通过反应共同蒸发的氧化物薄膜生长的高产量沉积系统的制作方法

专利名称：通过反应共同蒸发的氧化物薄膜生长的高产量沉积系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域通常涉及用于在衬底上制造薄膜的装置和方法。 更具体地，本发明的领域涉及用于在原位(,'"-Ww)形成高温超导 (HTS)膜的装置和方法。
背景技术：
自从19世纪80年代中期发现HTS材料的钙钛矿族后，在沉 积高质量的HTS膜的能力上已经进行了大幅度的跨越。由HTS材 料形成的薄膜非常有望用于各种超导电子仪器的应用，所述超导电 子仪器例如包括探测器、数字电路和无源微波装置(如HTS基滤波 器)。
这些年来，多种技术已经被发展为用于HTS氧化物材料薄膜 的沉积。这些技术包括喷溅、脉冲激光沉积(PLD)、和有机金属化 学气相沉积(MOCVD)。实例性的HTS氧化物材并牛包括钇钡铜氧 化物(YBCO)、铋锶钩铜氧化物(BSCCO)、铊钡钓铜氧化物 (TBCCO)、和汞钡4丐铜氧化物(HBCCO)。在这些材料中，由于 YBCO的相对小的传导各向异性、磁场中的高超导临界电流以及良 好的化学稳定性，YBCO是目前用于许多应用中最受青睐的化合 物。另夕卜，与其他HTS化合物相比，YBCO的高质量、单相薄膜 可相对容易地生长可能是它的最大贡献。但是，这些材料的薄膜生长仍然困难。为了获得高质量的膜， 定向外延生长(平面内和平面外)是必要的，这意味着膜只能在高
温下(通常高于700°C)生长。因此，仅可在满足化学相容性、晶 格常数匹配以及热膨胀匹配的严格要求的少数单晶衬底上生长。此 外，衬底的性质必须适合于所要求的应用。例如，对于《鼓波应用来 说，MgO就是满足生长需要并具有足够低损耗的衬底。
由于这些化合物通常包括至少三种氧化物形式的金属组分，因 此HTS材料的生长更为复杂。因而所采用的生长方法必须被严格控 制，以获得适宜的膜化学定量和均匀性。而且，在生长的时候，这 些材料的原位生长需要它们被氧化，这一般与众多传统技术(如物 理气相沉积)是不相容的。而且，在某些应用中，需要在单个衬底 的双面上生长HTS薄膜。
传统的原位生长才支术(如喷溅、力永沖激光沉积和有才几金属化学 气相沉积)已经都被成功地用于HTS薄膜的生长。但，这些方法具 有一些缺陷，包括低生长速度(喷溅)、难以控制成分、复制率差、 膜的均匀性差(喷溅、MOCVD)、难以获得大面积沉积(PLD)以 及难以扩缩(所有前述技术)。
最近，使用旋转氧袋加热器的反应共同蒸发技术已经被使用， 该技术解决了上述多种缺陷。在这种技术中，衬底通过重力被保持 在旋转的衬底支撑件或转台上。圓柱形加热器(即，加热器本体)， 围绕在容纳衬底的衬底支撑件的顶部、底部和侧面上，该圓柱形加 热器辐射地将衬底加热至反应所需的均匀高温。衬底支撑件在加热 器本体内部可旋转，并且在一部分S走转过程中通过i殳在加热器本体 底部中的窗口而暴露于真空室。真空室围绕加热器本体并容纳用于 反应的;冗积源。在一个实施例中，加热器本体还包括位于加热器本体底部的氧 袋区。氧气被注入到氧袋区中并在一部分旋转过程中将衬底暴露于 氧气。在氧袋区与周围真空室之间产生大的压力差。通过旋转衬底 支撑件与氧袋区之间形成的窄间隙而保持该压力差，从而导致氧从 氧袋中泄露的速率很低。
在其中衬底暴露于真空室的旋转部分过程中，可使用典型的
PVD技术(如蒸发)将薄膜组分(典型地，为金属组分)沉积在衬 底的底部上。当衬底在衬底支撑件上转动至氧袋中时，氧化反应发生。
使用旋转氧袋加热器的反应共同蒸发法具有的多个优点，所述 优点例如包括在真空中蒸发金属组分而没有复杂化，而在HTS 膜生长所需的高氧压条件下会出现复杂化。另外，旋转氧袋加热技 术允许在具有相对大表面积的衬底上沉积。而且，这种技术具有同 时在多个衬底上沉积HTS材料的能力。因为这种加热器近似为黑体 辐射器，因此也可同时包括不同的衬底材料，尽管它们具有不同的 吸收性(absortivities )。最后，由于衬底的任一面都不与加热器本体 直接接触，因此使用旋转氧袋加热器的反应共同蒸发法允许顺序地 将HTS材并+沉积在4于底的两个面上。
虽然反应共同蒸发法非常适合HTS薄膜的形成，^f旦依然存在 增加这种方法的能力和稳定性的需要，以使反应共同蒸发可被应用 在商业的制造过程中。因此存在增加反应共同蒸发沉积系统和方法 的产量与可靠性的需要。

发明内容
在本发明的一个方面中， 一种用于才丸行反应共同蒸发的装置包 括容纳袋式加热器的加热器腔室；容纳源支架的源腔室，该源腔室通过阀被连接至加热器腔室；以及容纳可延伸传送臂的传送室， 该传送臂通过阀被连接至加热器腔室，该可延伸传送臂通过阀可移 入和移出加热器腔室，其中加热器腔室、源腔室和传送室被连4妾至 真空源。该装置可用于形成氧化物薄膜，如包括稀土(RE)氧化物 (如(RE ) BCO )。
在本发明的另一方面中， 一种用于在具有前、后表面的至少一 个衬底上执行反应共同蒸发的装置包括容纳袋式加热器的加热器 腔室；容纳源支架的源腔室，该源腔室通过阀被连接至加热器腔室； 用于固定该至少 一个衬底的衬底支撑件，该衬底支撑件通过接触所 述至少一个4于底的前表面和后表面中的一个或两者而固定该至少 一个衬底；用于保持衬底支撑件的可延伸传送臂，该可延伸传送臂 可旋转，以{更朝向源腔室暴露该至少一个4于底的前表面或后表面中 的任一个或两者。
在本发明的另一方面中， 一种袋式加热器包括加热器帽或上 部加热区，该加热器帽或上部加热区包括周围具有圆柱状侧壁的圆 形顶板，圆形顶板和侧壁中设有加热器元件(如加热线)；具有上 表面和下表面的下部加热—反，下部加热净反的一部分具有"i殳于其中的 /人下部力口热才反的上表面通到下表面的窗口和形成在下部力。热才反上 表面一部分中的凹槽袋；并且其中加热器帽在垂直于下部加热外反表 面的方向上可3多动。
在本发明的另一方面中， 一种用于执行反应共同蒸发的装置包 括设于加热器腔室内的袋式加热器；容纳可延伸传送臂的装载传 送室，该装载传送室通过阀被连接至容纳袋式加热器的加热器腔 室；以及容纳可延伸传送臂的卸载传送室，该卸载传送室通过阀被 连接至容纳袋式加热器的加热器腔室。在本发明的另 一方面中， 一种执行反应共同蒸发的方法包括以
下步骤提供设于加热器腔室内的袋式加热器，该袋式加热器包括 穿过袋式加热器一部分的可垂直移动的心轴；4是供容纳可延伸传送 臂的装载传送室，该装载传送室通过阀被连接至容纳袋式加热器的 加热器腔室；以及提供容纳源材料的源腔室。
容纳至少一个衬底的衬底支撑件被装载到装载传送室内的可 延伸传送臂上。使用连接至装载传送室的真空泵在装载传送室内建 立真空条件。容纳袋式加热器的加热器腔室与装载传送室之间的阀 随后被打开，并且使用可延伸传送臂将容纳至少一个衬底的衬底支 撑件延伸到袋式加热器中。心轴被提升以便于将容纳至少一个村底 的衬底支撑件从可延伸传送臂上卸下。可延伸传送臂缩回到装载传 送室内，并且在正确的衬底温度、袋压力、以及衬底支撑件转速一皮 建立之后源材剩"故蒸发。
在本发明的另一方面中， 一种装置包4舌加热器帽或上部加热 区，该加热器帽或上部加热区包4舌周围具有圆4主状侧壁的圓形顶 部，圆形顶部和侧壁中i殳有加热器元4牛；具有上表面和下表面的下 部力。热才反，下部加热才反的 一 部分具有"i殳于其中的乂人下部加热氺反的上 表面通到下表面的窗口和形成在下部加热;板上表面一部分中的凹 槽袋；以及z-调节组件。
在本发明的一个方面中，z-调节组件包括可凝—转的心轴，其 通过下部加热板中的中心孔突出；机械连接至心轴的电机；以及辊。 倾斜凸轮与辊啮合，其中倾斜凸轮沿水平方向上的运动赋予可旋转 的心4由、电才几和4昆沿z-方向的运动。
在本发明的另 一方面中， 一种执行反应共同蒸发的装置包括 容纳袋式加热器的加热器腔室；容纳源支架的源腔室，该源腔室通过阀 一皮连4妄至加热器腔室；容纳至少 一个沉积监测器的监测器室， 该监测器室通过阀被连接至容纳袋式加热器的加热器腔室。
在本发明的另一方面中， 一种用于执行反应共同蒸发的装置包 括容纳袋式加热器的加热器腔室；容纳共同蒸发源材料的源腔室， 该源腔室通过阀^皮连4妄至加热器腔室。
在本发明的另 一 实施例中， 一种在袋式加热器中装载和卸载衬 底支撑件的方法，包括以下步骤(1 )提供具有加热器帽(如上部 加热区)的袋式加热器，该加热器帽包《^圆形顶部和围绕其周围的 圓柱形侧壁；(2)提供具有上表面和下表面的下部加热板(如，下 部加热区)，下部加热一反的一部分具有"i殳于其中的/人下部加热一反的 上表面通到下表面的窗口和形成在下部力o热板上表面一部分中的 凹槽袋；(3)提供第一可旋转衬底支撑件，用于保持多个衬底，该 第一可旋转衬底支撑件介于下部加热板与加热器帽部之间；(4)沿 垂直于下部加热4反上表面的方向将加热器帽移入设置得远离第一 可旋转衬底支撑件的卸载位置中；(5 )将第一可旋转衬底支撑件移 出袋式加热器；(6)将第二可旋转衬底支撑件插入袋式加热器中， 该第二可旋转衬底支撑件介于加热器帽与下部加热^反之间；和(7)
将加热器帽移动到邻近第二可旋转衬底支撑件的装载位置。
上的多组分HTS膜的产量的装置和方法。本发明的另 一个目的在于 将沉积过程的各个方面(如源材料蒸发、装载、卸载、监测、沉积) 分离至相互联系但分离的腔室。在这点上，本发明的目的在于将这 些腔室连4妾至真空源，真空源可独立泵送至其余腔室，乂人而当一个 独立腔室中的真空条件^皮破坏时，限制装置的整个抽真空时间。
本发明的这些和更进一步的目的将在以下详细描述。


图1示出了根据本发明一个优选方面的装置的透视图，该装置 用在通过反应共同蒸发的氧化物薄膜高产量沉积中。
图2A示出了重力地保持在心轴上的衬底支撑件。
图2B示出了图2A中所示的4于底支撑件的下侧。
图3A示出了重力地保持在心轴上的衬底支撑件。
图3B示出了图3A中所示的衬底支撑件的下侧。
图4A示出了通过衬底支撑件支架沿圓周^皮保持的衬底支撑件。
图4B示出了4于底支撑件支架和心轴。
图5A示出了沉积腔室，其中电机驱动心轴的电机相对于沉积 月空室定4立于外部(顶部)。
图5B示出了沉积腔室，其中电才几驱动心轴的电才几相对于沉积 腔室位于外部(底部)。
图6A示出了通过连接器连接至心轴的电机。
图6B示出了通过齿轮连接至心轴的电机。
图6C示出了通过皮带连接至心轴的电机。
图7A示出了加热器元件的俯一见图，该加热器元件具有用于容 纳衬底支撑件的狭槽，狭槽的宽度用角a表示。图7B示出了加热器元件的俯视图，该加热器元件具有用于容 纳衬底支撑件的狭槽，狭槽的宽度用角P表示。
图8A示出了心轴从中穿过的加热器元件。
图8B示出了心轴部分地/人中穿过的加热器元件。
图9示出了介于下部加热板(如，区域)与上部加热板(如区 域)之间的衬底支撑件。
图IOA示出了可分离加热器元件的一个实施例。
图10B示出了可分离加热器元件的另一实施例。
图IOC示出了可分离加热器元件的另一实施例。
图IOD示出了可分离加热器元件的另一实施例。
图IOE示出了可分离加热器元件的另一实施例。
图11示出了关于下部力o热一反可移动的力p热器元^f牛的实施例。
图12示出了关于固定的加热器元件可移动的下部加热板。
图13示出了一种可相互移动的衬底支撑件和下部加热板。
图14示出了用在图1所示装置的加热器腔室内部的袋式加热 器的局部分解图。
图15示出了袋式加热器下部々反加热部分的顶部，示出了氧袋 和穿至源力空室的窗口。图16A示出了图l所示装置的加热器腔室内部中所使用的袋式 加热器的替换实施例的侧视图。
图16B示出了图16A所示的袋式加热器的底部透一见图。
图17A示出了保持衬底支撑件的垂直定向的心轴，其中，心轴 穿过沉积"空室的顶部。
图17B示出了保持衬底支撑件的垂直定向的心轴，其中，心轴 穿过沉积腔室的底部。
图18示出了 z-调节组件的实施例，其中，电机和心轴作为一 个单元可移动。
图19A示出了 z-调节装置的前视图，其中，电机轴通过连接器 连才妄至心轴。
图19B示出了图19A的z-调节装置的侧视图。
图19C示出了 z-调节装置的前视图，其中，电机轴通过皮带连 接至心轴。
图20A示出了 z-调节装置的前视图，该装置使用水平馈通线和 椭圆形凸4仑。
图20B示出了图20A的z-调节装置的侧视图。
图21A示出了 z-调节装置的前视图，该装置使用水平定向的旋 转馈通线，该旋转馈通线驱动剪式千斤顶装置来提升或下降垂直定 向的支撑板。图21B示出了图21A中的z-调节装置的侧视图。
图22示出了 z-调节装置，该装置使用垂直定向的旋转馈通线 马区动螺S走起重才几。
图23示出了 z-调节装置，该装置使用水平馈通线和凸轮来才是 升和下降垂直定向的支撑板。
图24示出了位于垂直支撑一反上的心轴4干和电机组件。
图25示出了容纳有装载在下部板加热器顶部的衬底的衬底支撑件。
图26示出了位于垂直支撑板上的心轴杆和电机组件。
图27示出了用来于^是升和下降图26中所示的心轴才干和电枳j且 件的凸轮装置。
图28A示出了用于存4诸一个或多个QCM的载荷锁定月空室 (load-lock chamber )的 一个方面。
图28B示出了用于存储一个或多个QCM的载荷锁定腔室的另 一个方面。
图29示出了其中设有三个QCM的载荷锁定腔室。
图30示出了载荷锁定腔室的另一个实施例，其中腔室的下侧 包^舌开口，以供通向;;兄积J空室。
图31A示出了载荷锁定腔室的另 一个实施例，用于载荷锁定腔 室的阀位于沉积腔室内部。图31B示出了载荷锁定腔室的另一个实施例，阀设于载荷锁定 腔室的下侧并且当被打开时供通向沉积腔室。
图31C示出了图31B所示的载荷锁定腔室的俯-現图。
图32是处于开放结构中的监测器室的透视图，示出了用于监 测容纳在源腔室中的源材料的蒸发的沉积监测器。
图33A示出了根据本发明一个优选方面的衬底支撑件和衬底。
图33B示出了用于将衬底支撑件装载到如图1所示的加热器腔 室中的传送室。
图34示出了用于控制以及从图1所示装置中采集^t据的计算机。
具体实施例方式
图1示出了装置2的一个实施例，该装置用在通过反应共同蒸 发的氧化物薄膜的高产量沉积中。装置2也被用来沉积非氧化物材 料，如二硼化镁(MgB2 )。整体合并于此作为参考的题为"Growthof In-Situ Thin Films By Reactive Evaporation (反应共同蒸发原4立;蓴月莫 的生长)"的美国专利申:^青第10/726,232号/>开了一种4吏用袋式加 热器装置生成MgB2的方法。应当理解，4吏用装置2可以沉积多种 材料。作为例证但不局限于此，这些材料包括复合氧化物、钌酸盐、 锰酸盐、钛酸盐、石兹性材料、压电体、绝缘体、铁电体、半导体、 氮化物等。装置2优选地包括定位在框架4或其他支撑结构上的多 个子系统，这些子系统整体构成整个装置2。装置2可包括多个独 立腔室，即，力口热器月空室IO、源月空室30、两个传送室40和50、以 及监测器室60。加热器腔室10与真空源12 (如真空泵)相连4妾。真空源12 通过阀14 (如闸门阀)与加热器腔室10相分离。在沉积HTS膜之 前， -使用真空源12^由空加热器腔室10。
装置2还包括源腔室30,该源腔室容纳用在沉积过考呈中的熔剂 材料(80a、 80b、 80c)源。源腔室30还同样地连接至真空源32 (如真空泵)。源腔室30通过阀34 (如闸门阀)与真空源32相分离。
阀36也设在加热器腔室10与源腔室30之间。优选地，阀36 是闸门阀。该闸门有利地使得这两个室(即，加热器腔室10和源 腔室30)被分别泵成真空。这很重要，是因为例如可在不会干扰加 热器腔室10或不会将熔剂源暴露于大气条件的情况下改变放置于 源月空室30中的熔剂源。同才羊的，可在不干i^L源腔室30内部真空条 件的情况下，在容纳在加热器腔室10中的部件上执行维护等。这 种设置减少了所需的"抽空(pump down)"时间总量，这是因为必 须被泵吸的空间体积由于分隔了装置2的各个子系统而被降低了 。 这有助于提高装置2的总产量。
仍然参考图1，装置2包括两个安装在加热器腔室IO外壁上的 传送室40、 50。伊:选;也， 一个传送室40是装载室，而另一个传送 室50是卸载室。两个传送室40、 50都与真空源42、 52(如真空泵) 相连4妻。传送室40、 50可连4妄至单独的真空源42、 52,或者，可 替换地，连接至同一个真空源。两个传送室40、 50通过阀41与力口 热器腔室10相分离。卸载室50也可用作氧泡(oxygen soak )。
在本发明的一方面中，装置2由此包括五个单独的真空室(即， 加热器腔室10、源腔室30、两个传送室40和50、以及监测器室 60)，它们通过可控制阀相连接。当然，在替换实施例中，装置2 还也可少于5个腔室50，或，可替换地多于5个腔室50。如需要，这些腔室中的每一个都可独立于其他室而^皮泵吸成真空气压。在这 点上，任何一个或多个腔室可通向大气，同时其他室保持在真空下。 这消除了每次打开都将整个装置2抽空的需要，该打开是为了如清
洁装置2的一部分、将熔剂源重新装载入源腔室30、更换和/或调 节监测器室60或加热器腔室10内的沉积监测器64,装载/卸载衬 底支撑件110(如，载体)于加热器腔室10中、以及在一个或多个 腔室中的元件上的维护等。
参照图2A、 2B、 3A、 3B、 4A、 4B、 5A和5B，在本发明的一 个方面中，衬底支撑件110被保持在穿过中心孔113的垂直定向的 的心轴112上。垂直定向的心轴112可从上方或下方保持衬底支撑 件IIO。图2A和2B示出了一个实施例，其中衬底支撑件110由穿 过中心孔113的心轴112 /人下方<呆持。在此实施例中，衬底支撑件 110由心轴112重力地保持。在另一实施例中，如图3A和3B所示， 垂直定向的心轴112从上方保持衬底支撑件110。例如，心轴112 可穿过中心孔113并终止于附着件115，该附着件固定^N"底支撑件 110。在另一实施例中，如图4A和4B所示，衬底支撑件110通过 衬底支撑件支架117而沿圓周^皮保持。
亏寸底支撑件110可通过心轴112的i走转运动而转动。4t底支撑 件110与心轴112之间的摩4察配合将心轴112的旋转运动传给衬底 支撑件110。心轴112 (和衬底支撑件110 )可通过电才几(如下述的 电机122 )驱动。电机122可设在容纳衬底支撑件110的沉积腔室 内(如腔室10 )或沉积腔室10的外部，如图5A和5B所示的。在 电才几位于容纳衬底支撑件110的沉积腔室10的外部的情况下，心 轴112可连接至位于衬底支撑件110和真空室的上方或下方的旋转 真空々贵通线。如图5A和6A所示，电才几可直4妾与心轴积4成相连。 可替换地，如图5B、 6B、 6C所示，电机可通过齿轮lll、皮带126、 链条等，与心轴112机械相连。如上所述，衬底支撑件110至少部分地容纳在薄膜成形过程中
所1吏用的加热器月空室10中。在本发明的一个方面中，力口热器腔室 10容纳袋式加热器100,其为近黑体辐射器(near-blackbody radiator )。袋式加热器100可包括一个或多个加热器元件101 (如， 区)和包含在其中的狭槽10b(如图7A、 7B所示)，衬底支撑件110 可通过传送机构(如传送臂)插入该狭槽中以及缩回。因此心轴112 可乂人加热器100的上方或下方延伸，乂人而支撑并旋转4t底支撑件 110。图8A和8B示出了两个例i正的实施例，其中心轴112穿过加 热器腔室10中的加热器元件。
上述设置使得衬底支撑件110能在一个方向上被引入到加热器 中以及/人加热器中一皮移除，例如，如图7A所示。可^弄才奂地，如图 7B的实施例所示，通过使用更长的狭槽10 (b),衬底支撑件110 可沿多个方向(如从侧部)；陂引入到加热器中以及从加热器中一皮移除。
在薄膜成形工艺过程中，可存在一个最低温度，在高于最低温 度的情况下衬底支撑件110不能从加热器腔室10中^皮移除。这可 能是因为衬底支撑件110太热，或因为被沉积的膜(如，(RE)BCO) 的温度远高于它们的结构相转变温度，以至于不能从加热器腔室10 中被移除。因此，如果坤于底支撑件110保持与加热器元件1 01近距 离，则衬底116 (如，晶片)的冷却时间将受限于加热器元件101 的冷却时间。由于衬底支撑件110可应被均匀加热，因此加热器元 件101—^^f艮大，并需要长的冷却时间。可通过使用冷却线圈等吸 取包含在加热器元件101和4t底支撑件110中的热量而减少整个冷 却时间。甚至使用冷却装置(如线圏等)，衬底支撑件110和相关 衬底116的冷却时间也是由加热器元件限制的。理论上，可通过将 衬底支撑件110 (以及衬底116 )与加热器元件101上物理地分离， 而迅速冷却衬底支撑件110和衬底116。当袋式加湿器100用在加热器腔室10中时，村底支撑件110
应设置得接近氧袋区，因为在氧袋附近需要保持小间隙。在一个实 施例中，氧袋区可与下部加热区或元件整体形成。在这种情况下，
顶部和/或侧部加热区可远离衬底支撑件110设置，例如，如图9(示 出了距衬底支撑件110—定距离设置的顶部区域)所示。这种布置 使得衬底支撑件110的能出入加热器和加热器腔室10。但是，加热 区域会具有比所需衬底116温度更高些的温度，因为加热器100不 再用作黑体辐射器。如果氧袋不能^皮直接加热，则加热器元件101 (多个)就会远高于衬底116的所需温度，这会使设计复杂且不切 实际。
在本发明的一个方面中，提出了一种解决方式，即，在沉积薄 膜之后，将加热器元件101 (多个)与衬底支撑件110物理地分离。 这可通过将加热器元件101 (多个)远离衬底支撑件110，或可替 换地，通过将衬底支撑件110远离加热器元件101 (多个)而完成。 有利地，衬底支撑件110可从加热器元件101 (多个)处移开，以 4吏其可在氧气中^皮自由或有效冷却。而且，通过相对于加热器元件
ioi (多个)而移动^H"底支撑件iio (或相反)，这有助于将衬底支
撑件110 (和相关衬底116 )传送到沉积腔室(如，加热器腔室10 )
中以及/人沉积月空室中4专送出。
假设袋式加热器100是或类似是一个黑体炉，图IOA-E、 11和 12示出了相对衬底支撑件110而移动加热器元件101 (多个)的多 个示例性方法。通常，图IOA-E、 11和12所示的实施例佳J寻^H"底 支撑件110从上方或下方沿垂直方向上从加热器元件101处移动 (即，提升)，也可水平地从加热器腔室10中移出。例如，图10A 示出了一个实施例，其中力卩热器元件101 (如，顶部和侧部加热区， 或顶部、侧部和下部力。热区)通过每个相应半部分沿箭头A和B 方向的移动而被分成两部分。图IOB示出了一个实施例，其中设置了佳:得两个半部分能打开的垂直4交链101。图IOC示出了一个实施 例，其中水平设置的4交4连107^f吏顶部和侧部加热器元件101能打开。 图IOD示出了一个实施例，其中水平设置的铰链107使顶部加热器 元件101或区域能相对其余加热器元件101 (如，侧部加热器元件) 翻动打开。在另一实施例中，如图IOE所示，垂直铰链107使顶部 加热器元件101能相对其余加热器元件101 (多个)而枢转或旋转。
图11和12示出了其他的实施例，其中加热器元件IOI包括下 部加热器元件或区101a (3。，下部加热4反)和两个上部力p热器it/f牛 或区101b、 101c(如加热器帽)。在一个方面中，如图11所示，两 个上部加热区101b、 101c相对下部加热区101a垂直移动，乂人而能 使加热器元件101与容纳在其中的衬底支撑件110 (图11、 12未示 出)分离。另一实施例中，如图12所示，上部加热区101b、 101c 4呆持固定，而下部加热区101a在垂直方向上可移动。图13示出了 加热器元件101a,其可相对于可移动的衬底支撑件IIO移动。该加 热器元件101a可包含或可不包含氧袋。
在本发明的一个方面中，加热器腔室10容纳被旋转驱动的袋 式加热器100,该袋式加热器用来沉积和/或生长多组分HTS氧化 物薄膜。图14示出了用于袋式加热器100的各种组件。袋式加热 器100包括加热帽部102 (如，图11和图12所示的上部加热区 101b)，该加热帽部包4舌圓形上4反表面102 (a)和向下突出的圓斗主 形侧壁102 ( b ) ( i。图11和12中所示的力。热区101c )，该侧壁形成 了内部102 (c),袋式加热器100的各种部件被插入其中(如下所 述)。加热帽部102可由绝缘加热线(加热器元件)制成，其可寻皮 缠绕以形成上表面102 (a)和圓柱形侧壁102 (b)。优选地，上表 面102 (a)和圆柱形侧壁102 (b)中的每个均由绝缘线的单独一 段形成，以佳J寻上表面102 (a)和圆片主形侧壁102 (b)可净皮4皮此 独立i也加热以达到温度均匀性。电流穿过绝纟彖线以产生热量。有利地，袋式加热器100的加热帽部102可在z-方向上移动以 打开袋式加热器100,以使衬底支撑件110 (如下所述)可在薄膜 沉积之前净皮装载到袋式加热器100中，并在沉积之后/人中移除。例 如，加热帽部102被固定到致动器103上，如图1所示，该致动器 延伸穿过加热器腔室的顶壁。致动器103纟是供袋式加热器100的加 热帽部102的垂直运动(即，沿z-方向的运动)。
参照图14和图15,在本装置的一方面中，袋式加热器100包 4舌下部加热寿反104(例如，如图11和图12所示的下部加热区101a)， 其为第三独立加热区。下部力D热斥反104是固定的并可被^苗固于加热 器腔室10的顶壁、底壁或侧壁。下部加热^反104优选由单片金属
(优选为INCONEL)制成，其可净皮加工成所需形状。当然，加热 板104可由其他材并牛制成。下部加热一反104 ^皮加工成包括窗口 104
(a)(如图15中清楚示出的)，该窗口完全穿过板并暴露于源腔室 30和容纳在其中的源:熔剂。
下部加热板104还包括袋104(b)(如图5中清楚示出的)，其可 被加工成下部加热板104的上表面。例如，在装置2的操作过程中， 氧气(02 )被引入到袋104(b)中，以用于薄膜生长/沉积的反应部分。 氧气通过一个或多个端口 105被引入到袋104(b)中。下部力口热^反 104 (c)的下侧包括袋(未示出)，绝缘热配线被钎焊于其中。电 流穿过该配线以加热下部加热板104。整体结合于此以供参考的美 国专利No.5126533 乂>开了 一种4f焊绝-彖线以形成这种类型加热器 的方法。
可替换地，整个独立氧袋元件108可独立于下加热区存在。氧 袋元件108包括氧袋108a，其可以不是下加热区的部分，例如，如 图16A、 16B所示。因此，氧袋元件108可容纳或可不容纳加热器 元件。通常，氧袋108a的目的在于邻近于衬底提供局部氧气区以 用于膜氧化。在这种布置中，氧袋元件108和衬底支撑件110都被容纳在准-黑体加热器中，该准-黑体力。热器的力o热器元ff可围绕在 氧袋元件108和支撑板的多个或所有面上。氧袋元件108优选由单 片金属(例如，INCONEL)制成，其能被加工成所需形状。当然， 氧袋元件108可由其他材^F制成。氧袋元件108被加工成包括窗口 108b，该窗口完全穿过元件108并暴露于源月空室30和容纳在其中 的源:溶剂。在此实施例中，下部力口热区101a可由缠绕的绝《彖力口热 线(加热器元件)制造。下部加热区101a可由单独一革殳绝纟彖线制 成，以^f吏下部加热区101a以及加热区101b、 101c可相^N皮此4皮独 立加热以达到温度均匀性。
参考图14和图16A,袋式加热器100优选地包括"没在下部加 热才反101a之下的隔热罩106。 3o图14所示，隔热罩106中包4舌窗 口 106 (a)，该窗口可供通向下部力。热才反104的窗口 104 (a)以及
通向容纳殳容剂源的源力空室30。
i见在参照图17A、 17B、 18、 19A、 19B、 19C、 20A、 20B、 21A、 21B、 22、和23,提供z-调节组件121以用来调节旋转衬底支撑件 110与氧袋104 (b)之间的间隙，该氧袋可存在于下部加热一反104 (例如，图14和图15中所示的)或作为单独氧袋元件108的一部 分。为了保持氧袋104b、 108a与沉积腔室之间的高压差，间隙的 宽度很重要。小的且均匀的间隙是优选的，这是因为这样的间隙使 得袋104b、 108a中的氧气压力最大化，同时^f吏得氧气乂人袋104b和 108a中的任何泄漏最小化。另夕卜，小的且均匀的间隙使得沉积腔室 中的环境压力最小化。间隙的尺寸取决于下部加热板104的温度或 氧袋元件108及衬底支撑件110的温度以及它们各自的热史。这些 部件随温度变化而膨胀或收缩，且它们还才艮据温度曲线和加热器斜 率循环不同禾呈度;也变形。
因此需要在加热循环和沉积过程中的任何时间原位调节间隙， 以保持最优的间隙宽度。为完成这个目的，衬底支撑件110 (容纳有衬底116)或下部加热板104或氧袋元件108需要能^皮垂直调节， 一爿殳如图13所示。
在本发明的一个方面中，通过使用凸4仑、剪、螺旋起重机、导 向螺杆、伺服机构、以及本领域技术人员已知的其他机构垂直调节 下部加热一反104或氧袋it/f牛108。在另 一实施例中，S于底支撑^f牛110 通过心轴112的垂直运动而^皮垂直调节，例如，如图17A、 17B、 18、 19A、 19B、 19C、 20A、 20B、 21A、 21B、 22牙口 23所示。图 17A示出了 z-调节心轴112，该z-调节心轴从顶部保持衬底支撑件 110并延伸穿过加热器"空室10的顶部。心轴112可^皮连4妻或耦合至 电机(未示出)，以旋转驱动心轴112和衬底支撑件110。通过使用 线性真空馈通线或线性滑块(或其他相容的z-调节机构)，可在垂 直方向(箭头A)上调节心轴112。图17B示出了一个实施例，其 中，心轴112从下部保持衬底支撑件110并延伸穿过加热器腔室的 底部。心轴112可^皮旋转驱动并沿箭头A的方向祐j是升/下降。
在本发明的一个方面中，如图18所示，整个心轴112 4立于;冗 积腔室(即，加热器腔室10)的内部，并通过真空内电才几(如下更 详细描述的真空电4几122 ) ^皮驱动。
如果4吏用合适的连4妄才几构，则心轴112可独立于真空内电才几122 移动。优选地，如下所述，电才几122和心轴112作为一个单元一起 移动。图19A、 19B示出了一个实施例，其中，电才几122的轴通过 连接器123被连接至心轴112。电机122 ^皮固定或以其他方式连接 至垂直定向的支撑板118。图19C示出了替换实施例，其中，真空 内电才几122通过皮带126等净皮固定到心轴112。
图20A和图20B示出了一个实施例，其中，旋转轴125驱动 可旋转凸轮127，该可旋转凸轮移动垂直定向的支撑板118。图21A 和图21B示出了水平定向的橫j争轴125，该凝:4争轴马区动剪式千斤顶装置129。图22示出了驱动螺S走起重才几131的垂直定向的旋转轴 125。在另一实施例中，如图23所示，线性馈通133驱动凸轮132， 该凸4仑与垂直定向的支撑板118相啮合。在本发明的另一方面中， 可^f吏用第二真空内电才几(未示出)来驱动轴/々贵通(125、 133)和凸 轮(127、 133)，从而最小化进入真空室中的馈通的数量。
参考图24和图25，在本发明的一个优选方面中，垂直定向的 支撑板118容纳心轴杆和电机组件120 ( z-调节组件)。支撑板118 可沿如图24中箭头A所示的z-方向移动。心轴4干和电才几组4牛120 包括固定于支撑板118的电机122 (优选为真空内电机122)。真空 内电才几122包括驱动轴124,其通过皮带126或其他连4妾组件^皮才几 械连接至心轴杆112 (a)。真空内电机122为衬底支撑件110提供 变速转动。支撑板118还包括用来在z-方向上(下面会详细介绍) 移动心轴杆和电才几组件120的辊128。在另 一种结构中，电才几组件 120可被异位(ex-situ)而不是原位l是供。
参考图24和图25，在本发明的一个方面中，4于底支撑件110 #皮<呆持在袋式加热器100的上部加热区101b、 101c与下部加热区 101a之间。心轴112穿过^f立于隔热才反106和下部加热外反104中的中 心孑L。心轴112转动地连接至电机(以下更详细描述)并且还在图 24中箭头A所示的z方向上移动。
图25示出了保持在转动心轴112上的衬底支撑件110。衬底支 撑件IIO优选地被重力保持在心轴112的上端部上。衬底支撑件110 包括多个切入衬底支撑件110中的孔114，所述孔接受并保持其上 沉积HTS材料的衬底116。衬底116可包括例如由氧化镁(MgO ) 制成的衬底。才艮据此处描述的本发明，当然也可4吏用其他材料。通 过沿衬底支撑件110的设置有孔114的底边设置的小齿或脊，衬底 116优选地被重力保持在正确位置。因此，衬底支撑件110允许在 加热和沉积工艺的过程中衬底116的基本不接触的悬置。另外，这种配置允许HTS薄膜在衬底116的单侧(也就是，如 图25所示的衬底116 (a)的底侧)上的生长和/或沉积。衬底116 (b)的上侧(或后侧)未受干4尤并可通过将^H"底116翻转而在随 后的沉积过程中 一皮沉积。
4十底支撑件110可一皮:没计成适应少数大直径^)"底116或多凄t小 直径4于底116。另外，^H"底支撑4牛上的3L 114也可^皮i殳计成适应具 有不同形状的衬底116。
当袋式加热器100净皮打开时，即，当力o热巾冒部102 乂人下部力口热 板104上被提升时，装置2有利地使得衬底支撑件110被原位引入 到加热器腔室10中。在运行过程中在衬底支撑件110上方及周围 下降加热帽部102,并且随后可在运4于结束时或在袋式加热器100 被充分冷却的时候提升该加热帽部。因为当袋式加热器100冷却时 衬底支撑件110不必被连接至袋式加热器100,所以打开袋式加热 器100和装载/卸载衬底支撑件110的能力，提高了沉积过程的循环 时间。更准确的说，可在袋式加热器IO(H又通过其加热和冷却循环 的一半后装载/卸载衬底支撑件110。
在替换实施例中，衬底支撑件110允许同时从衬底的下表面 116(a)和上表面116(b)4爪住衬底116,以使整个衬底支撑件110可在 沉积运行中一皮翻转。优选地，衬底支撑件110可在加热器腔室10 或传送室40、 50内原位翻转，以使HTS材料可被沉积在衬底116 的第二侧(如上侧116(b))上，而不石皮坏装置2的真空，从而显著 增加装置2和工艺的产量。在此实施例中，传送臂45可绕其长轴 ^走转以^更将^"底支撑^f牛110 /人一侧翻寿争到另 一侧。
图26示出了根据本发明优选方面使用的真空内电机122。真空 内电才几包括容纳在封闭压力容器122(b)内的电冲几122(a)。压力容器 122(b)有效地将电机与加热器腔室10内的真空条件隔离。驱动轴124通过真空馈通(未未示出)从压力容器122(b)的内部延伸到压 力容器122(b)的外部。压力管线122(c)被固定到压力容器122(b)并 且输送压力容器122(b)的围绕电才几122(a)的空间内部的压缩干燥空 气。压缩干燥空气带走电机122 (a)的热量。另一个管道122(d) 一皮连4妄至用于传输动力的压力容器122(b)以及才喿纟从电才几122 (a)所 需要的其他控制电线。
在另一实施例中，电机122可包括空气或气体驱动电机，该电 才几由压缩空气或气体源或其他空气或气体压力源提供动力。才几械 的、电的，甚至光学馈通可被用于电机122的速度控制。
图27示出了代表性的凸轮装置130,用来施加心轴杆和电机组 件120上的z-方向运动。凸4仑装置130包4舌具有多个用于与固定于 支撑板118的辊128相啮合的斜面132 ( a )和132 ( b )的凸轮132。 优选地，凸轮132由实心不锈钢板加工而成。第一斜面132(a)倾 斜a角，第二斜面132 (b)倾斜卩角。优选地，角(3大于角a。不 同的角度允许心轴杆和电机组件120z-方向的大致的和细微的粗调。 在替换结构中，凸4仑132可具有连续或半连续圆弧状(未示出)的 表面。
凸轮132通过致动器134在水平方向(图27中箭头B )上可 移动，该致动器通过々贵通线133净皮连4妻至凸4仑132。 4尤选i也，f丈动 器134位于加热器腔室IO外部，并包括穿过加热器腔室IO侧壁的 馈通线133。致动器134的运动优选地由计算机200 (见图34)或 樣丈处理器控制，其允许心轴112在沉积过程中实时动态运动。从这 个意义上说，可以使得保持衬底116的衬底支撑件110与下部加热 板104之间的间隙优化。
在装置2的操作过程中，当衬底支撑件110需要从下部加热板 104上一皮才是升或下降以〗更于装载或卸载以及将支撑件110与加热组件分离时，使用第二斜面132 (b)(即，具有更陡峭斜度的表面) 被。相反，为了允许衬底支撑件110的精细z-轴调节以便将衬底支 撑件IIO尽可能近地靠近于下部加热板104i殳置，而使用第一斜面 132 (a)(即，具有浅斜度的表面)，从而调节衬底支撑件110与下 部加热板104之间的间隙。为了制造所需的膜成分，应该仔细监测 并控制用来形成HTS薄膜的金属组分的蒸发率。虽然如已知的，为 了4吏用QCM和相关电子装置监测这种沉积工艺，在每次沉积运4亍 过后通常必须被更换这些晶体，这尤其是因为晶体所产生的信号由 于大量的沉积的材^l"和氧化物而趋向嘈杂。然而打开加热器腔室10 以便更换这些晶体是不便的，这是因为打开后必须清理大体积的加 热器腔室10并再次将其泵成真空。这不利地影响了装置的产量。 但是，具有独立监测器室60的本装置2允许在不干扰加热器腔室 10 (或其他室)的前提下进行沉积监测器64 (如QCM)的更换。
图28A、 28B、 29、 30、 31A、 31B和31C示出了监测器室60 的方面，其中QCM(或其他比率、流量或厚度监测器)可在载荷 锁定腔室70或在一皮不同泵压的壳体内回缩。载荷锁定腔室与真空 源68相连接以提供不同的泵压条件。本实施例的优点在于，无论 是在运行过程中或是在运行与运行之间，都允许QCM (或其他传 感器)的更换，而不会石皮坏真空和打开沉积腔室。另外，真空泵压 的载荷锁定腔室70使得QCM的氧气暴露最小化，氧气暴露会恶化 它们的比率监控能力。
图28A示出了连接至主沉积腔室(如加热器腔室10)的载荷 锁定腔室70。载荷锁定腔室70包括用于将沉积腔室的内部与载荷 锁定腔室70的内部相分离的阀72 (如闸门阀)。如图28A所示， 真空膜盒驱动机构73被用来将QCM (传感器64 )横向移进移出 沉积腔室。图28B示出了本发明的替换方面，其中，使用磁性连接 的传送臂机构74将QCM 64移进移出沉积腔室，该传送臂机构包括用来驱动磁性传送臂74b的可移动外部磁体74a。图29示出了通 过阀72在单个载荷锁定腔室70中可缩回的三个QCM。可替换地， 独立的载荷锁定力空室70可纟皮用于每一个QCM。
图30和图31A-C示出了一个实施例，其中载荷锁定腔室70延 伸进入沉积月空室10中，并^吏用真空源68净皮连续泵压以减少QCM 头附近的残余氧气量。例如，图30示出了载荷锁定腔室70，在该 腔室70的下侧具有狭槽或孔75,以使得被蒸发的组分可进入室70 并^皮沉积在QCM 64上。阀72将沉积腔室10的内部与载荷锁定腔 室70的内部相分离。多个QCM (如三个QCM)可^皮合并于一个 单独的载荷锁定腔室70中。
在替换实施例中，如图31A所示，阀72可设在载荷锁定腔室 70上，以4吏该阀72 #皮包含或处于沉积腔室10之内。可-l换地，阀 72可形成狭槽本身(如狭缝式阀(slit valve )),如图31B和31C所 示。通过打开狭缝式阀72，被蒸发的组分随后被暴露于QCM。
图31B和图31C的元件被合并于与用来连接装置2的监测器室 60的一个优选实施例中。该优选实施例如图32所示。监测器室60 包括在监测器室60内可滑动的前面板62。可滑动的前面板62允许 容易地才妄近设在导轨65上的一个或多个沉积监测器64。沉积监测 器64面向源腔室30向下瞄准，并优选地包括分配器等(未示出)， 该分配器将每一个监测器64指向源腔室30中的特别熔剂源。在本 发明的一个优选方面中，沉积监测器64是晶体石英监测器(QCM )。
沉积监测器64设在导轨65上以使当前面板62贴近在监测器 室60上时，沉积监测器64被设在位于监测器室60下侧上的狭缝 式阀66的上方。该狭缝式阀66打开/关闭通向容纳熔剂源的源腔室 30的通道。照这样，监测器室30通过狭缝式阀66相对于源腔室 30一皮载^^锁定。当狭缝式阀66打开时，沉积监测器64 ^皮暴露给蒸发的熔剂， 其从源腔室30上升到加热器腔室10中，因此可监控熔剂组分的沉 积速度。当狭缝式阀66关闭时，监测器室60可独立于其他腔室而 一皮通入空气，且4吏用滑动前面4反62 乂人监测器室60中移出沉积监测 器64。如此，可在不干扰真空系统其余部分的情况下冲企查和更换沉 积监测器64。
仍然参照图32,真空源68 (如真空泵)^皮连4妄至监测器室30, 并用于在装置2的操作过程中将监测器室30抽空。真空源优选为 高真空泵，如涡轮分子泵。
另外，如上所述，QCM会变得不可靠，尤其是在出现氧气和 氧化物时。在运行过程中如果QCM失效的话，则装置2允许在沉 积运4亍过程中更换QCM,而无需停止沉积程序。因此，大幅-提高 了 QCM失效情况下的运4亍效率和产量。另外，狭缝式阀66可在沉 积后、且加热器腔室10充入氧气前而被关闭，从而使得QCM与氧 气/氧化物之间的接触量最小化。
也可使用在加热器腔室10内部使用多个可转石英晶体的装置， 从而限制所需更换晶体的次数(该装置转到下个晶体上从而避免运 行与运4亍之间的抽空)。原子吸收冲支术也可^皮用来监测沉积工艺。 例如，用在原子吸收测量中的辐射光束可通过4立于加热器力空室10 (未示出)内的出入口或窗口而穿过加热器内的沉积流。
现在参照图33A和图33B，在装置2的一个方面中，两个传送 室40、 50被提供用来装载和卸载容纳衬底116的衬底支撑件110。 图33B示出了装载传送室40中的一个。^旦是，两个传送室40、 50 基本一才羊并以相同的方式才喿作。如图1所示，两个传送室40、 50 相互直接面对地定位于加热器腔室10的每一侧上。当然，传送室 40、 50可位于加热器腔室10的不同侧或同一侧上。加热器腔室IO壁中的狭槽允许^H"底支撑件iio出入加热器腔室io。加热器腔室
IO通过阀41 (如图1 )与两个传送室40、 50相隔离。
再参照图33B，在才喿作过程中，衬底支撑件110/人室温和室内 压力环境中取出，并使用位于传送室40顶部的门44将其》丈置在装 载传送室40中。当门44^皮关闭时，^f吏用真空源42 (在卸载传送室 50的情况中为52 )将传送室40抽成真空。衬底支撑件110设在包 括用以^呆持衬底支撑件110的多个叉47的可延伸传送臂45上。可 延伸传送臂45在图33B所示的箭头A方向上可移动。
设在传送室40 (未表示)底侧上的转动驱动器使用磁性连接提 供了传送臂45的水平位移。在这点上，机动化的部件被包含在传 送室40、 50的外部。通过将传送臂45》兹性连4妄至外转动驱动器， 不需要将驱动机构暴露于真空环境。
当传送室40 ^皮抽成真空后，连4妄传送室40与加热器腔室10 的阀41 (如图1所示)被打开，而通过启动转动驱动器而衬底支撑 件110延伸到加热器腔室10中。
对于卸载才喿作，在卸载传送室50中进行相反的程序。具体地， 传送臂45 ,人加热器腔室10中收回衬底支撑件110并将其缩入到传 送室50中。传送室50随后净皮通向空气或可4吏用浸润程序。门44 随后可纟皮打开，而4于底支撑件ll(M皮收回。
一种任选加热器(未示出)可^皮包含在传送室40中，用来在 引入到加热器腔室10中之前预热装有村底的衬底支撑件110。优选 地，4于底支撑件ll(M皮辐射加热。这种预加热可通过i殳在传送室40 上的加热灯、线圏或其4也加热器元ff完成。参照图1，装置2的源月空室30包4舌一个或多个蒸发源，如源 80a、 80b、 80c。源80a、勵、80c可包括装有源材料的坩埚81a、 81b、 81c、蒸发皿等。作为一个实例，钇(Y)可放在坩埚81a内， 而4同(Cu)可方文在:t计埚81b内。源才才泮+一皮方文在:t计埚81a、 81b、 81c
内或类似结构中，并净皮力口热到蒸发温度。例如，可4吏用电子才&( e-gun ) 组件等来加热源材料。作为另一个实例，在YBCO薄膜的情况中， 源材料可包含钡(Ba)。应该理解，源80 (如，80a、 80b、 80c )可 使用任意一种技术被蒸发，这些技术包括，但不局限于，电子束、 努森池、电阻皿、溅射、激光烧蚀等。
才妄下来描述一种^f吏用反应共同蒸发法沉积YBCO或其他氧化 膜的工艺。
首先，通过第一次通风加热器腔室10、打开加热器腔室门10 (a)、更换石英晶体、关闭加热器腔室门10(a)以及将加热器腔 室IO抽成真空条件而更换用来监测加热器腔室10内的全部熔剂的 石英晶体。
接下来，沉积监测器64 (如QCM )在监测器室60内被换掉。 其通过通风监测器室60、打开前面一反62、更换沉积监测器64、关 闭前面板62以及将沉积腔室64抽成真空条件而完成。
如有必要，源材料被装入坩埚81a、 81b、 81c(或其他源容器) 中。在此程序中，源腔室30净皮通向空气并净皮打开。另外的和/或更 换的源材料被装入一个或多个坩埚81a、 81b、 81c中。源腔室30
随后^皮关闭并^皮抽成真空。
通过首先将一个或多个衬底116装载到衬底支撑件110上而将 衬底116载入到装置2中。传送室40被通入空气且门44被打开。 装载后的衬底支撑件110随后祐L放置在传送臂45的叉47上。门44然后^皮关闭并且传送室4(H皮抽成真空。传送室40与加热器腔室10 之间的阀41被打开以供通向加热器腔室10。另夕卜，袋式加热器100 的加热帽部102由致动器103提升。容纳衬底支撑件110的传送臂 45随后^皮延伸到加热器腔室10中。
当衬底支撑件110中心地位于袋式加热器100的加热帽部102 下方时，心轴112在z-方向上被提升以啮合衬底支撑件110。通过 升起的心轴112将衬底支撑件110从传送臂的叉47上卸下。传送臂 45随后^^皮收回到传送室40中。阀41 #皮关闭，并且心轴112 ^皮下降 到所需高度，以在4于底支撑件110与下部加热板104之间形成间隙。
接下来，使用致动器103将袋式加热器100的上加热区101b、 101c降低到一定位置。随后启动衬底支撑件110的转动。朝向下部 加热板104降低衬底支撑件110，直到形成所需间隙。氧气流被引 进给反应袋，并且调节流速和间隙(即，衬底支撑件110与下部加 热板104之间的距离)以提供袋内的期望氧气压。加热线圈被激励， 将袋式加热器IOO提高到所需温度。源材料随后被蒸发。在这点上， 闸门阀36在加热器腔室10与源腔室30之间被打开。遮光器被插 入在衬底支撑件110与源腔室30之间以防止沉积在村底116上。位 于源腔室中介于源材料与闸门阀36之间的第二遮光器也被打开。 监测器室60中的狭缝式阀66净皮打开并且基于沉积监测器64作出 的测量结果而调节源材料的蒸发率。
一旦袋式加热器100处于所需温度且达到源材料的期望蒸发速 度，介于衬底支撑件110与源腔室30之间的遮光器就被打开以允 {午沉积在祷:转的4于底116上。
一旦达到所需的膜厚度，上述第一和第二遮光器就被关闭。在 两个遮光器被关闭后，加热器腔室10与源腔室30之间的闸门阀36 被关闭。加热器腔室10随后#1重新填满氧气。袋式加热器100的温度随后#1降4氐。坩埚81a、 81b、 81c^皮冷却。 一旦加热器腔室10 (或袋式加热器100)的温度足够低，通过致动器103使得袋式加 热器100的加热帽部102沿垂直方向上升。4吏用可移动的心4由112 /人下部加热^反104上4是升^H"底支撑件110。
在衬底支撑件110从下部加热板104上被提升的情况下，使用 补偿电路使得传送室(卸载)50中的压力与加热器腔室10中的压 力相等。阀41 一皮打开并且传送臂45延伸到加热器腔室10中。随 后使用凸轮装置130将衬底支撑件110下降到传送臂45的叉47上。 传送臂35 (和衬底支撑件110)随后^皮收回到传送室50中，而阀 41一皮关闭。当珅于底支撑4牛110冷却时，传送室50净皮通向空气。门 44可被打开，而容纳装有HTS薄膜衬底116的衬底支撑件110被 移出。
在本发明的一个优选方面中，上述装置2和过程通过计算才几 200被执行，所述计算机如图34(如，微处理器)，其装有能控制 并监控沉积过程的软件。计算机200有利地控制泵、加热器、阀、 传送臂、致动器、电机、凸轮装置、熔剂源等。另外，计算机200 可从装置2获取^t据，如，装置的各种室中的温度和压力。在具体 运4亍过程中为了能够监控沉积过程，计算才几200还乂人沉积腔室64 中接收数据。优选地，使用使得软件为用户满意的图形用户界面 (GUI)来执行软件。
虽然本发明可经受各种改变以及替换形式，但在图中示出并在 文中详细描述了具体示例。^旦应该理解，本发明不局限于7>开的具 体形式和方法，相反，本发明将覆盖落在所附权利要求的精神和范 围内的所有的+务改、等同和替换。
权利要求
1. 一种用于在容纳于衬底支撑件上的衬底上生长薄膜的加热器，所述加热器包括多个加热器元件，其中，容纳衬底的所述衬底支撑件至少部分地被多个加热器元件包围，并且其中，所述多个加热器元件中的至少两个相对于彼此可移动，以便于为衬底支撑件提供外部通道。
2. 根据权利要求1所述的加热器，其中，所述加热器包括顶部加 热器元件、侧部加热器元件、以及底部力口热器元件。
3. 根据权利要求1所述的加热器，其中，所述多个加热器元件中 的一个相对于固定的加热器元件是可移动的。
4. 4艮据权利要求3所述的加热器，其中，所述底部加热器元件包 才舌在其一部分中开口的窗口 。
5. 根据权利要求3所述的加热器，其中，所述底部加热器元件是 固定的，而所述顶部加热器元件和侧部加热器元件相对于底部 加热器元件是可移动的。
6. 4艮据4又利要求3所述的加热器，其中，所述顶部加热器元件和 侧部加热器元件是固定的，而所述底部加热器元件相对于顶部 力口热器元4牛和侧部力口热器元4牛是可移动的。
7. 根据权利要求1所述的加热器，其中，所述多个加热器元件中 的至少两个通过4交链连才妄。
8. 根据权利要求1所述的加热器，其中，所述衬底支撑件可支撑 在垂直定向的心轴上。
9. 根据权利要求8所述的加热器，其中，所述衬底支撑件被重力 地保持在所述心轴上。
10. 根据权利要求1所述的加热器，其中，所述心轴是可转动的。
11. 根据权利要求9所述的加热器，其中，所述村底支撑件在垂直 方向上是可移动的。
12. —种用于在衬底上生长薄膜的加热器，所述加热器包括加热器帽，所述加热器帽包括沿其周边具有侧壁的顶才反， 所述顶板和侧壁中都i殳有加热器元件；具有上表面和下表面的下部加热才反，所述下部加热才反的 一部分中i殳置有窗口 ，所述窗口乂人下部加热板的上表面通到下 表面，以及在下部加热板上表面的一部分中形成有凹槽袋；并 且其中，所述加热器帽与下部加热板沿垂直于下部加热板 上表面的方向相^J"于4皮此是可移动的。
13. 根据权利要求12所述的加热器，其中，所述下部加热板是固 定的，而所述力o热器帽相^j"于所述下部力o热纟反是可移动的。
14. 根据权利要求12所述的加热器，其中，所述加热器帽是固定 的，而所述下部加热纟反相对于所述加热器帽是可移动的。
15. 根据权利要求12所述的加热器，还包括用于使所述加热器帽 相^j"于所述下部加热一反移动的f丈动器。
16. —种用于在衬底上生长薄膜的加热器，所述加热器包括上加热区，包^"沿其周边具有侧壁的顶部元件，所述顶 部元件和侧壁中都i殳置有加热器元件；下加热区，其中i殳置有加热器元件；氧袋元件，具有上表面和下表面，氧袋元件的一部分中 i殳有窗口，所述窗口,人上表面通到下表面，并在所述氧袋元件 的上表面的 一部分中形成有凹槽袋，所述氧袋元件至少部分地 由上加热区和下加热区中的至少一个包围；并且其中，所述上加热区在垂直于氧袋元件上表面的方向上 是可移动的。
17. —种在加热器中卸载和装载衬底支撑件的方法，所述方法包括 以下步艰纟才是供具有多个加热器元件的加热器，其中，所述衬底支 撑件至少部分地由所述多个加热器元件包围，并且其中，所述为衬底支撑件提供外部通道；将所述多个加热器元件移动到卸载位置中； 将所述衬底支撑件从所述加热器中移除； 将第二衬底支撑件插入到所述加热器中；以及将多个加热器元件移动到装载位置中。
18. 才艮据冲又利要求17所述的方法，其中所述加热器"i殳置于真空室 内。
19. 根据权利要求17所述的方法，还包括在设置于所述衬底支撑 件的衬底上沉积薄膜的步骤。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述衬底支撑件的移除 和插入在真空条件下进行。
21. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个加热器元件中 的至少两个在垂直方向上相7于于4皮此是可移动的。
22. —种用于在衬底上沉积薄膜的方法，包括提供加热器腔室，所述加热器腔室中容纳有多个加热器 元件；提供容纳可延伸传送臂的装载传送室，所述装载传送室 通过阀^皮连4妾至加热器腔室；提供容纳源材料的源腔室；将容纳至少一个衬底的衬底支撑件装载到装栽传送室内 的可延伸传送臂上；使用连接至装载传送室的真空泵在装载传送室内形成真 空条件；打开所述加热器腔室与所述装载传送室之间的阀；将容纳至少 一个衬底的衬底支撑件延伸到加热器腔室 中，以使所述衬底支撑件至少部分地由所述多个加热器元件包 围；将容纳至少 一 个衬底的衬底支撑件从可延伸传送臂上移开；将所述可延伸传送臂收回到装载传送室中；以及蒸发源材料以便将源材料沉积在至少 一个衬底上。
23. 根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤提供容纳有可延伸传送臂的卸载传送室，所述卸载传送室通过阀被连接至加热器腔室；在加热器内移动所述村底支撑件；将所述可延伸传送臂延伸到加热器中且位于所述衬底支 撑件之下；将所述衬底支撑件移动到所述可延伸传送臂上；以及 将所述衬底支撑件收回到所述卸载传送室中。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述薄膜包含至少一种 稀土元素。
25. —种在袋式加热器中装载和卸载衬底支撑件的方法，所述包括 以下步骤提供具有加热器帽的袋式加热器，所述加热器帽包括圓 形顶部和围绕其周边的圆4主形侧壁；提供具有上表面和下表面的下部加热板，所述下部加热 板的一部分中i殳有窗口 ，所述窗口乂人所述下部加热一反的上表面 通到下表面，以及在所述下部加热板上表面的一部分中形成有 凹槽袋；提供用于保持多个衬底的第一可旋转衬底支撑件，所述 第一可旋转衬底支撑件介于所述下部加热板与所述加热器帽 之间；沿垂直于所述下部加热才反上表面的方向将所述加热器帽 移入到卸载位置，所述卸载位置i殳置得远离所述第 一可旋转衬 底支撑件；将第 一可旋转衬底支撑件从所述袋式加热器中移除；将第二可旋转衬底支撑件插入到所述袋式加热器中，所 述第二可旋转衬底支撑件介于所述加热器帽与所述下部加热才反之间；以及将所述加热器帽移动到邻近所述第二可旋转板设置的装 载位置中。
26. —种用于真空条件下转动衬底支撑件的电机组件，包括具有写区动轴的电才几；封闭压力容器，所述电机整体设在所述封闭压力容器的 内部空间内，以使所述驱动轴从所述封闭压力容器的内部空间 延伸到所述封闭压力容器外部；连接至所述封闭压力容器内部空间的压力管线；连接至所述压力管线的压缩气体源；并且其中，所述封闭压力容器被设置在真空环境中。
27. 根据权利要求26所述的电机组件，还包括连接在所述电机的 驱动轴与支撑所述衬底支撑件的心轴杆之间的皮带。
28. 根据权利要求26所述的电才几组件，还包括连接至所述封闭压 力容器的管道。
29. —种用于执行反应共同蒸发的装置，包括容纳加热器的加热器爿空室；容纳源支架的源腔室，所述源腔室通过阀#1连4妾至所述 加热器腔室；容纳可延伸传送臂的传送室，所述传送室通过阀纟皮连4妾 至所述加热器腔室，所述可延伸传送臂通过阀可移进和移出所述加热器3空室；其中，所述加热器月空室、源月空室和传送室^皮连4妾至真空源。
30. 根据权利要求29所述的装置，其中，所述源材料包括至少一 种稀土元素。
31. 根据权利要求29所述的装置，还包括容纳至少一个沉积监测 器的监测器室，所述监测器室容纳至少一个通过阀一皮连接至所 述加热器力空室的沉积监测器。
32. 根据权利要求29所述的装置，其中，所述加热器腔室、源腔 室和传送室中的每一个都纟皮连4妄至单独的真空源。
33. 根据权利要求29所述的装置，还包括容纳可延伸传送臂的第 二传送室，所述第二传送室通过阀被连接至所述加热器腔室， 所述可延伸传送臂通过阀可移进和移出所述加热器腔室。
34. 4艮据冲又利要求33所述的装置，其中，第一和第二传送室的可 延伸传送臂中的一个包括输入传送臂，而所述第 一和第二传送 室中的另 一个所述可延伸传送臂包括输出传送臂。
35. 根据权利要求31所述的装置，其中，所述至少一个沉积监测 器包括石英晶体监测器。
36. —种用于在容纳于衬底支撑件上的衬底上生长薄膜的装置，包 括具有多个加热器元件的加热器，所述^H"底支撑件至少部 分地被所述多个加热器元件包围；以及包含转动的心轴的z-调节组件，所述转动的心轴通过一 个加热器元件中的孔突出，其中，所述转动的心轴在z-方向 上可移动以便选择性地啮合所述衬底支撑件。
37. 根据权利要求36所述的装置，其中 才几才成连4妾至所述心轴的电才几； 辊；以及与所述辊啮合的斜凸轮，其中， 的移动l!武予所述專争动的心轴、电机、所述z-调节组件包括所述杀+凸4仑沿水平方向 禾口寿昆沿z-方向的移动。
38. 根据权利要求37所述的装置，其中，所述斜凸轮包括至少两个斜面。
39. —种用于执行反应共同蒸发的装置，包括容纳加热器的加热器力空室；容纳源的源腔室，所述源腔室通过阀被连接至加热器腔室；容纳至少 一个沉积监测器的监测器室，所述监测器室通 过阀被连接至容纳加热器的加热器腔室。
40. 4艮据权利要求39所述的装置，其中，所述至少一个沉积监测 器包括石英晶体监测器。
41. 4艮据;f又利要求39所述的装置，其中，容纳至少一个沉积监测 器的所述监测器室被连接至一个与连接至所述加热器腔室的 真空源相分离的真空源。
42. —种设备，包括沉积腔室；通过阀连接至沉积腔室的监测器室，所述监测器室被连 4妄至真空源；至少一个沉积监测器，在所述沉积腔室与所述监测器室 之间可移动。
43. —种i殳备，包括沉积"空室；通过阀连^妄至所述沉积腔室的监测器室，所述监测器室 净皮连4妄至第一真空源，而所述沉积腔室#1连4#至第二真空源；容纳在所述监测器室内的至少一个沉积监测器；以及阀，所述阀将所述监测器室的内部与所述沉积腔室隔开。
全文摘要
一种用于在容纳于衬底支撑件上的衬底上生长薄膜的加热器包括多个加热器元件。容纳衬底的衬底支撑件至少部分地由多个加热器元件包围。多个加热器元件中的至少两个相对于彼此可移动，以便为衬底支撑件提供外部通道。氧袋形成在一个加热器元件中或单独的氧袋元件上，并被用于薄膜在衬底上的氧化。
文档编号C23C16/458GK101512041SQ200680045224
公开日2009年8月19日 申请日期2006年11月22日 优先权日2005年12月2日
发明者布赖恩·默克利, 库尔特·冯德松内克, 沃德·鲁比 申请人:超导技术公司