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再谈分子束外延
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关注:
1) 分子束 外延与普通真空蒸发的区别
2) 基底的选择
3) 织构、表面重构与相变的关系
引子：
For the first time Ce(111) single crystal films were successfully grown on V(11O)/ α-Al2O3 ( ) in the Frank-van der Merwe (FM) mode [8].
In this case, the epitaxial arrangement was found to be different from the ordinary NW or KS orientations. Subsequent deposition of V(110) results in epitaxial growth with three equivalent domains separated by 120 degrees.
The epitaxy of Ce on V as determined from RHEED analysis, shows that Ce is parallel to V . This has never been observed before in any fcc(111)/bcc(110) system and is different from either the KS ( fcc// ) or NW ( // ) orientations. The atomic arrangement is illustrated in Fig. 4 together with the KS and NW cases.
资料收集与解读
In-Situ SEM/EBSD Observation of α⁄γ Phase Transformation ...
https://matjournal.org/index.php?mid=jindex&pid=14304&stage=jlist3
http://www.scientific.net/SSP.105.121
Tatsuya Fukino1) and Sadahiro Tsurekawa2)
1) Department of Nano Science and Technology, Graduate School of New Frontier Sciences, Kumamoto University
2) Department of Materials Science and Engineering, Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University
The in-situ SEM/EBSD technique has been applied to observe the dynamics of ferrite(α) → austenite(γ) phase transformation and to examine the orientation relationship between α and γ phases in an Fe-9.5 at% Ni alloy.
Random grain boundaries and grain-boundary triple junctions were found to act as preferential nucleation sites for γ phase.
The effectiveness of triple junctions as the γ phase nucleation site in phase transformation increased with increasing number of random boundaries intersecting at a triple junction.
Approximately 90% of allotriomorphic γ phase possessed either a Kurdjumov-Sachs (K-S) or a Nishiyama-Wasserman (N-W) orientation relationship (OR) with the α parent grains. The γ allotriomorphs with a special OR with one of the adjoining α parent grains preferentially grew into the α grain having the special OR with them, while the allotriomorphs with special ORs with both of the α grains grew into both adjoining α grains symmetrically.
Wikipedia介绍解读
http://zh.wikipedia.org/zh/%E5%88%86%E5%AD%90%E6%9D%9F%E5%A4%96%E5%BB%B6
分子束外延（英语：Molecular beam epitaxy, MBE）是使单晶材料生长的一种方法。此方法由贝尔实验室的J. R. 亚瑟（J. R. Arthur）和卓以和（Alfred Y. Cho）于1960年代后期发明的。[1]
方法[编辑]
分子束外延于高真空或超高真空（ultra-high vacuum，10−8帕斯卡）的环境进行。分子束外延最重要的方面是其低沉积率，通常使薄膜以每小时低于3000纳米的速度磊晶生长。如此低的沉积率要求真空程度足够高，以达到其他沉积方式同等级别的洁净程度。
在固体源的分子束外延过程中，诸如镓、砷的元素，会以超纯（ultra-pure）的形式在独立的石英克劳森容器（Knudsen Cell）中被加热，直到它们开始缓慢升华。然后，这些气态物质在晶圆上凝结，而且它们在那里互相作用。以镓和砷为例，上述作用可以产生单晶砷化镓。术语“（分子）束”的意思是过程中的气体原子并不产生相互作用，也不与真空室物质反应，除非它们接触到晶圆。这是因为这些气体具有较长的平均自由程。
外延过程中，反射高能电子衍射（Reflection high-energy electron diffraction (RHEED)）经常被用来检测晶体层次生长的进程。计算机能够控制反应室前方的一个“阀门”，从而实现对每个层次的精确控制，其精确度可以达到单层原子。不同材料层次的精细结构可以通过这种方式产生。此种控制方式可以把电子束缚在一定空间里，产生量子阱（quantum well）和量子点（quantum dot）。上述的“层”对于很多现代的半导体器件十分关键，包括激光二极管和发光二极管。
有的系统需要冷却底层。生长室的超高真空环境必须使用一个低温泵（cryopump）来维持，而液氮或低温氮气可以使内部温度冷却到77开尔文（−196摄氏度）。低温环境可以进一步降低真空中杂质的含量，为沉积薄膜提供更好的条件。在其他系统里，晶体生长的晶圆可能会被安装在一个旋转的圆盘上，这个圆盘可以被加热到几百摄氏度。
分子束外延也曾被用于某些种类有机半导体（organic semiconductors）的沉积过程。在上述的情况中，被气化、然后在晶圆沉积的是材料的有机分子而非原子。其他的分支还包括气态源分子束外延（gas-source MBE）[2]，这一方式与化学束外延（chemical vapor deposition）类似。
最新的分子束外延技术还在新型电子器件制造、电磁应用、光学应用等领域中，被用于氧化物材料的沉积。为了实现这些目的，分子束外延系统必须进行改进，从而能够与氧源协同作用。[3]
ATG不稳定性[编辑]
ATG不稳定性，全称阿萨罗-蒂勒-格林菲尔德不稳定性（Asaro-Tiller-Grinfeld instability），或简称为格林菲尔德不稳定性，是分子束外延过程中经常遇到的一种弹性不稳定状况。假设生长的薄膜和支撑晶体的晶格尺寸错位（mismatch），弹性能量将会在生长的薄膜上积累。当其达到一定的转折量时，薄膜可以通过分裂为几个孤立块的方式，使自由能量的数值降低，这样积累的张力就可以得以释放。上述的“转折量”的数值取决于材料的杨氏模量（Young's modulus）、错位的尺寸以及表面张力。
已经有不少关于ATG不稳定性在应用方面的研究正在进行，例如量子点的自组装（self-assembly）[4]。
摘录：
http://www.chinabaike.com/t/10444/2013/0713/1293222.html
MBE技术是在超高真空条件下，用其组元的分 子（或原子）束喷射到衬底上生长外延薄层的技术。现代MBE生长系统的背景真空度可达 1.33×10-10Pa，分子束与分子束以及分子束 与背景分子之间不发生碰撞。
一、MBE技术的关键和主要特点：
III,V族元素分别加热到温度Ti ,Tj 形成的束 引入到温度为Ts 的衬底上生长薄膜，要仔细 选择Ts ，使多余的V族元素从衬底表面蒸发以 生长化学配比材料；合适的生长温度使吸附的原子有足够的能量迁移到合适的平衡位置进行外延生长。温度太低可能生长出多晶或非晶；温度过高会使吸附的原子再次蒸发而脱附。
1. 在超高真空下生长，污染很少，可生长出高纯 度外延材料
2. 生长速度为一般为0.1～10个单原子层/s，通 过挡板的快速开关可实现束流的快速切换从而达到外延层厚度、组分、掺杂的精确控制
3. 衬底温度低，可减少异质结界面的互扩散、易于生长突变结
4. MBE生长不是热平衡条件下进行的，可生长按普通热平衡方法难以生长的薄膜材料。易于生长多种新型材料
5. MBE生长为二维生长模型，使外延层的表面 界面具有原子级的平整度（RHEED强度周期性地对应于单分子层的厚度）
6. 高真空，可用多种表面分析仪器对外延生长过 程进行实时原位监测并随时提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息，便于进行生长过程和生长机理的研究
7. MBE设备可与其他半导体工艺设备实行真空连接，使外延材料生长、蒸发、离子注入及刻蚀等在真空条件下连续进行，提高器件性能及成品率
二、MBE设备
1.真空系统
2.生长系统：进样室、预处理室（衬底存储室）、生长室
3.监控系统：四极质谱仪-真空度检测，监测残余气体和分子束流的成分；电离计-测量分子束流量；电子衍射仪-观察晶体表面结构以及生长表面光洁平整度；俄歇谱仪-检测表面成分、化学计量比和表面沾污等。
三、生长过程与生长原原理
1. 源蒸发形成具有一定束流密度的分子束并高真空下射向衬底；
2. 分子束在衬底上进行外延生长。从生长过程看，MBE有三个基本区域：分子束产生区、各分子束交叉混合区、反应和晶化过程区。
3. 从源射出的分子束撞击衬底表面被吸附
4. 被吸附的分子（原子）在表面迁移、分解
5. 原子进入晶格位置发生外延生长
6. 未进入晶格的分子因热脱附而离开表面
粘附系数
粘附系数=生长在衬底上的分子数/入射 分子数
Ga与GaAs衬底表面发生化学吸附，一般吸附系数为1
V族原子（As）先是物理吸附，经过一系列物理化学过程后转为化学吸附，其粘附系数与衬底表面状态及衬底温度有关。
不同的As源对应不同的物理化学过程
1. Ga源：Ga
2. As源：As或GaAs
采用As形成As4 分子束，缺点：束流大，难于控制，特别是对As+P固溶 体无法控制比例；优点：可分别控制Ga和As。没有Ga束入射时， As4 的粘附系数为0，有Ga束入射时， As4 的粘附系数增大。450K以下时，As4 不分解；450k以上时， As4 能发生分解而生成As。
采用GaAs形成As2分子束，优点：束流大小合适，易于控制；缺点：无法分别控制Ga和As。
3. GaAs源：衬底温度在775k～800k时，按Ga:As=1:10 射Ga,As可得到Ga:AS为1:1的GaAs,As2 的粘附系数为0.1～0.15
四、和其他外延方法的比较
1.化学束外延生长CBE
产生背景：MBE使用固态源，生长相关固溶体 时，不易通过加热As，P固态源精确，重复控制其组分比；
CBE：气态源MBE，MO-MBE；
用III族元素的MO源代替Al,Ga,In等固态源；
用AsH3 ,PH3 代替V族元素源；
在MBE生长系统中进行外延生长；
基本上综合了MBE与MOVPE技术的优点，特别适合于MBE难以生长的具有高蒸气压的磷化物材料。
2.比较MBE、MOVPE与CBE的生长机理
MBE：III族元素以原子或分子束形式射向衬底，吸附→晶化（脱附）；
MOVPE：MO在气流中和衬底表面两处进行热分解的过程，在气流中分解生成的III族原子通过边界层扩散到达衬底表面；
CBE：MO只在衬底表面热分解，不存在边界层；
3.原子层外延（Atomic layer epitaxy）、 分子层外延MLE
组成化合物的两种元素源（气或束流）分别引入生长室，交替在衬底上沉积。每交替 （引入）一次就在衬底上外延生长一个单分子层，外延生长的速度取决于组元在衬底上交替吸附所需时间，实际生长中可采用脉冲输送源的方式；
ALE是一种生长“模式”，它没有自己“专用”设备，VPE、MBE、CBE设备均可进行ALE生长
1. ALE的生长机理
2. ALE的生长自动停止机构（SLM）
以Ga、In及As、P元素为源的情况，As、P 较高的蒸气压起SLM作用；
以TMG为源的情况，TMG为电子的接受体，As是电子的给予体，烷基R起SLM作用。
ALE外延技术的特点
1. 精确的厚度控制和良好的重复性；
2. 由于是单层生长，易于生长具有原子级突 变结界面；
3. 外延层厚度均匀性好，基本不受基座结构 和气流形状、流速等参数影响，总厚度只取决于交替生长的周期数，有“数字外延” 之称；
4. 表面质量好，可生出镜面式外延层表面
MBE会议：
http://www2.avs.org/conferences/MBE2/
18th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
September 7-12, 2014, Flagstaff, Arizona
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The International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE 2014) provides a prominent international forum for reporting new developments in the areas of fundamental and applied molecular beam epitaxy research; including advances in the technique, synthesis of new materials, discovery of new physical properties, formation of novel heterostructures, and the development of innovative devices.
MBE设备厂家
http://www.svta.com/mbe-systems.html
SVTA MBE Systems:
Molecular Beam Epitaxy (MBE) is a key technology due to the unique structures and exact dimensional control that can be achieved.
The SVT Associates, Inc. MBE System is a high performance tool which can be configured for a wide range of material applications. SVTA manufactures the MBE systems, deposition sources, and the essential process monitors. SVTA has full growth process knowledge from our experience in our own laboratory and the previous experience of our staff. This integration results in excellent control over quality and cost, to offer the most cost effective tool available for MBE.
SVTA MBE systems offer an ultra-pure environment for precision fabrication of thin film structures for semiconductor, opto-electronic, photovoltaic, and magnetic applications. SVTA MBE Equipment is specially designed for the materials they produce. The MBE Systems are equipped with hardware and software capabilities to monitor, display, and control critical growth parameters.
SVTA Systems are designed around a modular configuration consisting of several functional units. The modular system concept is a flexible and reliable way of adapting to different customer needs. Typically, there are at least two separate modules, one for the deposition process and one for wafer loading/sample preparation. There are other processing modules, such as cluster tool or material analysis modules that may be added depending on the customer needs. Systems with multiple growth modules for “incompatible” materials are available. Each module has its own independent UHV pumping system and can be isolated from other modules by gate valves. This arrangement makes it possible to perform various system functions independently and concurrently: substrate loading, sample treatment, film growth, and sample analysis
非常Nice的MBE介绍
http://www.explainthatstuff.com/molecular-beam-epitaxy-introduction.html
https://wap.sciencenet.cn/blog-567091-859040.html
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