分子束外延(Molecular beam epitaxy, MBE）
I. MBE外延簡介
分子束外延于高真空或超高真空(ultra-high vacuum，10-10帕斯卡)的環(huán)境進行。分子束外延最重要的方面是其低沉積率，通常使薄膜以每小時低于3000 nm速度磊晶生長。如此低的沉積率要求真空程度足夠高，以達到其他沉積方式同等級別的潔凈程度。
在固體源的分子束外延過程中，如鎵、砷元素會以超純(Ultra pure)的形式在獨立的石英克勞森容器(Knudsen Cell)中被加熱，直到它們開始緩慢升華。然后這些氣態(tài)物質會在對應的晶圓上凝結。以Ga、As為例，上述作用會產生單晶GaAs。
"分子束"意味著外延過程中氣體原子并不產生相互作用，也不與真空室物質反應，除非它們接觸到相應的襯底，因為這些氣體具有較長的平均自由程。
外延過程中，反射高能電子衍射(Reflection high-energy electron diffraction，RHEED)常被用來檢測晶體層次的生長。因為MBE外延是一種二維生長模型，RHEED強度周期性就反應了晶體表面結構和生長表面的光潔原子級的平整度。(電子束打到正在外延過程中的襯底上時，假如較為平整就會出現(xiàn)周期性強度增強的衍射光束，這就反應了前期準備適當，外延情況較好)
MBE外延過程中對材料厚度、組分、摻雜的控制通過計算機控制反應室內的"閥門"來實現(xiàn)。通過原料擋板的快速開關來實現(xiàn)束流的快速切換，從而實現(xiàn)對每個層次的精確控制，其精度可達到單層原子級別。這種方式可以生長一些復雜結構如量子阱(Quantum Well)、量子點(Quantum dot)或者超晶格結構，將電子束縛在一定的空間內，實現(xiàn)復雜的光電器件。
Ⅱ. Ⅲ-Ⅴ族材料的MBE外延
Ⅲ-Ⅴ族元素在容器中被加熱到Ti，Tj溫度，形成的束流引入到溫度為Ts的對應襯底上進行外延。
Ts溫度非常重要，一方面能使多余的Ⅴ族元素從襯底蒸發(fā)以生長化學配比材料；另一方面合適的生長溫度能使吸附的原子有足夠的能量躍遷到平衡位置進行生長。
溫度過高會使吸附的原子再次蒸發(fā)而發(fā)生脫附；溫度太低會使生長材料出現(xiàn)非晶或是多晶的狀況！
MBE生長過程與生長原理
源蒸發(fā)形成具有一定束流密度的分子束并在高真空環(huán)境下射向襯底；
分子束在對應襯底上進行外延，其中分為三個基本區(qū)域：分子束產生區(qū)；分子束交叉混合區(qū)；反應和晶化過程區(qū)
從源射出的分子束撞擊襯底表面并被吸附；
被吸附的分子(原子)在表面遷移、分解；
原子進入晶格位置發(fā)生外延生長；
未進入晶格的分子因熱脫附而離開表面。
這其中涉及一個粘附系數，其定義為：生長在襯底上的分子數/入射分子數
以GaAs為例，Ga與GaAs襯底表面發(fā)生化學吸附，一般吸附系數為1，也就是100%吸附。
而Ⅴ族元素As原子先是物理吸附，經歷一系列物理化學過程后轉為化學吸附，其粘附系數與襯底表面狀態(tài)和溫度有關。一般As源分為As和GaAs，采用As形成As4分子束，缺點時束流大，難以控制，特別束As+P固溶體無法控制比例；優(yōu)點是可以分別控制Ga/As源，沒有Ga束入射時，As4的粘附系數為0；有Ga束入射時，粘附系數增大。450K以下，As4不分解；450K以上As4分解生成As。采用GaAs形成As2分子束的優(yōu)點為束流大小合適，易于控制。缺點是無法分別控制。
在襯底溫度775K-800K時，按Ga：As=1：10入射時，可以得到Ga：As為1：1的GaAs，As2的粘附系數為0.1-0.15。
比較MBE、MOVPE與CBE的生長機理
MBE：III族元素以原子或分子束形式射向襯底，吸附→晶化（脫附）；
MOVPE：MO在氣流中和襯底表面兩處進行熱分解的過程，在氣流中分解生成的III族原子通過邊界層擴散到達襯底表面，歸類于沉積方式；
CBE(化學束外延)：MO只在襯底表面熱分解，不存在邊界層；
ALE(Atomic layer epitaxy，原子層外延)：組成化合物的兩種元素源（氣或束流）分別引入生長室，交替在襯底上沉積。每交替 （引入）一次就在襯底上外延生長一個單分子層，外延生長的速度取決于元素在襯底上交替吸附所需時間，實際生長中可采用脈沖輸送源的方式。
III. ATG不穩(wěn)定性
ATG不穩(wěn)定性，全稱阿薩羅-蒂勒-格林菲爾德不穩(wěn)定性（Asaro-Tiller-Grinfeld instability），或簡稱為格林菲爾德不穩(wěn)定性，是分子束外延過程中經常遇到的一種彈性不穩(wěn)定狀況。假設生長的薄膜和支撐晶體的晶格尺寸錯位（mismatch），彈性能量將會在生長的薄膜上積累。當其達到一定的轉折量時，薄膜可以通過分裂為幾個孤立塊的方式，使自由能量的數值降低，這樣積累的張力就可以得以釋放。上述的“轉折量”的數值取決于材料的楊氏模量()Young's modulus)、錯位的尺寸以及表面張力。
已經有不少關于ATG不穩(wěn)定性在應用方面的研究正在進行，例如量子點的自組裝（self-assembly）
IV. MBE設備
1.真空系統(tǒng)
2.生長系統(tǒng)：進樣室、預處理室（襯底存儲室）、生長室
3.監(jiān)控系統(tǒng)：四極質譜儀-真空度檢測，監(jiān)測殘余氣體和分子束流的成分；電離計-測量分子束流量；電子衍射儀-觀察晶體表面結構以及生長表面光潔平整度；俄歇譜儀-檢測表面成分、化學計量比和表面沾污等。
ST K-Cell Evaporator的沉積速率是由坩堝溫度決定的，通過使用熱偶和溫控儀準確地控制熔爐的溫度。
產品名稱：蒸發(fā)源
產品用途：ST Effusion-Cell 蒸發(fā)源良好的設計使其作為一個穩(wěn)定的高溫爐，可以用來可控地蒸發(fā)多種材料。獨特的套筒設 計為用戶提供了更多的靈活性，當用戶需要不同的沉積材料時，熔爐和坩堝都可被任意更換。
工作電壓：0～70VDC
工作壓力范圍：10-2Pa ～10-8Pa
工作電流：0～15A
極限真空可達：10-10Pa
