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MBE分子束磊晶法
2023-10-17 14:00:56


Molecular beam epitaxy 分子束磊晶法

       MBE是以真空蒸鍍的方式進行磊晶,蒸發(fā)的分子以極高的熱速率,直線前進到磊晶基板之上,以快門阻隔的方式,控制蒸發(fā)分子束,獲得超陡界面。MBE的成長過程有反射高能量電子繞射振蕩現(xiàn)象,使其具有在磊晶成長時監(jiān)控磊晶層成長厚度的能力,其控制精確度,可以達到單原子層,因此可以輕易地成長超結(jié)晶格子結(jié)構(gòu)。

       生長一層薄薄的磊晶在半導(dǎo)體基板上,是半導(dǎo)體制程中一項很基本、也很重要的技術(shù)。但要磊晶層長得好,且能將其厚度及成分控制得恰到好處,就不是一件容易的事。在各種磊晶技術(shù)當(dāng)中能夠完全達到上述要求的,大概就只有分子束磊晶(molecular beam epitaxy,簡稱MBE)了。

       分子束磊晶可說是近年來在半導(dǎo)體制程技術(shù)當(dāng)中最重要的一項發(fā)展,它是在1970年代初期,由貝爾實驗室的John Arthor及華裔的卓以和博士共同發(fā)展出來的。

上圖為鎧柏科技董事長與MBE之父卓以和在展會現(xiàn)場

       這項技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)熱平衡方式的磊晶成長,而采用真空蒸鍍的方式。分子束磊晶的成長系統(tǒng)和成長方式可由附圖顯示。首先將待成長的芯片放置在一個超高真空(~10-10mmHg)的小室(chamber)中,所需成長的材料則放在小室一端的小爐子當(dāng)中。當(dāng)爐溫升至一定高度時,爐中的材料會以原子束或分子束的形式蒸發(fā)出來,此時基板也被加熱至一適當(dāng)?shù)臏囟?。?dāng)分子束射至基板時,就會與基板表面的原子結(jié)合而形成磊晶。磊晶成長的速率完全由單位時間內(nèi)射到基板表面的分子數(shù)目決定,這可以很容易的由裝置成長材料爐子的爐溫所控制,一般成長的速率約為一秒鐘成長0.1層至3層原子。由于速度慢,所以可以很精確的控制磊晶層的厚度。每個爐子的前端有一扇門,門的開關(guān)決定了磊晶層的起始點和終止點,控制這些門的開關(guān)順序就可以得到多層的磊晶結(jié)構(gòu)。

      分子束磊晶技術(shù)的發(fā)展將半導(dǎo)體元件帶入一個嶄新的領(lǐng)域。過去元件的大小用微米(10-6m)計算,以分子束磊晶技術(shù)所作出來的元件大小則可用埃(10-10m)來計算,我們甚至可以準(zhǔn)確到用原子的層數(shù)來計算磊晶的厚度。當(dāng)這些磊晶層薄到約100?時,傳統(tǒng)分析電子運動的方式已不再適用,而必須考慮到量子效應(yīng)。許多在傳統(tǒng)元件中無法表現(xiàn)出來的特性,此時都表現(xiàn)出來。如今利用這些量子效應(yīng)所制作的元件,有許多已經(jīng)優(yōu)于傳統(tǒng)的元件。例如量子井雷射,它的起振電流和量子效率均比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體雷射強許多;又如共振穿透元件,它所具備的負電阻效應(yīng)是純粹電子運動量子化后的結(jié)果,更是一般傳統(tǒng)元件無法作到的。

       分子束磊晶技術(shù)帶給我們的不僅是最新的磊晶技術(shù),更是半導(dǎo)體元件的一項革命。它帶領(lǐng)我們進入量子元件的世界,對今后半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的影響將是無比深遠的。

我們產(chǎn)品的主要特點:

1、可以生長小樣品及最大6”樣品,4軸樣品操縱臺(XYZ和旋轉(zhuǎn))以及專利的5軸(XYZ,Rotation and Tilt)。

2、SiC以及 PBN鎢絲等等的加熱元件,溫度可以加到900攝氏度,如果是兩寸以下的樣品可以到1100攝氏度。

3、腔體用SUS316不銹鋼制作(至少18%鉻和8%鎳),這種材料摻雜了鉬,極大地減少了碳化鉻的形成,使其更耐氧化。該腔室還完全被冷屏所包圍,以減少冷凝水和烴類對外延沉積的污染。冷屏還可以熱隔離每個束源爐,從而減少蒸發(fā)源之間交叉污染的可能性。

4、真空可到1×10-10torr,使用泵有浦發(fā)700分子泵與冷泵。內(nèi)部有全罩式液氮冷屏,可提供非常大的抽氣效率。壓力控制系統(tǒng):上游和下游。

5、可以裝置10個束源爐,最大容量40cc。

6、可配備晶振、束流監(jiān)控器、高能電子槍以及監(jiān)控軟件。

7、標(biāo)準(zhǔn)RHEED系統(tǒng)(實時外延監(jiān)測)。

8、可配備固體源、氣體源/ ALD閥、等離子增強型束源爐(plasma cell)及我們特制的電子回旋共振束源爐(ECR plasma cell)??裳b電子束源E-beam。

9、可配備含有Z向運動的掩模系統(tǒng)。

10、FBBEAR控制軟件使工藝過程自動控制,實現(xiàn)了精確控制和高穩(wěn)定性。FBBEAR控制軟件提供完整的數(shù)據(jù)記錄、精確的參數(shù)調(diào)整,使用戶操作簡單,實驗重復(fù)性可靠。

優(yōu)勢:

1、進樣室可裝置離子源清潔襯底表面,無氧化物層

2、外延層(原子層)沉積

3、保證沉積薄膜的均勻性和純度

4、原位沉積金屬種子、半導(dǎo)體材料和摻雜劑

5、精確控制的熱蒸發(fā)

6、RHEED系統(tǒng)原位監(jiān)測生長情況

應(yīng)用:

       可長二維材料以及拓撲材料、氧化物方面都有很好的性能。如:III-V 族, II-VI 族, Si/SiGe ,金屬與金屬氧化物(因為我們有獨步全球的激光加熱器,可到2英寸),以及GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, CIGS, OLED 等。