一种用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的制作方法

1.本实用新型涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉。


背景技术：

2.在分子束外延(mbe)的大规模生产中，在生长磷化物时，需要通过磷源炉来提供生长所需的磷分子束源。在磷源炉的炉体中储存有大量性质相对稳定的红磷，在使用前，需要通过加热的方式将红磷转化为白磷并储存，然后在一定温度下使储存的白磷气化并提供至衬底的生长表面。
3.对于磷化物的分子束外延生长，特别是对于含有两种五族元素的含磷多元化合物的分子束外延生长，提供至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性对于外延层的质量至关重要。
4.在常规技术中，通过热风加热方式对储存白磷的炉体的外表面进行吹风加热，使得炉体温度升高，从而使得粘附在炉体内壁上的白磷气化。炉壁温度的稳定性与提供至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性直接相关，然而，通过热风加热方式对炉壁进行加热容易受到外界环境温度变化的影响，从而导致提供至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性差，劣化了所生长的含磷化合物的质量。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉，以解决提供至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性差的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
7.本实用新型提供了一种用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉，该磷源炉包括蒸发炉和冷却炉，
8.蒸发炉包括法兰盖、用于储存红磷的坩埚以及缠绕在坩埚上的加热丝，坩埚通过套设于坩埚外部的圆柱形的第一壳体固定设置在法兰盖上，坩埚的开口远离法兰盖，在利用加热丝对坩埚加热时，储存于坩埚中的至少一部分红磷被转化为白磷，并且经转化的白磷能够穿过用于密封坩埚的开口的密封盖中的通孔到达坩埚外部；
9.冷却炉包括第二壳体和壳体温度控制系统，第二壳体为圆柱形壳体，第二壳体套设于第一壳体外部，并且第二壳体的底部固定设置于法兰盖上，第二壳体的顶部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰，壳体温度控制系统用于对第二壳体的温度进行控制，在第二壳体的温度低于第一预设温度时，第二壳体的内壁用于冷却并粘附来自坩埚的经转化的白磷，在第二壳体的温度处于第二预设温度下时，粘附在第二壳体的内壁上的白磷气化，并且经气化的白磷能够通过法兰进入分子束外延设备的生长腔室内部，第一预设温度的范围为10℃至30℃，第二预设温度的范围为60℃至90℃；
10.壳体温度控制系统包括：设置于第二壳体的体壁内的密封的通道、完全填充通道的导热液体、设置在通道内并且用于对导热液体加热的加热装置、设置在通道内并且用于感测导热液体温度的温度传感器以及设置在第二壳体的外部的控制器，控制器分别与加热装置和温度传感器通信连接，控制器用于对导热液体的温度进行控制。
11.可选地，通道的形状为围绕第二壳体的内壁的环形圆柱。
12.可选地，导热液体为水。
13.可选地，控制器与分子束外延设备的控制系统通信连接。
14.可选地，加热装置在通道内以围绕第二壳体的内壁的方式环形设置。
15.可选地，加热装置包括加热构件和用于固定加热构件的固定构件，加热构件位于导热液体中并且加热构件不与第二壳体的体壁直接接触。
16.可选地，第二壳体上设置有第一阀门和第二阀门，第一阀门和第二阀门均与通道流体连通，在第一阀门和第二阀门均打开的情况下，能够对通道内填充的导热液体进行更换。
17.可选地，第一阀门靠近法兰盖设置，第二阀门靠近法兰设置。
18.可选地，第二壳体的体壁内设置有隔热腔，隔热腔位于通道与第二壳体的外表面之间，并且隔热腔围绕第二壳体的内壁环形设置，第二壳体上设置有第三阀门，第三阀门与隔热腔流体连通，在第三阀门关闭的情况下，隔热腔密闭密封。
19.可选地，第三阀门上设置有与外部真空泵连接的接口，在第三阀门打开的情况下，能够通过外部真空泵对隔热腔进行抽真空。
20.本实用新型的有益效果包括：
21.本实用新型提供的磷源炉包括蒸发炉和冷却炉，蒸发炉包括法兰盖、用于储存红磷的坩埚以及缠绕在坩埚上的加热丝，坩埚通过套设于坩埚外部的圆柱形的第一壳体固定设置在法兰盖上，坩埚的开口远离法兰盖，在利用加热丝对坩埚加热时，储存于坩埚中的至少一部分红磷被转化为白磷，并且经转化的白磷能够穿过用于密封坩埚的开口的密封盖中的通孔到达坩埚外部；冷却炉包括第二壳体和壳体温度控制系统，第二壳体为圆柱形壳体，第二壳体套设于第一壳体外部，并且第二壳体的底部固定设置于法兰盖上，第二壳体的顶部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰，壳体温度控制系统用于对第二壳体的温度进行控制，在第二壳体的温度低于第一预设温度时，第二壳体的内壁用于冷却并粘附来自坩埚的经转化的白磷，在第二壳体的温度处于第二预设温度下时，粘附在第二壳体的内壁上的白磷气化，并且经气化的白磷能够通过法兰进入分子束外延设备的生长腔室内部，第一预设温度的范围为10℃至30℃，第二预设温度的范围为60℃至90℃；壳体温度控制系统包括：设置于第二壳体的体壁内的密封的通道、完全填充通道的导热液体、设置在通道内并且用于对导热液体加热的加热装置、设置在通道内并且用于感测导热液体温度的温度传感器以及设置在第二壳体的外部的控制器，控制器分别与加热装置和温度传感器通信连接，控制器用于对导热液体的温度进行控制。通过在粘附白磷的第二壳体的体壁内设置填充有导热液体的通道，并且通过控制器对导热液体的温度进行控制，由于采用体壁内导热液体对体壁加热的方式受外界环境温度的影响小，因此能够实现对体壁的温度的稳定控制，从而在进行外延生长时能够为分子束外延设备的生长腔室提供束流强度稳定的白磷，进而改善了所生长的含磷化合物的质量。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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。
23.图1示出了本实用新型第一实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图；
24.图2示出了本实用新型第二实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图；
25.图3示出了本实用新型第三实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图。
26.附图标记：101
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法兰盖；102
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坩埚；103
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加热丝；104
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第一壳体；105
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密封盖；106
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第二壳体；107
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法兰；108
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白磷；109
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通道；110
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加热装置；111
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温度传感器；112
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控制器；113
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第一阀门；114
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第二阀门；115
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隔热腔；116
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第三阀门。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.在常规技术中，通过热风加热方式对储存白磷的炉体的外表面进行吹风加热，使得炉体温度升高，从而使得粘附在炉体内壁上的白磷气化。由于炉壁温度的稳定性与提供
至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性直接相关，然而，通过热风加热方式对炉壁进行加热容易受到外界环境温度变化的影响，从而导致提供至分子束外延设备的生长腔室中的白磷的束流强度的稳定性差，劣化了所生长的含磷化合物的质量。因此，需要提供一种能够对储存白磷的炉体温度进行稳定控制的磷源炉。
33.图1示出了本实用新型第一实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图。如图1所示，该磷源炉包括蒸发炉和冷却炉，蒸发炉包括法兰盖101、用于储存红磷的坩埚102以及缠绕在坩埚102上的加热丝103，坩埚102通过套设于坩埚102外部的圆柱形的第一壳体104固定设置在法兰盖101上，坩埚102的开口远离法兰盖101，在利用加热丝103对坩埚102加热时，储存于坩埚102中的至少一部分红磷被转化为白磷，并且经转化的白磷能够穿过用于密封坩埚102的开口的密封盖105中的通孔到达坩埚102外部；冷却炉包括第二壳体106和壳体温度控制系统，第二壳体106为圆柱形壳体，第二壳体106套设于第一壳体104外部。如图1所示，第二壳体106的圆柱直径以及高度均大于第一壳体104，在第二壳体106的内壁表面与第一壳体104的外壁表面之间留存一定的空间。第二壳体106的底部固定设置于法兰盖101上，第二壳体106的顶部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰107。
34.第一壳体104的底部以及第二壳体106的底部均与法兰盖101密封连接。也就是说，在对坩埚102进行加热并使得其中的至少一部分红磷转化为白磷之后，经转化的白磷仅能通过密封盖105中的通孔到达坩埚102外部，进入到第二壳体106的内壁表面与第一壳体104的外壁表面之间的空间。而第二壳体106内的白磷被气化之后，仅能通过法兰107进入到分子束外延设备的生长腔室中。
35.壳体温度控制系统用于对第二壳体106的温度进行控制，在第二壳体106的温度低于第一预设温度时，第二壳体106的内壁用于冷却并粘附来自坩埚的经转化的白磷108(对应于图1中第二壳体106的内壁上的黑点)，在第二壳体106的温度处于第二预设温度下时，粘附在第二壳体106的内壁上的白磷108气化，并且经气化的白磷能够通过法兰107进入分子束外延设备的生长腔室内部，第一预设温度的范围为10℃至30℃，第二预设温度的范围为60℃至90℃；壳体温度控制系统包括：设置于第二壳体106的体壁内的密封的通道109、完全填充通道109的导热液体、设置在通道109内并且用于对导热液体加热的加热装置110、设置在通道109内并且用于感测导热液体温度的温度传感器111以及设置在第二壳体106的外部的控制器112，控制器112分别与加热装置110和温度传感器111通信连接，控制器112用于对导热液体的温度进行控制。
36.在实际使用中，当第二壳体106的内壁上粘附的白磷不足时，可以对坩埚102进行加热，使得一部分红磷转化为白磷，在转化过程中，通过控制器112使得第二壳体106的体壁温度低于第一预设温度，此时，加热装置110通常不进行加热，如果由于第一壳体104内的高温使得第二壳体106的体壁温度高于第一预设温度，可以进一步借助于外界的降温装置(例如风扇)对第二壳体106的外表面进行降温，从而使得第二壳体106体壁温度低于第一预设温度。在第二壳体106的体壁温度低于第一预设温度时，经转化的白磷会逐渐粘附到第二壳体106的内壁上并在此积聚。当第二壳体106的内壁上积聚一定量的白磷之后，停止对坩埚102进行加热。通过壳体温度控制系统对第二壳体106体壁进行加热，使得第二壳体106体壁温度稳定地处于第二预设温度下。当第二壳体106体壁温度升高时，粘附在第二壳体106的
内壁上的一部分白磷会气化，当第二壳体106体壁温度稳定之后，在第二壳体106的内壁表面与第一壳体104的外壁表面之间的空间中形成压强稳定的气态白磷，此时如果打开法兰107与分子束外延设备的生长腔室之间的阀门，可以向分子束外延设备的生长腔室提供束流强度稳定的白磷。
37.综上所述，通过在粘附白磷的第二壳体的体壁内设置填充有导热液体的通道，并且通过控制器对导热液体的温度进行控制，由于采用体壁内导热液体对体壁加热的方式受外界环境温度的影响小，因此能够实现对体壁的温度的稳定控制，从而在进行外延生长时能够为分子束外延设备的生长腔室提供束流强度稳定的白磷，进而改善了所生长的含磷化合物的质量。
38.可选地，通道109的形状为围绕第二壳体106的内壁的环形圆柱。
39.可选地，导热液体为水。应当理解，导热液体也可以为导热油或者其他导热性良好并且无腐蚀性的液体。
40.可选地，控制器112与分子束外延设备的控制系统通信连接。
41.可选地，加热装置110在通道109内以围绕第二壳体106的内壁的方式环形设置。
42.可选地，加热装置110包括加热构件和用于固定加热构件的固定构件，加热构件位于导热液体中并且加热构件不与第二壳体106的体壁直接接触。
43.图2示出了本实用新型第二实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图。如图2所示，第二壳体106上还可以设置有第一阀门113和第二阀门114，第一阀门113和第二阀门114均与通道109流体连通，在第一阀门113和第二阀门114均打开的情况下，能够对通道109内填充的导热液体进行更换。可选地，在对坩埚102进行加热以将红磷转化为白磷的过程中，为了降低第二壳体106的温度，可以同时打开第一阀门113和第二阀门114，并且通过第一阀门113和第二阀门114向通道109中循环注入冷却水。
44.可选地，第一阀门113靠近法兰盖101设置，第二阀门114靠近法兰107设置。
45.图3示出了本实用新型第三实施例提供的用于分子束外延设备中的带温度控制的磷源炉的截面示意图。如图3所示，第二壳体106的体壁内还可以设置有隔热腔115，隔热腔115位于通道109与第二壳体106的外表面之间，并且隔热腔115围绕第二壳体106的内壁环形设置，第二壳体106上设置有第三阀门116，第三阀门116与隔热腔115流体连通，在第三阀门116关闭的情况下，隔热腔115密闭密封。通过设置隔热腔115，在第二壳体106的温度处于第二预设温度下的情况下，可以进一步降低与第二壳体106的外表面接触的外界环境温度对第二壳体106的内壁温度的影响，进一步提高白磷气化的稳定性。
46.可选地，第三阀门116上设置有与外部真空泵连接的接口，在第三阀门116打开的情况下，能够通过外部真空泵对隔热腔115进行抽真空。在隔热腔115的真空度达到预设阈值时，可以停止抽真空并且关闭第三阀门116。
47.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。