一种解决高温下衬底原子蒸发影响平整度的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明属于薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在衬底上进行沉积或喷镀等方法进行薄膜制备的领域以及类似装置。本发明的内容是提供一种解决高温下衬底原子流失影响平整度的设计方案；本发明利用加热装置(1)来加热衬底(2)至薄膜(3)生长所需的温度，在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源(4)来蒸发同衬底相同材料以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料(5)，从而有效避免衬底在高温下的蒸发造成的成膜形貌缺陷，可以生长出平整的、高质量的薄膜材料。
【专利说明】一种解决高温下衬底原子蒸发影响平整度的方法及装置
【技术领域】:
[0001]本发明涉及薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在衬底上进行沉积或喷镀等方法进行薄膜制备的领域以及类似装置。
【背景技术】:
[0002]现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料或薄膜材料，如石墨烯、六角氮化硼等。一般来讲，为了达到所需的性能，这些功能材料必须是高纯的。而为了得到高纯度的产品，科学界、工艺界也发明了很多制备方法。其中，化学气相淀积法(CVD)、分子束外延生长法(MBE)等都是近几十年发展起来的制备高纯度材料的新技术。
[0003]CVD是Chemical Vapor Deposition的简称，是一种基于化学反应的薄膜淀积方法。如说明书附图1所示，CVD以气体形式提供的反应物质，如制备石墨烯一般使用的甲烷、乙炔等；衬底置于反应室中，在热能、等离子体或者紫外光等的作用下，气体反应物在衬底表面经化学反应(分解或合成)形成固体物质的淀积，即得到薄膜材料。
[0004]分子束外延(MBE)是50年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的。其方法是将衬底放置在超高真空腔体中，和需要生长的薄膜材料按元素的不同分别放在喷射炉中，分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶结构或薄膜材料。
[0005]目前来讲，制备石墨烯、六角氮化硼等新型材料所用的衬底通常为铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Pt)等。对于这些衬底来讲，在制备过程中都存在一种缺陷，即:当反应炉或喷射炉内温度达到化学反应所需温度(几百度甚至更高)的时候，衬底的原子表面会发生蒸发现象，造成衬底表面平整度变差，进而影响到成膜形貌、质量。如说明书附图2:A图为金属衬底示意图，衬底的表面应该是平滑的；在高温反应时，成膜材料会在衬底沉积，理想情况下形成均匀平整的薄膜材料，如示意图B ;但实际中，衬底材料会在高温下发生原子表面蒸发造成流失，随着时间推移，越晚沉积的部位衬底原子流失越厉害，形成如示意图C所示的形貌缺陷。
【发明内容】
:
[0006]针对以上提到的问题，提出本发明。
[0007]本发明的内容是提供一种解决高温下衬底原子流失影响平整度的设计方案；并构建一种处理用加热装置，此装置可以在薄膜生长中实时补偿蒸发的衬底原子，可有效避免衬底在高温下的蒸发造成的成膜形貌缺陷，可以生长出平整的、高质量的薄膜材料。
[0008]本发明方案设计，对应薄膜生长时的温度和相应的衬底，对蒸发的衬底表面原子进行实时的补充，使衬底的表面原子蒸发与补给达到动态平衡，衬底的平整度得到完好的保存，在平整的衬底上生成的薄膜材料可以保持良好的形貌，达到高质量的成膜产品。
[0009]本发明涉及的基于上述方案构建的加热装置又包含:一个加热炉，此加热炉可将样品(即衬底)加热至薄膜生长所需的温度；一个与其相对的蒸发源，其蒸发材料与衬底材料相同，形成上层衬底的原子补偿源；同时，装置或许还需要至少两组支撑、固定器件，以实现将两组加热炉连接在外部设备(如真空腔室)中完成薄膜生长的目的。
[0010]本发明的主要特点在于:
[0011]1.通过在衬底反方向安置与衬底同材料蒸发源，来补偿由于高温造成的衬底表面原子流失，使衬底表面原子蒸发与吸收达到动态平衡；此时衬底的表面平整度可以在生长过程中保持平整，可有效避免衬底在高温下的蒸发造成的镀膜形貌缺陷，可以生长出平整的、高质量薄膜材料。本发明利用加热装置(I)来加热衬底(2)至薄膜(3)生长所需的温度，在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源(4)来蒸发同衬底相同材料以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料(5)。
[0012]2.说明I中所述的加热装置(I)可以为:电阻加热源，电子束轰击源，等任何将衬底加热至薄膜生长所需要温度的加热装置。
[0013]3. 说明I中所述的蒸发源(4)可以为:任何形式的蒸镀源，包含但不仅限于:热蒸发源，电子束轰击源，磁控溅射源。
[0014]4.说明I中所述的衬底(2)包含但不仅限于:铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钥(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)、钨(W)、硅(Si)、碳化硅(SiC)中的一种或任意两种以上的组合。
[0015]5.说明I中所述的薄膜(3)可以为任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼等。
【专利附图】
【附图说明】:
[0016]图1.化学气相沉积(CVD)工艺制作石墨烯的原理示意图。
[0017]图2.衬底的各种状态示意图。其中A为平滑的原子表面金属衬底示意图；B为理想情况下，在平滑衬底上沉积形成的均匀平整的薄膜材料示意图；C为衬底在高温下发生原子表面蒸发，形成具有形貌缺陷的薄膜示意图。
[0018]图3.解决高温下衬底原子表面蒸发装置的设计示意图。其中A为倒置的、可将样品悬挂加热的加热炉；B为正置的样品加热炉；(I)为加热装置；(2)为衬底；(3)为薄膜；
(4)为补偿蒸发源；(5)蒸发流失的衬底表面材料。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0020]实例一:参照图3。
[0021]利用加热装置⑴来加热衬底(2)至薄膜(3)生长所需的温度。衬底(2)包含但不仅限于:铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钥(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)、钨(W)、硅(Si)、碳化硅(SiC)中的一种或任意两种以上的组合。
[0022]在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源(4)来蒸发同衬底相同材料以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料(5)。蒸发源(4)可以为但不仅限于一与
(I)相同的但相对的加热装置，将一块和衬底(2)相同的材料加热至同衬底(2)相同温度。由于材料表层原子脱离表面的概率是其温度的函数，这样此补偿源正好可以补偿衬底在此温度下损失的表面原子。从而有效地避免衬底在高温下的蒸发造成的镀膜形貌缺陷，可以生长出平整的、 高质量薄膜材料。
【权利要求】
1.一种解决高温下衬底原子流失影响平整度的设计方案，其设计原理在于:在薄膜生长的过程中，通过在衬底反方向安置与衬底同材料蒸发源，来补偿由于高温造成的衬底表面原子流失，使衬底表面原子蒸发与吸收达到动态平衡；此时衬底的表面平整度可以在生长过程中保持平整，可有效避免衬底在高温下的蒸发造成的镀膜形貌缺陷，可以生长出平整的、高质量薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的设计方案，构建一种系统，系统包括:加热装置、补偿蒸发源；利用加热装置来加热衬底至薄膜生长所需的温度，在薄膜生长的过程中利用补偿蒸发源来蒸发同衬底相同的材料，以补偿其在薄膜生长过程中因为热蒸发所流失的衬底表面材料。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其特点在于:任何将衬底加热至薄膜生长所需温度的加热装置； 包含但不仅限于:电阻加热源，电子束轰击源。
4.根据权利要求2所述的补偿蒸发源，包含但不仅限于:热蒸发源，电子束轰击源，磁控溅射源。
5.根据权利要求1所述的衬底，其特性在于:在薄膜生长条件下会产生蒸发或表面原子流失，此类衬底包含但不仅限于:铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钥(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)、钨(W)、硅(Si)、碳化硅(SiC)中的一种或任意两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的生长的薄膜，其特性在于:可以为任意薄膜材料，包括但不仅限于石墨烯、六角氮化硼类薄膜材料。
【文档编号】C23C16/46GK103966551SQ201310041952
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月27日 优先权日:2013年1月27日
【发明者】董国材 申请人:常州碳维纳米科技有限公司, 江南石墨烯研究院