激光分子束外延关键技术及氧化物晶格和超薄膜的研究.pdfVIP

激光分子束外延关键技术及氧化物超晶格与超薄膜的研究 杨国桢吕惠宾周岳亮崔大复陈正豪 中国科学院物理研究所中国科学院凝聚态物理中心北京，100080 激光分子束外延是九十年代才出现的高精密新型制膜技术，它集中了普通 激光制膜和传统分子束外延的主要特点为一体，换句话说，其制膜的方法采用 脉冲激光淀积的方法，而工作在传统分子柬外延的条件下。激光分子束外延特 别适用于原子尺度控制的外延生长难熔材料和氧化物等复杂体系的薄膜和超晶 格，这是其它制膜方法难以实现的。同时还能进行其相应的激光与物质相互作 用和成膜过程的物理、化学等方面的基础研究。激光分子束外延对于新材料的 探索、微电子器件和信息材料的发展及其微观机理的研究都具有关键作用和前 瞻性意义。 我们和沈阳科仪中-Ii,合作，自行设计研制成功了我国第一台激光分子束外 延设备，设备总体示意图如图l所示。为了得到超高真空运转和实现原子尺度 外延生长的实时监控，并满足能进行激光与物质相互作用和成膜过程的物理、 化学基础研究的要求，设备由进样和外延两个真空室组成，在外延室上除了装 配有RHEED、QMS、薄膜厚度测量仪等仪器外，还备有进行光谱测量与分析 的两个对称的qbl00mm光学窗口。光扫描、靶扫描、换靶、靶与基片间距、基 片温度和激光脉冲等均由计算机控制。RHEED的衍射图象和强度振荡与QMS 由计算机采集数据，避行数据和图象处理，计算机系统的方框图如图2所示。 在设备研制过程中，我们使用原拥有专利3项，新申请专利5项(4项己授 权)，很好地解决了关键技术问题。采用了在国际上首创的激光与靶复合扫描技 术，克服了激光制膜方向性强和羽辉成分分布不均匀的缺点，不仅能获得大面 积薄膜厚度和化学组分比的一致性，而且大大提高了靶材的使用寿命。利用气 体放电原理，采用双放电专利技术，可在外延室内产生20％的原子氧或臭氧， 极大改进了在低氧压下外延氧化物薄膜的缺氧问题，由于降低了工作气压，义 提高_：r薄膜的单晶性和质量。在探索外延制膜关键技术和基础工艺条件的过程 中，结合实验结果从成膜的机理进行研究分析，很快发现了结构复杂的氧化物 薄膜的表面扩散时问远大于单原子结构的锗硅等半导体材料。在国际上首次采 图2馓光分了柬外延汁算机汞统方框罔 图】 檄光分f豪外延设备总体玎框图 ^ {：z。 800 600 扣 400 {m 200 000 0 5∞ 1160 oscilktlon eSde 囝3 外延BaltO)薄膜的RHEED强度振荡曲线 f{iJ二维／怔M表面开三貌图 e 0 Ⅲ 。 』 一m，／ P＼ n／ r 一 一 一0 一0I．嗝～； 删V—，l~ 。黎丽 。～一 一／一