分子束外延設備是一種復雜的設備，主要用于制造高質量的外延膜。這種設備最初是為了開發Ⅲ-V族化合物半導體而設計的，后來逐漸擴展到適用于多種化合物半導體以及硅半導體器件的批量生產。
設備簡介
早期的分子束外延設備，即第一代MBE裝置，包含了一個超高真空室，內部集成了多個組件，如分子束源、可加熱的基片支架、四極質譜儀、RHEED裝置、俄歇電子譜儀、二次離子質量分析儀等。這些組件可以通過計算機自動化控制，以確保晶體生長的質量。為了維持超高真空環境，設備采用了離子泵系統，并且整個裝置都可以通過烘焙方式進行除氣，以達到10Pa的真空度。這種設備適合于薄膜生長機理、表面結構、雜質摻入等基礎性研究，至今仍在相關領域的研究中使用。
技術原理
分子束外延技術的核心在于利用分子束源發射的分子束在外延過程中發揮作用。對于Ⅲ-V族化合物半導體薄膜的生長，特別是GaAs及其衍生材料，As的粘附系數受到Ga的影響。當Ga存在時，As的粘附系數為1，這意味著多余的As會重新蒸發，從而保持化學計量比的GaAs外延層。MBE設備通過精確控制分子束源的溫度，使得Ga和As分子束能夠直接射向基板，同時借助各種分析工具實時監測外延膜的生長過程和結晶形態，最終得到高質量的MBEGaAs單晶膜。
設備發展
隨著技術的進步，分子束外延設備經歷了多次迭代升級。第二代設備在一室型的第一代設備基礎上增加了基板交換室，形成了兩室型結構，提高了操作效率和真空度。第三代設備則增設了分析室，成為三室型結構，增強了分析功能。第四代設備在此基礎上進行了軟硬件的改進，以適應大規模生產和更高品質的需求。目前已經發展到了能夠支持批量化生產的第五代設備。
技術發展
分子束外延技術自20世紀60年代末誕生以來，取得了顯著的發展。其中包括引入氣態分子束源，形成化學束外延(CBE)，以及結合有機金屬化合物氣相沉積(MOCVD)技術形成的金屬有機化合物分子束外延(MOMBE)。此外，還出現了激光分子束外延(L-MBE)技術，它利用激光照射靶替代傳統分子束源，實現了更精準的蒸發控制，展現了廣泛的應用前景。
參考資料 >
中國科學院上海技術物理研究所計劃投入350萬采購新設備.知乎專欄.2024-11-01
秒懂分子束外延(MBE)工藝及設備原理.眾壹云.2024-11-01
秒懂分子束外延(MBE)工藝及設備原理.微信公眾平臺.2024-11-01