CN106676480B - 一种蒸发速率可控的电子束蒸发源 - Google Patents

Abstract

超高真空系统中的电子束蒸发源，包括棒状金属源材料即金属源棒、正高压电源、遮板(8)和生长速率计(9)的组合体、离子收集片(7)、灯丝(5)、定位孔柱(4)、金属源棒(3)外围为冷却水罩(6)，灯丝支架的金属柱(1)以及线性驱动器(2)，正高压电源施加金属源棒正高压，阴极灯丝发射的热电子；金属源棒被热电子轰击加热到足够高的温度后以非常低的速率发射出金属源原子束成为蒸发源，蒸发源上设有一个遮板(8)，在停止蒸发的时候遮挡蒸发束，遮板上设有一个同心孔，在遮板打开薄膜生长的时候让蒸发束通过；定位孔柱来活络限定源棒在轴向的进动，并使源棒在调整位置的时候也始终在蒸发源竖直中心上，蒸发源发射路径上有一个离子收集片。

Description

一种蒸发速率可控的电子束蒸发源

技术领域

本发明主要涉及超高真空系统中的材料制备的生长源，尤其是用于高质量金属单晶薄膜的生长。

背景技术

高质量金属薄膜材料在磁记录媒介、自旋器件以及半导体器件中应用广泛，因此这项发明对注重薄膜结构的高精度控制和可重复性的研究环境而言有特别重要的意义。

当需要制备高质量的薄膜时，我们利用连接在超高真空系统中的电子束蒸发源生长金属薄膜。金属源材料，通常作成棒状，上面加上正高压，便可吸引由灯丝通电(I_f)加热产生的热电子，热电子轰击金属棒，形成发射电流(I_e)，电子将动能传递给金属棒，使之加热蒸发，其加热功率等于电压与发射电流的乘积(W＝V×I_e)。金属源棒被加热到足够高的温度后，就能以非常低的速率发射出原子，穿过真空，到达样品架上的衬底。同时有一定比例的原子会被电子电离，这些离子可以被收集，形成蒸发束电流(I_flux)，用来探测原子束流的大小。

随着金属源棒被蒸发，源棒和灯丝的距离会增加，导致有效电场下降，灯丝发射的热电子数(I_e)下降，蒸发速率就会下降。传统的蒸发源通过不断增加棒上的高压或者增大灯丝电流来补偿其影响。随着距离的增大，补偿其影响所需要增加的电压/电流也越来越大，而这在距离较大的时候很难实现。

发明内容

为了解决电压/电流的增大存在物理极限的问题，本发明目的是，提出一种自动化电子束蒸发源及控制方法，不改变电压/电流的值，而将蒸发束电流和发射电流作为反馈，通过改变源棒的位置，以精确控制薄膜生长速率且不用频繁补充金属源材料。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：超高真空系统中的电子束蒸发源的控制方法，在棒状金属源材料即金属源棒加上正高压，以吸引灯丝发射的热电子，由灯丝通电(I_f)加热产生的热电子，热电子轰击金属源材料，形成发射电流(I_e)，热电子将动能传递给棒状金属源材料，使金属源材料加热蒸发，其加热功率等于电压与发射电流的乘积(W＝V×I_e)；金属源棒被加热到足够高的温度后以非常低的速率发射出金属源原子束成为蒸发源，穿过真空，到达样品架上的衬底生长薄膜；同时原子束有一定比例的原子会被电子电离，这些离子被收集，形成蒸发束电流(I_flux)，用来探测原子束流的大小；计算机控制的线性驱动器驱动蒸发源即金属源棒进动，能减少补充源棒的频率，同时利用金属源蒸发束电流和发射电流作为反馈提供薄膜生长速率。

将发射电流(灯丝和源棒之间的电流)、蒸发束电流、以及整合的薄膜生长速率计读数(9)作为反馈控制线性驱动器(2)驱动源棒位置(3)(即与灯丝的间隔距离)。

蒸发源发射路径上有一个离子收集片，其上有一个同心孔供蒸发束通过，离子收集片探测到蒸发原子电离产生的蒸发束电流的一部分。如果在收集片上加一可变负电压，那么探测到的电流会更大。

位置可调的源棒需要加上一正高压，以吸引灯丝发射的热电子。热电子集中在源棒尖端，将其融化蒸发，并能减少周围部件的放气。源棒制备成细长棒状，且有恒定的横截面面积，保证热电子轰击的部分始终是一致的，确保任何时候源棒蒸发时薄膜生长条件都是一样的。

控制系统需要监视和控制加在源棒上的高压以及灯丝发出的发射电流。控制系统软件需要控制蒸发时长、蒸发速率和生长厚度。对于不同的源棒、生长速率和厚度，控制系统软件需要可编辑相应参数。控制系统软件控制线性驱动器的动作，线性驱动器采用直线电机或步进、伺服电机转化为直线的进动用于控制源棒的位置。

如果源棒被过度加热而熔化流走，导致发射电流骤降，发射电流和蒸发束电流偏离最佳值时，控制系统要能灵敏感知并在源棒重新凝固之后对源棒位置做出相应调整。

蒸发源上设有一个遮板(8)，在停止蒸发的时候遮挡蒸发束，并有一个同心孔，在薄膜生长的时候让蒸发束通过。

遮板也能在任何时刻阻挡从真空腔室飞来的其他带电粒子到到离子收集片上去，以减少噪声，提高蒸发束电流的准确性。

蒸发源应有一个很低的放气率，以适合在超高真空中应用。在源棒设有冷却水罩，灯丝为环绕状灯丝，源棒降低周围温度减少放气。另外，所有材料都要可应用于超高真空。

生长速率和蒸发速率需要有一个可编辑控制系统来监视。其中的可编辑的参数包括蒸发束电流、发射电流和整合的生长速率计读数。电子束蒸发源通过控制源棒(3)上的高压、灯丝的电流(5)、源棒的位置等，来达到恒定的薄膜生长速率。

利用源棒和灯丝之间的发射电流作为反馈，通过线性驱动器(2)保持源棒和灯丝之间的距离恒定。用源棒和灯丝之间的发射电流作为反馈，线性驱动器(2)能保持它们之间的距离恒定。一开始，蒸发速率通过真空腔室内的厚度计(如晶振)来测量，记录对应的发射电流和蒸发束电流，在生长的时候，维持它们恒定。

如果蒸发束电流和发射电流的比值发生了变化，这时的发射电流不再是蒸发速率的真实反映，因此需要关闭遮板，直到建立新的蒸发速率，再记录下此时的发射电流和蒸发束电流的比值，并使之保持恒定。遮板再次打开，重新生长薄膜。

始终保持源棒上的高压、灯丝的电流、源棒到灯丝的距离在整个生长过程中稳定来达到恒定的薄膜生长速率。一开始，蒸发速率通过真空腔室内的晶振来测量，到达所需蒸发速率时记录相应的发射电流和蒸发束电流。随着生长的进行，源棒被蒸发，灯丝和源棒的距离变大，发射电流和蒸发束电流降低，反馈到控制系统，使线性驱动器驱动源棒向前移动，重新达到初始的发射电流和蒸发束电流。同时，将源棒加长，用陶瓷定位孔柱固定，将源棒与灯丝导体柱绝缘，可大大减少维护次数。此外，还设计了一个可编辑自动化的电子控制系统，可根据需要调节薄膜生长速率。当蒸发束电流和发射电流的比值发生了变化，这时的发射电流不再是蒸发速率的真实反映，因此需要关闭遮板，直到建立新的蒸发速率，记录下此时的发射电流和蒸发束电流的比值，并使之保持恒定，然后遮板打开，重新生长薄膜。

超高真空系统中的电子束蒸发源，包括棒状金属源材料即金属源棒、正高压电源、遮板(8)和生长速率计(9)的组合体、离子收集片(7)、灯丝(5)、定位孔柱(绝缘陶瓷)(4)、金属源棒(3)外围为冷却水罩(6)，灯丝支架的金属柱(1)以及线性驱动器(2)，正高压电源施加金属源棒正高压，阴极灯丝发射的热电子，由灯丝通电(I_f)加热产生的热电子，热电子轰击金属源材料，形成发射电流(I_e)；金属源棒被热电子轰击加热到足够高的温度后以非常低的速率发射出金属源原子束成为蒸发源，蒸发源上设有一个遮板(8)，在停止蒸发的时候遮挡蒸发束，遮板上设有一个同心孔，在遮板打开薄膜生长的时候让蒸发束通过；陶瓷等耐热材料制备的定位孔柱来活络限定源棒在轴向的进动，并使源棒在调整位置的时候也始终在蒸发源竖直中心上，蒸发源发射路径上有一个离子收集片，其上有一个同心孔供蒸发束通过，离子收集片探测到蒸发原子电离产生的蒸发束电流，利用蒸发束电流的一部分通过一个可编程序来监视控制蒸发束电流(I_flux)。

本发明的有益效果：将源棒加长，用陶瓷定位孔柱固定，将源棒与灯丝导体柱绝缘，可大大减少维护次数。此外，还设计了一个可编辑自动化的电子控制系统，可根据需要调节薄膜生长速率。维持源棒的进动使生长位置不变，不仅有利于薄膜生长的各种条件始终保持稳定，还能精确控制薄膜的生长速率。同时，利用可编辑的自动化的电子控制系统，生长过程中也不再需要频繁地人为调整源棒的位置，薄膜生长的速率也可以编入控制系统中。

附图说明

图1是提出的电子束蒸发源的横截面示意图；

图2是蒸发源及其反馈控制系统的示意图(相同部件与图1有相同的标号)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1和图2的说明如下。其中包括遮板(8)和生长速率计(9)的组合体，离子收集片(7)，灯丝(5)，定位孔柱(绝缘陶瓷)(4)，源棒(3)，冷却水罩(6)，灯丝支架的金属柱(1)以及线性驱动器(2)。

常用的是一种水冷却(6)式的电子束蒸发源(也可以采用风冷式)。所要蒸发的金属源材料，即源棒(3)，与线性驱动器(2)相连，它的位置由一个反馈系统控制，线性驱动器驱动源棒使之与灯丝(5)之间距离始终保持一定(最佳)，以稳定薄膜的生长速度和生长条件。源棒上加一正高压以吸引灯丝发射的热电子，电子转移动能使源棒熔化蒸发，且仅有金属棒尖端被熔化，这可以减少周围部件的放气。放气过多不仅会污染真空腔室也会降低薄膜生长的质量。

源棒由一线性驱动器驱动，移动的幅度由发射电流(源棒和灯丝之间的热电子电流)、蒸发束电流以及整合的生长速率计的反馈决定。实际生长厚度和蒸发速率可通过蒸发束电流、发射电流和整合的生长速率计反映，控制系统软件应能编辑它们的值。

蒸发源还需要一个带同心孔的离子收集片测量蒸发束电流。它能让大部分蒸发出来的原子通过并到达目标衬底上。如图2(7)。被电离的那部分源材料粒子被离子收集片收集，产生蒸发束电流。如果在离子收集片加一定负偏压能收集更多电离粒子。

遮板，如图1(8)，应由图2中的外部控制系统操作。当需要停止生长的时候关上遮板，挡住蒸发束，而同心孔(10)是为了在遮板打开的时候让蒸发束通过。

遮板应当与生长速率计协同工作。生长之前在遮板未打开的时候，可让生长速率计达到设定的速率。生长速率计在遮板同心孔(10)的一侧。此外，控制软件要在遮板关闭的时候记录当前的蒸发束电流和发射电流，它们的值与当前的蒸发速率相对应。当遮板打开的时候就可以通过稳定蒸发束电流和发射电流的值来控制蒸发速率。

遮板还有一作用即能防止来自真空腔室的其他带电粒子到达离子收集片(8)上，这样能减少噪声，提高蒸发束电流的准确性。

蒸发束电流信号通常较弱，因此将它的数值在一段时间内的平均，再与信号较强的发射电流比较。后者主要用来在生长过程中动态调节源棒的位置。如果发射电流降低了，金属棒和灯丝的距离能通过线性驱动器补偿。如果改变蒸发速率，遮板就会关闭，直到重新建立稳定的蒸发束电流和发射电流的比例。控制系统记录下这一比例，当遮板打开的时候用来控制蒸发速率。如此，稳定的发射电流和蒸发束电流就保证我们选定的蒸发速率在生长过程中始终一样。

控制系统需要监视和控制源棒电压、灯丝电流、发射电流和蒸发束电流。控制系统的软件也需要控制蒸发时间、蒸发速率和生长厚度。此外，对于不同源棒，软件需要可编辑参数。控制以上这些参数能够优化薄膜生长条件。控制系统必须能够感知发射电流和蒸发束电流的突变，并做出相应的调整。这种情况是有可能发生的，因为当金属棒被过度加热，尖端融化流走时会造成发射电流的骤降。

蒸发源需要有一个定位孔柱，在线性驱动器调整源棒的位置的时候它能保持源棒始终沿着蒸发源的竖直中心不变。这是为了保证源棒和灯丝在水平方向的相对位置关系不变。

Claims (10)

1.超高真空系统中的电子束蒸发源控制方法，其特征是，在棒状金属源材料即金属源棒加上正高压，以吸引灯丝发射的热电子，由灯丝通电（I_f）加热产生的热电子，热电子轰击金属源材料，形成发射电流（I_e），热电子将动能传递给棒状金属源材料，使金属源材料加热蒸发，其加热功率W等于电压与发射电流的乘积W = V ×I_e；金属源棒被加热到足够高的温度后以非常低的速率发射出金属源原子束成为蒸发源，穿过真空，到达样品架上的衬底生长薄膜；同时原子束有一定比例的原子会被电子电离，这些离子被收集，形成蒸发束电流（I_flux），用来探测原子束流的大小；计算机控制的线性驱动器驱动蒸发源即金属源棒进动，能减少补充源棒的频率，同时利用金属源蒸发束电流和发射电流作为反馈提供薄膜生长速率。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，将发射电流、蒸发束电流、以及整合的薄膜生长速率计（ 9 ） 读数作为反馈控制线性驱动器（2）驱动源棒（ 3 ） 位置即与灯丝的间隔距离。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，通过线性驱动器控制加在源棒上的高压以及灯丝发出的发射电流；对于不同的源棒、生长速率和厚度，控制系统软件需要编辑相应参数；控制系统软件控制线性驱动器的动作，线性驱动器采用直线电机或步进、伺服电机转化为直线的进动用于控制源棒的位置。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，利用源棒和灯丝之间的发射电流作为反馈，通过线性驱动器（2）保持源棒和灯丝之间的距离恒定；随着生长的进行，源棒被蒸发，灯丝和源棒的距离变大，发射电流和蒸发束电流降低，反馈到控制系统，使线性驱动器驱动源棒向前移动，重新达到初始的发射电流和蒸发束电流。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，控制系统软件模块控制蒸发时长、蒸发速率和生长厚度；

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，如果源棒被过度加热而熔化流走，导致发射电流骤降，发射电流和蒸发束电流偏离控制值时，控制系统能感知并在源棒重新凝固之后对源棒位置做出相应调整。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，在离子收集片上加一可变负电压，那么探测到的电流会更大。

8.超高真空系统中的电子束蒸发源，其特征是，包括棒状金属源材料即金属源棒、正高压电源、遮板（8）和生长速率计（9）的组合体、离子收集片（7）、灯丝（5）、定位孔柱即绝缘陶瓷（4）、金属源棒（3）、冷却水罩（6）、灯丝支架的金属柱（1）以及线性驱动器（2），金属源棒（3）外围为冷却水罩（6），正高压电源在金属源棒施加正高压，阴极灯丝发射的热电子，由灯丝通电（I_f）加热产生的热电子，热电子轰击金属源材料，形成发射电流（I_e）；金属源棒被热电子轰击加热到足够高的温度后以非常低的速率发射出金属源原子束成为蒸发源，蒸发源上设有一个遮板（8），在停止蒸发的时候遮挡蒸发束，遮板上设有一个同心孔，在遮板打开薄膜生长的时候让蒸发束通过；陶瓷耐热材料制备的定位孔柱来活络限定源棒在轴向的进动，通过控制系统软件控制线性驱动器的动作，线性驱动器采用直线电机或步进、伺服电机转化为直线的进动用于控制源棒的位置；并使源棒在调整位置的时候也始终在蒸发源竖直中心上，蒸发源发射路径上有一个离子收集片，其上有一个同心孔供蒸发束通过，离子收集片探测到蒸发原子电离产生的蒸发束电流，利用蒸发束电流的一部分通过一个可编程序来监视控制蒸发束电流I_flux。

9.根据权利要求8所述的电子束蒸发源，其特征是，在样品架上的衬底生长薄膜位置设有薄膜生长速率计，薄膜生长速率计信息输出可编程控制系统。

10.根据权利要求8所述的电子束蒸发源，其特征是，离子收集片上加一可变负电压。