CN110257904A - 一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统及对接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统及对接方法，包括分子束外延系统主体、不间断电源、移动车架和涡旋式干泵，移动车架上设涡旋式干泵、控制器和连接控制器的不间断电源，分子束外延系统主体设在移动车架顶部，并与涡旋式干泵连通；分子束外延系统主体包括一个真空腔体和连通在真空腔体下方侧壁的分子泵和小型溅射离子泵，依次连通在真空腔体上方侧壁的反射式高能电子衍射仪的电子枪、玻璃观察窗、传样杆、观察屏和用于连接晶体振荡仪的接口；在真空腔体的底壁和小型溅射离子泵上方两侧分别设有分子束蒸发源及接口；在真空腔体上下侧壁设有手阀和支架。该系统能够在不破坏真空的情况下短距离移动，为处于不同地点的超高真空表征系统提供样品。

Description

一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统及对接方法
技术领域
本发明属于半导体、金属、氧化物镀膜领域，具体涉及一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统及对接方法。
背景技术
超高真空镀膜技术指的是压强小于10-8Pa的真空镀膜技术，其中分子束外延镀膜技术是其主要组成之一。分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy,MBE)是一种利用分子束(或原子束)在单晶衬底表面生长单晶层的真空镀膜技术。它的技术特点是：1)以真空蒸发为气相沉积物质的来源；2)生长空间本底真空达到超高真空级别(压强小于10-8Pa量级)；3)对基片温度和沉积速率等主要工艺参数精确控制；4)对膜层的生长厚度调控达到亚单原子层的精度；5)膜层组分和掺杂浓度可由蒸发源精确调整；6)对薄膜生长情况具有实时原位的测试表征手段。自其发明以来，这种技术已被广泛应用于半导体领域，尤其在制备与光电子技术密切相关的Ⅲ-V族半导体及其超晶格方面取得巨大成功。
分子束外延系统是为实现分子束外延技术的设备，它属于超高真空设备的一种，主要由包含获得和维持设备的真空腔室，以及真空腔体内的分子束蒸发源、基片支座及送片机构、原位生长速率表征等组成。分子束外延系统作为一种样品制备系统，为实现同一样品的多种表面物理特性的原位表征，一般需要与其他各种超高真空样品表征系统的互联，比如扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、角分辨光电子能谱仪(ARPES)、光电发射电子显微镜(PEEM)等。并且，常常由于造价的考虑和场地的限制，以上多种超高真空表征系统一般位于不同的实验室。常规的分子束外延系统一般结构复杂、造价高昂，且不可移动。因此，在保持核心功能的前提下提高分子束外延系统的轻量化，实现移动性及与多种已有超高真空设备对接的能力，是当前分子束外延系统发展的一个方向。
此外，由于我国在半导体技术相关领域一直以来受到西方国家的封锁，国外商业精密分子束外延系统对中国禁运。因此设计制造具有自主知识产权的新型分子束外延系统不但有当前迫切的需求，而且有助于我国在半导体技术相关领域的突破。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种可移动式紧凑型多用途超高真空镀膜系统，它具有可移动、结构紧凑、并与多种超高真空系统实现对接、易于操作和维修等特点，以至少部分解决以上所提出的技术问题。在保有分子束外延系统核心功能的基础上，压缩系统的体积与重量，并提供小型溅射离子泵的电池供电选项，使得该系统在维持超高真空的情况下完成短距离移动并与目标系统互联。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，包括分子束外延主体、不间断电源、移动车架和涡旋式干泵，移动车架上设涡旋式干泵、控制器和连接控制器的不间断电源，分子束外延主体设在移动车架顶部，并与涡旋式干泵连通；
所述分子束外延主体包括一个真空腔体和连通在真空腔体下方侧壁的分子泵和小型溅射离子泵，依次连通在真空腔体上方侧壁的反射式高能电子衍射仪的电子枪、玻璃观察窗、传样杆、观察屏和用于连接晶体振荡仪的接口；在真空腔体的底壁和小型溅射离子泵上方两侧分别设有分子束蒸发源及接口；在真空腔体上下侧壁设有手阀和支架。
进一步，所述分子泵和小型溅射离子泵连通在真空腔体下方侧壁上，由涡旋式干泵连通真空腔体的分子泵，并和小型溅射离子泵构成抽气系统。
进一步，由分子束蒸发源及接口、基片支座、传样杆、手阀构成传输样品与生长样品系统。
进一步，由反射式高能电子衍射仪的观察屏、反射式高能电子衍射仪的电子枪构成原位表征系统。
进一步，所述连通分子泵的管道上连通有准确测量抽气系统真空的热阴极离子规。
本发明进而给出了一种可移动式紧凑型超高真空对接方法，包括如下步骤：
1)关闭本超高真空镀膜系统的分子泵与涡旋式干泵，依靠不间断电源给小型溅射离子泵供电以维持超高真空10-8Pa；
2)保持目标超高真空系统静止，并已经处于超高真空状态10-8Pa；
3)将本超高真空镀膜系统的手阀通过三通分别与泵组和目标超高真空系统的手阀B连通，保持手阀与手阀B的法兰处于同一轴心；
4)启动泵组，等待连接处的真空度达到要求值10-8Pa；
5)开启两个手阀，使用传样杆对超高真空系统传样或者取样；
6)样品传输完毕后，关闭手阀和超高真空系统的手阀B，停止抽真空，并通过泵组对连接处放气直到气压恢复到接近一个大气压；至此断开连接处的三通，移走本系统。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明是一台可移动的超高真空镀膜系统，能够在不破坏真空的情况下短时间内移动，为处于不同地点的超高真空表征系统提供样品。
2.本发明是一台紧凑型超高真空镀膜系统，占地面积小，造价低，适合小型实验室使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明超高真空镀膜系统的整体立体图；
图2是本发明超高真空镀膜系统的分子束外延主体的第一视角下的立体图；
图3是本发明超高真空镀膜系统的分子束外延主体的第二视角下的立体图；
图4是本发明超高真空镀膜系统的不间断电源的立体图；
图5是本发明超高真空镀膜系统与其他超高真空系统互联的示意图。
附图标记:
1--分子束外延主体；2--不间断电源；3--移动车架；4—涡旋式干泵；21--真空腔体；22—分子泵；23--小型溅射离子泵；24--分子束蒸发源及接口(共5个)；25—基片支座；26—传样杆；27--热阴极离子规；28—反射式高能电子衍射仪的观察屏；29—反射式高能电子衍射仪的电子枪；210—手阀；211—支架；31—玻璃观察窗；32—接口(晶体振荡仪)；41--铅酸蓄电池组；42--控制器；51--三通；52--波纹管；53—泵组；54--手阀B；55—超高真空系统B；56—基片支座B；57—静止支架。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的可移动式紧凑型多用途超高真空镀膜系统，包括：分子束外延主体1、不间断电源2、移动车架3和涡旋式干泵4(属于分子束外延主体)。其中移动车架3上设涡旋式干泵4和不间断电源2，分子束外延主体1设在移动车架3顶部，并与涡旋式干泵4连通。
下面结合附图，对本发明的各个部分进行详细介绍。
图2和图3是分子束外延主体在两个不同视角下的立体图。
参照图2和图3所示，分子束外延主体的组成是真空腔室、抽气系统、分子束蒸发源、样品支座与传样机构、原位表征系统。该主体保证了本发明具有分子束外延系统的核心功能，即生长原子级平整的薄膜。分子束外延主体的各个组件包括：一个真空腔体21，在真空腔体21下方侧壁上分别连通有分子泵22和小型溅射离子泵23，连通分子泵22的管道上连通有热阴极离子规27；在真空腔体21的底壁和小型溅射离子泵23上方两侧分别设有分子束蒸发源及接口24(共5个)；在对应小型溅射离子泵23上方的真空腔体21上设有反射式高能电子衍射仪的观察屏28；在对应分子泵22上方的真空腔体21上设有反射式高能电子衍射仪的电子枪29；在真空腔体21顶部设有基片支座25；并在反射式高能电子衍射仪的电子枪29两侧的真空腔体21侧壁上设有对称分布的玻璃观察窗31和用于连接晶体振荡仪的接口32；在玻璃观察窗31和接口32两侧的真空腔体21侧壁上连接有传样杆26和手阀210，手阀210下方设有支架211。
真空腔体21属于筒形腔体，直径约20cm，高度约30cm，重量约20kg，容积约15L。该真空腔体的直径由规格为CF150的法兰确定。
由涡旋式干泵4连通真空腔体21的分子泵22和小型溅射离子泵23构成了本发明的抽气系统，使本发明的真空能达到10-8Pa量级。并且，通过热阴极离子规27能够准确测量到该真空。
由分子束蒸发源及接口(共5个)24、基片支座25、传样杆26、手阀210构成了本发明的传输样品与生长样品的系统。
由反射式高能电子衍射仪的观察屏28、反射式高能电子衍射仪的电子枪29构成本发明的原位表征系统。
以上组件，保证了本发明能够在超高真空下，生长原子级平整薄膜，并原位表征，这一核心功能。
图4是本发明的不间断电源的立体图。
参照图4所示，不间断电源2包括铅酸蓄电池组41和控制器42。
铅酸蓄电池组41共计12个，分两层放置于移动车架3上。单个电池的主要参数为：电压12V，容量38Ah，体积197*165*170mm3，重量11.4kg。该电池组总共能提供约5000Wh能量。
控制器42放置于移动车架3的上面，在本发明中的主要作用是控制铅酸蓄电池41的充放电、直流与交流转换。此外，其还具有滤波、防断电等功能。
以下结合图5，详细说明本发明与超高真空系统互联的具体方法。
参照图5，本发明与另一超高真空系统原位对接示意图。其中，三通51、波纹管52的法兰均是CF35规格，可连接到本发明的手阀210与超高真空系统B55的手阀B54。泵组53由机械泵与分子泵组成，并能测量真空度。
当需要对接时，将架设在静止支架57上的超高真空系统B55静止，并已经处于超高真空状态，约10-8Pa。超高真空系统B55顶部设有基片支座B57。关闭本系统的分子泵22与涡旋式干泵4，依靠不间断电源2给小型溅射离子泵23供电，维持超高真空，约10-8Pa。保持目标超高真空系统55静止，并已经处于超高真空状态10-8Pa；移动车架3，调节支脚，将本超高真空镀膜系统的手阀210通过三通51分别与泵组53和目标超高真空系统55的手阀B54连通，直到手阀210与手阀B54的法兰近乎处于同一轴心，此时连接三通51，波纹管52，泵组53，并给三通51缠上加热带。启动泵组53，直到连接处的真空度达到要求值，必要时对三通加热除气，约10-8Pa。此时可以开启两个手阀，使用传样杆26对超高真空系统55传样或者取样。样品传输完毕后，关闭两个手阀，停止抽真空，并通过泵组53对连接处放气直到气压恢复到接近一个大气压。此时可拆开连接处的三通51等，移走本超高真空镀膜系统。
以上操作，完成了本发明与超高真空系统B55的真空互联，并达成了两者间的样品传递。
特别地，考虑到小型溅射离子泵23在维持超高真空时的功率很小，不高于500W，不间断电源2的能量能够保证其10小时内的供电，足够本发明在切断市电情况下的短距离移动。
综上所述，本发明设计了一款小型、便捷的超高真空镀膜系统，结合不间断电源、移动车架，在实现了分子束外延镀膜这一核心功能的基础上，能够移动且与其他超高真空系统互联。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，其特征在于，包括分子束外延主体(1)、不间断电源(2)、移动车架(3)和涡旋式干泵(4)，移动车架(3)上设涡旋式干泵(4)、控制器(42)和连接控制器(42)的不间断电源(2)，分子束外延主体(1)设在移动车架(3)顶部，并与涡旋式干泵(4)连通；
所述分子束外延主体包括一个真空腔体(21)和连通在真空腔体(21)下方侧壁的分子泵(22)和小型溅射离子泵(23)，依次连通在真空腔体(21)上方侧壁的反射式高能电子衍射仪的电子枪(29)、玻璃观察窗(31)、传样杆(26)、观察屏(28)和用于连接晶体振荡仪的接口(32)；在真空腔体(21)的底壁和小型溅射离子泵(23)上方两侧分别设有分子束蒸发源及接口(24)；在真空腔体(21)上下侧壁设有手阀(210)和支架(211)。
2.根据权利要求1所述的一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，其特征在于，所述分子泵(22)和小型溅射离子泵(23)连通在真空腔体(21)下方侧壁上，由涡旋式干泵(4)连通真空腔体(21)的分子泵(22)，并和小型溅射离子泵(23)构成抽气系统。
3.根据权利要求1所述的一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，其特征在于，由分子束蒸发源及接口(24)、基片支座(25)、传样杆(26)、手阀(210)构成传输样品与生长样品系统。
4.根据权利要求1所述的一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，其特征在于，由反射式高能电子衍射仪的观察屏(28)、反射式高能电子衍射仪的电子枪(29)构成原位表征系统。
5.根据权利要求1所述的一种可移动式紧凑型超高真空镀膜系统，其特征在于，所述连通分子泵(22)的管道上连通有准确测量抽气系统真空的热阴极离子规(27)。
6.一种权利要求1所述系统的超高真空对接方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)关闭本超高真空镀膜系统的分子泵(22)与涡旋式干泵(4)，依靠不间断电源(2)给小型溅射离子泵(23)供电以维持超高真空10-8Pa；
2)保持目标超高真空系统(55)静止，并已经处于超高真空状态10-8Pa；
3)将本超高真空镀膜系统的手阀(210)通过三通(51)分别与泵组(53)和目标超高真空系统(55)的手阀B(54)连通，保持手阀(210)与手阀B(54)的法兰处于同一轴心；
4)启动泵组(53)，等待连接处的真空度达到要求值10-8Pa；
5)开启两个手阀，使用传样杆(26)对超高真空系统(55)传样或者取样；
6)样品传输完毕后，关闭手阀(210)和超高真空系统(55)的手阀B(54)，停止抽真空，并通过泵组(53)对连接处放气直到气压恢复到接近一个大气压；至此断开连接处的三通(51)，移走本系统。
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