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碲镉汞分子束外延材料生长工序简介
碲镉汞（HgCdTe）分子束外延（MBE）材料即在分子束外延系统中生长的HgCdTe薄膜材料。全世界商用的分子束外延系统有多个公司的多种型号，但基本配置大同小异。这里介绍法国Riber公司的RIBER 32P 3英寸分子束外延系统，该套系统主要由一个预处理室、一个过渡室、一个生长室组成。预处理室用于完成衬底的进样和预先除气；过渡室用于样品的传递或暂存；在生长室中则主要完成样品的高温脱氧、缓冲层的生长和HgCdTe薄膜材料的外延。进样室和过渡室采用溅射离子泵，真空度可以达到10-10Torr。由于Hg材料的特殊性质，生长室的真空靠低温泵和冷阱来维持，外延生长时真空度保持在10-9Torr的水平。
生长室的装置如图1所示，主要包括束源炉、液氮冷却系统、衬底加热装置、真空检测系统以及束源炉和衬底的温度监测控制系统。样品架具有旋转机构，以保证外延材料组分和厚度的均匀性，其中心位置装有非接触式测温热电偶，另外在样品架的对面装有红外辐射测温仪用的窗口。在生长过程中主要依靠热电偶和红外测温仪进行精确的衬底温度测量。样品的装片方式采用3英寸无In衬底架，由于衬底为红外透明材料，测温仪受到衬底加热器的热辐射干扰，无法获得衬底材料表面的真实温度，这时介于样品和加热器之间的热电偶测量信号将发挥重要的温度测量和指导温度控制的作用。生长所用的主要源材料为高纯的Hg(7N)，Te2(7N)，CdTe(7N)。超高真空环境结合高纯源材料，保障了其他材料杂质含量较少，避免了引入不必要的杂质掺杂。
图1 生长室装置示意图
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HgCdTe外延材料的生长工艺
分子束外延生长工艺按时间顺序可以主要分为三个部分：衬底的预处理，装片工艺，HgCdTe生长条件的控制，后道工艺和材料评价。每一部分又由许多道更小的工序步骤组成。 ? 衬底处理工艺
一般包括衬底的选片、抛光、清洗、腐蚀等环节，根据衬底材料的不同其处理方式也有一定区别。如Si衬底材料：Si衬底由于其反应性较强，与空气中的气体作用会在衬底表面产生杂质，从而将阻止正常的单晶生长并成为外延层内缺陷的主要起因。因此外延生长前，必须经过高温脱氧将衬底表面吸附的原子级杂质去除干净，才能继续外延生长。Si表面的原子级杂质主要是氧化层和碳化层，Lander 和Morrison报道了当Si衬底加热至800 ～1000℃时氧化层可完全去除，而去除碳化层的温度却要高达1200℃以上。这样的高温将引起杂质的互扩散，改变Si衬底中的掺杂浓度，除此之外还将增加晶体缺陷如位错和层错，在衬底中产生滑移线，而且RIBER 32P MBE的衬底加热能力有限，如何通过衬底前道清洁处理工艺把Si脱氧温度降到900℃以下，是首先要解决的问题。以Ishizaka方法为基础，通过改变人工氧化层生长方法以及HF腐蚀时间，降低脱氧温度的合适衬底制备工艺：（1）有机清洗，去油脂（2）化学方法对Si进行多次循环的氧化、去氧化，以完全去除Si表面的碳化层和氧化层（3）Cl原子进行Si表面钝化，防止Si与空气中的O、C原子发生反应（4）干燥后进行进样前的衬底筛选检验。 ? 装片工艺
衬底的装片模式现在主要采用无In装片方式，即将3英寸衬底直接装配在无In钼环上。其装片方式，由图2可见，衬底在衬底架内自由放置，依赖于背后加热器的辐射加热，无热应力问题，并可保证衬底材料的横向温度均匀性。
图2 衬底的加热和旋转示意图
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? HgCdTe生长条件的控制
分子束外延生长技术被誉为柔性生长技术，其柔性就体现在可以根据不同的需要随时调整生长不同组分的外延薄膜或多层异质结结构，外延出的材料具备很高的晶体质量。所有这些都依赖于合适的外延生长条件，关键参数主要包括合适的束流配比、合适的晶体成核和长晶温度。分子束流可通过束流规（Pressure Gauge）测得，并从外延后的材料厚度、组分、生长速率等评价结果得到真实信息反馈。
衬底温度是外延条件的关键参数之一，它的监控主要依靠热电偶和红外测温仪进行综合测量。通过热电偶测得的电信号反馈到温控仪，由温控仪来自动调整加热丝的电压或电流，达到控温的目的。一般情况，热电偶放在样品中心位置，热电偶和钼块之间留有一定的空间，保证钼块转动时，不会碰到热电偶，由于钼块和热电偶不接触，因此，热电偶测得的温度与钼块的实际温度有一定的偏差。红外测温仪用于对HgCdTe表面温度进行监测，根据红外辐射的原理分析表面温度的变化趋势，可以很好地控制生长温度；对于采用3英寸无In衬底架装片的样品，由于衬底为红外透明材料，测温仪受到衬底加热器的热辐射干扰，无法获得衬底材料表面的真实温度，这时介于样品和加热器之间的热电偶测量信号将发挥重要的温度测量和指导温度控制的作用。
反射式高能电子衍射（RHEED）是分子束外延生长过程中一个最基本最主要的检测监控手段。它可用来在生长的原位实时观察样品表面的清洁度、平整度、样品的表面结构，利用它对晶体生长动力学和表面结构进行研究，确定合适的生长条件。高能电子衍射装置由高能电子枪和荧光屏两部分组成，从电子枪发射出来的具有一定能量的电子束以1～2o的掠入射形式射到样品表面，在这种情况下，由于电子垂直于样品表面的动量分量很小，又受到库仑场的散射，所以电子束的透入深度仅1～2个原子层，因此所反映的完全是样品表面的结构信息。同时高能电子的掠入射不影响垂直入射的束流，两者在几何位置上是高度兼容的，可以完成实时检测。从RHEED图象的衍射条纹的位置和形状，可以了解材料表面的再构形态。RHEED图象强度和形状的变化反映了晶体生长的动力学过程。在MBE生长过程中，随着表面的平整化，衍射图形会由点逐渐变成线，进而还有可能会在由点拉长的线之间出现附加的线，这些信息可以用
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