一种解决高温下衬底原子蒸发影响平整度的方案及类似装置制造方法
【专利摘要】本发明属于薄膜制备领域，更确切地说涉及高温下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热反射装置B来反射衬底表面蒸发的材料(4)、(5)，实时补偿其衬底表面材料的流失；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案及类似装
【技术领域】:
[0001]本发明涉及薄膜制备领域，更确切地说涉及高温下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]21世纪，由于电子信息、生物技术、能源环境、国防等工业的快速发展，对各种材料的性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小，航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此，新材料的研究和创新已经是目前科学研究的重要课题和发展基础。其中由于高纯度的薄膜材料(如石墨烯、六角氮化硼等)具有特殊的物理和化学性能，以及由此产生的特殊的应用价值，迅速成为科学研究的热点。
[0003]为了得到高纯度的薄膜材料，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薄膜材料的新技术。
[0004]CVD是Chemical Vapor Deposit1n的简称，是一种基于化学反应的薄膜淀积方法。此方法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。
[0005]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。如说明书附图1为一种分子束外延掺杂模型，其中F为入射分子束，Fd为入射掺杂分子束。
[0006]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。
[0007]
【发明内容】
:针对以上提到的问题，提出本发明。
[0008]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；并构建一种类似的加热装置，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。[0009]本发明涉及的解决方案为:对应薄膜生长时，在衬底反方向安置一高温热源，衬底表面蒸发的原子遇到此反射源后，首先沉积，随后在高温下又被热源蒸发，类似一个反射过程，衬底原子实时补给回衬底；衬底的表面原子蒸发与补给达到动态平衡时，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。
[0010]本发明涉及的类似加热装置包含: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；一个与之相对的热反射源，其材料不需与衬底相同，只需在高温下将衬底蒸发的原子反射补偿给衬底即可。同时，装置或许还需要至少两组支撑、固定器件，以实现将上述加热炉和热反射源连接在外部设备(如真空腔室)中完成薄膜生长的目的。
[0011]本发明的主要特点在于:
[0012]1.通过在衬底反方向安置一高温热反射装置，使衬底表面蒸发的原子被热源反射，实时补给到衬底，使衬底表面原子蒸发与吸收达到动态平衡；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高温反射装置B来反射衬底表面蒸发的材料(4)、(5)，实时补偿其衬底表面材料的流失。
[0013]2.说明I中所述的加热装置A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。
[0014]3.说明I中所述的热反射装置B可以为: 任何形式的加热装置，只需将衬底(2)表面流失的原子向回反射，并且不会造成对衬底的污染即可。
[0015]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。
[0016]5.说明I中所述的薄膜(3)可以为任意薄膜材料，例如硅、石墨烯、六角氮化硼等。
【专利附图】
【附图说明】:
[0017]图1.一种分子束外延掺杂模型，其中F为入射分子束，Fd为入射掺杂分子束。
[0018]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。
[0019]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为可将样品悬挂加热的加热炉为热反射装置；(I)为加热装置；(2)为衬底；(3)为薄膜；(4)为高温下蒸发流失的衬底表面材料；(5)为被热反射源反射回的衬底表面材料。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0021]实例一:参照图3。
[0022]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。
[0023]在薄膜生长的过程中利用高温热反射装置B来反射高温下因蒸发流失的衬底表面材料(4)。高温热反射源B可以与加热炉A具有相同结构，其表面材料不会因为受热蒸发对衬底(2)造成污染，并且不会吸附所蒸发出衬底材料(4)。只需达到将衬底(2)表面流失的原子向回反射的作用即可。由于材料表层原子脱离表面的概率是其温度的函数，如果反射源温度满足上述条件，正好可以通过反射补偿衬底在此温度下损失的表面原子，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高温反射装置，衬底表面蒸发的原子遇到此高温装置后，在高温下又被热源蒸发，类似一个反射过程，衬底原子实时补给回衬底；衬底的表面原子蒸发与补给达到动态平衡时，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。
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、高温反射装置；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高温反射装置来反射衬底表面因蒸发所的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，例如:电阻加热源，电子束轰击源。
4.根据权利要求2所述的高温反射装置B，其特点在于:可以为任何形式的高温源，只需将衬底表面流失的原子向回反射、并且不会对衬底造成污染即可。
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: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)、娃(Si)、碳化硅(SiC)中的一种或任意两种及 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，例如:娃、石墨烯、六角氮化硼类薄膜材料。
【文档编号】C23C16/448GK104032282SQ201310090237
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月10日 优先权日:2013年3月10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