一文讀懂分子束外延（MBE）設備

老虎說芯|Tiger Chip|

2025-07-28 20:06:17 608

一、什么是分子束外延（MBE）？

分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, 簡稱MBE）是一種在超高真空條件下，通過將高純度元素以原子或分子束的形式沉積在加熱的晶圓襯底表面，進行原子級控制的薄膜外延生長的技術。
這項技術能夠以極高的精度控制外延層的厚度、組分和界面結構，適用于生產高性能化合物半導體材料。

二、MBE的設備組成與工作流程

MBE設備并非一個簡單的真空爐，它是一個多腔室、超高精度的材料沉積平臺。

圖片來源：論文《分子束外延設備國內外進展及展望》，人工晶體學報

典型的MBE系統主要包含以下幾個核心部分：

1. 超高真空系統

工作真空度要求在10??托（Torr）甚至更高，是整個系統正常運行的基礎。
真空環境的穩定性直接關系到材料純凈度與生長質量。

2. 材料源（通常為K-cell或effusion cell）

將高純度金屬（如Ga、In、As、Sb等）加熱蒸發，形成原子或分子束。
每種元素獨立加熱控制，可實現組分*調控。

3. 襯底加熱與旋轉系統

襯底（wafer）需要均勻加熱至幾百度溫度，同時旋轉以保證薄膜均勻沉積。
精確控制溫度對實現晶體外延結構至關重要。

4. RHEED系統（反射式高速電子衍射）

實時監測晶體生長過程的表面形貌與生長速率，是MBE系統的“眼睛”。

5. 多腔室設計

包括Loadlock（上下片腔）、Buffer（預處理腔）、Growth chamber（生長腔）。
通過隔離和中轉，實現自動上下片且保持真空不被污染。

圖片來源：論文《分子束外延設備國內外進展及展望》，人工晶體學報

三、MBE技術的典型應用方向

MBE并不追求速度，而追求*的材料純度、界面控制能力和層厚精度。因此，它廣泛應用在高性能、對材料結構要求極高的領域：

1. 光通信芯片材料（如InP基器件）

MBE能夠精確控制InGaAsP等多層結構，對實現高帶寬激光器、調制器等有關鍵意義。

2. 紅外探測器（如HgCdTe、InSb等）

對晶圓均勻性要求極高，MBE可實現亞納米級厚度控制和低缺陷率，是不可替代的技術。

3. 高頻射頻器件（如GaAs、GaN等）

包括功率放大器、低噪聲放大器等。MBE提供更好的界面控制和遷移率。

4. 量子芯片、超導器件、拓撲材料研究

量子比特材料（如Al、Nb等金屬薄膜）對界面潔凈度要求極高，MBE可實現層層原子構建，是科研和探索性領域的重要工具。

四、MBE的技術優勢與不可替代性

?? 舉例說明：比如紅外探測芯片如果晶圓中心與邊緣溫度不均，MBE能*調溫和控制材料流量，MOCVD則難以達到如此均勻性。

五、MBE在先進封裝中的潛在應用機會

先進封裝強調芯片間的堆疊互聯、鍵合質量與材料兼容性，MBE提供了一種獨特路徑：

銅-介質材料界面活化：傳統濕法清洗+熱壓方式在低溫下難以實現*鍵合。MBE可通過在真空中同步沉積活化層來提升界面結合強度，適用于低溫加工。
異質材料集成：適合對不同材料間結構進行精密控制，有利于實現3D集成。

六、MBE的產線效率與工程挑戰

問題：抽真空時間長、throughput低？

答：現代MBE系統采用多腔室設計與自動上下片系統：

裝片與除氣可與主生長腔并行處理；
一臺標準的量產型MBE設備每天可完成20爐以上生長任務，效率并非劣勢；
真正制約throughput的，是生長速率——尤其是厚膜結構，相較MOCVD較慢；
但MBE更適合做高端少量、多品類材料生長任務。

七、MBE設備行業現狀與投資視角

行業格局集中：

全球由兩大公司主導：RIBER（約75%）和VEECO（約20%）；
國內使用設備基本以RIBER為主，VEECO主要集中于北美。

國產替代處于初級階段：

受地緣政治和政策支持影響，國內多家初創企業開始布局MBE設備；
技術壁壘高，短期內*替代難度較大；
科研型與小批量設備切入更為現實。

投資關鍵判斷點：

產品管線是否合理，單一品類難以支撐長期成長；
客戶拓展與商業化能力；
科研市場向工業化應用的跨越能力，是否有實質性應用落地。

八、總結

MBE設備是化合物半導體、量子器件、紅外光電等高性能應用的核心支撐技術。它的優勢不在于速度，而在于*的控制力和材料質量。
雖然設備昂貴、工藝復雜、效率不高，但在許多高端場景中具有不可替代性。未來在先進封裝、3D集成、量子芯片等新興領域仍有很大的拓展潛力。

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