热蒸发坩埚和热蒸发装置的制作方法

[0001]
本发明涉及热蒸发技术领域，特别是涉及一种热蒸发坩埚和热蒸发装置。


背景技术：

[0002]
热蒸发源常用于分子束外延生长设备中，其原理是将金属加热丝(如钽丝或钨丝)通电加热，利用热辐射的方式加热坩埚(如金属坩埚或陶瓷坩埚)。坩埚中的材料受热蒸发，在衬底上沉积，实现外延薄膜的生长。热蒸发源的稳定性和效率很大程度上决定着分子束外延生长薄膜材料的质量和效率。
[0003]
现有的热蒸发坩埚大多采用金属加热丝与坩埚分离的设计，为了保护金属加热丝不受蒸发材料的沉积而影响使用效率，通常需要在金属加热丝之外加一层pbn或者陶瓷隔环保护和固定。上述热蒸发坩埚热损耗大，热蒸发效率相对较低，需要更高的蒸发功率。


技术实现要素：

[0004]
基于此，有必要针对上述问题，提供一种热蒸发坩埚和热蒸发装置，该热蒸发坩埚可减少热损耗，提高热蒸发效率。
[0005]
本申请提出一种热蒸发坩埚，包括：
[0006]
绝缘坩埚本体，所述绝缘坩埚本体呈一端敞口一端封闭的筒状，所述绝缘坩埚本体的侧壁沿周向间隔设有多个穿线孔，各所述穿线孔均沿所述绝缘坩埚本体的轴向延伸并贯穿所述绝缘坩埚本体的两端；以及
[0007]
加热丝，所述加热丝依次迂回穿过各所述穿线孔。
[0008]
上述的热蒸发坩埚通过在绝缘坩埚本体的侧壁内开设有多个沿轴向贯穿的穿线孔，将加热丝依次迂回穿过各穿线孔，最终使得加热丝能够呈折回状固定于绝缘坩埚本体的侧壁内，当加热丝通电后能够对绝缘坩埚本体进行加热，进而产生的热量能够对绝缘坩埚本体内的蒸镀材料进行辐射加热。由于加热丝穿置于穿线孔内，绝缘坩埚本体本身就能够对加热丝进行保护固定，以将加热丝与蒸镀材料隔离开，如此，不仅能够避免加热丝被损坏，且无需再在加热丝外围额外增加pbn材料或者陶瓷隔环进行保护，可有效减少热损耗，提升热蒸发效率。
[0009]
在其中一个实施例中，多个所述穿线孔沿所述绝缘坩埚本体的周向间隔且均匀排布，各所述穿线孔的轴线相互平行。
[0010]
在其中一个实施例中，所述绝缘坩埚本体的封闭端的外周设有第一凸缘，所述第一凸缘间隔设有两个第一固定孔，各所述第一固定孔分别用于固定一根导电丝，所述加热丝的两端均从所述绝缘坩埚本体的封闭端穿出，所述加热丝的两端分别用于与其中一根所述导电丝连接。
[0011]
在其中一个实施例中，所述绝缘坩埚本体的敞口端的外周设有第二凸缘，所述第二凸缘设有第二固定孔，所述第二固定孔用于固定连接杆。
[0012]
在其中一个实施例中，所述绝缘坩埚本体采用陶瓷材质制成。
[0013]
本申请还提出一种热蒸发装置，包括屏蔽罩、导电丝及如上所述的热蒸发坩埚，所述热蒸发坩埚安装于所述屏蔽罩内，所述热蒸发坩埚的加热丝的两端分别连接有一根所述导电丝。
[0014]
在其中一个实施例中，所述屏蔽罩包括内环壁和外环壁，所述外环壁间隔围设于所述内环壁的外围，所述外环壁与所述内环壁之间形成供冷却液通过的冷却通道。
[0015]
在其中一个实施例中，所述热蒸发装置还包括连接于所述屏蔽罩顶端的端板，所述端板与所述热蒸发坩埚间隔设置并通过连接杆连接，所述端板设有与所述热蒸发坩埚的敞口对应的开口。
[0016]
在其中一个实施例中，所述端板和所述连接杆均采用钼材质制成。
[0017]
在其中一个实施例中，所述热蒸发装置还包括安装法兰，所述屏蔽罩与所述安装法兰连接，所述安装法兰用于固定在真空腔体内。
附图说明
[0018]
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1为本发明一实施例的热蒸发坩埚的结构示意图(图中加热丝未示出)；
[0021]
图2为热蒸发坩埚的剖面结构示意图；
[0022]
图3为本发明一实施例的热蒸发装置的剖面结构示意图。
[0023]
10、热蒸发坩埚；11、绝缘坩埚本体；111、穿线孔；12、加热丝；13、第一凸缘；131、第一固定孔；14、第二凸缘；141、第二固定孔；20、屏蔽罩；201、连接孔；21、内环壁；22、外环壁；23、冷却通道；30、导电丝；40、端板；50、连接杆；60、安装法兰；70、输液管。
具体实施方式
[0024]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0025]
请参阅图1和图2，本发明一实施例提供的热蒸发坩埚10包括绝缘坩埚本体11和加热丝12。所述绝缘坩埚本体11呈一端敞口一端封闭的筒状，所述绝缘坩埚本体11的侧壁沿周向间隔设有多个穿线孔111，各所述穿线孔111均沿所述绝缘坩埚本体11的轴向延伸并贯穿所述绝缘坩埚本体11的两端；所述加热丝12依次迂回穿过各所述穿线孔111。
[0026]
具体地，如图1和图2所示，在本实施例中，绝缘坩埚本体11呈一端敞口一端封闭的圆筒状，绝缘坩埚本体11包括底壁及自底壁的周缘向上延伸的侧壁，其中，设有底壁的一端为绝缘坩埚本体11的封闭端，与底壁相对的另一端为绝缘坩埚本体11的敞口端，底壁和侧壁之间围合形成用于放置蒸镀材料的容腔。当然，在其他实施例中，也可根据实际需要将绝
缘坩埚本体11设计为方形筒状或者其他异形筒状。绝缘坩埚本体11的侧壁设有多个穿线孔111，其中，穿线孔111的数量可根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。各穿线孔111均沿绝缘坩埚本体11的轴向延伸，需要说明的是，穿线孔111的轴线可以与绝缘坩埚本体11的轴线相平行，或者穿线孔111的轴线也可以与绝缘坩埚本体11的轴线存在一定的倾斜角度，只要保证穿线孔111最终能够贯穿绝缘坩埚本体11轴向上的两端面即可。加热丝12具有一定的长度，在与绝缘坩埚本体11进行装配时，先将加热丝12的一端自其中一个穿线孔111的第一端(例如下端)穿入，并沿着该穿线孔111穿出后，再进入相邻的另一个穿线孔111的第二端(例如上端)，如此依次上下迂回穿过各穿线孔111，最终使得加热丝12能够呈折回状固定于绝缘坩埚本体11的侧壁内，加热丝12的首尾两端可从穿线孔111内穿出，以便与外部的导电丝30连接以进行通电加热。其中，绝缘坩埚本体11采用绝缘材质制成，例如可采用陶瓷材料或者pbn(热解氮化硼)材料制成，加热丝12采用金属材质(如钨、镍铬合金等材料)制成，如此能够保证加热丝12通电加热时不会造成短路。例如，在本实施例中，绝缘坩埚本体11为采用陶瓷材质制成的陶瓷坩埚本体，加热丝12具体可采用钨丝。
[0027]
上述的热蒸发坩埚10通过在绝缘坩埚本体11的侧壁内开设有多个沿轴向贯穿的穿线孔111，将加热丝12依次迂回穿过各穿线孔111，最终使得加热丝12能够呈折回状固定于绝缘坩埚本体11的侧壁内，当加热丝12通电后能够对绝缘坩埚本体11进行加热，进而产生的热量能够对绝缘坩埚本体11内的蒸镀材料进行辐射加热。由于加热丝12穿置于穿线孔111内，绝缘坩埚本体11本身就能够对加热丝12进行保护固定，以将加热丝12与蒸镀材料隔离开，如此，不仅能够避免加热丝12被损坏，且无需再在加热丝12外围额外增加pbn材料或者陶瓷隔环进行保护，可有效减少热损耗，提升热蒸发效率。
[0028]
另外，传统的热蒸发坩埚10还存在受热不均匀的问题。进一步地，在本实施例中，多个所述穿线孔111沿所述绝缘坩埚本体11的周向间隔且均匀排布，各所述穿线孔111的轴线相互平行。如此，当加热丝12依次迂回穿过各穿线孔111后，能够使加热丝12均匀地覆盖于绝缘坩埚本体11的周向，使得绝缘坩埚本体11的受热更为均匀。例如，如图1和图2所示，在本实施例中，穿线孔111设置有8个，8个穿线孔111沿绝缘坩埚本体11的周向间隔且均匀排布，每个穿线孔111的轴线均与绝缘坩埚本体11的轴线相平行。在实际应用中，绝缘坩埚本体11的尺寸可根据加热丝12的尺寸进行调整。例如，在本实施例中，绝缘坩埚本体11的内径为5mm，侧壁厚1.5mm，穿线孔111的直径为0.5mm，加热丝12的直径为0.2mm。
[0029]
现有技术中一些复合坩埚将加热丝通过螺旋盘绕的方式盘绕在坩埚本体的外周壁，随着坩埚的通电使用，加热丝由于受热会有不同程度的热变形，从而造成加热丝分布的不均匀。本申请实施例中的加热丝12通过穿线孔111均匀排布在绝缘坩埚本体11的侧壁，通过穿线孔111能够很好地固定加热丝12的位置，使得热变形对加热丝12的分布基本不会产生影响，从而能够实现更加均匀稳定的加热结构。此外，本申请实施例中的绝缘坩埚本体11为一体化结构，在制作工艺和工序上更加简单；并且将加热丝12上下迂回穿过穿线孔111，即可实现加热丝12与绝缘坩埚本体11之间的装配，使得加热丝12的安装更为便捷，且无需再在加热丝12外围增设套筒，使得成本更低。
[0030]
请结合图3，在实际使用时，需要将绝缘坩埚本体11的加热丝12与导电丝30连接，以使加热丝12通电加热，由于加热丝12本身比较细比较软，容易被拉断。为了进一步避免加热丝12发生损坏，在本实施例中，所述绝缘坩埚本体11的封闭端的外周设有第一凸缘13，所
述第一凸缘13间隔设有两个第一固定孔131，各所述第一固定孔131分别用于固定一根导电丝30，所述加热丝12的两端均从所述绝缘坩埚本体11的封闭端穿出，所述加热丝12的两端分别用于与其中一根所述导电丝30连接。
[0031]
具体地，导电丝30用于将外部电源的电流传导致加热丝12，使得加热丝12通电后能够发热。导电丝30具体可导电性能较好的金属材质制成，例如，在本实施例中，导电丝30采用铜丝。在装配时，分别将两根导电丝30的端部与第一凸缘13上的两个第一固定孔131固定连接，加热丝12的两端均从绝缘坩埚本体11的封闭端穿出，再通过点焊技术将加热丝12的两端分别与两根导电丝30焊接，两根导电丝30的另一端分别通过真空转接端子(图未示),从而实现为加热丝12通电流的目的。在本实施例中，由于导电丝30固定在第一凸缘13的第一固定孔131上，通过第一凸缘13能够对导电丝30起到一定的支撑作用，避免导电丝30直接拉扯加热丝12，从而可有效减少加热丝12的受力，以保护加热丝12不会被拉断。在本实施例中，第一凸缘13为设置于绝缘坩埚本体11外围的环状体，第一凸缘13的厚度可为1mm左右。当然，在其他实施例中，第一凸缘13可采用分体式结构，第一凸缘13包括分别设置于绝缘坩埚本体11外围相对两侧的两个第一凸台，各第一凸台上分别设有一个第一固定孔131。可选地，第一凸缘13与绝缘坩埚本体11为一体成型结构。
[0032]
另外，如图3所示，在实际使用时，需要将热蒸发坩埚10整体与热蒸发装置的其他构件(如屏蔽罩20)进行固定，为了便于热蒸发坩埚10的固定，进一步地，在本实施例中，所述绝缘坩埚本体11的敞口端的外周设有第二凸缘14，所述第二凸缘14设有第二固定孔141，所述第二固定孔141用于固定连接杆50。具体地，在进行装配时，将连接杆50穿过第二固定孔141，连接杆50的下端与第二固定孔141之间形成限位结构，连接杆50的上端用于与外部构件相连接，整体结构简单，便于装配。为了进一步保证装配稳定性，可选地，如图1所示，在本实施例中，所述第二固定孔141设置有两个，两个所述第二固定孔141分别位于所述绝缘坩埚本体11的相对两侧。在本实施例中，第二凸缘14为设置于绝缘坩埚本体11外围的环状体，第二凸缘14的厚度可为1mm左右。当然，在其他实施例中，第二凸缘14也可采用分体式结构，第二凸缘14包括分别设置于绝缘坩埚本体11外围相对两侧的两个第二凸台，各第二凸台上分别设有一个第二固定孔141。可选地，第二凸缘14与绝缘坩埚本体11为一体成型结构。
[0033]
本申请还提出一种热蒸发装置。请参阅图3，本申请一实施例提供的热蒸发装置包括热蒸发坩埚10、屏蔽罩20及导电丝30，所述热蒸发坩埚10安装于所述屏蔽罩20内，所述热蒸发坩埚10的加热丝12的两端分别连接有一根所述导电丝30。其中，热蒸发坩埚10的具体结构可参照上述实施例。由于本热蒸发装置采用了上述实施例的所有技术方案，因而至少具有上述技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0034]
具体地，如图3所示，在本实施例中，屏蔽罩20呈上下贯通的筒状，热蒸发坩埚10安装于屏蔽罩20的内腔中，并靠近于屏蔽罩20的顶端。请结合图1和图2，热蒸发坩埚10包括绝缘坩埚本体11和加热丝12，加热丝12依次迂回穿过绝缘坩埚本体11侧壁的各穿线孔111后，两端分别从绝缘坩埚本体11的封闭端(也即底端)穿出。屏蔽罩20内设置有两个导电丝30(具体可为铜丝)，导电丝30的上端与绝缘坩埚本体11的第一凸缘13连接固定，加热丝12与导电丝30焊接，导电丝30的下端穿过屏蔽罩20后通过真空转接端子，从而能够为加热丝12进行通电。并且导电丝30固定在第一凸缘13上，能够有效减少加热丝12的受力，避免加热丝
12被拉断。另外，为了避免两根导电丝30之间发生短路，各导电丝30的外围均覆盖有绝缘层，具体可为陶瓷绝缘层。
[0035]
上述热蒸发装置工作时是整体安装于真空腔体内，由于热蒸发坩埚10的温度升高会通过热辐射使真空腔体内的其他器件温度升高，从而使得整体的真空度变差，为了解决这一问题，进一步地，在本实施例中，所述屏蔽罩20包括内环壁21和外环壁22，所述外环壁22间隔围设于所述内环壁21的外围，所述外环壁22与所述内环壁21之间形成供冷却液通过的冷却通道23。具体地，可通过输液管70将屏蔽罩20的冷却通道23与外部供液系统连接，输液管70具体设置有两根，其中一根为进液管，另一根为出液管，热蒸发装置工作时，通过进液管向冷却通道23内通入冷却液(例如冷水)，冷却液在流动过程中可将热蒸发坩埚10产生的多余热量带走，并从出液管排出，如此循环往复，能够起到快速降温的效果，从而可有效避免因热蒸发坩埚10的温度过高而导致真空度变差。
[0036]
为了便于热蒸发坩埚10与屏蔽罩20之间的装配，进一步地，在本实施例中，所述热蒸发装置还包括连接于所述屏蔽罩20顶端的端板40，所述端板40与所述热蒸发坩埚10间隔设置并通过连接杆50连接，所述端板40设有与所述热蒸发坩埚10的敞口对应的开口。具体地，屏蔽罩20的顶端设有连接孔201(例如可为螺钉孔)，将端板40放置于屏蔽罩20顶端对应位置后，将紧固件(例如螺钉)穿过端板40后与连接孔201锁紧固定。请结合图1，热蒸发坩埚10的敞口端(也即绝缘坩埚本体11的敞口端)设有第二凸缘14，第二凸缘14上设有第二固定孔141，连接杆50具体可采用螺杆，将连接杆50穿过第二固定孔141后，连接杆50的底部与第二固定孔141进行限位，连接杆50的顶端穿过端板40后可采用锁紧件(如螺母)锁紧固定，从而能够将热蒸发坩埚10整体与屏蔽罩20连接固定。为了保证装配稳定性，在本实施例中，所述第二固定孔141设置有两个，两个所述第二固定孔141分别位于所述绝缘坩埚本体11的相对两侧，相应地，连接杆50对应设置有两个。端板40上设有开口，从而能够保证热蒸发坩埚10内的蒸镀材料受热蒸发后挥发出来。其中，端板40可采用一体成型的环形片，或者也可以采用两个分体设置的半环形片。
[0037]
此外，由于热蒸发坩埚10的加热温度较高，为了防止端板40和连接杆50因温度过高而被融化和蒸出，通常端板40和连接杆50需要采用熔点较高的耐高温材料制成。可选地，在本实施例中，所述端板40和所述连接杆50均采用钼材质制成。钼的熔点为2160℃，生长温度为2100℃，可以满足加热到1900℃的生长温度，钼不会被熔化，从而使得热蒸发装置整体能够承受较高的加热温度。
[0038]
进一步地，在上述实施例的基础上，为了便于将热蒸发装置整体安装到真空腔体内，所述热蒸发装置还包括安装法兰60，所述屏蔽罩20与所述安装法兰60连接，所述安装法兰60用于固定在真空腔体内。具体地，屏蔽罩20可采用不锈钢材料制成，在装配时，将热蒸发坩埚10安装到屏蔽罩20内，将屏蔽罩20直接焊接在安装法兰60上，再通过安装法兰60将热蒸发装置整体安装在真空腔体内，装配结构简单，且稳定可靠。
[0039]
在上述实施例中，当热蒸发装置工作时，通过红外温度计探测，热蒸发装置在使用过程中，绝缘坩埚本体11的位置温度最高可达800℃，并且蒸发速率稳定，同时加热丝12具有较长的使用寿命，可达到6到12个月。
[0040]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0041]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0043]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0046]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。