CN108330535A - 一种纳米薄膜材料生长装置样品台 - Google Patents

Abstract

一种纳米薄膜材料生长装置样品台，涉及纳米薄膜材料。设有衬底支撑平台、衬底加热器、振动器、热超构材料层和支架，平台镶嵌于衬底加热器上，振动器下方衔接支架；所述振动器设于衬底加热器的背面并与衬底加热器底部连接，振动器设有循环计数器、比较器、寄存器、振动马达和振动马达电路，计数器输出端接寄存器，比较器与计数器连接并输出数据，所述振动马达电路与振动马达连接，振动马达电路包括电容、电阻和电源，所述电源与振动马达连接并为振动马达提供电能，循环计数器和比较器输出不同脉冲，而输出的占空比不同的脉冲宽度调制波来操作振动马达不同的振动模式，对振动进行反馈调节，个性化设置不同场景下不同操作提示采用不同的振动方式。

Description

一种纳米薄膜材料生长装置样品台

技术领域

本发明涉及纳米薄膜材料，尤其是涉及适合在分子束外延仪器上调控纳米薄膜晶体材料生长的一种纳米薄膜材料生长装置样品台。

背景技术

分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)是一种物理沉积单晶薄膜方法，其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。由于MBE的生长环境洁净、温度低、具有精确的原位实时监测系统、晶体完整性好、组分与厚度均匀准确，是良好的光电薄膜，半导体薄膜生长工具([1]E.H.C.Parker(Ed.),The Technology andPhysics of Molecular Beam Epitaxy,(Plenum Press,New York,1985)；[2]R.F.C.Farrow(Ed.),Molecular Beam Epitaxy:Applications to Key Materials,Materials Science and Process Technology Series,(Noyes Publications,Berkshire,1995)；[3]M.A.Hermann and H.Sitter,Molecular Beam Epitaxy,SpringerSeries in Materials Science,(Springer-Verlag,Berlin,1996)；[4]A.Y.Cho(Ed.),Molecular Beam Epitaxy(Key papers in applied physics),American Institute ofPhysics,(AIP Press,New York,1994)。

对于当前MBE设备的薄膜生长原理，主流的观点认为薄膜材料的形成，首先是先在晶界、台阶等缺陷位处成核，然后逐渐开始生长。即Kossel-Stranski理论([5]D.Kondrashova and R.Valiullin,Freezing and Melting Transitions underMesoscalic Confinement:Application of the Kossel-Stranski Crystal-GrowthMode,J.Phys.Chem.C 2015,119,4312-4323)它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格的最佳位置是具有三面凹入角的位置。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点，在新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键时，应是成键数目最多，释放出能量最大的位置。质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置：曲折面，具有三面凹角，是最有利的生长位置；其次是阶梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生长位置是无凹角位置。由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时，先长出一条行列，然后再长相邻的行列。在长满一层面网后，再开始长第二层面网。晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。

在实际生长过程中，往往一次沉淀在晶面上的物质层的厚度可达多个分子层，同时也不一定是一层一层的顺序生长堆积，而是一层尚未长完，又有一个新层开始生长，这样继续生长下去的结果是，使晶体表面不平坦，形成晶面阶梯。而且晶体实际生长过程中并非完全按照二维层生长的机制进行，因为当机体的一层棉网生长完成之后，在其上开始生长第二层面网时有很大的困难，其原因是已经长好的面网对原子的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。

在当前的很多材料生长方法中，生长材料的样品台都基本是静止的，所以材料成膜的能量主要来自衬底给予的能量，而衬底的能量通常主要来自温度的调控。由于单纯靠调控衬底的温度，对薄膜的材料的生长控制非常有限，特别是对于一些特定薄膜材料或者某些特定晶面取向的晶体，通常难以长出优质的薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米薄膜材料生长装置样品台。

本发明设有衬底支撑平台、衬底加热器、振动器、热超构材料层和支架，所述衬底支撑平台镶嵌于衬底加热器上，振动器下方衔接支架，用于固定和支撑整个纳米薄膜材料生长装置样品台；所述振动器设于衬底加热器的背面并与衬底加热器底部连接，振动器设有循环计数器、比较器、寄存器、振动马达和振动马达电路，所述循环计数器的输出端接寄存器，比较器与循环计数器连接并输出数据，比较器的输出端控制高低电平的输出，所述振动马达电路与振动马达连接，振动马达电路包括电容、电阻和电源，所述电源与振动马达连接并为振动马达提供电能，循环计数器和比较器输出不同脉冲，而输出的占空比不同的脉冲宽度调制波来操作振动马达不同的振动模式，对振动进行反馈调节，个性化设置不同场景下不同操作提示采用不同的振动方式。

振动器通过控制振动器的振动频率和振动强度，使喷射到衬底上的粒子受到振动，可以沉积到不同的位置，使粒子有更大的几率到达曲折面的位置，进而实现高质量薄膜的生长。

考虑到材料生长腔体的高温环境会影响到振动器的性能，为了解决这一传热问题，科学家提出了热超构材料，即通过将自然材料排布出一定的结构，从而实现奇特的非自然的材料功能，相较于传统装置，它可以用于操控热流的传输，进而实现热隐身的效果。即在由热超构材料包裹的区域温度梯度为零；且在热超构材料包裹的区域内的物品，其温度不受外界影响，也就是热流将完全流经热超构材料，绕过该物品，其原理如图3所示，最终实现热超构材料所包裹的物品免于高温影响。

所述振动器外层由热超构材料层包裹，所述超构材料由耐高温、高比强、具有良好的抗氧化能力和加工工艺性能的难熔金属间化合物Nb-Si基超高温合金材料制成，其具有热隐身、高熔点(高于1750℃)、低密度(6.6～7.2g/cm³)、良好的高温强度和可加工性，以及一定的断裂韧性、疲劳性能等优点。

本发明通过额外给材料薄膜生长过程提供一个振动，使材料更容易在晶界或者台阶处成核生长，进而达到控制晶体表面形貌、晶体厚度、晶体取向等。为了便于理解，这里做一个比喻，假设材料生长过程就像我们生活中往桌子上随意洒上一堆沙子的过程一样，如果桌面是静止的，通常沙子的分布就会平整不一，但是，当为桌子提供一个振动时，桌面上的沙子就会趋于整齐规则。

本发明的有益效果是：通过输出的占空比不同的脉冲宽度调制波来控制振动马达不同的振动模式，对振动进行反馈调节，个性化调节不同生长条件下采用的不同振动模式。特别是在分子束外延装置中，一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余气体等多种表面分析仪器，因此可用多种表面分析仪器实时观察外延层的成分、结晶结构和生长过程，进而在这个过程中不断调整振动器的振动模式，最终达到所需要的材料生长效果，长出高质量的晶体薄膜。

附图说明

图1为本发明实施例的结构侧面示意图。

图2为本发明实施例的振动马达结构框图。

图3为本发明实施例的振动马达电路的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

参见图1～3，本发明实施例设有衬底支撑平台1、衬底加热器2、振动器3、热超构材料层4和支架5，所述衬底支撑平台1镶嵌于衬底加热器2上，振动器3下方衔接支架5，用于固定和支撑整个纳米薄膜材料生长装置样品台；所述振动器3设于衬底加热器2的背面并与衬底加热器2底部连接，振动器3设有循环计数器6、比较器7、寄存器8、振动马达M和振动马达电路，所述循环计数器6的输出端接寄存器8，比较器7与循环计数器6连接并输出数据，比较器7的输出端控制高低电平的输出，所述振动马达电路与振动马达连接，振动马达电路包括电容C、电阻R和电源U，所述电源与振动马达连接并为振动马达提供电能，循环计数器6和比较器7输出不同脉冲，而输出的占空比不同的脉冲宽度调制波来操作振动马达不同的振动模式，对振动进行反馈调节，个性化设置不同场景下不同操作提示采用不同的振动方式。

振动器3通过控制振动器的振动频率和振动强度，使喷射到衬底上的粒子受到振动，可以沉积到不同的位置，使粒子有更大的几率到达曲折面的位置，进而实现高质量薄膜的生长。

考虑到材料生长腔体的高温环境会影响到振动器的性能，为了解决这一传热问题，科学家提出了热超构材料，即通过将自然材料排布出一定的结构，从而实现奇特的非自然的材料功能，相较于传统装置，它可以用于操控热流的传输，进而实现热隐身的效果。即在由热超构材料包裹的区域温度梯度为零；且在热超构材料包裹的区域内的物品，其温度不受外界影响，也就是热流将完全流经热超构材料，绕过该物品，最终实现热超构材料所包裹的物品免于高温影响。

所述振动器外层由热超构材料层包裹，所述超构材料由耐高温、高比强、具有良好的抗氧化能力和加工工艺性能的难熔金属间化合物Nb-Si基超高温合金材料制成，其具有热隐身、高熔点(高于1750℃)、低密度(6.6～7.2g/cm³)、良好的高温强度和可加工性，以及一定的断裂韧性、疲劳性能等优点。

所述振动器，含有一个振动马达和与振动马达电气连接的振动马达电路，其外层包裹一层超构材料。所述振动马达包含有循环计数器6、比较器7和寄存器8，所述循环计数器6输出连接到寄存器8，而比较器7与循环计数器6连接并且比较数据，所述比较器7的输出端控制高低电平输出。

为了避免所述振动器在高温环境中性能受到影响，所述振动器置于金属间化合物Nb-Si基超高温合金材料制成的热超构材料内部，使振动器在材料生长过程中免于高温环境产生的影响。

当用户操作触发振动器需要的振动模式，马达脉冲将开启，在时钟脉冲(即时钟信号)的作用下，循环计数器的五位输出不断增大。五位数字调制信号用寄存器8来控制，不断与循环计数器6的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器6的输出时，比较器7输出高电平，否则输出低电平。循环计数器6循环一个周期后，向寄存器8发出一个使能信号EN，寄存器8送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器7输出端输出的高电平个数将不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。由此可以实现的效果包括强振动、渐强振动、弱振动、渐弱振动，以及各种振动的组合模式，这一点的调控是利用修改脉冲宽度以及配合不同的马达振动频率来实现不同的振动效果。

本发明虽然是基于分子束外延((Molecular Beam Epitaxy，MBE)生长装置提出的一种样品台，但同时，这种由超构材料将振动器包裹并镶嵌置于衬底加热器后面，灵活提供不同的振动模式的样品台也适用于化学气相沉积((Chemical Vapor Deposition，CVD)生长装置、脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)装置和磁控溅射(MagnetronSputtering,MS)装置等薄膜材料生长仪器当中。

Claims (1)

1.一种纳米薄膜材料生长装置样品台，其特征在于设有衬底支撑平台、衬底加热器、振动器、热超构材料层和支架，所述衬底支撑平台镶嵌于衬底加热器上，振动器下方衔接支架，用于固定和支撑整个纳米薄膜材料生长装置样品台；所述振动器设于衬底加热器的背面并与衬底加热器底部连接，振动器设有循环计数器、比较器、寄存器、振动马达和振动马达电路，所述循环计数器的输出端接寄存器，比较器与循环计数器连接并输出数据，比较器的输出端控制高低电平的输出，所述振动马达电路与振动马达连接，振动马达电路包括电容、电阻和电源，所述电源与振动马达连接并为振动马达提供电能，循环计数器和比较器输出不同脉冲，而输出的占空比不同的脉冲宽度调制波来操作振动马达不同的振动模式，对振动进行反馈调节。