Предшественником МЛЭ является метод трех температур. Метод трех температур заключается в конденсации соединения стехиометрического состава при температуре подложки Т3 из паров двух элементов, испаряющихся при температуре Т1 и Т2.
Этот метод применим, когда свободная энергия диссоциации соединения в соответствии с уравнением
АВ(тв.) → А(газ) + ½В2(газ)
оказывается большей, чем свободные энергии испарения составляющих
АВ(тв.) → А(газ) и В2(тв.) → ½В2(газ).
Другими словами, давление паров составляющих А и В под соединением АВ при Т3 существенно ниже, чем над чистыми элементами при этой температуре, т.е. пары А и В, задаваемые температурами Т1 и Т2, пересыщены по отношению к соединению при Т3, но не к элементам А и В. Метод работает и в случае, если вышесказанное верно только для одного компонента А или В.
МЛЭ появилось как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме. Отметим, что давление остаточных газов ниже 10-7 торр считается высоким вакуумом, а давление 10-11 торр и ниже относится к сверхвысокому вакууму. Длина свободного (без взаимных соударений) пробега атомов и молекул в таких условиях достигает десятков метров.
При МЛЭ реагенты вводятся в рабочую камеру в виде молекулярных или атомных потоков. Эти потоки формируются путем испарения материала внутри замкнутой ячейки с очень малым входным отверстием. Такая ячейка называется эффузионной. Испарения внутри же молекулы и атомы, выходя из отверстия сверхвысокий вакуум, движутся без соударений, создавая, таким образом направленные, хорошо .................. потоки частиц.
Для МЛЭ обычно используют несколько эффузионных ячеек — по одной на каждый испаряющийся (без нарушения стехиометрии) материал. Кроме ячеек, для осаждения собственно материалов должны присутствовать также источники легирующих примесей. Наряду с испарением осаждаемого материала внутри эффузионной ячейки, молекулярные потоки могут формироваться по такому же принципу и из паров или газообразных соединений. Для этого их вводят в сверхвысоковакуумную камеру через специальные подогреваемые сопла. Конструкция типичной установки для МЛЭ схематически показана на рис. 1.
Рис. 1.
Её основными частями являются эффузионные или газовые ячейки, подогреваемый подложкодержатель и система мониторинга процесса осаждения. Все эти устройства размещены в сверхвысоковакуумной камере.
Конденсация атомов и молекул на нагретой подложке в требуемых стехиометрических соотношениях представляет достаточно сложную задачу. Однако проведение осаждения в сверхвысоком вакууме позволяет использовать современные методы ионного и электронного исследования твердого тела непосредственно в процессе осаждения или после его завершения. Для этих целей в систему мониторинга включают: Оже-электронную спектрометрию, дифракцию низкоэнергетических электронов, дифракцию отраженных высокоэнергетических электронов, спектроскопию возбуждаемой рентгеновскими или ультрафиолетовым излучением фотоэмиссии, вторичную ионную масс-спектрометрию. Проведение анализа осажденной пленки непосредственно в рабочей камере называют in situ (по месту).
Для оперативного контроля и управления процессом осаждения обычно используют дифракцию отраженных высокоэнергетических электронов. Для этого электроны с энергией 10-15 кэВ направляют под скользящим углом на подложку с осажденной пленкой.
Дифракция отраженных электронов регистрируется на экране, расположенном на противоположной от электронной пушки стенке камере. Положение и интенсивность дифракционных максимумов содержат информацию о структуре и толщине поверхностного слоя, что и используется для мониторинга осаждения.
МЛЭ широко применяется для формирования высококачественных сверхрешеток. МЛЭ обеспечивает формирование и сплошных наноразмерных пленок, и (при определенных условиях осаждения) квантовых шнуров, и квантовых точек.