一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚和具有该坩埚的源炉的制作方法

本发明涉及薄膜生长技术领域，更具体地说，涉及一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚和具有该坩埚的源炉。

背景技术：

环境、能源、生命和新材料是当前人类面临的四大课题，其中对新材料的研究要求能够对原子进行操控，而薄膜技术则是对原子进行操控的关键切入点。薄膜技术的代表性手段是分子束外延薄膜生长，通过把热源蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上而生成薄膜。这种技术的发展是可实现电子器件工艺越来越高的要求，即能够实现对掺杂分布可以精确控制的趋薄层平面结构。利用分子束外延技术(mbe)，可以重复地生长厚度只有4埃的超薄外延层，且外延层之间的分界面可以精确地控制生长。

分子束外延薄膜生长技术是目前新材料开发的先进手段之一，其生成薄膜不是蒸发物的简单堆积，而是要求蒸发物的原子按事先约定的秩序，以原子精度在基板上进行外延生长。其代表性应用是量子阱和量子点等纳米构造体的生长，量子阱已经被用于制作半导体激光、人工智能材料和大容量存储器件；量子点被应用于单电子三极管。原子级别的薄膜生长和新材料开发，需要高性能的分子束外延蒸发源。因此控制分子束的稳定性，对生长高质量的材料至关重要。

分子束外延生长具体的实现方式就是将要生长的材料，按元素的不同将高纯度单质金属源材料分别放在不同的喷射源的坩埚里，然后在外加电阻丝的作用下，加热到相应温度，此时在坩埚内，各元素达到较高蒸汽压，就会喷射出分子流，喷射而出的分子或者原子按照挡板控制的次序和数量到达衬底表面后，就会吸附在衬底表面，然后经过迁移、再排列等，最后在适当的位置停留，逐层形成外延薄膜。但是，在实际生产和研究的过程中，坩埚中通常不能达到饱和蒸汽压，蒸发速率与蒸发源材料表面积成比例，薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流稳定性有明显的影响，从而限制了薄膜生长的控制精度与所制备薄膜的质量。电子技术的不断发展对薄膜制备精度也提出了更高的要求，促使人们对蒸发源束流稳定性展开了积极的探索，因此急需改进坩埚设计以进一步提高蒸发束流的稳定性。

经检索，发明创造的名称为：新型分体式碳碳坩埚(申请号：201410566140.5，申请日：2014-10-21)，其采用分体式碳碳坩埚结构，埚帮上部和埚帮中部均采用碳碳材质，埚底采用石墨材质，分体式结构主要是为了方便操作人员拆除石英坩埚，减小操作人员的劳动强度，节约拆炉时间，提高生产效率和降低生产成本，但是本申请案不能应用于分子束外延薄膜生成技术。

此外，发明创造的名称为：一种低温真空蒸发源(申请号：201720550756.2申请日：2017-05-17)，包括：加热系统、冷却系统、测温系统、控制系统、连接组件；该装置中电极通电对加热系统的灯丝加热，实现对碱金属和有机化合物的蒸发；测温系统的热电偶通过电偶丝传导检测实时蒸发温度，冷却系统的进水管通入冷却水，达到低温蒸发的效果；坩埚口上面的旋转挡板可通过手动杆调节控制蒸发出的物质是否对基体镀膜；但并没有解决蒸发束流稳定性的问题。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服薄膜制备技术中，蒸发源材料表面形貌变化容易导致束流不稳定的不足，提供了一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚和具有该坩埚的源炉；

其中提供的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚，通过设置可拆卸小孔限流装置保证坩埚装料区域达到稳定的饱和蒸汽压，克服薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流的影响，大幅提高束流稳定性，进而能制备更高质量的薄膜；

其中提供的一种提高蒸发束流稳定性的源炉，通过控制坩埚装料区域的饱和蒸汽压，克服薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流的影响，使得蒸发速率完全依赖于可以稳定控制的温度，大幅提高束流稳定性，进而能制备更高质量的薄膜。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚，坩埚从上至下依次设置有坩埚上部和坩埚下部，所述的坩埚上部通过支撑台连接坩埚下部，所述的支撑台上设置有活动限流组件，活动限流组件上设置有限流孔，限流孔垂直于活动限流组件的表面。

优选地，所述支撑台的上表面直径为d1，支撑台的下表面半径为d2，d1＞d2，所述的活动限流组件活动设置在支撑台的上表面。

优选地，所述的活动限流组件的材质为热压氮化硼，氧化铝或钨。

优选地，所述的限流孔的直径为dr，支撑台下表面的半径为d2，10dr＜d2。

优选地，所述的限流孔均匀分布在活动限流组件上，所述的限流孔设置为1个，限流孔设置在活动限流组件的圆心处；或者限流孔设置为多个，限流孔沿活动限流组件均匀的设置在圆心周围。

优选地，所述的坩埚上部和坩埚下部为直筒结构，坩埚上部的直径为d1，坩埚下部的直径为d2，d1＞d2。

本发明的一种提高蒸发束流稳定性的源炉，包括坩埚、蒸发源和加热单元，所述的坩埚设置于蒸发源内，坩埚的外部设置有加热单元，该加热单元用于对坩埚进行加热，所述坩埚为权利要求1-5任一项所述的坩埚。

优选地，坩埚上设置有支撑台，支撑台上设置有活动限流组件。

优选地，坩埚的开口方向上设置有束流挡板。

优选地，所述蒸发源包括保护外罩和固定基座，保护外罩内设置有容纳腔，所述固定基座设置于容纳腔的底部，该固定基座用于固定坩埚下部。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚，创造性的在埚帮中部上设置活动限流组件，通过活动限流组件上的限流孔保证坩埚装料区域达到稳定的饱和蒸汽压，克服现有薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流的影响，使得蒸发速率完全依赖于可以稳定控制的温度，大幅提高束流稳定性以制备更高质量的薄膜；

(2)本发明的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚，支撑台上表面的直径为d1，支撑台下表面的半径为d2，且d1＞d2，用于支撑活动限流组件，进行外延薄膜的制备时，将活动限流组件放置在支撑台的上表面即可，方便蒸发源材料的添加和坩埚的清洁；

(3)本发明的一种提高蒸发束流稳定性的源炉，减小束流挡板开启或者关闭对束流稳定性的影响，更加稳定控制束流以制备更高质量的薄膜，满足了现代电子器件发展对薄膜技术提出的更高要求。

附图说明

图1为本发明的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚的整体结构示意图；

图2为活动限流组件的整体结构示意图；

图3为实施例1的支撑台的结构示意图；

图4为实施例1的限流孔的结构示意图；

图5为本发明的一种提高蒸发束流稳定性的源炉的整体结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、坩埚；110、坩埚上部；120、坩埚下部；130、支撑台；

200、活动限流组件；210、限流孔；

300、蒸发源；310、保护外罩；311、容纳腔；320、固定基座；321、测温元件；322、基座定位筒；

400、加热单元；

500、束流挡板。

具体实施方式

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种利用饱和蒸汽压提高蒸发束流稳定性的组合坩埚，坩埚100从上至下依次设置有坩埚上部110和坩埚下部120；所述的坩埚上部110通过支撑台130连接坩埚下部120，所述的支撑台130上设置有活动限流组件200，活动限流组件200和支撑台130接触的部位设置有卡口，活动限流组件200上设置有限流孔210，限流孔210垂直于活动限流组件200的表面，通过调节卡口的方向进而调节束流的出射角度。本发明基于降低热辐射理论提高束流的稳定性，创造性地在坩埚100内部安装活动限流组件200，通过在活动限流组件200上开设限流孔210，确保坩埚100的内部实现巨大的蒸汽压差，进而提高蒸发束流的稳定性，制备更高质量的薄膜。

如图3所示，本发明的支撑台130的上表面直径为d1，支撑台130的下表面半径为d2，d1＞d2，坩埚上部110和坩埚下部120为直筒结构，坩埚上部110的直径d1等于支撑台130的上表面直径d1，坩埚下部120的直径d2等于支撑台130的下表面半径d2，d1＞d2，支撑台130用于支撑活动限流组件200。制备薄膜的过程中，薄膜生长时的饱和蒸汽压相对于大气压来说很小，将活动限流组件200放置在支撑台130的上表面即可，简化活动限流组件200的拆卸步骤，方便蒸发源材料的添加和坩埚100的清洁。而现有的分子束外延技术中，所使用的坩埚上部的直径和坩埚下部的直径相等，本发明为解决如何制备更高质量的薄膜提供了一种不同构思的技术方案。

分子束外延生长薄膜材料是一种非平衡态生长，生长过程主要由分子束流和晶体表面反应动力学控制，分子束流控制对生长的影响很大，即分子束流控制的准确程度，决定了生长薄膜的质量即原子排列秩序。而在薄膜的生长过程中，分子束流与材料源的温度严格对应，其中平衡蒸汽压是影响分子束流的重要因素之一，其理论依据为：通过加热蒸发材料使原子或分子从处于液相或固相的表面释放出来，则相应于垂直表面的速度分量的动能必须大于原子或分子间相互吸引所具有的束缚势能。动能取决于分子的热运动，因此，提高加热温度可以增加释放粒子的数目。蒸发速率与蒸发粒子数成正比。然而，蒸发过程是以消耗物体的内能为代价的，为了不使物体温度降低，必须补充热能；此外，由于液态或固态转变为气态的过程中出现体积膨胀，在蒸发过程中额外做功。

值得说明的是，生长过程中蒸发源材料表面形貌的变化对分子束流的稳定性将会产生较大的影响，从而影响薄膜及其器件的品质与电学性质。随着蒸发源材料的消耗，若蒸发源材料表面凹凸不平，则蒸发源材料的表面积将发生变化，可以造成分子束流1％量级的变化甚至于更大的变化，对杂质与化学计量比等因素特别敏感的物理性质产生直接的影响，并直接影响薄膜的质量。而现有技术中使用的敞口坩埚中，源材料蒸发出来的离子直接离开表面，没有达到动态平衡。

本发明创造性的提出采用小孔限流装置的组合坩埚设计来稳定分子束流，进一步地，在活动限流组件200上开设限流孔210，活动限流组件200的直径为d200，活动限流组件200上开设的限流孔210的直径为dr，10dr＜d2(如图4所示)。限流孔210均匀分布在活动限流组件200上，限流孔210可以设置在活动限流组件200的圆心，或者沿活动限流组件200的圆心对称分布。

一方面，活动限流组件200为坩埚下部120营造了一个相对封闭的空间，饱和蒸汽压指的是气相和固相或气相与液相之间达到动态平衡时气相的气压，通常在密闭的空间中才能实现，保证坩埚装料区域达到稳定的饱和蒸汽压，克服现有薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流的影响，使得蒸发速率完全依赖于可以稳定控制的温度，大幅提高束流稳定性以制备更高质量的薄膜；另一方面，限流孔210的直径远小于坩埚下部120的直径，实现挡片分割的坩埚100上下区域实现巨大的蒸汽压差，确保下端达到饱和蒸汽压，克服现有薄膜生长过程中蒸发源材料表面形貌变化对束流的影响，使得蒸发速率完全依赖于可以稳定控制的温度，大幅提高束流稳定性以制备更高质量的薄膜，满足了现代电子器件发展对薄膜技术提出的更高要求。

进一步地，活动限流组件200的材质与坩埚100的材质相同，活动限流组件200的材质可以为热压氮化硼，氧化铝或钨，该种材质表面光滑，致密性好，能够在超高真空下工作，其物理化学性能稳定，与蒸发源材料不发生反应。

实施例2

如图5所示，本实施例的一种提高蒸发束流稳定性的源炉，包括坩埚100、蒸发源300和加热单元400，所述的坩埚100设置于蒸发源300内，坩埚100的外部设置有加热单元400，该加热单元400用于对坩埚100进行加热，加热单元400为加电阻丝，所述坩埚100为实施例1所述的坩埚100。坩埚100的开口方向上设置有束流挡板500(如图3所示)。本发明通过交替开启和关闭坩埚100顶端的束流挡板500来精确控制薄膜的逐层生长，而蒸发源材料表面形貌的变化会影响束流稳定性，从而影响薄膜及其器件的品质与电学性质。本发明通过改进mbe技术中的坩埚100，使用全新的技术方案获得更稳定的温度及束流控制，进而避免束流挡板500打开或者关闭对温度稳定性的影响，从而提高薄膜的质量。

进一步地，蒸发源300包括保护外罩310和固定基座320，保护外罩310内设置有容纳腔311，所述固定基座320设置于容纳腔311的底部，该固定基座320用于固定坩埚下部120。该容纳腔311用于容纳坩埚100，容纳腔311的内径大于坩埚100的外径，即坩埚100外壁不与容纳腔311接触；固定基座320上设置有测温元件321，测温元件321用于检测坩埚100的温度，从而时时检测坩埚100的温度，且固定基座320上设置有基座定位筒322，该基座定位筒322用于与坩埚100底部相配合，且基座定位筒322的外径小于容纳腔311的内径，基座定位筒322不与容纳腔311内壁接触。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、(例如各个实施例之间的)组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。