冷泵。内部有全罩式液氮冷屏,可提供非常大的抽气效率。压力控制系统:上游和下游。

5、可以装置10个束源炉,最大容量40cc。

6、可配备晶振、束流监控器、高能电子枪以及监控软件。

7、标准RHEED系统(实时外延监测)。

8、可配备固体源、气体源/ ALD阀、等离子增强型束源炉(plasma cell)及我们特制的电子回旋共振束源炉(ECR plasma cell)。可装电子束源E-beam。

9、可配备含有Z向运动的掩模系统。

10、FBBEAR控制软件使工艺过程自动控制,实现了精确控制和高稳定性。FBBEAR控制软件提供完整的数据记录、精确的参数调整,使用户操作简单,实验重复性可靠。

 

优势:

 

1、进样室可装置离子源清洁衬底表面,无氧化物层

2、外延层(原子层)沉积

3、保证沉积薄膜的均匀性和纯度

4、原位沉积金属种子、半导体材料和掺杂剂

5、精确控制的热蒸发

6、RHEED系统原位监测生长情况

 

应用:

 

可长二维材料以及拓扑材料、氧化物方面都有很好的性能。如:III-V 族, II-VI 族, Si/SiGe ,金属与金属氧化物(因为我们有独步全球的激光加热器,可到2英寸),以及GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, CIGS, OLED 等。