薄膜按其晶體結構，有單晶、多晶、非晶薄膜之分。單晶薄膜需要在單晶基板上通過外延(epitaxy)的方法才能做出。藉由外延生長的薄膜稱為外延膜。單晶薄膜製備技術通常指分子束外延技術，用真空蒸鍍法或濺射法來製作單晶薄膜較困難，所必須考慮的重要因素是恰當的基片和適宜的溫度。此外，薄膜形成時的真空度和薄膜形成速率也有一定程度的影響。
基本介紹
- 中文名：單晶薄膜製備技術
- 外文名：Single crystal thin film preparation technology
- 釋義：單晶基板上通過外延(epitaxy)
- 單晶薄膜：薄膜中原子排列的有序結構
- 技術：分子束外延(MBE)
- 特點：殘餘氣體雜質極少
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單晶結構
具有單晶結構薄膜的特徵是薄膜中原子排列的有序結構。
原子嚴格地按周期排列，存在種種平移對稱性。這種原子周期排列結構擴展到整個薄膜範圍的薄膜是理想的單晶薄膜。
製備單品結構薄膜的難度大．通常是採用外延生長薄膜技術。如果對單品基片的種類、溫度、沉積速率等進行恰當的選擇，薄膜就可以呈單晶狀生長，這個現象稱為外延(Epitaxy)。外延生長技術分為同質外延技術和異質外延技術。同質外延技術是在單晶基片表面上外延生長同種元素組成的單晶薄膜；異質外延技術是在單晶基片表面上生長不同元素組成的單晶薄膜。
單晶薄膜製備技術介紹
分子束外延(MBE)是在真空蒸發的基礎上發展起來的一種單晶薄膜的製備技術，用MBE技術製備的半導體超晶格和量子阱材料是近年來半導體物理學和材料科學中的一個重大突破。MBE技術在固態微波器件、光電器件、超大規模積體電路、光通信和製備超晶格材料領域有著廣闊的前景。MBE是把所需要外延的膜料放在噴射爐中，在10爿Pa量級的超高真空條件下使其加熱蒸發，並將這些膜料組分的原子(或分子)按一定的比例噴射到加熱的襯底上外延沉積成膜。
與其他薄膜製備技術相比，MBE有以下特點：
①超高真空條件下，殘餘氣體雜質極少，可保持膜表面清潔；
②它是在低溫下(500～600℃)生長Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族及Ⅳ族元素化合物薄膜，生長速度極慢(1～1μm/h)，因此膜是層狀生長，可以得到表面缺陷極少、均勻度極高的膜；
③可方便控制組分濃度和雜質濃度，因此可以制出急劇變化雜質濃度和組分的器件；
④可以用反射式高能電子衍射(RHEED)原位觀察薄膜晶體的生長情況。
目前，用MBE方法製備的半導體薄膜雷射器、HgCdTe紅外探測器、InGaAs/nGaAsP、GaAsAl-GaAs等量子阱材料在實際套用方面展示了重要的前景。
注意事項
(1)首先，作為單晶基板的表面要“新鮮”(清潔)。基板表面上不能吸附各種各樣的氣體及雜質等．最好是在高真空條件下使基板單晶解理(劈開)，在露出新鮮的表面的同時進行薄膜沉積；
(2)溫度要高。對於不同金屬(不限於金屬)，一般在某一溫度之上才能形成外延膜，稱此溫度為該材料的外延溫度；
(3)儘量高的真空度。以防止被沉積原子氧化，保證被沉積材料清潔，防止氣體混入。
(4)沉積速率(薄膜的生長速度)要低。配合前幾個因素，以便於沉積原子有足夠的空間、時間和活力．通過擴散．遷移、重排等．實現有序化排列。
獲得單晶薄膜的外延方法有：①分子束外延(MBE)，②金屬有機物化合物氣相沉積(MOCVD)，③脈衝雷射沉積(PLD)，④電子束沉積(EBD)，⑤原子束沉積(ABD)，⑥早期還有電泳沉積、化學氣相沉積、液相外延法等。
技術發展
隨著對薄膜生長精度要求的提高及薄膜種類的增加，傳統的分子束外延技術暴露出了一些不足之處。例如在監測薄膜生長過程的同時不能測量分子束流的組分；其次是很難靠束源加熱得到高熔點材料的分子束，不適合製備高熔點或含有氧化物組分複雜的超導體和鐵磁體等。近年來雷射技術被逐漸地引入到MBE設備中，出現了雷射分子束外延(LMBE)。使傳統分子束外延設備的性能大大提高，材料生長的種類也有很大的拓寬，更重要的是LMBE技術對於開發新原理、新結構的固體器件有積極的推動作用。
