[发明专利]一种动态控制源流量的分子束源炉

说明书

本发明提供一种动态控制源流量的分子束源炉，从源材料容器底部往顶部依次安装有底层源蒸发预加热装置，中间层动态温度补偿加热装置，顶层束流高低温加热装置。各层分别对源材料进行加热。根据材料的外延生长速率需要合理设置底层源蒸发预加热装置的功率，根据材料组分或材料掺杂变化情况，需要合理调整中间层动态温度补偿加热装置和顶层束流高低温加热装置的功率，从而解决分子束外延生长系统中快速动态调整掺杂金属源流量的难题。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，特别涉及一种应用于分子束外延生长工艺的动态控制掺杂金属源流量的分子束源炉。

背景技术

分子束外延是一种高精密度的薄膜制备技术，储存有薄膜材料所需材料的源炉是控制薄膜生长质量的关键组件。分子束外延技术通过源炉对源材料进行高温加热，将并形成的分子束流沉积到合适的衬底上，再生长过程中通过开启和切换不同的源炉实现不同材料组分和不同掺杂浓度的薄膜材料。源炉的温度影响材料的饱和蒸汽压，进而影响单位时间分子束流中所需材料的浓度。早期的源炉采用单温区加热，仅仅在源炉底部进行加热，一方面源炉单区域加热难以控制内部材料温度均匀性，另一方面源炉顶部温度较低，在工艺过程中极易冷凝产生大颗粒固体或液体源材料，这些大颗粒在材料生长过程中沉积到生长界面，产生材料缺陷，影响材料质量。人们发展了双温区加热，在源炉顶部配置加热器，可大幅降低材料缺陷。这种双温区加热方式已经发展出多种组合。此外，对于某些材料作为薄膜主要组分生长时，普通加热所产生的分子束流的流量不够，因此人们发展了电子束加热源炉，通过电子束直接对源材料进行加热可以产生足够量的源分子束。

随着器件结构越来越复杂，薄膜组分越来越多样化，对工艺控制要求也越来越精确，分子束系统里需要同时存在多种源炉产生分子束源，同一种源根据薄膜结构和工艺的变化，也需要快速变化束流量，尤其是掺杂源材料需要快速精准的调控，这对分子束外延系统尤其是源炉系统的设计提出了更高的要求。

发明内容

本发明针对高精密薄膜器件的发展对分子束外延设备提出的更高要求，提供一种动态控制源流量的分子束源炉，用以解决分子束外延生长系统中快速动态调整掺杂金属源流量的难题。

本发明所提供的动态控制源流量的分子束源炉，技术方案为：在源材料容器中，从底部往顶部依次设置底层源蒸发预加热装置，中间层动态温度补偿加热装置，顶层束流高低温加热装置；所述底层源蒸发预加热装置是在源材料容器外围设置两段式电阻加热片和两段式电阻加热片外围的陶瓷保护外壳；所述中间层动态温度补偿加热装置设置在源材料容器中部位置，包含源材料容器外围的中电磁发射器和源材料容器内部在源材料上方的中磁性金属圆片；所述顶层束流高低温加热装置设置在原材料容器上部位置，包含源材料容器外围的上电磁发射器和源材料容器内部在中磁性金属圆片上方的上磁性金属圆片。其工艺流程为：所述底层源蒸发预加热装置将装在源材料容器内的源材料熔化，所述中间层动态温度补偿加热装置通过中电磁发射器加热中磁性金属圆片，进而将升华的源材料蒸汽温度进行补偿和调控，所述顶层束流高低温加热装置通过上电磁发射器加热上磁性金属圆片，加热功率根据材料外延生长工艺实时调整，当需要加速生长或者增加该源材料浓度时，顶层束流高低温加热装置的加热功率高于中间层动态温度补偿加热装置的加热功率，当需要降速生长或者减小该源材料浓度时，顶层束流高低温加热装置的加热功率低于中间层动态温度补偿加热装置的加热功率，源材料将会有部分冷凝沉积而无法到达衬底。

进一步地，上述底层源蒸发预加热装置、中间层动态温度补偿加热装置和顶层束流高低温加热装置的加热功率根据材料外延生长工艺可实时调整。

进一步地，上述中磁性金属圆片和上磁性金属圆片分别设置成4个，并分别设置有中陶瓷支撑架、中陶瓷保护壳和上陶瓷支撑架、上陶瓷保护壳对其进行支撑，中陶瓷支撑架、中陶瓷保护壳和上陶瓷支撑架、上陶瓷保护壳材料包括氧化铝或氮化硼，中磁性金属圆片和上磁性金属圆片材料由高温磁性钢、铁、钴、镍或其组合物组成。

进一步地，上述两段式电阻加热片材料包括钨、钼或其组合物，所述陶瓷保护外壳材料包括氧化铝或氮化硼。