[實(shí)用新型]一種蒸發(fā)速率可控的電子束蒸發(fā)源

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720229355.7
• 申請(qǐng)日: 2017-03-10
• 公開（公告）號(hào): CN206692720U
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐永兵;何亮;劉文卿;賴柏霖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/30
• 分類號(hào): C23C14/30;C23C14/54;C30B23/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳建和

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型主要涉及超高真空系統(tǒng)中的材料制備的生長源，尤其是用于高質(zhì)量金屬單晶薄膜的生長。

背景技術(shù)

高質(zhì)量金屬薄膜材料在磁記錄媒介、自旋器件以及半導(dǎo)體器件中應(yīng)用廣泛，因此這項(xiàng)實(shí)用新型對(duì)注重薄膜結(jié)構(gòu)的高精度控制和可重復(fù)性的研究環(huán)境而言有特別重要的意義。

當(dāng)需要制備高質(zhì)量的薄膜時(shí)，我們利用連接在超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源生長金屬薄膜。金屬源材料，通常作成棒狀，上面加上正高壓，便可吸引由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬棒，形成發(fā)射電流(I_e)，電子將動(dòng)能傳遞給金屬棒，使之加熱蒸發(fā)，其加熱功率等于電壓與發(fā)射電流的乘積(W＝V×I_e)。金屬源棒被加熱到足夠高的溫度后，就能以非常低的速率發(fā)射出原子，穿過真空，到達(dá)樣品架上的襯底。同時(shí)有一定比例的原子會(huì)被電子電離，這些離子可以被收集，形成蒸發(fā)束電流(I_flux)，用來探測(cè)原子束流的大小。

隨著金屬源棒被蒸發(fā)，源棒和燈絲的距離會(huì)增加，導(dǎo)致有效電場(chǎng)下降，燈絲發(fā)射的熱電子數(shù)(I_e)下降，蒸發(fā)速率就會(huì)下降。傳統(tǒng)的蒸發(fā)源通過不斷增加棒上的高壓或者增大燈絲電流來補(bǔ)償其影響。隨著距離的增大，補(bǔ)償其影響所需要增加的電壓/電流也越來越大，而這在距離較大的時(shí)候很難實(shí)現(xiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容

為了解決電壓/電流的增大存在物理極限的問題，本實(shí)用新型目的是，提出一種自動(dòng)化電子束蒸發(fā)源，不改變電壓/電流的值，而將蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流作為反饋，通過改變?cè)窗舻奈恢茫跃_控制薄膜生長速率且不用頻繁補(bǔ)充金屬源材料。

本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源，包括棒狀金屬源材料即金屬源棒、正高壓電源、遮板(8)和生長速率計(jì)(9)的組合體、離子收集片(7)、燈絲(5)、定位孔柱(絕緣陶瓷)(4)、金屬源棒(3)外圍為冷卻水罩(6)，燈絲支架的金屬柱(1)以及線性驅(qū)動(dòng)器(2)，正高壓電源施加金屬源棒正高壓，陰極燈絲發(fā)射的熱電子，由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬源材料，形成發(fā)射電流(I_e)；金屬源棒被熱電子轟擊加熱到足夠高的溫度后以非常低的速率發(fā)射出金屬源原子束成為蒸發(fā)源，蒸發(fā)源上設(shè)有一個(gè)遮板(8)，在停止蒸發(fā)的時(shí)候遮擋蒸發(fā)束，遮板上設(shè)有一個(gè)同心孔，在遮板打開薄膜生長的時(shí)候讓蒸發(fā)束通過；陶瓷等耐熱材料制備的定位孔柱來活絡(luò)限定源棒在軸向的進(jìn)動(dòng)，并使源棒在調(diào)整位置的時(shí)候也始終在蒸發(fā)源豎直中心上，蒸發(fā)源發(fā)射路徑上有一個(gè)離子收集片，其上有一個(gè)同心孔供蒸發(fā)束通過，離子收集片探測(cè)到蒸發(fā)原子電離產(chǎn)生的蒸發(fā)束電流，利用蒸發(fā)束電流的一部分通過一個(gè)可編程序來監(jiān)視控制蒸發(fā)束電流(I_flux)。

超高真空系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)源的控制方法，在棒狀金屬源材料即金屬源棒加上正高壓，以吸引燈絲發(fā)射的熱電子，由燈絲通電(I_f)加熱產(chǎn)生的熱電子，熱電子轟擊金屬源材料，形成發(fā)射電流(I_e)，熱電子將動(dòng)能傳遞給棒狀金屬源材料，使金屬源材料加熱蒸發(fā)，其加熱功率等于電壓與發(fā)射電流的乘積(W＝V×I_e)；金屬源棒被加熱到足夠高的溫度后以非常低的速率發(fā)射出金屬源原子束成為蒸發(fā)源，穿過真空，到達(dá)樣品架上的襯底生長薄膜；同時(shí)原子束有一定比例的原子會(huì)被電子電離，這些離子被收集，形成蒸發(fā)束電流(I_flux)，用來探測(cè)原子束流的大小；計(jì)算機(jī)控制的線性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)源即金屬源棒進(jìn)動(dòng)，能減少補(bǔ)充源棒的頻率，同時(shí)利用金屬源蒸發(fā)束電流和發(fā)射電流作為反饋提供薄膜生長速率。

將發(fā)射電流(燈絲和源棒之間的電流)、蒸發(fā)束電流、以及整合的薄膜生長速率計(jì)讀數(shù)(9)作為反饋控制線性驅(qū)動(dòng)器(2)驅(qū)動(dòng)源棒位置(3)(即與燈絲的間隔距離)。

蒸發(fā)源發(fā)射路徑上有一個(gè)離子收集片，其上有一個(gè)同心孔供蒸發(fā)束通過，離子收集片探測(cè)到蒸發(fā)原子電離產(chǎn)生的蒸發(fā)束電流的一部分。如果在收集片上加一可變負(fù)電壓，那么探測(cè)到的電流會(huì)更大。

位置可調(diào)的源棒需要加上一正高壓，以吸引燈絲發(fā)射的熱電子。熱電子集中在源棒尖端，將其融化蒸發(fā)，并能減少周圍部件的放氣。源棒制備成細(xì)長棒狀，且有恒定的橫截面面積，保證熱電子轟擊的部分始終是一致的，確保任何時(shí)候源棒蒸發(fā)時(shí)薄膜生長條件都是一樣的。