[發(fā)明專利]大面積原子級精度激光分子束外延薄膜制備系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2019-04-09
• 公開（公告）號: CN110144553A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 朱銀燕;葉碧瑩;郁揚;黃海明;王文彬;高春雷;吳施偉;殷立峰;沈健
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C23C14/28
• 分類號: C23C14/28;C23C14/50;C23C14/54;C30B23/02;C30B23/06
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;王潔平

本發(fā)明公開了一種大面積原子級精度激光分子束外延薄膜制備系統(tǒng)及方法。本發(fā)明系統(tǒng)包括快速進樣室、主腔及其配件、準分子激光器、氣體傳輸組件、機械泵以及若干個分子泵。本發(fā)明通過利用二軸步進電機對激光光路中的全反鏡進行控制，對系統(tǒng)中的氧管、高能電子衍射、樣品加熱組件進行修改以及對樣品架、樣品托重新設計，實現(xiàn)大樣品均勻生長。本發(fā)明制備的樣品具有生長面積大、表面平整、無顆粒物、各區(qū)域物理性質(zhì)一致的優(yōu)點。本發(fā)明方法可通過控制激光光路、靶臺等設備，實現(xiàn)樣品的自動和手動生長。

技術領域

本發(fā)明屬于激光脈沖分子束外延樣品生長技術領域，具體涉及一種大面積原子級精度激光分子束外延薄膜制備系統(tǒng)及方法。

背景技術

激光脈沖分子束外延技術是制備高質(zhì)量的表面原子級平整的單晶氧化物薄膜的常用手段。在真空腔中放入相應的靶材，由準分子激光器發(fā)出紫外激光。由于激光具有能量高，方向性好等特點，因此當激光聚焦至靶材上時，靶材能夠在短時間內(nèi)吸收能量使得內(nèi)部材料的化學鍵斷裂形成大量的等離子體。在靶材上方放置有襯底，最終被轟擊出來的物質(zhì)在襯底上得到沉淀，形成薄膜。

傳統(tǒng)的激光脈沖分子束外延技術制備樣品時，激光在真空腔內(nèi)的聚焦位置保持不變。襯底置于聚焦點正上方，由于光斑聚焦面積小于1mm²，而產(chǎn)生的等離子體羽輝具有高定向性，因此在襯底上均勻沉積的區(qū)域也不可能很大（約5mm×5mm區(qū)域）。然而，在器件制備等實驗或技術中，首要的是有一塊較大的均勻樣品，因此尋找新的方法能夠在激光脈沖分子束外延系統(tǒng)上均勻生長大樣品顯得尤為重要。本發(fā)明通過對激光光路中的全反透鏡進行控制，對掃靶路徑進行設計，實現(xiàn)大樣品均勻生長。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種大面積原子級精度激光分子束外延薄膜制備系統(tǒng)及方法。本發(fā)明通過對激光光路中的全反鏡進行控制，對激光掃靶路徑的設計，對氧氣管、反射式高能電子衍射儀、樣品加熱部件進行修改以及對樣品架、樣品托重新設計，實現(xiàn)大樣品均勻生長。制備的樣品基本沒有顆粒物，表面較平整，并且生長的樣品面積可以根據(jù)后續(xù)實驗或技術的要求單獨定制。配套相應控制方案，可控制樣品生長過程各個環(huán)節(jié)。

本發(fā)明采用以下技術方案。

本發(fā)明提供一種大面積原子級精度激光分子束外延薄膜制備系統(tǒng)，其包括快速進樣室、準分子激光器、主腔、樣品架、靶臺、樣品加熱組件、透鏡組件、反射式高能電子衍射儀、熒光屏、氣體傳輸組件和機械泵；快速進樣室、樣品架和反射式高能電子衍射儀分別通過法蘭口連接在主腔四周，靶臺位于主腔底部，并在主腔中軸線上，樣品架最前端位于靶臺正上方；樣品架的前端設有樣品槽，樣品槽中心為通孔，樣品槽中插入樣品托；樣品加熱組件位于主腔的正上方，樣品加熱組件包括紅外激光光纖、第二聚焦透鏡和支架，紅外激光光纖和第二聚焦透鏡固定在支架上，紅外激光光纖位于第二聚焦透鏡的上方，且位于第二聚焦透鏡的焦點處；透鏡組件包括第一聚焦透鏡、全反射鏡、兩個步進電機以及固定支架；固定支架上安裝滑軌，第一聚焦透鏡和全反射鏡安置在滑軌上，可以沿著固定支架上下移動；全反射鏡分別與第一步進電機、第二步進電機相連，使得全反射鏡可分別沿著第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸相互正交；透鏡組件通過固定支架固定在樣品加熱組件后方；準分子激光器發(fā)出的激光通過透鏡組件引入主腔；氣體傳輸組件中包括波紋管和卡套管；反射式高能電子衍射儀通過兩根波紋管分別與快速進樣室和機械泵相連，氧氣通過卡套管連入主腔內(nèi)，卡套管有2根，其中一根指向樣品托中心，另外一根呈環(huán)形，靠近靶臺表面。

本發(fā)明中，樣品架中還包括面內(nèi)角旋轉(zhuǎn)軸、齒條和齒輪；面內(nèi)角旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動由樣品架前端的齒條帶動齒輪實現(xiàn)。

本發(fā)明中，樣品架和樣品托采用耐高溫耐高氧的鎳基合金。

本發(fā)明中，樣品槽和樣品架之間設有陶瓷墊片；樣品架前端部分為鏤空結構。

本發(fā)明中，第一步進電機控制全反射鏡沿著第一旋轉(zhuǎn)軸在-10°~10°角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，第二步進電機控制全反射鏡沿著第二旋轉(zhuǎn)軸進行0°~360°旋轉(zhuǎn)。