热蒸发源炉的制作方法

本实用新型涉及材料生长领域，尤其涉及一种热蒸发源炉。

背景技术：

在半导体、金属、拓扑绝缘体、磁性材料、有机化合物半导体等材料的薄膜生长中，通常会使用分子束外延、热蒸发镀膜等设备。这些设备在进行材料生长时，一般会使用产生原子束或分子束的关键装置，称为热蒸发源炉。热蒸发源炉通常工作在真空环境，利用电阻加热器为坩埚中的源材料提供能量，使其液化或升华，并达到一定的蒸汽压，使得坩埚中的源材料以原子束或分子束的形式流向与热蒸发源炉相对放置的衬底表面，最终达到材料生长的目的。热蒸发源炉提供的原子束或分子束的束流稳定性和工作可靠性对材料质量起着决定性作用。

目前，分子束外延、热蒸发镀膜等设备中普遍使用的热蒸发源炉有着下面两个技术缺陷，使得热蒸发源炉的束流稳定性较低。第一、热蒸发源炉与大气环境有热交换，随时间变化的环境温度变化会影响束流的稳定性。尽管这一影响较小，但对于需要精确控制材料组分(例如：晶格匹配的异质外延生长要求的10^-4量级的失配度)等高要求场合，该影响会是致命性的，导致材料生长工艺不可控。其主要原因是：虽然热蒸发源炉的主要部件(坩埚、加热器等)均在真空环境中，但通常是安装在一个带有法兰的真空套管一端。由于热蒸发源炉的工作温度大多在200℃-2000℃的高温区段，源炉高温部件的热辐射导致真空套管温度升高，使得真空套管与周围大气环境发生热交换。而大气环境温度随着时间在周期性变化，在没有控温的实验室内部，昼夜温差有时可以达到10℃-20℃。这一环境温度变化导致了热蒸发源炉的工作状态的微小改变，最终影响了束流的稳定性。第二、热蒸发源炉的热电偶电极和加热器电极暴露，从坩埚逸出的液态源和从生长设备内壁脱落的材料残渣等会掉落至热电偶电极或加热器电极处，导致热电偶或加热器短路，使得热蒸发源炉无法正常工作。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种热蒸发源炉，以解决热蒸发源炉的束流稳定性较低和电极短路的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种热蒸发源炉，其中，包括：

分段式全包围热屏蔽筒，所述分段式全包围热屏蔽筒底部与源炉法兰的上法兰面相连；所述分段式全包围热屏蔽筒包括：

下分热屏蔽筒，所述下分热屏蔽筒底部与源炉法兰的上法兰面相连；

上分热屏蔽筒，所述上分热屏蔽筒底部与所述下分热屏蔽筒顶部相连；

加热装置底板，设置于所述上分热屏蔽筒和所述下分热屏蔽筒相连处；

坩埚，与所述分段式全包围热屏蔽筒顶部密封相连；

加热装置，设置在所述分段式全包围热屏蔽筒内，对所述坩埚进行加热；

加热装置底部屏蔽板，设置于所述分段式全包围热屏蔽筒内并位于加热装置底板上部，用于屏蔽加热装置工作时向下辐射的热量；

温度测量装置，设置在所述分段式全包围热屏蔽筒内，用于对坩埚底部温度进行测量。

在本实用新型的一些实施例中，所述温度测量装置包括：

法兰内侧热电偶接线柱，设置于所述分段式全包围热屏蔽筒内；

法兰外侧热电偶接线柱，与所述法兰内侧热电偶接线柱一体相连并穿过源炉法兰；所述法兰外侧热电偶接线柱与所述源炉法兰间密封相连，且电绝缘；

热电偶丝，与所述法兰内侧热电偶接线柱相连，且所述热电偶丝置于所述坩埚底部。

在本实用新型的一些实施例中，所述加热装置包括：

法兰内侧加热电极，设置在所述分段式全包围热屏蔽筒内；

法兰外侧加热电极，与所述法兰内侧加热电极一体相连并穿过源炉法兰；所述法兰外侧加热电极与所述源炉法兰间密封相连，且电绝缘；

加热器，与所述法兰内侧加热电极通过加热器引线相连；

在所述法兰外侧加热电极上施加电压，所述加热器产生电流并对所述坩埚进行加热；

所述法兰内侧加热电极和所述法兰外侧加热电极为圆柱形结构，所述法兰内侧加热电极和所述法兰外侧加热电极的材料为铜、钼、镍中一种或多种。

在本实用新型的一些实施例中，所述分段式全包围热屏蔽筒的数量为1-10个，多个所述分段式全包围热屏蔽筒的直径各不相同，呈套设分布。

在本实用新型的一些实施例中，所述加热装置底板的材料为钼或钽；所述加热装置底板上设有过线孔；所述加热装置底部屏蔽板包括至少一层钽片，所述钽片数量为1-100；所述加热装置底部屏蔽板上设有过线孔；所述坩埚的材料为热解氮化硼、石墨、钼、钽、钨中任一种；所述坩埚为带边缘的试管型或带边缘的锥形；所述源炉法兰的材料为不锈钢、铝合金、钛合金中任一种。

根据本实用新型的一个方面，还提供了一种热蒸发源炉，其中，包括：

整体式全包围热屏蔽筒，所述整体式全包围热屏蔽筒底部与源炉法兰的上法兰面相连；

加热装置底板，设置于所述整体式全包围热屏蔽筒内部；

坩埚，与所述整体式全包围热屏蔽筒顶部密封相连；

加热装置，设置在所述整体式全包围热屏蔽筒内，对所述坩埚进行加热；

加热装置底部屏蔽板，设置于所述整体式全包围热屏蔽筒内并位于加热装置底板上部，用于屏蔽加热装置工作时向下辐射的热量；

温度测量装置，设置在所述整体式全包围热屏蔽筒内，用于对坩埚底部温度进行测量。

在本实用新型的一些实施例中，所述温度测量装置包括：

法兰内侧热电偶接线柱，设置于所述整体式全包围热屏蔽筒内；

法兰外侧热电偶接线柱，与所述法兰内侧热电偶接线柱一体相连并穿过源炉法兰；所述法兰外侧热电偶接线柱与所述源炉法兰间密封相连，且电绝缘；

热电偶丝，与所述法兰内侧热电偶接线柱相连，且所述热电偶丝置于所述坩埚底部。

在本实用新型的一些实施例中，所述加热装置包括：

法兰内侧加热电极，设置在所述整体式全包围热屏蔽筒内；

法兰外侧加热电极，与所述法兰内侧加热电极一体相连并穿过源炉法兰；所述法兰外侧加热电极与所述源炉法兰间密封相连，且电绝缘；

加热器，与所述法兰内侧加热电极通过加热器引线相连；

在所述法兰外侧加热电极上施加电压，所述加热器产生电流并对所述坩埚进行加热；

所述法兰内侧加热电极和所述法兰外侧加热电极为圆柱形结构，所述法兰内侧加热电极和所述法兰外侧加热电极的材料为铜、钼、镍中一种或多种。

在本实用新型的一些实施例中，所述整体式全包围热屏蔽筒的数量为1-10个，多个所述整体式全包围热屏蔽筒的直径各不相同，呈套设分布。

在本实用新型的一些实施例中，所述加热装置底板的材料为钼或钽；所述加热装置底板上设有过线孔；所述加热装置底部屏蔽板包括至少一层钽片，所述钽片数量为1-100；所述加热装置底部屏蔽板上设有过线孔；所述坩埚的材料为热解氮化硼、石墨、钼、钽、钨中任一种；所述坩埚为带边缘的试管型或带边缘的锥形；所述源炉法兰的材料为不锈钢、铝合金、钛合金中任一种。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型热蒸发源炉至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本实用新型采用热屏蔽筒，有效实现了热屏蔽，可以有效降低环境温度对加热器工作状态的影响，保证了束流的稳定性。

(2)本实用新型避免热蒸发源炉的热电偶电极和加热器电极暴露，完全避免了从坩埚逸出的液态源和从生长设备内壁脱落的材料残渣等会掉落至热电偶电极或加热器电极处的可能性，有效防止了热电偶电极和加热器电极的短路，保证了长期工作的可靠性。

(3)本实用新型分体式热屏蔽筒，更加利于加工和装配。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的热蒸发源炉示意图。

图2为本实用新型第二实施例的热蒸发源炉示意图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

101，201-源炉法兰；

101a，201a-上法兰面；

111a，211a-正极法兰外侧热电偶接线柱；

111b，211b-负极法兰外侧热电偶接线柱；

112a，212a-正极法兰外侧加热电极；

112b，212b-负极法兰外侧加热电极；

121a，221a-法兰内侧热电偶接线柱；

121b，221b-负极法兰内侧热电偶接线柱；

122a，222a-正极法兰内侧加热电极；

122b，222b-负极法兰内侧加热电极；

123a，223a-正极热电偶丝；

123b，223b-负极热电偶丝；

124，224-加热装置底板；

125，225-加热装置底部热屏蔽板；

126，226-加热器；

126a，226a-正极加热器引线；

126b，226b-负极加热器引线；

127，227-坩埚；

228-整体式全包围热屏蔽筒；

128a-上分热屏蔽筒；

128b-下分热屏蔽筒。

具体实施方式

本实用新型提供了一种热蒸发源炉，包括：整体式全包围热屏蔽筒、坩埚、加热装置、加热装置底板和温度测量装置，整体式全包围热屏蔽筒底部与源炉法兰的上法兰面相连；整体式全包围热屏蔽筒顶部与坩埚密封相连；加热装置、加热装置底板和温度测量装置均设置于整体式全包围热屏蔽筒内，加热装置对所述坩埚进行加热；温度测量装置对坩埚底部温度进行测量。本实用新型能够提供稳定的原子束和分子束流，并且能够避免从坩埚逸出的液态源和从生长设备内壁脱落的材料残渣等会掉落至热电偶电极或加热器电极处导致的热电偶或加热器短路，使得工作可靠性大幅提高。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本实用新型的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本实用新型满足适用的法律要求。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种热蒸发源炉。图1为本实用新型第一实施例的热蒸发源炉示意图。如图1所示，本实用新型热蒸发源炉包括：源炉法兰101、正极法兰外侧热电偶接线柱111a、负极法兰外侧热电偶接线柱111b、正极法兰外侧加热电极112a、负极法兰外侧加热电极112b、正极法兰内侧热电偶接线柱121a、负极法兰内侧热电偶接线柱121b、正极法兰内侧加热电极122a、负极法兰内侧加热电极122b、正极热电偶丝123a、负极热电偶丝123b、加热装置底板124、加热装置底部热屏蔽板125、加热器126、正极加热器引线126a、负极加热器引线126b、坩埚127、上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b。

需要说明的是，本实用新型中所述的“法兰外侧”是指源炉法兰101的上法兰面101a的下部空间。本实用新型中所述的“法兰内侧”是指源炉法兰101的上法兰面101a的上部空间。源炉法兰101用于将该热蒸发源炉安装在一个带有法兰的材料生长真空系统上。法兰外侧处于大气环境中，法兰内侧处于真空环境中。

关于温度测量装置，正极法兰外侧热电偶接线柱111a与正极法兰内侧热电偶接线柱121a连接为一体并穿过源炉法兰101，并且保持与源炉法兰101的真空密封和电绝缘。负极法兰外侧热电偶接线柱111b与负极法兰内侧热电偶接线柱121b连接为一体并穿过源炉法兰101，并且保持与源炉法兰101的真空密封和电绝缘。正极法兰内侧热电偶接线柱121a与正极热电偶丝123a的下端连接，负极法兰内侧热电偶接线柱121b与负极热电偶丝123b的下端连接；正极热电偶丝123a的上端与负极热电偶丝123b的上端连接，并置于坩埚127底部。通过上述连接，坩埚127底部温度转换为处于大气环境中的正极法兰外侧热电偶接线柱111a与负极法兰外侧热电偶接线柱111b上的电势差，这样实现了处于真空环境中的坩埚127底部温度的测量。

关于加热装置，正极法兰外侧加热电极112a与正极法兰内侧加热电极122a连接为一体并穿过源炉法兰101，并且保持与源炉法兰101的真空密封和电绝缘。负极法兰外侧加热电极112b与负极法兰内侧加热电极122b连接为一体并穿过源炉法兰101，并且保持与源炉法兰101的真空密封和电绝缘。正极法兰内侧加热电极122a通过正极加热器引线126a与加热器126的一端相连接；负极法兰内侧加热电极122b通过负极加热器引线126b与加热器126的另一端相连接。通过上述连接，可以在处于大气环境中的正极法兰外侧加热电极112a与负极法兰外侧加热电极112b之间施加电压，使得加热器126中产生电流，导致加热器126发热，实现了给处于真空环境中的坩埚127加热的功能。

其中，下分热屏蔽筒128b安装在源炉法兰的上法兰面101a上部，加热装置底板124安装在下分热屏蔽筒128b上部，上分热屏蔽筒128a安装在加热装置底板124上部，坩埚127上部边缘安装在上分热屏蔽筒128a上部，加热装置底部热屏蔽板125放置于加热装置底板124上部。其中下分热屏蔽筒128b、上分热屏蔽筒128a和加热装置底板124构成一个分段式全包围热屏蔽筒。图1中为方便观察，对加热装置底板124、加热装置底部热屏蔽板125、坩埚127、上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b使用了剖切视图的表示方法。加热装置底板124和加热装置底部热屏蔽板125的适当位置有直径合适的过线孔，可以通过热电偶丝正极123a、热电偶丝负极123b、加热器引线正极126a、加热器引线负极126b。加热装置底板124用于承载加热装置底部热屏蔽板125。加热装置底部热屏蔽板125用于屏蔽加热器126工作时向下方辐射的热量。上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b用于屏蔽加热器126工作时向侧方向辐射的热量。

上述热蒸发源炉使用时，在坩埚127中放入需要蒸发的源材料，在正极法兰外侧加热电极112a与负极法兰外侧加热电极112b之间施加电压，给坩埚127加热，使得坩埚127中的源材料从坩埚口部蒸发出去，形成原子束或分子束流；在正极法兰外侧热电偶接线柱111a与负极法兰外侧热电偶接线柱111b之间测量电势差，得到坩埚底部的温度。

由上述结构可知，上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b完全将其内部的法兰内侧热电偶接线柱正极121a、法兰内侧热电偶接线柱负极121b、法兰内侧加热电极正极122a、法兰内侧加热电极负极122b、热电偶丝正极123a、热电偶丝负极123b、加热装置底板124、加热装置底部热屏蔽板125、加热器126、加热器引线正极126a、加热器引线负极126b和坩埚127部件包围其中，有效实现了热屏蔽，可以有效降低环境温度对加热器工作状态的影响，保证了束流的稳定性。另外，上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b构成的全包围结构，完全避免了从坩埚逸出的液态源和从生长设备内壁脱落的材料残渣等会掉落至热电偶电极或加热器电极处的可能性，有效防止了正极法兰内侧热电偶接线柱121a、负极法兰内侧热电偶接线柱121b、正极法兰内侧加热电极122a、负极法兰内侧加热电极122b、正极热电偶丝123a、负极热电偶丝123b、加热器126、正极加热器引线126a、负极加热器引线126b等部件的短路可能性，保证了长期工作的可靠性。

其中，上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b的为钽或钼的圆筒状结构。具体的，可由一层圆筒构成，也可以采用直径不同的多个圆筒状结构套叠而成，上分热屏蔽筒128a和下分热屏蔽筒128b的数量为1-10个。

关于源炉法兰101，其材料为不锈钢、铝合金和钛合金中任一种。源炉法兰101可采用kf、cf、iso标准形式法兰结构。

关于正极法兰外侧加热电极112a、负极法兰外侧加热电极112b、正极法兰内侧加热电极122a、负极法兰内侧加热电极122b，其材料为铜、钼或镍中一种或多种。具体的，可加工成圆柱形，端部可带有螺丝固定件。

关于加热装置底板124，其为钼或钽的圆形结构，在适当位置有直径合适的过线孔，可以通过正极热电偶丝123a、负极热电偶丝123b、正极加热器引线126a、负极加热器引线126b。

关于加热装置底部热屏蔽板125，其包括1～100层钽片，每个钽片为圆形结构，在适当位置有直径合适的过线孔，可以通过正极热电偶丝123a、负极热电偶丝123b、正极加热器引线126a、负极加热器引线126b。

关于加热器126及正极加热器引线126a、负极加热器引线126b，其材料为钽、镍铬合金、铁铬铝合金、铁铬镍合金、石墨、碳化硅中一种或多种，加工成片状或丝状。

关于坩埚127，其材料为热解氮化硼、石墨、钼、钽、钨中任一种，加工成带边缘的试管型、带边缘的锥形等形状。

在本实用新型的第二个示例性实施例中，提供了一种热蒸发源炉。图2为本实用新型第二实施例的热蒸发源炉示意图。如图2所示，本实用新型热蒸发源炉包括：源炉法兰201、正极法兰外侧热电偶接线柱211a、负极法兰外侧热电偶接线柱211b、正极法兰外侧加热电极212a、负极法兰外侧加热电极212b、正极法兰内侧热电偶接线柱221a、负极法兰内侧热电偶接线柱221b、正极法兰内侧加热电极222a、负极法兰内侧加热电极222b、正极热电偶丝223a、负极热电偶丝223b、加热装置底板224、加热装置底部热屏蔽板225、加热器226、正极加热器引线226a、负极加热器引线226b、坩埚227和整体式全包围热屏蔽筒228。

如图2所示，与第一实施例的热蒸发源炉相比，本实施例热蒸发源炉的区别在于：整体式全包围热屏蔽筒228安装在源炉法兰201的上法兰面201a上部，加热装置底板224安装在整体式全包围热屏蔽筒228中部，坩埚227上部边缘安装在整体式全包围热屏蔽筒228上部，加热装置底部热屏蔽板225放置于加热装置底板124上部。图2中为方便观察，对加热装置底板224、加热装置底部热屏蔽板225、坩埚227、整体式全包围热屏蔽筒228使用了剖切视图的表示方法。加热装置底板224和加热装置底部热屏蔽板225的适当位置有直径合适的过线孔，可以通过正极热电偶丝223a、负极热电偶丝223b、正极加热器引线226a、负极加热器引线226b。加热装置底板224用于承载加热装置底部热屏蔽板225。加热装置底部热屏蔽板225用于屏蔽加热器226工作时向下方辐射的热量。整体式全包围热屏蔽筒228用于屏蔽加热器226工作时向侧方向辐射的热量。

由上述结构可知，整体式全包围热屏蔽筒228完全将其内部的正极法兰内侧热电偶接线柱221a、负极法兰内侧热电偶接线柱221b、正极法兰内侧加热电极222a、负极法兰内侧加热电极222b、正极热电偶丝223a、负极热电偶丝223b、加热装置底板224、加热装置底部热屏蔽板225、加热器226、正极加热器引线226a、负极加热器引线226b和坩埚227部件包围其中，有效实现了热屏蔽，可以有效降低环境温度对加热器工作状态的影响，保证了束流的稳定性。另外，整体式全包围热屏蔽筒228构成的全包围结构，相较于第一实施例中的分体式热屏蔽筒结构，热屏蔽效果更佳，完全避免了从坩埚逸出的液态源和从生长设备内壁脱落的材料残渣等会掉落至热电偶电极或加热器电极处的可能性，有效防止了正极法兰内侧热电偶接线柱221a、负极法兰内侧热电偶接线柱221b、正极法兰内侧加热电极222a、负极法兰内侧加热电极222b、正极热电偶丝223a、负极热电偶丝223b、加热器226、正极加热器引线226a、负极加热器引线226b等部件的短路可能性，保证了长期工作的可靠性。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型热蒸发源炉有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型提供一种热蒸发源炉作为安装于分子束外延、热蒸发镀膜等材料生长设备上的用于产生稳定的原子束和分子束的装置，可以有效降低环境温度对加热器工作状态的影响，保证了束流的稳定性，同时有效防止了热电偶电极和加热器电极的短路，保证了长期工作的可靠性。在材料生长领域具有广泛应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。