新型高真空金属蒸发源的设计

一、背景介绍:

1.外延技术

20世纪60年代, 为了满足微波和光学器件的要求, 人们一直希望得到高质量的低维材料。分子束外延 (MBE) 作为一种能够提供更高质量的薄膜的生长方法应运而生。MBE是一种在超高真空 (10-10mbar) 下外延生长高质量单晶薄膜和纳米结构的生长技术。它是由美国贝尔实验室在20世纪60年代末发展起来的[1]。要实现完美的分子束外延生长, 必须注意两个重要的要求:衬底的制备和生长过程中的有序外延结构。不同衬底的制备方法大不相同, 甚至不同实验室制备相同的衬底方法都大相径庭, 但是普遍认为一个完整的没有缺陷的表面是有利于外延生长的。同时有序的外延又是区分MBE和其它沉积生长方式的关键点。“epitaxy”实际上来自希腊语中“上” (epi-) 和“有序的形式” (tax) [2, 3]。MBE的发明推动了以超薄层微结构材料为基础的半导体器件的发展, 扩展了半导体科学的领域, 并在之后被广泛应用到金属, 绝缘体和超导材料的生长中, 在基础研究和工业生产上发挥了巨大的作用。从本质上讲, 分子束外延是物理气相沉积的一种, 基本上是一个超高真空的蒸发过程。它是在清洁的超高真空环境下通过加热装有不同源物质的束源炉, 产生源物质的分子 (原子) 流喷射到加热的衬底表面上, 然后沉积的原子 (分子) 经过成核, 扩散, 合并, 相互反应以及和表面的相互作用, 最终形成薄膜, 如图1所示。

这本质上是一个非平衡过程, 它是气相原子沉积到衬底表面变为固相的过程, 是动力学因素和热力学因素相互竞争的结果[4]。蒸发出来的原子有比较长的平均自由程, 在到达衬底之前, 相互之间以及和真空腔中的残余气体之间几乎不会发生碰撞或反应。束源的束流密度可以通过温度加以控制, 切断分子束就可以中断生长。这样通过搭配不同组分的束源, 并控制各个束源的开闭和束流大小就可以生长多元化合物或固溶体以及它们的异质结, 制备各种多元超薄微结构材料。

2.金属沉积系统

典型的金属沉积系统基本的组成部分有:

(1) 真空腔及真空泵系统。对于分子束外延生长技术来说, 较好的真空是获得高质量材料的关键因素。真空腔壁主要由特殊地不锈钢材料制成的, 为了方便连接其它设备, 在腔体上还制作了很多法兰口。为了减小蒸发源对周围环境的热辐射, 并能利用低温吸附一些真空中的残余气体, 一般的MBE腔体是由双层结构组成的, 夹层中间可以灌充液氮, 为了获得更好的低温效果, 真空室内壁往往还有一层铜制的内胆。真空腔内的真空是由真空泵系统来获得并维持的。为了获得一个好的真空, 有如下几点最基本的要求:高质量的腔体材料以及加工工艺, 若材料或工艺质量低下, 腔壁将会不停地释放出大量的气体, 尽管真空泵不断地在抽取气体, 但想要达到好于10-10mbar的超高真空还是相当困难的;合理得烘烤真空腔体以及真空泵系统, 利用高温去除吸附在腔壁上的一些水分和易挥发的物质;合理地利用升华泵, 它可以吸附一些离子泵难以吸附的气体。

(2) 表面分析工具。制备的样品经常需要进行原位的性质分析, 常见的分析工具包括:反射式高能电子衍射仪 (RHEED) 、X射线光电子能谱 (XPS) 、紫外光电子能谱 (UPS) 、离子散色谱 (ISS) 、电子能量损失谱 (REELS) 、四极气体分析仪 (RGA) 等。

(3) 束源炉 (K-cell) 。这是获得高质量材料的另一个关键因素。它们可以保证束流稳定性, 均匀性和材料的高纯度。扩散炉的规格、温度等要根据生长材料的种类来选择, 对于蒸发温度较高的材料需要使用电子束加热。另外, K-cell中坩锅的选取也需要根据生长材料的种类来选择。在真空腔中, 蒸发炉一般有三到五个。一般来说, 束流的稳定性可以保证日波动在1%以下, 这意味着在1000oC生长时, 温度波动应该在1oC以下。为了保证束流的均匀性和同时生长多种材料, 蒸发炉一般都被安置在源法兰的同一侧, 并且聚焦在衬底的加热器上。另外, 为了避免腔体中的一些物体掉入源炉中, 源炉应该倾斜地安置在源法兰的同一侧, 与竖直方向成一定角度。

3.束源炉结构

束源炉是金属生长中的关键部件, 一般实验中所用的标准束源炉为克努森炉 (Knudsen Cell, K-cell) , 图2是它的一个实物图。它主要包括以下几个部分:

(1) 坩埚。坩埚是用来盛放源物质的, 其材料一般选用热解氮化硼 (PBN) 或氧化铝, 有时会也会使用到铅或石墨以及其他材料做的坩埚。坩埚要根据源的种类和生长温度等合理选择。

(2) 挡板。通过挡板的开合来控制生长的开始与结束, 可以手动控制, 也可以用机械方法自动控制。

(3) 加热丝。加热丝中通过电流时放热用以加热源物质, 一般用金属Ta, 主要是考虑到Ta在高温下的稳定性和极低的蒸汽压。加热丝的外围有一个由多层Ta片做成的屏蔽罩, 可使坩埚均匀受热, 同时减少热损耗和对外界的的热辐射。

(4) 冷却水系统。通常源炉自身还配有冷却水系统, 以防止源炉高温对周围环境的加热作用而导致杂质气体的增多。冷却水降温适用于源的温度不是很高的情况, 更高温度需要考虑对源炉或腔体进行液氮冷却。

(5) 热偶规。热偶用于监测源的温度, 与温控系统配套使用可以精确控制源的升降温速率, 并使源稳定在目标温度上以保持束流的恒定。

这种克努森炉虽然具有可精确控制的优点, 但却具有造价高、操作复杂、难于维护的缺点, 我们在不牺牲主要性能的情况下对其结构进行简化和改造。

二、热蒸发原理

当金属材料在加热到一定的温度时, 就会有原子从材料中蒸发出来。如果这个蒸发过程发生在真空中, 那么这些蒸发出来的原子就是自由和无碰撞的, 直到沉积到温度较低的衬底表面。这时蒸发出的原子符合气体分子运动论的理想气体方程:PV=RT, 而原子速率其中T为真空腔中的温度, m为原子质量, 当腔体中的真空度为10-4Pa时, 可算出原子的自由程λ≧500cm, 远大于蒸发源到衬底的温度, 从而保证了蒸发出的原子在沉积在衬底上之前全程无碰撞。

三、设计工艺

如果真空腔中带有膜厚仪, 则金属蒸发的速率可以用膜厚仪来标定, 而蒸发源的温度可以用红外测温仪在真空外进行实时测量, 所以热偶并非必需的, 如果省掉热偶部分, 会使得整个蒸发源的构造大为简化。在实际使用中, 我们发现金属在融化后, 和加热丝 (比如钨丝或钽丝) 具有一定的沁润性, 液态的金属会附着债加热丝上形成一个个的小液滴, 由于良好的导热性, 这种小液滴的温度与加热丝保持一致。这时金属液滴仍在以一定的速率蒸发原子, 其蒸发的速率与金属丝的温度有一一对应的关系。这就为我们制作一种新型的无需坩埚或热舟的蒸发源提供了可能。经过实践摸索, 我们发现为使金属在融化后更好的附着在加热丝上, 需要将两个相互缠绕的金属丝制作成螺旋状, 然后将要做源的金属丝缠绕在加热丝上。当加热丝在真空中通入电流后, 其发出的热量就会将金属融化而附着在加热丝上。这时金属原子蒸发的方向是相四面八方的, 为了使真空腔壁不受到该源的污染, 我们需要在源的周围用钽箔包裹起来 (但不能与金属源接触) , 只在朝向衬底的方向留下较小的缺口。这样在减少污染的时候也可以避免高温加热丝的辐射使周围的腔壁过热。由于这种设计是不需要坩埚的, 整地发热量较小, 也就无需进行循环水冷却。图3就是一套制作好的蒸发源, 在同一个法兰上可以设计多个源。

四、使用要领

在使用时, 第一次加热非常关键。从空气中传入真空腔里的源, 吸附了大量的水蒸气、碳等杂质, 为了获得纯净的金属, 必需要对源进行除气。除气的过程就是对灯丝缓慢增加电流的过程。在加热时时刻关注真空值的变化, 保证真空在同一个数量级内变化。当温度达到金属的熔点时, 金属丝就会在一瞬间变为液滴吸附在加热丝上, 这时真空值会有突变, 源的电阻也会突然的变化。这时源上的杂质基本已经蒸发干净。当把温度降下来后, 金属滴会重新凝固。在下次使用的时候就无需达到融化的温度了。可以用膜厚仪测量源在不同温度 (灯丝功率) 情况下的蒸发速率, 从中选择合适的沉积速率。

五、特点

这种蒸发在很多方面都优于液相沉积、磁控溅射等其他材料制备技术, 其突出之处包括:

1. 可以获得高纯度的单晶和薄膜。

因为在超高真空中生长, 系统内残余分子数目很少, 束流在到达衬底前与残余分子的碰撞几率可以忽略不计。束流纯度很高, 受到外来污染影响的机会很小, 有利于获得原子级平整的外延层。较低的生长温度可降低界面因热膨胀引起的晶格失配效应以及衬底杂质向外延层中的扩散对组分和掺杂浓度分布的干扰, 而且可通过控制束源炉快门的开启或关闭达到突然喷射或者终止束流, 实现束流的快速切换。

2. 可以精确控制薄膜的厚度。

这种方法一般生长速率较低, 可以通过精确地控制束流和在一定生长速率下的生长时间进行厚度控制, 以进行精细结构的材料生长。

3. 可以可以获得复杂的合金和特定的掺杂浓度。

易于调整外延层的组分、掺杂, 可以连续生长复杂的多层异质结构。利用异质材料的晶格失配应力和不同晶向上材料的生长速率不同, 直接得到不同维度的低维纳米材料。利用掩模技术和二次外延技术, 可在衬底上实现选区外延生长。

4. 可以和各种辅助监测设备协调工作。

比如RHEED、红外光学高温计等, 用来实时观察表面的结晶过程和生长过程, 实现对外延片的原位监测和精确控制, 提供有关生长速度、外延层表面形貌、组分等各种信息, 便于进行生长机理的研究。

5. 造价较低, 工艺简单。

可以利用计算机控制实现自动化的外延生长, 为MBE设备由研究型向生产型发展奠定了基础。

总结

热蒸发作为金属沉积的重要技术, 广泛应用于工业和科研领域。我们在使用K-cell的时间经验基础上发现, 将金属源直接附着在加热丝上可以避免坩埚的使用, 同时也降低了整个结构的发热量, 从而简化了蒸发源的结构, 在保证性能的基础上降低了制造成本。

摘要：传统的真空镀膜技术有气相、液相、固相三种。而热蒸发属于气象沉积的一种。在热蒸发技术中, 经常使用克努森炉作为蒸发源。这种束源炉具有控制精确、可重复性高、性能稳定等优点, 但也具有控制复杂、造价高、维护困难等确定。我们在实践中对传统克努森炉的结构进行了重新改造, 在不牺牲其主要优点的情况下进行了简化, 得到一种经济实惠而性能依旧优良的蒸发源。

关键词：分子束外延,热蒸发,克努森炉,超高真空,表面分析

参考文献

[1] A.Y.ChoandJ.R.Arthur, Prog.SolidStateChem.10, 157 (1975) .

[2] E.H.C.Parker, TheTechnologyandphysicsofmolecularbeamepitaxy, PlenunPress, (1985) .

[3] W.P.McCray, MBEDeservesaPlaceintheHistoryBooks, NatureNan-otechnology2 (5) , 259 (2007) .

[4] J.R.Arthur, Surf.Sci. (2002) .

[5] 真空技术, 王晓冬等, 冶金工业出版社. (2006) .

[6] 电子薄膜科学, 杜经宁、J.W.迈耶、L.C.费尔德曼, 黄信凡、杜家方、陈坤基译, 科学出版社 (1997) .

[7] Quantumheterostructures--microelectronicsandOptoelectronics, V.V.mitinetal.CambridgeuniversityPress, (1998) .