一种用于分子束外延设备中的带重量监测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重量监测的磷源炉。


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.通常情况下，在将红磷转化为白磷时，每次转化的白磷的量不宜过多，需要在使用一段时间白磷之后，再次对红磷进行转化。然而，在常规技术中，由于在使用过程中不能实时获知磷源炉中剩余的白磷量，因此在白磷所剩不多时，可能导致在进行某一轮次的生长过程中出现白磷分子束源的供应减少或停止的情况，从而导致该轮次生长的外延片全部失效，造成衬底以及设备机时等的浪费，增加了生产成本。


技术实现要素：

4.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重量监测的磷源炉，以解决磷源炉中白磷重量的监测问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
6.本实用新型提供了一种用于分子束外延设备中的带重量监测的磷源炉，该磷源炉包括蒸发炉和冷却炉，
7.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；
8.冷却炉包括圆柱形的第二壳体和圆柱形的第三壳体，第二壳体套设于第一壳体外部，第三壳体套设于第二壳体外部；在第二壳体的温度低于预设冷却温度时，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，预设冷却温度的范围为10℃至30℃；第三壳体的顶部固定设置于法兰盖上，第三壳体的底部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰，第二壳体的顶部通过第一波纹管与法兰盖密封连接，第二壳体的底面为圆环形底面，第二壳体的底面通过第二波纹管与法兰密封连接，圆环形底面的内环直径等于第二波纹管的直径，在圆环形底面与第三壳体的底部之间设置有用于感测第二壳体重量的压力传感器，压力传感器与设置于第三壳体外部的处理器通信连接，处理器用于根据来自压力传感器的数据计算第二壳体的重量。
9.可选地，压力传感器为弹簧压力传感器。
10.可选地，压力传感器设置在靠近第二壳体的底面的外边界处。
11.可选地，压力传感器包括沿第二壳体的底面的外圆周方向等间距设置的多个压力传感器，所述多个压力传感器的数量范围为3个至6个。
12.可选地，所述多个压力传感器的数量为3个。
13.可选地，在第二壳体的外壁上固定设置有沿垂直于第二壳体的底面的方向延伸的限位突出部，在第三壳体的内壁上设置有沿垂直于第三壳体的底部的方向延伸的限位凹槽，限位突出部与限位凹槽的形状及尺寸匹配，通过限位突出部与限位凹槽，防止第二壳体沿第二壳体的圆柱面的圆周方向转动。
14.可选地，限位突出部包括沿第二壳体的圆柱面的圆周方向等间距设置的多个限位突出部，所述多个限位突出部的数量范围为3个至6个，限位凹槽包括与所述多个限位突出部对应设置的多个限位凹槽。
15.可选地，所述多个限位突出部的数量为3个。
16.可选地，所述多个限位突出部中的每个限位突出部均包括沿垂直于第二壳体的底面的方向延伸并且不连续分布的至少两个限位突出区段。
17.可选地，所述至少两个限位突出区段包括位于第二壳体的顶部附近的第一限位突出区段和位于第二壳体的底面附近的第二限位突出区段。
18.本实用新型的有益效果包括：
19.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；冷却炉包括圆柱形的第二壳体和圆柱形的第三壳体，第二壳体套设于第一壳体外部，第三壳体套设于第二壳体外部；在第二壳体的温度低于预设冷却温度时，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，预设冷却温度的范围为10℃至30℃；第三壳体的顶部固定设置于法兰盖上，第三壳体的底部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰，第二壳体的顶部通过第一波纹管与法兰盖密封连接，第二壳体的底面为圆环形底面，第二壳体的底面通过第二波纹管与法兰密封连接，圆环形底面的内环直径等于第二波纹管的直径，在圆环形底面与第三壳体的底部之间设置有用于感测第二壳体重量的压力传感器，压力传感器与设置于第三壳体外部的处理器通信连接，处理器用于根据来自压力传感器的数据计算第二壳体的重量。通过能够伸缩的第一波纹管和第二波纹管将用于粘附白磷的圆柱形的第二壳体的两端分别连接至法兰盖和法兰，从而使得第二壳体能够沿垂直于第二壳体的底面的方向移动，通过在第二壳体与第三壳体之间设置压力传感器，在重力作用下，第二壳体根据其上粘附的白磷的量不同而施加在压力传感器上的力不同，从而可以通过压力传感器来感测第二壳体的实时重量，进而可以计算获知第二壳体上粘附的白磷的量，实现对磷源炉中白磷重量的实时监测，避免因为在分子束外延生长过程中白磷耗尽而导致的外延片生长失效，节约了生产成本。
附图说明
20.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。
21.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重量监测的磷源炉的侧截面示意图；
22.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重量监测的磷源炉的第二壳体和第三壳体的横截面示意图；
23.图3示出了图2中的a
‑
a截面示意图；
24.图4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重量监测的磷源炉的第二壳体和第三壳体的横截面示意图；
25.图5示出了本实用新型第四实施例提供的用于分子束外延设备中的带重量监测的磷源炉的第二壳体和第三壳体的部分侧截面示意图。
26.附图标记：101
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法兰盖；102
‑
坩埚；103
‑
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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第三壳体；108
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白磷；109
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法兰；110
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第一波纹管；111
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第二波纹管；112
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压力传感器；113
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处理器；114
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限位突出部；141
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第一限位突出部；142
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第二限位突出部；143
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第三限位突出部；1141
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第一限位突出区段；1142
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第二限位突出区段；115
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限位凹槽；151
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第一限位凹槽；152
‑
第二限位凹槽；153
‑
第三限位凹槽。
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.在分子束外延大规模生产中，通常情况下，在将磷源炉中的红磷转化为白磷时，每次转化的白磷的量不宜过多，需要在使用一段时间白磷之后，再次对红磷进行转化。然而，在常规技术中，由于在使用过程中不能实时获知磷源炉中剩余的白磷量，因此在白磷所剩不多时，可能导致在进行某一轮次的生长过程中出现白磷分子束源的供应减少或停止的情况，从而导致该轮次生长的外延片全部失效，造成衬底以及设备机时等的浪费，增加了生产成本。因此，需要提供一种能够对磷源炉中的白磷量进行实时监测的磷源炉。
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重量监测的磷源炉的侧截面示意图，如图1所示，本实用新型实施例提供的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；冷却炉包括圆柱形的第二壳体106和圆柱形的第三壳体107，第二壳体106套设于第一壳体104外部，第三壳体107套设于第二壳体106外部；在第二壳体106的温度低于预设冷却温度时，第二壳体106的内壁用于冷却并粘附来自坩埚102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)，预设冷却温度的范围为10℃至30℃。
34.第三壳体107的顶部固定设置于法兰盖101上，第三壳体107的底部设置有用于与分子束外延设备的生长腔室连接的法兰109，第二壳体106的顶部通过第一波纹管110与法兰盖101密封连接，第二壳体106的底面为圆环形底面，第二壳体106的底面通过第二波纹管111与法兰109密封连接，圆环形底面的内环直径等于第二波纹管111的直径，在圆环形底面与第三壳体107的底部之间设置有用于感测第二壳体106重量的压力传感器112，压力传感器112与设置于第三壳体107外部的处理器113通信连接，处理器113用于根据来自压力传感器112的数据计算第二壳体106的重量。
35.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。第三壳体107的高度大于第二壳体106的高度。第三壳体107的圆柱直径略大于第二壳体106，以方便第二壳体106在第三壳体107内沿垂直于第二壳体106的底面的方向移动。
36.第一壳体104的顶部以及第二壳体106的顶部均与法兰盖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109进入到分子束外延设备的生长腔室中。
37.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，通过降温装置使第二壳体106的温度低于预设冷却温度。在第二壳体106的体壁温度低于预设冷却温度时，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。如果需要使用粘附在第二壳体106内壁上的白磷进行分子束外延生长，则可以使得第二壳体106的温度处于较高的预设气化温度下，在该温度下，粘附在第二壳体106的内壁上的白磷气化，并且经气化的白磷能够通过法兰109进入分子束外延设备
的生长腔室内部，预设气化温度的范围通常可以为60℃至90℃。
38.在本实施例中，通过能够伸缩的第一波纹管110和第二波纹管111将用于粘附白磷的圆柱形的第二壳体106的两端分别连接至法兰盖101和法兰109，从而使得第二壳体106能够沿垂直于第二壳体106的底面的方向(也就是沿图1中的上下方向)移动，通过在第二壳体106与第三壳体107之间设置压力传感器112，在重力作用下，第二壳体106根据其上粘附的白磷的量不同而施加在压力传感器112上的力不同，从而可以通过压力传感器112来感测第二壳体106的实时重量，进而可以通过处理器113计算获知第二壳体106上粘附的白磷的量。具体地，在未转化白磷时，通过压力传感器112感测第二壳体106的第一重量，该第一重量为第二壳体106自身的重量；在第二壳体106的内壁上粘附白磷时，通过压力传感器112感测第二壳体106的第二重量，该第二重量为第二壳体106自身重量与粘附的白磷的重量之和，因此，处理器113可以利用第一重量和第二重量来计算第二壳体106上粘附的白磷的重量。为了获得精确的测量值，可以在将磷源炉安装至分子束外延设备上之前，对磷源炉中第二壳体106重量与压力传感器112的数据之间的对应关系进行校准测试。
39.综上所述，本实施例提供的磷源炉实现了对磷源炉中白磷重量的实时监测，从而可以在白磷量较小而可能不足以完成一个轮次的分子束外延生长时，操作人员可以及时停止生长并且进行白磷的转化，从而避免因为在分子束外延生长过程中白磷耗尽而导致的外延片生长失效，节约了生产成本。
40.可选地，压力传感器112为弹簧压力传感器。
41.可选地，压力传感器112设置在靠近第二壳体106的底面的外边界处。
42.可选地，压力传感器112包括沿第二壳体106的底面的外圆周方向等间距设置的多个压力传感器，所述多个压力传感器的数量范围为3个至6个。
43.可选地，所述多个压力传感器的数量为3个。
44.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重量监测的磷源炉的第二壳体和第三壳体的横截面示意图；图3示出了图2中的a
‑
a截面示意图。如图2和图3所示，在第二壳体106的外壁上固定设置有沿垂直于第二壳体106的底面的方向延伸的限位突出部114，在第三壳体107的内壁上设置有沿垂直于第三壳体107的底部的方向延伸的限位凹槽115，限位突出部114与限位凹槽115的形状及尺寸匹配，通过限位突出部114与限位凹槽115，防止第二壳体106沿第二壳体106的圆柱面的圆周方向转动。
45.可选地，限位突出部114包括沿第二壳体106的圆柱面的圆周方向等间距设置的多个限位突出部，所述多个限位突出部的数量范围为3个至6个，限位凹槽115包括与所述多个限位突出部对应设置的多个限位凹槽。
46.可选地，所述多个限位突出部的数量为3个。例如，如图4所示，限位突出部114包括沿第二壳体106的圆柱面的圆周方向等间距设置的第一限位突出部141、第二限位突出部142和第三限位突出部143，对应地，限位凹槽115包括分别与第一限位突出部141、第二限位突出部142和第三限位突出部143对应的第一限位凹槽151、第二限位凹槽152和第三限位凹槽153。通过设置多个限位突出部，可以防止第二壳体106在第三壳体107内晃动。
47.可选地，所述多个限位突出部中的每个限位突出部均包括沿垂直于第二壳体106的底面的方向延伸并且不连续分布的至少两个限位突出区段。
48.如图5所示，所述至少两个限位突出区段包括位于第二壳体106的顶部附近的第一
限位突出区段1141和位于第二壳体106的底面附近的第二限位突出区段1142。通过减小每个限位突出部的长度，仅保留上下两个区段，可以在确保限位作用的同时，减小限位突出部与限位凹槽之间的摩擦，从而减小摩擦对压力传感器112的测量精度的影响。
49.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。