一種原位表征系統(tǒng)分子束外延生長(zhǎng)源的延伸裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】一種原位表征系統(tǒng)分子束外延生長(zhǎng)源的延伸裝置
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及應(yīng)用原位超高真空中分子束外延生長(zhǎng)超薄膜領(lǐng)域，尤其是在配備有分子束外延生長(zhǎng)源的原位表征系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0003]分子束外延(MBE)是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室J.R.Authur和A.Y.Cho于上世紀(jì)60年代末發(fā)明的一種典型的晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)，在分子束外延MBE系統(tǒng)中，一種或多種熱原子或分子束流直接噴射到加熱的單晶基底表面，而MBE中的超高真空(P ( 10 9 torr)環(huán)境則保證生長(zhǎng)出的材料具有極高的純度。該技術(shù)把薄膜材料的生長(zhǎng)厚度從微米量級(jí)延伸至到亞微米量級(jí)的單原子層尺度，并且通過(guò)與能帶調(diào)控工程的結(jié)合，合成了一系列人工異質(zhì)結(jié)、超晶格半導(dǎo)體等材料，從而誕生了新一代高電子迀移率晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管、量子阱光調(diào)制器等新型光電器件。在此過(guò)程中還產(chǎn)生了諸如量子霍耳效應(yīng)一系列物理效應(yīng)和物理現(xiàn)象，推動(dòng)了半導(dǎo)體低維物理領(lǐng)域的發(fā)展。
[0004]分子束外延生長(zhǎng)受到超高真空條件的嚴(yán)格限制，使用獨(dú)立的分子束外延生長(zhǎng)裝置進(jìn)行材料合成，若試樣與外界大氣接觸，表面很容易發(fā)生吸附與沾污，導(dǎo)致其表面結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化。為了避免發(fā)生該問(wèn)題，目前許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都將試件的分子生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)合原位表征系統(tǒng)來(lái)完成，所述原位表征系統(tǒng)包括原位低能電子顯微鏡系統(tǒng)、原位透射電鏡系統(tǒng)、以及原位角分辨光電子能譜等。例如使用原位低能電子顯微鏡/光電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)在超高真空中研究分子束外延生長(zhǎng)樣品表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；利用原位角分辨光電子能譜在超高真空環(huán)境下原位研究分子束外延生長(zhǎng)樣品的光電子能譜。
[0005]在分子束外延生長(zhǎng)裝置與原位表征系統(tǒng)結(jié)合的系統(tǒng)中，小樣品(毫米尺度)生長(zhǎng)表征需要有與原位表征系統(tǒng)完全匹配的分子束外延生長(zhǎng)源，所述分子束外延生長(zhǎng)源包括熱蒸發(fā)源、電子束源和氣體源。熱蒸發(fā)源如圖1所示，它包括法蘭24、轉(zhuǎn)動(dòng)軸23、坩禍22、電加熱絲21、分子束擋板19、水冷套20等設(shè)備，通過(guò)法蘭24與腔體連接，通過(guò)電加熱絲21給坩禍22加熱，使得溫度加熱到使得坩禍22內(nèi)的物質(zhì)蒸發(fā)，并以一定的角度和速度從坩禍22中溢出，到達(dá)生長(zhǎng)樣品表面。通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置25帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸23旋轉(zhuǎn)，以控制分子束擋板19的開與關(guān)，分子束擋板19起遮擋分子束的作用。水冷套20用于冷卻熱源，維持本底真空。如圖2所示為分子束發(fā)射過(guò)程，通過(guò)電加熱絲21加熱使生長(zhǎng)源以分子的形式從坩禍22中以一定的速度和角度溢出，樣品離分子束源越遠(yuǎn)，其發(fā)散度越大。
[0006]例如針對(duì)目前的原位表征系統(tǒng)中的原位電鏡系統(tǒng)而言，原位表征過(guò)程中的分析區(qū)域一般在微米到毫米尺度(即小樣品)，而原位表征系統(tǒng)中的分子束外延生長(zhǎng)源，由于分子束發(fā)散度大、無(wú)法直接加載到樣品表面區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微小區(qū)域生長(zhǎng)，分子大量沉積到超高真空腔體內(nèi)壁或精密部件的表面，一方面因超高真空腔體內(nèi)壁存在其他物質(zhì)造成對(duì)樣品生長(zhǎng)的污染，必須定期開腔清理和高溫烘烤處理，這樣一來(lái)就降低儀器的使用效率和原位實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性；另一方面在原位系統(tǒng)中，大發(fā)散角的分子源很容易沉積在精密部件的表面，很容易引起磁透鏡等真空部件的表面損壞，并且不光潔物鏡表面在原位實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很容易引起物鏡和樣品間的高壓擊穿，損壞物鏡表面和樣品。而這些原位實(shí)驗(yàn)樣品往往需要一天到一周的制備和表面處理過(guò)程，有些單晶表面一旦損壞甚至是不可逆過(guò)程，這些高純度單晶價(jià)格昂貴、定制周期長(zhǎng)、處理過(guò)程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，一旦損壞對(duì)于研究者來(lái)講將直接耽誤時(shí)間，使得實(shí)驗(yàn)效率降低。
[0007]另外，由于原位外延生長(zhǎng)過(guò)程的需要，分子束外延生長(zhǎng)源不能離樣品太遠(yuǎn)，分子束外延生長(zhǎng)源需要與樣品腔直接相連，所以在更換分子束外延生長(zhǎng)源時(shí)，必須打開真空腔泄真空，而開腔之后由于氣體吸附，又需要長(zhǎng)達(dá)一周到一個(gè)月時(shí)間去回復(fù)超高真空和除去源的氧化物和雜質(zhì)，導(dǎo)致超高真空設(shè)備的使用效率很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有分子束外延生長(zhǎng)裝置存在的問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是提供一種原位表征系統(tǒng)分子束外延生長(zhǎng)源的延伸裝置，它能克服分子束外延生長(zhǎng)源發(fā)散度大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)分子在襯底的微小區(qū)域生長(zhǎng)，并能減少真空部件污染，易于實(shí)現(xiàn)程序化控制。
[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括有支撐套、限孔盲板、大齒輪、小齒輪、旋轉(zhuǎn)桿和延伸管，支撐套具有管腔和管筒，管腔頂面開有旋轉(zhuǎn)桿通孔，在支撐套的管腔的口部裝有限孔盲板，管腔內(nèi)部裝有相互嚙合的大齒輪和小齒輪，旋轉(zhuǎn)桿靠近管腔內(nèi)側(cè)壁，旋轉(zhuǎn)桿上端穿過(guò)旋轉(zhuǎn)桿通孔伸出管腔頂面、下端活動(dòng)套在限孔盲板的孔中，小齒輪固定在旋轉(zhuǎn)桿中段，大齒輪的轉(zhuǎn)軸設(shè)在限孔盲板內(nèi)表面上且靠小齒輪一側(cè)偏離限孔盲板中心，限孔盲板中心開有分子束通孔，大齒輪在轉(zhuǎn)軸側(cè)邊沿軸向開有分子束過(guò)孔，延伸管固定插接在支撐套的管筒內(nèi)。
[0010]本發(fā)明依靠支撐套下部端口套裝在熱蒸發(fā)源的分子束出口端，扭動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿，小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪上的分子束過(guò)孔與限孔盲板的分子束通孔正對(duì)，熱蒸發(fā)源的分子束打開，分子束通過(guò)延伸管的錐尖出口送到襯底表面區(qū)域，由于分子束到達(dá)襯底距離較短，且延伸管的錐尖出口控制了分子束的發(fā)散度，能夠?qū)崿F(xiàn)分子在襯底的微小區(qū)域生長(zhǎng)；由于分子束擴(kuò)散度小，減少了真空部件污染。
[0011]通過(guò)控制大齒輪的分子束過(guò)孔與限孔盲板的分子束通孔重合度，以調(diào)節(jié)分子束源的流量。當(dāng)分子束過(guò)孔與分子束通孔錯(cuò)位構(gòu)成封堵時(shí)，大齒輪遮擋了分子束進(jìn)入延伸管，實(shí)現(xiàn)了分子束關(guān)閉。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果是:解決了原位表征系統(tǒng)分子束外延生長(zhǎng)源發(fā)散度大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了分子在襯底的微小區(qū)域生長(zhǎng)，避免了真空部件污染，提高了工作效率，易于實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化控制。本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用，不僅能適合熱蒸發(fā)源、電子束源，還適合氣體源；不僅能用于原位表征系統(tǒng)的小樣品外延生長(zhǎng)，也能用于獨(dú)立的分子束外延生長(zhǎng)系統(tǒng)中異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]本發(fā)明的【附圖說(shuō)明】如下:
圖1為現(xiàn)有熱蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1的熱蒸發(fā)源分子束發(fā)射狀態(tài)圖；
圖3為本發(fā)明與熱蒸發(fā)源組合的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明支撐套的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)桿、兩齒輪與限孔盲板的組合示意圖；
圖6為裝有本發(fā)明的分子束外延生長(zhǎng)源與原位表征系統(tǒng)樣品腔的示意圖；
圖7為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為裝有改進(jìn)后的本發(fā)明的分子束外延生長(zhǎng)源與原位表征系統(tǒng)樣品腔的示意圖；
圖9為本發(fā)明的延伸管實(shí)施自動(dòng)伸縮的組合圖。
[0014]圖中:1.錐形導(dǎo)管；2.固定卡套；3.第一節(jié)管；4.第一頂部密封卡套；5.第二節(jié)管；6.第一彈簧；7.第二頂部密封卡套；8.底部密封卡套；9.第三節(jié)管；10.第二彈簧；
11.支撐套；Ila.管腔；lib.管筒；lie.旋轉(zhuǎn)桿通孔；12.大齒輪；13.;14.限孔盲板；15小齒輪.；16.集線轱；17.旋轉(zhuǎn)桿；18.鎢絲線；19.分子束擋板；20.水冷套；21.電加熱絲；22.坩禍；23.轉(zhuǎn)動(dòng)軸；24.法蘭；25.手動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置；26.電機(jī)；27.控制器；28.延伸管；29.樣品腔；30.樣品；31.閘板閥；32.分子束外延生長(zhǎng)源；33.真空部件；34.分子束過(guò)孔；35.分子束通孔；36直管；37三通管。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
如圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明包括有支撐套11、限孔盲板14、大齒輪12、小齒輪15、旋轉(zhuǎn)桿17和延伸管28，支撐套11具有管腔Ila和管筒11b，管腔I Ia頂面開有旋轉(zhuǎn)桿通孔He，在支撐套的管腔Ila的口部裝有限孔盲板14，管腔Ila內(nèi)部裝有相互嚙合的大齒輪12和小齒輪15，旋轉(zhuǎn)桿17靠近管腔Ila內(nèi)側(cè)壁，旋轉(zhuǎn)桿17上端穿過(guò)旋轉(zhuǎn)桿通孔Ilc伸出管腔Ila頂面、下端活動(dòng)套在限孔盲板14的孔中，小齒輪15固定在旋轉(zhuǎn)桿17中段，大齒輪12的轉(zhuǎn)軸設(shè)在限孔盲板14內(nèi)表面上且靠小齒輪15 —側(cè)偏離限孔盲板中心，限孔盲板14中心開有分子束通孔35，大齒輪12在轉(zhuǎn)軸側(cè)邊沿軸向開有分子束過(guò)孔34，延伸管28固定插接在支撐套11的管筒I