CN111710628B - 一种超高真空环境多功能样品台及样品原位图案化的方法 - Google Patents

一种超高真空环境多功能样品台及样品原位图案化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高真空环境多功能样品台及样品原位图案化的方法，包括加热台、加热单元和存样台；加热台设于加热单元上方，存样台位于加热单元后端通过直流电源连接样品托板、电刷实现样品托板直流加热；通过直流电源连接加热丝实现样品托板的热辐射加热和电子束轰击加热；将材料沉积于掩膜板托板下的样品托板上。本发明结构简单、易于维护，具备多种样品加热模式，同时还具有原位的样品图案化功能，且两种功能可可独立也可同时工作。大大减少了器件加工的工序，也减小了器件加工过程中对样品本身性能的破坏。能满足实验室需求。

Description

一种超高真空环境多功能样品台及样品原位图案化的方法
技术领域
本发明涉及真空技术领域，特别是一种用于超高真空环境的多功能样品台及样品原位图案化的方法。
背景技术
超高真空环境是指压强处于10-6-10-8Pa范围的真空环境。在超高真空环境中，残余分子密度极小，分子平均自由程远大于容器特征尺寸，这使得样品清洁表面不易受分子吸附污染，即可维持较长时间的清洁表面。真空技术在半导体工业、航空航天、表面科学研究等领域有广泛应用。特别是对微电子产业中芯片的制造与加工中，有着重要作用。因此，发展用于超高真空环境的设备显得尤为重要。
在超高真空技术中，样品处理技术十分关键。在样品处理中，应用最广泛的就是给样品加热或退火。其主要作用包括：1)去除基底表面物理吸附的杂质，形成洁净表面；2)使表面原子获得动能，形成新的表面重构；3)在材料沉积过程中，控制基底温度，调控其结构和物相的形成。并且，对于不同材料种类的样品和不同温度需求，可采取的加热方式也不同。一般来说，对于低于1000℃的需求，主要采用辐射加热；对于高于1000℃的需求，采用电子束轰击加热；特别地，对于具有合适电阻率的半导体样品，可采取直接给样品通直流电流加热。
另一方面，原位图案化技术是半导体器件研究中的一种重要技术。即在材料沉积过程中，在基底上以特定的微小间距放置具有特定镂空图案的掩膜板，从而使生长的薄膜自然获得模板上特定的图案。这项技术的优势在于图案可一次成型，不需要多个步骤繁琐的光刻等微加工工艺，从而避免了图案化过程中对材料的破坏与污染。例如，在研究自旋轨道耦合效应中使用的重金属/磁性金属薄膜的霍尔器件，即可通过此工艺完成，再配合原位的探针测量技术，可做到从材料制备到信号测量全部在真空条件下完成。即减小了加工难度和复杂度，又最大程度保证了数据的真实性。但是，原位图案化技术实现的基础是材料能够在适宜条件下合成，典型的条件如合适的温度区间，这就要求原位图案化技术必须结合到样品加热技术上。
此外，在超高真空技术中，为追求更高的效率，往往有以下要求：1)希望尽可能减少开腔更换样品的次数；2)样品在不同的实验流程的间隔期，需要保存在超高真空环境中；3)同一个实验流程往往需要用到与样品相关的配件。例如，在原位图案化技术中，需要随时调用与样品适配的阴影掩膜板。这些都要求样品台具备存储多个样品和对应配件的功能。
然而，目前在超高真空技术领域，缺乏一种同时兼顾上述多种需求的装置。并且，在超高真空环境中，在实现多种功能的同时，要考虑多种问题，例如高压安全、短路问题、温度监测、掩膜板原位安装、结构紧凑等。
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用于超高真空环境中具备宽范围变温条件下的原位图案化合成及处理样品的功能的多功能样品台及其方法，其结构简单、成本低廉、易于维护。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据一示例性实施例，一种用于超高真空环境的多功能样品台，包括加热台、加热单元和存样台；所述加热台设于加热单元上方，存样台位于加热单元后端；
所述加热台包括金属台、位于金属台上的电刷、样品托板、掩膜板托板和测温单元；所述电刷、样品托板与直流电源连接，测温单元与样品托板连接；
所述加热单元包括热屏蔽板、位于屏蔽板上方的陶瓷板和加热丝；所述加热丝与直流电源连接；
所述存样台包括一个用于放置样品托板的框形架，和其一侧连接一块用于放置加热台和加热单元的平板；
通过直流电源连接样品托板和电刷，实现样品托板直流加热；通过直流电源连接加热丝，实现样品托板的热辐射加热；通过直流电源连接加热丝，高压电源连接样品托板实现样品托板的电子束轰击加热；将材料沉积于掩膜板托板下的样品托板上。
进一步，所述样品卡槽具有双层插槽，分别独立安装载有样品的样品托板和嵌入有阴影掩膜板的掩膜板托板，或同时安装样品托板和掩膜板托板。
进一步，所述电刷位于金属台上方，电刷一端连接直流电源，另一端连接样品托板的接电端。
进一步，所述存样台框形架上设有若干个存样槽，存样台的平板上开有镂空槽和固定通孔。
本发明实施例进而提供了一种所述样品台进行样品原位图案化的方法，包括：
直流加热工作模式下，电流流经电刷、直流加热样品托板、半导体样品；给半导体样品加热；
热辐射加热工作模式下，加热丝被通直流电流，产生的热辐射传递给金属台上的样品托板；
电子束轰击加热工作模式下，在高压电源的作用下，加热丝辐射热电子加热半导体样品；
在辐射加热和电子束轰击加热的基础上，样品托板和阴影掩膜板分别安装于金属台的样品卡槽中，沉积材料于阴影掩膜板下方样品托板上，得到具有阴影掩膜板图案的样品。
进一步，在辐射加热和电子束轰击加热的基础上，安装样品托板，先沉积材料得到无图案化的样品，再插入阴影掩膜板，然后再沉积材料，得到具有立体结构的图案化样品。
进一步，安装或更换样品托板或掩膜板托板，均通过设备具有的磁力杆在超高真空条件下完成。
进一步，所述样品托板、掩膜板托板和阴影掩膜板均采用耐高温金属钼材制作。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明由于采用了具备双层插槽的一体成型的耐高温金属台及对应加热单元，以及存储阴影掩膜板的存样台，因此具备了宽范围变温条件下的原位图案化合成及处理样品的功能。
本发明由于采用了将存样卡槽、阴影掩膜板卡槽、加热单元和存样台等结合到一起的设计，具备了在不破坏真空条件下同时合成、处理、加工多个样品的功能，这大大减少了现有技术中器件加工的工序和器件加工过程中对样品本身性能的破坏。
本发明提供了一款体积小巧、结构简单、易于维护的多功能样品台，具备多种样品加热模式，同时还具有原位的样品图案化功能，且两种功能可可独立也可同时工作。本发明能满足实验室需求，也能为器件研发提供帮助。
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是本发明的结构示意图；
图2是本发明的部件加热台和加热单元的结构示意图；
图3是本发明与阴影掩膜板的结构示意图；
图4是本发明的部件存样台的结构示意图。
图中：101、加热台；102、加热单元；103、存样台；104、固定螺栓；105、热屏蔽罩；
201、金属台；202、陶瓷垫片；203、电极螺钉；204、接地线螺栓；205、调节螺钉；206、电刷；207、样品托板；208、测温单元；209、绝缘陶瓷；211、热屏蔽板；212、加热丝；213、陶瓷板；214、样品卡槽；215、阴影掩膜板插槽；
270、半导体样品；271、接电端；272、接地端；
301、掩膜板托板；320、阴影掩膜板；
401、存样槽；404、存样台通孔；405、固定通孔；406、镂空槽；407、导线穿孔。
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，本发明用于超高真空环境的多功能样品台，包括加热台101、加热单元102、存样台103和热屏蔽罩105，其中，加热单元102位于样品台本体上，加热台101设于加热单元102上方，加热台101通过两套固定螺栓104固定在加热单元102上，加热单元102上罩有热屏蔽罩105，存样台103位于加热单元102后端。
两套固定螺栓104分别穿过加热台101、加热单元102和存样台103的通孔并固定。
参照图2所示，为加热台101和加热单元102的结构示意图(热屏蔽罩105内结构)。加热台101包括金属台201、电刷206、电极螺钉203、调节螺钉205、陶瓷垫片202、测温单元208和接地线螺栓204。
其中，金属台201的样品卡槽214两侧开有通孔，用于连接固定螺栓104。金属台201通过两个固定螺栓104固定在加热单元102的陶瓷板213上；金属台201采用耐高温的金属材质加工而成，比如钼、钨、钽、钛等。
金属台201中部开有双层插槽，分别为样品卡槽214和阴影掩膜板插槽215，在样品卡槽214和阴影掩膜板插槽215分别独立安装载有样品的样品托板207和嵌入有阴影掩膜板320的掩膜板托板301，或同时安装样品托板207和阴影掩膜板320，见图3所示。样品卡槽214用于装载样品托板207，样品托板207采用商业上广泛使用的直流加热样品托板。样品托板207上固定有半导体样品270；半导体样品270两端分别连接有接电端271和接地端272，接电端271与直流电源连接。样品卡槽214两端装有通过限位槽固定的测温单元208。金属台201的另一端部安装有直流电刷单元220和接地线螺栓204，接地线螺栓204和测温单元208固定在金属台201上。测温单元208包括热电偶丝、陶瓷螺钉和热解氮化硼垫片；热电偶丝栓在陶瓷螺钉和热解氮化硼垫片中间，与金属台201绝缘，陶瓷螺钉固定于金属台201中部的螺孔上。测温单元208设于样品卡槽214一侧，并与外电路连接。直流电刷单元220包括电极螺钉203、调节螺钉205和电刷206，其中，电极螺钉203和调节螺钉205依次穿过电刷206右部的通孔和陶瓷垫片202，固定在金属台201上，调节螺钉用于调节电刷与金属台的间距。电刷206一端分别通过电极螺钉203连接直流电源，通过接地线螺栓204接地，电刷206另一端连接样品托板207的接电端271。调节螺钉和陶瓷垫片均为绝缘陶瓷材质，绝缘地固定于金属台左端的两个螺孔上。直流导线和接地导线(图中均未画出)分别栓接在电极螺钉203和接地线螺钉204上。
加热单元102包括热屏蔽板211、加热丝212、陶瓷板213和热屏蔽罩105，通过固定螺栓104依次将陶瓷板213、热屏蔽罩105和热屏蔽板211连接在金属台201下方，加热丝212位于金属台201和陶瓷板213之间。加热丝212与直流电源连接；热屏蔽罩105和热屏蔽板211两端具有两个大通孔，穿过固定螺栓，用于屏蔽加热丝212对周边和存样台的热辐射。
陶瓷板213通过两端的两个大通孔，固定于固定螺栓上；中部有多个小通孔，穿接加热丝212。
并且，在热屏蔽板211下方设有绝缘陶瓷209，由于绝缘陶瓷209的隔绝，整个加热台101与存样架103绝缘，只通过接地线接地。
本发明的工作过程如下：
直流加热工作模式下，电流经直流导线流经电刷206和直流加热样品托板207的接电端271，传入半导体样品270后，经由直流加热样品托板207的接地端272、金属台201、接地线螺钉204接地，从而形成电流回路。半导体样品270由于电流作用产生焦耳热给自身加热。
热辐射加热工作模式下，加热丝212被通直流电流，产生的热辐射经由金属台201中部的镂空槽(图中未显示)能够直接传递给金属台201中间的样品托板207。加热丝212采用扁平化结构，较现有的螺线形结构，具有加热更均匀的优点。并且，陶瓷板213、热屏蔽罩105和热屏蔽板211绝大程度隔绝了热辐射向反方向传递。
电子束轰击加热工作模式下，在高压电源的作用下，加热丝212连接直流电源，金属台201不再需要接地，而是通过接地导线接高压电源(图中未画出)的正极。此时金属台201连同样品托板207处于高电势，加热丝212辐射出的热电子受电场引导，通过镂空槽直接轰击到样品托板207的背面，起到加热作用。
参照图3，本发明可用于原位图案化样品技术。装有样品的样品托板207安装于金属台201的样品卡槽214中，阴影掩膜板320安装于改装后的旗形的掩膜板托板301中间。样品卡槽214具有双层插槽，分别独立安装样品托板207和掩膜板托板301，或同时安装样品托板207和掩膜板托板301。如图3中所示，待样品托板207和掩膜板托板301安装完毕后，再沉积材料，这样得到的样品即具有了阴影掩膜板320的图案。也可根据需求，只安装样品托板207，先沉积材料得到无图案化的样品，再插入阴影掩膜板320，然后沉积材料，得到具有立体结构的图案化样品。此外，在非精度要求苛刻的情形下，利用本发明的存样台103，通过更换掩膜板，可得到具有不同立体图案的样品。值得说明的是，以上安装或更换样品托板207掩膜板托板301的操作，均是通过设备现有的磁力杆(图中未画出)，在超高真空条件下完成，最大程度保护了样品的洁净度和本来的特性。并且，由于阴影掩膜板320和掩膜板托板301均采用耐高温金属材质钼制作，在原位图案技术进程中不妨碍样品加热过程。
参照图4，本发明的部件之一存样台103是一体加工成型，材质选用易于加工的金属材料，以不锈钢为优选。存样台103包括一个框形架结构，框形架一侧连接一块用于放置加热台101和加热单元102的平板，在框形架底壁和顶壁设有若干个存样槽401，存样台的存样槽具有同时存储样品和阴影掩膜板的功能，适用于目前实验中广泛使用的旗形的样品托板207插入。在存样台103框形架外侧壁上设有存样台通孔404，能够与外设的支撑件(图中未显示)铆接。在存样台通孔404下方开有多个导线穿孔407，起到支撑和引导导线(图中未显示)的作用。存样台103右侧的平板上开有固定通孔405和镂空槽406，镂空槽406可以减少加热单元102对存样台103的传热，固定通孔405用于安装绝缘陶瓷209。
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 (5)

1.一种用于超高真空环境的多功能样品台，其特征在于，包括加热台(101)、加热单元(102)和存样台(103)；所述加热台(101)设于加热单元(102)上方，存样台(103)位于加热单元(102)后端；
所述加热台(101)包括金属台(201)、位于金属台(201)上的电刷(206)、样品托板(207)、掩膜板托板 (301)和测温单元(208)；所述电刷(206)、样品托板(207)与直流电源连接，测温单元(208)与样品托板(207)连接；
所述加热单元(102)包括热屏蔽板(211)、位于屏蔽板(211)上方的陶瓷板(213)和加热丝(212)；所述加热丝(212)与直流电源连接；
所述存样台(103)包括一个用于放置样品托板的框形架，和其一侧连接一块用于放置加热台(101)和加热单元(102)的平板；
通过直流电源连接样品托板(207)和电刷(206)，实现样品托板(207)直流加热；通过直流电源连接加热丝(212)，实现样品托板(207)的热辐射加热；通过直流电源连接加热丝(212)，高压电源连接样品托板(207)实现样品托板(207)的电子束轰击加热；将材料沉积于掩膜板托板 (301)下的样品托板(207)上；
所述金属台(201)具有双层插槽，分别独立安装载有样品的样品托板(207)和嵌入有阴影掩膜板(320)的掩膜板托板(301)，或同时安装样品托板(207)和掩膜板托板(301)；
所述电刷(206)位于金属台(201)上方，电刷(206)一端连接直流电源，另一端连接样品托板(207)的接电端(271)；
所述存样台(103)框形架上设有若干个存样槽(401)，存样台(103)的平板上开有镂空槽(406)和固定通孔(405)。
2.一种基于权利要求1所述的样品台进行样品原位图案化的方法，其特征在于，包括：
直流加热工作模式下，电流流经电刷(206)、直流加热样品托板(207)和半导体样品(270)，给半导体样品(270)加热；
热辐射加热工作模式下，加热丝(212)被通直流电流，产生的热辐射传递给金属台(201)上的样品托板(207)；
电子束轰击加热工作模式下，在高压电源的作用下，加热丝(212)辐射热电子加热样品；
在辐射加热和电子束轰击加热的基础上，样品托板(207)和嵌入有阴影掩膜板(320)的掩膜板托板 (301)分别安装于金属台(201)的样品卡槽(214)中，沉积材料于阴影掩膜板(320)下方样品托板(207)上，得到具有阴影掩膜板(320)图案的样品。
3.根据权利要求2所述的样品原位图案化的方法，其特征在于，在辐射加热和电子束轰击加热的基础上，安装样品托板(207)，先沉积材料得到无图案化的样品，再插入阴影掩膜板(320)，然后再沉积材料，得到具有立体结构的图案化样品。
4.根据权利要求2所述的样品原位图案化的方法，其特征在于，安装或更换样品托板(207)或掩膜板托板(301)，均通过设备具有的磁力杆在超高真空条件下完成。
5.根据权利要求2所述的样品原位图案化的方法，其特征在于，所述样品托板(207)、掩膜板托板(301)和阴影掩膜板(320)均采用耐高温金属钼材制作。
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